奈米材料科技发展与在传统产业之机会 一、前言 21世纪将是以奈米科技为主导之新产业革命时代，奈米科技是多领域交集发展之综合性跨领域科技，包括物理、化学、材料科学、光学、电子学、生物学等。2001年1月，美国柯林顿总统在加州理工学院正式宣布成立美国「国家级奈米领航计画」(National Nanotechnology Initiative, NNI)，柯林顿表示:『我用预算支持此一重要的国家级奈米领航计画』，2002年美国政府投资5亿美元研究奈米技术。2002年1月8日陈水扁总统莅临工研院象徵性启动我国国家级奈米计画，预计从2003年(FY92)开始，将分6年投入新台币231亿7千万元，其中151亿9千万元是由经济部技术处负责之产业化计画。 美国为了在奈米科技的研究开发保持领先，其国家奈米领航计画(NNI)第一年度 (2001年度: 2000年10月到2001年9月)的国家研究开发预算总金额为4.22亿美元，2002年度激增为6.04亿美元，2003年计划再增加约18%达7.1亿美元。除美国以外其他国家地区如欧洲、日本、中国大陆等也都将增加经费投资於奈米科技研发。世界各国普遍相信领导下一次工业革命的推动力，将由资讯网路、生物技术转变为奈米科技主导。 二、奈米材料科技 奈米科技是在原子、分子、超分子层级探索其特性、控制其结构，并运用奈米尺寸(1~100 nm)特有的现象表现於材料和系统，且要在微观和巨观的层次维持其介面的稳定性和奈米结构的整合性，故奈米科技为新材料的创出，提供新的方法，这些新材料不仅是更新奇、更强、更具弹性，而且材料本身更具交互作用、高灵敏度、多功能、及智慧化。 二、奈米结构材料定义与特性 1.奈米结构材料简称奈米材料之定义: 奈米材料是指原子簇(含晶粒或相)构成至少一维尺寸介於1nm~100nm，故包括原子簇构成之之奈米粒子、纤维、颗粒膜、多层膜或奈米相材料。(1nm =10-9 m) 。 2.奈米技术定义： 凡制造、量测、模拟、精密安放和操控小於100奈米级物质者。 3.奈米材料特性： 奈米材料由於具有下列三大特性，因此能超越传统材料。 (1).超微细原子簇（独特的电、磁、热、光效应）与 超大表面积 (2).很大比例原子处於晶界界面、超多活化中心 (3).量子效应、量子隧道效应 三、奈米材料之应用领域 奈米材料之应用领域可以归纳如下表，前八项说明其特殊性能与相对应用领域，後三项则强调其在能源、环保与医学上之应用机会。 表1 ：奈米材料之应用领域 性能 用途 力学性能 高强度、高硬度涂膜、陶瓷增韧性、超塑性、耐磨耗 光学性能 光学纤维、光反射折射、吸收电波隐形、发光材料 化学物理特性 研磨抛光、助燃剂、阻燃剂、油墨、润滑剂 磁性 磁流体、磁记录、永磁材料、磁储存、智慧型药物 电学特性 导电材料、电极、压敏电阻、静电遮蔽、超导体 化学催化 化学反应催化剂 热学性能 耐热材料、导热材料、隔热材料、低温烧结材料 感测性能 侦测湿度、温度、气体等感应材料 能源 电池材料、锂电池、燃料电池储氢材料 环保 空气清静消毒、污水处理、废弃物处理、 医学 细胞分离染色、消毒杀菌、药物载体、医疗诊断 资料来源:工研院经资中心ITIS计画整理(2002/09) 在能源方面兹举美国NII计画能源项目之奈米材料为例，说明前瞻研究项目:美国NII计画能源项目中，有关奈米材料者有可归纳为六项； 1.太阳能转化成电能之创新方法与材料 2.碳氢类化合物转换为热能之催化剂 3.燃料电池用催化剂与薄膜 4.热电、磁致冷与高效能转换之奈米材料 5.用於高强度、高耐磨耗之改质材料和涂层。 6.用於长寿命核反应堆更耐辐射之奈米结构材料。 四、奈米材料之未来市场商机预估 根据美国国家科学基金会预估，到 2015年，相关产品业绩将高达一兆美元，其分布如表2 。此项市场商机预估认为奈米材料衍生产值达3400亿美元，而且超越奈米半导体商机。而在化工产业则有1,000亿元之市场机会，因此对於发展材料与化工产品为主之基础产业，具有莫大之潜力。 另外据调查2001年奈米科技相关产品销售额约为二百六十多亿美元。 表2:奈米材料之未来(2010~2015)市场商机预估 奈米产品商机 亿美元/年 奈米材料 3,400 奈米半导体 3,000 奈米医疗 1,800 奈米化工 1,000 奈米航太 700 奈米量测工具 220 合计 10,120 Source : Dr.M.C.Roco ,(2001)美国国家科学基金会主持人 五、奈米材料在传统产业之发展机会 奈米材料分类： 奈米材料由於具有特殊性质与补强效果，故可用以提升传统工业制品功能，也可用以支援新兴产业或开发特殊高品级产品应用。在添加型粉体应用上所用之奈米材料可以归为以下几类: 1.无机材料(如黏土类) 2.金属材料 3.金属氧化物（SiO2、TiO2、CaCO3、Al2O3、 Cr2O3、Fe2O3与ZnO） 4.碳素材料(奈米碳管、碳球、奈米碳纤等) 5.奈米触媒类 6.奈米磁性材料如氧化铁等 7.高分子超微粉体( 液晶高分子超微粉体、工程塑胶超微粉体等) 以上材料之存在形式包括以奈米粒子、纤维、颗粒膜、多层膜或奈米相材料方式存在者。这些材料本身就是传统产业产品奈米化之新产品，所以奈米材料关系着上中下游产业之发展。 六、奈米科技对我国传统产业的市场影响 根据工研院评估，奈米科技将可应用与影响广大传统产业，预估2~3年市场冲击影响可分项列示如下： 1.塑胶与高分子产业：新台币200亿元 2.颜料/染料/油墨产业：新台币100亿元 3.纺织与纤维产业：新台币150亿元 4.无机与陶瓷材料产业：新台币50亿元 5.金属/机械产业：新台币100亿元 6.造纸产业：新台币100亿元 7.超细粉体应用产业：新台币200亿元 估计至2004年影响产值效益共计新台币900亿元，至2010年估计影响产值达5,000亿元新台币。 由以上可知奈米科技对我国传统产业的市场影响几乎是全面性的，而且是可以藉由现有通路行销应用。 七、传统产业利用奈米材料之特异功能与利基 　奈米材料发展初期，难免遇上性能/价格比较问题，所以必须针对产品之功能提升具有显着效益者，以下是个人建议传统产业在切入奈米材料发展与应用时，优先考虑之项目: 1.利用奈米尺寸达到透明化与进一步可彩色化 2.利用具有红外线吸收功能之奈米粉末 3.具有红外线吸收功能之奈米粉末 4.轻量化与兼具强化作用 5.导电与抗静电作用 6.抗菌与防臭作用 7.导热或隔热作用 8.表面自洁作用 八、奈米材料在新世代产业之发展现况与机会 奈米粒子在新世代产业之应用包括电子、磁性材料与光电工业之应用，目前有下列项目: 1.化学机械研磨液 2.磁纪录媒体 3.光学纤维 4.导电性涂料 5.磁性流体油封 6.多层陶瓷电容器 7.萤光物质 8.太阳电池 9.量子光学装置 根据BCC公司调查，只针对奈米粒子在电子、磁性材料与光电工业等之世界市场值分析，2000年需求量为13,500公吨、市场值333百万美元，估计2005年需求量为37,125公吨，市场值667百万美元，量值成长率分别为22.4%与14.9%。主要应用於矽晶片平坦化用之化学机械研磨液(CMP)、磁纪录媒体、光纤与多层陶瓷电容器等产品。但以上调查并不包括奈米碳球与碳管等。 十、奈米碳球与碳管之研发与机会 奈米科技的迷人之处再运用我们所习用的传统材料(如石墨)，经过奈米技术(制程)的处理，所生成的新型奈米化材料(如奈米碳球与奈米碳管)，将会相当特异的功能；例如目前科学家在已发现的奈米碳管上发现其强度相当於同等直径钢的10倍，但重量却只有钢的1/6；此外因为有许多的优异特性，故与传统材料(如碳素材料)出现很大的应用性能与价格差异，目前单璧奈米碳管价格高达美公克600美金(高纯度者)，其价格均虽高於黄金但未来将随量产技术与制程建立，奈米碳管价格将可大为降低。 由於奈米碳球(Fullerene)与碳管(carbon nanotube)之材料与下游应用产品市场广大，据Carbon Nanotechnologies Inc.估计将有 1,000亿美元未来世界市场，因此日本运用美国专利授权与日本量产工程能力结合，共同发展奈米碳素与碳管量产技术，以期快速降低成本，切入应用市场。目前国外已经有许多团队从事奈米碳素量产技术与制程发展。 奈米碳球具有下列特性，值得注意应用发展: 自由基捕捉特性、光吸收性、超导电性、低热传导度与气体吸附性等。 奈米碳管最受瞩目者为利用其低导通电场、高发射电流密度以及高稳定性的特性，可用作显示器电子发射材料，因而将取代传统CRT成为兼具低驱动电压、高发光效率、无视角问题及省电的大尺寸、低成本之全新平面显示器(CNT-FED)。 十一、结论与建议 台湾广义化学工业之总产值约为新台币1兆9,000亿元，而金属材料类产值约8,000亿元，这些传统与基础产业均将第一波直接或间接受奈米科技冲击而影响产值，因此厂商必须密切关注奈米新技术之发展，把握提升附加价值的新机会。台湾厂商对於技术商品化具有多年雄厚基础，因此在奈米产业化科技发展分工上，研究机构应可加强上游奈米级原材料之开发，而鼓励民间业者负责推广应用;下游加工业者初期应可先引进奈米材料，然後发挥快速商品化之优势，以求得商品化应用先机与应用专利，之後待市场规模扩大後再延续逆向整合发展国产化奈米材料。另外建议政府奖励研 发措施加强鼓励民间业者发展商品化技术，以寻找通路开发利基产品抢占市场。至於现有化工与材料上游业者，应该积极探索现有产品奈米化後之高附加价值产品，进而延伸产品等级或转型应用於新兴产业。当然在发展过程中厂商预期将遭遇之储运与工安问题亦需要未雨绸缪。 如同前述，台湾企业若能善用我们多年来所累积的制程开发能力，并结合欧美在奈米科技(尤其是材料)上的创新，定能在新一波产业革命中扮演关键地位。然而在此过程中市场与技术调查、评估，与预测将扮演关键的角色，无论是国内研发筛选优先题目、国外技术引进与国内技术转移等，均需充分了解国内外相关产业、厂商、产品与市场资讯，然後拟定竞争策略利用有限资源选择投入最适台湾发展之项目，而经资中心与ITIS也愿意在此方向上与台湾作伙打拼。 工研院经资中心 产业分析师 黄文魁(2002/09/02) --

※ 发信站: 批踢踢实业坊(ptt.cc) ◆ From: 61.224.57.188