【2014智活星期二】謝明德：區域活化與在地服務創新方法論

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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本文由台灣康寧贊助，泛科學策畫執行

文／梁晏慈

由台灣康寧舉辦的第一屆「康寧創星家」希望培育創新人才，並期許企業在營利的同時能回饋社會，因此他們深入校園，向台灣大專院校的學生發放英雄帖。有別於其它創新競賽以某一議題進行概念發想，「康寧創星家」的參賽者從生活中找尋好點子，並利用康寧的特殊材質－玻璃、陶瓷、光纖為命題方向，構思可以改善人類生活的新產品。本次活動共235團隊投件，其中20組團隊憑藉著他們的創新點子，獲取進入11月28日複賽暨工作坊的入場券。

台灣康寧深知唯有創新才能帶領產業的發展。然而，好點子不會從天而降，更可惜的是一般人在靈光乍現時常常思考的卻是：「這個怎麼可能做到。」、「應該很貴吧！」。康寧創星家為了鼓勵學生不只停留在發想，而是能夠考慮實作的要件，特別在複賽中安排參賽團隊與康寧科學家及奧美導師對談：前者帶領同學了解材質、改進設計，讓發想更有機會變成產品；後者則提供企劃上的建議，指導參賽者將產品包裝得更能吸引受眾與投資者。

有想過產品要賣給誰嗎？沒有，因為你只想到你自己

在複賽簡報暨提問中，各團隊有7分鐘時間向評審分享自己的創新點子。評審們除了就投影片的呈現方式給予初步建議，也教導參賽者釐清產品的受眾。例如同樣是和飲食相關的設計，其中一組計畫利用康寧的可撓式玻璃製作出能依據食物重量持續播放影片的幼兒餐墊，讓專注力不足的孩子乖乖吃飯。另一組則將目光聚焦在單身外食族，以康寧的大猩猩玻璃（Gorilla glass）打造具有點餐服務、影音功能的個人化餐桌，降低單身者外食的尷尬。

針對幼兒餐墊的設計，評審詢問同學：「你們知道2至4歲的孩子吃甚麼嗎？」、「如果孩子碰碰碰地拍打餐墊，是否會干擾重量的偵測？」，藉此提醒參賽者永遠別忘了「誰要用」，當產品使用對象是嬰幼兒時，就不能以大人的角度去評估適用性，而要將嬰幼兒的行為研究透徹，並依據可能發生的狀況來更動產品設計。另一方面，評審們則提醒單人餐桌的團隊，雖然受眾是單身族群，但買家可是餐廳，因此產品行銷的困難是如何說服餐廳願意投資這項技術。再者，若影音功能太過精彩，客人一直滯留在店內，反而會影響餐廳最重視的翻桌率。由此可知，該如何吸引業者願意投資新產品，並在買家及受眾的需求間取得平衡，也是規劃產品功能時很重要的一環。

簡報提問結束，同學表示：「我們以為產品只要能解決某個問題就大功告成了，卻沒想到還有那麼多人的意見需要被納入考量。」透過與評審的對答，同學們學會從業者、一般大眾、受眾等不同角度切入產品設計，使他們產品能更完整，更有可行性。

「這樣可行嗎？」問，就對了！

為了創造更自由的設計環境，康寧創星家初賽強調發想，但這次的複賽可不只是提案競賽，更重要的是讓每件作品的設計都能將材料的特質和現實環境狀況納入全盤考量，因此台灣康寧特別在複賽中加入了與科學家對談的關卡。在這個關卡中，科學家會給同學更多實務上的建議，一一化解大家腦中滿山滿谷的問題。例如有一組團隊為了解決駕駛人視線被汽車A柱擋住的問題，決定拿掉原本的金屬A柱，利用堅固透明的大猩猩玻璃，將前擋玻璃一路延伸到前座車窗。他們想知道：「製作一體成形、彎曲形狀的大猩猩玻璃會很困難嗎？」、「大猩猩玻璃可以承受的撞擊力如何？」。

科學家首先讚許該團隊的大膽創意，另一方面也提醒同學，汽車工業的材料要求非常嚴格。現在的玻璃製程技術可以將玻璃塑造成他們所設計的，但金屬A柱仍為必要，因為當意外發生時，金屬可以吸收碰撞力道，並撐起車蓋，避免駕駛受到更大的衝擊。同學的發想雖然可以解決視線死角的問題，可是在車禍的撞擊力太大時，大猩猩玻璃仍有可能會碎裂。破裂的玻璃將造成乘客的二度傷害，不僅如此，在講求輕量化的時代，玻璃的重量勢必會成為很大的問題。類似的設計是利用攝影機將死角的影像播放給駕駛，若同學想利用玻璃A柱的設計，避免轉播影像有視差的問題，那就得解決碎玻璃的危險性。在兩片玻璃間夾入聚碳酸酯纖維層，達到防彈玻璃的效果，也許是可行的方法。

透過「康寧創星家」創造的自由發想平台，以及科學家強大的技術支援，參賽者天馬行空的發想才有機會成為影響人類生活的重要設計。

以好故事包裝好產品

好點子及技術支援都到齊了，一項產品能否吸引買家及投資者，還要依賴設計者們說故事的能力。包裝產品的能力就靠奧美導師幫忙了！首先，每組團隊先向奧美導師分享其對於產品包裝的想法，導師便會藉此確認產品的賣點，接著深入地協助同學重整簡報的架構，並引導同學找到適當的報告邏輯。透過投影片順序的調換、內容融合，強化這些賣點。導師不斷提醒同學，製作及使用簡報的每一刻都要想到聽眾，目標是帶領他們理解「這項產品為什麼重要？」、「我為什麼要在乎？」。

尤其當聽眾是投資者時，更要把產品和對方企業做連結。因此簡報中需要強調康寧材料的獨特性，並且努力說服對方相信只有「我們」可以把材料的特性發揮至淋漓盡致。

願「創星家精神」永遠與你同在

我們常以為好點子像中樂透一樣，是幸運兒的專利。但事實是累積完整的思考流程（問題是什麼？這個問題中我可以扮演的角色？），才可能在適當的時機抓住靈感。從發想到實現的每個階段都得時時分析產品是否具有市場競爭力。設計者還須跳脫框架，從贊助者及一般大眾的角度審視產品的價值；同時，以說故事的力量讓產品的行銷更貼近每個人的心。

「康寧創星家」引導同學完成一趟創新思考的流程，並幫助大家實現好點子成為好產品，期許這個活動在同學心中埋下一顆種子，比賽過程中培養的「自主發現並解決問題的能力」可以伴隨著這群創星家繼續在臺灣各產業發光發熱。

記錄：羅紹桀

台中教育大學的羅日升老師，這上學期課程結合最近非常夯的3D列印與台中市西川社區的特有「古婚禮文化」，進行課程的安排與產學合作。

羅老師任教的台中教育大學與西川社區在地理上相當靠近，大約路程只有二十分鐘不等，而西川社區在台中地區屬於古婚禮相當俱有特色與代表性的社區，因此羅老師選擇以「古婚禮文化」為主要的訴求，帶領同學進行文創加值的設計專案。

羅日生：適性3D列印輔助設計教學成果分享—以古婚禮文創商品設計為例

西川社區古婚禮的文創加值

事實上，西川社區本來就有許多古婚禮的相關設施，包含新郎街、古禮的迎親隊等等，由於這個課程是一個全新規劃的課程，因此學生需要一個數位化的軟體工具來輔助，羅老師首先花了半年的時間學會所謂的3D列印技術，接著，羅老師領導學生應用科技進行設計的應用過程，包括場域的踩踏、訪問社區居民，並聚焦幾個特定的議題，以「花轎」為例，一般來說花轎的意義代表首次出嫁，如果是再婚就會使用紙或彩布紮成的「彩轎」。

最後實際做出古婚禮主題產品，每一組至少要做出兩樣以上成品，並且要有特定主題，設計發想、理念等等，期末把成果做成一場展演，主題為「弄囍」。

3D列印技術

在實作部分，是利用系上和智活聯盟的材料來作所謂的ＲＰ（快速成型）作出實體模型，然後進行上色，在系上剛好就有一臺3D列印機，用很簡單的輸出的流程，讓學生瞭解整個設計的實踐，這個過程看起來很簡單，但事實上要在一學期設計出一個產品事實上是有一點難度和時間上的緊迫的。

這次的課程規劃中使用的3D列印技術雖然最近非常夯，但它其實並非新的技術，只是近幾年專利到期，所以才會普及，使用使用3D列印的技術中，模型的建造是關鍵，有好的檔案才會有好的作品出來，羅老師認為，通常在做產品開發的時候，創意重要，設計實踐能力也很重要，尤其是現在很多3D列印或是一些技術越來越成熟了，這些技術加上所謂商品化的點子，與產學合作，就能產生更多的設計能量。

【關於智活星期二】

智活星期二是Pansci與CRE@TAIWAN智活聯盟共同舉辦的小規模聚會，旨在推廣「智慧科技導入常民生活」的教學理念與社會實踐，活動的主要形式是找三、四位各大專院校不同領域的講者針對同一主題，各自在15分鐘內與大家分享自己的教學方法論與實踐經驗，並讓所有人都能參與討論，推廣智慧生活與創新服務。