友達的不插電電子紙

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

有機薄膜電晶體(OTFT)之新發現，清華大學材料系黃振昌教授與博士班研究生王中樺、謝兆瑩2009年利用蠶絲做為介電層的材料，並成功開發出蠶絲成型技術發表在學術期刊上(Advanced Materials)並同時申請專利。蠶絲製作在低電壓的高性能五苯環有機薄膜電晶體，效率比以往使用的材料快上20倍，未來可讓電子紙或有機發光二極體螢幕具有相當程度的撓曲性。

什麼是有機薄膜電晶體呢(organic thin film transitor OTFT)?

「有機」，是在超市看到定義”有機”天然無添加人工色素的食物?不!那是吃的有機物，而「有機」薄膜電晶體，比較貼近以前在高中化學中對有機物和無機物的分類定義。

在軟性電子元件上，作為主動層(Active layers)的有機薄膜有很多種類，目前介紹的五苯環(Pentacene)是普遍被應用在OTF上的有機薄膜主動層之一。主動層運用的有機材料有小分子「五苯環」 (pentacene)又稱並五苯、高分子及有機金屬錯合物，五苯環熔點是攝氏300度，沸點是攝氏529度，製成薄膜時為可透光的藍紫色，因為結構緊密，且五苯環的材質可以幫助電子移動速度變快，採用五苯環電晶體來製造元件，可以透過有機溶劑，直接鍍在作為電子紙張基板的塑膠表面。用五苯環電晶體控制電子墨水開關的元件，沒有五苯環電子紙就無法運作，此外，減少另外加上去的電路複雜度，產品的成本能降到最低。近年來都被應用在太陽能電池及可撓曲式的電子顯示器或電子紙上。

和氧化物半導體和非晶矽的薄膜電晶體的基板幫助電子紙呈現動靜態影像的差異，OTFT基板注重製造成本低廉、耐衝撞及具有可撓曲的優勢，並能提升電泳電子紙pixel解析度3倍，解析度達150dpi，長遠來看，OTFT是未來電子紙主要使用的元件。

神的賜福-蠶絲

蠶絲，也是製作電子產品的絕佳材料！清華大學材料系師生兩年前意外發現，從蠶絲萃取出蠶絲蛋白，製成蠶絲膜，可當作閘極介電層材料；最近又成功製成可在低電壓操作的高性能五苯環有機薄膜電晶體，未來可應用在電子紙或有機發光二極體螢幕的彎曲功能。

清華大學材料系黃振昌教授表示：「使用蠶絲做介電層材料，是個非常意外的事情，我們經過許多次考驗，最終獲得突破。使用蠶絲可以比原本的速度快上20倍，由這種蠶絲膜製成的電子書或電子紙，翻頁速度會快很多。」，譬如以時速80公里的車速從台北到高雄要4.5小時，現在只要12分鐘。

蠶絲的製作成薄膜的過程，是先將蠶絲都丟到量杯裡煮滾成，拿去烘乾，烘乾後再切成小小塊，再丟入溶劑裡煮成蠶絲蛋白，最後將蠶絲蛋白塗抹在電晶體體的介電層部分。

因為有機電子正夯！或許電子紙的研究會因此發現更多可能性，清華大學材料系黃振昌教授所研發的蠶絲做介電層的材料，或許會對軟性有機電子紙產生相當深遠的影響，甚至會大大改變現今對電子紙的研發的可能性。

國科會科技新聞寫作班深度報導 楊瓊蘭 / 嚴巧珍 / 林姿吟

電子紙系列報導：

• 當預言家日報成真
• 電子紙的歷程與現況
• 電泳式和膽固醇式液晶電子墨水
• 蠶絲－神的祝福－有機薄膜電晶體(OTFT)新發現

電子紙又可稱為軟性電子顯示器，該項產品的生產需要十多種技術間的互相配合。在與其它顯示器相比較下，是更希望可以突顯，具有「紙張」特色的顯示器。在高彩度、高亮度、低耗電、在自然光下能觀看的幾點要求下，目前最受矚目的技術主流有兩種：電泳式技術和膽固醇式液晶技術。而這兩種技術就好比印刷的墨水一般，讓電子紙在正確的位置上顯示出圖片和文字。

首先，在「自然光下可觀看」的條件，是希望電子紙能夠模仿普通紙張的特性，直接反射外界環境的光源，就立即達到顯示觀看效果，稱為「非自發光」；與「自發光」的顯示器，如：電視、i-phone、手機的原理不同。擁有電泳式技術的E Ink元太科技表示：「該技術的優點是運用周遭的光線去做閱讀，好比你盯住電視30秒，和盯著電子紙30秒，眼睛疲勞程度的感覺是不同的。電子紙在人體視覺接受度上比較舒適，而且也沒有輻射困擾，是極大優勢。」另外，膽固醇式液晶技術也是相同屬於非自發光類。

第二，在「低耗電」的要求下，電泳式技術和膽固醇式液晶技術都能夠做到，因為，兩者同樣屬於「雙穩態顯示技術」。雙穩態（bistable）是指可以不施加任何電壓維持在同樣的畫面，因為有兩個穩定狀態，故稱之。該技術的特點是，若不需更換螢幕資訊時，是可以關閉電源，螢幕是仍維持著原本的文字與圖片狀態，不會消失。只有在變換螢幕資訊內容時，才有必要通電。顯而易見的，雙穩態是一種具有非常省電特性的技術。

以下分別就電泳式技術和膽固醇式液晶技術的技術原理做簡單介紹：

電泳式技術原理

具有百分之九十以上市佔率的E Ink元太科技公司，掌握了由美國E Ink創造的重要光學元件——「電子墨水」的關鍵技術。「電子墨水」是眾多電泳式技術的其中一種技術架構。

電子墨水聽起來是一種前端高科技的新潮技術，然而按照E Ink元太科技所公佈的說法，電子墨水與傳統印刷業使用的墨水相似，皆是利用當今印刷使用的顏料製成。不同之處在於，電子墨水是融合了現有化學、物理學和電子知識所創造的全新材料。經過這樣解釋，電子墨水反而與大眾親近不少，從肉眼來看，與一般普通墨水無異，然而電泳式技術背後的原理，卻牽連著視覺上黑白顏色的差別。

電子墨水是一種可顯示黑白顏色的技術。內含有由數百萬個肉眼幾乎難以看見、微小的微膠囊，包覆成一顆顆的圓形狀的球體，稱之「微膠囊技術」。在每個微膠囊中含有電泳粒子，即帶正電的白色粒子，以及帶負電的黑色粒子，他們紛紛浸泡在懸浮液中。

利用正負相吸的原理，當有電場接通，若黑色粒子球被正電荷吸引黏著於底部，使得白色粒子移動到上方，螢幕上顯示的便是白色影像。反之，白色粒子被負電荷吸引之處，而黑色粒子上升，該區塊肉眼所見的便是黑色。接著，可以運用相同原理，使得墨水顆粒擁有灰階的顏色。

智慧型墨水顯示器

擁有了電子墨水技術，顯示器的製造便是下一步的階段。將墨水抹一層於可彎曲的柔軟塑膠薄膜上做為基板，形成電路層板。電路層板由三樣材料構成，即是透明的前版、電子墨水和不透明後版，彷彿是三明治一般，將電子墨水塗抹、夾於中間層，雙眼由透光的前版面觀看，可以看見黑白色彩上變化，就是簡單的電泳式顯示器。而電子墨水最終將可讓生活周遭大部分的表面成為顯示器（如玻璃、纖維、塑膠），使得此項技術與其他產品結合後的應用面潛力無窮。

上述的電子墨水所擅長的是在黑白顯示方面，若想要讓畫面看起來五彩繽紛，E Ink元太科技的技術中，就必須加上一層彩色濾光片(Color Filter)，讓光的三原色，紅、藍、綠混和調節後形成螢幕上的影像。然而現今所面臨的挑戰是，因其反射率會變低，在視覺上所展現的，便是全彩的飽和度上仍難達到令人滿意的狀態，且在靜態圖片的表現上較佳；若要展示動態影像，為了使反應速度加快，顏色純度就不如預期了。

膽固醇式液晶技術原理

「從技術原理來看就不太一樣，電泳式是顆粒狀，而膽固醇式則呈現一片片的片狀」。工研院影像顯示科技中心面板整合技術副組長胥智文，用這句話來簡單告訴我們兩種技術的區別。因為E Ink在電泳式技術上擁有太多專利權，工研院便將膽固醇式列為重點發展技術，長年投入研發，企圖以另一種管道，開創電子紙技術的另一種可能性。

膽固醇式本身就是有顏色的液晶

「因為膽固醇本身的液晶排列，很像人體膽固醇結構的片狀，所以稱之為膽固醇。」。該技術可以視為液晶顯示器（LCD）的延伸，在顯微鏡下，很像線狀液晶。加入旋光劑後，液晶分子就會360度旋轉，旋轉360度後所需的分子厚度稱為旋距（pitch）。因為膽固醇式本身就是有顏色的液晶，當我們利用液晶分子的縮放調整旋距厚度時，會影響反射出來不同的顏色。如此一來，膽固醇式便輕易的達成人們對於彩色畫面的要求。反觀電子墨水，由於基本上只能呈現黑、白以及灰階的顏色，還需加上彩色濾光片後才有其他顏色的顯現。

用單層結構顯示三原色

利用膽固醇式液晶可以反射出不同顏色效果的特質，美國大廠便提出以三層堆疊方式，將紅、綠、藍三層面板疊起，在運用上述的雙穩態原理，將每個面板驅動到亮態或暗態，顯現出不同顏色達到彩色的功用。

而工研院自行研發的單層結構顯示器，只用薄薄的一層便可以完成全彩的效果，不僅可避免掉，三層堆疊結構製做程序複雜的問題，還可有效降低成本，厚度更減少60％以上。其基本概念即是將單層面板畫分三條垂直的畫素區塊，使用真空注入的方式，分別將紅色、綠色、藍色液晶注入各個畫素區域內，並確保每個區塊不會混合。接著只要分別控制，彩色圖片的顯示品質之優質，甚至可以達到與筆記型電腦不分上下的程度。

黑白畫面與挑戰

上述的膽固醇式液晶技術在彩色顯示方面較電子墨水更具有發展性。但是相較之下，因為膽固醇式是採用紅、綠、藍三種顏色面板的形式當作油墨，在黑白顏色的表現方面，白色看起來有點灰灰暗暗的，不若元太科技的電子墨水的黑白顏色展現。其次，膽固醇式的驅動電壓比較高，使得成本相對提高，廠商在成本考量下，多抱持著觀望態度。這也說明了膽固醇式液晶技術所面臨的挑戰。

 國科會科技新聞寫作班深度報導 楊瓊蘭 / 嚴巧珍 / 林姿吟

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