工研院研發技術榮獲全球百大科技研發獎

本文轉載自顯微觀點

「從高中生開始到大學生，甚至到研究所碩士、博士，其實你只要做一件事－叫做找到有興趣的問題」。

從藍光 LED 起始的奈米研究之旅

中研院應用科學研究中心副研究員張允崇近年致力於光電推廣教育工作，不僅作為國際光電工程學會 SPIE 的光學推廣委員會成員，還擔任中華民國光電學會教育委員會主任委員，並已連續舉辦兩屆光電學會光電教具創作競賽。

張允崇自台灣大學物理系畢業後前往北卡羅萊納州立大學攻讀電機博士。時值台灣開始發展半導體的年代，加上他對光學和雷射很有興趣，因此選擇光電半導體作為研究領域，其中又以藍光 LED 為其研究重點。

LED（發光二極體，light-emitting diode）是一種半導體光源。當電流通過這個半導體電子元件時，電子與電洞複合以光子的形式釋放能量，而發出單色光。光線的波長、顏色則和採用的半導體材料種類以及故意摻入的元素雜質有關。

一開始以磷化鎵砷（GaAsP）為材料的 LED 僅能發出紅光且效率低，因此僅作為指示燈使用。而後雖出現可發出綠光的 LED，但一直缺少藍光 LED，就無法以光的三原色－藍、綠、紅，來任意組成不同的顏色，尤其是可供照明的白光。

直到 1993 年，日本日亞化學（Nichia Corporation）的中村修二成功把鎂摻入，成功以氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN）開發具有商業應用價值的藍光發光二極體。

有了藍光 LED 後，白光 LED 也隨即問世。因此 2014 年諾貝爾物理學獎也以「發明高亮度藍色發光二極體，帶來了節能明亮的白色光源」的理由，將獎項頒給中村修二，以及製成高品質 GaN 並首次以 pn 結構完成藍色 LED 的日本科學家赤崎勇與天野浩。

2001 年博士學位並於 2003 年返台至成大任教的張允崇說，當時藍光 LED 領域正好當紅，因此博士班期間以及回台任教之初，便以此為研究材料進行研究。

但很快地，藍光 LED 材料愈來愈便宜且效率也已提升很多，相關應用和研究到達瓶頸，要再突破已非易事。相關領域的學者不是已經放棄，就是必須做出變化。張允崇亦是如此。

台灣從 2003 年開始，投入新台幣約 250 億元執行「奈米國家型科技計畫」，推動奈米科技發展。因此，張允崇也將研究視角轉向開發各種不同奈米製程，其中一個便是奈米球鏡微影術（Nanospherical-Lens Lithography，NLL）。

奈米球鏡微影術是使用奈米球將入射的紫外光聚焦於下方光阻，藉以製作出大面積的金屬圓盤陣列，這樣不僅可以大面積生產，使用的設備也是產業界既有生產設備，成本相對低廉。

「到 2018 年，我們幾乎可以宣稱我們是全世界做奈米球做厲害的人」。但張允崇表示，儘管奈米球鏡顯微影術可以大面積、有效率地提升製程產量，但在學術發表上外界期望看到「新功能」，加上後來到中研院任職，資源較多，便不再限制於奈米球上，而是開發各種奈米製程和新功能。

直觀研究取代考試教學

「我可以講 30 分鐘的研究，沒有任何一個公式在投影片裡」，張允崇笑稱因為自己的數學不太好，所以研究的題目「數學不會太多」。

他以奈米金屬為例，儘管背後有很多數學推導，但在他們實驗室的研究開發中，便僅以「奈米顆粒對環境折射率非常靈敏」的直覺，進一步對其作為感測器進行研究。

但與其說是「受限於數學不好」，不如說張允崇更看重科學直覺和實作，這不僅表現在他的研究，也體現在他的教學和近年致力推廣的光電教具創作競賽中。

張允崇提到之所以投入光電教具創作競賽，起因於他參與國際光電工程學會（International Society for Optics and Photonics, SPIE）的年會時，擔任其中一個類似教具競賽的外展活動評審，氣氛不錯。

加上當時張允崇在台大物理系兼職，教授光電半導體課程。「考試學到的東西很有限」，比起考試他更希望學生能從做中學，因此便參考年會外展活動的概念，讓學生執行期末計畫。

「當時想法只是覺得課堂裡好的作品可以到國際參賽，就像區域競賽比得好，比全國再比國際」。張允崇後來遇到一些志同道合的老師，才將全國競賽籌備起來。

不過，競賽今年邁入第三屆之際，回顧這一路走來，張允崇認為，競賽帶來的收穫、好處和原本初衷略有不同。而最大的好處在於讓學生「提早認識實驗室」。

他表示，許多學生到大三、大四要做專題進實驗室時，早已聽從學長姐和外界的聲音「立志進台積電」。

「現在多學生大三大四就直接聽學長姐說哪一個領域很好，可以去台積電啊。如果你研究所找了老師就是做這個領域，你就被他綁住了，博士班再讀（其他領域）好了，其實也跳不太開了。」張允崇說，不只選錯路不易回頭，進而出現「學用落差」外，學術熱忱也不易被點燃。

但藉由教具競賽，讓大一、大二的學生及早進實驗室「東摸摸、西摸摸」。「大一暑假找一個老師，不喜歡；大二可以換一個、大三再換一個，老師沒有再看到你也不會覺得怎麼樣」，張允崇表示，就算學生不用跟著老師的計畫題目，教具做不出來也沒關係，單純和老師討論教具專題也能略知實驗室的研究內容，進而評估是否對該領域有興趣。

張允崇說，考試答案都是已知的，學生也只是努力搞清楚老師「要考什麼」。但工作、研究卻不是如此，答案都是未知的，因此培養解決問題的能力，包含問對人找到解決方法，更為重要。

而要培養解決問題能力，最快方式就是進實驗室直接動手做。由於實驗室基礎能力需要的是各種能力的展現，不僅限於書本與公式；例如自動控制需要電腦程式能力、有些人手巧適合精工，甚至 3D 繪圖等。學生及早進入實驗室，就算「自認不適合讀書」，也能從中發現自己的專長和定位。

從半導體到奈米光學，再到生物感測，張允崇的研究領域很廣，「奈米領域所有問題都有興趣」。他笑稱，「優點是領域很廣，但缺點是『你問我做什麼題目，我講不出來』」。但只要找到有興趣的東西，就可以做好一件事，「因為你會願意花很多時間」。

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

今天我們來聊聊一種超酷的通信技術——用 LED 燈來傳遞訊息。

你可能會疑惑，LED 燈怎麼能傳數據？其實，這背後的原理並不難理解。無線電波是電磁波的一種，而 LED 發出的「可見光」也是電磁波的一部分，只是頻率更高。既然都是電磁波，那用光來通信似乎也很合理。

光通信並不是新鮮事。早在周朝，人們就用烽火台來傳遞戰情；我們熟悉的發明家貝爾也發明過光電話（Photophone），且 1880 年 4 月 1 日，貝爾還成功地用光電話在 200 多公尺的距離上實現了通信。

然後？就沒有然後了，光通信技術沉寂了一百多年，直到太空通信中找到了新的用途。

可見光通訊帶來了通信技術的全新篇章。當然，我們也要提到，像遙控器和一些太空通信其實用的是紅外線，但這些都和可見光屬於同一大類——電磁波通信。所以，嚴格來說，可見光通訊也是電磁波通信的一部分。

未來的世界，燈光不僅僅是照明工具，更是我們連接信息世界的橋樑。

更多、更完整的內容，歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片，並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊！

• Secret Laser Communications via Polybius Square
• Wireless Telephony (1905)
• 比 Wi-Fi 快百倍！Li-Fi 無線傳輸標準 802.11bb 發表
• NASA Uses Lasers To Send The Mona Lisa To The Moon
• 【影】NASA 利用雷射光束將蒙娜麗莎送上月球！ | ETtoday 國際新聞

本文由 蓓麗嘉國際 委託，泛科學企劃執行。

• 文／陳彥諺，皮膚專科陳昱璁醫師

看似無用的頭髮，除了防曬、保暖的功能外，還有外表上的美觀作用。「美觀」雖然乍看之下並不實用，但是，如果生得一張好看的臉，偏偏頂上荒涼，好看的外貌卻極容易因此而消減幾分。

以往在治療禿頭上，有四種主要方法：改善作息、塗抹含有米諾地爾（Minoxidil）成分的生髮水、口服抗雄性禿之藥物、植髮手術。不過，隨著科技進步，科學家們也不斷地探索著新方法！

目前除了上述四種常見方法外，還有另一種安全且可居家執行的療程，是以「低能量雷射療法（LLLT）」來照射頭皮，進而達到讓落髮毛囊重回生長期的方式。

什麼是低能量雷射療法（LLLT）？

低能量雷射療法，全名叫做 Low-Level laser(light) therapy。這是一種運用低功率雷射（通常是紅外線）來治療特定症狀的治療方式。低能量雷射與傳統雷射並不相同，傳統雷射是高能量的雷射，常用單位是瓦特（Watt），大多用在切割或止血等大手術上。然而，低能量雷射是能量較低的雷射，具有安全性外，用途也更加廣泛，常用於減輕疼痛、治癒傷口、神經再生等。

不過，會發現低能量雷射也許能增生毛髮，其實完全是歪打正著的結果，為何會這樣說呢？有個故事小插曲是發生在 1960 年代後期，匈牙利醫生恩德雷・梅斯特（Endre Mester）原本在進行一系列實驗，想證明雷射光到底會不會致癌。

他將小鼠背部毛髮剃光，再使用低功率紅寶石雷射光（694nm）照射，結果，小鼠並沒有因為照射雷射光而得到癌症，出乎他的預料，雷射光的照射，反而改善了小鼠背部剃毛區域的毛髮生長狀況。

這項發現，也引起了學界對於 LLLT 治療禿頭的關注。近年來，實際研究成果中也指出了患有雄性禿症狀的患者，在經過定時定量的低能量雷射照射下，能有效改善部分受試者的禿頭狀況。

雷射光與 LED 的差異

LED 光源就是家裡的省電燈泡，這些燈泡發出的光，波長較雷射光廣泛，也沒有特定方向性，此外由於光波的相位並不統一，會互相干擾影響光波的能量。

雷射光源的產生是來自雷射二極體，通過電流產生光後會在共振腔中共振，產生更多同波長的光。因此，雷射光源的波長較為單一，具有高度指向性，且相位一致，更容易控制能量。而這些性能也反映在價格上，雷射光源每 nW 的成本，更是高於 LED 光源近 100 倍。

皮膚專科陳昱璁醫師表示：「造成落髮常見的因素包括：雄性禿、壓力、產後落髮甚至是打完疫苗或確診後的副作用都有可能引發落髮，目前通過台灣衛福部核准改善落髮的治療方式有生髮水、口服藥、低能量雷射與植髮手術，而低能量雷射的優點是非侵入、無顯著副作用、可居家使用的生髮器材，不過，若雷射波長不同會造成波長干擾，建議民眾使用 650nm 單一雷射光，至於適合用什麼樣的方式治療建議民眾到門診由專業醫師評估。」

在傳統的髮療法當中，皆存在著潛在的副作用風險，比如，使用含米諾地爾的生髮水，有可能會造成頭皮刺激不適，初期使用也可能有掉髮增加的情形，女性也偶有出現臉部多毛症的狀況；而口服藥常見副作用包含性慾減低、勃起異常、不孕等副作用。

陳昱璁醫師也提到：「雷射生髮帽屬醫療器材，若不當使用仍會造成傷害之虞，因此不鼓勵民眾自行購買，若有異常落髮徵兆，建議尋求專業醫師諮詢，才能對症下藥，找到符合自身需求的療程。」

所以頭髮禿禿別害怕！遇到落髮難題，不要遲疑，及早開啟適合的療程，才能盡早回歸頂上的繁榮景象。

※ 以上屬醫療資訊分享，任何療程效果與副作用因人而異，如有需求請以專業醫師建議為主。