研究學者發展研究宇宙用的新型擴大器

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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文／劉奕志、李君毅、翁佳菱｜國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學課程學生

還記得當初我們對 google 眼鏡的想像嗎？只要眨眨眼就能拍照，隨著視線的移轉便能任意地縮放視窗、捲動頁面。但，你曾關注過這些功能背後的技術嗎? 

互動式穿戴裝置一直以來都是科幻電影中不可或缺的元素之一，而這些裝置只能存在於大螢幕上的原因，就是因為在現實層面上有許多問題還有待克服，除了成本的考量，還有就是對動作的偵測。由於人體的生物電訊號大多極小，為了偵測這些訊號，目前有效的技術基本上都需要搭配一台昂貴且續航力低的偵測裝置才能達成目的。理想的偵測裝置必須能偵測到極微小的動作，因此，偵測裝置最主要的部份便是放大器，但若想實現穿戴式裝置互動裝置的普及，這個放大器最好是低功耗、具有延展性，放大效果好，同時耐用且生產成本低，才能符合我們長時間配戴及使用的需求。 

電子元件中的放大器——電晶體

目前電子元件中的放大器，多半是運用「電晶體」來達到放大效果，而這些「電晶體」，又是從半導體堆疊而來的。

材料中的電子原本被束縛在價帶中，但如果給電子足夠的能量，它就有機會往上跳到傳導帶，變成可以移動的電子，一般如金屬般的導體，就是價帶跟傳導帶很接近，只要一點能量就可以變成可移動的電子，而絕緣體正好相反，就算給很大的能量，還是沒有幾個電子可以移動。

半導體正如其名，介於可以導電跟不可以導電之間，我們可藉由調整給予能量的大小，來決定材料現在能不能導電，運用此特行，可以讓半導體成為簡單的自動控制裝置，來控制電路的開、關狀態。

那由半導體組成的電晶體（Transistor）又是怎麼做出放大效果的呢？從字根上來了解 Transistor 這個字，可以發現它是由 trans（改變）跟 resistor（電阻）組成，亦即利用一個額外的接點來控制電晶體內的電阻。以電阻為例，它沒有任何的外接控制點，所以假設有 1 安培的電流從一端流入，另一端就會輸出 1 安培的電流；而電晶體多出了一個接點，倘若在這個接點上施加電壓來「通知」電晶體改變輸出端的電阻，那麼我們就能控制輸出的電流大小，這也就是電晶體作為放大器的原理。

下文提到的薄膜電晶體（Thin Film Transistors, TFT）是電晶體的一種，常用於顯示器中。藉由電流通過與否，間接控制螢幕上每個畫素產生不同的亮度，使液晶顯示器顯示出各種畫面與顏色，但一般的薄膜電晶體難以塑形，因此較難在穿戴式裝置上應用。

輕薄短小又便宜？「有機」或許就是關鍵

有機薄膜電晶體^{註 1}（Organic Thin Film Transistors, OTFT）以具有共軛鍵結^{註 2} 的高分子為主要材料。一般常見的有機高分子材料如塑膠與橡膠之所以為絕緣體，是因為其由碳氫化合物所組成的共價單鍵長鏈分子，並不具備可自由移動的電荷。而具有共軛鍵結導電高分子的主鏈，由交替的單鍵─雙鍵共軛鍵結而成，此時每一個碳原子有一個價電子未配對，這個多出來的電子可以在分子上自由移動，不被鍵結束縛，但這個價電子不易沿著整個長鏈移動，因此還需加以摻雜（doping）—— 即增加帶電載子（carrier，即載有某種物理特性、且可自由移動的粒子）的濃度，則此材料即成為導電體。 

與一般的薄膜電晶體比起來，有機薄膜電晶體有以下幾個優勢：低溫製程、製作步驟簡單、成本低廉且容易塑形，但由於有機材料中分子與分子間僅僅透過微弱的吸引力束縛在一起，不同於無機半導體中分子間透過化學鍵確實的連接在一起，此種較弱的分子間之相互作用，使它們易於形成缺陷，使得載子在傳輸時容易被缺陷所捕獲，此時需要施加較大的電壓以提供能量來將其釋放。這個未能解決的起始電壓問題，就是為什麼現今產業多使用無機半導體的原因。 

而今天這組由 Chen Jiang 團隊發現的蕭特基有機薄膜電晶體放大器 (Schottky barrier organic thin-film transistor amplifier circuit, SB-OTFT amplifier circuit)，完美的克服了上述的阻礙。 

明明電晶體千百種，為何「它」能勝出？

這組放大器以具有共軛鍵結的高分子材料 C8-BTBT ，作為有機半導體的主要成分，使其可以利用噴墨印刷技術生產（如字面意思可以被「印」出來），製造成本因此較以往常見的薄膜電晶體低上許多，具有大量生產的潛力。而且由於 C8-BTFT 的晶粒（>50μm）相對較大，可有效覆蓋整個通道，大顆晶粒在體積不變的情況下，晶粒數量較少，也可以減少晶粒間的接觸面積，有效覆蓋整個通道並減少晶粒邊界^{註 4} 和堆疊錯誤等晶體缺陷的形成，進而使此有機半導體的初始電壓降低，克服以往多數有機半導體因起始電壓高，所以在搭配電池使用時電力消耗快、續航力較差的問題。

除此之外，由於其材料特性，該放大器還具有高跨導率^{註 5}（38.2 S/A，接近理論極限 ─ 約 38.7 S/A，一般無機電晶體為 20~30 S/A）、極低功耗（<1nW）、具延展性的特質。考慮人體生物電訊號大多十分微弱，這組有機薄膜放大器的特性恰恰符合我們對於生物電訊號偵測的需求，非常適用於在生物醫學、運動科學等相關領域進行監測追蹤。 

這組放大器在經過三個月的環境暴露測試後，閾值電壓（即起始電壓，Operating voltage）的偏移小於 1mV 且傳導效率的浮動小於 1%，遠低於其他有機薄膜電晶體元件在相同條件下的表現（>100 mV, >20%），意即其具有優異的穩定性，即使在長時間運作下仍能保持原本良好的特性。

舉例來說，這個放大器可以大大的改善目前偵測人類眼電圖 (electro-oculogram，EOG) 信號的技術，意即利用偵測角膜視網膜電位來追蹤眼動，以上所述的特性改善了現今偵測器體積大、成本高、需求電源高的問題。另外，高放大功率使其有潛力偵測到極微小的波動訊號，讓我們能了解眼睛在面對虛擬環境（如景深效果）時應對的狀況。在建構虛擬實境 (Virtual Reality) 的技術上為非常重要的資訊。

有機薄膜電晶體突破對科技的想像

與傳統無機薄膜電晶體相比，有機薄膜電晶體的優勢在於製作程序簡單多樣、成本低。再者，以有機材料製成使它具有更好的柔韌性，因此物件的尺寸能做得更小、更輕，攜帶起來更方便。

在過去的有機薄膜電晶體研究中多追求載子遷移率^{註 4} 與電流開關比^{註 5} 等作為數位開關的性質提升。而此研究突破過往的窠臼，開啟了嶄新的研究方向。這組放大器能同時滿足低功耗、高放大功率與高穩定性等理想放大器應具備的性質，不僅如此，它還有優異的環境穩定度與能夠大量生產的優勢，有利於應用在生活中，而這都是其他電晶體無法做到的。 

由於目前有愈來愈多科技以互動式穿戴裝置為主軸，或許有機薄膜電晶體的發展會延續此研究發現更多可能性，使互動式穿戴裝置大量應用在生活中，突破現今對科技的想像。

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告，感謝朱士維教授與程暐瀅助教的建議與協助。 

註解： 

1. 薄膜電晶體(Thin Film Transistors, TFT)：是場效電晶體的種類之一，大略的製作方式是在基板上沉積 各種不同的薄膜，如半導體主動層、介電質和金屬電極層當做通道區。 

2. 共軛鍵結(conjugated bonding)：指具有單鍵-雙鍵交替的鍵結方式，其中會有一個 p 軌域重疊，連接其中間的單鍵。它可以讓 π 電子游離通過所有相鄰對齊的 p 軌域。此 π 電子不屬於單鍵或原子，但是屬於一組的原子。最大的共軛體系是在石墨烯、石墨、導電聚合物和奈米碳管中被發現的。 

3. 跨導率(transconductance efficiency)：電晶體中描述跨導與相對應的工作電流比例關係的參數，此數 值越高代表設置到同樣工作環境時，所需要的工作電流越小，並因而減小整體功耗。一般常用的定義方式為 g_m/I_DS 其中 g_m 為跨導、I_DS為汲極電流。 

4. 載子遷移率（carrier mobility）：指載子受到外在電場的作用下，能移動的多快的指標（常用 cm²⋅V^-1⋅s^-1 作為單位） 

5. 電流開關比（on/off current ratio）：當給予的電壓大於起始電壓時，電晶體為開（on）的狀態，反之則 為關（off）的狀態，開與關兩個狀態的電流比稱為電流開關比，較大的電流開關比代表開關切換速度快，有較明顯的開關器功能。 

參考資料 

1. Jiang, C., Choi, H. W., Cheng, X., Ma, H., Hasko, D., & Nathan A. (2019) Printed subthreshold organic transistors operating at high gain and ultralow  power. Science, 363(6428), 719–723 (2019) 
2. Jia, X., Fuentes-Hernandez, C., Wang, C.-Y., Park, Y., & Kippelen B. (2018) Stable organic thin-film transistors. Science Advances, 4(1), eaao1705.