全文摘要 奈米技术最早在 1959年由美国物理学家费曼博士提出，当初提出了将24册的大英百科全书写在针孔上面的概念。而「奈料技术」一词的出现，最早在1974年由日本学者提出；2000年美国科林顿总统卸任之前，甚至把奈米科技当做21世纪美国最重要的科技，甚至大胆假设未来可以将美国国会图书馆的藏书收藏在一颗方糖大小的晶片上。 奈米技术未来将影响到人类的食、衣、住、行各方面，因此，有人说，奈米技术是第四次工业革命。从奈米材料到奈米碳管再到零组件的系统，即是狭义的奈米科技，而广义的奈米科技指的是从 100奈米到0.1奈米其范围内的技术发展。用乐观的角度来预估10至15年间，奈米产品的市场价值将达到每年美金一兆元，预测未来奈米材料在往后10至15年间的应用，将占有75%左右的比率。 从机械的角度来看，「设备是奈米科技往下发展非常重要的关键」，机械设备就是要担任「眼睛」和「手」的角色。工研院机械所所长蔡新源认为，前瞻创新的制程设备，要完全靠自己的力量发展，会比较辛苦，所以，建议善用学术界及研发单位的资源，甚至是政府的资源，而做研发最经济的方法就是用 15 % 即 150万

科技小常识：何谓奈米科技？

经费做1000万的研发，用杠杆原理以小举大，中小企业一般缺经费及研发人力资源的问题就可迎刃而决。

编者注：工研院在迎接奈米科技新世代，对奈米科技的新注脚为：「 21世纪最热门最具颠覆性的科技」、「下一世纪科技研发的核心」、「提供跳跃式创新的机会」、「强化国家竞争力」、「引爆下一世代产业革命」。

奈米技术是目前国内外热门的话题，可由其新闻几乎是天天见报得知，奈米技术在国内才在起步阶段，从 2003 年开始工研院将承办奈米国家级科技计画， 机械所在此一计画中也扮演一定的角色，因此，机械所也逐渐地把部分人力往奈米科技调整。蔡新源客气的表示，他个人对奈米技术的认识还相当肤浅， 演说如有不周到的地方，请个位先进多多包涵。

奈米技术未来将影响到食、衣、住、行各方面，因此，有人说 ，奈米技术是第四次工业革命，并且预测二十或三十年后，再回头审视世界各国的经济情况 ，如果一个国家或企业不能和奈米科技有着密切的发展，就不能成为经济发展的国家，如同回头看过去二、三十年拥有微米技术的国家 ，基本上都是非常发达的国家，半导体产业就属于微米技术的领域，拥有半导体技术的国家，都属于经济发达的国家。

奈米技术在 1959 年由美国物理学家费曼博士 ( 后来获得诺贝尔奖 ) ，在某次物理学会提出假设，如果人类能在「原子」的层次，发展出新的设备操控它，就可以造就一些新的材料、新的物质或新的设备，如此一来，就有可能将 24 册的大英百科全书写在针孔上面的概念，从此启发了美国学术界在此一领域上的发展。在 1983 年有二位 IBM 的科学家发表扫描探针显微设备 (SPM) ，可以在原子的阶层 (LEVEL) 看原子的结构，同时可以操控原子，从此国际上许多物理学家纷纷投入探讨原子层次的技术，有不少的诺贝尔奖得主，就是从事有关原子的物理或化学论而获奖。

而「奈料技术」的出现最早在 1974 年由日本学者提出 ， 2000 年美国科林顿总统卸任之前，甚至把奈米科技当做 21 世纪美国最重要的科技。甚至大胆假设未来可以将美国国会图书馆的藏书收藏在一颗方糖大小的晶片上 ；又或可能发展出新的材料其强度增加 100 倍，或是重量减轻因而减少飞机、汽车的油耗并降低污染。

2003 年工研院预估投入 18 亿元经费，整合材料所、电子所、光电所及机械所往奈米领域发展，而 18 亿元的经费约占工研院经费的四分之一。机械所在 2002 年成立奈米机械部， 2003 年将扩大成立奈米机械组，预估投入 1.3 亿元经费在奈米机械的相关技术，量测中心在奈米检测设备也将投入 6 ～ 7 千万，工研院在 2003 年光是奈米机械及奈米的检测设备经费就约 2 亿元。未来工研院将成立重要性更高的奈米中心，将采购电子、材料等共同需要的硬体及检测设备约 3 亿元，未来此一共同硬体设备将开放给业界使用。

工研院与产业互动机制

奈米技术对业界而言，是非常高风险的研发 ，未来业界在奈米技术的研发上，可以用小钱，利用杠杆原理运用工研院的资源，以降低风险。工研院与业界的互动属于多面向的 ，就技术面而言，技术移转是最终目的，在技术移转上，工研院在 89 年计有 471 项 /686 家次的技术移转；再者是试量产，试量产分二部分，第一部分可直接委托工研院，机械所曾就创新的产品，成立试量产线，等试量产成功后，再将人才及技术移转给业界，成功的案例如：再生晶圆、 LCD 配向膜等。以再生晶圆为例，是中国砂轮与机械所共同合作 ，利用中国砂轮的砂轮轮磨技术、经验，结合机械所在超精密机械加工的经验，针对八吋晶圆做再生回收，结果不论在精度或自动化或水资源的节约上 ，都有明显的效益产生，后来有五个人和中国砂轮合作成立晶敏科技生产再生晶圆，目前除了八吋外并可提供 12 吋再生晶圆给台积电等厂商使用，特别恭喜，中国砂轮今年也因为再生晶圆获得 91 年度产业科技奖的杰出奖。

在人才移转方面，工研院截至 90 年 11 月止，已有 12,375 人移转至企业界，机械所也有 2 ～ 3 千人移转至业界，不少是与机械所合作，像相亲一样，发现有好的人才就可以娶回家去，这是和工研院合作的好处之一 。其次是具企图心的计画性的移转即成立指标公司，将人才及技术一并移转给厂商， 包括：联电、台积电、达宙、利翔、国际联合科技等，在机械业界包括盟立自动化 100 人的技术移转 ，另华东半导体也将某个部门一半的人才移转过去。

最近几年，特别是工研院的育成中心与开放实验室 ，为业界创造不小的成绩，利用此一机制，只要和工研院有互动或合作计画者，都可派员到开放实验室和工研院的人才共同研发 ，最近工研院就有个晶圆盒利用开放实验室合作成功的案例，目前已试量产成功，产品已提供给台积电、懋德等厂商使用 ，一年使用量有几千个。当初这家公司，本身没有洁净室，利用机械所的洁净室，机械所也在试量产的过程中协助突破障碍 ，这也是业界可以多加利用的部分，此一部分的成效是可以看得到的。工研院的开放实验室有 5,000 坪空间 ，到 90 年 12 月计有 141 项合作计画， 157 家厂商 /3900 人参与，投资额 280 亿元，新创企业 91 家。

工研院研究发展方向

工研院有 6 千余人，现在已逐渐朝向跨领域整合，未来产业技术发展在跨领域及不同技术的整合是发展的重要。工研院计有五大领域技术规划整合，包括：通讯与光电领域、精密机械与微机电领域 、材料与化工领域、生技与医药领域及永续发展领域。

精密机械在工研院仍然是个发展重点，本人除了担任机械所所长 ，并同时担任精密机械及微机电领域的召集人，所以在这个领域除了机械所外，还包括航太中心、量测中心 、电子所、光电所及材料所，有关精密机械和微机电的计画全都整合在一起。而工研院的三大主轴技术分别是奈米科技 、生医技术及行动 / 宽频通讯等三个。在服务业科技方面，则正在寻找可以着力之处。

制造技术的发展趋势

谈到奈米技术应该很务实的面对，目前机械能做到几条 ，要马上说可以做到几奈米是不太容易的，所以技术的发展有很多的 TOP-DOWN ，从厘米 (mm) 到微米 (μm) 再到奈米 (nm) ，另外一个层次其发展也受到限制，从材料变成碳管再变成零件。从 TOP-DOWN 的观点来说，台湾目前有些产业相当具竞争力就在微米技术这一块，像透镜设备 (Micro Lens Array) ，它的用途非常的多，例如可以用在背光板的背后，如大哥大手机的背光板用到此一零件，它的聚光效果就会非常好，而此一产品就必须用到微米技术的加工达成。

当然微影超精密的加工也可以用 LIGA 技术，所谓的 LIGA 技术就是甪「微影加电束加模具即射出」等三个组合而成的技术，此一技术约在十年前由德国开始发展，此一技术主要是用来做出微细的模具 ，微细模具所使用的材料为高分子的塑胶材料可以大量生产。目前国内已有微邦开始利用 LIGA 技术发展属于微机电子的零组件，机械所已投入五年的研究，可以用在生医晶片、通讯之零件，而在通讯零件中有一个叫 Connector 的连接器，连接器里面有一个重要零件就是回路套管，纤网套管必须要用陶瓷，光纤将来要能普及化到家庭就会有很多的纤网 ，套管如果使用陶瓷，从材料到制造一定需要很多的改善。现在改成高分子的材料，用 LIGA 做出微细模具，利用射出成形，从模具到射出部分都属于机械领域，此一部分在机械所及产业界已开始发展。

茂夕、台积电、联电所制造的晶片基本上都是用来控制电路，利用到微机电的系统，此一系统目前在国内至少有 60 家厂商开始做研发，工研院某些高级主管出去，都是在这方面研发。但这里面对了二个挑战 ，第一做微小系统时，如何构装 ( 组装 ) 起来，第二个是组装的设备及检测的设备，以上二项是微机电要蓬勃发展的二个挑战，从这个角度看来，机械设备是有许多机会，但这些设备都不是标准的设备，必须面对不同的产品 、不同的应用而发展出不同的检测及组装设备。谈到光碟片的发展由 CD 到 DVD 到储贮更多资料时 ，储贮的信号点要愈来愈小，如何做出信号点、如何读出信号点以及如何做出模具，再大量生产碟片，这也是微米技术往下发展的重点。

从奈米材料到奈米碳管再到零组件的系统 ， 即是狭义的奈米科技 ， 而广义的奈米科技指的是从 100 奈米到 0.1 奈米其范围内的技术发展。从半导体与光碟产业的技术障碍说起，半导体的线宽要越做越小，以台积电及联电宣称可以做到 0.09 微米，也就是 90 奈米，事实上做的比较成熟的是 130 奈米，以现有的半导体技术如果能突破 70 奈米的限制，再往下就非常难，在光碟片要做到一个讯号有多少个原子，其发展也有其限制的，综观在 TOP-DOWN 的发展是有其限制的。

如果大家要问，现在有没有奈米尺寸的产品，答案当然是「 NO 」。比较实用、商业化的几乎都是 100 奈米以下的制造技术或线宽，而不是指可以做出来的尺寸，但如从材料的颗粒，就可以做到 5 或 10 个奈米。以目前做出来全世界最小的吉他为例，其长度为 10μm( 头发约 80μm ，约是八分之一头发直径的大小 ) ，六条弦，每条弦宽 50 奈米，约等于 100 个原子大小，是利用电子束及蚀刻加工单晶矽材料而成，当然这是不计成本制造出来的，不能弹也没有声音。

奈米技术应用例

在商业上应用较成功的主要在利用奈米材料 ，将其应用在食、衣、住、行各方面，在国内也有很多厂做许多的应用，所以说，奈米材料非常的神奇。奈米材料颗粒愈小 ，周围原子数目所占比率较高，周边的原子有许多的化学键是悬空且不饱和的，所以很容易和其他原子结合 ，所以比较有活性，容易和其他原子结合而成饱和状态。所以把颗粒弄小后，最明显的特性是成了很强的催化剂。以金子的熔点约 1080 ℃左右，如果将其颗粒做成奈米级，其熔点可降到 300 多度，银子的熔点约 1000 ℃，将其颗粒做成奈米级，其熔点可降到 100 度，整个性质做了很大的转变。另一个量子效应，将光、磁或是热传导性能改变，例如用 1 公分厚的奈米孔洞矽板 (Porous silica, pore <10nm ，隔热性佳 ) ，即原来的材料经过改质后，增进热的组合性，这也就是奈米材料神奇之处。

奈米技术用在不同的产业将产生不同的契机 ，例如黄金具惰性平时用来当作金饰，如果将其奈米化尺寸变小，其活性变高，可作为触媒用 ，所以 CO 可以利用金的奈米颗粒，用 2 ～ 10nm 的金在 -70 ℃ ~30 ℃的范围下，将金变成 CO 2 ，用途很广泛，如消防器材厂商可以用在消防人员面罩的应用，以 Hopcalite( 铜 / 锰混合氧化物 ) 做成的面罩使用寿命 30 分钟，用 Nano Au/ 碳纤维做的面罩其使用寿命预估超过 100 小时等 ) ；或是用在燃料电池厂商、化工业者 ( 触媒毒化问题 ) 可以当燃料电池、化工制程新触媒组成之可行性；其他还可用做医疗器材的验孕试剂。

高分子材料在国内非常的发达，约有 10 家公司在发展，不同的高分子放在黏土就有不同的应用，如在机械零组件方面利用 Nylon/clay 制成复合材料，其耐热性及机械强度获得很好的效果，其他在气密性或是 VCD 的电镀材料可以减少短路现象等，国内有家百康陶瓷与工研院合作专制陶土，希望能利用高分子材料结合，制成复合性材料做不同的应用。

奈米表面特性具有自我清洁杠杆效应 (Lotus Effect) ，荷花的表面就是奈米结构，因为其表面具有奈米结构，所以具有输水的性质，利用此一概念制造建筑用仿荷叶涂料，可常保房子光亮并且抗污染。其他涂料方面的应用还有汽车涂料、纺织品表面处理剂 ( 瑞士等 ) 、奈米排球 ( 大陆 ) 、奈米网球、滑雪杆 / 滑雪板 ( 欧 ) 、玻璃自净涂料 ( 日、美、英等 ) 、光触媒灯具 ( 日、韩、台：台光、中电 ) 、家电类用品 ( 日、韩、台：大同、三洋、声宝 ) 、抗菌地砖 ( 日、台：东陶、 TOTO) 、卫浴设备 ( 日、台：和成 ) 及奈米口罩 ( 台 ) 等。

美国奈米产品市场预估

用乐观的角度来预估 10 至 15 年间，奈米产品的市场价值将达到每年美金一兆元，预测未来奈米材料在往后 10 至 15 年间的应用，将占有 75% 左右的比率。

• 材料和制程在 10 年内每年为美金 3400 亿元 ( 工业界估计 )
• 半导体工业每年美金 3000 亿元，世界市场将数倍于此数 (SIA 估计 )
• 医药品预估一半之生产将采用奈米技术，每年约美金 1800 亿元 (Nanosystems 估计 )
• 炼油和化工制程所用之奈米结构触媒，每年约美金 1000 亿元 ( 工业界估计 )
• 航太每年约美金 700 亿元 ( 工业界估计 )
• 量测与模拟等工具每年约美金 220 亿元 ( 工业界估计 )

国内厂商进入奈米科技领域例举

国内厂商进入奈米科技领域，包括：半导体产业、印刷电路板产业、生技产业、纺织业、奈米材料、建材 / 家电产业、平面显示器产业、光电产业、能源产业及设备产业。

在半导体产业则包括台积电的 90nm SRAM 、 MRAM 、 FinFET 、联电的

90nm 技术、 NA 公司的 MRAM 以及长兴、永光、长春石油的化学机械研磨液。在设备产业则包括： LC 公司的奈米微波电浆设备及 TC 公司的奈米级检测设备。

奈米机械技术领域

以下各项都是机械所正在从事或自 2003 年开始研发的项目：

• 奈米元件设计技术，奈米元件指 100nm 以下 ( 包括：材料、结构、摩擦、热流 … 等学理上的问题有待解决 )
• 奈米元件制造与组装技术
• 奈米尺度或达奈米级精度之加工设备：这是比较容易做得到的，在 2002 年 JIMTOF 展上已有厂商的设备标示达到奈米级精度的产品，这是国内要加速发展的。 )
• 奈米级度量之检测设备
• 达奈米级精度、或奈米设备专用之机电组件
• 奈米材料制造与加工设备：这是短期内最容易突破的。
• 以奈米材料技术提升性能之机械组件
• 奈米操控器、 nano-factory ：此项也是短期内最容易突破的。

奈米尺度或达奈米级精度之加工设备以及奈米材料制造与加工设备，是未来五年工研院发展的重点。而奈米尺度或达奈米级精度之加工设备、奈米材料制造与加工设备以及奈米操控器、 nano-factory 三项是奈米制造设备最容易发展的三个项目。

设备对奈米技术发展的重要性

设备对奈米技术的发展具有关键性的地位，奈米技术要用「眼睛看得见」以及「手摸得到」 (“eyes” to see and the “fingers” to manipulate nanostructures) 就要透过设备来达成。如果我们想要 TOP-DWON 发展由微米到奈米，制程设备便扮演着关键性的角色。虽然，在台积电发展 90 奈米制程设备时，机械所未能参与提供设备，但未来仍有很大的空间，未来希望能在奈米机械方面有更好的突破。

奈米级加工设备

• 超精密切削 / 研磨
• 微影－ EUV,EB,FIB,X-ray,NIL
• 能量束加工－ EB,FIB,laser,plasma
• SPMM( 扫描探针显微 ) ：可以用来做检测，也可以加工原子，是目前国内发展的重点。
• 成形－ molding ， imprint 。机械所从发展大件的射出机到全电式射出机再到射微米级精度的零组件射出机。先前提到利用 LIGA 做微细模具，射光纤零组件的套筒，而套筒的材料是一种热塑性的材料，没有办法用现有的射出机来射，因此，发展出针对微结构射出的设备 。未来制造微奈米级的零组件，不仅要从产品设计开始甚至包括制程及设备等都要自己发展。基本上，具前瞻 、创新或微奈级精度的零组件，其设备制程与零件的设计是一样重要的。
• 电化学加工

其他工研院正在研发的包括：能量束加工应用在母模刻版技术 ，应用在光碟制造，目前机械所与光电所有二个合作计画正在发展。另有扫描针式奈米加工机 (SPM) ，其机械结构精度高达 2nm ，而工具则是使用微探针，直径在 0.7nm ～ 20nm 之间，因此，设备比较复杂而且精度要求也高。其相关设备包括：扫描探针式奈米加工机、奈米定位平台、人机介面、压电陶瓷驱动控制卡、微探针及光学感测系统等。其主要特点：结合加工和扫描；加工试片大小： 25mm×25mm×25mm ；加工 / 扫描行程： 50μm×50μm×12μm ；定位精度： 5nm×5nm×2nm 。

机械所在奈米结构成形设备与制程的发展主要有三个项目：奈米结构射出成形、奈米结构热压转印及奈米薄膜成形。

奈米级超精密加工机实例

奈米级超精密加工机实例，由日本 Fanuc 所发展的 Fanuc Robonano Ui 超精密加工机，其主要性能如下所示：

• 奈米精度等级： 200mm 行程内定位精度可达 5nm ，进给解析度 1nm 。
• 3D 微结构加工：刀具制作微小化，如 ? 2.5mm 砂轮、 ? 0.05mm 铣刀、 R ＜ 0.1μm 车刀、许多 3D 微结构可以直接切削完成。
• IT 产品要求微小化：极适合加工光通信元件 micro lense 、 micro fresnel lense 等。
• 机台迷你化：为了节省恒温室空间，超精密加工机机台有迷你化趋势。

奈米微粒之湿式研磨设备是机械所与化工所合作开发，本设备最重要的要达到三个方向：一是微粒粒径小：颗粒愈小愈好，使其表面具活性，催化更好；二是粒径分布窄：期望做出来的每个粒径一致性高，因此，希望控制每个研磨的粒径的直径都控制在 20nm ；三是研磨时间短。

而研磨设备的关键技术包括：

• 研磨介质分离系统
• 高能量密度研磨装置
• 提升分散液流通量设计
• 减少研磨介质使用量设计
• 冷却散热流道设计
• 耐磨耗接触面设计

从短、中、长期的发展来看，短期内，奈米材料是机械所、材料所、化工所以及业界最先要投入的，而机器的制造则是最短时间内机械所首先要努力的方向。未来五至十年中、长期的发展，配合光碟片的发展与光电所、能资所一起努力，其它像探针扫描显微、奈米级的结构，以及如何把射出或是压印的设备制造出来，这些都是目前正在执行的方案，但要看到具体商业化可能需要更长的时间。

机械业面对奈米技术的机会与挑战

从机械的角度来看，「设备是奈米科技往下发展非常重要的关键」，机械设备就是要担任「眼睛」和「手」的角色。

• 建立对奈米技术的正知正见，在企业核心能力基础上寻找机会。未来奈米科技对各行各业都会产生影响，所以，称奈米科技是第四次工业革命，企业应在自有的核心基础上注意发展机会。
• 运用奈米材料的技术，提升产品的性能与附加价值。
• 提升机械设计、制造与整合能力，开发奈米级精密仪器、设备与关键组件。目前已有厂商投入，有兴趣的厂商可以到工研院参观。
• 掌握新制程、新产品、新系统的市场机会，开发奈米领域之创新设备与制程。
• 参与研发单位之研发及善用政府奖励创新研发之激励措施。

前瞻创新的制程设备，要完全靠自己的力量发展，会比较辛苦 ，所以，应该要善用学术界及研发单位的资源，甚至是政府的资源，尤其是政府已将奈米科技列入策略性辅导及奖励的方向，更可以多加利用。

最后要强调的是，我们常希望 3 个人可以做 100 人的事情，所以，要尽量利用外界的能力，所谓，前资源的运用，像机械所一样，目前机械所有 800 个人，一年要做的服务及研发项目非常的多，所以，机械所也应用全世界的力量，从国外引进技术，我常向企业界建议，做研发最经济的方法就是用 15% 即 150 万经费做 1000 万的研发，过一段时间，可申请业界科专或主导性新产品计画，在产品更成熟时 ，想要试量产，这时工研院可以陪伴一起试量产，最后，必要时技术人员还可以移转。

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