奈米科技概論期中報告 奈米科技產業

1. 奈米科技概論期中報告奈米科技產業 奈米科技暨微系統工程研究所 鍾政哲 Q28971033

2. 人類文明發展史 • 石器時代 → 銅器時代 → 鐵器時代 → 電子時代 • 工業革命(1750) → 微電子時代(1939) → 奈米科技 (1990)

3. 科技產業的發展

4. 發展中的奈米產業 • 奈米半導體 • 奈米複合材料 • 奈米催化 • 奈米生物科技 • 奈米碳管用途開發

5. 奈米半導體 • 半導體製程概分為薄膜成長、微影罩幕與蝕刻成形三類，用於製作VLSI (very large-scale IC) 及ULSI (ultralarge-scale IC) 等高精度積體電路 (integrated circuits, IC)、電晶體、微機電元件等，廣泛使用於晶圓 (silicon wafer)、DRAM、主機板、手機之製造、IC設計、TFT-LCD 產業，乃至於桌上型與筆記型電腦組裝。 • 隨著定位系統精度的提高，各式機械元件和電子元件尺寸縮小，電子元件走向輕、薄、短、小，功能更為強大，開發超精密化、細微化的微機電與奈米加工技術，將可開發新世代微機電技術與產品。

6. 圖13.3 為商用晶圓的發展，由早期1950 年代早期的一吋晶圓，到1970 年代的三吋晶圓，到1990 年代的八吋晶圓，到二十一世紀初期新近所商業化量產成功的十二吋晶圓。

7. 微機電系統技術以由上往下(top-down) 微縮方式，製作之電子元件線寬越來越細，目前線寬約為0.13 mm左右。圖13.4 為電晶體的發展歷程，由早期1970 年代的4004、8008、8080，發展到1990 年代的各種世代的Pentinum (Pentinum、II、III、IV、M) ，電腦處理器CPU 的速度越來越快，功能越來越強。

8. 0.25 ~ 0.18 mm 線寬技術所用的低介電材料是二氧化矽氟化物(k 值為3.0~3.4)，接頭材料是鋁 / 銅，聯接器是化學針鍍鋁材，黏著層為化學針鍍鈦氮化合物。2000 年以後，進入了0.18 mm 線寬以下世代，電晶體速度增快後，電腦晶片元件的速度反而受限於線路設計。雖然先前較大線寬所採用之二氧化矽低介電材料是一個良好的絕緣體，但是當電子元件微縮到0.18 mm 線寬時，二氧化矽就無法防止元件內部線路的交談，產生了所謂漏電現象，當電子元件的線寬微縮到0.10 mm 以下時，低介電材料介電常數必須達到2.0 以下。

9. 奈米複合材料 • 尼龍 / 黏土奈米複合材料 • 尼龍 / 黏土奈米複合材料是最早被研究的層狀奈米複合材料，日本Ube公司和Unitika 公司皆已經成功的予以商業化。奈米複合材料之拉伸強度與楊氏膜數等力學性能較強，熱膨脹係數等熱學性能較佳，氣體阻隔性較佳，而且透光性亦較高。 • 磁性高分子 • 一般高分子沒有磁性，將奈米級氧化鐵和稀土 (rare earth) 類等超磁性(super magnetic) 物質與高分子混成，高分子即帶有磁性，稱為磁性高分子。 • 抗菌高分子 • 藉著奈米化技術，縮小無機抗菌劑顆粒，提高單位質量的無機抗菌劑顆粒數，藉以增加比表面積。具有優異的性能，安全性高、沒有毒害、抗菌時效長、緩釋效果良好、抗菌效率極度高。 • 導電高分子 • 常用的導電高分子大多添加銅 (Cu) 粉、銀 (Ag) 粉或碳黑 (carbon black)。由於普通碳黑等材料在高分子中不容易分散，與高分子的相容性不好，限制了其用途。以奈米級二氧化鈦(TiO2 ) 包覆錫和銻緻密膜，可製成優異的奈米級導電粉。由於二氧化鈦粒徑超細，和高分子有很好的相容性，並且白度好，在導電高分子上的有良好用途。

10. 奈米催化 • 觸媒是最早利用奈米科技的產業之一，觸媒一般皆是微細顆粒，以得到最大的表面積，提高催化效果。例如，鉑金屬以原子級顆粒方式分佈在氧化鋁、沸石 (zeolite) 等多孔無機物上，顆粒尺寸約為數個埃(Å )。近年來隨著奈米科技的進步，科學家們更能精準控制觸媒結構與性能。 • 介孔材料具有類似之基本成份，但屬於非結晶型無機高分子結構，同樣具有規則性孔洞。沸石與介孔材料之規則性孔洞，具有篩選分離分子能力，統稱為分子篩 (molecular sieve)。分子篩之所以會有篩選分子能力，係因為不同大小之分子，在分子篩內具有不同之擴散係數，當分子尺寸大於分子篩孔洞孔徑時，即無法進入分子篩孔洞而排除在外，因此可以藉此將不同分子篩選開來。分子篩表面積高達700 m2/g 以上，應用範圍極廣，包括觸媒催化反應、吸附分離與物質純化、燃料電池、電子材料、環保處理、生化用途等。 http://www.iza-structure.org/databases LTA 沸石單胞 (unit cell) FAU 沸石單胞 (unit cell)

11. 奈米碳管用途開發 • 奈米碳管是碳的同素異形體，1991 年日本NEC 研究員飯島澄男發現多層奈米碳管 (MWNTs)，1993 年NEC 與IBM 發現單層奈米碳管 (SWNTs)。奈米碳管之直徑為0.4~50 nm；長度達1mm 以上；奈米碳管導熱性為23.2 W (cm ⋅K)−1 ( 類似鑽石 )；密度達1.3 ~ 1.4 g/cm3 ( 類似羊毛或棉花 )，密度只為鋼的1/6，其強度卻是鋼的100 倍。具有較好的柔性，延伸率可達30%。有良好的可彎曲性，可以被彎曲成很小的角度，也可以被彎曲成極小環狀結構。 • 半導體性奈米碳管藉著管徑的控制，其導電性可以由在10−3 ~ 10−4 Ω - cm ( 類似半導體鍺 ) 與5.1×10−6 Ω - cm ( 類似金屬銅 ) 之間改變。增加直徑，帶隙(band gap) 變窄，大直徑奈米碳管之帶隙為零，呈現金屬的性質。

12. 奈米碳管用途開發 • 在電子材料方面，將少量的碳奈米管加入到其它材料中，即可以明顯提高材料的導電性。例如在高分子材料中加入奈米碳管，可以降低高分子材料的電阻率3 個數量級以上。在場發射陰極材料上，奈米碳管直徑為目前廣泛使用的矽陰極場發射器頂端直徑的1/10 左右，具有發展成為新一代低耗能壁掛式超薄平面顯示器的潛力。1999 年日本和韓國已先後研製出數厘米厚的碳奈米管顯示器。 • 奈米管這種超級纖維材料所具有的優良力學性能，在未來工業界將會得到很多的應用，例如，用作複合材料的增強劑。貯氫吸附材料，碳奈米管也將有助於氫燃料汽車的發展，這種汽車的輸出功率高達90 kW，最高時速為l50 km，可行駛300 km 以上。運用碳奈米管獨特的孔狀結構，已經開發出奈米吸管、奈米鎳子、奈米試管、奈米天平、奈米濾器、貯氫材料、人工肌肉、奈米反應器、奈米溫度計等多種新技術與用途

13. 奈米生物科技 • 近年來科學家利用由下往上 (bottom-up) 組裝方式的奈米科技，逐步開發出生醫材料、生物晶片、藥物等豐富的生物科技。 • 「奈米金」是另外一個有趣的例子，奈米金具有活潑的催化能力，劇毒的一氧化碳可以在奈米金催化作用下，轉化為無毒的二氧化碳，因而可用來製造防毒面具濾毒罐，用於消防場所。另外，由於顆粒尺寸效應所產生之量子效應，「奈米金」具備了特殊光學特性而呈紅色，使之與生化分子結合，即是大眾所熟知的驗孕片。

14. 生醫晶片(Bio-chip) • 生物晶片 (biochip) 包括去氧核糖核酸晶片 (DNA chip)、蛋白晶片(protein chip) 以及基因晶片 (gene chip) 等，具有環境檢測、新藥開發、醫療檢驗、食品檢驗、基礎研究、軍事防禦、化學合成等用途。生物晶片運用生化反應、分子生物學、分析化學等原理，以矽晶片、玻璃或是塑膠為基材，其分析特點包括分析精確度高，樣品及試劑用量少，分析快速，整體大量檢驗數據等。 • 最近利用奈米金顆粒，發展出DNA 感應器，其檢驗敏感度可以提高到極低樣品濃度，達到10-8 ~ 10-13莫耳濃度，較一般螢光劑呈色法高100 倍，DNA 單一鹼基錯誤配對的專一性與選擇性遠超過現今DNA 感應器，約高出3 倍。所需樣品用量要求較低，因此優於一般的螢光呈色感應器。其操作溫度範圍增大，偵測過程更簡便，儀器體積更小。

15. 奈米生物技術發展規畫 資料來源：工業技術研究院

16. Medical Nanotechnology Markets "Medical Nanotechnology Markets" reports that by 2015 the annual global market for nano-related goods and services will top $1 trillion (1兆), thus making it one of the fastest-growing industries in history. Nanotechnology - a field of science and technology that aims to control matter at the atomic, molecular and macromolecular level- potentially has far-reaching and paradigm-shifting implications for biology, drug discovery and medical technologies. http://www.reportbuyer.com/go/TRI00085

17. 台灣奈米公司主要開發產品項目 資暸來源：盧希鵬、馬振基「台灣策略性技術領域『奈米材料』之技術地圖」國科會科資中心委託研究，Nov. 2002

18. 台灣奈米材料技術商品化時程圖 資暸來源：盧希鵬、馬振基「台灣策略性技術領域『奈米材料』之技術地圖」國科會科資中心委託研究，Nov.2002

19. 美官方透過wiki網站建立奈米科技安全規範U.S. launches Wiki on nano health and safety R. Colin Johnson, EE Times, 2008 Nanoscale materials have alternatively been shown to offer promising new cancer therapies while at the same time causing cancer when not properly handled. Those concerns prompted NIST and the National Cancer Institute (NCI) to create a Wikipedia-style community to establish safe nanotechnology development techniques.

20. 奈米科技引爆「看不見的危機」 • 隨著材料研發與應用日益增加，奈米產品的風險控管議題也逐漸受到外界重視，工作場所中相關人員的健康與安全方面的顧慮及保護，尤為當務之急。 • 其一是防範奈米粒子釋出，其二則是避免相關人員暴露於奈米粒子環境之中。 NIOSH針對奈米粒子暴露的醫學管理機制（medical surveillance）： 1.進行初始的醫學檢驗，藉以收集醫學與職業歷史相關的資訊。 2.以固定週期進行定期性醫學檢驗，包括必要的特定醫學調查。 3.透過檢驗，倘有所發現時，應進行更新、且更細緻的醫學檢驗。 4.規劃類如意外逸散等，無法控制的事故的事故後檢驗與醫學調查。 5.進行辨識特定危害暴露訊號的員工訓練。 6.定期檢視各項醫學新訊。 7.工作場所負責人應規劃應變措施。 美國國家職業安全及健康研究院(NIOSH) 1. NIOSH, Interim Guidance for the Medical Screening of Workers Potentially Exposed to Engineered Nanoparticles 2. NIOSH, Approaches to Safe Nanotechnology

21. 產業研發要素包括市場、技術創新、研發策略、量產技術，智財權與資金等項目。以美國為例，奈米材料市場需求產值與成長如表13.3 所示，據估算，至2050 年可達美金350 億元，2002 年至2020 年間之年成長率可達26~56%，其中以奈米高分子與化學品市場最大。分析全球奈米機構數量，可以看到40% 為新創中小企業，所占比率最高，其次為奈米研究機構。值得注意的是大公司投入在奈米科技機構比率僅為10%。而美國新創奈米公司在各領域之分佈，31%新公司投入奈米材料研發與製造，醫藥與生化產業之奈米新創公司佔21%，投入電子產業則佔11%。2002 年奈米科技研發經費以美國最高，達到美金二億元，超過了其他國家的總研究經費。分析經費來源分布，美國與歐洲皆以創投為主，約占81~ 88%，其次為產業公司占13%左右，政府經費則僅占2~6%。相對之下，日本的經費來源非常不同，產業公司投入占了89%，創投占11%。

22. 全球中央政府投入經費

23. 結論 • 奈米國家型科技計畫執行期間為民國91年至97年，影響的產業領域則包括民生化工、金屬與機電、IC電子與構裝、顯示器、通訊、資訊、儲存、能源、生技與基礎產業等。其中民國92年至94年為播種期，這個階段研究發展投入，將以政府與相關研發單位，扮演主要推動的角色，並陸續促進各類產業投入研究發展，而部分奈米產品也可望開始進入市場。至於民國95年至97年，則是成長與產業的整合期，在這個階段，國內各產業已具有奈米應用技術並衍生各項商品，而產業的競爭力也將逐漸強化，到民國97年，應用奈米科技的產值，可望達到新台幣3,000億元，並進入產業的飛躍期，以期能在民國99年，達成奈米科技的產值達到新台幣1兆元的目標。　　 • 台灣產業發展已經到達必須尋求技術升級的時刻，奈米科技的研發，將有助於相關產業在台灣之發展。由於台灣有厚實的化學工業基礎，而奈米科技之發展，需建構在化學工業基礎上，因此，包括東南亞國家、新加坡、韓國和香港等，對台灣在奈米科技的發展上，將具有相當不錯利基。

24. Thanks for your attention

25. National Institute for Nano-Engineering (NINE) • Sandia's National Security Missions • Nuclear Weapons - Ensure a safe, secure & reliable nuclear deterrent. • Energy & Infrastructure Assurance - Ensure clean, abundant & affordable energy and water. • Nonproliferation - Reduce proliferation of weapons of mass destruction & threat of accidents. • Defense Systems & Assessments - Help maintain U.S. military weapon-systems superiority. • Homeland Security - Help protect our nation against terrorism through advanced technology. • Science, Technology & Engineering - Conduct R&D programs to support all national security missions.