當玻璃也能身段柔軟時－R2R製程技術/卷對卷超薄基板技術

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

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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