淺談石墨烯

2月 21, 2022

文/郭立昌

1973年因錯用石墨配方

竟把絕緣板製成導電體

和成大學者緊急研究後

姚教授說這是重大發現

作出射頻轉換傳智晶片

才有今日防疫掃碼工具

二奈米的極限尚待突破

石墨烯的定義0.35奈米

台灣人毋需學膨風水蛙

目前應戴好口罩求平安

鉛筆的筆芯原料就是「石墨」(graphite)，石墨也是電池的電極(－)材料；所謂的「烯」(字尾ene)係六碳結構，像「蜂巢」的形狀。「石墨烯」的英文「graphene」是graphite與ene的組合字。「碳」是石墨烯的唯一成分，在我們的身邊隨手可得。

蜜蜂的六邊形蜂巢

以前，石墨如同銅鐵鋁鎳，是我應用的材料之一。最近，老是有人在我面前提起石墨烯，個人認為台灣人不必學外國的「膨風水蛙」；所以，今天就來「淺談石墨烯」；而且，應當先從我們應用「石墨」的成果談起。

1989年12月，我們在經濟日報和工商時報發布：「發展射頻轉換器---」找遍全台，找不到一家供應商；找遍美國和日本，根本雞同鴨講。後來，才在歐洲的一個小鎮，找到一家聽得懂的小企業—他們五代都是工程師。「射頻轉換器」是個「配偶組」(Coupler)，包含「傳智晶片卡」及其「讀取裝置」(簡稱TRD或Toller)，其中的「Dynamic Chip」(動力晶片，Power Chip)就是啟動的鑰匙—係以含有「石墨粉塵」之多片箔板積層壓合成薄如郵票的能量電池。立昌在台北的實驗室，透過傳真機，與歐洲小鎮的供應商合作，終於在新店的工廠把動力晶片製作出來，啟動了TRD。為了使卡片可以無限期使用，經過改良傳智晶片和TRD之後，非接觸傳智晶片卡不必安裝動力晶片也能「讀-擦-寫」。(傳智晶片卡即今之悠遊卡，TRD則裝在捷運閘口會『嗶』的裝置) 看著2020年新冠疫情爆發之後，大家無國界地使用我們的創作，也算是台灣對世界的貢獻。

原來的傳智晶片卡—內鍵動力晶片(PCM)

由於動力晶片便於攜帶，我們於1990年代舉辦一百餘場「科技與未來講座」、「前瞻產業育成講座」及「中小企業巡迴服務」，產官學研界都有人參加—有的學員後來還當過高官；從基隆講到屏東，從台灣講至上海，又從矽谷講到溫哥華，再從東京講到岡山，還從英國講到德國和法國等歐盟國家。每次告訴學員們：「科技即未來，這就是未來！」從名片夾中拿出「動力晶片」樣品，看見LED(發光二極體)接觸就亮了起來，大家無不驚呼：「哇，太神奇了。」

太神奇了

立昌在1993年到奧勒岡洽談購買一間木材廠，運用其「碳化」設備，從枯枝轉化木炭以取得「類石墨」物質—這是動力晶片的原料之一。可以非常確定的是，當年我到英國的大學對材料科技專家解釋時，不僅沒人聽得懂，還有人叫道：「Impossible!」(不可能) 如果不可能，怎麼能夠啟動「傳智晶片讀取裝置」(TRD)，演變至今，成為大陸人人需要的「非現金」(Cashless)交易讀取裝置呢？傳智卡則被冠以「西瓜卡、伊麗卡」等等名稱，廣用於世界各地。進而在疫情期間，成為防疫掃碼的工具。

愛迪生(Thomas A. Edison, 1847~1931)使用金屬「銅」做導體，加「電木」作絕緣體，組成燈座，使電燈廣泛地被運用於20世紀。1947年，貝爾實驗室的科學家發現介於金屬和絕緣體之間的「半導體」。立昌創業之初，曾經賴以維生的產品就是「燈座」；自1967年起，則大量地使用各種金屬和絕緣材料，組成電子零件，行銷全球。而且，曾經是塑膠「ABS」(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)台灣用量最多者，手中有「陶氏化學」(Dow)的承認書，用來幫助本土化工廠升級。漸漸地，自動化機器的要求越越來越高，所以開發「可程序控制器」，使用的積體電路(IC)就是半導體製品。

為了使電感相關的產品小型化，我們領先全世界其他的電線大廠，抽製出髮絲直徑一半0.035mm的微細導線。為什麼是「0.035mm」呢？因為機械加工有其極限，到了「0.034mm」就斷線了。0.035是「3.5 x 10^-5」，石墨烯的定義是「3.5x 10^-10」，所以距離相當遙遠。結論是，典型的機械加工是達不到的；必須發展「非典型加工法」才只能夠可能達到「micron」(μ, 1 x 10^-6)的精度，惟離「埃米」(angstrom, 1 x 10^-10m以下)還有大段的距離。

想起家父不斷地和我吵：「不要再做了----」那個以前提倡「工業掛帥」的人，卻因為「錢賺太多」而被嚇到允許發動新玄武門兵變；我只好到台北開班授徒，造福後進之餘，許多的時間在實驗室裡，開發了「電子針炙器」、「中空髮絲」、「會說話的芭比」和「利行機器人」等等產品，發現「傳統電池」是一大問題。也開發出「非典型加工法」，經過和歐洲的工程世家相互研究，終於有了「pico-tech」(1 x 10^-12m)的初步成果，才能夠做出「非接觸式傳智晶片」(TranSmart Chip)，今天大家才能夠「掃碼」掃得很自然。

由於往昔金屬加工和生產絕緣板時，每次遇到問題就往成大跑，和姚靜波和馬承九兩位老師在實驗室裡研究解決方案，使我懂得把實作和學理作結合；在那時認識「石墨」的用途，不僅在於鉛筆和電池而已，而是具有廣泛的應用範圍。即使我選用箔板製作精細的電池，卻仍然無法刪除石墨的位置。我在實驗室使用一種撞擊法，以「pico-tech」(微奈米技術)取得「石墨粉塵」；同時把白砂糖煮沸，與石墨粉塵塗佈於基板上，再加上特製的媒介物，經過積層壓合，就形成厚度僅0.15mm的動力晶片。除了可以用在「會說話的芭比」之中，就是置入於0.76mm厚的卡片之中，成為今日全球通用的「傳智晶片卡」。

木炭和鉛筆

從1983到1993年的十年間，在那個美國總統柯林頓(Bill Clinton)還沒釋出網際網路(Internet)民用的年代，全世界找得到名字的電池製造商，都曾經接過我開的「規格」及草圖。不過，最後還是姚馬兩位老師加上立昌自己的構想管用。看著配偶組啟動時，1986年發明TES系統的丁玲虹激動得掉下了眼淚。當我們回去台南外貿協會舉辦「中小企業巡迴服務」時，「動力晶片」的展示嚇到了擅長發明的父親，也嚇著了電池專家姚靜波教授，各國領袖—包括李前總統也是瞠目結舌。最可憐的是，當我在加州葉兒西崗多(El Segundo)向路得女士提議：「發展會說話的芭比---」她交辦下去，竟然沒有下文，毋怪乎從世界第一的寶座跌落下來，前景堪慮。

我們於2000年3月28日宣講的「非接觸式」(Contactless)科技—使用「1x 10^-12m」(微奈米)，內人丁玲虹在經濟部大禮堂宣告：「非接觸式的時代來臨了！」(丁玲虹，2001:171)因為，翌日各大報引述經濟部次長尹啟銘的話，開始廣為流傳。

丁玲虹在經濟部大禮堂宣告：「非接觸式的時代來臨了！」

我們早先(1999/5/24)在台北市政府提案的「容易使用的傳智卡」(丁玲虹，2001:86)則於2002年由馬英九市長親自代言，開始使用於北捷。後來便利商店也用了，逐漸形成新的交易習慣，實現了2020年代全球「非現金」交易系統，減緩新冠疫情蔓延的速度。這些都是當年的「石墨粉塵」組成動力晶片，所演變而得的成果。看來很多事都有神的旨意，未雨綢繆，有備無患。

丁玲虹1999年5月24日在台北市政府提案

2003年APEC時，澳洲政府邀請電商發明人「Linda Din」(丁玲虹)到泰國清邁和曼谷，提案「解決中小企業的需要」(Addressing the Needs of SMEs)。(丁玲虹，2004:22)當她在台上說明「Global Channel(全球通路)-TES」的運作，將創造龐大的商機，帶來大量的工作機會，幫助創業者「在家賺世界錢」(Working at home to earn world money)。我們建議把傳智晶片置入於行動通訊器，普獲認同。日本代表拿著手機作實況轉播，不久日本出現一個「NFC」論壇。會議現場有OECD、WTO及UN的代表。部長聯合聲明讚賞澳洲的貢獻，官方宣稱我們的「最佳實例」(the Best Practice)提案可以造福「2.4億人」。

丁玲虹擔任APEC 2003講師的清邁現場

然而，英國社會學家卡爾巴柏說：「開放社會必有其敵人！」他稱之為「年輕貴族」。自公元兩千年5月20日之後，年輕貴族即權錢掛勾。例如由傳智晶片卡衍生出來的「交通工具電子付費裝置」(簡稱ETC)，原本我們向蕭萬長院長承諾免費贈送TRD給行政院，應用於高速公路收費，期望政府不必有額外的支出，就能增加財政收入以利推行公共政策，也不會製造失業的問題，居然因為政黨輪替而完全走樣。進而演變至貪腐集團結合公器，胡作非為，造成動力晶片的進階研發延宕。不過，出席國際會議時，立昌仍是不厭其繁地向國際有人說：「動力晶片就是未來！」2004年，更在美國舉辦說明會，從加州矽谷、洛杉磯、達拉斯、芝加哥到紐約，再去東京，讓大家認識未來的科技就在一小片含有微奈米「石墨粉塵」的動力晶片之中。

丁玲虹向蕭萬長院長說明傳智晶片卡的用途

2004年，英國曼徹斯特大學46歲的蓋姆(Andre Geim, 1958~)和30歲的諾沃謝洛夫(Konstantin Novoselov, 1974~)，兩人拿著普通膠帶反複地黏貼，終於取得厚度僅一原子的「碳片」(Carbon Flake)—「原子的直徑一般在0.1~0.5奈米」，他們給這個碳片命名為「Graphene」(葛拉芬)—是graphite(石墨)與ene(烯)的組合字，因此中文稱之為「石墨烯」。檢閱文獻，如是說：石墨烯在化學界是一種完美的反常現象，屬於一種扁平的二維分子，其結構非常簡單，「碳六邊形」在整個結構中的編織，使原子薄的材料出乎意料地堅固。蓋姆和諾沃謝洛夫他們於2010年獲得「諾貝爾物理學獎」，從此聲名大噪。也引發全世界科學家研究的熱潮。

像前述的「非接觸式傳智晶片」，我們邊做邊爭取國際協定，後來爭取到「ISO 14443」和「ISO 15693」，與接觸式的「ISO 7816」晶片作區別。(丁玲虹，2001:172) 可惜，至今即使眾多的科學家投入大量的時間和經費，仍然找不著大量生產「石墨烯」的方法。即使經過我們的倡導之後，仍無任何國際的產業標準可循。

“石墨烯尚無產業標準”

當亨利福特(Henry Ford, 1863~1947)的汽油車自1904年開始暢銷之後，世界就進入污染型的社會—立昌定義之為「烴經濟」(碳氫化合物掛帥)。而乾淨清潔的經濟，立昌簡稱之為「醣經濟」(碳水化合物掛帥)。然而，尼克森總統在1971年頒布《禁麻令》之後，原本雙向發展的經濟—「醣烴並行」，變成「一烴獨霸」，污染地球的速度加劇。直到了1992年，聯合國發現空氣品質越來越差，於1995年在柏林舉行第一屆氣候高峰會(COP 1)，進而在1997年日本的峰會簽署《京都議定書》(Kyoto Protocol)。經過18年努力，發現空污越來越嚴重，於是在2015年簽署《巴黎協定》(Paris Agreement)，也在2017年成立「NGFS」(綠色金融體系網絡，Network of Green Financial System)期望經由金融投資的手段，達成「碳淨零排放」(NZE 2050)的目標。2021年第26屆高峰會(COP 26)確定「TES」(總能源供應，Total Energy Supply)增減的最高指導原則—消滅化石原料，提高環保原料的比重。

2009年，有兩國領袖邀請立昌到新加坡貢獻「重建全球經濟」之道時，立昌即重彈老調：「發展環保的動力晶片。」可惜，歐巴馬總統認為開發「頁岩油」(Shale Oil)比較能夠解決短期問題，八年任期結束，被指稱：「浪費了幾千億美元。」去年國際友人曾經問道：「全球定位衛星發現大陸偏遠地區種植大面積的不明植物！」那應該稱為「戰略植物」，而非不明植物。國際會議發言時，不是只有某國的代表聽到而已，還有其他國家的代表會聽見。看來中國很積極地準備「醣經濟」所需的原料，在未來科技的競賽中想必會令他國望塵莫及。

「重建全球經濟」是APEC 2009領袖會議主題

猶記在發展動力晶片之初，壽命測試之後，出現難以克服的「膨脹」問題。因為塗佈石墨粉塵時，需要粘劑使之附著於基板上，導致形成「水分」(H₂O)，久而久之就膨脹起來。在紐西蘭會議時，有人推薦蜜蜂產品，使我研究「麻努卡」(Manuka)植物，開發SCF萃取的產品居然引發熱潮，至今方興未艾。經過多年的實驗，發現這類植物具有多孔性，其空氣含氧抗滲透性遠高於化石原料；經過「合格環境」的特殊加工程序之後，改良「膨脹」問題，指日可期。

1990年代的蜜蜂保健產品引發熱潮

科學家宣稱，厚度僅一原子的「石墨烯」，具有高「疏水性」(Hydrophobic Property)，可改善「膨脹」問題。即便科學家指出，石墨烯有諸多的特殊性能，例如機械特性方面的高強度—謂有鋼的10倍，表面摩擦力會降低，高過濾性；化學特性的散熱及書傳導；電氣特性方面的低阻抗—導電性優於鍍金元件。謂當它作成「電晶體」時，電導率優於現有的矽電晶體；由於是優良的導體，可製造觸控式螢幕、光伏、颼拉電池等等產品。而將之與化工原料混和製成複合材料，具有易導電、耐熱及抗磨損等特性，其輕巧、強韌和可延展的性能預估可以用於太空衛星、飛機和汽車。惟KSI科學中心的研究，目前1平方公分的石墨烯，單價約3,900元，成本太高，根本無法商品化。

事實上，這幾年科學家從粗糙的「透明膠帶法」(Scotch Tape Method)，嘗試開發量產之諸多方法，例如「1.還原氧化石墨烯，簡稱RGO(Reduced Graphene Oxide)，透過硫酸或硝酸氧化石墨片法；2.化學氣相沉積 (CVD, Chemical Vapor Deposition)—透過甲烷氣體中的大量碳原子在銅表面形成石墨烯層的過程；3.大豆油法(Soybean Oil Method)；4. 增材製造法 (Additive Manufacturing, AM)；5. CNHS (碳-氮-氫-硫)分析的破壞性技術；6.化學剝落法(Chemical Exfoliation)；7. 有機玻璃轉化法 ----」等等，依然毫無進展—包括蓋姆和諾沃謝洛夫倆人皆束手無策。不過，坊間卻出現了許多號稱「石墨烯」的產品，也有東施效顰者拿燈泡在上面測試；其實，那些都僅是「碳片」(Carbon Flakes)添加產品而已，離平均值「0.35奈米」的石墨烯距離尚遠。

權威的《美國科學家雜誌》(American Scientist)指出，分離出這種「單原子厚的碳材料」(one-atom-thick carbon material)的小薄片可能很容易，但要進行商品化的大量生產卻令人驚訝地困難。如今，石墨烯的「產業標準」尚無法制訂，這意味著其前行的腳步，舉步惟艱。然而，市場上標示「石墨烯」的產品，實際上並非石墨烯。不過，它們可能的確是石墨薄片，只是厚度達幾百奈米，而非「0.1~0.5奈米」。當您對宣稱「石墨烯的產品」感興趣時，請您問那些生產者「產品厚度」，順便問他們是否有十萬倍以上的「電子顯微鏡」；因為全世界最頂尖的高等學府—包括MIT(麻省理工學院)都還找不著頭緒時，相信沒有平價的石墨烯產品可以推到市場。

立昌自1972年即涉獵「石墨」的工業用途，成功地使產品大量生產，其中的天線產品行銷全球140餘國，全球市占率高達85%。不過，1973年生產的「絕緣板」居然變成「導電體」，導致開關漏電，造成客戶的產品短路—幾乎毀掉公司好不容易建立起的形象。緊急和成功大學電機系姚靜波教授研究解決之道，他邀請馬承九老師參加，三人小組作了各種想得到的測試，最後發現「石墨添加量」錯誤。最後解決了問題，姚教授笑稱：「這是重大發現-----」

美國客戶在1975年來找我說：「要開發衛星接收器----」因為兵役的問題，我到了1979年元月才抵達紐約，驚訝地發現上百人的團隊居然做不出物件來，我只花了幾個月就把構想轉成實物。我在1982年到了路得女士的企業，驚訝地看著堆積如山的報廢品，像一小塊蛋糕那樣，我輕易地救活了她的芭比娃娃。美國人已經不像「愛迪生」時代，英國人更不像「瓦特」的時代，現在的實作能力早已不如他們的先人；不過，用嘴巴講，倒是蠻行的。如今，針對「石墨烯的迷思」，個人認為世界被狡猾的物理學家所綁架，人類根本不必執著於兩個毫無實作能力者的誤導，才得以跳脫思維的框限。

猶記有人問道於莊子，莊子回答：「道在稊稗。」(知北遊) 「稊稗」指的是「植物」，植物從大氣中吸收被動的太陽光和「二氧化碳」(CO₂)，大多數可以在貧瘠的土地自行生長。「石墨」的唯一成份「碳」無所不在於地球—這應當使我們重新思考周圍豐富的東西，研發新的設備來捕獲碳—當然這需要充份的知識和精密加工技術經驗，以及不可或缺的資金。樹木是光合作用產生的「碳匯」(carbon sinks)，每年會產生大量的廢物，它們可能可以轉化於製造「類石墨烯」，運用於「動力晶片」的進階發展，使得節能減碳成真，創造超強、超薄和超多功能的產品，進而改善未來的世界。