奈米技術研究
奈米材料
如在「奈米尺度的性質」一節中討論的，材料的性質──電學、光學、磁學、力學和化學性質──與它們確切的尺寸有關。這也開闢了以操控奈米結構來發展新型和改良型材料的新方式。將奈米工程生成的材料經過分級組合成更大的結構或裝配成設備，可提供製作全新材料和機器的基礎。
自然界的物體組合指出了改進結構材料的方式。經常被人提到的鮑魚貝殼，為堅硬易碎的奈米結構無機物如何與柔「韌」的有機物結合產生強硬耐久的奈米複合材料，提供一個完美的例證。從本質上說，這些奈米複合材料是由被糖蛋白「膠」黏在一起的碳酸鈣「磚」而構成。諸如黏土奈米複合材料(polymer-clay nanocomposite)的新工程材料不斷出現，它們不僅堅硬有韌性，而且重量輕，比傳統強化塑膠更易於回收利用。這些在結構材料上的改進對運輸工業特別重要，減少重量使燃料經濟得到直接的改善。其他改良可以提高安全性，或減少製造和回收的環境影響。進一步的改良，例如可以預示將發生的錯誤甚至自己修復缺失的真正聰明的材料，可能實現於未來的複合材料上。
感測器是幾乎所有現代控制系統的重要環節。例如，多重感測器用在汽車的各項任務上──引擎管理、點火控制、可靠性、安全性、舒適性、車輛監測和判斷。這類物理感測器的傳統應用一般依賴微尺度的感測元件，奈米材料及其結構的發展則導致新的電、光和磁奈米感測器的出現，這類感測器有時被稱為「智慧塵」(smart dust)。由於體積小，奈米感測器顯示出前所未聞的速度和靈敏度，在某些情況下甚至可以用來探測單分子。例如，由奈米碳管、矽或其他半導體材料製成的奈米線(nanowire)對化學物種或生物製劑格外靈敏。使分子附著於奈米線表面，局部的電子能帶結構會發生擾動，可造成通過奈米線的電流發生變化。依靠表面覆蓋著能選擇性地附著於特定物種的感測器分子的奈米線，就可以用電荷引起的電流變化來探測該物種是否存在。同樣的方法已被採用於許多種類的感測系統中。具有超高靈敏度和特異性的新型感測器將會有多種應用；例如，可以在癌腫瘤僅由一些細胞組成時即將其探測出來的感測器，會是非常重要的進步。
奈米材料還是優良的濾器，可以分離工業廢水中的重金屬和其他污染物。奈米技術對於地球上多數人類生活的最大潛在影響之一是經濟實惠的水淡化和淨化。奈米材料極可能在以下方面發現重要用途：燃料電池、能量的生物轉換(bioconversion)、食品的生物加工(bioprocessing)、廢棄物整治和污染控制系統。
關於奈米粒子，近來引起關注的是它們的微小尺寸和新奇性質是否可能引發重大的健康和環境風險。一般來說，諸如影印機的碳粉或者內燃機和工廠產生的煙塵等這類超細微粒，對人類和動物的呼吸和心血管有不良影響。對於某些奈米尺度粒子是否會引發較高風險乃至需要特別立法加以限制，相關研究正在進行中。要特別關注的是吸入粒子的潛在致癌風險，以及極小的奈米粒子穿過血-腦屏障將造成的未知效應。目前引起衛生官員注意的奈米材料有奈米碳管、布基球和硒化鎘量子點。經由皮膚吸收氧化鈦奈米粒子(用於防曬劑)的研究亦在計畫之中。就毒性、傳遞和奈米粒子在生態系統和環境方面的全面結果進行更廣泛的研究至今還未開展。一些早期的動物研究備受爭議，例如涉及導入極高水準的奈米粒子，這會導致許多個體迅速死亡。
生物醫學和保健
藥物投遞
奈米技術將以多種方式影響醫學治療。首先，奈米粒子在設計和製造上的進步為藥物投遞和藥物療法提供新的選擇。每年開發出的新藥有一半以上是非水溶性的，這使藥物投遞變得困難。然而，以奈米粒子形式，這些藥物會更容易地被傳遞至目的地，而且可以用藥丸的傳統形式投遞。
更重要的，奈米技術可以使藥物精確地投遞至身體的正確部位，並按最佳治療預定的時間方案釋放藥劑。常用的方式是把藥物依附於奈米尺寸的載體上，載體將在經過一段時間後在體內釋放藥物，或者在受到特定誘發時釋放。此外，可以對這些載體的表面加以處理，使其可尋找並局限於患部，例如附著於癌腫瘤上。這種應用中特別受到關注的一種分子類型是有機樹枝狀聚合物(dendrimer)。樹枝狀聚合物是一種特殊種類的聚合物分子，從一個空心中央區域穿進穿出。這些球形的「毛球」大約是典型蛋白質分子的大小，但不能像蛋白質一樣釋放。對樹枝狀聚合物的研究興趣出於它可以變換空腔的大小和化學性質以攜帶不同的治療劑。研究人員希望設計出不同的樹枝狀聚合物，當它們接觸到指明疾病標的的特定分子時能夠增強和釋放其攜帶的藥物。目前人們正在探討將這種奈米粒子引導藥物投遞的方法作為一種常規手段用於其他類型的奈米粒子
另一種方式採用覆金的奈米殼(nanoshell)，它的大小可以調整以吸收不同波長的光能。尤其是紅外線可以穿透人體組織數公分，能夠精巧地加熱這種囊狀物，從而釋放其中的治療物質。進一步地，抗體可以附著於殼的塗金外層表面，以便與特定腫瘤細胞結合，減少對周圍健康細胞的損傷。
生物鑑定
奈米醫學中第2個研究重點是開發新的診斷工具。該領域的研究興趣從單基因或單細胞水準的基礎生物醫學研究到保健服務的定點照護(point-of-care)應用。隨著分子生物學的發展，許多診斷工作現都集中於檢測特定的生物學「表徵」。這些分析被稱為生物鑑定。例如，確定何種基因與特定疾病或治療藥物有活性反應的研究。一個常用的方法是將螢光染料分子附著於標的生物分子上，以顯示出其濃度。
另一種生物鑑定的方法是利用半導體奈米粒子(例如硒化鎘)，它會依尺寸大小而發射特定波長的光。不同大小的粒子可以標記為不同的受器，比起利用染料分子來識別，這樣做能有更多不同的色標可利用。染料中螢光因重覆發射而減弱的缺點也可以避免。此外，各種大小的粒子，可以封入乳膠粒子，它們產生的波長解讀起來就像條碼。這個仍然在探索階段的方法將可以為生物鑑定提供大量的鑑別標籤。
在生物鑑定中的另一個奈米技術是將要檢測的基因序列中的半個單鏈互補DNA片段附著於一組金粒子，而另一半附著於另一組金粒子。當目標物質出現於溶液中時，兩個附著物會導致金球聚集，使光學性質發生巨大變化，其變化可在溶液的顏色中看出。如果序列的兩半不能匹配，將不會發生聚集也看不到變化。
不涉及光學探測技術的奈米粒子方法也在研究中。例如，磁奈米粒子可以附著於抗體上，再由抗體識別和附著於特定的生物分子。此時的磁粒子則起到標籤和「把手」的作用，磁場可以藉此在微升(microlitre)或奈升(nanolitre)尺度的樣品中混合、提取或者識別被附著的生物分子。例如，磁奈米粒子在一段時間內保持單一區域磁化，使之能夠在磁場中被校準和探測。尤其是被附著的抗體-磁奈米粒子結合體會緩慢旋轉並發出一個可識別的磁信號。與此相反，沒有附著於被探測到的生物材料上的磁標籤抗體，旋轉較為快速因而不會發出同樣的識別信號。
微流體系統(microfluidic system, 或稱「晶片上的實驗室」)已發展供微小樣品的生物化學鑑定之用。大量電子和力學元件通常被塞進不超過信用卡大小的可攜單位中，它們對處理生化領域中的快速分析特別有用。雖然微流體系統最早在微尺度(即1公尺的百萬分之一)中操作，但奈米技術已帶來新的概念，在未來將可能發揮更大作用。例如，DNA分離對於熵效應特別敏感，就如釋放給定長度的DNA片段所需的熵(entropy)。一種分離DNA的新方法是利用經由通過一個奈米尺度的端子或通道陣列，從而使不同長度的DNA分子以不同的速率展開。
其他研究人員則關注於探測奈米寬度的DNA鏈穿過奈米尺度的細孔時的信號變化。早期研究用的是病毒在膜上鑽的孔，人工加工的奈米孔亦在試驗中。藉由在液態電池中對膜的一側施加電位能以推動DNA通過，當分子的不同基本單元重覆通過孔時，可以測出離子流的改變。奈米技術在整個生物鑑定領域中實現的進展，將以多種途徑對保健產生明確的衝擊，從早期探測、快速臨床分析和居家監測到對分子生物學和對抗疾病的基因治療的新理解。
輔助裝置和組織工程
奈米技術的另一個生物醫學應用是為喪失或缺少特定自然功能的人們提供輔助裝置。例如，研究人員希望為視力受損者設計視網膜植入物。其設計思想是植入具有光電偵測器陣列的晶片，將信號從視網膜經由視神經傳送到大腦。有意義的空間資訊，即使是處於尚未完全發展的水準，對盲人來說也有很大的幫助。這樣的研究展示出要設計在無機裝置和生物系統之間介面工作的混合式系統會面臨的巨大挑戰。
密切相關的研究包括在腦組織中植入奈米尺度的神經探針以啟動和控制運動功能。這需要許多作用於神經元的有效且穩定的電極「線路」。這是令人興奮的，因為有可能使運動神經受損的人恢復控制。已有研究顯示使用電信號刺激脊髓受損者的神經可恢復些許運動功能。研究人員正在尋求可能的途徑以協助骨、皮膚和軟骨的再生和治療。例如，發展具有奈米尺寸孔隙的生物相容或生物降解合成結構，作為施放化學物質輔助修復過程時再生特定組織的模版。在更複雜精細的水平上，研究人員希望有朝一日能製造奈米尺度或微尺度的機器，用於修理、輔助或替換更複雜的器官。
資訊科技
半導體專家認為，「常規」電子裝置的不斷小型化將不可避免地達到根本的極限，原因在於諸如「隧道效應」的量子效應。隧道效應使電子跳出預設的電路，在設備間產生原子量級的干擾。就這點來說，想進一步發展資料儲存和資訊處理需要全新的方法。例如，已經想像出以量子計算或生物分子計算為基礎的全新系統。
分子電子學
將分子用於電子設備的構想最早於1970年代由西北大學的拉特納(Mark Ratner)和IBM的阿維朗(Avi Aviram)所提出，但是直到進入21世紀才出現合適的奈米技術工具。連接約寬0.5奈米、長數奈米的分子仍為一個大難題，對於經由單個分子的電傳輸的認識也才剛興起。例如，一些研究小組已能夠演示分子開關(molecular switch)，可想像將它用於電腦記憶體或邏輯陣列。當前的研究領域包括引導分子選擇的機制；把分子組裝成奈米門的結構布局；以及類似電晶體性質的三端分子。更基本的一些研究包括DNA計算，在矽晶片上的單鏈DNA可以將所有可能的變數值編碼，而互補鏈的相互作用將用於求解的並行處理(parallel processing)。與分子電子學相關的是有機薄膜電晶體和發光體領域，其中可能的新應用包括可以像壁紙一樣捲起的顯示器和可彎曲的電子報紙。
奈米管和奈米線
奈米碳管有顯著的電學、力學和化學性質。依據它們特定的直徑和碳原子的鍵結排列，奈米管顯現出金屬或半導體兩者擇一的性質。完美的奈米管內電的傳導呈衝擊型(散射可以忽略)，熱消耗非常低。因而，奈米管做的導線(或稱奈米線)可以承載的電流比同等粗細的一般金屬線大得多。直徑1.4奈米的奈米管大約是矽半導體元件閘極寬度的百分之一。除了用於傳導的奈米線外，已展示出結合金屬和半導體奈米碳管的電晶體、二極體和簡單的邏輯電路。同樣，矽奈米線也已被用於建造實驗元件，如場效應電晶體、二極電晶體、換流器、發光二極體(LED)、感測器乃至簡單的記憶元件。同分子電子學一樣，奈米導線電路面臨的最大挑戰是如何把這些元件連結整合成一個可使用的高密度結構。理想的狀況是使結構能在適當的位置生長組合。兼具導線和元件功能的縱橫結構最引人關注。
單電子電晶體
在奈米尺度裡，增加一個附加的電子到「小島」(孤立的物理區域)──例如通過隧道能障(tunneling barrier)──所需的能量變得很重要。這個能量變化提供設計單電子電晶體的基礎。在低溫環境下，熱的波動幅度小，各種單電子元件的奈米結構可以手到擒來，對僅有有限電流的結構也已開展廣泛的研究。然而，室溫下的應用還要求結構尺寸顯著減小至1奈米範圍以達成穩定運轉。對於數百萬個元件的大規模應用，如同在當前的積體電路中那樣，需要尺寸非常一致的結構以維持不變的元件特性，這個需求帶來相當大的挑戰。而且，在這個和許多正在探索的新奈米元件中，缺乏效益是限制在大尺度電子電路中實際採用的一大障礙。
自旋電子學
自旋電子學適用於不僅根據載流子的電荷而且基於其自旋進行邏輯運算的電子元件。例如，訊息可以透過電子的自旋向上態或自旋向下態進行傳輸和儲存。這是一個新的研究領域，研究課題包括極性自旋載流子的注入、傳輸和探測。人們感興趣的課題還有在自旋注入(spin injection)過程中奈米結構的作用和鐵磁半導體介面的電子性質；在奈米尺度控制下新鐵磁半導體的生長；以及利用奈米結構特點來操控自旋的可能性等。
資訊儲存
當前資訊儲存和檢索方法包括高密度、高速度、固態的電子記憶體，以及較慢的(但一般容量更大的)磁片和光碟(參閱電腦記憶體〔computer memory〕條)。隨著用於電子處理的最小形體尺寸接近100奈米，奈米技術提供了進一步減少資訊儲存空間的可能，由此增加密度和減小互連距離，以獲得還要更高的速度。例如，目前一代磁片的基礎是巨磁電阻效應(giant magnetoresistance effect)，透過確定在奈米厚度金屬層(在鐵磁性和不具鐵磁性兩者間變化)的磁場方向，磁讀寫頭儲存資訊。同自旋相關的電子散射在介面層的差異而導致的電阻差可以被磁頭讀出。力學性質──特別是摩擦學(tribology, 運動表面的摩擦力和磨損)──在硬磁碟機中也扮演著重要角色，因為磁頭僅僅懸在旋轉的磁片上約10奈米處。
另一個依賴於奈米厚度磁層設計的資訊存儲方法正處於商業開發階段，稱為磁性隨機記憶體(magnetic random access memory, MRAM)，一排可用電開關控制的磁性材料被非磁性奈米夾層自永磁性層分離出來。從通過橫穿這些線的大型導線陣列可以電信號方式讀取出與相應磁場排列有關的電阻變化。MRAM將需要傳統半導體製造工藝中的一些小變革，它還具有產生非揮發性記憶體(nonvolatile memory, 不需電源或電池即可維持儲存的記憶狀態)的附加效益。
雖還處於探索狀態，通過分子的電傳導研究已經因其可以當作記憶體使用的可能性而廣受關注。雖然還僅僅是純理論性質，分子和奈米線的儲存方法仍很誘人，因為很小的空間裡就可以儲存資訊，生物系統使用這種方式能夠有效地儲存大量資訊。
通訊
光學裝置中的奈米尺度結構，如垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)、量子點雷射(quantum dot laser)和光子晶體材料等引領著通訊技術的額外進展。
VCSEL有外延進腔壁的化合物半導體奈米塗層，將介電層依次作為反射鏡和量子阱。量子阱使得帶電載流子被限定在特定區域，可提供能量轉換成所要波長的光。量子阱被放置於雷射腔裡，限制載流子處於駐波波節處，改變能帶結構以適應更高效率的幅射複合(radiative recombination)。與精確生長出極薄的外延半導體塗層有關的一維奈米技術發展於1990年代。這種奈米結構提高了VCSEL的效率，並且減低啟動雷射所需的電流(稱為閾電流)。由於改善了效能和相容於平面製造技術，VCSEL很快地成為各種通訊應用優先考慮的雷射源。
最近，針對量子點(區域小到可以給於一個單電荷)用於半導體雷射進行了研究，並且發現其所帶來的附加效益──進一步減小閾電流和縮小頻帶寬度。量子點把光發射波型限制在一個極窄的光譜，並且提供迄今為止在VCSEL內發射雷射所需的最低閾電流密度。量子點在應變層的生長過程中，透過史特蘭斯基-克拉塔諾維(Stransky-Krastanov)生長模式被引入雷射。這個生長來源於晶格失配(lattice mismatch)的應力和生長薄膜的表面張力。目前還在尋求能夠精確控制產生的量子點使其大小更加一致的改良方法。
光子晶體提供操控光子的一個新手段，它建基於週期性排列的電介質晶格，週期類似於光的波長。這些材料具有非常奇異的性質，諸如在具有特定週期結構的材料中不允許特定波長的光通過。光子晶格可以用作完美的波長選擇鏡，把所有方向的入射光反射回去。它們在前所未有的小尺度內為光學開關、操控和波長分隔提供基礎。這些人工晶體所需要的週期結構可以構造成二維或三維的晶格。由於更容易製作，光源、開關和路由器正在考慮開發中，尤以具有二維平面幾何特點者受到最多關注。
奈米技術在通訊中的另一個潛在重要應用是微機電系統(microelectromechanical system, MEMS)，其元件大小在微米尺度(1公尺的百萬分之一)。微機電系統目前經由光開關對通訊帶來巨大影響。未來，機電裝置將縮小到奈米尺度，利用較小質量帶來更高的機械振動頻率。小機械束振動的自然(共振)頻率隨尺寸的縮小而增大，因此驅動它們作為振盪器所需的動力就很小。其效率以品質因子Q來評等，Q是每個週期儲存的能量與消耗的能量之比值。Q值越高，振盪器的絕對頻率就越精確。微米和奈米尺度的機械振盪器具有很高的Q值，這些裝置可以達到極高的頻率(高達微波頻率)，可能作為電子振蕩器和濾波器的低能耗替代品。
達到10×100奈米面積的機械振盪器已經由矽製成，其中有超過10％的原子距表面不足1個原子的距離。在此類大小範圍內可以製成高度均勻材料(例如單晶矽棒)的同時，表面在奈米尺度中的作用越來越大，而能量損失也增加，大概是因為表面缺陷和表面分子樣品的吸收所致。
或許可以想像，透過將奈米機械結構移到分子系統而帶來的更高頻率，會出現在可能被視為奈米機械系統的極限中。例如，正在探討多壁層奈米碳管的力學性質。當奈米管的外層底部被移動，內層的管就會被拉離開外層一些，兩個管之間的凡得瓦耳力將提供一個恢復力。內管因此在外管裡面來回滑動振蕩起來。這種結構的振蕩的共振頻率預計超過1個十億赫茲(gigahertz, 每秒10億次)。若把這個系統推至宏觀世界並消除表面效應，還不知道是否可行。
2008年11月27日 星期四
奈米科技
前述提到的碳奈米管(CNT)因其長度遠比直徑大，我們可利用碳奈米管尖端施加一個微小的電壓，便能將電子放射出來，這行為會做成一種超理想的特別微小場發射器，目前將之應用到平面顯示器(FDP)、碳奈米管場發射燈、奈米級單電子電晶體(SET)的開發項目。若使奈米碳管電晶體取代了傳統的矽晶體，它的能隙(Energy Gap)僅是矽晶體材料的1%以下，相信未來的電腦將更輕小、更快捷、更省電的商業產品。單層碳奈米管(SWNT)在室溫時可吸附大量的氫氣，汽車與航太工業可做為燃料電池的氫氣儲存媒介，現有許多研究人員正極力探討碳奈米管如何吸附大量氫氣的物理機制。奈米碳管可供應殺手級的商用應用(Killer App)如電腦及電視顯示器、雷達無法偵測的隱形飛機機殼、可運用於手機、筆記型電腦、PDA的防電磁干擾材料。美國的Molecular Electronics公司所設計的記憶晶片組開關速度是傳統電晶體的100萬倍。奈米碳管電池比傳統電池持久力增長一倍，重量僅有原來的一半。
另外，吾人可以利用CNT本身細長與彈性的優點，做為掃瞄穿隧式顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)微探針或微電極，以解決ㄧ般使用的尖細探針的脆弱問題，而使用碳奈米管做為探針，不僅耐用且可提昇其解析度。當然，我們面臨碳奈米管的根部與界面間容易斷裂的挑戰，如何假以強化該界面的強度，是目前大家努力的目標。許多的實驗結果指出碳奈米管具有超級的彈性，即使將它彎曲90度也不會折斷，在未來開發超強輕質材料有無窮之潛力。雖然碳奈米管的發展空間特大；但目前大家所遭遇的難題是如何製造大量高純度、高均勻性的碳奈米管，如何操控碳奈米管的螺旋性，與如何在IC上順利地成長碳奈米管。以上這些問題亟待我們去突破。
最近的奈米生物技術在開發人造胰臟已經有些美妙的研究成果。利用現今的奈微機電(MEMS/NEMS)技術裡的光蝕刻技術製作穿透膜，其中布滿了18 nm孔徑的均勻微孔洞。若是將胰腺細胞裝入奈米多孔膜中，可使得埋藏其中的胰腺細胞所分泌的胰島素與其他的小分子(如氧和葡萄糖)能夠順利穿透薄膜；但人體內免疫系統所分泌的較大抗體分子如免疫球蛋白G (Immunoglobulin G)卻無法穿透進入，來破壞胰腺細胞。人造胰臟的成功開發將會為糖尿病患帶來光明與希望。目前本校癌症標靶藥物治療研究團隊正研發具有螢光作用的CdSe量子點(Quantum Dots)，可以用於藥物釋放檢測。未來當人體有心臟病、中風、感染等現象，易可利用體內奈米量子點就會像嘉年華會中的閃閃發亮燈光一樣，而且持續數天。加上染色劑，醫療人員便能觀察哪些蛋白質和哪些疾病有關，以及藥物在人體中是如何運作的過程。
奈米生物科技將可製造極精細的治療儀器透過程式規範分子的行為，達到控制生物體的目途，如進入癌細胞並誘發T細胞去釋出殺死癌細胞的酵素，或催動噬菌搜尋並殺死癌細胞，甚而造成癌細胞「自我毀滅」，呈現了完全不同的醫療概念。加拿大的奈米生技公司C-Sixty利用奈米生物科技也可能帶來愛滋病治療方面的一線曙光。碳簇(C60)的足球狀化學結構恰巧可讓它快速地和導致愛滋病的HIV病毒和相關化學物質結合，以阻止HIV病毒擴散，已成功研發出治療愛滋病的藥物。
在此我們談談奈米產品安全的疑慮，因為奈米微粒由於體積特別小，可能會穿透肺泡到血液中危害健康。首先，我們環境中的空氣裡含有許多顆粒狀物質，粒徑小於 10 微米的顆粒物稱做懸浮微粒(Particulate Matter, PM)，它們來自道路揚塵、車輛排放廢氣、露天燃燒、工廠排放、二次污染物等，小懸浮微粒較能深入肺部，對呼吸系統危害頗大。美國環保署常以 PM10、PM2.5 及 PM0.1 代表空氣中不同粒徑範圍的濃度，藉以此標準檢視空氣品質的優劣程度。目前國際分類法則把粒徑低於100 nm的奈米微粒以PM0.1 與 PM0.02表示之，而 PM0.2 與 PM2.5 則屬於另一等級。過去由於受到量測儀器的限制，對於這種奈米微粒子並未太予重視。隨著奈米科技的迅速發展，此安全議題也引發各界廣泛的討論。我們以掃描式電移動微粒分析儀（SMPS）與電子低壓衝擊器（ELPI）量測環境中奈米微粒的濃度。SMPS 主要利用各種粒徑的微粒有不同電移動性的原理，使微粒帶電後，加以分離再進入超細粉體核凝計數器中進行顆粒計數，以得到微粒之數目濃度。 ELPI 的原理是使微粒通過一電暈充電器將之充電，再進入絕緣的低壓衝擊儀，用電子計量測電量，得道微粒數目濃度。
目前世界上奈米產品超過300種，如奈米化妝品、奈米日光燈、奈米鞋襪，以及氧化鋅、氧化鈦的奈米粉體等應用於儲能、光電、電腦、記錄媒體、機械、醫藥、基因工程 、環境資源、化工等產業。添加奈米物質的商品可發揮其原有的效能，並達到節省能源及促進環保的效果。但足以令人憂心的是，奈米微粒除粒徑小會影響人體健康，也因含有有機物質、碳元素及重金屬成分而提高其毒性。雖然奈米微粒尺寸小，但仍可利用防塵口罩截除、擴散、與有效過濾，最近商用口罩濾材經靜電處理，也可有效提高濾材的防護效果。依美國毒管法的規定，製造新化學物質如奈米銀或氧化鈦必須在製造前 90 天提出充分毒理資料申請核准才能生產，使用奈米材料也必須符合毒管法的規定。目前各國都在加速研究各種奈米粉體，包含奈米產品是否釋放出奈米微粒等的毒物病理資料，一旦賞握充分科學證據，方能做適度的立法管制。
另外，吾人可以利用CNT本身細長與彈性的優點，做為掃瞄穿隧式顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)微探針或微電極，以解決ㄧ般使用的尖細探針的脆弱問題，而使用碳奈米管做為探針，不僅耐用且可提昇其解析度。當然，我們面臨碳奈米管的根部與界面間容易斷裂的挑戰，如何假以強化該界面的強度，是目前大家努力的目標。許多的實驗結果指出碳奈米管具有超級的彈性，即使將它彎曲90度也不會折斷，在未來開發超強輕質材料有無窮之潛力。雖然碳奈米管的發展空間特大；但目前大家所遭遇的難題是如何製造大量高純度、高均勻性的碳奈米管，如何操控碳奈米管的螺旋性，與如何在IC上順利地成長碳奈米管。以上這些問題亟待我們去突破。
最近的奈米生物技術在開發人造胰臟已經有些美妙的研究成果。利用現今的奈微機電(MEMS/NEMS)技術裡的光蝕刻技術製作穿透膜，其中布滿了18 nm孔徑的均勻微孔洞。若是將胰腺細胞裝入奈米多孔膜中，可使得埋藏其中的胰腺細胞所分泌的胰島素與其他的小分子(如氧和葡萄糖)能夠順利穿透薄膜；但人體內免疫系統所分泌的較大抗體分子如免疫球蛋白G (Immunoglobulin G)卻無法穿透進入，來破壞胰腺細胞。人造胰臟的成功開發將會為糖尿病患帶來光明與希望。目前本校癌症標靶藥物治療研究團隊正研發具有螢光作用的CdSe量子點(Quantum Dots)，可以用於藥物釋放檢測。未來當人體有心臟病、中風、感染等現象，易可利用體內奈米量子點就會像嘉年華會中的閃閃發亮燈光一樣，而且持續數天。加上染色劑，醫療人員便能觀察哪些蛋白質和哪些疾病有關，以及藥物在人體中是如何運作的過程。
奈米生物科技將可製造極精細的治療儀器透過程式規範分子的行為，達到控制生物體的目途，如進入癌細胞並誘發T細胞去釋出殺死癌細胞的酵素，或催動噬菌搜尋並殺死癌細胞，甚而造成癌細胞「自我毀滅」，呈現了完全不同的醫療概念。加拿大的奈米生技公司C-Sixty利用奈米生物科技也可能帶來愛滋病治療方面的一線曙光。碳簇(C60)的足球狀化學結構恰巧可讓它快速地和導致愛滋病的HIV病毒和相關化學物質結合，以阻止HIV病毒擴散，已成功研發出治療愛滋病的藥物。
在此我們談談奈米產品安全的疑慮，因為奈米微粒由於體積特別小，可能會穿透肺泡到血液中危害健康。首先，我們環境中的空氣裡含有許多顆粒狀物質，粒徑小於 10 微米的顆粒物稱做懸浮微粒(Particulate Matter, PM)，它們來自道路揚塵、車輛排放廢氣、露天燃燒、工廠排放、二次污染物等，小懸浮微粒較能深入肺部，對呼吸系統危害頗大。美國環保署常以 PM10、PM2.5 及 PM0.1 代表空氣中不同粒徑範圍的濃度，藉以此標準檢視空氣品質的優劣程度。目前國際分類法則把粒徑低於100 nm的奈米微粒以PM0.1 與 PM0.02表示之，而 PM0.2 與 PM2.5 則屬於另一等級。過去由於受到量測儀器的限制，對於這種奈米微粒子並未太予重視。隨著奈米科技的迅速發展，此安全議題也引發各界廣泛的討論。我們以掃描式電移動微粒分析儀（SMPS）與電子低壓衝擊器（ELPI）量測環境中奈米微粒的濃度。SMPS 主要利用各種粒徑的微粒有不同電移動性的原理，使微粒帶電後，加以分離再進入超細粉體核凝計數器中進行顆粒計數，以得到微粒之數目濃度。 ELPI 的原理是使微粒通過一電暈充電器將之充電，再進入絕緣的低壓衝擊儀，用電子計量測電量，得道微粒數目濃度。
目前世界上奈米產品超過300種，如奈米化妝品、奈米日光燈、奈米鞋襪，以及氧化鋅、氧化鈦的奈米粉體等應用於儲能、光電、電腦、記錄媒體、機械、醫藥、基因工程 、環境資源、化工等產業。添加奈米物質的商品可發揮其原有的效能，並達到節省能源及促進環保的效果。但足以令人憂心的是，奈米微粒除粒徑小會影響人體健康，也因含有有機物質、碳元素及重金屬成分而提高其毒性。雖然奈米微粒尺寸小，但仍可利用防塵口罩截除、擴散、與有效過濾，最近商用口罩濾材經靜電處理，也可有效提高濾材的防護效果。依美國毒管法的規定，製造新化學物質如奈米銀或氧化鈦必須在製造前 90 天提出充分毒理資料申請核准才能生產，使用奈米材料也必須符合毒管法的規定。目前各國都在加速研究各種奈米粉體，包含奈米產品是否釋放出奈米微粒等的毒物病理資料，一旦賞握充分科學證據，方能做適度的立法管制。
奈米與化妝品
奈米防曬劑
紫外線是造成皮膚老化的頭號殺手，防曬可分為物理性及化學性兩種機制。傳統的物理性防曬產品多以氧化鋅及二氧化鈦微粒做為隔絕紫外線的主成份，不過缺點是擦上後膚色容易偏白，因為這些成份會散射可見光。然而若將粉體粒徑縮小至可見光能穿透的尺度（以氧化鋅而言，約25奈米），防曬劑便呈現透明，但阻隔紫外線的效果不變，適於添加在有色化妝品中。 奈米粉底霜
日本的化妝品公司在雲母粉表面包覆一層厚約90～100奈米的二氧化鈦，形成珠光粉體，添加於粉底霜內。在陽光照射下，會反射出帶有紅色效果的漫射光，使皮膚看起來透明有光澤。
另外，為解決夏季臉上泛油光的困擾，業者將直徑30～70奈米的短柱狀氧化鋅覆蓋在粉底霜內的珠光粉體表面。因為氧化鋅吸附油脂後會變成粉末狀，所以皮脂不會吸附在珠光粉體上，能常保肌膚的透明感。另外還有其他廠商開發出奈米級的矽粉，對角質層上導致肌膚乾燥的酵素具有抑制效果。奈米保養品
皮膚的結構由外而內可分為三層：表皮、真皮和皮下組織。表皮最外層是角質細胞，還有一層不透水的油脂膜，所以皮膚基本上是不透水的。由於皮膚的疏水性，且角質細胞間隙不到100奈米，所以外界的物質很難進入皮膚內。像是膠原蛋白、胎盤素、彈力素、玻尿酸等大分子是無法滲透至皮膚裡層的，充其量僅能提高角質層的含水量，達到保濕的效果。
真皮層的狀態決定了皮膚的彈性與張力，如果其結構因老化而日趨鬆散，肌膚便會顯得鬆弛有皺紋。所以凡是宣稱能抗老化和除皺的成份，都必須進入真皮層才能發揮作用。目前已有多家化妝品公司成功將有效成份縮小化，並以微脂粒（liposomes）做為載體，推出奈米級產品。
微脂粒係由磷脂質（phospholipids）或卵磷脂（lecithin）聚集而成的微膠囊空心球，其雙層膜的結構與細胞膜極為接近，可同時運送水溶性及油溶性物質。目前的技術能製造出20~100奈米的粒徑。微脂粒的包覆作用不但可防止易被氧化的保養成份（例如維他命C及E）遭到破壞，還可輕易穿越表皮細胞間隙、毛囊或汗腺，將養分帶到肌膚裡層。例如比較包在微脂粒內及不包在微脂粒內的維他命C，會發現包在微脂粒內的維他命C進入皮膚細胞內的量明顯較多。學者亦證實，小於30奈米的微脂粒能穿越皮膚進入人體的循環系統，粒徑大於60奈米時，則可在真皮層有效釋出活性成份。 奈米化妝品之影響
採用奈米載體的化妝品有五種優點：可以控制活性成份的釋放、更有效的輸送系統、提高成份的穿透率、減少活性成份的浪費、活性成份較穩定。
然而並非所有產品均適合奈米化。例如大分子（約數百個奈米）的膠原蛋白是表皮細胞的良好保濕成份，不過若欲進入真皮層以發揮填補、修復的作用，需將其分子切小。有些化妝品級膠原蛋白只是將分子切得更小，卻破壞了原有的立體結構，以致影響其生物活性，保養效果自然大打折扣。另外像是奈米化的清潔用品，有可能讓不該進入皮膚的成份滲透到肌膚裡層，造成不良反應或副作用。故化妝品的奈米化須依使用目的及對象有所區別，才可有效發揮其奈米化之功用。
紫外線是造成皮膚老化的頭號殺手，防曬可分為物理性及化學性兩種機制。傳統的物理性防曬產品多以氧化鋅及二氧化鈦微粒做為隔絕紫外線的主成份，不過缺點是擦上後膚色容易偏白，因為這些成份會散射可見光。然而若將粉體粒徑縮小至可見光能穿透的尺度（以氧化鋅而言，約25奈米），防曬劑便呈現透明，但阻隔紫外線的效果不變，適於添加在有色化妝品中。 奈米粉底霜
日本的化妝品公司在雲母粉表面包覆一層厚約90～100奈米的二氧化鈦，形成珠光粉體，添加於粉底霜內。在陽光照射下，會反射出帶有紅色效果的漫射光，使皮膚看起來透明有光澤。
另外，為解決夏季臉上泛油光的困擾，業者將直徑30～70奈米的短柱狀氧化鋅覆蓋在粉底霜內的珠光粉體表面。因為氧化鋅吸附油脂後會變成粉末狀，所以皮脂不會吸附在珠光粉體上，能常保肌膚的透明感。另外還有其他廠商開發出奈米級的矽粉，對角質層上導致肌膚乾燥的酵素具有抑制效果。奈米保養品
皮膚的結構由外而內可分為三層：表皮、真皮和皮下組織。表皮最外層是角質細胞，還有一層不透水的油脂膜，所以皮膚基本上是不透水的。由於皮膚的疏水性，且角質細胞間隙不到100奈米，所以外界的物質很難進入皮膚內。像是膠原蛋白、胎盤素、彈力素、玻尿酸等大分子是無法滲透至皮膚裡層的，充其量僅能提高角質層的含水量，達到保濕的效果。
真皮層的狀態決定了皮膚的彈性與張力，如果其結構因老化而日趨鬆散，肌膚便會顯得鬆弛有皺紋。所以凡是宣稱能抗老化和除皺的成份，都必須進入真皮層才能發揮作用。目前已有多家化妝品公司成功將有效成份縮小化，並以微脂粒（liposomes）做為載體，推出奈米級產品。
微脂粒係由磷脂質（phospholipids）或卵磷脂（lecithin）聚集而成的微膠囊空心球，其雙層膜的結構與細胞膜極為接近，可同時運送水溶性及油溶性物質。目前的技術能製造出20~100奈米的粒徑。微脂粒的包覆作用不但可防止易被氧化的保養成份（例如維他命C及E）遭到破壞，還可輕易穿越表皮細胞間隙、毛囊或汗腺，將養分帶到肌膚裡層。例如比較包在微脂粒內及不包在微脂粒內的維他命C，會發現包在微脂粒內的維他命C進入皮膚細胞內的量明顯較多。學者亦證實，小於30奈米的微脂粒能穿越皮膚進入人體的循環系統，粒徑大於60奈米時，則可在真皮層有效釋出活性成份。 奈米化妝品之影響
採用奈米載體的化妝品有五種優點：可以控制活性成份的釋放、更有效的輸送系統、提高成份的穿透率、減少活性成份的浪費、活性成份較穩定。
然而並非所有產品均適合奈米化。例如大分子（約數百個奈米）的膠原蛋白是表皮細胞的良好保濕成份，不過若欲進入真皮層以發揮填補、修復的作用，需將其分子切小。有些化妝品級膠原蛋白只是將分子切得更小，卻破壞了原有的立體結構，以致影響其生物活性，保養效果自然大打折扣。另外像是奈米化的清潔用品，有可能讓不該進入皮膚的成份滲透到肌膚裡層，造成不良反應或副作用。故化妝品的奈米化須依使用目的及對象有所區別，才可有效發揮其奈米化之功用。
奈米化妝品之奈米技術
摘要：
很多人都相信年輕、美麗的人在擇偶、事業及人際關係上佔有優勢，所以一般人在追求美麗或避免老化的花費上越來越高，根據英國經濟學人周刊引述Goldman Sachs所做的市場分析發現，全球美容產業每年以7%的比例成長，總產值達950億美元
▃全文：
現在消費者的美容概念比以前複雜，化妝品的使用不僅僅侷限於塗抹胭脂等讓女人更美麗，男人也有追求美麗的權利；消費者對化妝品的需求心理，除了積極地追求美麗之外，阻止外表老化、變醜也是求助化妝品的原因之一，因此市面上也有各種除皺、抗老、活膚、塑身的美容產品；近年來消費者甚至願意花大筆銀子去塑身、SPA、做整體造型；而整形外科手術的價格下滑，讓許多人也願意挨刀去抽脂、拉皮、豐胸、隆鼻，快速有效地改變自己的外表。 如何求新、求變、開發新的技術、配方，是考驗化妝品公司研發部門的一大課題，目前全球在化妝品的研發技術上大抵有三個趨勢，即開發與膠原蛋白有關的生物醫學化妝品、以天然草藥為成分的自然化妝品、以及使用現在當紅之奈米技術的奈米化妝品。本文要討論的是奈米化妝品。 奈米化妝品指的是，利用奈米技術研發、生產出來的化妝品，目前就筆者所蒐集到的有限資料顯示，市面上的奈米化妝品依所使用的奈米技術區分大概有四類：
1. 奈米碳球(Nanocapsule) 奈米碳球所製成的化妝品，主要在利用奈米技術製作直徑僅130到600奈米左右的奈米球，它就像一個容器，可以填入保養品的成分例如維生素A、beta胡蘿蔔素等，由於奈米球的結構非常微小，所以可以很快滲透進入皮膚內層，而奈米碳球本身的材料是生物相容性的聚合物，例如卵磷脂(Lecithin)、微脂體(Liposome)，當它接觸到皮膚時，皮膚本身的?會將奈米球的表皮結構分解，而釋放出維生素A等保養品以抗老、除皺，讓化妝品的保養不再只是做單純的表面工作。 L’Oreal早在1970年代就已經注意到微脂體的作用，她和法國的國家科學研究中心(French National Center for Scientific Research)合作，開發了一種非常微小、可以引導保養品成分到皮膚正確位置的容器外殼，到1995年才正式推出奈米碳球化妝品上市。像L’Oreal公司的Plenitude系列、Future E、或L’Oreal所屬之Lancome公司的Re-Surface除皺柔膚霜(anti-wrinkle cream)、Lancee公司的Promordiale Intense與Hydra Zen Serum產品等都屬於這類奈米化妝品。
利用奈米碳球製作化妝品的原理看似簡單，但是在實務製作上仍有技術上的困難，首先，並非所有的保養品成分都適合以奈米技術包覆；其次是成本效益的問題，以L’Oreal為例，她每年投入大約等於3%銷售金額的預算與5%的人力資源從事研發，L’Oreal公司認為他們所研發出來的奈米新產品必須能達到每小時可以生產1000公升的水準時，才值得將該項奈米化妝品商品化。目前L’Oreal將它的奈米技術申請專利，其他化妝品公司要不就是購買L’Oreal的技術或成品加以改裝，或者自行成立實驗室研發新的奈米化妝品，例如化妝品界的另一梟雄—德國的Beiersdorf，她成立一個Forschungslabor fuer Analytische Mikroskopie (相當於Research Laboratory for Analytical Microscopy)來從事高科技化妝品的研發。
2. 奈米粒子(Nanoparitcle) 當金屬或化學原料的大小改變時，有時候原料的性質也會改變，例如，用金屬作為觸媒，當金屬本身被分割成奈米大小時，每一克金屬大概可以擁有50平方公尺的面積，大約為一般微米大小金屬的十倍，當表面積越大，金屬作為觸媒的化學作用會更有效率。化妝品業者使用奈米粒子目前將過氧化鋅ZnO2或二氧化鈦TiO2製成80-100奈米大小用於製作防曬乳液，和一般利用有機分子形成紫外線隔離層之防曬乳液不同的是，奈米防曬乳液的ZnO2或TiO2奈米粒子很緊密地連接在一起，他們不會沉入皮膚的皺褶中，除了可以有效隔離紫外線之外，也不會對敏感性皮膚造成過敏；況且奈米粒子可以讓可見光通過，因此抹上奈米防曬乳液之後，乳液本身是透明的，消費者更容易接受。奈米粒子越小，防曬效果越好，目前正試著發展直徑15-20奈米的奈米粒子，不過這個大小就是奈米防曬乳液的極限了，更小的奈米粒子連紫外線都可以穿透，就失去防曬功能了。 目前在市面上有由美國Argonne National Laboratory spin-off出來的Nanophase Technologies公司所製造的Zinc Oxide奈米粒子、在歐洲則有由牛津大學spin-off出來的Oxonica公司所推出的Optisol產品；保養品則例如資生堂公司的Elixir系列等。
3. 微機電系統(Micro ElectroMechanical Systems, MEMS) MEMSCAP公司位於法國Grenoble的分公司與法國的La Licorne Laboratories SA合作發展一種以MEMS技術為基礎、奈米大小的皮膚偵測系統。這個綽號為Skin Station的皮膚偵測系統包含偵測儀、機電系統與含醫學資訊的軟體。經由Skin Station與手腕皮膚的接觸，它會很快地分析出適合該皮膚使用的保養品；當然它也可以作為皮膚科醫生診斷建議之用。該公司於2003年第三季生產12個皮膚科診斷用及20個用於美容建議的Skin Station原型，預計2004年進行量產。
4. 奈米機器人(Nanorobotor) 另外一個很有趣、但據筆者了解目前還沒有產品出現的奈米化妝品研發方向是，利用奈米機器人Naniten製作成染髮劑、洗髮精，消費者使用這樣的洗髮精或染髮劑之後，幾秒鐘之後就可以擁有新的髮色，甚至奈米機器人可以深入髮根操縱細胞，讓未來一定時間內只長出所希望顏色的頭髮，不必常常染髮；Naniten也可以操作頭髮生長的快慢，甚至完全破壞髮根細胞，達到去除毛髮的效果。Naniten也可以放入唇膏或植入嘴唇皮膚，它會影響嘴唇的顏色，或只反映特定幾種頻率的光，而造成特定唇色的效果。
憑藉奈米技術讓化妝品不再只做表面功夫，奈米技術甚至在未來可以量身訂做配合個人需求的美髮美容品，但是奇怪的是，消費者在面對這些化妝品時卻通常不會理會它到底用了哪些高科技技術或材料製成，效果、使用的舒適與否及安全往往是消費者在購買化妝品時的主要考量。不過對於奈米化妝品的安全性問題，至今筆者還沒有發現任何可靠、有系統的報告。
很多人都相信年輕、美麗的人在擇偶、事業及人際關係上佔有優勢，所以一般人在追求美麗或避免老化的花費上越來越高，根據英國經濟學人周刊引述Goldman Sachs所做的市場分析發現，全球美容產業每年以7%的比例成長，總產值達950億美元
▃全文：
現在消費者的美容概念比以前複雜，化妝品的使用不僅僅侷限於塗抹胭脂等讓女人更美麗，男人也有追求美麗的權利；消費者對化妝品的需求心理，除了積極地追求美麗之外，阻止外表老化、變醜也是求助化妝品的原因之一，因此市面上也有各種除皺、抗老、活膚、塑身的美容產品；近年來消費者甚至願意花大筆銀子去塑身、SPA、做整體造型；而整形外科手術的價格下滑，讓許多人也願意挨刀去抽脂、拉皮、豐胸、隆鼻，快速有效地改變自己的外表。 如何求新、求變、開發新的技術、配方，是考驗化妝品公司研發部門的一大課題，目前全球在化妝品的研發技術上大抵有三個趨勢，即開發與膠原蛋白有關的生物醫學化妝品、以天然草藥為成分的自然化妝品、以及使用現在當紅之奈米技術的奈米化妝品。本文要討論的是奈米化妝品。 奈米化妝品指的是，利用奈米技術研發、生產出來的化妝品，目前就筆者所蒐集到的有限資料顯示，市面上的奈米化妝品依所使用的奈米技術區分大概有四類：
1. 奈米碳球(Nanocapsule) 奈米碳球所製成的化妝品，主要在利用奈米技術製作直徑僅130到600奈米左右的奈米球，它就像一個容器，可以填入保養品的成分例如維生素A、beta胡蘿蔔素等，由於奈米球的結構非常微小，所以可以很快滲透進入皮膚內層，而奈米碳球本身的材料是生物相容性的聚合物，例如卵磷脂(Lecithin)、微脂體(Liposome)，當它接觸到皮膚時，皮膚本身的?會將奈米球的表皮結構分解，而釋放出維生素A等保養品以抗老、除皺，讓化妝品的保養不再只是做單純的表面工作。 L’Oreal早在1970年代就已經注意到微脂體的作用，她和法國的國家科學研究中心(French National Center for Scientific Research)合作，開發了一種非常微小、可以引導保養品成分到皮膚正確位置的容器外殼，到1995年才正式推出奈米碳球化妝品上市。像L’Oreal公司的Plenitude系列、Future E、或L’Oreal所屬之Lancome公司的Re-Surface除皺柔膚霜(anti-wrinkle cream)、Lancee公司的Promordiale Intense與Hydra Zen Serum產品等都屬於這類奈米化妝品。
利用奈米碳球製作化妝品的原理看似簡單，但是在實務製作上仍有技術上的困難，首先，並非所有的保養品成分都適合以奈米技術包覆；其次是成本效益的問題，以L’Oreal為例，她每年投入大約等於3%銷售金額的預算與5%的人力資源從事研發，L’Oreal公司認為他們所研發出來的奈米新產品必須能達到每小時可以生產1000公升的水準時，才值得將該項奈米化妝品商品化。目前L’Oreal將它的奈米技術申請專利，其他化妝品公司要不就是購買L’Oreal的技術或成品加以改裝，或者自行成立實驗室研發新的奈米化妝品，例如化妝品界的另一梟雄—德國的Beiersdorf，她成立一個Forschungslabor fuer Analytische Mikroskopie (相當於Research Laboratory for Analytical Microscopy)來從事高科技化妝品的研發。
2. 奈米粒子(Nanoparitcle) 當金屬或化學原料的大小改變時，有時候原料的性質也會改變，例如，用金屬作為觸媒，當金屬本身被分割成奈米大小時，每一克金屬大概可以擁有50平方公尺的面積，大約為一般微米大小金屬的十倍，當表面積越大，金屬作為觸媒的化學作用會更有效率。化妝品業者使用奈米粒子目前將過氧化鋅ZnO2或二氧化鈦TiO2製成80-100奈米大小用於製作防曬乳液，和一般利用有機分子形成紫外線隔離層之防曬乳液不同的是，奈米防曬乳液的ZnO2或TiO2奈米粒子很緊密地連接在一起，他們不會沉入皮膚的皺褶中，除了可以有效隔離紫外線之外，也不會對敏感性皮膚造成過敏；況且奈米粒子可以讓可見光通過，因此抹上奈米防曬乳液之後，乳液本身是透明的，消費者更容易接受。奈米粒子越小，防曬效果越好，目前正試著發展直徑15-20奈米的奈米粒子，不過這個大小就是奈米防曬乳液的極限了，更小的奈米粒子連紫外線都可以穿透，就失去防曬功能了。 目前在市面上有由美國Argonne National Laboratory spin-off出來的Nanophase Technologies公司所製造的Zinc Oxide奈米粒子、在歐洲則有由牛津大學spin-off出來的Oxonica公司所推出的Optisol產品；保養品則例如資生堂公司的Elixir系列等。
3. 微機電系統(Micro ElectroMechanical Systems, MEMS) MEMSCAP公司位於法國Grenoble的分公司與法國的La Licorne Laboratories SA合作發展一種以MEMS技術為基礎、奈米大小的皮膚偵測系統。這個綽號為Skin Station的皮膚偵測系統包含偵測儀、機電系統與含醫學資訊的軟體。經由Skin Station與手腕皮膚的接觸，它會很快地分析出適合該皮膚使用的保養品；當然它也可以作為皮膚科醫生診斷建議之用。該公司於2003年第三季生產12個皮膚科診斷用及20個用於美容建議的Skin Station原型，預計2004年進行量產。
4. 奈米機器人(Nanorobotor) 另外一個很有趣、但據筆者了解目前還沒有產品出現的奈米化妝品研發方向是，利用奈米機器人Naniten製作成染髮劑、洗髮精，消費者使用這樣的洗髮精或染髮劑之後，幾秒鐘之後就可以擁有新的髮色，甚至奈米機器人可以深入髮根操縱細胞，讓未來一定時間內只長出所希望顏色的頭髮，不必常常染髮；Naniten也可以操作頭髮生長的快慢，甚至完全破壞髮根細胞，達到去除毛髮的效果。Naniten也可以放入唇膏或植入嘴唇皮膚，它會影響嘴唇的顏色，或只反映特定幾種頻率的光，而造成特定唇色的效果。
憑藉奈米技術讓化妝品不再只做表面功夫，奈米技術甚至在未來可以量身訂做配合個人需求的美髮美容品，但是奇怪的是，消費者在面對這些化妝品時卻通常不會理會它到底用了哪些高科技技術或材料製成，效果、使用的舒適與否及安全往往是消費者在購買化妝品時的主要考量。不過對於奈米化妝品的安全性問題，至今筆者還沒有發現任何可靠、有系統的報告。
奈米化妝品
近年來，奈米化妝品如雨後春筍般出現，到底什麼是奈米化妝品？奈米化妝品指的就是利用奈米技術研發、生產出來的化妝品。常見的奈米化妝品有奈米防曬劑、奈米保養品。
二氧化鈦是常見防曬乳液的主要成分之一，擦在臉上可形成保護膜，當陽光照在臉上時，紫外線會被這層保護膜吸收、反射或散射到空中，不過因為一般二氧化鈦粉體是微米或次微米級尺寸，呈現出白色化合物，擦在皮膚上會使皮膚變白，如果將粉體奈米化後，奈米二氧化鈦更緊密地連接在一起，除了可以有效隔離紫外線外，奈米粒子可以讓可見光通過，因此臉上的保護膜呈現透明無色，不用擔心變成大白臉。
奈米保養品種類很多，較常見的有奈米膠原蛋白、奈米珍珠粉等。奈米保養品一般是將保養品的成分奈米化，因為保養品很難被皮膚吸收，真正能夠滲透進入皮膚裡的有效成份不到實際的萬分之一。如果將化妝品奈米化，就能夠滲透進入皮膚內層，加強護膚的效果。目前已有幾家化妝品公司成功的將成分縮小化，並且將保養品包覆在如奈米碳球這種微小的空心膠囊中，奈米碳球可使包覆在裡面的保養成分（如維它命C及E）不受氧化，還可將保養品帶到真皮層。
奈米化妝品的原理
奈米防曬劑：
紫外線是波長100 ~ 400奈米的光線，與比可見光相比，紫外線能量較強。若是人體長期曝曬在這高能量下，對人體的眼睛、皮膚會有傷害，甚至會引起白內障、皮膚癌等病變。紫外線依其波長的不同，可以分為UVA（315 ~ 400奈米）、UVB（280 ~ 315奈米）及UVC（100 ~ 280奈米），其中UVC波長最短，能量最強，相對的對人體傷害也最大。而二氧化鈦（TiO2）防晒用品則是可以將光線吸收或反射，徹底隔離紫外線傷害。化妝品業者將二氧化鈦TiO2製成80 ~ 100奈米大小的防曬乳液，和一般利用有機分子形成紫外線隔離層之防曬乳液不同，奈米二氧化鈦防曬乳液中的奈米粒子可以緊密地連接在一起，它們不會沉入皮膚的皺褶中，除可以有效隔離紫外線之外，也可以避免皮膚產生產生過敏；而且奈米粒子可以讓可見光通過，因此抹上奈米防曬乳液後，並不會看出乳液的顏色。
利用微脂體提高保養品功效：
微脂體製作的保養品，是直徑僅80 ~ 100奈米左右的奈米粒子，它就像一個容器，可填入保養品的成分（例如維生素A、beta胡蘿蔔素等），由於微脂體的結構非常微小，所以可以很快滲透進入皮膚內層。而微脂體本身可以由黃豆或卵磷脂取得，是生物相容性的聚合物，當它接觸到皮膚時，皮膚會將奈米粒子的表皮結構分解，而釋放出維生素A等保養品以抗老、除皺。
二氧化鈦是常見防曬乳液的主要成分之一，擦在臉上可形成保護膜，當陽光照在臉上時，紫外線會被這層保護膜吸收、反射或散射到空中，不過因為一般二氧化鈦粉體是微米或次微米級尺寸，呈現出白色化合物，擦在皮膚上會使皮膚變白，如果將粉體奈米化後，奈米二氧化鈦更緊密地連接在一起，除了可以有效隔離紫外線外，奈米粒子可以讓可見光通過，因此臉上的保護膜呈現透明無色，不用擔心變成大白臉。
奈米保養品種類很多，較常見的有奈米膠原蛋白、奈米珍珠粉等。奈米保養品一般是將保養品的成分奈米化，因為保養品很難被皮膚吸收，真正能夠滲透進入皮膚裡的有效成份不到實際的萬分之一。如果將化妝品奈米化，就能夠滲透進入皮膚內層，加強護膚的效果。目前已有幾家化妝品公司成功的將成分縮小化，並且將保養品包覆在如奈米碳球這種微小的空心膠囊中，奈米碳球可使包覆在裡面的保養成分（如維它命C及E）不受氧化，還可將保養品帶到真皮層。
奈米化妝品的原理
奈米防曬劑：
紫外線是波長100 ~ 400奈米的光線，與比可見光相比，紫外線能量較強。若是人體長期曝曬在這高能量下，對人體的眼睛、皮膚會有傷害，甚至會引起白內障、皮膚癌等病變。紫外線依其波長的不同，可以分為UVA（315 ~ 400奈米）、UVB（280 ~ 315奈米）及UVC（100 ~ 280奈米），其中UVC波長最短，能量最強，相對的對人體傷害也最大。而二氧化鈦（TiO2）防晒用品則是可以將光線吸收或反射，徹底隔離紫外線傷害。化妝品業者將二氧化鈦TiO2製成80 ~ 100奈米大小的防曬乳液，和一般利用有機分子形成紫外線隔離層之防曬乳液不同，奈米二氧化鈦防曬乳液中的奈米粒子可以緊密地連接在一起，它們不會沉入皮膚的皺褶中，除可以有效隔離紫外線之外，也可以避免皮膚產生產生過敏；而且奈米粒子可以讓可見光通過，因此抹上奈米防曬乳液後，並不會看出乳液的顏色。
利用微脂體提高保養品功效：
微脂體製作的保養品，是直徑僅80 ~ 100奈米左右的奈米粒子，它就像一個容器，可填入保養品的成分（例如維生素A、beta胡蘿蔔素等），由於微脂體的結構非常微小，所以可以很快滲透進入皮膚內層。而微脂體本身可以由黃豆或卵磷脂取得，是生物相容性的聚合物，當它接觸到皮膚時，皮膚會將奈米粒子的表皮結構分解，而釋放出維生素A等保養品以抗老、除皺。
美研發出走走.風吹就發電的奈米纖維
美研發出走走.風吹就發電的奈米纖維
更新日期:2008-03-04
活動日期:0000-00-00 ~ 0000-00-00
美國研發出會自己發電的奈米纖維，發電量足夠替手機和MP3充電。未來如果運用在成衣上，對通訊娛樂電子產品不離身的現代人，不啻是一大便利。 這種奈米纖維是喬治亞理工學院的（王中林）領導的研究團隊研發出來的，奈米發電機有能力在微小的尺度內，產生電力，科學家把比髮絲細一千倍的矽材料絲線，植入纖維，每對絲線中的其中一根加以鍍金，當作電極，它就可以利用隨機的震動或是移動、溫度變化或是外來能源發電。這種奈米纖維將來如果做成衣服，只要穿著四處走，或是讓風吹一吹，就可以發電。
更新日期:2008-03-04
活動日期:0000-00-00 ~ 0000-00-00
美國研發出會自己發電的奈米纖維，發電量足夠替手機和MP3充電。未來如果運用在成衣上，對通訊娛樂電子產品不離身的現代人，不啻是一大便利。 這種奈米纖維是喬治亞理工學院的（王中林）領導的研究團隊研發出來的，奈米發電機有能力在微小的尺度內，產生電力，科學家把比髮絲細一千倍的矽材料絲線，植入纖維，每對絲線中的其中一根加以鍍金，當作電極，它就可以利用隨機的震動或是移動、溫度變化或是外來能源發電。這種奈米纖維將來如果做成衣服，只要穿著四處走，或是讓風吹一吹，就可以發電。
奈米線能嗅出毒氣
奈米電子週報
奈米線能嗅出毒氣 2008/11/23
美國科學家根據實驗發現，條狀的黃-聚合物-金奈米線(nanowire)可以用來製作靈敏的「電子鼻」(electronic nose, e-nose)。電子鼻含有氣味偵測器陣列，可用於臨床檢驗、爆裂物偵測、監控工作環境的危險物質等，不過它的發展尚未成熟。上述由賓州大學研發出來的導電性PEDOT/PSS奈米線與金電極的組合，能在30秒內偵測出多種氣體及化學物質，其中包括乙醇跟丙酮。 賓大的Yaping Dan等人利用電化學的方式，在奈米級模板上長出條紋狀的PEDOT/PSS導線，再將導線組合在預先製作的金電極對上，上方再覆蓋一層導電高分子做為感應區。當氣體分子穿過高分子時，會使高分子鍊變粗或改變高分子的載子濃度(carrier concentration)，導致其電阻產生變化。 Dan等人測試了上述元件對於幾種有機化合物的響應，其中包含了乙醇、甲醇還有丙酮。領導該研究團隊的Charlie Johnson表示，相較於以相同材料製成的薄膜，該元件的靈敏度同樣可達到ppm等級，但響應速率快了十倍，約只需30秒。 Johnson表示，這類導電高分子感應器可以與其他材料製成的感應器整合，組成對於各種分析物都有反應的大型陣列，為電子鼻打頭陣。這種元件將望使用在國土安全防衛、食品與藥物安全、藥物診斷以及治療上。 科學家現在計畫發展新的方法，在同一塊晶片上，以電化學方式在預先以微影術處理過的電極基板上，沉積製造出不同材料的奈米線。相關研究詳見arxiv.org/abs/0808.3199。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/36396譯者:陳泓軒(逢甲大學光電學系)
奈米線能嗅出毒氣 2008/11/23
美國科學家根據實驗發現，條狀的黃-聚合物-金奈米線(nanowire)可以用來製作靈敏的「電子鼻」(electronic nose, e-nose)。電子鼻含有氣味偵測器陣列，可用於臨床檢驗、爆裂物偵測、監控工作環境的危險物質等，不過它的發展尚未成熟。上述由賓州大學研發出來的導電性PEDOT/PSS奈米線與金電極的組合，能在30秒內偵測出多種氣體及化學物質，其中包括乙醇跟丙酮。 賓大的Yaping Dan等人利用電化學的方式，在奈米級模板上長出條紋狀的PEDOT/PSS導線，再將導線組合在預先製作的金電極對上，上方再覆蓋一層導電高分子做為感應區。當氣體分子穿過高分子時，會使高分子鍊變粗或改變高分子的載子濃度(carrier concentration)，導致其電阻產生變化。 Dan等人測試了上述元件對於幾種有機化合物的響應，其中包含了乙醇、甲醇還有丙酮。領導該研究團隊的Charlie Johnson表示，相較於以相同材料製成的薄膜，該元件的靈敏度同樣可達到ppm等級，但響應速率快了十倍，約只需30秒。 Johnson表示，這類導電高分子感應器可以與其他材料製成的感應器整合，組成對於各種分析物都有反應的大型陣列，為電子鼻打頭陣。這種元件將望使用在國土安全防衛、食品與藥物安全、藥物診斷以及治療上。 科學家現在計畫發展新的方法，在同一塊晶片上，以電化學方式在預先以微影術處理過的電極基板上，沉積製造出不同材料的奈米線。相關研究詳見arxiv.org/abs/0808.3199。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/36396譯者:陳泓軒(逢甲大學光電學系)
2008年11月24日 星期一
奈米免洗布料 日光殺菌免下水
懶得洗床單，又不想負擔高級衣物不低的乾洗費？常作如是想的人有福了，因為科學家已開發出一種採用奈米科技的特殊塗層，能夠使各式天然纖維在陽光照射下自行潔淨，分解髒污。 運用二氧化鈦氧化原理 英國每日郵報十一日報導，這種由澳洲蒙那許大學及香港理工大學研究人員開發的塗層，可以塗在棉花、絲絹、羊毛或其他天然纖維的表面上，然後製成永遠不必清洗的床單、墊子及枕頭套；而由於這種塗層可以自行分解頑強食物污漬，未來採用這種技術製成的絲質領帶及羊毛襯衫將可常保如新，若不小心沾到紅酒或咖啡，只要晾曬在陽光下就能自行潔淨，再也不必送到洗衣店乾洗了。 報導中說，這種科技是利用比人類髮絲寬度還要小兩千五百倍的二氧化鈦奈米粒子來形成布料纖維的表層，經陽光照射後，會引發一種特殊反應，使這種奈米粒子與空氣中的氧產生作用，然後便能自行分解纖維上的髒污。在一項發表於美國化學學會期刊的研究中，塗上這種塗層的羊毛衣料經光線照射幾分鐘後，上面遺留的紅酒污漬便開始逐漸消散，一天內就幾乎完全消失。 值得一提的是，這種奈米塗層並不會改變纖維的質地或觸感。類似科技已經應用在能自行潔淨的窗戶，不過要普遍應用在各種布料上，仍須改進相關技術，預計採用這種高科技的免洗衣物五年之後才會上市。
來源:
http://www.tanida.org.tw/Service/market_more.asp?id=172
連結:
http://tw.news.yahoo.com/article/url/d/a/080213/78/tda6.html
來源:
http://www.tanida.org.tw/Service/market_more.asp?id=172
連結:
http://tw.news.yahoo.com/article/url/d/a/080213/78/tda6.html
羽毛光子晶體登場
奈米電子週報
羽毛光子晶體登場 2008/11/06
孔雀羽毛中的微小光學空腔可將白光轉換成藍、綠、紅、黃等顏色，造就了孔雀的鮮豔外觀，可說是大自然在光子晶體(photonic crystal)領域最令人驚豔的作品之一，但要能成為未來光電子元件的建構單元，還需要科學家的巧思加以改造，上海交通大學的Huilan Su等人正致力於開發這項能力。 Su表示，人造的光子晶體結構成本高，圖案的選擇也有限，因此他們轉而採用天然光子晶體。研究人員將氧化鋅(ZnO)奈米微粒嵌進孔雀羽毛中，希望能製造出價格在合理範圍內的可調式光致發光(photoluminescent)元件。 當奈米級的氧化鋅被波長360 nm的紫外光激發後，通常會發出兩種波長的光─波長約420 nm的紫光和中心波長550 nm的冷綠光。這兩種發光波長與孔雀羽毛的光學特性相當匹配，但困難之處在於如何讓氧化鋅材料滲透進入孔雀羽毛中。 為了解決這個問題，交大團隊決定把孔雀羽毛的部份浸泡於一系列的化學藥品中，直接定址(in situ)成長ZnO微粒，他們認為孔雀羽毛的內外角質層可提供形成氧化鋅的適當場所。掃描式電子顯微鏡照片顯示，羽毛上確實覆蓋了直徑8.5至13.5 nm的微粒。這種ZnO-羽毛複合材料在360 nm的紫外光激發下，會發出波長範圍在500到650 nm的光，相對的，未經處理的羽毛發光峰值在400到450 nm之間，而氧化鋅的波長則在420及550 nm附近。 Su表示，大自然的奧秘啟發了以多層次結構發展奈米功能性材料的靈感，目前該研究小組正在測試其他如蛋殼膜、蠶絲纖維、蝶翼等自然生物材料，是否能應用在光觸媒、氣體感測器、可延展陶瓷和半導體科技上。詳見Nanotechnology 19, 365602 (2008)。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/36244譯者:劉丞彬(逢甲大學光電學系)
2008年11月21日 星期五
奈米結構化儲存領域 抒解IT儲存瓶頸新希望
唐鴻／台北
2008/11/17
資訊科技影響力已經遍及各個領域，其運算基礎或輸出成果很大一部份將成為數位資料，雖然理論上數位資料不會佔用實體空間，但在數位資料有著快速複製特性，同樣1筆資料可能拷貝千百萬份，加上數位資料體積也隨著多媒體化不斷膨脹、加大，使得數位資料儲存反而成為相當棘手的問題。儲存數位資料的媒介，通常會依儲存基礎架構不同分為2大類，即磁性類(磁碟或磁帶)、光碟類(磁光型與反射型)，直到近年快閃記憶體加入新加入第3大類，不過，無論是何種基礎架構，分析原理都大略相同，儲存介面的表面的每個儲存格(storage cell)都有位址，可以變化成0與1的訊號，成為IT處理裝置能判讀的基礎。以最主流的硬碟深入討論，即是利用磁性介質的正/負極性變化表示0或1，為增加容量，每個儲存格即磁域(magnetic domains)必須愈做愈小，但過小的磁域卻會使得材質在常溫下也無法保持良好磁性，稱為超順磁性(superparamagnetism)，雖可利用垂直寫錄技術(PMR)改善，但這也只是治標方式。1個由德國與義大利科學家組成的研究團隊，正研究利用奈米結構化儲存域(nano structured storage domains)徹底改變IT儲存的基礎架構！其原理是在矽氧化物晶片製造出自旋轉變(spin-transition)的奈米圖案(nanopattern)。0或1的二進位資料以電子自旋翻轉交換(flipping switching)進行儲存，整個架構目前暫時稱為交換奈米條紋(Switchable Nanostripes)。此團隊將中性鐵(II)複合物以奈米尺寸壓印在矽晶圓上，並將材質依其組織形成1個線性的方向性，而這些材質可利用其高或低的自旋型態儲存資訊，而控制方式可利用溫度、壓力或電磁輻射，研究者已將原本利用CD儲存的數位資訊轉移至此種儲存裝置中，證明此複合物已可產生具有可判讀的IT儲存裝置特性。此項新科技雖已證明實用化基礎、且實際可行，不過仍有許多技術瓶頸尚待克服，例如，必須讓此儲存架構於常溫下操作、及證明其安全性與穩定性，並找出可供量產的模式，最終目標必須讓此架構擁有一定程度的價格/儲存比，才有可能讓整個IT儲存架構改觀，不過有了目前研究成果，至少已讓科學家掌握了未來發展方向。
2008/11/17
資訊科技影響力已經遍及各個領域，其運算基礎或輸出成果很大一部份將成為數位資料，雖然理論上數位資料不會佔用實體空間，但在數位資料有著快速複製特性，同樣1筆資料可能拷貝千百萬份，加上數位資料體積也隨著多媒體化不斷膨脹、加大，使得數位資料儲存反而成為相當棘手的問題。儲存數位資料的媒介，通常會依儲存基礎架構不同分為2大類，即磁性類(磁碟或磁帶)、光碟類(磁光型與反射型)，直到近年快閃記憶體加入新加入第3大類，不過，無論是何種基礎架構，分析原理都大略相同，儲存介面的表面的每個儲存格(storage cell)都有位址，可以變化成0與1的訊號，成為IT處理裝置能判讀的基礎。以最主流的硬碟深入討論，即是利用磁性介質的正/負極性變化表示0或1，為增加容量，每個儲存格即磁域(magnetic domains)必須愈做愈小，但過小的磁域卻會使得材質在常溫下也無法保持良好磁性，稱為超順磁性(superparamagnetism)，雖可利用垂直寫錄技術(PMR)改善，但這也只是治標方式。1個由德國與義大利科學家組成的研究團隊，正研究利用奈米結構化儲存域(nano structured storage domains)徹底改變IT儲存的基礎架構！其原理是在矽氧化物晶片製造出自旋轉變(spin-transition)的奈米圖案(nanopattern)。0或1的二進位資料以電子自旋翻轉交換(flipping switching)進行儲存，整個架構目前暫時稱為交換奈米條紋(Switchable Nanostripes)。此團隊將中性鐵(II)複合物以奈米尺寸壓印在矽晶圓上，並將材質依其組織形成1個線性的方向性，而這些材質可利用其高或低的自旋型態儲存資訊，而控制方式可利用溫度、壓力或電磁輻射，研究者已將原本利用CD儲存的數位資訊轉移至此種儲存裝置中，證明此複合物已可產生具有可判讀的IT儲存裝置特性。此項新科技雖已證明實用化基礎、且實際可行，不過仍有許多技術瓶頸尚待克服，例如，必須讓此儲存架構於常溫下操作、及證明其安全性與穩定性，並找出可供量產的模式，最終目標必須讓此架構擁有一定程度的價格/儲存比，才有可能讓整個IT儲存架構改觀，不過有了目前研究成果，至少已讓科學家掌握了未來發展方向。
2008年11月19日 星期三
國科會：奈米計畫2期經費擬投入230億元
（中央社記者何宏儒台北2008年2月16日電）行政院國家科學委員會表示，為延續「奈米國家型科技計畫」第1期研究成果，刻正進行第2期構想規劃，預定自2009至2014年，投入230億元經費；重點領域則包括前瞻研究、奈米電子╱光電技術、奈米儀器研發、能源與環境技術、奈米生技，以及傳統產業等。「奈米國家型科技計畫」第1期已自2003年起執行，將於2008年12月結案。計畫總主持人、中央研究院物理研究所院士兼任所長吳茂昆指出，第1期投入經費約178億元，相當於每年約投入30億元，係所有國家型計畫中，年平均投入最多者。他表示，為延續第1期研究成果，「奈米國家型科技計畫」辦公室刻正進行第2期計畫之構想規劃，預計2009至2014年間，投入總經費230億元；重點研究領域將包括前瞻研究、奈米電子╱光電技術、奈米儀器研發、能源與環境技術、奈米生技，以及傳統產業等。至於第1期計畫已完成產品量產╱試量產者包括鋰鎳鈷正極材料、捲繞型鋁固態電容、擴散暨增亮光學膜、高壓均質機、研磨機、原子力顯微鏡、奈米金觸媒攜帶式逃生面罩、透明易潔防污塗料、奈米碳球防鏽耐蝕模具、奈米光觸媒（燈具、陶板、濾材）、UV交聯型墨水、奈米汽車蠟、奈米複合機能處理劑。部分研究成果帶動之商機十分可觀；國科會舉例鐵研公司為全世界第1家量產鋰鎳鈷正極材料廠商，去年年產值逾15億元，2009年更估逾30億元。
TOP
TOP
2008年11月13日 星期四
奈米科技對台灣晶圓代工業的影響與衝擊－SWOT分析之應用
奈米科技對台灣晶圓代工業的影響與衝擊－SWOT分析之應用
The Influence and Trend of Nanotechnology to the Taiwan’s Foundry Industry- The Application of SWOT Analysis
林文恭
Wen-Kung Lin
摘要
隨著大陸和東南亞國家晶圓代工業者的加入，如何提昇產能利用率與生產良率將會是各家廠商致力改善的重點，且隨著材料科學的發展，晶圓元件的細微化是未來的研發方向之一。唯有依賴奈米科技的應用研發才有可能突破。本研究希望藉由了解奈米科技對台灣晶圓代工業之影響與衝擊，協助政府研擬「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策時應留意之事項，並提供晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議。本文一方面藉由文獻回顧法：針對研究主題進行靜態性與比較性的分析研究；另一方面以SWOT分析法：針對奈米科技與晶圓代工業之間的關係進行深入剖析。研究結果顯示，晶圓代工業者若能充分掌握奈米科技帶來的機會並利用本身已具備的優勢，為台灣高科技產業另創新一波的世界領先地位是可以預期的。
關鍵字:奈米科技、晶圓代工、SWOT分析法
Abstract
According the entrance of foundry in Mainland Chain and Southeast Asia, how to improve capacity efficiency and product would be the key points which attend to deal with and by the development of technology, the ultra structure of the foundry component is the necessary dimension of in science technology. The paper hopes to provide some helpful idea for government to set up policy about how to using nanotechnology in foundry industry, and give some suggestions about production process by comprehending how nanotechnology affect to High-Technology industry in Taiwan. On the one side, this paper has the analysis of static and comparative search for the research topic by literature review; On the other side, this paper also discuss the Nanotechnology and foundry industry’s relation. The results show that the leadership of the foundry of Taiwan in the world is possible if the opportunity brought by nanotechnology could be controlled and make use of the advantage of itself.
Keyword: Nanotechnology、Foundry Industry、SWOT Analysis
一、前言
台灣產業結構變遷由農業、輕工業、重化工業、到現在的高科技產業，工業的重心也由傳統的食品加工業、石化、汽車等產業轉移到以晶圓代工業為核心的高科技產業，自1993年開始晶圓代工業已成了台灣的主流產業。由行政院主計處民國91年6月4日之國情統計通報中可知，台灣晶圓代工全球佔有率的百分比，由1998年的52％逐年升高，到了2001年，己達73％的佔有率，對台灣經濟之重要性足以見得。全球三大晶圓代工廠，分別為：台灣積體電路(簡稱台積電)、聯華電子(簡稱聯電)和新加坡的特許半導體，台灣即擁有二家。
台灣在進入高科技產業後，晶圓代工業以其高效率的專業分工，完整的產業群聚、豐富的管理經驗及優越的數位設計技術，在世界上排名第一。但因成本考量，台灣晶圓代工廠紛紛外移至中國大陸生產。隨著中國大陸及東南亞新興地區半導體產業勢力的崛起，對我國晶圓代工有所影響與衝擊。因此，台灣晶圓代工廠為提昇自身之競爭力，競相投入奈米科技的研發，希望能在元件微小化時，利用奈米科技解決所面臨的材料及技術瓶頸。
本研究的目的，希望藉由SWOT分析了解奈米科技應用在台灣晶圓代工業後的影響與衝擊，以供政府研擬輔導「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策與注意事項，及提供晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議。
二、文獻探討
(一)奈米科技的意義
奈米科技為奈米尺寸下的科學技術。基本上奈米是一種度量單位，1奈米(nanometer)是十億分之一米。在這個刻度之下的元件，它的物理性質與普通尺寸的物理性質是截然不同的，一旦物質尺寸小到一奈米至一百奈米範圍，常會產生新的特性與現象，例如蓮花表面之奈米結構使污泥無法沾附、金的顆粒大小在五奈米時熔點大幅下降。(馬遠榮，2002)
近年來由於電子產品追求輕薄短小又精緻的趨勢，使得人類對微小化材料的需求變得重要且必須，也使得電子元件已由微米(10-6m)範圍邁入奈米(nanometer = 10-9m)範圍。誠如龔建華博士(2002)所言，奈米科技不只是小尺寸的延伸，亦不只是以製造奈米尺度或材料的機器為限，應是技術創新及認知上的革命。透過材料及零件細微化，電子與資訊工業可以發展出更省電、體積更小、更節約能源的材料與元件，這對促進現有科技有很大的影響，是永續發展的革命性科技。
(二)奈米科技的應用
繼「第三波」資訊革命之後，奈米科技預計將帶來第四波工業革命，各種的奈米產品，陸續開發應用在我們日常生活及產業中，例如：保暖殺菌的奈米服裝、防污染的奈米塗料、長期保鮮的奈米冰箱、潔淨的奈米馬桶、超薄的奈米碳管顯示器、超大容量的奈米光碟、乃至奈米抗癌藥物等。奈米科技的應用可說是全面性的，因為它的技術不僅可以用在尖端科技的研發，也可以讓傳統產業開發出新產品，而科學家及產業運用奈米科技所研發的各種產品潛力無限。當物質微縮到奈米尺寸時，由於物理與化學特性迥然改變，連帶創造出無數全新的應用可能，不僅使資訊、光電等高科技產業，向前躍進一大步，也為傳統產業帶來起死回生的契機。根據預測，奈米科技在2010年不論在半導體或生物科技產業上將有突破性發展。(黃惠娟，2002)
由於奈米科技範圍過於廣泛，而且範疇的定義及領域的劃分也極為困難，目前只有日立總研對全球應用奈米科技之市場做分項預估，如表1所示，其中最被關心的資訊電子分項，預計到2010 年時將具有每年671,884億日圓市場(佔50.6%)的可能，之中最大的是半導體市場(每年267,097億日圓) (佔20.1%)。而全球應用奈米科技市場中，預估在2005到2010年間，資訊電子類產品所佔比率將由27.1%增加到50.6%，成長將近一倍。而在資訊電子類中，半導體產品的比率也由原本只有10%大幅成長到40%。可見未來半導體產業需要應用奈米科技的範圍非常的大。
表1 全球奈米科技市場之分項預估
單位：億日圓/年
類別
世界
日本
2005年
％
2010年
％
2005年
％
2010年
％
資訊電子
26,483
27.1
671,884
50.6
9,144
38.8
138,649
50.7
‧半導體
2,615
2.7
267,097
20.1
934
4.0
58,956
21.6
‧網路器件
23,868
24.4
107,188
8.1
8,210
34.8
23,233
8.5
‧資訊儲存
0
-
51,593
3.9
0
-
30,323
11.1
‧生物奈米感測器
0
-
1,986
0.1
0
-
392
0.1
‧其它
0
-
244,020
18.4
0
-
25,745
9.4
製程、材料
15,896
16.3
415,924
31.3
4,717
20.0
89,079
32.6
航空、宇宙
29,281
30.1
88,220
6.6
1,316
5.6
3,965
1.5
環境、能源
5,619
5.7
61,309
4.6
1,131
4.8
15,932
5.8
量測、加工、模擬
12,827
13.1
52,202
3.9
6,282
26.7
21,311
7.8
生命科學
6,968
7.1
37,951
2.9
883
3.7
4,150
1.5
農畜產業
600
0.6
1,725
0.1
88
0.4
210
0.1
合計
97,674
100
1,329,215
100
23,561
100
273,296
100
資料來源：日立總研；工研院經資中心ITIS計劃整理(2002/08)
(三)晶圓代工之種類
晶圓片的由來，是先將二氧化矽經過純化、融解、蒸餾之後，製成矽晶棒，晶圓廠再拿這些矽晶棒研磨、拋光和切片成為晶圓母片。晶圓代工是台灣IC產業中最具特色的一環，因此讓我國半導體在世界半導體工業中佔有重要地位。
目前晶圓代工的主要供應商分為二類，分述如下：(王建華，2002)
1. 整合元件製造廠兼營代工（IDM；Integrated Device Manufacturer）：
以自有產品生產為主，但大部份IDM廠為了提高產能利用率，會使用剩餘產能從事晶圓代工服務，例如：IBM、三星等。IDM廠吸引客戶的主要因素則是憑藉其優越的設計能力、智慧產權（IP；Intellectual Property）或特殊製程技術的條件。
2. 專業晶圓代工（Pure Foundry）：
只負責幫客戶生產產品，不設計、行銷自我品牌產品。其吸引客戶的主要原因為本身不從事自有品牌IC的生產與銷售，不會與客戶形成競爭，使下單的客戶沒有設計外洩或遭到抄襲的顧慮，並可提供製程之選擇。
1986年以前的世界半導體產業體系，是以整合製造為主；例如德州儀器(TI)、Intel、NEC、摩托羅拉（Motorola）、Fujitsu等，這些大廠的業務囊括半導體的設計、製造、測試封裝與銷售。然而在1986年之後，半導體產業體系漸漸地邁向解構(Dis-integration)階段，即每家廠商專精於產業的某一專業分工領域，例如CLI、S3、Altera等是無晶圓IC設計廠商；Anam、ASE等則是半導體封裝廠如圖一所示。
晶圓製造、封裝、測試
代 工
T1 , NEC , Fujitsu , Motorola
1996
封裝代工
華泰，日月光
測試代工
茂測，聯測
封裝、測試
代工
日月光,Anam
設
計
/
銷
售
CLI,
Altera,
S3
晶圓製造
代 工
台積電,
Chartered,
Tower
晶圓製造 、 封裝 、 測試
代 工
Alphatech QPL
設計 / 銷售
晶圓製造
封裝
測試
T1,Motorola,
NEC,Fujitsu
1986
分工製造
整合製造
圖一 半導體產業體系的解構趨勢
資料來源：劉常勇(1997)
(四)奈米科技在晶圓代工業上之應用
2002年半導體製程跨入奈米 (nm)競爭時代，摩托羅拉、飛利浦和意法半導體宣布與台積電共同研發的90奈米設計平台將提前問市，並將於2003年初問世，台積電領先全球發表將奈米技術帶入晶圓製程的代工廠。
由於晶圓代工業，對產品的尺寸要求非常嚴格，為了節省空間，電子路徑的橫切寬度愈小愈好，因為電線的寬度愈小，在一定單位面積下的空間內就能容納更多的電路。然而，電路做得細，就愈容易斷，一旦在晶片的電路有一個地方斷掉，電路不通，這個晶片也就報廢了，因此必須利用技術把電路的線寬做得更細，奈米技術具有的將材料及零件細微化特性，正符合晶圓代工的未來趨勢。
三、研究方法
本研究主要針對奈米科技對台灣晶圓代工之影響與衝擊作分析，以閱讀相關文獻及進行SWOT分析，進而達成研究之目的。本研究方法如下：
(一)文獻回顧法
蒐集與研究主題相關的著作、期刊文章、研究報告、報章雜誌報導等文件，進行靜態性與比較性的分析研究，以達到本研究目的。
(二)SWOT分析法
S（Strength）優勢：組織或個體所擁有的長處與專才；W（Weakness）劣勢：組織或個體所缺乏之短處與缺憾；O（Opportunity）機會：外部環境所提供的機會與未來發展；T（Threat）威脅：外部環境所存在的威脅與未來生存壓力。
SWOT分析，是一個相當經典且常用的分析構面，常用以分析組織或個體所處現狀的優勝劣敗，以提供清晰的組織現狀，供經營者做當下決策、現狀分析或未來進展的思考基礎。對於快速釐清狀況而言，SWOT是一個很有效率的工具，它的結構雖然簡單，但是可以用來處理非常複雜的事務。
四、實例分析
(一)台灣晶圓代工業之概況：台灣半導體產業的發展，起始於60年代外資投資設立封裝廠開始，而產業發展歷程可分為1966至1973年的萌芽期、1974至1979年的引進期、1980至1995年的成長期，並在1996年以後進入產業的擴張期如圖二所示。經歷近三十年的發展，目前台灣在半導體晶圓材料、光罩製作、電路設計、製造、封裝、及測試等相關領域，已逐漸建立自主之技術能力。(阮世昌，1998)
(二)由於晶圓代工業之產值佔台灣半導體產業產值一半以上，如此專業製造事業，使我國晶圓代工在國際奠定一定之地位。從全球半導體的垂直分工移轉到國際分工合作，台灣的專業晶圓代工扮演著推波助瀾的角色，對大企業而言，下單給晶圓代工廠，除了可減輕投資風險，更能提高效益。有關台灣未來半導體設備投資計畫如表2所示。(江素雲，1999)
台灣半導體發展進程
年代
世界半導體發展進程
1948
貝爾實驗室發明電晶體
1952
快捷半導體創立
1958
Kilby發明IC
1965
摩爾發表摩爾定律
高雄電子從事積體電路封裝
1967
國民半導體創立
飛利浦建元從事積體電路封裝
1968
英代爾、超微半導體創立
華泰電子從事積體電路封裝
1971
全球第一顆微處理器(Intel)
1972
第一顆8位元微處理器並開始走進0.1微米製程研發
工研院電子所成立
1974
引進期自RCA引進7微米製程技術
開始電子工業第一期發展計劃
1975
1976
4吋晶圓製程
電子所IC示範工廠落成
1977
SIA(半導體產業協會)成立
1978
16位元微處理器
聯華電子公司成立
1979
開始電子工業第二期發展計劃
新竹科學園區成立
1980
1.5微米製程技術
1982
1.2微米製程技術
開始超大型積體電路計劃
1983
6吋晶圓製程
成長期成功開發1.5微米256K DRAM
IC設計公司接連成立
1985
32位元微處理器、1.0微米製程技術
台灣積體電路公司成立
1987
SIA設定三階段目標
1988
八吋晶圓製程0.8微米製程技術
台灣光罩公司成立
1989
120萬顆電晶體
開始次微米製程發展計劃
1.0微米製程技術
1990
0.5微米製程技術
半導體列入我國未來10大新興產業
0.6微米製程技術投入量產
1992
次微米8吋廠實驗室落成
1993
Pentium微處理器
4M SRAM、16M DRAM設計生產能力
聯電、華邦開發完成0.5微米製程技術
1994
世界先進積體電路公司成立
1995
P6微處理器(Intel)
開始深次微米計劃
1996
0.35微米製程技術
1997
0.2微米製程技術
聯電、台積電進入0.13微米製程技術
2001
並開始走進0.1微米製程研發
聯電、台積電90奈米製程試產
2004
圖二 台灣與世界半導體產業演進過程
資料來源：本研究
表2 台灣半導體廠商之設備投資計畫
公司
投資額(美元)
晶圓廠
地點
備註
旺宏
7.2B 10年內
1 12" Fab.
2~3 12" Fabs.
竹科
南科
· System on a chip
茂矽
3.6B
1 12" Fab.
Packaging + Testing
南科
南科
南亞
3.6B
1 8" Fab.
2 12" Fab.
林口
力晶
1.2B
1 12" Fabs.
竹科
· 0.18mm 64M DRAM
德基
9.0B10年內
3 12" Fabs.
南科
· 擴張8 " Fab,至2000年，每月產值達100K/M
台積電
14.5B10年內
1 8" Fab.
5 12" Fabs.
南科
· 7/1997建廠8 "晶圓廠
聯華
18.8B10年內
1 8" Fab.
5 12" Fabs.
南科
·策略聯盟
華邦
5.8B10年內
1 8" Fab.
2 12" Fabs.
南科
· 2000年8 "廠量產
世大
3.6B
2 12" Fabs.
南科
· 1999年進入南科
日月光
11.9B13年內
Assembly House
Test House
南科
· BGA ,CSP封裝
· Logic測試
合計
79.2B
24-25 12" Fabs.
4 8" Fabs.
資料來源：日刊半導體產業新聞/MOEA (經濟部)，1999年2月
(三)SWOT分析
有關奈米科技與晶圓代工業之間的關係，本研究以SWOT分析為基礎，探討台灣晶圓代工業本身產業內的優勢與劣勢，以及運用奈米科技時產生的機會與威脅，以作為往後晶圓代工業者經營方式策略研擬的參考。如表3所示。
表3 晶圓代工業應用奈米科技之SWOT分析
優 勢（Strength）
劣 勢（Weakness）
1. 產業體系完整，專業分工
2. 製程領先，已導入90奈米
3. 專業晶圓代工製造實力強
1. 奈米科技發展落後，取得晶圓專利較少
2. 研究發展人才不足，創新不足
3. 發展成本高，研發預算相對較少
機 會（Opportunity）
威 脅（Threat）
1. 與國外廠商策略聯盟
2. 產業型態轉型
3. 發展生物技術晶片
1. 競爭者日益增加
2. 微利時代來臨
3. 人才外移嚴重
資料來源：本研究
1. 優勢分析
SWOT分析中所指優勢分析，即組織或個體所擁有的長處與專才。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的優勢有三點，分述如下。
(1)產業體系完整，專業分工：台灣晶圓代工產業完整的垂直分工體系，以及以科學園區為核心之產業供應鏈和產業群聚效應所產生的整體效率，是台灣晶圓代工業能夠保有強大競爭力的重要原因之一。未來的趨勢是發展系統單晶片 (System on Chip)為主，所以晶圓代工的客戶種類會非常廣，不同的客戶將會要求不同的技術，即使是同一技術，內涵也多所改變，所以擁有製程技術、量產技術、管理行銷技術的台灣晶圓廠商將佔有非常大之優勢。
(2)製程領先，已導入90奈米：台灣的台積電在2003初導入90奈米製程試產，預計於2003年底量產。而聯電也正進行90奈米的製程研究。這二家最大的晶圓代工廠，無不致力於奈米級製程的研究，為的正是要藉由奈米級的製程，提昇自己的競爭力，以爭取更多高階訂單。值得驕傲的是，二家的製程能力，都比國際半導體技術預估的提前二年，因此台積電及聯電可以成為全球前二大晶圓代工廠。美商Xilinx（智霖）於2003年4月中宣布，推出以90奈米製程生產的可程式晶片，預估明年量產；此製程技術是由IBM提供，並由聯電的12吋晶圓廠負責生產，而Xliinx的頭號競爭對手、同時也是台積電大客戶的Altera也將在2004年下半年推出90奈米製程的產品，晶圓雙雄將往90奈米的領域挺進。
(3)專業晶圓代工製造實力強：台灣目前IC產業的主力產業，以晶圓代工為中心，上游有IC設計、下游有封裝與測試，2000年時IC產業總產值超過七千億台幣，就業人口超過十萬人，帶動台灣的經濟發展。為了因應電子產品的微小化及降低成本，一方面，各晶圓代工廠若不是自行興建12吋晶圓廠，就是和其它廠商策略聯盟。據半導體業者估算，利用12吋晶圓來生產晶片，成本將比8吋晶圓約增加3至4成，但產能卻可達到8吋晶圓的兩倍半，而良率的提升更可讓晶圓的產出數量呈倍數的成長。
2. 劣勢分析
SWOT分析中之劣勢分析是組織或個體所缺乏之短處與缺憾。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的劣勢有三點，分述如下。
(1)奈米科技發展落後，取得晶圓專利較少：過去相較於美日等國，我國的起步較晚，技術算是比較落後，缺乏基本專利，現在，我國已在國際市場嶄露頭角，逐漸佔有一席之地，對其他國家構成威脅後，智慧財產權問題日益凸顯，在系統整合、設計及晶圓相關專利等高附加價值的部分經常掌握在先進國家手上，使用時則必需支付龐大的權利金。
(2)研究發展人才不足，創新不足：隨著產業升級及知識經濟的潮流，業界普遍面臨專業技術人才以及高階管理人才不足的問題；反之，以勞力為主的基層人力則有過剩的現象。可預見的是，未來人才的爭奪將是科技廠商所必須面對的課題。以最近推動的國家矽導計畫為例，據調查台灣IC設計人員至2005年約需9,500人，而現階段國內能供應的相關人才，每年亦僅800人，供需之間差了十倍多。我國相較於美國、日本，在奈米相關科技基礎的研發明顯不足。由於我們已站在技術最前端，與最先進的技術並駕齊驅，很難再從別人那裡學習到什麼了，因此應持續培育奈米科技相關人才，做基礎研究。
(3)發展成本高，研發預算相對較少：技術創新已是晶圓廠的生存之道，然而不斷追求創新，換來的卻是高研發成本，以及處於克服製程障礙的處境，光罩價格的飆升及銅製程技術的困難，就是製程提升的成本之一。無論是晶圓代工產業的12吋晶圓製程，或者是奈米科技之研究，都必須花費相當大的成本與時間去研發。相較於歐美日各國，奈米國家型計劃預計在2002至2007年內投入新台幣231億元(約6.7億美元)，而美國光是2002年就投入超過5億美元，日本2002年的獨立法人研究經費也高達350億日元(約2.9億美元)。台灣投入的經費，相形見拙，又無法得到金融業的金援。
3. 機會分析
機會分析是指外部環境所提供的機會與未來發展。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的機會有三點，分述如下。
(1) 與國外廠商策略聯盟：典型的8吋晶圓廠，建廠須耗用約10億美元的投資，但進入12吋晶圓的時代，每一座典型晶圓廠，卻需耗用到約30億美元。由於投資金額龐大，技術變化日益快速，如何規避經營風險，已成為全球半導體業者必修課程。由於12吋晶圓廠產能太大，是一座8吋晶圓廠的兩倍半，不能只靠IC設計公司的訂單，還必須和IDM廠進行合作，以期能達到產能飽和。由於我國晶圓代工產業在全球市場佔有率高達四分之三，對全球半導體產業具有強大磁吸效應。美國、日本的IDM大廠，已競相縮減自身的晶圓製造，與台灣晶圓專工業者建立分工合作的策略聯盟，極有利於我國半導體產業的全球佈局，而我國晶圓代工業者仍可加強與一流大廠合作聯盟以加速技術面之提昇。
(2) 產業型態轉型：結合奈米技術的發展，將產業角色從單純的製造服務，轉型成與客戶建立伙伴關係，並運用策略性合作，創造綜合效果與附加價值。由於晶片競爭激烈，客戶不但要求創新，更要求價格低廉，因此當與客人研究如何節省成本，例如原本交由台灣晶圓代工業代工好之產品，以前需送到東南亞去測試，台灣晶圓代工業者便可主動為其介紹本地的優良廠商，並與客戶一起合作研發以期縮短工作天數，使得客戶成本降低，如此一來，客戶有競爭力，廠商才有競爭力。
(3) 發展生物技術晶片：奈米技術與晶圓代工的製程發展成熟時，亦可結合生技產業發展出生物晶片，生物科技也將是未來的明星產業，結合兩大明星產業發展將形成更佳的機會。
4. 威脅分析
威脅分析係指外部環境所存在的威脅與未來生存壓力。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的威脅有三點，分述如下。
(1) 競爭者日益增加：由於晶圓代工獲利豐厚，全球不斷有新晶圓廠進入代工市場，市場上的競爭已越來越激烈，台灣廠商面臨了來自韓國、東南亞等地區的競爭。在亞太地區的競爭對手有新加坡─特許半導體、泰國─Sub-Micron、馬來西亞─Wafer Technology NLSI、大陸─中芯、華虹等、韓國有三星，在美國有IBM、日本、以及歐洲都有廠商積極籌畫進入晶圓代工產業，競爭者大幅增加，爭相分食晶圓代工這塊大餅。
(2) 微利時代來臨：因為競爭對手相繼投入晶圓代工生產，使得原本的高獲利，逐漸降低。聯電董事長曹興誠先生說晶圓代工高毛利時代已結束，是因為所有的電子業都進入微利時代，這使得許多廠商不斷的被淘汰與合併，這每一次的變動都對供應商有莫大的衝擊。一方面是利潤的減少，一方面是高研發成本及設廠資金，使得晶圓代工廠在投資設廠前更須謹慎的考量。
(3) 人才外移嚴重：大陸中芯以及宏力半導體的成立從台灣吸走400名科技人才，從建廠、製程設備的調整、量產流程等相關環環相扣的關鍵人才，都是由台灣輸出，大陸在吸收核心技術後，挾其高科技人才充裕、土地成本低廉及擁有龐大腹地等優勢，隨著中國大陸半導體業日趨成熟，及其所投入之奈米科技相關研究，極有可能成為我國晶圓代工業者強大的競爭對手。(林延昆，2000)
五、結論與建議
(一) 結論
奈米科技在1990年後，逐漸成為世人注目焦點，奈米科技是截止至目前為止基礎科學發展工程之方法理論，且以奈米技術為基楚，可展開甚廣，從電子工程到生物等多樣領域，但是奈米科技其實是奈米科學移行至實用工程商品之中間階段，其實亦是產業界所迫切需要的。
台灣是半導體製造的大國，全世界最大的晶圓代工製造在台灣，但是台灣即使是在生產製造方面有過人的技術，在生產輔助應用的工具研發之能力卻乏善可陳，重要技術多掌握在國外大廠手上，造成我國IC產業產值2000年雖高達7000億台幣，僅次於美國、日本、韓國，為全球第四大生產國，但大部份的設備及製造技術等有較高利潤的部份卻讓外國所賺走。再加上近年來產業西進的熱潮，政府是否能擬出更好的策略，以提昇半導體產業的附加價值是門重要的功課。
綜觀本研究結果，奈米勢必為下一明星產業，亦可能為地小、物資缺乏的台灣帶來另一波經濟奇蹟，在此給政府及企業一些建議，希望能在政府研擬相關產業政策及企業擬定經營方針時，應特別留意之事項參考。.
1. 予政府研擬輔導「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策，應留意之事項
面對國內外政經環境改變，科技產業發展日新月異，業者在經歷國際經營環境惡化，及大陸發揮磁吸作用下，產業優勢逐漸有鬆動的趨勢，加上高科技人才活躍於大陸，我們應注意「台灣人優勢仍在，但台灣的優勢卻在不經意間流失」的情況產生。
(1) 營造奈米優質投資環境，吸引相關外商投資：由於奈米科技與IC產業是屬於高資本密集與技術密集的產業，因此，擁有一個能穩定製造的環境是相當重要的。但是我國卻有水、電供應不足的情況，造成科學圓區的高科技產業不必要的損失，而奈米科技在研發與引進的過程當中，也需要政府政策的全力支持與鼓勵，例如稅務的減免、土地的協助取得、本土高技術人才的供給等等。但當前的相關政府單位並不積極，使得擁有前端研究能力的外資廠商裹足不前甚或投入對岸，對政府、對廠商甚至對整個台灣都會造成影響。
(2) 開放IC低階製程西進大陸，整合台灣優勢：IC晶圓產業走向全球化分工趨勢愈加明顯，現大陸挾著資源豐富的生產要素，與廣大市場的重要性，逐漸衍生出其優勢所在。反觀台灣的製造優勢不在，伴隨著我國國民所得的提高，內部生產要素、基礎設施等條件逐日惡化，再加上競爭者仿效，我國瞬間攻守易位。因此，包括晶圓代工產業在內的全球電子業，未來赴大陸投資已經是無法抵擋的趨勢，台灣如何在這股潮流中，掌握關鍵的價值與角色，才應是政府決策思考的核心。本研究建議，相關政策制定者應該鼓勵業者，將IC晶圓低階製程轉移至大陸生產，以保持低成本之生產優勢，再者將台灣所留下來的高技術人才整合，將之投入奈米製程之研究發展上面，為下一代的65奈米新製程技術而努力。
(3) 奈米級技術、研發根留台灣，強化本地的角色：在全面開放高科技廠商赴大陸投資的同時，台灣也必須強化本地的角色，讓來自矽谷的技術與資源，先流經台灣，再流進大陸。未來我國在產業活動上，應該仍可掌握創新型產品與系統型產品，例如資訊家電、可攜式電子產品、晶圓代工、半導體設計、高附加價值的軟體與專案管理等，藉此產生高產值並具有高附加價值、快速回應市場需求等特質，以確保台灣本土產業的國際槓桿力量。
(4) 善用美、日技術與台灣產業優勢，建立跨國合作機制：美國加州矽谷仍是全球科技產業龍頭，舊金山與台灣間合作的重要性不亞於兩岸交流。台灣如能善用目前的產業製造的優勢，將其發揮到最高的科技仲介效用，將使台灣在全球最具生產價值的奈米級IC晶圓產業鏈中不致脫鉤。
(5) 定期舉辦相關奈米級科技展覽：在未來的全球電子業中，華人仍是不可忽視的關鍵力量。以華人在全球電子業的影響力為基礎，積極舉辦全球奈米高科技展覽會，讓全球的奈米高科技資訊流經台灣，以有助於創新的奈米技術與觀念在台灣產業界流通，也有助於國外的新觀念與新技術在台灣生根。
(6) 高科技人才問題：奈米研發首重人才的問題，但台灣在僵化的填鴨式教育制度下，研究人員普遍缺乏創新、想像的能力，雖培育出優質工程師，數十年深耕於半導體產業，但是較上層且更為重要的研發創新人才卻相當欠缺，對需要利用大膽思維，找出應用與研究方向的奈米科技非常不利．如何從小學到大學的課程重新規劃，到達適合奈米世代所需的人才標準，是一項急待推動的思想改造工程．
2. 予晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議
IC半導體技術已進入奈米的時代，就產業前景而言，會使得研發費用和建廠成本大幅增加，已到非單一業者可以獨自承擔其風險的地步，而晶圓代工產業的成長來自於IC設計業者快速成長，及IDM產能外包趨勢確立。因此全球業者莫不競相合作，聯合開發或相互投資以降低成本與風險。
(1) 策略聯盟，降低風險：典型的8吋晶圓廠，建廠須耗用約10億美元的投資，但進入12吋晶圓的時代，每一座典型晶圓廠，卻需耗用到約30億美元。在投資金額日益龐大，技術變化日益快速，如何規避經營風險，已成為全球半導體業者必修課程。由於12吋晶圓廠產能太大，是一座8吋晶圓廠的兩倍半，不能只靠IC設計公司的訂單，建議須和IDM廠進行合作，以期能達到產能高度利用率，並達到人力及設備不閒置的境界。
(2) 設廠成本高，投資更要謹慎：IC半導體景氣波動愈來愈大，使得產業的變化很難去預測的，固業者在面對其投資時更需謹慎評估，並須持續保持技術領先，以免遭競爭對手迎頭趕上，尤其是建置新廠的必要性必須重新評估。
(3) 維持住晶圓代工業之決戰點--技術層次、人力資源、成本結構、成品良率、資金調度能力
a. 技術層次：製程技術相對於半導體廠商而言，與爭取顧客的信賴與認是同樣重要的。技術的遲滯不前會導致客戶的流失與損失，也唯有不斷的開發新製程才能避免此一情況發生，並拉開與競爭者的技術優勢，如台積電在2003年推出90奈米新製程。且65奈米聯盟已成立運作多時，由台積電技術長胡正明所領導的各個研發小組，現更提出包括了65、55、35，甚至15奈米的製程。由此可見製程技術之於晶圓代工業的重要性。
b. 人力資源：目前研發人員，超過70％都是碩士以上學歷，面對如此多高學歷的菁英份子，如何將人才留住確保製程技術的安全不外流，也是刻不容緩的事情，在管理雜誌91年4月號的報導中提到現今的商業機密外洩是最不容易防範的，以及最容易被竊取的，就屬人才的挖角了，模糊的認定以及難以防範的發生令企業頭疼萬分，因此如何留住員工，就成了企業的新隱憂了。
c. 成本結構。半導體用電子材料市場規模逐年成長，但所需之材料仍多數自國外進口，國內除少數項目自有生產外，自給率偏低。使得在終端產品價格日趨低價化的情況下，業者利潤空間逐漸變小，原物料掌控及成本控制成為重要致勝關鍵。尤其是現今跨入奈米級生產的廠商不多，擁有技術優勢的台灣IC半導體廠商們，更應該把握住這一個難得的時間差，帶領客戶們將此一優勢充分展現出來，進行市場上的占有率競爭。
d. 成品良率：由IC晶圓的良率可看出一個工廠的管理智慧與獲利能力，據半導體業者估算，利用12吋晶圓來生產晶片，成本將比8吋晶圓約增加3至4成，建廠成本增加高出2倍，但產能卻可達到8吋晶圓的兩倍半，而良率的提升更可讓晶圓的產出數量呈倍數的成長，可見得半導體廠商在提升良率方面用了多少的心力。 但在進入奈米級IC生產上所會碰到的良率問題，並不是那麼容易克服的，面對更小、更精密、更有效能的奈米級IC晶圓，所會碰到的困境相對的會更加的嚴峻，如何解決這一個難題，更是考驗著廠商的研發功力。
e. 資金調度能力：IC半導體產業是高技術、高資本的行業，在面對眾多競爭對手的低價競爭中，如何確保資金部位的充足，相對的也是非常重要的一環。由於專業晶圓代工業是沒有產品的製造公司，故須清楚知道要做到設備使用率高、晶圓廠本身的良率要高、產品的良率要高、交期必須準確、交貨速度要縮短、研發能力要強。尤其是研發，在研究奈米級IC晶圓時必須投入大量的人力、物力、資金、如何確保這三項必要的生產要素，也是廠商們所必須要考慮到的一環。
(二) 建議
由於晶圓代工業的競爭激烈，故晶圓代工業者皆將自身的研發內容計畫視為公司機密，故本研究在資料搜集上，並未能取得來自業者研發的第一手資料，只能從業者已發佈的新聞資訊，得知其發展狀況並加入本研究內容予以討論分析。此外由於高科技產業能否成功發展的關鍵將繫於科技人力資源的量與質，質量充足才會有潛力，本研究觀察近一年來，發現台灣科技人才的確相當缺乏，尤其在中國大陸急起直追下，對政府是否開放自大陸引進高科人才的策略擬定，為搶得世界之優勢，實不應再拖延。
由於晶圓代工業兼具技術與資本密集的特性，倘若發生兩岸資金的排擠作用，或技術移轉過速，可能使台灣喪失高科技產業發展的相對優勢，是故政府在「有效管理」措施上預作安排，實屬重要。
有鑑於以上因素，本研究有限於時點因素，未能繼續將議題納入分析內容中，建議若以相關議題為研究，可持續將晶圓代工業者的技術研發內容、政府對人才的培訓與引進政策及對已移往中國大陸生產的台灣晶圓代工業之現況，作持續的追蹤研究，以作為政府政策研擬與業者經營策略訂定之參考資料。
參考文獻
1. 王建華：《台灣IC製造業發展現況》，（工研院產業評析新聞，2002年8月。）
2. 江素雲：《台灣半導體產業投資計畫》，（工研院，1999年6月。）
3. 阮世昌：《晶圓代工業現況分析》，（晶圓代工業概論，1998年8月。）
4. 林延昆：《兩岸半導體產業的優勢與商機》，（投資半年刊，2000年12月。）
5. 馬遠榮：《奈米科技》，（台北：商周出版，2002年。）
6. 黃惠娟：《奈米入侵》，（商業周刊，2002年11月4日。）
7. 劉常勇：《台灣積體電路公司─晶圓代工的領導者》，（1997年。）
8. 龔建華：《你不可不知的奈米科技》，（台北：世茂出版社，2002年。）
The Influence and Trend of Nanotechnology to the Taiwan’s Foundry Industry- The Application of SWOT Analysis
林文恭
Wen-Kung Lin
摘要
隨著大陸和東南亞國家晶圓代工業者的加入，如何提昇產能利用率與生產良率將會是各家廠商致力改善的重點，且隨著材料科學的發展，晶圓元件的細微化是未來的研發方向之一。唯有依賴奈米科技的應用研發才有可能突破。本研究希望藉由了解奈米科技對台灣晶圓代工業之影響與衝擊，協助政府研擬「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策時應留意之事項，並提供晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議。本文一方面藉由文獻回顧法：針對研究主題進行靜態性與比較性的分析研究；另一方面以SWOT分析法：針對奈米科技與晶圓代工業之間的關係進行深入剖析。研究結果顯示，晶圓代工業者若能充分掌握奈米科技帶來的機會並利用本身已具備的優勢，為台灣高科技產業另創新一波的世界領先地位是可以預期的。
關鍵字:奈米科技、晶圓代工、SWOT分析法
Abstract
According the entrance of foundry in Mainland Chain and Southeast Asia, how to improve capacity efficiency and product would be the key points which attend to deal with and by the development of technology, the ultra structure of the foundry component is the necessary dimension of in science technology. The paper hopes to provide some helpful idea for government to set up policy about how to using nanotechnology in foundry industry, and give some suggestions about production process by comprehending how nanotechnology affect to High-Technology industry in Taiwan. On the one side, this paper has the analysis of static and comparative search for the research topic by literature review; On the other side, this paper also discuss the Nanotechnology and foundry industry’s relation. The results show that the leadership of the foundry of Taiwan in the world is possible if the opportunity brought by nanotechnology could be controlled and make use of the advantage of itself.
Keyword: Nanotechnology、Foundry Industry、SWOT Analysis
一、前言
台灣產業結構變遷由農業、輕工業、重化工業、到現在的高科技產業，工業的重心也由傳統的食品加工業、石化、汽車等產業轉移到以晶圓代工業為核心的高科技產業，自1993年開始晶圓代工業已成了台灣的主流產業。由行政院主計處民國91年6月4日之國情統計通報中可知，台灣晶圓代工全球佔有率的百分比，由1998年的52％逐年升高，到了2001年，己達73％的佔有率，對台灣經濟之重要性足以見得。全球三大晶圓代工廠，分別為：台灣積體電路(簡稱台積電)、聯華電子(簡稱聯電)和新加坡的特許半導體，台灣即擁有二家。
台灣在進入高科技產業後，晶圓代工業以其高效率的專業分工，完整的產業群聚、豐富的管理經驗及優越的數位設計技術，在世界上排名第一。但因成本考量，台灣晶圓代工廠紛紛外移至中國大陸生產。隨著中國大陸及東南亞新興地區半導體產業勢力的崛起，對我國晶圓代工有所影響與衝擊。因此，台灣晶圓代工廠為提昇自身之競爭力，競相投入奈米科技的研發，希望能在元件微小化時，利用奈米科技解決所面臨的材料及技術瓶頸。
本研究的目的，希望藉由SWOT分析了解奈米科技應用在台灣晶圓代工業後的影響與衝擊，以供政府研擬輔導「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策與注意事項，及提供晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議。
二、文獻探討
(一)奈米科技的意義
奈米科技為奈米尺寸下的科學技術。基本上奈米是一種度量單位，1奈米(nanometer)是十億分之一米。在這個刻度之下的元件，它的物理性質與普通尺寸的物理性質是截然不同的，一旦物質尺寸小到一奈米至一百奈米範圍，常會產生新的特性與現象，例如蓮花表面之奈米結構使污泥無法沾附、金的顆粒大小在五奈米時熔點大幅下降。(馬遠榮，2002)
近年來由於電子產品追求輕薄短小又精緻的趨勢，使得人類對微小化材料的需求變得重要且必須，也使得電子元件已由微米(10-6m)範圍邁入奈米(nanometer = 10-9m)範圍。誠如龔建華博士(2002)所言，奈米科技不只是小尺寸的延伸，亦不只是以製造奈米尺度或材料的機器為限，應是技術創新及認知上的革命。透過材料及零件細微化，電子與資訊工業可以發展出更省電、體積更小、更節約能源的材料與元件，這對促進現有科技有很大的影響，是永續發展的革命性科技。
(二)奈米科技的應用
繼「第三波」資訊革命之後，奈米科技預計將帶來第四波工業革命，各種的奈米產品，陸續開發應用在我們日常生活及產業中，例如：保暖殺菌的奈米服裝、防污染的奈米塗料、長期保鮮的奈米冰箱、潔淨的奈米馬桶、超薄的奈米碳管顯示器、超大容量的奈米光碟、乃至奈米抗癌藥物等。奈米科技的應用可說是全面性的，因為它的技術不僅可以用在尖端科技的研發，也可以讓傳統產業開發出新產品，而科學家及產業運用奈米科技所研發的各種產品潛力無限。當物質微縮到奈米尺寸時，由於物理與化學特性迥然改變，連帶創造出無數全新的應用可能，不僅使資訊、光電等高科技產業，向前躍進一大步，也為傳統產業帶來起死回生的契機。根據預測，奈米科技在2010年不論在半導體或生物科技產業上將有突破性發展。(黃惠娟，2002)
由於奈米科技範圍過於廣泛，而且範疇的定義及領域的劃分也極為困難，目前只有日立總研對全球應用奈米科技之市場做分項預估，如表1所示，其中最被關心的資訊電子分項，預計到2010 年時將具有每年671,884億日圓市場(佔50.6%)的可能，之中最大的是半導體市場(每年267,097億日圓) (佔20.1%)。而全球應用奈米科技市場中，預估在2005到2010年間，資訊電子類產品所佔比率將由27.1%增加到50.6%，成長將近一倍。而在資訊電子類中，半導體產品的比率也由原本只有10%大幅成長到40%。可見未來半導體產業需要應用奈米科技的範圍非常的大。
表1 全球奈米科技市場之分項預估
單位：億日圓/年
類別
世界
日本
2005年
％
2010年
％
2005年
％
2010年
％
資訊電子
26,483
27.1
671,884
50.6
9,144
38.8
138,649
50.7
‧半導體
2,615
2.7
267,097
20.1
934
4.0
58,956
21.6
‧網路器件
23,868
24.4
107,188
8.1
8,210
34.8
23,233
8.5
‧資訊儲存
0
-
51,593
3.9
0
-
30,323
11.1
‧生物奈米感測器
0
-
1,986
0.1
0
-
392
0.1
‧其它
0
-
244,020
18.4
0
-
25,745
9.4
製程、材料
15,896
16.3
415,924
31.3
4,717
20.0
89,079
32.6
航空、宇宙
29,281
30.1
88,220
6.6
1,316
5.6
3,965
1.5
環境、能源
5,619
5.7
61,309
4.6
1,131
4.8
15,932
5.8
量測、加工、模擬
12,827
13.1
52,202
3.9
6,282
26.7
21,311
7.8
生命科學
6,968
7.1
37,951
2.9
883
3.7
4,150
1.5
農畜產業
600
0.6
1,725
0.1
88
0.4
210
0.1
合計
97,674
100
1,329,215
100
23,561
100
273,296
100
資料來源：日立總研；工研院經資中心ITIS計劃整理(2002/08)
(三)晶圓代工之種類
晶圓片的由來，是先將二氧化矽經過純化、融解、蒸餾之後，製成矽晶棒，晶圓廠再拿這些矽晶棒研磨、拋光和切片成為晶圓母片。晶圓代工是台灣IC產業中最具特色的一環，因此讓我國半導體在世界半導體工業中佔有重要地位。
目前晶圓代工的主要供應商分為二類，分述如下：(王建華，2002)
1. 整合元件製造廠兼營代工（IDM；Integrated Device Manufacturer）：
以自有產品生產為主，但大部份IDM廠為了提高產能利用率，會使用剩餘產能從事晶圓代工服務，例如：IBM、三星等。IDM廠吸引客戶的主要因素則是憑藉其優越的設計能力、智慧產權（IP；Intellectual Property）或特殊製程技術的條件。
2. 專業晶圓代工（Pure Foundry）：
只負責幫客戶生產產品，不設計、行銷自我品牌產品。其吸引客戶的主要原因為本身不從事自有品牌IC的生產與銷售，不會與客戶形成競爭，使下單的客戶沒有設計外洩或遭到抄襲的顧慮，並可提供製程之選擇。
1986年以前的世界半導體產業體系，是以整合製造為主；例如德州儀器(TI)、Intel、NEC、摩托羅拉（Motorola）、Fujitsu等，這些大廠的業務囊括半導體的設計、製造、測試封裝與銷售。然而在1986年之後，半導體產業體系漸漸地邁向解構(Dis-integration)階段，即每家廠商專精於產業的某一專業分工領域，例如CLI、S3、Altera等是無晶圓IC設計廠商；Anam、ASE等則是半導體封裝廠如圖一所示。
晶圓製造、封裝、測試
代 工
T1 , NEC , Fujitsu , Motorola
1996
封裝代工
華泰，日月光
測試代工
茂測，聯測
封裝、測試
代工
日月光,Anam
設
計
/
銷
售
CLI,
Altera,
S3
晶圓製造
代 工
台積電,
Chartered,
Tower
晶圓製造 、 封裝 、 測試
代 工
Alphatech QPL
設計 / 銷售
晶圓製造
封裝
測試
T1,Motorola,
NEC,Fujitsu
1986
分工製造
整合製造
圖一 半導體產業體系的解構趨勢
資料來源：劉常勇(1997)
(四)奈米科技在晶圓代工業上之應用
2002年半導體製程跨入奈米 (nm)競爭時代，摩托羅拉、飛利浦和意法半導體宣布與台積電共同研發的90奈米設計平台將提前問市，並將於2003年初問世，台積電領先全球發表將奈米技術帶入晶圓製程的代工廠。
由於晶圓代工業，對產品的尺寸要求非常嚴格，為了節省空間，電子路徑的橫切寬度愈小愈好，因為電線的寬度愈小，在一定單位面積下的空間內就能容納更多的電路。然而，電路做得細，就愈容易斷，一旦在晶片的電路有一個地方斷掉，電路不通，這個晶片也就報廢了，因此必須利用技術把電路的線寬做得更細，奈米技術具有的將材料及零件細微化特性，正符合晶圓代工的未來趨勢。
三、研究方法
本研究主要針對奈米科技對台灣晶圓代工之影響與衝擊作分析，以閱讀相關文獻及進行SWOT分析，進而達成研究之目的。本研究方法如下：
(一)文獻回顧法
蒐集與研究主題相關的著作、期刊文章、研究報告、報章雜誌報導等文件，進行靜態性與比較性的分析研究，以達到本研究目的。
(二)SWOT分析法
S（Strength）優勢：組織或個體所擁有的長處與專才；W（Weakness）劣勢：組織或個體所缺乏之短處與缺憾；O（Opportunity）機會：外部環境所提供的機會與未來發展；T（Threat）威脅：外部環境所存在的威脅與未來生存壓力。
SWOT分析，是一個相當經典且常用的分析構面，常用以分析組織或個體所處現狀的優勝劣敗，以提供清晰的組織現狀，供經營者做當下決策、現狀分析或未來進展的思考基礎。對於快速釐清狀況而言，SWOT是一個很有效率的工具，它的結構雖然簡單，但是可以用來處理非常複雜的事務。
四、實例分析
(一)台灣晶圓代工業之概況：台灣半導體產業的發展，起始於60年代外資投資設立封裝廠開始，而產業發展歷程可分為1966至1973年的萌芽期、1974至1979年的引進期、1980至1995年的成長期，並在1996年以後進入產業的擴張期如圖二所示。經歷近三十年的發展，目前台灣在半導體晶圓材料、光罩製作、電路設計、製造、封裝、及測試等相關領域，已逐漸建立自主之技術能力。(阮世昌，1998)
(二)由於晶圓代工業之產值佔台灣半導體產業產值一半以上，如此專業製造事業，使我國晶圓代工在國際奠定一定之地位。從全球半導體的垂直分工移轉到國際分工合作，台灣的專業晶圓代工扮演著推波助瀾的角色，對大企業而言，下單給晶圓代工廠，除了可減輕投資風險，更能提高效益。有關台灣未來半導體設備投資計畫如表2所示。(江素雲，1999)
台灣半導體發展進程
年代
世界半導體發展進程
1948
貝爾實驗室發明電晶體
1952
快捷半導體創立
1958
Kilby發明IC
1965
摩爾發表摩爾定律
高雄電子從事積體電路封裝
1967
國民半導體創立
飛利浦建元從事積體電路封裝
1968
英代爾、超微半導體創立
華泰電子從事積體電路封裝
1971
全球第一顆微處理器(Intel)
1972
第一顆8位元微處理器並開始走進0.1微米製程研發
工研院電子所成立
1974
引進期自RCA引進7微米製程技術
開始電子工業第一期發展計劃
1975
1976
4吋晶圓製程
電子所IC示範工廠落成
1977
SIA(半導體產業協會)成立
1978
16位元微處理器
聯華電子公司成立
1979
開始電子工業第二期發展計劃
新竹科學園區成立
1980
1.5微米製程技術
1982
1.2微米製程技術
開始超大型積體電路計劃
1983
6吋晶圓製程
成長期成功開發1.5微米256K DRAM
IC設計公司接連成立
1985
32位元微處理器、1.0微米製程技術
台灣積體電路公司成立
1987
SIA設定三階段目標
1988
八吋晶圓製程0.8微米製程技術
台灣光罩公司成立
1989
120萬顆電晶體
開始次微米製程發展計劃
1.0微米製程技術
1990
0.5微米製程技術
半導體列入我國未來10大新興產業
0.6微米製程技術投入量產
1992
次微米8吋廠實驗室落成
1993
Pentium微處理器
4M SRAM、16M DRAM設計生產能力
聯電、華邦開發完成0.5微米製程技術
1994
世界先進積體電路公司成立
1995
P6微處理器(Intel)
開始深次微米計劃
1996
0.35微米製程技術
1997
0.2微米製程技術
聯電、台積電進入0.13微米製程技術
2001
並開始走進0.1微米製程研發
聯電、台積電90奈米製程試產
2004
圖二 台灣與世界半導體產業演進過程
資料來源：本研究
表2 台灣半導體廠商之設備投資計畫
公司
投資額(美元)
晶圓廠
地點
備註
旺宏
7.2B 10年內
1 12" Fab.
2~3 12" Fabs.
竹科
南科
· System on a chip
茂矽
3.6B
1 12" Fab.
Packaging + Testing
南科
南科
南亞
3.6B
1 8" Fab.
2 12" Fab.
林口
力晶
1.2B
1 12" Fabs.
竹科
· 0.18mm 64M DRAM
德基
9.0B10年內
3 12" Fabs.
南科
· 擴張8 " Fab,至2000年，每月產值達100K/M
台積電
14.5B10年內
1 8" Fab.
5 12" Fabs.
南科
· 7/1997建廠8 "晶圓廠
聯華
18.8B10年內
1 8" Fab.
5 12" Fabs.
南科
·策略聯盟
華邦
5.8B10年內
1 8" Fab.
2 12" Fabs.
南科
· 2000年8 "廠量產
世大
3.6B
2 12" Fabs.
南科
· 1999年進入南科
日月光
11.9B13年內
Assembly House
Test House
南科
· BGA ,CSP封裝
· Logic測試
合計
79.2B
24-25 12" Fabs.
4 8" Fabs.
資料來源：日刊半導體產業新聞/MOEA (經濟部)，1999年2月
(三)SWOT分析
有關奈米科技與晶圓代工業之間的關係，本研究以SWOT分析為基礎，探討台灣晶圓代工業本身產業內的優勢與劣勢，以及運用奈米科技時產生的機會與威脅，以作為往後晶圓代工業者經營方式策略研擬的參考。如表3所示。
表3 晶圓代工業應用奈米科技之SWOT分析
優 勢（Strength）
劣 勢（Weakness）
1. 產業體系完整，專業分工
2. 製程領先，已導入90奈米
3. 專業晶圓代工製造實力強
1. 奈米科技發展落後，取得晶圓專利較少
2. 研究發展人才不足，創新不足
3. 發展成本高，研發預算相對較少
機 會（Opportunity）
威 脅（Threat）
1. 與國外廠商策略聯盟
2. 產業型態轉型
3. 發展生物技術晶片
1. 競爭者日益增加
2. 微利時代來臨
3. 人才外移嚴重
資料來源：本研究
1. 優勢分析
SWOT分析中所指優勢分析，即組織或個體所擁有的長處與專才。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的優勢有三點，分述如下。
(1)產業體系完整，專業分工：台灣晶圓代工產業完整的垂直分工體系，以及以科學園區為核心之產業供應鏈和產業群聚效應所產生的整體效率，是台灣晶圓代工業能夠保有強大競爭力的重要原因之一。未來的趨勢是發展系統單晶片 (System on Chip)為主，所以晶圓代工的客戶種類會非常廣，不同的客戶將會要求不同的技術，即使是同一技術，內涵也多所改變，所以擁有製程技術、量產技術、管理行銷技術的台灣晶圓廠商將佔有非常大之優勢。
(2)製程領先，已導入90奈米：台灣的台積電在2003初導入90奈米製程試產，預計於2003年底量產。而聯電也正進行90奈米的製程研究。這二家最大的晶圓代工廠，無不致力於奈米級製程的研究，為的正是要藉由奈米級的製程，提昇自己的競爭力，以爭取更多高階訂單。值得驕傲的是，二家的製程能力，都比國際半導體技術預估的提前二年，因此台積電及聯電可以成為全球前二大晶圓代工廠。美商Xilinx（智霖）於2003年4月中宣布，推出以90奈米製程生產的可程式晶片，預估明年量產；此製程技術是由IBM提供，並由聯電的12吋晶圓廠負責生產，而Xliinx的頭號競爭對手、同時也是台積電大客戶的Altera也將在2004年下半年推出90奈米製程的產品，晶圓雙雄將往90奈米的領域挺進。
(3)專業晶圓代工製造實力強：台灣目前IC產業的主力產業，以晶圓代工為中心，上游有IC設計、下游有封裝與測試，2000年時IC產業總產值超過七千億台幣，就業人口超過十萬人，帶動台灣的經濟發展。為了因應電子產品的微小化及降低成本，一方面，各晶圓代工廠若不是自行興建12吋晶圓廠，就是和其它廠商策略聯盟。據半導體業者估算，利用12吋晶圓來生產晶片，成本將比8吋晶圓約增加3至4成，但產能卻可達到8吋晶圓的兩倍半，而良率的提升更可讓晶圓的產出數量呈倍數的成長。
2. 劣勢分析
SWOT分析中之劣勢分析是組織或個體所缺乏之短處與缺憾。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的劣勢有三點，分述如下。
(1)奈米科技發展落後，取得晶圓專利較少：過去相較於美日等國，我國的起步較晚，技術算是比較落後，缺乏基本專利，現在，我國已在國際市場嶄露頭角，逐漸佔有一席之地，對其他國家構成威脅後，智慧財產權問題日益凸顯，在系統整合、設計及晶圓相關專利等高附加價值的部分經常掌握在先進國家手上，使用時則必需支付龐大的權利金。
(2)研究發展人才不足，創新不足：隨著產業升級及知識經濟的潮流，業界普遍面臨專業技術人才以及高階管理人才不足的問題；反之，以勞力為主的基層人力則有過剩的現象。可預見的是，未來人才的爭奪將是科技廠商所必須面對的課題。以最近推動的國家矽導計畫為例，據調查台灣IC設計人員至2005年約需9,500人，而現階段國內能供應的相關人才，每年亦僅800人，供需之間差了十倍多。我國相較於美國、日本，在奈米相關科技基礎的研發明顯不足。由於我們已站在技術最前端，與最先進的技術並駕齊驅，很難再從別人那裡學習到什麼了，因此應持續培育奈米科技相關人才，做基礎研究。
(3)發展成本高，研發預算相對較少：技術創新已是晶圓廠的生存之道，然而不斷追求創新，換來的卻是高研發成本，以及處於克服製程障礙的處境，光罩價格的飆升及銅製程技術的困難，就是製程提升的成本之一。無論是晶圓代工產業的12吋晶圓製程，或者是奈米科技之研究，都必須花費相當大的成本與時間去研發。相較於歐美日各國，奈米國家型計劃預計在2002至2007年內投入新台幣231億元(約6.7億美元)，而美國光是2002年就投入超過5億美元，日本2002年的獨立法人研究經費也高達350億日元(約2.9億美元)。台灣投入的經費，相形見拙，又無法得到金融業的金援。
3. 機會分析
機會分析是指外部環境所提供的機會與未來發展。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的機會有三點，分述如下。
(1) 與國外廠商策略聯盟：典型的8吋晶圓廠，建廠須耗用約10億美元的投資，但進入12吋晶圓的時代，每一座典型晶圓廠，卻需耗用到約30億美元。由於投資金額龐大，技術變化日益快速，如何規避經營風險，已成為全球半導體業者必修課程。由於12吋晶圓廠產能太大，是一座8吋晶圓廠的兩倍半，不能只靠IC設計公司的訂單，還必須和IDM廠進行合作，以期能達到產能飽和。由於我國晶圓代工產業在全球市場佔有率高達四分之三，對全球半導體產業具有強大磁吸效應。美國、日本的IDM大廠，已競相縮減自身的晶圓製造，與台灣晶圓專工業者建立分工合作的策略聯盟，極有利於我國半導體產業的全球佈局，而我國晶圓代工業者仍可加強與一流大廠合作聯盟以加速技術面之提昇。
(2) 產業型態轉型：結合奈米技術的發展，將產業角色從單純的製造服務，轉型成與客戶建立伙伴關係，並運用策略性合作，創造綜合效果與附加價值。由於晶片競爭激烈，客戶不但要求創新，更要求價格低廉，因此當與客人研究如何節省成本，例如原本交由台灣晶圓代工業代工好之產品，以前需送到東南亞去測試，台灣晶圓代工業者便可主動為其介紹本地的優良廠商，並與客戶一起合作研發以期縮短工作天數，使得客戶成本降低，如此一來，客戶有競爭力，廠商才有競爭力。
(3) 發展生物技術晶片：奈米技術與晶圓代工的製程發展成熟時，亦可結合生技產業發展出生物晶片，生物科技也將是未來的明星產業，結合兩大明星產業發展將形成更佳的機會。
4. 威脅分析
威脅分析係指外部環境所存在的威脅與未來生存壓力。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的威脅有三點，分述如下。
(1) 競爭者日益增加：由於晶圓代工獲利豐厚，全球不斷有新晶圓廠進入代工市場，市場上的競爭已越來越激烈，台灣廠商面臨了來自韓國、東南亞等地區的競爭。在亞太地區的競爭對手有新加坡─特許半導體、泰國─Sub-Micron、馬來西亞─Wafer Technology NLSI、大陸─中芯、華虹等、韓國有三星，在美國有IBM、日本、以及歐洲都有廠商積極籌畫進入晶圓代工產業，競爭者大幅增加，爭相分食晶圓代工這塊大餅。
(2) 微利時代來臨：因為競爭對手相繼投入晶圓代工生產，使得原本的高獲利，逐漸降低。聯電董事長曹興誠先生說晶圓代工高毛利時代已結束，是因為所有的電子業都進入微利時代，這使得許多廠商不斷的被淘汰與合併，這每一次的變動都對供應商有莫大的衝擊。一方面是利潤的減少，一方面是高研發成本及設廠資金，使得晶圓代工廠在投資設廠前更須謹慎的考量。
(3) 人才外移嚴重：大陸中芯以及宏力半導體的成立從台灣吸走400名科技人才，從建廠、製程設備的調整、量產流程等相關環環相扣的關鍵人才，都是由台灣輸出，大陸在吸收核心技術後，挾其高科技人才充裕、土地成本低廉及擁有龐大腹地等優勢，隨著中國大陸半導體業日趨成熟，及其所投入之奈米科技相關研究，極有可能成為我國晶圓代工業者強大的競爭對手。(林延昆，2000)
五、結論與建議
(一) 結論
奈米科技在1990年後，逐漸成為世人注目焦點，奈米科技是截止至目前為止基礎科學發展工程之方法理論，且以奈米技術為基楚，可展開甚廣，從電子工程到生物等多樣領域，但是奈米科技其實是奈米科學移行至實用工程商品之中間階段，其實亦是產業界所迫切需要的。
台灣是半導體製造的大國，全世界最大的晶圓代工製造在台灣，但是台灣即使是在生產製造方面有過人的技術，在生產輔助應用的工具研發之能力卻乏善可陳，重要技術多掌握在國外大廠手上，造成我國IC產業產值2000年雖高達7000億台幣，僅次於美國、日本、韓國，為全球第四大生產國，但大部份的設備及製造技術等有較高利潤的部份卻讓外國所賺走。再加上近年來產業西進的熱潮，政府是否能擬出更好的策略，以提昇半導體產業的附加價值是門重要的功課。
綜觀本研究結果，奈米勢必為下一明星產業，亦可能為地小、物資缺乏的台灣帶來另一波經濟奇蹟，在此給政府及企業一些建議，希望能在政府研擬相關產業政策及企業擬定經營方針時，應特別留意之事項參考。.
1. 予政府研擬輔導「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策，應留意之事項
面對國內外政經環境改變，科技產業發展日新月異，業者在經歷國際經營環境惡化，及大陸發揮磁吸作用下，產業優勢逐漸有鬆動的趨勢，加上高科技人才活躍於大陸，我們應注意「台灣人優勢仍在，但台灣的優勢卻在不經意間流失」的情況產生。
(1) 營造奈米優質投資環境，吸引相關外商投資：由於奈米科技與IC產業是屬於高資本密集與技術密集的產業，因此，擁有一個能穩定製造的環境是相當重要的。但是我國卻有水、電供應不足的情況，造成科學圓區的高科技產業不必要的損失，而奈米科技在研發與引進的過程當中，也需要政府政策的全力支持與鼓勵，例如稅務的減免、土地的協助取得、本土高技術人才的供給等等。但當前的相關政府單位並不積極，使得擁有前端研究能力的外資廠商裹足不前甚或投入對岸，對政府、對廠商甚至對整個台灣都會造成影響。
(2) 開放IC低階製程西進大陸，整合台灣優勢：IC晶圓產業走向全球化分工趨勢愈加明顯，現大陸挾著資源豐富的生產要素，與廣大市場的重要性，逐漸衍生出其優勢所在。反觀台灣的製造優勢不在，伴隨著我國國民所得的提高，內部生產要素、基礎設施等條件逐日惡化，再加上競爭者仿效，我國瞬間攻守易位。因此，包括晶圓代工產業在內的全球電子業，未來赴大陸投資已經是無法抵擋的趨勢，台灣如何在這股潮流中，掌握關鍵的價值與角色，才應是政府決策思考的核心。本研究建議，相關政策制定者應該鼓勵業者，將IC晶圓低階製程轉移至大陸生產，以保持低成本之生產優勢，再者將台灣所留下來的高技術人才整合，將之投入奈米製程之研究發展上面，為下一代的65奈米新製程技術而努力。
(3) 奈米級技術、研發根留台灣，強化本地的角色：在全面開放高科技廠商赴大陸投資的同時，台灣也必須強化本地的角色，讓來自矽谷的技術與資源，先流經台灣，再流進大陸。未來我國在產業活動上，應該仍可掌握創新型產品與系統型產品，例如資訊家電、可攜式電子產品、晶圓代工、半導體設計、高附加價值的軟體與專案管理等，藉此產生高產值並具有高附加價值、快速回應市場需求等特質，以確保台灣本土產業的國際槓桿力量。
(4) 善用美、日技術與台灣產業優勢，建立跨國合作機制：美國加州矽谷仍是全球科技產業龍頭，舊金山與台灣間合作的重要性不亞於兩岸交流。台灣如能善用目前的產業製造的優勢，將其發揮到最高的科技仲介效用，將使台灣在全球最具生產價值的奈米級IC晶圓產業鏈中不致脫鉤。
(5) 定期舉辦相關奈米級科技展覽：在未來的全球電子業中，華人仍是不可忽視的關鍵力量。以華人在全球電子業的影響力為基礎，積極舉辦全球奈米高科技展覽會，讓全球的奈米高科技資訊流經台灣，以有助於創新的奈米技術與觀念在台灣產業界流通，也有助於國外的新觀念與新技術在台灣生根。
(6) 高科技人才問題：奈米研發首重人才的問題，但台灣在僵化的填鴨式教育制度下，研究人員普遍缺乏創新、想像的能力，雖培育出優質工程師，數十年深耕於半導體產業，但是較上層且更為重要的研發創新人才卻相當欠缺，對需要利用大膽思維，找出應用與研究方向的奈米科技非常不利．如何從小學到大學的課程重新規劃，到達適合奈米世代所需的人才標準，是一項急待推動的思想改造工程．
2. 予晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議
IC半導體技術已進入奈米的時代，就產業前景而言，會使得研發費用和建廠成本大幅增加，已到非單一業者可以獨自承擔其風險的地步，而晶圓代工產業的成長來自於IC設計業者快速成長，及IDM產能外包趨勢確立。因此全球業者莫不競相合作，聯合開發或相互投資以降低成本與風險。
(1) 策略聯盟，降低風險：典型的8吋晶圓廠，建廠須耗用約10億美元的投資，但進入12吋晶圓的時代，每一座典型晶圓廠，卻需耗用到約30億美元。在投資金額日益龐大，技術變化日益快速，如何規避經營風險，已成為全球半導體業者必修課程。由於12吋晶圓廠產能太大，是一座8吋晶圓廠的兩倍半，不能只靠IC設計公司的訂單，建議須和IDM廠進行合作，以期能達到產能高度利用率，並達到人力及設備不閒置的境界。
(2) 設廠成本高，投資更要謹慎：IC半導體景氣波動愈來愈大，使得產業的變化很難去預測的，固業者在面對其投資時更需謹慎評估，並須持續保持技術領先，以免遭競爭對手迎頭趕上，尤其是建置新廠的必要性必須重新評估。
(3) 維持住晶圓代工業之決戰點--技術層次、人力資源、成本結構、成品良率、資金調度能力
a. 技術層次：製程技術相對於半導體廠商而言，與爭取顧客的信賴與認是同樣重要的。技術的遲滯不前會導致客戶的流失與損失，也唯有不斷的開發新製程才能避免此一情況發生，並拉開與競爭者的技術優勢，如台積電在2003年推出90奈米新製程。且65奈米聯盟已成立運作多時，由台積電技術長胡正明所領導的各個研發小組，現更提出包括了65、55、35，甚至15奈米的製程。由此可見製程技術之於晶圓代工業的重要性。
b. 人力資源：目前研發人員，超過70％都是碩士以上學歷，面對如此多高學歷的菁英份子，如何將人才留住確保製程技術的安全不外流，也是刻不容緩的事情，在管理雜誌91年4月號的報導中提到現今的商業機密外洩是最不容易防範的，以及最容易被竊取的，就屬人才的挖角了，模糊的認定以及難以防範的發生令企業頭疼萬分，因此如何留住員工，就成了企業的新隱憂了。
c. 成本結構。半導體用電子材料市場規模逐年成長，但所需之材料仍多數自國外進口，國內除少數項目自有生產外，自給率偏低。使得在終端產品價格日趨低價化的情況下，業者利潤空間逐漸變小，原物料掌控及成本控制成為重要致勝關鍵。尤其是現今跨入奈米級生產的廠商不多，擁有技術優勢的台灣IC半導體廠商們，更應該把握住這一個難得的時間差，帶領客戶們將此一優勢充分展現出來，進行市場上的占有率競爭。
d. 成品良率：由IC晶圓的良率可看出一個工廠的管理智慧與獲利能力，據半導體業者估算，利用12吋晶圓來生產晶片，成本將比8吋晶圓約增加3至4成，建廠成本增加高出2倍，但產能卻可達到8吋晶圓的兩倍半，而良率的提升更可讓晶圓的產出數量呈倍數的成長，可見得半導體廠商在提升良率方面用了多少的心力。 但在進入奈米級IC生產上所會碰到的良率問題，並不是那麼容易克服的，面對更小、更精密、更有效能的奈米級IC晶圓，所會碰到的困境相對的會更加的嚴峻，如何解決這一個難題，更是考驗著廠商的研發功力。
e. 資金調度能力：IC半導體產業是高技術、高資本的行業，在面對眾多競爭對手的低價競爭中，如何確保資金部位的充足，相對的也是非常重要的一環。由於專業晶圓代工業是沒有產品的製造公司，故須清楚知道要做到設備使用率高、晶圓廠本身的良率要高、產品的良率要高、交期必須準確、交貨速度要縮短、研發能力要強。尤其是研發，在研究奈米級IC晶圓時必須投入大量的人力、物力、資金、如何確保這三項必要的生產要素，也是廠商們所必須要考慮到的一環。
(二) 建議
由於晶圓代工業的競爭激烈，故晶圓代工業者皆將自身的研發內容計畫視為公司機密，故本研究在資料搜集上，並未能取得來自業者研發的第一手資料，只能從業者已發佈的新聞資訊，得知其發展狀況並加入本研究內容予以討論分析。此外由於高科技產業能否成功發展的關鍵將繫於科技人力資源的量與質，質量充足才會有潛力，本研究觀察近一年來，發現台灣科技人才的確相當缺乏，尤其在中國大陸急起直追下，對政府是否開放自大陸引進高科人才的策略擬定，為搶得世界之優勢，實不應再拖延。
由於晶圓代工業兼具技術與資本密集的特性，倘若發生兩岸資金的排擠作用，或技術移轉過速，可能使台灣喪失高科技產業發展的相對優勢，是故政府在「有效管理」措施上預作安排，實屬重要。
有鑑於以上因素，本研究有限於時點因素，未能繼續將議題納入分析內容中，建議若以相關議題為研究，可持續將晶圓代工業者的技術研發內容、政府對人才的培訓與引進政策及對已移往中國大陸生產的台灣晶圓代工業之現況，作持續的追蹤研究，以作為政府政策研擬與業者經營策略訂定之參考資料。
參考文獻
1. 王建華：《台灣IC製造業發展現況》，（工研院產業評析新聞，2002年8月。）
2. 江素雲：《台灣半導體產業投資計畫》，（工研院，1999年6月。）
3. 阮世昌：《晶圓代工業現況分析》，（晶圓代工業概論，1998年8月。）
4. 林延昆：《兩岸半導體產業的優勢與商機》，（投資半年刊，2000年12月。）
5. 馬遠榮：《奈米科技》，（台北：商周出版，2002年。）
6. 黃惠娟：《奈米入侵》，（商業周刊，2002年11月4日。）
7. 劉常勇：《台灣積體電路公司─晶圓代工的領導者》，（1997年。）
8. 龔建華：《你不可不知的奈米科技》，（台北：世茂出版社，2002年。）
訂閱：
文章 (Atom)
