奈米材料科技發展與在傳統產業之機會 - 電子商務

奈米材料科技發展與在傳統產業之機會

一、前言

21世紀將是以奈米科技為主導之新產業革命時代，奈米科技是多領域交集發展之綜合性跨領域科技，包括物理、化學、材料科學、光學、電子學、生物學等。2001年1月，美國柯林頓總統在加州理工學院正式宣布成立美國「國家級奈米領航計畫」(National Nanotechnology Initiative,
NNI)，柯林頓表示:『我用預算支持此一重要的國家級奈米領航計畫』，2002年美國政府投資5億美元研究奈米技術。2002年1月8日陳水扁總統蒞臨工研院象徵性啟動我國國家級奈米計畫，預計從2003年(FY92)開始，將分6年投入新台幣231億7千萬元，其中151億9千萬元是由經濟部技術處負責之產業化計畫。

美國為了在奈米科技的研究開發保持領先，其國家奈米領航計畫(NNI)第一年度 (2001年度: 2000年10月到2001年9月)的國家研究開發預算總金額為4.22億美元，2002年度激增為6.04億美元，2003年計劃再增加約18%達7.1億美元。除美國以外其他國家地區如歐洲、日本、中國大陸等也都將增加經費投資於奈米科技研發。世界各國普遍相信領導下一次工業革命的推動力，將由資訊網路、生物技術轉變為奈米科技主導。

二、奈米材料科技

奈米科技是在原子、分子、超分子層級探索其特性、控制其結構，並運用奈米尺寸(1~100 nm)特有的現象表現於材料和系統，且要在微觀和巨觀的層次維持其介面的穩定性和奈米結構的整合性，故奈米科技為新材料的創出，提供新的方法，這些新材料不僅是更新奇、更強、更具彈性，而且材料本身更具交互作用、高靈敏度、多功能、及智慧化。

二、奈米結構材料定義與特性

1.奈米結構材料簡稱奈米材料之定義:
奈米材料是指原子簇(含晶粒或相)構成至少一維尺寸介於1nm~100nm，故包括原子簇構成之之奈米粒子、纖維、顆粒膜、多層膜或奈米相材料。(1nm =10-9 m) 。
2.奈米技術定義：
凡製造、量測、模擬、精密安放和操控小於100奈米級物質者。
3.奈米材料特性：
奈米材料由於具有下列三大特性，因此能超越傳統材料。
(1).超微細原子簇（獨特的電、磁、熱、光效應）與 超大表面積
(2).很大比例原子處於晶界界面、超多活化中心
(3).量子效應、量子隧道效應

三、奈米材料之應用領域

奈米材料之應用領域可以歸納如下表，前八項說明其特殊性能與相對應用領域，後三項則強調其在能源、環保與醫學上之應用機會。
表1 ：奈米材料之應用領域
性能 用途
力學性能 高強度、高硬度塗膜、陶瓷增韌性、超塑性、耐磨耗
光學性能 光學纖維、光反射折射、吸收電波隱形、發光材料
化學物理特性 研磨拋光、助燃劑、阻燃劑、油墨、潤滑劑
磁性 磁流體、磁記錄、永磁材料、磁儲存、智慧型藥物
電學特性 導電材料、電極、壓敏電阻、靜電遮蔽、超導體
化學催化 化學反應催化劑
熱學性能 耐熱材料、導熱材料、隔熱材料、低溫燒結材料
感測性能 偵測濕度、溫度、氣體等感應材料
能源 電池材料、鋰電池、燃料電池儲氫材料
環保 空氣清靜消毒、污水處理、廢棄物處理、
醫學 細胞分離染色、消毒殺菌、藥物載體、醫療診斷
資料來源:工研院經資中心ITIS計畫整理(2002/09)

在能源方面茲舉美國NII計畫能源項目之奈米材料為例，說明前瞻研究項目:美國NII計畫能源項目中，有關奈米材料者有可歸納為六項；
1.太陽能轉化成電能之創新方法與材料
2.碳氫類化合物轉換為熱能之催化劑
3.燃料電池用催化劑與薄膜
4.熱電、磁致冷與高效能轉換之奈米材料
5.用於高強度、高耐磨耗之改質材料和塗層。
6.用於長壽命核反應堆更耐輻射之奈米結構材料。

四、奈米材料之未來市場商機預估

根據美國國家科學基金會預估，到 2015年，相關產品業績將高達一兆美元，其分布如表2 。此項市場商機預估認為奈米材料衍生產值達3400億美元，而且超越奈米半導體商機。而在化工產業則有1,000億元之市場機會，因此對於發展材料與化工產品為主之基礎產業，具有莫大之潛力。
另外據調查2001年奈米科技相關產品銷售額約為二百六十多億美元。



表2:奈米材料之未來(2010~2015)市場商機預估
奈米產品商機 億美元/年
奈米材料 3,400
奈米半導體 3,000
奈米醫療 1,800
奈米化工 1,000
奈米航太 700
奈米量測工具 220
合計 10,120
Source : Dr.M.C.Roco ,(2001)美國國家科學基金會主持人

五、奈米材料在傳統產業之發展機會

奈米材料分類：
奈米材料由於具有特殊性質與補強效果，故可用以提升傳統工業製品功能，也可用以支援新興產業或開發特殊高品級產品應用。在添加型粉體應用上所用之奈米材料可以歸為以下幾類:
1.無機材料(如黏土類)
2.金屬材料
3.金屬氧化物（SiO2、TiO2、CaCO3、Al2O3、 Cr2O3、Fe2O3與ZnO）
4.碳素材料(奈米碳管、碳球、奈米碳纖等)
5.奈米觸媒類
6.奈米磁性材料如氧化鐵等
7.高分子超微粉體( 液晶高分子超微粉體、工程塑膠超微粉體等)

以上材料之存在形式包括以奈米粒子、纖維、顆粒膜、多層膜或奈米相材料方式存在者。這些材料本身就是傳統產業產品奈米化之新產品，所以奈米材料關係著上中下游產業之發展。

六、奈米科技對我國傳統產業的市場影響

根據工研院評估，奈米科技將可應用與影響廣大傳統產業，預估2~3年市場衝擊影響可分項列示如下：
1.塑膠與高分子產業：新台幣200億元
2.顏料/染料/油墨產業：新台幣100億元
3.紡織與纖維產業：新台幣150億元
4.無機與陶瓷材料產業：新台幣50億元
5.金屬/機械產業：新台幣100億元
6.造紙產業：新台幣100億元
7.超細粉體應用產業：新台幣200億元

估計至2004年影響產值效益共計新台幣900億元，至2010年估計影響產值達5,000億元新台幣。
由以上可知奈米科技對我國傳統產業的市場影響幾乎是全面性的，而且是可以藉由現有通路行銷應用。

七、傳統產業利用奈米材料之特異功能與利基

　奈米材料發展初期，難免遇上性能/價格比較問題，所以必須針對產品之功能提升具有顯著效益者，以下是個人建議傳統產業在切入奈米材料發展與應用時，優先考慮之項目:
1.利用奈米尺寸達到透明化與進一步可彩色化
2.利用具有紅外線吸收功能之奈米粉末
3.具有紅外線吸收功能之奈米粉末
4.輕量化與兼具強化作用
5.導電與抗靜電作用
6.抗菌與防臭作用
7.導熱或隔熱作用
8.表面自潔作用

八、奈米材料在新世代產業之發展現況與機會

奈米粒子在新世代產業之應用包括電子、磁性材料與光電工業之應用，目前有下列項目:
1.化學機械研磨液
2.磁紀錄媒體
3.光學纖維
4.導電性塗料
5.磁性流體油封
6.多層陶瓷電容器
7.螢光物質
8.太陽電池
9.量子光學裝置

根據BCC公司調查，只針對奈米粒子在電子、磁性材料與光電工業等之世界市場值分析，2000年需求量為13,500公噸、市場值333百萬美元，估計2005年需求量為37,125公噸，市場值667百萬美元，量值成長率分別為22.4%與14.9%。主要應用於矽晶片平坦化用之化學機械研磨液(CMP)、磁紀錄媒體、光纖與多層陶瓷電容器等產品。但以上調查並不包括奈米碳球與碳管等。

十、奈米碳球與碳管之研發與機會

奈米科技的迷人之處再運用我們所習用的傳統材料(如石墨)，經過奈米技術(製程)的處理，所生成的新型奈米化材料(如奈米碳球與奈米碳管)，將會相當特異的功能；例如目前科學家在已發現的奈米碳管上發現其強度相當於同等直徑鋼的10倍，但重量卻只有鋼的1/6；此外因為有許多的優異特性，故與傳統材料(如碳素材料)出現很大的應用性能與價格差異，目前單璧奈米碳管價格高達美公克600美金(高純度者)，其價格均雖高於黃金但未來將隨量產技術與製程建立，奈米碳管價格將可大為降低。

由於奈米碳球(Fullerene)與碳管(carbon nanotube)之材料與下游應用產品市場廣大，據Carbon Nanotechnologies Inc.估計將有 1,000億美元未來世界市場，因此日本運用美國專利授權與日本量產工程能力結合，共同發展奈米碳素與碳管量產技術，以期快速降低成本，切入應用市場。目前國外已經有許多團隊從事奈米碳素量產技術與製程發展。

奈米碳球具有下列特性，值得注意應用發展:
自由基捕捉特性、光吸收性、超導電性、低熱傳導度與氣體吸附性等。
奈米碳管最受矚目者為利用其低導通電場、高發射電流密度以及高穩定性的特性，可用作顯示器電子發射材料，因而將取代傳統CRT成為兼具低驅動電壓、高發光效率、無視角問題及省電的大尺寸、低成本之全新平面顯示器(CNT-FED)。

十一、結論與建議


台灣廣義化學工業之總產值約為新台幣1兆9,000億元，而金屬材料類產值約8,000億元，這些傳統與基礎產業均將第一波直接或間接受奈米科技衝擊而影響產值，因此廠商必須密切關注奈米新技術之發展，把握提升附加價值的新機會。台灣廠商對於技術商品化具有多年雄厚基礎，因此在奈米產業化科技發展分工上，研究機構應可加強上游奈米級原材料之開發，而鼓勵民間業者負責推廣應用;下游加工業者初期應可先引進奈米材料，然後發揮快速商品化之優勢，以求得商品化應用先機與應用專利，之後待市場規模擴大後再延續逆向整合發展國產化奈米材料。另外建議政府獎勵研
發措施加強鼓勵民間業者發展商品化技術，以尋找通路開發利基產品搶佔市場。至於現有化工與材料上游業者，應該積極探索現有產品奈米化後之高附加價值產品，進而延伸產品等級或轉型應用於新興產業。當然在發展過程中廠商預期將遭遇之儲運與工安問題亦需要未雨綢繆。
如同前述，台灣企業若能善用我們多年來所累積的製程開發能力，並結合歐美在奈米科技(尤其是材料)上的創新，定能在新一波產業革命中扮演關鍵地位。然而在此過程中市場與技術調查、評估，與預測將扮演關鍵的角色，無論是國內研發篩選優先題目、國外技術引進與國內技術轉移等，均需充分了解國內外相關產業、廠商、產品與市場資訊，然後擬定競爭策略利用有限資源選擇投入最適台灣發展之項目，而經資中心與ITIS也願意在此方向上與台灣作伙打拼。

工研院經資中心 產業分析師 黃文魁(2002/09/02)



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