研究學者發展研究宇宙用的新型擴大器

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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。 

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.