新型透明導電薄膜LFTO

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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報導／廖英凱

隨著國際潮流與產業需求，「輕、薄、大面積、可撓曲」已成為業界炙手可熱的話題及趨勢。而目前主流的觸控螢幕中，電容式觸控螢幕更為人們所使用，典型的例子莫過於引發行動裝置革命的iPhone了。電容式觸控螢幕的基本原理，是將一個絕緣體的螢幕玻璃基板(或是塑膠基板)內側塗上可導電的傳導層，並在傳導層施加一個微小的電壓，形成一個均勻的靜電場。當手指或可導電的物體從螢幕的另一面接觸時，有靜電場的傳導層和可導電的手指之間便形成了一個動態的電容，測量此電容的位置和大小就可做為觸控訊號的依據。

觸控元件生產的方式可分為板對板式(sheet to sheet)與卷對卷式(roll to roll, R2R)兩種方式。枚葉式，是將加工品一片一片的送入機器加工，適用於較硬無法彎曲的基板。而卷對卷式的加工則可用於可彎曲的基板，以連續生產的方式在基板上加工為觸控元件，因此生產速度比枚葉式快上許多。

工研院電光所的「R2R製程技術/卷對卷超薄基板技術」計畫，正是利用超薄可撓基板的特點，結合卷對卷式製程，大幅提高產能降低成本。

未來可以打造出輕薄且曲面的新穎手機,增加行動裝置內的設計空間彈性也可以用於OLED照明燈具與太陽能電池等產品，近年來許多穿戴式電子產品的概念與研發消息也不斷問世，相信這項技術的研發，將有助於我國產業引領下一代的軟性電子科技風潮。

技術專頁:玻璃卷對卷、觸控新里程

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報導 / 江書賢

當你「滑」過智慧型手機時，你可知道玻璃面板的另一面，有一層透明的導電薄膜[1]。正是因為有這一層可以導電的透明薄膜的存在，扮演了類似皮膚下的觸覺受器，和神經的電流訊息傳遞的功能，觸控螢幕才能夠感受到你的碰觸。

透明導電薄膜，顧名思義，必須兼具有透明[2]和導電[3]這兩種特性，目前大多是使用金屬氧化物類的材料，稱為透明導電氧化物（Transparent Conducting Oxides，TCO），尤其是以氧化銦錫（Indium Tin Oxide，通常簡稱為ITO）材料為主流。但是，因為氧化銦錫中的「銦」元素是稀有金屬，目前最大的蘊藏量與產量來自於中國大陸[4]，而且近年來在國際市場上需求持續成長，價格攀升，未來也可能面臨原料短缺的問題，所以目前世界各地的許多廠商與研究機構都正在研發可以替代氧化銦錫的材料。

工業技術研究院的材料與化工研究所開發出了一種新型的透明導電薄膜材料[5]，稱為LFTO（鋰氟共摻雜的氧化錫）。這一種材料的原料不含銦原子，成本便宜，容易取得，而且在穿透率與導電性上比目前主流的氧化銦錫，或其他材料有更優越的特性[6]，因此成為一種有應用潛力的新材料。

除了材料本身之外，透明導電薄膜製程的設計，會影響材料的有效使用率、產品良率，以及生產速度，這些也是產業界中各廠商彼此競爭的重點。目前主流的ITO薄膜是使用「真空濺鍍」製程來製造，這代表在鍍膜的時候需要把待鍍的玻璃板放在把內部空氣抽掉[7]的真空設備環境中。而工研院開發的LFTO可以使用「大氣壓噴霧熱裂解法（Spray Pyrolysis Decomposition）」（本文以下簡稱「大氣噴鍍」）進行鍍膜工作，只需要在一般的大氣環境中就可以進行。根據工研院材化所的研究同仁表示，目前的線寬已可達10 ~ 30 微米，已可充分滿足一般觸控面板所需要的電路圖案線寬(大於15微米)的需求。

兩種製程相比，大氣噴鍍不但過程簡便許多、設備建置成本只有真空濺鍍系統的10% [5]、而且有效鍍膜材料使用率高（真空濺鍍：約50%~60%；大氣噴鍍：85% ~ 90% [5]）。除此之外，生產速率也大幅提高（真空濺鍍：每分鐘3 ~ 5公尺；大氣噴鍍：每分鐘7公尺以上[5]）。大氣噴鍍能夠使用比真空濺鍍更低溫度的製程來進行鍍膜，這也表示大氣噴鍍可以被鍍在可耐受溫度更低的基板，也就是說，可以適用在更多種類的材料上。

除了用在觸控面板的回饋電路、太陽能電池的面板等，大氣噴鍍也可以應用在節能建築的隔熱玻璃建材：因為LFTO材料雖然是對於可見光來說是透明、可穿透的，但是卻可以反射陽光中的紅外線，所以若在玻璃窗上鍍一層大氣噴鍍LFTO薄膜，可以造成隔熱效果。除此之外，薄膜的耐候性佳（也就是說不容易在環境中受光照、溫度、風雨等因素的影響而破壞、變質）、化學穩定性高（耐酸鹼）、耐刮、容易噴塗等特性，使得它能容易的被應用在建築物的窗戶、屋頂、外牆上。[8]根據研究人員表示，接下來的開發目標放在使用其他方式進行大氣噴鍍的製程－例如大氣電漿法鍍膜，如此可以使製程溫度再降得更低，讓LFTO導電薄膜能夠更容易被應用在各種材料的基板上面，也將持續改進製程，使生產廠商更願意改換使用這項技術。

註解與參考資料

1.  確切的來說，也可能不只一層，情況依照觸控面板的設計而定。能夠達成觸覺感應功能的面板設計有許多種不同的形式，在本文中將介紹的透明導電薄膜特別是電容式觸控的關鍵材料。關於各種觸控面板的設計方式可以參閱維基百科的「觸控螢幕」詞條。
2.  也就是材料可以被可見光穿透的特性。在專業上以「穿透率」來表示與衡量，一般要求必須在80%以上。
3.  物理上一般常以電阻率（Resistivity）來衡量材料的導電性，單位為：「歐姆．公分」。電阻率愈低，導電性愈好。產業界目前一般對導電薄膜的電阻率要求大約在10的負三次方以下。對於薄膜電阻，在實用上常特別以「片電阻（Sheet Resistance)」來衡量，單位為：「歐姆/平方」，它的量綱和歐姆相同，詳情可以參見維基百科的「薄膜電阻」詞條。
4.  請參閱維基百科的「銦」詞條。
5.  陳俞君、林晉慶，《新型透明導電薄膜應用於投射式電容觸控面板》，工業材料 297，2011年九月，第144-151頁。
6. 各種透明導電材料的比較，可以參閱[5]的「表一」。
7.  嚴格來說，物理學上的極限使我們不可能真的把一個密閉空間內的所有氣體都完全抽掉，但是我們可以抽出大部分的氣體，使得真空設備內部空間中的氣體數量少於我們生活空間中的一般環境，因此氣壓降低。氣壓愈低代表真空度愈高，也需要花費愈多的能源成本、時間與更強的設備去抽真空。根據不同的製程與成品品質的要求，鍍膜時需要選擇相對應的適當真空度。
8. 智慧化居住空間_系列專題報導_技術專題_兼具環保與節能的創新科技產品。

技術專頁:新型透明導電薄膜 LFTO

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