新多孔聚合物是一種威力強大的超級電容

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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本文由科技部補助，泛科學獨立製作

穿戴式裝置正火紅，除了智慧手錶、智慧手環等常見的穿戴裝置，你知道還有智慧衣嗎？相較於智慧手錶或手環，智慧衣能更貼近、更大範圍的覆蓋人體，在生理檢測上，能比手環類產品來的準確。但若要能夠檢測，智慧衣就得通電，目前市面上的智慧衣仍需要額外的供電裝置（像是固體電池等）來供給電力，不但累贅，也降低了穿戴舒適性。

超級電容器供電於無形之中

美國卓克所大學（Drexel University）近期和美國海軍學院合作了一項研究計畫，他們找出一種方式，能夠讓活性碳顆粒嵌入不同類型的毛線中，藉此可儲存能量，進而觸發感測器及電子整合裝置，並將這類針織品改良而成智慧衣。

這些由不同類型感測元件製成的「智慧布料」，其實已經發展十年之久。但以往這些產品往往都只是實驗室裡的展示品，近幾年才開始進入消費者市場，像是能夠監控運動員生理狀況的智慧穿戴裝置，以及追蹤健康與身心狀況的產品。根據 Gartner 在 2014 年底的報告指出，智慧服裝的市場將會從 2014 年的十萬件，成長到 2016 年的兩千六百萬之譜。

直至目前為止，市面上多數產品皆會利用額外的處理裝置來做資料擷取，並和智慧手機、平板等行動裝置連結。這些處理裝置的模組雖然不大，但仍必須使用傳統電池供給電力，從美學或是功能的角度來看，這樣的設計其實都不盡理想。

因此，創造一個高彈性，且能整合到針織品的能量儲存器一直是相關研究人員的目標。終於在去年，來自中國與美國的研究團隊有了一些成果，他們分別展示了由石墨與碳奈米管製成，且能編織進服飾的纖維狀超級電容器。當時的報導指出，這些以碳為基礎的微型超級電容器，每個纖維擁有最高的體積能量密度（每小時 6.3 微瓦/每立方毫米，相當於一個 4 伏特，每小時 500 微安培的電池）。但是這些產品雖然看似強大，其造價卻相當昂貴，而且碳奈米管可能含有毒性的疑慮尚未被排除，再再都降低了此產品的商業價值。

關鍵因子：活性碳、天然纖維焊接與離子液體

為了能夠創造出不需外在裝置、成本低廉的能量儲存裝置，卓克斯大學的團隊開始採用價格便宜的活性碳。除了便宜外，活性碳安全無毒，甚至常常被用於減少有毒物質的吸收。根據卓克斯大學材料科學家 Yury Gogotsi 表示，只要使用約 3000 平方公分的面積（相當於襯衫背部中央區塊的大小），便能儲存相當於一個 4 平方公分大小的錢幣型電池的電力。

為了達到這樣的能量密度，該團隊採用一種叫做天然纖維焊接的技術（Natural Fiber Welding，NFW），這種技術是由美國海軍學院的化學教授 Paul C. Trulove 與空軍辦公室的科學研究部的 Hugh C. Delong 發明。NFW 可讓像是活性碳等材料，嵌入由棉、麻、竹子或人造絲製成的紗布、織品。

NFW 技術雖然複雜，但在卓克斯大學與海軍學院團隊的努力下，它們製造出一台專門用於NFW 的機器，能夠持續的生產出數十米的紗布。「真正需要成本的只有 NFW 過程中所需的離子液體」海軍學院總司令 David P. Durkin 說：「它們雖然昂貴，卻是非常優異的替代有機溶劑，因為它們不會揮發，甚至可以在水中重建，進而回收」，Durkin 認為，如果NFW技術被規模化，那麼離子液體的成本將會是一項關鍵因素。

電力供給效能尚待解決

在現有技術下，能量儲存紡織品的所能供給的電力其實並不多，像智慧手機等行動產品可能都不敷使用，但還是有許多其他應用可以受惠於這類紡織品。卓克斯大學博士生 Kristy Jost 解釋道，現在市面上有越來越多的電子紡織品，但多數產品仍需藉由固體電池來提供電力，針對此點，她致力於儲能紡織品的研發，最終目標是希望生產出一種能量儲存裝置，能夠驅動相關電子產品，像是針織感測器、低功率的通信設備等。
相較智慧手錶、手環等較為 High-Tech 的產品，智慧衣則 High-Touch 多了，不但能夠真正「穿」在身上，也能提供更準確的生理數值。在娛樂價值上，模特兒與藝人也能穿著智慧衣，在表演時展現更多炫麗的特效，增加娛樂效果。只要能夠解決電力供應的缺點，相信在 2016 年達成兩千六百萬件的市場規模絕對不是問題。

（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫－智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧

文＼王昱夫

能源和環境無疑是近年來大家最關注的話題之一，電動車更是其中常常被拿出來討論的選項，然而，這類電力產品長久以來無法普及的ㄧ大困難點，就在於充電時間太長，想像一部車開進充電站，卻要花上半小時時間充飽電才能再上路（而且還沒辦法像用油一樣開那麼遠，很快又得找站充電），簡直讓人受不了。針對這樣的問題，紡織產業綜合研究所開發的「超級電容」，不但能夠滿足快速充放電的需求，更可以和紡織技術結合，開創出全新的市場！

紡織所開發的「織物超級電容」，曾在2011年榮獲R&D100大獎（此獎項素有「產業創新奧斯卡獎的美譽」）。其特色在於具備高度柔軟性（可180度折疊）、高穩定度、長壽命、快充快放及大容量，可以有效與自行車發電系統、太陽能電池做結合，成為高度生活化且應用性高的產品。

織物超級電容為什麼可以擁有這麼多優異的性質呢？其最創新之處便在於它使用了紡織材料作為電容的基材！是的，你沒看錯，是紡織材料！捨棄了以往電子材料總是硬梆梆的刻板印象，研究團隊採用了柔軟可撓的紡織物支撐整個電容結構，於其中灌注特定比例的電解質溶液後加以真空封裝，做成這片厲害的超級電容。也由於是使用紡織品材料，整片電容就像衣服一樣，可以隨意的扭曲、搓揉，當筆者親手拿著它把玩！簡直難以想像傳統的電子元件竟然能以如此特別的型態被製造出來！

「我們採用紡織材料來做，就是因為它具有好的可撓性和多孔性結構」受訪的蔡副組長向我們解釋道。有了好的可撓性這項產品的應用便不受限於傳統的空間限制，可以把它彎曲、塞在很小的空間內，或是放在背包、衣物這種需要高柔軟性的物品上，與穿戴式裝置做結合。除了可撓這項大特色之外，織物超級電容比起傳統的電容在性能上更絲毫不遜色！它的充放電速度接近傳統電池的100倍，同時，它比起一般電容，不但漏電速度慢，其壽命甚至可以經歷將近10萬次重複充放電（普通電池充放電壽命約300~500次）！這些特點結合起來，未來或許就能與前面提到的電動車輛做結合，達成快速充放電電力車的願景。

在應用面上，紡織產業綜合研究所也研發了特殊的LED紗線作為目前市場化供應的第一步。LED紗線和傳統的LED不一樣，也是強調「以紡織材料為主體」的產品，透過高度技術織造，具備比起傳統電線更高的承重力，也可以像一般衣物一樣耐水洗；值得一提的是，紡織所開發的這款LED紗線不像一般的LED燈有方向性（只有一個方向發光），360度全方位可發光，不論從哪端看都可以看到亮光！而且，紗線本身材質的導光效能也很好，可以讓整條線均勻發光，提高其應用性。

從產品端來看，目前織物超級電容已應用於自行車與太陽能供電裝置：由於這類發電來源其供電量往往不穩定（人踩的速度不可能一直固定嘛@@太陽也不會一直在頭頂～），如果直接把發的電接到要使用電的裝置上（像是車燈或手機充電裝置），效果可能不好（燈一下暗一下亮）或甚至會損傷器材（手機壞掉），所以這時候，就輪到超級電容出馬了！發揮它快速充電的特點，在發電時快速將電力儲存於電容內，再以固定的輸出量供電給要使用的裝置，達到好的電力運用（智慧儲能的概念啊！）。LED紗線則是可以運用在安全警示，與智慧型穿戴裝置做結合，結合這兩項技術，說不定未來，能夠像「布」一樣隨身攜帶的螢幕，也不再是天馬行空了呢！

紡織業以往被大家視為傳統產業，很難和最新科技這類的詞彙聯想在一起，然而，紡織所開發的智慧型儲能及發光織品，卻讓我們都著實大吃了一驚！紡織如此柔軟的材料，在與電子科技結合後，開創出了新的ㄧ片藍海！

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