海嘯專輯

目錄ContentsNARL Quarterly 6th Issue

目錄

01 院長的話

02 專利上架 光學漸變層之製作與光學微影應用

–范萬達

高樓防震控制系統

–李建良王彥博鍾立來

海嘯與因應對策

封面故事

2004年12月26日發生的南亞大海嘯，造成環印度洋地區嚴重災情與傷亡，圖為福衛2號2004年12月28日所拍攝印尼班達亞齊省沿岸被沖刷之災情，福衛2號為全世界第1枚拍攝到該災區的遙測衛星。

09 專題企劃 海嘯專輯 台灣地區海嘯因應對策之建議

–施邦築、李維森、吳子修 台灣模擬海嘯能力之介紹 –黃煌煇

南亞海嘯後談台灣對海嘯的研究、

模擬與預警 –劉家瑄、許明光

南亞大地震福衛二號國際

救災支援 –汪子正

24 尖端科技 矽鍺的奈米結構：量子點、奈米線與

多孔薄膜

–謝健

化減記憶體之技術應用與提昇後段驗

證系統(PVS)之淬取速度 –林俊賓

34 科技交流 TWAREN光網路與世界接軌 –游孟容

實驗動物微生物監測概述

–張毓秀、黃彥智、許捷甯、譚德昌、

吳憲青、卓宜興、廖秀鈴、林岳晟、

梁鍾鼎

氮化鎵(GaN)白光二極體專利技術

分析

–賴志遠、鄭凱安

「植被及國土變遷觀測儀」VCDi之

波段對準

–蔡和霖

非線性結構分析平台之研發

–林柏州、楊元森、許芳瑋

基因晶片簡介與分析及

應用軟體介紹(上)

–葉昌偉、謝昌煥

66 人物專訪

掌握趨勢提升競爭力

專訪儀器科技研究中心陳建人主任

–吳佳穎

盡心盡力出類拔萃

創造豐富璀璨的人生

專訪科技政策研究與資訊中心蔡嘉寅主任

–許嘉惠

68 科技小百科

掩星現象(Radio Occultation)淺說

–劉代瑜

奈米碳管–Carbon Nanotubes

–丁志華

71 活動報導

國網中心南部事業群新建大樓落成

網路維運中心TWAREN心臟啟動

–陳之言

花蓮縣新城國中校舍耐震能力現地試驗

–邱聰智、黃世建、鍾立來、簡文郁、葉勇凱

76 各實驗室動態

國家實驗研究院

國家奈米元件實驗室

國家實驗動物中心

國家地震工程研究中心

國家太空中心

國家高速網路與計算中心

國家晶片系統設計中心

儀器科技研究中心

科技政策研究與資訊中心

國家災害防救科技中心

光陰荏苒，國研院成立迄今已近兩年，今年元月

儀器科技研究中心 (原精密儀器發展中心) 及科技政

策研究與資訊中心 (原科學技術資料中心) 正式加入

國研院的行列。國研院已由原有六個國家實驗室增加

到八個，同時加上由本院代為執行經費之國家災害防

救科技中心，國研院肩負國家科技發展之責任亦益形

加重。在此，謹對全院同仁過去的努力表達衷心的謝

意。此外，亦利用此一機會，分享個人對國研院成立

兩年來的感想及對未來的期許。

不可諱言，國研院成立兩年來最大的挑戰乃在於

管理與制度面的整合。由於本院所屬各實驗室皆成立

有年，無論在任務、工作、文化、組織運作等方面皆

有差異。因此，兩年來我們花了很多時間與精力，在異中求同凝聚共識，以期建置一套適合本

院運作的規章管理制度。經過兩年的磨合期，雖有一定成果，但仍有許多努力的空間。尤其本

院各單位乃由公務系統改制為財團法人型態運作，如何認同新的組織文化與改變工作心態，皆

是我們未來必須努力面對的挑戰。

自從接掌國研院以來，個人最常被問到的問題即是：國研院在國家科技體系中的功能定位

為何？尤其在財團法人化後，本院任務功能勢必受到各界更高的期待。因此，為配合國家整體

科技發展需求，各實驗室皆應檢討組織與任務發展方向，以符合國家需求與順應世界潮流，揚

棄過時的思考模式，取得最有利的戰鬥位置，才不會被淘汰。例如：近期奈米實驗室將核心實

驗室由“單一半導體製程”轉型為“前瞻奈米元件製造及試驗（仍含半導體製程）”實驗室，並選

定四大重點奈米科技研究領域（奈米電子、奈米光電、奈米生物及奈米材料），國網中心將重

點推動計算科學，並增加高速計算能量，皆是因應時勢落實任務調整之具體做法。

至於全院任務之整合規劃，初步將選定（1）「環境與災防」及（2）「前瞻科技」作為

本院重點研究之兩大主軸。未來將整合本院單位之資源與結合相關院外能量，發展本院最具特

色與優勢的研發能量。

最後，國研院是屬於大家共有的園地，感謝全院同仁對國研院的付出與支持，更欣見「國

研科技」深耕科技推廣的努力，願大家共勉之。

院長

院長的話

發展國研院最具優勢的研發能量

02

專利上架Patent Showcase

NARL’s Research and Development Achievements

超大型積體電路的製程線寬已朝向70奈米

以下微縮，如此高積集度的元件使得資料處理更

為複雜快速，其中微影(Lithography)技術就決定

了製程線寬。在各種微影技術中，目前以光學微

影為主流，如ArF (波長為193 nm)深紫外光微影

(Deep Ultra Violet，DUV)應用較為廣泛，此外

F2真空紫外光(Vacuum Ultra Violet，VUV)微影

(波長為157 nm)，並同時搭配高數值孔徑(high-

Numerical Aperture，High-NA)與離軸照明(Off

Axis Illumination，OAI)技術，目前正在處於研發

階段。

然而，在微影曝光時，入射光在光阻與底材

介面之間造成高反射光，形成入射光與反射光在

光阻內有干涉現象(Interference)，因此會造成光

阻在側壁輪廓具有駐波效應(Swing Effect)。為了

避免此現象，因而研發一種底部抗反射層(Bottom

Anti-Reflective Coating)結構，此薄膜位於光阻

與底材之間。根據理想的底部抗反射層(BARC)

設計理念，其光學薄膜應為多層(Multi-Layer)結

構，如圖1所示。此結構採用消光係數(Extinction

Coefficient)由表層向內部成階梯式漸增，如此

能使入射光逐漸被吸收，而反射光也因為折射率

(Refractive Index)的匹配而大幅降低，如此能夠

增大製程的容忍度。然而，一般的光學抗反射薄

文/圖:范萬達國家奈米元件實驗室

光學漸變層之製作與光學微影應用

膜只考慮均勻薄膜，因此需設計適當的厚度與光

學特性，在半導體製程中要製作多層薄膜，只會

造成製程複雜性，所以本發明提出ㄧ製程簡單與

高容忍度的光學漸變抗反射技術。

本發明利用氮化矽(Silicon Nitride)或氮氧

化矽(Silicon Oxynitride)等無機材料，利用電漿

輔助化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical

Vapor Deposition，PECVD)方式製作一均勻

(Homogeneous)的半吸收式(Semi-absorption)底

部抗反射層。如圖2(a)為氮化矽針對不同波長設

計一低反射率(Reflectance)的單層薄膜。為了製

作一光學漸變薄膜，本發明針對沉積好的無機薄

膜，施以氧氣(O2)或一氧化二氮(N2O)的電漿表面

處理。如圖2(b)所示，可以看出經過電漿處理後

薄膜，在微影波長193與157 nm處，其反射率將

會同時大幅降低，由此現象可以發現電漿處理，

將可能應用於光學微影中。

接著觀察常見的反射率駐波圖，圖3顯示的

反射率為塗佈上不同厚度光阻時，因為破壞性

或建設性干涉，所以造成反射率的降低或增加，

實驗中我們以低介電常數(low-dielectric)材料

HSQ(Hydrogen Silsesquioxane)來做為光阻，在

此我們希望反射率的擺幅越小表示為具有較佳的

國研院改制財團法人後，研發成果之推廣亦益形重要，本專欄將定期報導本院最新研發成果資訊與內容，

以期建構本院與國內各界技術媒合平台，落實本院研發成果之應用及商品化。

對本專欄之專利技術有興趣者，請連絡國研院業務推廣室–蔡智華小姐 chtsai@narl.org.tw

03

抗反射特性。如圖3(a)所示在光波長為193nm

處，電漿處理後氮化矽的駐波明顯比未加上抗

反射層的駐波小很多；將相同的試片以光波長

157nm去觀測反射率，如圖3(b)所示，也呈現

相似的結果，因此我們發現：電漿處理後的氮

化矽，具有寬頻域的低反射率。

為了進一步分析材料變化，本研究

使用X光電子能譜儀(X-ray Photoelectron

Spectroscopy，XPS)分析材料，確認經過電

漿處理後，其薄膜表面大部分氧化成為二氧化

矽(SiO2)，薄膜內部幾乎為氮化矽(SiNx)，如圖

4所示。此外利用二次離子質譜儀(Secondary

Ions Mass Spectrometer，SIMS)分析材料的漸

變深度約為100Å，如圖5所示。結合以上材料

分析結果並搭配等效介質(Effective Medium)理

論分析光學薄膜，可以確認其折射率為逐漸改

變的光學薄膜。如圖六所示，此漸變光學薄膜

比起單層的反射率製程容忍度較大。本發明利

用簡易電漿處理方式製作漸變光學薄膜，光學

微影僅為其中的實施例，未來可利用相似方法

應用於相關的光電技術領域中。

圖1 多層底部抗反射層示意圖

(b)

(a)

圖2 不同厚度氮化矽之反射率光譜圖(a)氧氣電漿處理前 (b)氧氣電漿處理後

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04

圖4 氮化矽經氧電漿處理前後的濃度分析

(b)

圖3 在波長(a)193nm與 (b)157nm的反射率駐波圖

圖6 單層與多層BARC的厚度容忍度分析

圖5 氮化矽經氧電漿處理前後的深度分析

(a)

05

高樓防震控制系統文/圖：李建良、王彥博國立交通大學

鍾立來國家地震工程研究中心

由於台灣位於環太平洋地震帶上，地球板

塊活動極為活躍，使得台灣每年幾乎都會面臨

數起有感地震的威脅。民國88年921集集大地

震的重創 (芮氏地震規模7.3)，突顯了台灣建築

結構耐震能力嚴重不足的普遍現象，特別是高

樓結構倒塌的問題至今仍令人心有餘悸。事隔

一個月 (88年10月22日)，嘉義地區再發生芮氏

地震規模6.4的地震，雪上加霜，又增加許多災

情。94年3月6日宜蘭則再度發生規模5.9的地

震，劇烈而持久的地表振動，使得宜蘭地區的

民眾紛紛從睡夢中驚醒，並前往安全的地方避

難。雖然此次地震並無重大災情發生，但也重

新喚醒民眾對於地震的關注。此外，近年來國

內亦相繼出現超高層建築(如台北新地標101大

樓及高雄東帝士85層大樓等)，這些高樓建築物

有別於傳統的鋼筋混凝土結構，具有質量輕、

強度高、構件斷面小、高寬比大且自然振動頻

率及阻尼(damping，一種消散振動能量的機制)

較低等特性，故對風力擾動十分敏感。基於安

全性與使用者的舒適性考量，風力設計往往是

決定結構設計尺寸的重要因素。如何降低風力

所引起的結構變位、加速度以改善其舒適性，

同樣是土木結構工程領域之重要課題。

本創作「高樓防震控制系統」係一種兼具

抗風與耐震功能之結構防震系統(圖1)，其設計

概念係應用結構控制原理，以主動質塊制動系

統(active mass driver system)為基礎，利用致

動器(actuator)驅動質塊以反制結構之振動，

並結合機械滑輪裝置放大質塊的衝程，而達到

控制增效的實用性目的。由於高樓結構十分龐

大，主動控制系統必須在控制力夠大時才能達到

有效的控制，同時控制系統也需足夠的能量供應

才能運作。惟大地震時往往發生電力中斷，使得

結構防震控制系統形同虛設。因此，唯有當電力

需求可由大樓備用之發電機完全提供時，結構防

震控制系統才能被普遍接受。本創作累積許多防

震技術之研發經驗，而能針對現存結構防震控制

技術控制力不足以及能量需求過高等缺點，發展

出高樓結構防震控制系統。

一般而言，要降低結構動力反應的方法不

外乎增加結構的阻尼及改變結構的自然頻率，

此即結構控制的主要目標。彈簧式(spring-type)

調諧質塊阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)為

現今最常應用於結構抗風、減震的控制系統，

如圖2所示。TMD是一種具有質塊(mass)、彈簧

(spring)及阻尼(damping)的振動系統，通常被安

裝於結構的頂樓，以降低空間使用上的干擾。

當結構振動時，TMD亦隨之滑動而與結構產生

互制，此時結構部分的能量將轉移到TMD上，

使得TMD的振動反應放大，結構的振動反應減

小，藉由此能量轉換的過程達到減振的目的。

國研科技 專利

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圖1 高樓防震控制系統模型照片

06

TMD本身的振動能量則透過阻尼系統加以吸收。

若適當調節彈簧的勁度(勁度大，TMD振動快；勁

度小，TMD振動慢)，使得TMD的自然振動頻率與

結構本身的自然振動頻率十分接近時，結構將可

移轉最多的振動能量至TMD系統，此時TMD的消

能減振效果最為顯著，諧調質塊阻尼器之名便由

此而來，就如同收聽廣播節目時須將收音機的收

音頻率調成跟廣播電台的發音頻率一樣，如此收

聽到的音質才會清晰且響亮。

此外，單擺式(pendulum-type)諧調質塊阻尼

器亦為常見的控制系統，如圖3所示，台北101大

樓即採用此系統進行結構抗風，以降低結構的加

速度反應，提高居住的舒適度。單擺式TMD與彈

簧式TMD的運作原理相同，差別僅在於調頻的機

構以單擺取代彈簧，單擺的擺長越長，質塊擺動

慢；單擺的擺長越短，質塊擺動快。由於台北101

大樓結構相當細長，結構來回振動一次的時間(即

周期)長達7秒，因此單擺的擺長亦需較長，該質

塊遂利用鋼索由92層垂吊至88層，約佔用掉四層

樓部分的使用空間。

由於TMD系統係利用共振原理將質塊的衝程

(stroke)放大，若結構遭遇大地震時，質塊或致

動器的運動將超出其可運作的行程，基於安全的

理由，當質塊的行程超過限制時，機構會將質塊

鎖住，如此將降低TMD的減震效果(1995年日本

阪神地震即有多起類似的情況發生)。另外，單擺

式TMD系統若應用於超高層建築，其振動周期相

當長，為了調整質塊的周期與結構的周期一致，

單擺的擺長亦須加長，實用上將浪費許多樓層

的空間。本創作之「高樓防震控制系統」保留彈

簧式質塊阻尼節省空間之優點，改善其應用時之

缺點，質塊並未設計成與結構的頻率產生共振，

而是結合機械滑輪裝置將質塊的衝程放大，如此

可降低致動器的行程需求，即使質塊的振動反應

較大，致動器仍可於行程範圍內正常運作，維持

良好的減震效果，保障結構的安全性及功能完整

性。

圖2 彈簧式調諧質塊阻尼器

圖3 單擺式調諧質塊阻尼器 圖4高樓防震控制系統之機構及圖號說明

( 1 )鋼板質塊 ( 2 )致動器

( 3 )致動器反力支承座 ( 4 )動滑輪

( 5 )鋼索 ( 6 )質塊滑動鋼軌

( 7 )可動鋼樑 ( 8 )伸縮套管

( 9 )滾輪 (10)定滑輪固定座

(11)定滑輪 (12)鎖定孔位

(13)底板

07

NARL Quarterly國研科技 專利

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本高樓防震控制系統之機構及各部元件如圖

4所示，將油壓致動器(2)連結於反力支承座(3)

及可動鋼梁(7)間，其功能在於將油壓動力轉化

成機械動力以驅動鋼板質塊(1)，再藉由反力支

承座(3)將其推力作用於結構上，進而達到結構

振動控制的目的。可動鋼梁(7)前端兩側有一對

平行於致動器之伸縮套管(8)，用以支承其重量

並引導其運動。質塊制動系統中，質塊重量對於

控制力需求及控制效果有關鍵性的影響，質塊太

輕則控制效果有限，質塊太重又不切實際，因此

吾人設計一些厚度不等之鋼板質塊(1)作為提供

重量的來源，可依不同的重量需求作任意組合，

故相當具有調整質塊總重之彈性。鋼板質塊(1)

之重量藉由四個滾輪(9)傳遞至質塊滑動鋼軌(6)

上，透過可動鋼梁(7)及滑輪裝置帶動滾輪(9)於

質塊滑動鋼軌(6)上滑移。

機械滑輪裝置則由二十個滑輪所組成，其中

十二個為定滑輪(11)，八個為動滑輪(4)。定滑輪

(11)係固定於定滑輪固定座(10)上，定滑輪固定

座(10)係焊接於底板上；動滑輪(4)則固接於可動

鋼梁(7)上。滑輪間以預力鋼索(5)繞合而成一滑

輪組，依其繞徑方式的不同，如圖5(a)、圖5(b)

及圖5(c)所示，可將鋼板質塊(1)的衝程分別放大

為致動器(2)衝程之 =1、=2及=4倍(或更大之倍

數)，其運動機制則如圖6所示，致動器(2)的衝程

僅需為質塊衝程的1/倍，可降低致動器行程的需

求。滑輪裝置除可調整鋼板質塊(1)衝程與致動

器(2)衝程之比值(:1)外，相對地亦調整鋼板質塊

(1)受力與致動器(2)出力之比值(1:)，可降低控制

力的需求，增加系統的穩定性，達到控制功能增

效的目的。

本創作系統實際應用時係根據每一時刻感測

器(sensor，速度規或加速規)所回饋的結構振動

反應訊號，利用電腦計算最佳控制力，最後再透

過控制器(controller)命令致動器施加控制力於結

構上(圖7)，因此，本創作系統具有可調性與智

慧性，根據每一時刻結構的振動反應特性，即時

提供結構最有效率的控制力，以提升結構的控制

效能。

圖5(a) 放大倍率為一之繞徑方式

圖5(b) 放大倍率為二之繞徑方式

圖6 高樓防震控制系統之運動機制

圖5(c) 放大倍率為四之繞徑方式

08

綜上所述，本創作之高樓防震控制系統，其

運動機制之原理甚為簡單，製作亦不困難。當地

震來襲時，經由致動器驅動滑輪裝置將質塊衝程

予以放大，藉以有效壓制結構之振動，進而大幅

降低結構所受之地震力，提升結構的防震能力。

本創作之高樓防震控制系統經由滑輪不但可輕

易地放大質塊衝程，同時由於致動器本身之衝程

降低，故其所耗能量亦相對地減少，實用性相當

高。此外，結構可配置雙向或多重高樓防震控制

系統於樓板上，以達到吸收建物各個方向振動能

量之功效。本創作因其創新、實用及大幅提升傳

統質塊制動系統的抗震效能，已取得中華民國新

型專利，專利編號185046。

圖7 高樓防震控制系統之運作流程

09

前言2004年12月26日發生了因強烈地震引起的南亞地區大海嘯，除了造成巨大的傷亡外，更撼動了全世界。

位處於環太平洋地震帶的台灣，讓人擔心是否類似的大海嘯也會發生？由於台灣尚無一套海嘯預警偵測系統，

一般民眾也未有海嘯防災的經驗與教育。因此，「國研科技」特邀相關專長撰稿相關海嘯專題：包括海嘯的成

因與因應對策、如何建置海嘯預警系統、我國模擬海嘯能力及福衛二號即時投入救災等議題，作一通識性的介

紹，以分享讀者。

專題企劃Special Report

海嘯專輯

2004年12月26日規模9.0的南亞地震並引發

大海嘯，造成環印度洋地區嚴重災情與傷亡，罹

難人數超過二十萬人。世界各國為援助受災地區

與人民，開展史無前例的救援與復建工作。國人

在驚愕與震撼之餘，開始紛紛關注海嘯成因、台

灣地區海嘯災害潛勢及海嘯預警防範機制。台灣

位於環太平洋地震帶上，地震發生非常頻繁，在

歷史記載中，台灣也曾發生過災害性海嘯，然而

國內海嘯研究起步較晚，國內應儘速研擬海嘯災

害防救因應方案，國家災害防救科技中心針對國

內因應海嘯的對策與機制提出建言。

海嘯成因與特性 海嘯為海床受到斷層錯動、海底火山爆發、

海底或海岸大規模山崩、冰山崩解落海及隕石衝

擊等，所引起的海水體劇烈波動。多數的海嘯都

是因海底地震所產生，地震波本身並不會引發

海嘯，而是由於海床變形，而造成海水的傳播現

象。但並非所有的海底地震都能引發海嘯，海嘯

的形成與地震規模、震源深度及震源特性有關。

海嘯的波長為數公里至數十公里，在深海中

文:施邦築、李維森、吳子修國家災害防救科技中心

台灣地區海嘯因應對策之建議

的海嘯能量不易消散，所以海嘯波動可以傳播至

遠處。海嘯的波傳速度因海水深淺而有不同，海

水愈深海嘯速度愈快，海水愈淺則愈緩，因此長

波到達海岸淺海時，因速度減緩，波長被壓縮，

海浪的高度迅速被累積。

1.在深海中時，海嘯速度約為噴射機速度（水深

5000公尺，時速800公里）；

2.接近陸地時，海嘯速度仍可維持日本新幹線的

速度（水深500公尺，時速為250公里）；

3.接近海岸時，海嘯速度則大約等於短跑選手之

速度(水深10公尺，時速36公里)。

此外，海嘯接近海岸時波高則依海岸線形

狀、海底地形與來襲方向有所差異，一般深V字

型海灣內容易形成能量集中現象，然而海灣與內

海可能與海嘯共震而造海嘯波高放大的效應。

台灣歷史海嘯災害 台灣位於環太平洋地震帶，雖然本世紀發生

不少規模6以上的地震，大部分均未造成海嘯，

10

即使有海嘯形成，波高也很小。因台灣附近之海

底地震多發生在東部海域，而台灣東部海底地形

急速陡降，不利海嘯能量堆積，因此造成災害較

小。環太平洋區在近幾十年間，發生過幾次的大

海嘯，如1960年智利海嘯以及1964年阿拉斯加海

嘯，對環太平洋國家皆帶來不小的災害，然而對

台灣沒有造成影響。根據歷史上文獻記載自西元

1661年起，台灣地區曾發生數次疑似海嘯紀錄，

分別摘要整理如下：

1.西元1661年－德人海卜脫（Herport）著旅行記

稱：「1661年1月某日晨六時開始地震，約歷三

十分，居民均以為地將裂開。安平房屋倒塌二

十三棟，海地（今安平）城破裂多處。大震之

後仍不斷有輕微地震，使人如置身舟中，約三

小時，無一人能站穩。其時適有三傳船入港，

在水中亦激烈震動，一若即將覆沒者。此次地

震中，有一事最可驚奇，即海水曾被捲入空中

，其狀如雲。此次地震，無論海中，在陸上，

人身均能感覺，共歷六星期。」

2.西元1721年－王必昌，重修台灣縣志「雜誌 祥

異」：「十二月庚子（1721年1月5日），又

震，凡震十餘日，日震數次，房屋傾倒，壓死

居民。」 。明清史料戊編載朱一貴供詞有

云：「因地震，海水冷漲，眾百姓合夥謝神唱

戲。」。由上述的「因地震，海水冷漲」看

來，海水上漲可能與地震有關，有地震海嘯的

可能。

3.西元1781年－台灣采訪冊「祥異地震」：

「鳳港西里有如藤港（今屏東佳冬附近），

……乾隆四十六（1781）年四、五月間，時

甚晴霽，忽海水暴吼如雷，巨湧排空，水漲數

十丈，近村人居被淹，皆攀援而上至尾，自分

必死，不數刻，水暴退，人在竹上搖曳呼救，

有強力者一躍至地，兼救他人，互相引援而

下。間有牧地甚廣及附近田園溝壑，悉是魚

蝦，撥刺跳躍，十里內村民提籃挈筒，

往 爭 取 焉 。 …… 漁 者 乘 筏 從 竹 上 過 ，

遠 望 其 家 已 成 巨 浸 ， 至 水 汐 時 ， 茅 屋

數椽，已無有矣。此次海嘯，並無地震

報導，故有可能是由遠地地震所引起。

4.西元1792年－台灣采訪冊「祥異 地震」：「壬

子（1792年），將赴鄉闈，時六月望，泊舟鹿

耳門，船常搖蕩，不為異也。忽無風，水湧起

數丈。舟人日：『地震甚。』又在大洋中亦

然，茫茫黑海，搖搖巨舟，亦知地震 ，洵可異

也。」

5.西元1866年－阿瓦力茲（Alvarez）著「福爾摩

薩（Formosa）」一書中云：「1866年12月16

日晨8時20分，發生地震，約歷一分鐘，樹林、

房舍及港中船隻，無不震動；河水陡落三尺，

忽又上升，似將發生水災。」

6.西元1867年－台灣北部地震，是日有十五次連

續地震。基隆地區海嘯，歷史文獻記載：「同

治六年冬十一月，地大震，23日（1867/12/18

），雞籠頭，金包里沿海，山傾地裂海水暴

漲，屋宇傾壞，溺數百人。」基隆（雞籠頭，

金包里）沿海山傾，地裂，全島震動，基隆全

市房屋倒壞，死者數百人，基隆港海水向外海

流出，港內海底露出，瞬間巨浪捲進，船隻被

沖上市內，釀成重大災害，處處發生地裂，山

腹大龜裂，噴湧泉水，淡水也有地裂，海嘯，

數百人被淹死，房屋部分倒壞。

其後百餘年，自驗潮技術日益精進，水位觀

測實際運作以來，卻未曾再有過破壞性海嘯之紀

錄。

台灣地區沿海可能受海嘯影響之區域 台灣東北海域由於沖繩海槽不斷的擴張，伴

隨許多斷層活動及海底火山，屬於地震活動頻繁

與火山作用區域。此外，台灣東北方的琉球群島

及日本海域均為地震頻繁地區，這些海域地震活

動所亦將有可能引發的海嘯。台灣西南部與南部

海域雖然較少活動斷層，引發海嘯的機率甚低。

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專題

企劃

11

但是位於南方的菲律賓島有許多活動斷層延伸至

海域，大規模斷層活動亦可能引發海嘯。台灣地

區海嘯警報發布由交通部中央氣象局所負責，為

了防範海嘯的侵襲，氣象局除了密切監測台灣鄰

近海域的地震活動外，並與美國夏威夷的太平洋

海嘯中心連線，若有收到海嘯警報，並透過傳播

沒發布海嘯報告。從海嘯成因與特性中，得知海

嘯傳播深受近海海底地形、沿岸地形等因素所影

響，海嘯災害往往隨著不同區域有不同的災損程

度。氣象局配合行政院災害防救委員會2005年1月

4日「海嘯災害防救因應方案」，目前依海嘯發生

機率，到達時間及波浪高度推估分析，研提沿海

地區海嘯危險性之分級，見表1。

海嘯災害防救因應對策之方向 海嘯災害防救因應對策之實質工作，包括：

平時減災與整備措施、災前預警機制、災時搶救

及災後復建措施等，相關重要事項分述於後。

1.平時減災與整備措施

(1)整建台灣附近海岸地形資料，加強海嘯形成

與傳播相關研究，掌握可能發生海嘯災害地

區。

(2)對於可能發生海嘯災害地區，妥善管理土地

利用開發情形。進行既有建築耐災補強方法

研究，並研擬配套措施，逐步予以強化。

表 1台澎金馬沿海地區海嘯危險性分級表 (中央氣象局 2005-1-11)

區級 縣市 說明

I 台北縣、基隆市 資料顯示有海嘯災害者

II 台中縣、彰化縣、雲林縣、嘉義縣、台南縣市、 資料顯示可能有海嘯紀錄或疑似海嘯

高雄縣、高雄市（含東沙、南沙）、屏東縣、 紀錄，但無海嘯災害者。

台東縣、花蓮縣、宜蘭縣、澎湖縣

III 桃園縣、新竹縣、新竹市、苗栗縣、金門縣、 資料顯示並無海嘯紀錄，

連江縣 但可能受影響者。

附註：台北市、台中市、嘉義市、南投縣未臨海，無海嘯威脅。

(3)規劃避難路線與收容場所，輔以顯著指標，

加強教育宣導與演練。

(4)檢討訂定災害防救基本計畫、災害防救業務

計畫，以及地區災害防救計畫中有關海嘯災

害防救工作事項，妥善考慮相關措施並落實

執行。

2.災前預警機制

(1)加強與美國夏太平洋海嘯警報中心、日本氣

象廳等單位合作，建立遠洋海嘯預警資訊傳

送機制。

(2)預先模擬建置可能產生海嘯與致災情形資料

庫，整合海嘯監測系統，建立台灣近海之海

嘯預警系統。

(3)中央氣象局依據地震規模與綜合判斷後，發

佈海嘯預警通報。

(4)結合前述海嘯監測與預警系統、大眾傳播系

統、區域性警報系統，建立有效之海嘯警

報系統，使可能致災地區民眾能夠及早獲

知警訊，採取必要之避難措施。

3.災時搶救措施

(1)緊急救援與醫療體系：評估可能致災範圍

與規模，詳予檢視緊急救援與醫療體系是

否足以因應。並考慮結合鄰近地區與國軍

之搶救作業能量，事先擬訂應變計畫。

(2)救災資源配置與調度：詳予檢視相關機具、

設備、水電油糧等救災資源是否足敷用。

並考慮結合鄰近地區資源事先規劃配置，

12

擬訂應變計畫，以便於發生海嘯災時，能

夠有效調度因應。

4.災後復建措施

萬一發生海嘯災害後，應有效率的進行善後

處理與地區復建工作，使受災地區民眾儘快恢復

生活機能，防止二次災害發生。應考慮下列重要

事項，事先規劃建立相關作業機制：

(1)災區劃定與秩序維持

(2)遺體處理與家屬慰助

(3)災情調查與緊急處理

(4)環境清理與消毒

(5)緊急供應民生必須物資供應

(6)受災民眾短期收容與長期安置

(7)受災民眾心理與生活復建

(8)恢復維生管線與公共設施機能

(9)社區與產業重

短期因應對策建議－

沿海地區海嘯潛勢較高地區之應變措施 針對中央氣象局研提沿海地區海嘯危險性之

分級表中，屬於第一級的台北縣、基隆市因曾有

海嘯紀錄發生，建議針對上述縣市沿海地區就下

列事項進行海嘯災害減災預防工作：

1.沿海居民：

(1)依中央氣象局之海嘯危險性之分級劃設高海

嘯潛勢區域，並公告現地居民周知。

(2)就當地居民建立保全清冊，特別針對防災弱

勢族群如行動不便、高齡人口，以作為緊急

疏散撤離作業之清查依據。

(3)調查進行避難疏散路線與相關作業程序的規

劃，並樹立逃生路線指標。規劃調查時將地

區特性包括，距海岸線距離、地形特性、人

口特性、土地使用特性、對外道路等，納入

考慮特性。

(4)緊急通報系統應利用各式通訊設備與各種媒

體管道，以建立複式且有效的通報系統。以

日本海嘯發佈為例，從地震發生之後至預報

中心發布海嘯預報的判定結果為止，最快也

需10分鐘的時間，透過NHK與其他媒體的報

導等至傳達訊息給居民，需要15分鐘或更長

的時間。

(5)實際進行災害預防演練，估計所需時間，以

評估作業程序的實用性。

2.沿海中小學校：

(1)高潛勢地區中小學應修訂或制定有關疏散應

變作業，並就相關動線與動員分組進行演

練。

(2)建立緊急通報系統。

3.沿海休憩區：

(1)考量外來人口缺乏對地形地貌的了解，應規

劃廣播警告系統與樹立逃生路線指標。

(2)對於外籍人士也應考量外語警示通知的需

求。

4.沿海地區鐵公路：

(1)高潛勢地區避難疏散路線與標示，特別針對

高程載交通工具如火車，於疏散作業所需的

人員訓練、作業空間與動線等事項進行規

劃。

(2)現有鐵公橋梁與附屬設施耐災能力的基本調

查。

(3)緊急通告系統的建立。

(4)對於公路上運輸槽車的避難位置應事先規

劃，以減少二次災害

5.沿海公私構造物：

(1)海堤、港灣、水門設施之耐海嘯能力之基本

評估。

(2)現有建築物耐災性的基本評估。

6.東北角地區發電廠：

(1)對核能發電廠及火力發電廠應檢視現有預防

及應變措施。

(2)對通往發電廠之道路與附屬設施耐災能力的

基本調查。

7.地方政府因應作為：

(1)修訂地區災害防救計畫，增訂海嘯災害防救

國研科技NARL Quarterly

專題

企劃

13

對策及有關標準作業程序。

(2)訂定對於海邊遊客之海嘯警報傳遞作業規

定。

(3)訂定對於海嘯潛勢區內民眾及車輛之海嘯

警報傳遞作業規定。

(4)調查轄內可作為安全避難處所之建築物，協

調提供使用，並設置有關標示。

(5)辦海嘯警報通報、疏散避難線、標示、避

難場所及收容場所之規劃整備並辦理避難

演習。

(6)加強海嘯災害及避難之教育宣導。

(7)建全地方政府區域聯防之機制，厚植災害應

變支援。

長期因應對策建議－規劃辦理海嘯影響範

圍及其淹水潛勢區域分析 國家災害防救科技中心配合海嘯災害防救因

應方案，著手進行規劃辦理海嘯影響範圍及其淹

水潛勢區域分析，主要規劃項目有：

1.研提海嘯災害淹水潛勢圖製定計畫。

2.研提海嘯影響區域內的災損推估計畫（其中含推

估需避難人數等）。

並希望藉由這些計畫的實施，能夠降低台

灣地區海嘯災害所帶來的人民生命財產的損失。

進行災害損失評估之目的，希望提供正確的分析

結果，以研擬適當的防救災對策。然而災害損失

評估結果是否合理，完全仰賴相關資料庫是否正

確、完整。防救災人力與資源有限，應依地區災

害危險性高低，排定先後順序，再依序進行災損

評估，以避免人力、資源使用不當，爭取時效。

防救災計畫是否能落實應用，必須由地區防災計

畫及當地民眾的配合，防救災計畫方能發揮預期

成效。基於上述理由，為了降低海嘯所帶來的災

害損失，進行海嘯影響範圍及其淹水潛勢區域分

析時，應考慮：

海嘯相關資料之蒐集與評估

沿海可能受海嘯影響之區域

落實於地區災害防救計畫

一、海嘯相關資料之蒐集與評估

防災科技計畫能否落實，相關基本資料庫

完備的完備性，扮演了重要的角色。為使海嘯淹

水潛勢分析結果能發揮預期功能，必須積極收集

彙整海嘯相關資料。海嘯相關資料可大致分為兩

類：

第一類是含空間地理資訊的資料，如近岸海

底地形圖、海岸地形圖、沿海海岸土壤分佈圖、

不同時段人口動態分佈圖、建物依用途分類之數

量與分佈圖、沿岸避難路線圖及交通與維生線的

分佈圖等。這些資料數量眾多，部分資料已由各

政府或事業單位所蒐集、數位化，先期步驟應先

蒐集、整合各單位的資料庫，以爭取時效。

另一類是依本土性或歷史性的資料，以統計

方式推估分析時所需的各項參數，如海嘯發生機

率之推估、建物耐海嘯能力及海岸土壤種類的摩

擦係數（影響海嘯上溯範圍）等。本類型資料不

含空間資訊，但需長時期的觀察，並配合理論分

析或實際經驗進行評估。

二、沿海可能受海嘯影響之區域

台灣地區海嘯警報發布由交通部中央氣象局

所負責，為了防範海嘯的侵襲，氣象局除了密切

監測台灣鄰近海域的地震活動外，並與美國夏威

夷的太平洋海嘯中心連線，若有收到海嘯警報，

並透過傳播沒發布海嘯報告。從海嘯成因與特

性中，得知海嘯傳播深受近海海底地形、沿岸地

形等因素所影響，海嘯災害往往隨著不同區域有

不同的災損程度。氣象局配合「海嘯災害防救因

應方案」，目前依海嘯發生機率，到達時間及波

浪高度推估分析，研提沿海地區海嘯危險性之分

級。

14

三、能夠落實於地區災害防救計畫

為了降低海嘯所帶來損失，海嘯影響範圍及

其淹水潛勢區域分析結果，必須能夠落實於地區

災害防救計畫中。如淹水潛勢圖可協助擬定地區

緊急應變計畫：

評估高淹水潛勢社區：掌握可能發生海嘯地

區，擬定緊急疏散、搶救災對策。

選定疏散路徑、避難場所：避難場所應選在淹

水區域外。

設置警報系統：高淹水潛勢地區應設置警報系

統，以利民眾疏散。

在地區海嘯減災計畫中，土地規劃佔很重要

的一環，因為只要人員、建物位於海嘯影響範圍

外，即可避免海嘯帶來的災害，然而在現實生活

中，經濟發展與土地規劃很難兩全。因此淹水潛

勢圖可協助地區減災規劃：

土地利用規劃：如未來重要土地開發案應避免

位於淹水區域內，高淹水潛勢地區應多規劃成

開放空間以減少損失等。

建物場址規劃：高淹水潛勢地區的建物，應考

慮採用底層中空的高架建築形式，或建物前

面設障礙物以減緩波速或設置檔水牆以保護建

物等。

建築規範：重要建物（如學校等）應改建於

淹水區域外。但淹水區域內的警、消單位建物

或醫院則不一定要撤離，以在海嘯來臨時，能

夠提供適當的救援，但這些建物應採行耐海嘯

建築規範，以確保建物及人員的安全。

結語 雖然台灣地區百年來無海嘯災害發生之紀

錄，因此對民眾防海嘯意識之宣導與建設應及早

加強，而災害防救工作之主旨在於事前的減災整

備。藉由相關工作的進行與推展，結合中央與地

方的力量，先提昇民眾防災意識，配合各項軟、

硬體措施，以積極正面的方式承擔未來的挑戰。

國研科技NARL Quarterly

專題

企劃

15

文/圖:黃煌煇國立成功大學水利及海洋工程系/國立成功大學水工試驗所/台灣海洋工程學會

台灣模擬海嘯能力之介紹

事實上，在台灣亦有海嘯入侵之記載，清同治

六年(1867)基隆海嘯，市街全毀，其原因為基隆東

北方海底地震所致，當時基隆尚未建港，而基隆海

域地形為漏斗形的海灣，海嘯進入海灣後，因能量

容易集中，水位大幅提升，因此造成基隆的重創。

由於台灣曾有大海嘯的記錄，而且四周海域地震頻

繁(東部海域陡峭，海嘯推升溯上的機率較少，然

西部海域地形平緩，若有大型海底地震造成海嘯的

災害，不能等閒視之)，因此政府除了應對國人百

姓有適當的宣導教育外，防災部門與學界宜事前進

行海嘯相關研究，掌握台灣四週海嘯潛在區域與規

模，研擬預報及預警系統的建立，並整合國內對海

嘯研究的能力，以作為因應預防海嘯災害的參考。

有鑑於海嘯對台灣亦具有潛在的威脅，因此本文乃

以台灣模擬海嘯能力之介紹為主題，希望國人有多

一份的認識與瞭解。

二、數值模擬之能力 從以往已有的記錄或文獻雖可發現海嘯發生

後對環境生態破壞的大略印象及人畜傷亡的統計資

料，然因樣本數據太少，無法由有限的實測資料

去推估海嘯的生成、傳動與威力，而需藉數值模

擬與水工模型實驗的方法呈現海嘯運動的全貌，

以協助吾人能對海嘯傳動的相關特性有多一層的

認識與掌握。

台灣對於海嘯模擬推算早在民國62年(1973)

為了核能三廠取水口設計所需，由國立成功大

學水工試驗所邀集成大水利系教授共同完成”墾

丁海域海嘯及颱風水位推算”，並得知墾丁海域

在地震規模7.5時之海嘯高度4.2公尺、週期23.4

分。及至民國72年(1983)為因應台電核能四廠進

水口及廠基的設計，亦由國立成功大學水工試驗

所完成”台灣電力公司核能四廠海嘯研究報告”，

其中在地震規模7.93時之海嘯高度7.02公尺、週

期44.28分。由於核能電廠首重進水口的取水高

程及海嘯來襲時之安全取水量之考量，因此當

年成大水工所的數值模擬重點乃在於海底地震發

生後引發的海嘯波浪的高度與週期，同時由於當

年電算容量的不足與數值模式的發展受限，因此

一、前言 2004年底南亞大海嘯(tsunami)，造成前所未見的傷亡，始讓世界各國瞭解海嘯的威力及其潛在

的危險性，因而引發一股海嘯研究的熱潮，台灣也不例外。有鑑於此，國家實驗研究院乃邀集相關

的專家學者撰文介紹海嘯，期使國人對其有更深入的瞭解。事實上，海嘯係因海底地震、火山爆發

或海底大規模坍方引致海面水位突然變化，再因重力作用而以波動形態向四方傳播，其間有可能受

到地形影響而能量分散，有時更會因能量集中致使水位升高，且沿著斜坡淺灘逐漸推移，造成極大

的傷害。根據Kinsman(1965)對於波浪的分類，海嘯係屬週期大於四分鐘以上，由於地震引發之重力

長波，其波高雖不大，但速度驚人，可達150~215 m/s，貫穿力強大，可將淺灘或岸線處之物體往

內陸溯上(run-up)推移數公里，退水時亦將陸上物體或行人回刷(draw-down)至較深之水域，威力驚

人，因此頗受研究長波的學者所重視。1990年8月15日至18日在南加大召開的國際長波溯上研討會

後，Liu et al (1991)更撰寫一篇會議報告，其中由G. F. Carrier在數值模擬的專題演講中即明確的指

出海嘯的威力乃在於頻散效應(frequency dispersion)，而並非其前導波(leading wave)的演化，此乃

海嘯與一般重力波傳動特性最大不同之處。

16

無法模擬海嘯的傳動以及海嘯溯上與下刷的運動

現象，如今吾人均已瞭解海嘯傳動的重要性，而

且近年來數值模式之運算技巧與能力大幅提升，

國際上已有許多文獻發表，海嘯模式逐漸成熟，

尤其成大水工試驗所與美國Cornell大學，Oregon

州立大學均有合作研究，若國內需要建立海嘯數

值模式，成大將可立即引入美國已建立之成熟模

式，經由校核印證後提供使用。縱使國內欲自行

發展海嘯數值模式，依目前國內已有的軟硬體能

力亦能自建模式。

三、水工模擬之能力 海嘯水工模型試驗的目的除了提供作為海嘯

數值模式校核印證外，另一目的乃可藉物理模擬

以增加對海嘯運動特性之瞭解。因此欲建立國內

對海嘯研究的深度，水工模擬能力是不可或缺的

重要項目。一般人對於海岸波浪運動較有概念，

縱使颱風來襲時的大風浪也都可由電視畫面轉播

或實際親身至海岸邊觀察體會，颱風波浪由深海

傳至淺海附近碎波時，吾人都很容易看到浪花四

濺，波濤洶湧的壯觀景象，可是很少人知道，當

波浪碎波時瞬間沖擊力量雖然很大，碎波後的

波浪威力隨即消逝泰半，只要有適當的保護防治

措施，縱使颱風波浪亦不致於造成沿岸的重大損

害。然而海嘯則不然，由於海底地震、坍方或火

山爆發都是瞬變的運動現象，因而引致的水位抬

升所造成的海嘯之高度在深海處雖不大，然其能

量集中，傳播速度迅速，及至淺水區域由於水深

漸淺、海嘯逐漸推升，而產生較大的波高，繼續

向岸貫穿傳播，甚至將海岸內陸的人畜及結構

物體向前推移，直至海嘯溯上能量消散為止，然

後再下刷攜帶諸多的結構物體漂流返回海域，造

成不可預知的重大災害，此乃海嘯與一般波浪傳

動不同之處，而且海嘯外相雖不若暴風波浪的凶

惡，然其對整體環境的破壞及造成的災害卻是暴

風波浪所不及。

有鑑於一般人對海嘯傳動的認知不足，亦不

瞭解海嘯潛在破壞的危險性，因此日本富士電視

台乃委派外景攝影隊在今年3月2日至4日前來成大

水工試驗所拍攝暴風波浪與擬似海嘯波浪在長300

公尺、寬5公尺、深5.2公尺之大型斷面水槽之傳

動現象，以製作2個小時的專輯，預定在3月25日

在日本播放，藉此教育宣導日本國民對海嘯的認

識與瞭解，同時將另闢時段在歐洲及美國播出，

讓全世界能概略深入瞭解海嘯與一般暴風波浪不

同之處以及其對岸上內陸的破壞力。相片1乃是暴

風波浪(週期8秒、波高1.6公尺)在水槽中碎波時對

人體衝擊的畫面，其威力看似驚人，然波浪碎波

後沿岸附近即無破壞力，相片2則為擬似海嘯波浪

(衝程2公尺、3秒內完成造波、深水處波高約50公

分)傳動至淺水處，波高已推升至約80公分，然其

前導波一直向前推移，甚至可將結構推移至岸線

內陸之畫面，由此即可體會出海嘯波浪之威力。

根據G. F. Carrier et al (2003)之研究，理論

上海嘯生成的起始波形可分為四種，即(1)高斯形

態(Gaussian shape)、(2)反高斯形態(negative

Gaussian shape)、(3)斷層產生的前導N形波

(leading N-wave caused by fault dislocation )及

(4)海底坍方產生的前導N形波(leading N-wave

caused by submarine landslide)。若欲將海嘯波

浪模擬在實驗水槽中，其造波機的功能除應具有

造波信號與運動機構轉換系統外，模擬的波形亦

不可超越造波機的保護系統。然而由於海嘯波為

瞬變的運動現象，目前國際上縱使最好的造波系

統亦不敢貿然進行海嘯波形的模擬，但可在滿足

造波機保護系統的限制條件下，從事擬似海嘯的

模擬造波，成大水工所在3月間日本拍攝的海嘯即

為上述的擬似海嘯水工模型試驗，然若欲製造瞬

變的海嘯傳動 (如以孤立波形態模擬)可不需借用

造波機，而另以人造結構瞬時插入水面模型以製

造海嘯波浪，更能符合海嘯傳動的特性，有關此

項海嘯之模擬能力，包括由於海嘯溯上、推移、

國研科技NARL Quarterly

專題

企劃

17

基礎沖刷及結構破壞等相關傳動特性，國內應已

具備，若是國家需要進行此等專題研究，成大水

工所、水利、土木及建築系的教授當可立即配合進

行。

四、結論 海嘯是一種自然的天災，其破壞力遠較平常吾

人所見的暴風波浪為甚，雖然目前海底產生地震、

火山爆發或大規模坍方尚無法作有效的預測，然而

由其引發的海嘯預警或相關的模擬研究國內基本上

已具有某種程度的研究能量，尤其事前掌握海嘯災

害潛在地區以及相關的破壞研究，政府部門宜先整

合國內的研究資源投入研究，掌握先機，事前

做好防範規劃以備而不用，減少可能的災害損

失。

參考資料1. Kinsman(1965), Wind Waves, Prentice-

Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J.

pp.15-27.

2. P.L.F. Liu, C.E. Synolakis and H.H. Yeh

(1991), Report on the International

Workshop on Long-Wave Run-Up, J. Fluid

Mech. Vol.

229, pp675-688.

3. 湯麟武(1988), 港灣及海域工程，中國土木

水利工程學會，p.p. 11-95 ~11-97.

4. 國立成功大學台南水工試驗所 (1973)，墾

丁海域海嘯及颱風水位推算，台南水工試

驗所研究試驗報告第二十號.

5. 歐善惠、黃煌煇、朱志誠 (1983)，台灣電

力公司核能四廠海嘯研究報告，台南水工

試驗所研究試驗報告第六十五號.

6. G. F. Carrier, T. T. Wu and H. Yeh (2003),

Tsunami Run-up and Draw-down on a

Plane Beach. J. Fluid Mech., Vol. 475, pp.

79~99.

相片2 擬似海嘯波浪

(衝程2公尺、3秒內完成造波、深水處波高約50公分)

相片1 暴風波浪(週期8秒、波高1.6公尺)

18

文/圖:劉家瑄國家海洋科學研究中心/台灣大學海洋研究所

許明光北台科學技術學院

南亞海嘯後談台灣對海嘯的研究、模擬與預警

一、前言 造成重大災情的海嘯在地球上每隔數年到十

數年就會發生，而小規模的海嘯（海嘯波高小於

一公尺）則幾乎每月都有。依據美國國家地球物

理資料中心(National Geophysical Data Center)

的記錄，從1982到2002年之間共發生了157次

海嘯，其中造成災情的有30次，致命的海嘯也

有16次，總共奪走5,562條人命（Lander et al.,

2003），而這些海嘯85％以上是發生在環太平洋

地震帶上。

台灣位處於環太平洋地震帶的西緣，由於受

到菲律賓海板塊和歐亞板塊交互隱沒以及菲律賓

海板塊西緣的呂宋島弧碰撞上歐亞大陸邊緣的影

響，地殼變動劇烈，地震頻仍，歷史上每隔十數

年總有造成災害的大地震發生，政府與民眾對於

地震災害的處置因而累積了相當的經驗。尤其是

民國88年9月21日的集集大地震後，政府對於地震

災害的防救建立起一套相當完整的應變措施，學

術界對地震研究不遺餘力的進行，在國際上也受

到相當的肯定。然而我國對海嘯這項自然災害卻

因台灣歷史上造成嚴重災情的海嘯報導不多，過

去並未受到重視。

事實上，台灣的歷史文獻中過去也曾有多次

海嘯的報導（許明光與李起彤，1996），其中

1867年的基隆海嘯明確造成重大的災情，而1781

年台灣南部高屏一帶也可能發生過大海嘯。所幸

百餘年來，雖鄰近的日本、菲律賓均發生過大海

嘯，台灣卻沒有任何海嘯災情報導。但是百餘年

的平靜並不代表大海嘯不會侵襲台灣。以去年的

南亞大地震與海嘯事件為例，東北印度洋地區百

年來鮮少有海嘯報導，但12月26日在蘇門達臘島

西北外海所發生規模九的大地震及伴隨而來的大

海嘯，奪走了30萬人的性命，令數百萬人流離失

所，而其對南亞地區環境、生態與經濟的衝擊更

是難以估計。因此，即便是台灣地區所面對的自

然災害以颱風及地震為主，鑑於大海嘯一旦發生

所可能帶來毀滅性的災情，我們無法忽視海嘯災

防的重要性。

每一次重大災難發生後，即便不是發生在

我們週邊，我們都應該從中習取教訓。政府要

檢討應建立什麼樣的機制、採取什麼樣的措施，

使得日後類似的災難不致造成重大的災情；學者

們也會思考要如何增進我們的知識來降低任何自

然災害對民生社會所造成的衝擊。去年南亞大

地震後，民眾很自然的會關心台灣海嘯災防上

的準備，政府必須在這方面有具體的回應；專家

學者們更一夕之間體會到海嘯研究的重要。但是

任何災防的因應措施以及研究工作的推展都需要

經費，政府在海嘯災防方面應該投入多少資源，

也需要考慮到海嘯在台灣地區造成重大災情的機

率，避免過度的反應。

在台灣地區對於海嘯這種百年難得一見，但

一來卻可能造成重大災情的天然災害，政府有必

要建立起經濟有效的海嘯災防因應措施與減災能

力，並教育民眾做好海嘯避難的準備；學界也需

要儘速展開相關研究。海嘯災防的因應措施本期

已另有專文建議，本文僅就海嘯相關研究工作的

推展略書淺見。

國研科技NARL Quarterly

專題

企劃

1919

二、瞭解與模擬海嘯 絕大部分的海嘯是由於海底地震造成海床抬昇

或下降而形成，但是海底山崩、海底火山噴發、隕

石撞擊、甚至海邊冰山或岩壁的崩落，都會形成不

同規模的海嘯。要瞭解海嘯，進而模擬海嘯所可能

造成的災害，我們需要掌握下列三項資訊：

1.海嘯發生的機制與位置

對於台灣地區而言，引發海嘯最可能的來源是

地震，其次是海床崩移。由於台灣東北方從龜山島

向東到沖繩海槽中都有火山活動的跡象，火山活動

可能引發的海嘯也需要考慮在內。

地震

地震所引發的海嘯又可依地震離台灣的遠近而

分為遠距海嘯與近源海嘯。遠距海嘯是由遠處的大

地震所引發，如1960年智利大地震引發的海嘯除了

重創鄰近地區外，它橫跨太平洋，在夏威夷及日本

都造成了重大災情，台灣也量測到這波海嘯，所幸

波高不大，基隆只有0.66公尺，花蓮更只有0.3公

尺(徐明同，1981)，沒有釀成災害。這主要是由於

台灣東部海底陡峭，不利從東方遠距傳來的海嘯波

累積能量，形成巨浪。

近源地震所可能引發的海嘯卻是台灣不容忽視

的問題。台灣地區地震頻仍，而大部份的地震都發

生在海域(圖1)。要是海底淺處發生規模七以上的大

地震，就有可能引發海嘯。1867年的基隆海嘯就是

台灣北方海域中發生規模七的大地震所引起的(徐明

同，1981)。

海底崩移

許多影響局部地區的海嘯很可能是由海底山崩

所引發的。如1998年發生在新幾內亞的海嘯奪走了

兩千多人的性命，許多學者認為是地震造成海床崩

移所引起。而蘇格蘭內陸地層中發現的海嘯沉積物

地層顯示七千年前，北大西洋挪威外海曾發生大規

模的海底崩移，造成淹沒蘇格蘭北部、冰島及挪威

沿岸地區的大海嘯。該處海底仍留有全球最大的海

底崩移(Storegga Slide)之遺跡。

台灣東部海岸陡峭，加上快速的沉積物堆

積，形成極不穩定的斜坡(圖2, Lo et al;1997)，

一旦發生大規模海底山崩，很有可能會引發致

災的海嘯。台灣西南海域亞洲大陸斜坡也是異常

陡峭，詳細的海底地形圖上可觀察到疑似海底山

崩的跡象(Liu et al., 2005)。因此，我們有必要

對台灣周遭，特別是台灣東部與南部海域地形陡

峭的地區，進行調查研究，以對海床穩定度有所

瞭解，並推估海底崩移造成侵襲台灣的海嘯之機

率。

海底火山

火山爆發引發大海嘯最著名的例子要算1883

年8月在印尼南方的喀拉克托亞島(Krakatoa) 火

山爆發事件。它引發了高達30公尺的海嘯巨浪，

侵襲爪哇與蘇門達臘，奪走36,500人的性命。另

外在地中海與加勒比海，也有許多由火山活動引

發局部地區海嘯的例子。

台灣東方的沖繩海槽由於受到板塊構造作

用，正持續擴張並向西延伸入宜蘭平原。張裂作

用造成的火山在南沖繩海槽中處處可見，離台灣

最近的龜山島就是一座火山島，其最近一次的火

山活動約發生於七千年前。南沖繩海槽中的火山

在歷史文獻中雖沒有大規模噴發的報導，但精密

海底地形資料所描繪出的海底火山群(圖3)卻顯示

沖繩海槽中的火山曾有過劇烈活動的時期。如果

南沖繩海槽中的海底火山活動加劇(可以從地震

活動監測得知)，則我們需要加強注意海底火山

活動引發海嘯侵襲台灣北部沿海地區的可能性。

應推展的研究工作

遠距傳來的海嘯由於有充份的預警時間，且

台灣東部海岸地區並不利海嘯巨浪的形成，較不

令人擔心。近距地震、海底崩移及火山活動所引

發的海嘯波可能在數分鐘到數十分鐘內就抵達台

灣海岸，這是需要特別關注的。要提升海嘯預警

能力，我們需要：

20

(1) 研究海域地震活動：增進海域地震定位與速

報能力，掌握海域地震發震機制，並模擬推

估發生大地震的機率、破裂面範圍與可能地

點，以提升海嘯快速模擬的基本能力。

(2) 調查及掌握可能發生海床崩移的地點：計算

台灣周邊海域海底斜度變化，調查海底沉積

物堆積形態與厚度，量測海底沉積物地工參數

以估算斜坡上沉積物的穩定度，編繪台灣周邊

海域海床崩移危害潛勢分布圖，並模擬計算海

床發生大規模崩移時引發海嘯的機率與規模。

(3) 監測台灣北部海域海底火山活動：會引發海嘯

的海底火山活動當具有相當的規模，而大規模

的火山活動發生前通常會有頻繁的地震活動。

因此我們可利用海底地震儀等裝備對海域的火

山進行監測，以能及早做好火山海嘯的災防準

備。

(4) 瞭解不同方式的海床變形所產生海嘯的規模：

並不是所有的海域大地震或海底崩塌都會引發

大海嘯，海嘯波的產生與否以及其規模大小

和海床變形的方式密切相關。在海嘯模擬中如

何快速又正確地推估海床變形的方式是非常重

要的一件事。我們需要研究過去造成大海嘯的

海床變形方式，瞭解什麼樣的地震會造成何種

形式的地殼變形(包括其錯動方式、垂直與水

平方向上的錯動距離等等)，或多大規模的海

底崩移會造成多大的海嘯波，以在一旦偵測到

台灣鄰近海底有大地震發生時，能快速且正確

的建立海嘯波源。

2.海嘯波的傳遞特性與其受海底地形與近岸環境的

影響

海嘯波傳遞的理論與模擬技術已是相當成熟的

知識，目前科學家能夠相當準確地模擬出海嘯波從

波源傳遞到各沿岸地區所需的時間，但對於各地海

嘯波的波高以及致災程度卻難正確掌控。這最主要

在於我們對海嘯的波源形態瞭解不夠(上述第一項

所需資訊)，海底地形的資料不夠完整與精確，以

及不清楚海嘯波到近岸地區後其能量如何受海底

地形及海岸地貌的影響。

應推展的研究工作

(1) 建立完整的海底地形資料庫：目前台灣鄰近

海域的海底地形資料已有一套500公尺點格

的數位地形模式(Liu et al., 1998)可供初步海

嘯模擬使用。近年來國家海洋科學研究中心

持續收集新的海底地形資料，也計畫整編

一套新的數位水深模式。但是目前海洋學界

所收集來的水深資料多在離岸較遠的海域，

對於影響海嘯波高最大的近岸地區海底地形

資料卻相當匱乏。內政部去年開始推動我國

領海及鄰接區海域基本圖測量工作，計劃分

年完成我國從濱海稜線到離岸24海浬範圍

內的水深測繪工作。然由於經費不足，目

前僅完成兩塊非常小區域的測繪工作。為因

應海嘯災防的需要，政府或學界應針對最可

能遭海嘯侵襲的台灣北部與西南海域優先進

行近岸水深測繪，以提供較精確的近岸與沿

岸地形資料予海嘯模擬使用。

(2) 研究、模擬過去在其他地區發生的海嘯事

件，瞭解各項環境因素對海嘯波高的影響。

我國學者應參與其他地區發生的海嘯研究工

作，以習取經驗，建立更完善的海嘯模擬參

數。

3.海嘯所可能造成的災害與衝擊

海嘯所能造成的災情與對國家社會的衝擊和

海嘯侵襲帶的人口稠密度與建設開發程度有關。

若海嘯侵襲的是人煙罕至的荒野海岸，所造成

的災情自然輕微，但若是一個人口密集的海岸都

市受到海嘯的侵襲，其生命財產的損失將非常慘

重。因此我們必需依賴模擬出的海嘯可能波高及

實際海岸開發現況進行沙盤推演，以規劃適當的

海嘯災防因應措施。

(1) 建立淹溢模式(inundation model)及沿岸地區

海嘯災害潛勢圖：海嘯波由外海傳至近岸

21

國研科技NARL Quarterly

專題

企劃

時，由於水深變淺而增加波高，波浪由海

岸向內陸上溯 (run-up)，其上溯深度受波

高、海嘯能量與陸上地形地物的影響。我

們需針對海嘯上溯造成的可能淹溢範圍

製定沿岸地區海嘯災害潛勢圖，而淹溢地區

的範圍則有賴淹溢模式的估算。淹溢模式的

建立除了數值模擬外，亦可借助實體模擬來

進行(見本期「台灣模擬海嘯能力之介紹」一

文)。

(2) 調查研究曾經侵襲台灣的海嘯：過去的海嘯

侵襲記錄能提高海嘯災害潛勢圖的可信度。

要調查研究過去侵襲台灣的海嘯可以從兩方

面著手：第一、配合歷史學家研究史料來

瞭解過去海嘯襲台的記錄與可信度；第二、

進行地質調查來找尋過去海嘯侵襲台灣的證

據，這些地質證據包括海嘯淹溢地區所留下

來的海洋沉積物、近海湖泊中海水入侵的記

錄等等。

三、海嘯觀測與預警系統 研究、瞭解並進而模擬海嘯的目的是在協助

建立海嘯預警能力。要能有效的達到海嘯災防與

減災成效，下列幾項工作需要逐步實施：

1. 加入國際海嘯預警系統(International Tsunami

Warning System)，以及與鄰近國家合作建立

地區性(如西太平洋或東南亞地區)之海嘯預

警系統。特別是需要和位於夏威夷的美國太

平洋海嘯警報中心以及日本、菲律賓等鄰

國的相關單位合作，建立海嘯預警資訊的交

流管道。

2. 建立我國近源海嘯之快速預警能力。針對我

國鄰近海域可能發生大地震或海床崩移的地

點預先進行海嘯模擬，並建立海嘯淹溢資料

庫，以一旦在海域發生規模七以上的大地

震時，能於最短時間內計算出地震位置及其

引發海嘯的可能性，以及如果引發海嘯其可

能致災的範圍與各地海嘯波到達時間，以儘

速發布海嘯警報。

3. 在我國沿岸各地建立自動化且即時連線的潮

位計，一方面隨時監測海面之變化，另一方

面建立起海嘯觀測資料庫，檢驗海嘯模式，

以提高其準確度。

4. 發展海嘯波觀測技術、建立監測能量。雖然

海嘯在深海地區傳遞時從海面上不易察覺

(只會造成不到1公尺高的小波動)，但目前利

用衛星遙測技術已可觀測到海嘯波傳遞時

在海面造成的波高變化。另外，利用放置於

深海海底的靈敏壓力計，科學家也可量測到

海嘯波通過時的微小壓力變化。這些技術將

可協助建立起遠距海嘯的監測能量，再配合

與鄰近國家海嘯監測資訊的交流，應可提供

良好的遠距海嘯預警訊息。

四、結語 南亞海嘯的重大災情提醒我們海嘯災防的

重要。歷史上，台灣雖然並沒有太多海嘯致災的

記錄，但位處於環太平洋地震帶上，又有陡峭且

極不穩定的海底斜坡，台灣對於海嘯的可能侵襲

絕不能夠掉以輕心。目前科技的發展已能相當準

確的推算出海嘯傳抵各地的時間，但對於海嘯在

各地可能致災的程度仍難以掌握。要提高我們對

海嘯預警的能力，我們需要建立海嘯模擬的能力

以及模擬所需的環境資料庫，提供如海床變形的

可能方式、精密的海底地形、沿岸的地形與地物

等資訊。在海嘯的預警方面，藉著和美國、日本

等國家合作，以及建立海嘯傳遞的監測技術，在

一般情況下已能及時的發布遠距海嘯的預警，但

對發生在台灣鄰近海域的近源海嘯，則有賴快速

準確的地震觀測與海嘯模擬能力來提出預警。事

實上，近源海嘯往往在預警發出前就已經侵襲上

陸，因此民眾對鄰近海域大地震後可能引發海嘯

以及應如何採取避難措施需要有正確的觀念，才

能降低海嘯所帶來的損失。

22

參考資料

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局學報, 27(1), 1-15.

2 . 許明光, 李起彤, 1996, 台灣及鄰近地區之海

嘯。

台灣海洋學刊, 35(1), 1-16.

3. Lander, T.F., L.S. Whiteside and P.A.

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tsunami 1982 - 002. Science of Tsunami

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tectonic implications. TAO, 9(4), 705-738.

5. Liu, C. S., B. Deffontaines, C.-Y. Lu and S.

Lallemand, 2005, Deformation patterns of

an accretionary wedge in the transition

圖說

圖1台灣地區地震震央分布圖。不同顏色的圓點代表不同深 度的地震。

圖2台灣東部海域陡峭的海岸地形，顯示斜坡上沉積物 之堆積與多條海底峽谷。

圖3台灣東北海域南沖繩海槽中的火山群。

zone from subduction to collision offshore

southwestern Taiwan, Marine Geophysical

Research, in press.

6. Lo, S.C., M.P. Chen and J.C. Fan, 1997,

Slope stability and geotechnical properties

of sediment off the Changyuan area,

eastern Taiwan. Marine Georesource and

Geotechnology, 15, 209-229.

國研科技NARL Quarterly

專題

企劃

23

國家實驗研究院太空中心，在獲悉南亞海嘯發

生的第一時間，根據新聞上僅有的地理位置資訊，

分析研判可能發生災情的地點後，緊急更改影像拍

攝排程規劃，在2004年12月27日的上午，成功拍

攝到印尼班達亞齊及泰國普吉島影像。在獲得影像

之後，首先聯絡國內外各主要媒體，藉由媒體的報

導，希望能提供影像給受災國家使用。此外主動聯

絡外交部，表達國家太空中心願意全力支援各國影

像作為救災之用。外交部陳部長隨後在與南亞主要

受災國代表所進行的會議中，宣達台灣國家太空中

心在國際救災上，提供衛星影像作為救災之用的意

願。同時，以電傳方式將訊息傳達至台灣駐各受災

國辦事處，透過正式管道，表達台灣政府在救災上

所提供的支援。在不到24小時的時間，國際上掀起

了一陣旋風，來自全球各地的媒體紛紛以電子郵件

方式詢問災區影像，外交部也接獲各國政府的協助

需求，其中包括印尼副總統辦公室、華盛頓郵報駐

印尼代表處、美國疾病管制局、馬爾地夫環境研究

中心(Environment Research Center)、新加坡大學

及泰國、馬來西亞、澳洲等地的媒體記者等，都希

望能透過福衛二號的影像，掌握災區最新的狀況。

國家太空中心立即組織了一個緊急工作小組，

展開了為期一個月南亞海嘯救災支援任務，目標是

將災區影像以最快的方式提供給受災國家及其他有

關媒體。另外，除了單純影像資料，國家太空中心

也協同各影像分送中心，包括國立台灣師範大學地

理資訊中心、國立成功大學防災研究中心及國立中

央大學太遙中心，透過其在遙測影像分析上的長久

經驗，對災區進行災害評估。

就南亞大地震後， 2 0 0 4年 1 2月 2 8日至

2 0 0 5年1月2日此一期間，連日來拍攝地區，

包括泰國的普吉島(Phuket)、拉廊(Ranong)；

印尼的班達亞齊(Banda Aceh)；印度的安達曼

群島(Andaman Islands)、尼可巴群島(Nicobar

Islands)；馬爾地夫(Maldives)等地。國家太空中

心於每日晚間衛星影像資料下傳後，立即與台師

大地理資訊中心、成功大學防災研究中心與中央大

學太遙中心，連夜進行處理與判釋，並主動透過外

交部代表及其管道、傳播媒體、網路，免費提供最

新災後影像，災情分析報告給災區國家以協助救援

工作。所拍攝之災區影像除提供國際人道救援使用

外，並可應用於地震後各類災情的追蹤，特別是地

震觸發大規模崩塌、土石流等二次災害之防範與

監控使用。此外，國家太空中心亦開闢一即時網站

(http://www.nspo.org.tw/tsunami_images/) 供全球搜

救單位下載，截至目前為止，已有60餘國的各式團

體與組織上網下載資料。

福衛二號在此次救災行動上，共計提供災區影

像約150幅，其中除了部份提供全球媒體作做時追蹤

報導，多數影像都實際運用在各國災情評估之用。

如：新加坡搜救隊因災後現有地圖多不適用，僅

能利用福衛二號影像進行搜救評估，深入尼可巴群

島執行救援工作。馬爾地夫政府，因為各小島之間

幅員遼闊，透過福衛二號影像，可在最短時間內，

掌握最新及最齊全的資訊進行災後重建規劃工作等

等。充分證實福衛二號的高解析度及每日造訪的特

殊性能，可實際運用在重大自然災害的災後評估及

分析上。

南亞海嘯發生至今，死亡人數已達29萬4千多

人，失蹤人數達12萬7千多人，很幸運的，寶島台灣

在這次海嘯中沒有受到任何衝擊。然而，位處於兩

大陸板塊交接處的我們，更應該隨時警惕，投入更

多的心力在災前預防及災後評估及救援等方面的研

究。雖然目前仍無法準確預測地震災害的發生，人

類的渺小及脆弱永遠無法與大自然做抗衡，但是如

何將災害的影響減少到最小，這正是我們目前及未

來所需要尋求的答案。

2004年12月26日 早上台灣時間9點左右，在印度洋的海底，因為地殼的劇烈活動，造成了芮氏地

震儀9級的強烈地震，憾動了印度洋週遭的所有國家。除了地震本身造成的影響，因為地殼變動所造成

的鉅大海嘯，在地震發生後又再一次洗劫了南亞各國海岸。原本如夢似幻的渡假天堂，一時成了人間

最悲慘的煉獄。

南亞大地震福衛二號國際救災支援文/圖:汪子正 國家太空中心

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尖端科技State-of-the-art Science and Technology

早期製作奈米線的方法以模板(template)限制

成長為主，所用的模板多為多孔氧化鋁或高分子，

但不容易成長單晶結構的奈米線，近幾年也有報導

利用更小孔洞的介孔(mesoporous)二氧化矽（最

常見的是MCM-41與SBA-15兩種材料 [註1]）以及

碳管做為模板成長奈米線，但要填入奈米尺度的

孔洞並不容易，一般需藉由特殊製程方能達成[註2]

（例如Leon等人[1]以氣相合成法將鍺引入MCM-41

中，Holmes等人[2]以超臨界流體法成長鍺奈米線

於SBA-15中），目前最常被使用的方法還是以奈

米金屬粒子催化的VLS成長為主。當金屬液滴內的

半導體材料過飽和，半導體就會開始析出。由於受

到重力的影響，析出大多是往下進行。把催化劑的

液滴往上推之後，奈米線便可形成。從相圖(phase

diagram)來看，金屬與半導體的共晶點(eutectic

point)溫度會低於個別的熔點，只要溫度高於共晶

點，且金屬在半導體中於共晶點溫度之上的溶解度

很低，那麼析出純的半導體是可能的。一般而言，

矽鍺的奈米結構：量子點、奈米線與多孔薄膜文/圖:謝健國家奈米元件實驗室

自從氣體-液體-固體(VLS)成長機制被提出後約30年，大約是從1991年Iijima 提出碳管結構，1998

年左右Lieber, Yang等研究群以此法成功地合成奈米線、Wang等人以高溫固體氣相合成法成長單晶

奈米帶，Dekker, Avouris, Dai等研究群提出了奈米碳管電晶體的可行性之後，一維奈米材料的相關研

究吸引了許多人的注意。2001年，Science期刊將nanowire選為年度突破進展的科技之一，2002年

Nature雜誌也闢專文介紹奈米線的發展，意味著相關領域的研究未來仍會持續蓬勃發展。一維奈米材

料之所以會如此受到矚目的原因至少有：材料變化豐富、結構完美（多為單晶）、尺寸(長度與直徑)

容易調整、形貌多樣化（可藉由奈米線形成奈米環、奈米樹、奈米梳子等）、可大量製作、電性容易

經由摻雜調控、機械韌性佳、光學性質優異（例如發光效率提昇）等。本文將從奈米線的成長方法開

始，介紹衍生的各種奈米結構，包括量子點、奈米線、多孔薄膜及複合材料。

由於表面原子比例的提高，材料的熔點會隨尺

寸減小而降低，因此成長溫度也可能因為尺寸

效應而低於共晶點。原子的擴散也可能進一步

降低析出所需的溫度，以Si-Au系統而言，Au的

存在會打斷Si-Si鍵結使共價鍵減少，導致原子

或電子的擴散或遷移率增加而使反應於更低溫

下進行。由於在奈米尺度下差排(dislocation)不

易產生，以VLS機制成長的奈米線很容易得到單

晶的結構，此結構若應用於電子的傳輸，可減

少因晶界散射造成的能量損失進而降低電阻。

奈米線的直徑可藉由金屬液滴的大小控制，而

長度則藉由成長時間來調整。量子點的發展歷

史較奈米線來的長，一般量子點的合成是藉由

控制薄膜成長的初期階段來達成，我們則是以

VLS機制在短時間內成長短的奈米線成量子點[3]，此方法的好處是可以縮短成核所需的時間、

避免量子點凝聚成薄膜，以及可控制量子點的

大小與密度等。以金屬催化成長的缺點是金屬

25

國研科技NARL Quarterly

尖端

科技

的存在，這會使某些容易受金屬污染的製程受到

限制，也不利於後續製程的整合與量測。以電漿

移除金屬是一種常見的方法，例如在奈米碳管的

例子中，Dai等人[4]曾以H2O電漿移除金屬催化劑

形成開口的奈米碳管。在我們的實驗中通入H2電

漿也發現具有移除金奈米粒子的效果。這樣以金

屬催化的機制還可以應用於低溫成長薄膜。想像

一下現在換成是一層金屬的薄膜，如果薄膜不分

裂，矽擴散進入金屬薄膜後，同樣地，利用共晶

點降低固化溫度的原理，矽薄膜便可析出成長於

金屬薄膜之下，形成所謂的金屬誘發低溫多晶矽

薄膜[5]，這樣的低溫製程，對以玻璃或高分子為基

板的薄膜電晶體元件是很有幫助的。當然，如果

成長過程中金分裂成奈米液滴，那麼最後的結果

也會形成奈米線。[註3]

在一般的VLS製程中，氣體源的壓力提高了

液滴內半導體的化學位能(chemical potential)，

使半導體材料獲得驅動力(driving force)得以擴散

跨過液體-固體界面，然而Taraci等人指出[6]，在

低壓製程條件下，由於驅動力不足，使半導體材

料只能沿著表面擴散，如此一來會提高側向成長

的機會。我們也曾利用低壓製程，以金奈米粒子

為催化劑，成長出多孔形態的鍺薄膜，如圖1所

示[7]，此型態的產生可能是選擇性成長與低壓橫

向沉積所致。1990年，Canham以電化學方式蝕

刻出多孔矽結構，並發現其具有可見光發光的性

質，認為是量子侷限效應所致[8]。當材料的特徵

尺寸小於激子(exciton, 即電子電洞對)的等效波耳

半徑(effective Bohr radius)時[註4]，量子侷限效應

就易顯現，相較於矽而言，鍺的激子具有較大的

等效波耳半徑，然而其腐蝕參數不易選擇，因此

鮮有多孔鍺的相關報導。雖然我們可成長出多孔

鍺薄膜，但初步研究指出其室溫下的可見發光並

不顯著，或許是薄膜內部的氧化物不足所致，使

孔洞支架相互連通導致量子侷限效應無法產生其

效果。1992年Mobil石油公司提出了利用界面活性

劑合成介孔材料的方法，能合成出極高表面積的

二氧化矽(約1000 m2/g)[9]。由於具有高比表面積

與多孔的特性，因此近年來已有研究探討其發光

[10]、氣體感測[11]等應用。基於單純多孔鍺發光

不足與介孔二氧化矽能提供高比表面積的認知，

為了提高量子侷限效應，我們以介孔氧化物為基

底，將鍺引入其中，發現了室溫下明顯的可見光

發光現象，如圖2所示。

奈米金屬粒子除了當催化劑之外，也可用來

作為乾式蝕刻的硬質罩冪，形成準直的奈米柱陣

列[12]。Lieber[13], Yang[14]等人曾利用改變成長氣

氛的方式形成super lattice或core-shell的奈米線

結構，我們的作法是以金粒子為罩冪蝕刻出矽的

圖1 鍺奈米孔洞薄膜的截面TEM影像

圖2 Mesoporous silica/Ge 複合薄膜的PL光譜 與其發光影像。

26

奈米線，接著再以VLS機制於其上成長鍺，這樣做

的特別之處是結合了蝕刻與成長機制，不需使用

含矽的反應源而可能得到類似的結構[15]。

有沒有可能不需金屬催化劑也能得到奈

米線？在薄膜的成長機制中，材料晶格中不同

的面有不同的成長速度，如果它們之間的差

異很大，那麼直接成長出奈米線是可能的，

氧化鋅就是最常見的一種材料，其具有纖鋅礦

(wurtzite)結構，由Zn2+與O2-構成的平面沿著c

軸堆疊而成。ZnO成長最快的三個方向分別是，

<0001>,<0110>,<2110>ZnO奈米線除了可以Sn,

Au等為催化劑成長之外，Wu等人[16]發現在無催

化劑存在的條件之下，ZnO亦可沿著<0001>方

向成長而形成奈米柱。Lee等人[17]則發現SiOx亦

可輔助矽奈米線成長，且成長方向多為<112>與

<110>，以產生能量最低的(111)面，與大部分用

金屬催化的矽奈米線之成長方向<111>不同，其認

為是尖端的疊差、雙晶等結構缺陷促使奈米線成

長。一般矽奈米線合成之形貌多呈纏繞糾結狀，

Chen等人[18]先以氣相成核的SiC奈米顆粒為硬質

罩冪，再對基板蝕刻出矽奈米錐。最近我們也發

現在不用催化劑的製程條件下可獲得大面積垂直

於基板的矽奈米柱，如圖3所示。這樣的作法可引

伸出許多新材料的可能性，因為相對於奈米線的

成長，薄膜的成長與蝕刻技術已非常成熟，因此

如果先長多層薄膜或超晶格薄膜，就可蝕刻出多

段的奈米線，如果先長出超薄薄膜，就可能蝕刻

出量子點…還有許多的想法有待將來驗證。

要將上述的這些奈米材料應用於元件需要規

則圖案的製作，而要製作奈米尺度的規則圖案並

不容易，最常見的例子是以電化學法陽極處理鋁

金屬，可得到如同蜂窩六邊形排列圖案的氧化鋁

(Anodic Aluminum Oxide, AAO)，但以此自我組

織形成的圖案，根據Pappus的蜂窩猜想，在二維

排列幾何圖形中面積最大、周長最小的圖案僅為

蜂窩圖案，因此欲以此機制形成其他圖案會因

而受限，所以圖案多以六邊形排列為主，舉個

例子，Wang等人[19]曾結合VLS與由聚苯乙烯

球形成的自我組織圖案，成長六邊形的奈米線

ZnO陣列。傳統上製作圖案的方式是以微影蝕

刻製程進行，以電子束或雷射先在光罩上製作

圖案，再投影轉移到晶圓上，其圖案解析度因

而取決於曝光光源的波長，目前使用的光源的

波長極限為157 nm，搭配各種解析度增益技術

(RET)，例如optical proximity correction (OPC),

phase shift masks (PSM), immersion optics

等，可使晶圓上的特徵尺寸小至50奈米，但更

短波長光源(deep UV, soft X-ray等)的相關製程

複雜且非常昂貴，利用光罩投影製作更小尺寸

圖案目前已遇到瓶頸。以電子束或聚焦離子束

(focused ion beam)直接寫入晶圓可獲得10奈米

以下的圖案，但由於不能利用光罩曝光投影法

縮短時間的優點，對大面積的圖案並不適用。

有許多新穎的想法已被提出製作奈米圖案，例

如：1. 利用能量競爭的原裡以階梯沉積法(step

decoration)將材料選擇性沉積於原子尺度的階

梯上形成奈米線[20]；2. Whitesides等人進一步

利用self-assembled monolayers (SAMs)在階

梯形成缺陷的特色，使基板局部暴露，而將材

料沉積於其上形成奈米線[21]；3. 利用等向性蝕

刻在光阻下方形成奈米尺度的底切後再沉積薄

膜可製作出奈米圖案[22]，以上這些方法雖然可

圖3 大面積且垂直基板的矽奈米柱陣列

27

國研科技NARL Quarterly

尖端

科技

局部製作出奈米線或奈米圖案，但未利用到縮小

個別材料尺寸的優勢提高元件整體的集成密度。

Heath等人[23]的做法是先沉積多層薄膜，再翻轉

過來對其選擇性蝕刻出高密度的奈米線，Yang等

人[24]則是以Langmuir-Blodgett (LB) 技術，藉由液

體所帶動的排擠來排列奈米線，Lieber 等人進一

步以此法排列出交錯式的奈米線來設計邏輯電路

[25]，此交錯式的奈米線邏輯電路Heath認為可為未

來奈米電腦的雛形[26]。

結語

利用VLS成長機制、乾式蝕刻、選擇性沉積

或模板輔助可製作出一維的奈米線，以此衍生的

各種奈米結構材料預期將來可應用於顯示器、記

憶體、發光等元件，雖然個別元件材料的尺寸可

達奈米，但整體的集成密度仍待提高；批次化、

大量製作奈米圖案並整合於積體元件的技術是目

前遇到的最大挑戰。

誌謝

感謝NDL同仁對相關研究的協助，以及國科

會對NDL經費的支持。

註解

[註1] MCM為Mobil composite of matter之意，

SBA則表示Santa Barbara amorphous.

[註2] 孔洞尺寸與液體表面張力和壓力的關係可用

Washburn方程式dW = －4γcosθ/P表示，其中

dW為孔洞直徑，γ為表面張力，θ為接觸角，P

為壓力，孔洞越小越不易填入。

[註3] 也可以先長非晶矽薄膜，在於其上局部覆蓋

金屬後於600 °C左右熱處理誘發結晶。

[註4] 激子的等效波耳半徑與材料本身的介電常數

和有效質量有關。

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29

國研科技NARL Quarterly

尖端

科技

文/圖:林俊賓國家晶片系統設計中心

化減記憶體之技術應用與提昇後段驗證系統(PVS)之淬取速度

目前國家晶片系統設計中心(CIC)所提供的Post-layout Verification System(以下簡稱PVS)[1]是使用

電晶體層次的電路佈局寄生元件萃取功能(Layout Parasitic Extract, LPE)，然而在學術界Cell-based的

設計中，大多數的設計通常都會使用到記憶體。如果設計中有使用到記憶體，PVS將會花費相當多的時

間在記憶體的LPE過程上，且完成萃取所得到的電路描述檔內的節點數目也相對較多，故設計者需要花

較多的模擬時間來完成電路模擬。故本技術報告將針對PVS提出一個可以兼顧模擬速度且又可以加速記

憶體萃取的解決方案。

一、簡介

使用CIC Cell-based Design Kit的設計者而

言，由於CIC無法將真實電路佈局提供給學校，

所以Transistor-level Simulation必須在CIC內部完

成。為了讓設計者能夠順利進行Transistor-level

Simulation，CIC提供PVS，讓設計者以遠端簽入

方式至CIC進行Transistor-level Simulation，以確

保下線晶片之正確性。整個流程如下圖1所示。利

用Qentry指令替換成真實的佈局後，接著進行LPE

轉換成Transistor-level Netlist，最後搭配測試輸入

訊號以NanoSim進行Transistor-level Simulation，

模擬結果則可用相關波形顯示軟體來觀察。

若設計中有使用到記憶體，PVS將相對會花較

多的時間在LPE過程上，且完成萃取所得到的電路

描述檔內的節點數目也相對較多，而造成設計者需

要花更多的模擬時間來完成電路模擬。在第二單元

中將介紹Reduce Memory Extraction方式，利用這

種方式來達到只萃取與記憶體輸入輸出連接腳位相

關的寄生元件，以避免萃取記憶體本身與內部相關

的寄生元件，如此將可大幅縮短LPE時間。第三單

元將說明如何搭配Calibre xRC相關的指令來達

到H-cell Extraction的功能，即利用Calibre xRC

提供的Gate-level Extraction的方式，來完成

Reduce Memory Extraction，進而產生所需要的

電路描述檔內容。第四單元將以一個DCT的設計

實例進行LPE得到的結果，足以證明此種方式可

以提供一個在未來加速PVS的完整解決方案。

二、Reduce Memory Extraction介紹 基本上我們採用H-cell Extraction的功能來

達成整個Reduce Memory Extraction，而H-cell

Extraction主要是利用Black Box的機制，針對所

有已知的Instant名稱的電路佈局內容進行Black

Box之間的寄生元件萃取。

1. Black Box的意義

已知在某範圍內電路佈局的功能，可以設定

在此範圍內為一個區塊，利用這個區塊來代表此

一範圍內的電路功能。如此一來便可設定每一個

標準元件電路佈局都有其相對應的電路功能，如

圖2所示：

2. H-cell Extraction

對於Cell-Based的設計者來說，所使用的

每一個標準元件(Standard Cell)都可以視為一個

圖1 PVS之佈局後模擬流程圖。

30

Black Box，而且由於Black Box已是驗證完畢的正

確電路，便可略過對Black Box內部萃取，僅只需萃

取Black Box之間的連線。因此對於一些我們不想萃

取的部分，可以將之視為H-cell。如圖3所示，我們

可將記憶體視為H-cell或將所有的標準元件全部視

為H-cell。

最後經H-cell Extraction所獲得的電路描述檔，

仍需搭配Cell Library Vender提供的每一個標準元件

的Transistor-level 電路描述檔，方可代表整個

完整的Transistor-level電路描述。

圖4是Transistor-level Extraction的示意圖，即

所得到的Transistor-level電路描述檔案內容是所

有完整的電路元件。整個H-cell Extraction流程

如圖5所示。

三、Calibre xRC相關指令與輸出內容

根據Reduce Memory Extraction內容，下

面列出所需的Calibre xRC軟體相關指令與所需

要的檔案。

1.Transistor-level Extraction

即目前PVTE所使用的Transistor- level

Extraction流程。

1.1 Calibre xRC相關指令

caliber xrc phdb 64

TSMC0131PMCalibre.lpe

caliber xrc pdb c turbo 3 64

TSMC0131PMCalibre.lpe

caliber xrc fmt c 64

TSMC0131PMCalibre.lpe

1.2 Calibre xRC輸出內容

得到Transistor-level的CHIP.tran.netl ist與

CHIP.tran.CHIP.pxi檔案。

圖3 兩種不同H-cell Extraction檔案架構示意圖

圖2 D Type Flip-Flop電路功能與其對應的Black Box

圖4 Transistor-level Extraction檔案架構示意圖

圖5 H-cell Extraction Flow示意圖

31

2.H-cell Extraction

根據Reduce Memory Extraction流程內容，

需提供所有標準元件與記憶體的Hce l l s檔案與

Template檔案。

2.1 Calibre xRC相關指令

caliber xrc phdb 64 xcell Heclls

TSMC0131PMCalibre.lpe

caliber xrc pdb c turbo 3 xcell Heclls 64

TSMC0131PMCalibre.lpe

caliber xrc fmt c xcell Heclls 64

TSMC0131PMCalibre.lpe

2.2 Calibre xRC輸出內容

得到G a t e - l e v e l的C H I P. g a t e . n e t l i s t與

CHIP.gate.CHIP.pxi檔案，設計者需將標準元件

與記憶體的*.spi與所得到的CHIP.hier.netlist與

CHIP.hier.CHIP.pxi檔案整合後才是完整的電路結

果。

3.Hcells檔案與Template檔案格式內容

由於需提供Hcells檔案與Template檔案，下面

將針對這兩種檔案內容格式加以說明。

4.1 Hcells檔案格式內容

Hcells檔案是提供電路佈局檔案中所有的標準

元件的電路佈局檔案的元件名稱，檔案中每一

行必須提供兩個相同的元件名稱，並在兩個名

稱中間以空白來區隔。這個檔案與執行Calibre

LVS時所使用的Heclls格式內容相同。Hcells檔

案格式內容範例如圖6所示。

4.2 Template檔案格式內容

Template檔案是提供Calibre xRC在產生

Gate-level電路描述檔案時，每一個標準元件

所對應到輸入輸出的腳位順序，以防止連接錯

誤。Template檔案與Cell Library Vender提供所

有的標準元件的電路描述檔案(*.spi或*.cdl)內容

格式不同，其中Template檔案內腳位順序由上

而下，即代表輸出的電路描述檔的腳位順序，

故CIC需提供所有的標準元件對應的Template檔

案。

Template檔案的附檔名為.stl，並須在執行

Calibre xRC之前就先放置在svdb/template內。

Template檔案格式內容範例如圖7所示。

四、測試結果

我們以一個TSMC 0.13um 1P8M製程的

DCT設計，來執行下列幾種的Extraction。本

測試電路包含有一個64x16的記憶體，全部的

Transistor Count為166k，其中記憶體佔16k，

執行萃取結果如下表一，萃取時間如圖6所示:

圖6 Hcells檔案格式內容

圖7 Template檔案格式內容

國研科技NARL Quarterly

尖端

科技

32

5.1 Transistor-level Extraction(1)

目前PVS執行Extraction方式，在這裡採用1顆

CPU來執行Calibre xRC。

5.2 Transistor-level Extraction(2)

目前PVS執行Extraction方式，與上面不同的

是在這裡採用3顆CPU來執行Calibre xRC。

5.3 H-cell Extraction(1)

使用Reduce Memory Extraction方式，在這裡

採用3顆CPU來執行Calibre xRC，且提供記憶體的

Heclls檔案與Template檔案。

5.4 H-cell Extraction(2)

使用Reduce Memory Extractionn方式，與上

面不同的是在這裡改提供所有的標準元件的Heclls

檔案與Template檔案，而不提供供記憶體的Heclls

檔案與Template檔案。

5.5 H-cell Extraction(3)

使用Reduce Memory Extractionn方式，這

時提供記憶體與所有的標準元件的Heclls檔案與

Template檔案。

六、結論

表 1中可以看出在 T r a n s i s t o r - l e v e l

Extraction(第1項與第2項)下，使用3顆CPU執行

Calibre xRC的速度比只使用1顆CPU快一倍。

在Reduce Memory Extraction(第3項)時不抽記

憶體的寄生元件所花費時間比在Transistor-level

Extraction(第2項)的時間較多一些，但是得到的

電路描述將記憶體以Subcircuit方式保留，如此

可以在Nanosim模擬時以HAR(hierarchical Array

Reduction)方式或Nanosim-VCS Co-simulation方

式得到更多好處。而如果在相同Reduce Memory

Extraction條件下，全部不抽所有的標準元件庫

與記憶體的情況下(第5項)，執行Extraction的速

度又將增進一倍左右。最後在圖8列出各種

Extraction所花費的時間統計結果，未來可以提

供CIC以後的Post-layout Gate-level Parasitic

Extraction Engine的執行參考依據。

參考資料

1. 林俊賓, “如何在Post-layout Verification

System(PVS)中進行Post-layout

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33

國研科技NARL Quarterly

尖端

科技

表1 結果統計表

分析種類

項目 1 2 3 4 5

方式 Transistor-level Transistor-level H-cell H-cell H-cell

CPU數目 1 3 3 3 3

執行時間 2:19:19 1:01:33 1:22:53 0:38:22 0:33:20

檔案大小 67136112 67136112 61436813 14008246 8314409

萃取Net數目 66909 66909 63179 12210 8480

Capacitor 961293 961293 891324 289288 219319

Diode 444 444 384 60 0

MOS 166588 166588 152998 13590 0

萃取元件數目 1128325 1128325 1057110 302938 219319

圖8 各種萃取時間統計圖

34

文/圖:游孟容國家高速網路與計算中心

台灣高品質學術研究網路(TaiWan Advanced Education and Research Network, TWAREN)自

2004年開始營運以來，即積極推動與世界各先進國家的學術研究網路介接，並參與國際網路社群組織

及其所發起的各項合作研究案。2004年3月間在國家高速網路與計算中心(簡稱國網中心)葉俊雄副主任

與加拿大CANARIE機構的Bill St. Arnud的主導下，透過CANARIE負責營運的加拿大先進學術研究網路

CA*Net4，TWAREN與愛爾蘭的學術研究網路HEAnet直連，進行全球首次橫跨亞美歐三洲分處五個地

點全長18000公里的視訊會議，為當時全球最長距離的光網路直連範例。

TWAREN光網路與世界接軌

承襲此次合作的成功，國網中心與CANARIE

於2005年1月泰國曼谷舉行的第十九屆「亞太先進

網路（Asia-Pacific Advanced Network, APAN）」

會場上，再次邀集韓國科技資訊中心 ( K o r e a

Institute of Science and Technology Information,

KISTI)、以及西班牙i2CAT基金會的研究人員，連

接橫跨三洲五國，並且超過前次的紀錄，連接總長

40000公里以上的光通道（lightpath）做高畫質串

流電視的展示。藉由光通道的連接，參與此次視訊

科技交流Technology Promotion

圖1台灣、加拿大、愛爾蘭三國研究網絡在北美的光通道直接串連

會議展示的國家，依序以高畫質的網路串流電

視（multi-stream HDTV）與在場的與會者互

動。國網中心葉俊雄副主任並於台灣竹科國網

中心的會場，以連線視訊向APAN會場的參與

者介紹台灣在網路建置與技術的發展現況，並

說明國網中心建置TWAREN及推動「知識庫中

心科技發展（Knowledge Innovation National

Grid, KING）」計畫的內容及進度。

35

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

前身為國家高速電腦中心的國家高速網路

與計算中心，自1991年經行政院核准成立後，

即致力於提供國內各界高速計算與網路資源、

支援高速計算及先進網路技術之應用與研究、

並舉辦各項專業的軟體訓練，培育相關領域之專

業人才。為有效地進行研究環境的改善與利用現

有資源，2003年轉制為非營利財團法人服務機

構，並更名為「國家高速網路與計算中心」，簡

稱為「國網中心」。有鑒於在二十一世紀，網路

基礎建設在國家的發展與競爭力上扮演重要及關

鍵性的角色，國網中心提呈行政院將TWAREN

列為「六年國家重點發展計畫(2002-2007)」之

一新興計畫，是強化台灣研發創新「基礎建設

（infrastructure）」重要的一環；另一同時並行的

為KING計畫，兩者由國網中心同時進行建置。

TWAREN在規劃之初即以成為世界級的學

研網，提供台灣島內學術研究單位與世界接軌的

創新研發平台為其首要的目標。為滿足國內學術

研究的需要及符合網路發展的趨勢，TWAREN

網路的架構不同於以往傳統的網路設計，在同

一個網路架構下，針對不同的需求提供不同層

次的服務，依照所提供的服務及需求分為三個

層級：營運工作網路(Production Network)、研

究網路(Research Network)、及光網路(Optical

Network)。

在國網中心TWAREN工作團隊的努力下，

TWAREN的骨幹網路在2003年年底建置完成，並

自2004年起開始提供網路維運服務。就 TWAREN

網路架構而言，其架構主要由骨幹網路及

GigaPOP 所組成，骨幹網路主節點設備的需求主

要考量為高速交換，故盡量保持設定簡單化。下游

連線單位由 GigaPOP 接入，所有的網路應用及服

務由 GigaPOP 路由器所提供，因此在 GigaPOP

部份之設備除了具備高速交換的特性之外，更具

備了提供多樣化服務的能力。線路方面，與中華

電信及亞太固網寬頻（前東森電信）合作，租用總

頻寬90 Gbps（10 G SDH x 9）的光纖網路骨幹，

連結台北、竹科、中科及南科四主節點，再由區

域網路下接至大專院校及各研究單位。11個區網

中心中有9個區網中心以20Gbps及一dark fiber連

圖4TWAREN光網路(Optical Network)架構圖

圖2TWAREN營運工作網路(Production Network)架構圖

圖3TWAREN研究網路(Research Network)架構圖

36

接至主節點，惟東華大學及暨南大學因地理因素例

外，東華大學以15Gbps連至台北主節點，暨南大學

以10Gbps連至台中主節點。有九處區網，取得dark

fiber網段。下圖左紅線表中華電信電路，綠線表亞

太固網寬頻電路，均為10 Gbps。圖右dark fibers

（彩虹線束所標示者）由亞太固網寬頻提供。

光網路的建置是TWAREN的一大突破，雖僅

限於區網中心與主節點間的網段（東華與暨南除

外），但已給予各區網中心一個具前瞻性的網路

環境。為實現TWAREN成為世界學術研究網路的

樞紐的願景，國網中心積極地擴增與各先進學研網

的介接，並尋求與世界先進研究網路及研究機構建

立科技聯盟，TWAREN利用之前已建置並升級完

成的TANet2國際線路連接國外學研網，目前越洋

頻寬為2.5Gbps，分別在在西雅圖（Seattle）和芝

加哥（Chicago）銜接國外重要學術研究網路（如

下圖中標有綠色星雲者），與全球接軌。在西雅

圖到芝加哥之間，因向CA*Net4承租一條1GbE的

lightpath，故可透過CA*Net4藉由IP-Optical 協定

以光波長互連，大幅降低傳輸時間，對於需要低延

遲特性（low-latency）之格網應用將有相當大的幫

助。這種連線模式，並可經芝加哥與歐洲學研網進

行交換服務。

圖5 TWAREN骨幹網路、區域網路（左）和光纖網段（右）

分佈圖

圖6 TANet2/TWAREN 與國際學研網於西雅圖和芝加哥

介接

CANARIE為加拿大境內負責規劃及建置先

進網路的非營利機構。主要負責規劃建置及維

運加拿大的先進學術研究網路，並主導各項網

路先進技術研發。一九九八年起加拿大境內的

學術研究網路，CA*Net4的前身CA*Net3即為

全光纖網路，由於各連線單位對網路頻寬的需

求日增，以及新興網路應用技術研發的特殊需

求，遂重新規劃並建置CA*Net4，由於為純光纖

的網路，CA*Net4的網路架構設計允許使用者對

於網路頻寬使用具有較大的決定權，可以依需

求彈性地使用網路的頻寬，進行網路技術的研

發與實驗，為目前世界先進學術研究網路中的

先驅。

光網路是下一代網路技術及各項應用研

究的關鍵，它具有高頻寬、高穩定度、可提

供多層次的服務、及可靈活擴展等特性。目

前全球學研網，皆積極朝光網路（ l ambda

networking）發展，期以光網路的建置與發展支

援各項先進的研究與技術研發，例如，由美國

國家科學基金會(National Science Foundation)

所贊助的TransLight計畫即結合美國、歐洲、日

本等地的科學家及工程師建置一跨洲的光網路

以支援整合性e-Science研究計畫。光網路的建

置及普及，突破以往受限於頻寬及傳輸速度的

傳統網路環境，使用者可以透過彈性化的光路

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

37

徑提供(Light Path Provisioning)，自主使用、控

制進行高傳輸量的科學應用研究，對於格網(Grid

Computing)研究及其他如Video/Audio Streaming

等需要有專屬網路頻寬需求的應用，為不可或缺

的重要基礎建設。未來透過光網路，各用戶端直

接操控網路的運作，與遠端直連。藉由快速建立

所需的光通路，各種的影像訊息及資料，如新聞

畫面，可即時透過高畫質電視傳播到世界各地。

TWAREN光網路的建置及在西雅圖及芝加哥

之間向CA*Net4租用的Lightpath，為台灣開啟與

世界先進光纖學術研究網路合作的契機。前述兩

次的視訊會議及展示，即是利用TWAREN所建置

的光網路及Lightpath與CA*Net4合作，利用Cisco

Canada贊助加拿大CANARIE機構所研發的「使

用者控制光通路（User Controlled LightPath ,

UCLP）」軟體技術，自行控制、設定、建立光通

道的連接，將各自在北美持有的光通道(Lightpath)

直接串連，無須仰賴多處路由器(Router)轉接。由

於合作展示的成功，TWAREN工作團隊得以進一

步地參與UCLP的技術開發，不僅於2004年10月

中邀請CA*Net4的工程師來台，就UCLP軟體之介

面與操作開班訓練，雙邊更進行技術的交流與討

論。此外，並共同合作解決Cisco ONS 15454及

15600在SDH上支援TL1 command之技術問題，

提供 ONS 15454 SDH版本成立 NCHC Lab，

並與UCLP Lab成立跨國實驗聯盟，參與共同測

試。整個計畫現已擴展為多國的合作研究計畫，

除既有的參與單位外，國網中心、韓國的Korea

Institute of Science and Technology Information

（KISTI）、西班牙的i2CAT基金會、歐洲、以及

美國的軟體設計者及研究者皆為其研發團隊中的

一員。

除了與CA*Net4的密切合作之外，國網中心

自成立以來即積極參與國際網路社群的組織與

活動，並實際參與各項國際網路發展的規劃與合

作，APAN（Asia Pacific Advanced Network）於

1997年成立，為一非營利性的多國網路社群。其

初期的目標為提供一先進的網路平台，以供下一

代網路技術與應用的研發；之後，在國際研究網

路的連接以及跨國合作性的研究方面，都已逐漸

擴展為全球性的格局。其早期的會員有日本、韓

國、台灣、新加坡、中國、馬來西亞、及澳洲。

在其放寬會員資格後，香港、泰國、印度、孟加

拉、菲律賓、紐西蘭、斯里蘭卡也都陸續加入。

國網中心與中研院皆代表台灣參與。APAN每年固

定舉辦兩次會議，為亞太地區主要的網路社群會

議。

為促成台灣成為亞太研究網路的中樞，國網

中心積極地提昇網路服務的品質，並且提供各項

先進的網路服務，目前已建置的先進的多媒體應

用服務，如Voice over IP、Video Conference與

Video Streaming等，提供各項應用研究一網路

平台；此外，擴增國際連線、推動國際交流、尋

求國際研究合作，並與世界先進研究網路及研究

機構建立科技聯盟，以增強台灣研究創新的能量

及人才的培育，奠定台灣做為亞太知識產業重鎮

的基石，以及提升台灣的全球競爭力。國網中心

TWAREN團隊，目前與國內多位學研界專家學

者，正積極規劃下一代TWAREN，其需求主要為

IP over DWDM，簡化路由設備及設定、高可靠

性、低營運成本、以及高傳輸速率。未來，國網

中心將在TWAREN所提供的研發平台上，積極與

國際學術研究社群合作交流，透過學術研究合作

的方式，與世界接軌，使台灣擠身為世界科技先

進國家的一員。

38

文/圖:張毓秀、黃彥智、許捷甯、譚德昌、吳憲青、卓宜興、廖秀鈴、林岳晟、梁鍾鼎

國家實驗動物中心

前言 實驗動物為現代生物醫學研究的重要生物材料，其中又以囓齒類動物，如大鼠、小鼠、倉鼠及天

竺鼠等使用最多。實驗動物的品質會直接影響到實驗結果的準確性與判讀，進而決定研究成果的可

信度。影響實驗動物品質的因素有微生物、環境及遺傳等三種因素，其中，微生物為引發實驗動物

疾病，影響實驗動物健康的重要因素。然而，大部份的微生物感染為潛在性感染，並無明顯的臨床

症狀。由於不易察覺，潛在性微生物感染對生物醫學實驗的影響往往大於疾病本身，此影響包括：會

影響某些疾病模式動物的性狀表現、使實驗結果難以解釋、使同群個體間的差異增加，以致於必須增

加實驗動物的使用頭數等（Hansen, 2000）。例如，乳酸脫氫提升西每病毒（Lactic dehydrogenase

elevating virus, LDV）會改變小鼠血漿內的數種酵素濃度及免疫功能（Foster et al., 1982）；鼠類黴

漿菌（Mycoplasma pulmonis）感染會增加大鼠在長期實驗過程中產生疾病或死亡的風險、改變氣管

纖毛功能、增加小鼠自然殺手細胞（Nature killer cells）活性（National research council, 1991）、

影響繁殖率（Reyes et al., 2000）等。因此，要得到品質良好的實驗動物，除了必須維持同品系動物

遺傳背景一致外，動物必須進口自可靠的實驗動物供應單位，並配合良好的飼養管理技術，飼養於空

調、原物料及人員進出管制嚴謹的隔離飼育環境，以杜絕任何外來微生物污染的可能。微生物監測的

目的，即是要藉由對實驗動物及環境進行例行性微生物檢驗，降低實驗動物感染的風險，以達到並維

持既定的品質與標準。

實驗動物微生物監測概述

實驗動物的微生物分級 談到實驗動物微生物監測制度之前，首先必須

介紹實驗動物的微生物分級。依照實驗動物體之微

生物狀態，實驗動物分為不同的等級，其等級分類

已於2004年第二期的「國研科技」中敘述過（梁,

2004）。對不同等級的實驗動物有不同的微生物監

測方法與標準要求。國家實驗中心目前所生產供應

的實驗動物為無特定病原（ specific pathogen free;

SPF）級，另外自92年起，建立無菌動物飼養技

術，開始飼養無菌小鼠，並擬於94年2月，進口無菌

大鼠，嘗試飼養無菌大鼠。

管制病原名單的擬定 確定實驗動物的微生物等級後，接著就必須擬

定「管制病原名單（SPF list）」，以作為一實

驗動物設施之微生物管控依據。對無菌動物而

言，無論是動物體本身或其生活的隔離操作箱

內部、所使用過的飼、墊料、飲水等，皆不能

有以現代科技可偵測到的微生物。對目前生醫

研究使用最多的SPF大小鼠而言，管制病原名

單所列的微生物種類、數量及檢測方法並無統

一的標準，各實驗動物設施必須就病原的重要

性、對實驗的影響、本身的環境、經濟能力與

工作人員的能力與經驗等因素為考量，訂定屬

於自己的管制病原名單及檢測方法。例如國家

實驗動物中心與台大醫學院動物中心對小鼠的

管制病原就不盡相同，詳見表1（梁等，2004；

國立台灣大學醫學院實驗動物中心網站）。

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

39

實驗動物微生物監測的範圍與監測時間點 實驗動物微生物監測的範圍包括動物及環境

兩大部份。動物部份的監測包括檢疫與平時的例

行性微生物監測；環境部份的監測包括動物房清

潔消毒效果、滅菌鍋功能、水質、飼墊料等之微

生物監測。監測時間點由種源引進算起至實驗終

結、動物犧牲為止，詳如圖1所示。

一、 實驗動物微生物監測

（一）檢疫

檢疫的目的是使所有新進動物適應新環境，

並且於其間經過適當的檢查以便作到品質保證，

防止外來傳染病入侵。所有自外單位引入的動

物，皆必須經過檢疫的步驟。以國家實驗動物中

心為例，所有動物種源雖然皆進口自美國、日本

或歐洲等信譽可靠的實驗動物供應設施，並隨箱

附有最近期的健康監測報告，但仍視為外單位新

引進的動物。由於動物由感染到病原至產生可檢

測到之足量抗體，大約需要11~12日，因此新進動

物必須經兩週的檢疫，未發現異常，始可進入本

中心動物房。檢疫期間，微生物監測人員必須檢

視其最近一次的健康監測報告，了解動物的微生

物狀況，並收集動物糞便、呼吸道、消化道及血

清等檢體，檢查是否有本中心管制病原菌感染。

（二）例行性實驗動物微生物監測

微生物雖然是引起動物疾病的重要因素，

但是絕大部份的微生物感染確為無症狀的潛在

性感染，無法以肉眼即時發現，而成為動物房中

隨時引爆傳染病的來源、在實驗進行中，造成動

物突然生病死亡、或影響到實驗數據的準確性。

因此動物房必須定期對動物房抽取一定比例的動

物進行例行性微生物監測，以及早發現病原，防

止感染擴散。抽檢的動物應涵蓋兩性別與不同年

齡層，以提高病原的檢出機會，一般而言，年幼

的動物對病原的感受性較高，適於作病原分離培

養；成年動物體內已有抗體產生，適用於以血清

學方法進行病原（特別是病毒）抗體檢測。國家

實驗動物中心每季定期對該中心生產之SPF實驗動

物，每個動物房每個品種抽取6-8頭，以微生物培

養及血清學方法進行該中心管制病原菌之微生物監

測。對無菌動物則每季以腸內容物抹片之革蘭氏染

色、微生物培養及血清學方法，每月採檢其糞便作

微生物培養進行無菌狀態的確定。

二、例行性環境微生物監測

（一）動物房清潔消毒效果

動物房在引進新種源或動物移房之前，必須

清空，以消毒酒精、稀釋漂白水噴霧擦拭、福馬

林煙燻等方式進行環境清潔消毒，並通過微生物

檢測後，始可重新啟用。微生物檢測的項目有空氣

落菌、器具表面（如籠架、牆面、飼料桶…等）的

菌落數檢測，及以生物滅菌指示劑檢測福馬林煙燻

效果。生物滅菌指示劑含有如枯草桿菌之類的試驗

菌孢子，經培養如有生長現象，指示劑會變色（例

如由藍色變成黃色，如圖2）。微生物檢測及格標

準，以國家實驗動物中心為例，30分鐘空氣落菌

數（於TSA）及器具表面每16cm2菌落數必須小於

3；於煙燻前，隨機放置於籠架、置物櫃、動物房

上下八個角落，煙燻後之生物滅菌指示劑於36±2

培養24小時，不變色始通過檢測。飼養無菌動物的

隔離操作箱則在每次引進或移出動物後，以無菌棉

棒擦拭其內壁取樣作微生物培養，經室溫及36±2

培養2週，不得有微生物生長現象。

（二）滅菌鍋功能監測

滅菌鍋為維持SPF及無菌動物不受微生物污染

最重要的設備，所有進入隔離飼育區或隔離操作箱

的飲水、飼料、墊料等物資，皆須經過高溫高壓滅

菌，以殺死所有殘留微生物，避免污染到飼養的動

物。相對地，飼養帶有傳染病原的負壓動物房的廢

棄物及用過的物品，亦須經過高溫高壓滅菌後，始

可運到外面丟棄或清洗，以避免造成人畜感染。因

此滅菌鍋除必須定期維修外，亦必須定期進行滅菌

40

功能檢測，以確保其正常運作。目前國家實驗動物

中心是以生物滅菌指示劑每月對SPF隔離飼育區之

滅菌鍋進行功能檢測，高溫高壓滅菌後之生物滅菌

指示劑經55培養24小時，不得有變色現象，始通

過檢測。為避免生物滅菌指示劑內含之試驗菌孢子

成為另類污染源，本中心無菌動物飼育區使用化學

性之滅菌試紙檢測其滅菌鍋功能（如圖3）。

（三）水質及飼墊料的微生物監測

水、飼料與墊料為動物房重要的可能污染源。水

容易滋生細菌，尤其是綠膿桿菌（Pseudomonas

aeruginosa），不但在水管內緣形成不易清除的生

物膜（biofilm）、能在養份極低的環境下（如蒸餾

水中）生存（Edstrom and Curran, 2003）。

綠膿桿菌對免疫功能不全動物而言，為重要的

機會性病原，因此，動物房必須定期對動物飲

水進行微生物監測。其中，綠膿桿菌為動物飲

水之最重要監測項目。實驗動物飼、墊料，由

於在廠商運送儲存期間，可能會受到野鼠啃咬

或蟲害，極易成為如沙門氏桿菌等消化道病原

之感染源（Thibert, 1980），因此在進行飼墊

料的微生物監測時，必須特別注意有無消化道

病原。目前國家實驗動物中心每月皆對SPF動

物房滅過菌之未使用過動物飲水、動物房用逆

滲透水源及自動給水系統之水樣進行綠膿桿菌

檢測。由於本中心動物房所使用之飼墊料皆經

*：僅對免疫不全動物作檢測

表1國家實驗動物中心與台大醫學院動物中心之管制病原菌名單與檢測方法比較

管制病原菌 國家實驗動物中心 台大醫學院動物中心

管制 管制

（） 檢測方法 （） 檢測方法

Bordetella bronchiseptica （） 培養 （） 培養

Clostridium piliforme （） ELISA （） ELISA

Corynebacterium kutscheri （） 培養 （） 培養

Mycoplasma pulmonis （） 培養、ELISA （） ELISA

Pasteurella pneumotropica （） 培養

Pseudomonas aeruginosa （）* 培養 （） 培養

Salmonella spp. （） 培養 （） 培養

Staphylococcus aureus （） 培養

Streptococcus pneumoniae （） 培養

Ectromelia virus （） ELISA （） ELISA

Hantavius （） ELISA （） ELISA

Kilham’s rat virus （） ELISA

Lymphocytic choriomeningitis （） ELISA （） ELISA

virus

Minute virus of mice （） ELISA （） ELISA

Mouse adenovirus （） ELISA （） ELISA

Mouse hepatitis virus （） ELISA （） ELISA

Pneumonia virus of mice （） ELISA （） ELISA

Reovirus Type 3 （） ELISA

Sendai virus （） ELISA （） ELISA

Sialodacryoadenitis virus （） ELISA

SV-5 （） ELISA

Theiler’s murine encephalomyelitis virus（GD VII） （） ELISA （） ELISA

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

圖1實施微生物監測的時間點

41

過高溫高壓滅菌，因此，目前並未對SPF動物房使

用之滅菌過飼墊料進行例行性微生物監測。然而

在無菌動物部份，則每月皆對其動物使用過之飲水

及飼、墊料取樣進行微生物培養，以確定其無菌狀

態。

結語 為維護實驗動物的品質，各實驗動物設施皆

須訂定微生物監測制度，並嚴格執行之。近年來

由於實驗動物飼養管理技術及公共衛生的不斷進

步，許多以往實驗動物的常見病原，如沙門氏桿

菌（Salmonella spp.），已逐漸難以在現代化之

實驗動物設施中發現。相反地，由於亦有一些新興

病原陸續被發現，如幽門螺旋桿菌（Helicobacter

spp.），是近年來被國外納入大小鼠管制病原菌名

單的新病原。此外，檢驗技術的精進，使檢驗結

果的準確度增加，有些培養耗時或不易培養的病

原菌，亦能以其他方法檢測到，提高監測效率，並

大幅減少監測成本。每隔一段時間，本中心亦必須

對微生物監測制度加以檢視，對本中心管制病原菌

名單進行適度調整，以使本中心所生產的實驗動物

圖3化學性滅菌試紙上：未經過高溫滅菌程序，「121」字為淡紅色下：經過121高溫滅菌程序，「121」字變為綠色

圖2生物滅菌指示劑滅菌完全：經培養後指示劑不變色（維持藍色；如圖右4管）滅菌不完全：經培養後指示劑變色（變成黃色；如圖左1管）

能符合現代生醫研究的水準，使之能提供可信的研

究數據，並兼顧本中心營運的成本考量。本中心計

畫自94年度開始，擬進行鼠類幽門螺旋桿菌監測調

查，逐步建立此菌的檢測方法，並計劃將幽門螺旋

桿菌納入本中心管制病原菌名單。

參考資料

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2: 46, 2004。

2. 梁鍾鼎、吳憲青、譚德昌、林岳晟、廖淑玲、

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11. Russell et al. 1993. Lab. Anim. Sci.

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國研科技NARL Quarterly

科技

交流

43

本文以氮化鎵材料所建構的固態二極體為

技術分析重點。此一領導廠商是日本的日亞化

學公司，自從中村修二成功地利用金屬有機氣

相磊晶法（metal-organic vapor phase epitaxy,

MOVPE）在藍寶石基板上成長氮化鎵單晶，並且

製造出氮化鎵化合物半導體系列的藍/綠光二極體

後，產學研界就積極研究利用氮化鎵化合物來製

造白光二極體。相較於目前的照明光源，發光二

極體具有節省能源（為鎢絲燈泡的三分之一至五

分之一）、體積小、發光效率優良、壽命長（數

萬小時）等優點和鎢絲燈泡相較，白光LED的優

勢可說是非常明顯。因此具有成為下一世代照明

用具的潛能。國內的發光二極體雖然已經有完整

的產業鏈，但是主力的產品仍侷限在低單價的單

色二極體以及其他以戶外面板、霧燈等產品，在

白光二極體的開發上受限於日本廠商的專利技術。

雖然在相關領域的產值上全球第二、僅次於日本，

但技術的獨立自主性仍然無法擺脫日本廠商的侷

束。目前國內主要投入的廠商有光磊、國聯、光寶

等等。

技術發展 當單色的發光二極體成功的從紅色發展到藍

綠色時，如何製造一個白光二極體就引起諸多照

明設備大廠和學術界的興趣。很自然的，一種最基

本的想法就是利用三顆紅綠藍(RGB)單色二極體建

構成一個白光二極體。但是這樣的架構有以下的缺

點：（一）結構設計複雜；（二）由於紅、黃、綠

光主要是以InGaAlP材料為主，而藍、綠光則是以

InGaN材料為主，三個不同材料LED的組合使得產

文/圖:賴志遠、鄭凱安科技政策研究與資訊中心

發光二極體（light emitting diode, LED）的發展已有多年歷史。而隨著技術的發展，發光二極

體做為固態照明源（solid state lighting source）的應用也日漸廣泛。1990年日本的中村修二（Shuji

Nakamura）在日亞化學任職期間成功解決氮化鎵（GaN）磊晶（epitaxy）的諸多問題，製造出世界上

第一顆穩定發光的藍光二極體後，正式揭開了白光固態照明發展的序幕。目前在市面上所看到的白光二

極體仍限於手機的照明面板或是手持照明用設備，但從2005年開始可以預期，市面上將逐漸出現一些

商品化的白光照明設備，如同目前市面上的省電燈泡一般，強調其省電、耐久、高亮度、環保等功能。

根據美國能源部的估計，如果在2025年廣泛採用固態照明，全球將能夠節省百分之十的電能、每

年省下1000億美元的電費，同時省下金額高達500億美元的發電設備投資。日本官方報導也有類似的推

估，顯示如果日本全國採用白光二極體來當作照明源，則每一年可以省下五座核能電廠的發電量。目

前白光二極體的發光效率約為30%、和螢光燈管20%~30%相近，但遠優於鎢絲燈泡將近95%的熱能損

耗，而理論上LED的發光效率可達到70%以上，是成為最經濟發光源的第一候選。基於節能與環保兩個

因素，未來的照明設備可望以固態照明取代現有之白熾燈泡（秏能）與螢光燈管（含汞、且玻璃易碎

導致汞漏出污染環境）。所以就像電子產業以電晶體來代替真空管般，以高亮度的白光發光二極體取

代鎢絲燈泡也即將成為照明產業的趨勢。目前白光二極體的兩大材料是：（一）以氮化鎵（GaN）材

料為基底的半導體發光二極體；（二）有機發光二極體（OLED）。不過以已經推出上市的產品而言，

以半導體發光二極體較具優勢，其主要的競爭公司包括了日亞化學、General Electric、Osram Opto

Semiconductors、Lumileds Lighting等。

氮化鎵(GaN)白光二極體專利技術分析

44

品壽命不易掌握；（三）三個LED封裝在一起，散

熱問題不易解決；（四）此類的設計在混光上有

困難，容易觀察到不同顏色的光；（五）而如果

其中一個LED壞掉了，就會使得光色變調，產生額

外維護的問題。基於上述缺點，在白光發光二極

體的製作上必需另謀解決之道。最簡單的方法就是

利用螢光材料（fluorescent material）或磷光材料

（phosphorous material），將單色的LED晶粒結

合螢/磷光材料封裝在一起，這單色晶粒能夠發射

出波長較短的光子（如藍光），部份的短波長光子

會被螢/磷光材料所吸收而激發出一波長較長的光

子，如黃光或紅光等。混合此分別由單色LED與螢

/磷光材料發出的兩種不同波長的光就能形成近似

自然光（如陽光）的白光。但這一類的白光其色澤

不如目前的螢光燈管所發出的光，所以仍有改進的

空間。

發光效率、顏色和成本將是目前廠商所卻克

服的問題。一旦這三個問題克服了，自然地一個全

新的照明時代也就即將來臨。改善發光效率的主要

目的是增加單位耗能所產生的亮度，可運用的方法

有很多，例如提高內部反射層的反射係數，使光子

能夠反射到外面去而不被晶體所吸收；或是改善螢

/磷光材料的表現。另一種增加亮度的方法則是加

大LED的尺寸，如Lumileds發展出一種大尺寸的白

光LED，在5瓦耗能下所發出的白光亮度與10瓦的

白熱燈泡一樣亮。

目前製造白光二極體的主流技術仍以日亞當

初開發白光二極體所採用的構想為主（美國專利

第5,998,925號等)，利用藍光LED晶粒配合能夠

產生與黃光的螢光材料YAG（yttrium-aluminum-

garnet，釔鋁石榴石，化學式為Y3Al5O12，是一種

螢光材料），YAG受波長在400nm至530nm藍光

的照射時，會激發出長波長的黃光，黃光和藍光

混合後會形成白光。這種設計的好處是結構簡單可

靠，比早期利用三種不同顏色LED（RGB紅綠藍

三色）混合形成白光的設計來得簡單。圖1為日亞

化學以藍光LED晶粒配合黃光螢光粉所製作之白

光二極體光譜。

圖1 日亞化學以藍光LED晶粒配合黃光螢光粉所製作之

白光二極體光譜。（參考美國專利第5,998,925號）

日亞化學這項技術的成功，引起相關業者

紛紛效法，尋找具有類似功效的螢光粉體，例如

General Electric Company開發出一種含鋱（Tb）

的石榴石磷光物質（美國專利第6,596,195號），

其特性是能夠吸收紫外光或藍光並且激發出寬頻

(波長從490nm~770nm)的可見光，其化學式為

(Tb1-x-yAxREy)aDzO12；A代表Y、La、Gd、Sm

或其混合物；RE代表Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、

Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或其混合物；D

代表Al、Ga、In或其混合物。而x、y、z與a滿足

以下的關係式：2.8 < a < 3、0 < x < 0.5、0.0005

< y < 0.2、4 < z < 5。這種混合紫外/藍/可見光所

形成的白光，較接近自然光，可以說非常適用來

當作照明光源。

此外，台灣的光寶科技（Lite-On Technology

Corporation）也提出一種螢光粉體（美國專利

第6,753,646號），是一種YxMyCezAl5O15的化合

物，M可以是以下不同的元素：Tb、Lu或Yb，而

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

45

其中x + y = 3，0 < z < 0.5。改變化合物成份的

比例可以調整被激發螢光的波長。利用LED所發

出的430nm~500nm紫/藍光來激發螢光粉體，使

之產生560nm~590nm的綠/黃光；二種波長範圍

的光混合光達成白光的效果。

H i tach i，Ltd.則除了提出一種（Ca1-a-

bS r aEu b）S：Mc的螢光材料（美國專利第

6,762,551號），其中a、b、c滿足以下的關係

式：0.1 ≤ a < 1.0、0.1 ≤ b < 1.0、0.1 ≤ c ≤ 0.1，

而M則是稀土元素摻雜物（dopant），如Ce、

Yb、Gd和Tm等，能夠吸收350nm至500nm的激

發能量。與其他的螢光體不同之處在於這種螢光

材料所發出的螢光是紅色的，於是Hitachi在LED

的發光結構上作了一點小小的修正，這個新結構

能同時發射一紫外光和一波長在400nm至500nm

的可見光（藍綠光），螢光物質在吸收了紫外光

後就會發出紅光，最終呈現出來的就是混合兩種

可見光的白光。

專利分佈 本文利用Delphion專利資料庫檢索在美國

申請通過的專利技術，選擇美國專利的原因在於

大部份的廠商都會選擇在具有廣大市場的美國

申請專利，因此美國專利具有一定的代表性。

所使用的關鍵字為：（（white light LEDs） or

（white light LED） or （white light emitting

diode） or （white light LED’s） or （white light

source）），所取得專利共有205件，經由內文

判讀，排除掉其他不適用的專利，共取得56件和

白光光源有關的專利。關鍵字的選取對所搜尋的

專利數量有非常重大的關係，原則上本文所選用

的關鍵字有非常大的侷限性，只選取了和白光二

極體有關的專利，其中一些單色LED的專利則因

數量過於龐大而被排除在外。

表1是專利數排名前五大的專利權人。從專利

權人的排名來看，雖然所佔有的專利數量不多，但

一如其他的光電產業般、關鍵性專利多掌握在日美

廠商手上，例如日亞化學擁有許多基礎性的專利，

特別是在氮化鎵磊晶、藍光晶粒製程技術、黃光

YAG螢光粉相關白光二極體的專利。台灣廠商目

前在白光二極體的發展正好被日亞化學這些基礎性

和關鍵性的專利所箝制。要期待日亞化學採用專利

權利金授權的方式來讓台灣的廠商合法使用這些技

術，就目前的態勢而言是不太可能。但若能以日亞

化學關鍵性專利的弱點為目標進行專利突破，例如

針對目前藍光晶粒配合黃光螢光粉體的白光二極體

有白光色溫偏高、演色性偏低等結構性問題，發展

改進與替代的技術，不失為一在專利談判中建立有

利地位的方法。

表1 專利權人排名

Assignee Patent counts

GENERAL ELECTRIC COMPANY 4

NICHIA KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA 4

INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE 3

LITE-ON TECHNOLOGY CORPORATION 3

HARVATEK CORPORATION 2

圖2為已核准專利的各年數量分布，橘色為各

年經核准公告的專利數，紫色為上述已核准專利各

年的申請數分布。由專利核准數來看，儘管整體專

利數不多，但專利數量呈現逐年成長的趨勢。由專

利申請數來看，早在1995年就有白光發光二極體的

相關研發並有專利產出，此後專利申請數呈現與核

准數相似的成長趨勢，而達到2001年的高峰，但由

於專利從申請到核准約有18至24個月的差距，圖2

並不能反映出2002年以後最新的專利申請數，因此

2002年以後專利申請數的下降並不代表真正的情

況。從技術發展的趨勢來看，可以預期白光LED技

術仍處於開發階段，在專利技術發展上仍有許多空

間。

46

圖2 白光二極體專利申請數和核准數之各年分布。

表2白光二極體技術功效表

技 術功 效

公告年其他/應用類螢光/磷光

三色或

多色晶粒

磊晶技術/製程技術

電路設計/結構設計

19985851063

(多色晶粒)5780355

(氮化鎵磊晶技術)

19995998925

(YAG材料)

2000

6069440(YAG材料)、

6084250(紫外光+RGB磷光材料)

6163038(LED設計和製造方法)

6153971(螢光燈)、6165383(前驅物)

5871268(冷光源)、5887965(冷光源)、5923683

(相干性白光源)、5961201(光色調整)

19975666031(氖燈源)

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

47

6717176(有機電致發光)、

6734467(白光LED模組)、

6762551(面板用背光照明)、

6794686(白光源)、

20016234645

(LED模組系統)

6299498(LED設計和製造方法)、

6303404(InGaN LED製程)

6224240(螢光燈)、

6273589(固態照明)、

6320330(手持照明系統)

2002 6482664(製程) 6369525(電路控制)

6359724(光源類)、

6361885(有機電致發光材料)、

6474851(照明應用)

2003

6576930(螢光粉體YAG：Ce)、

6592780(摻雜Ce的磷光材料)、

6596195(摻雜tb的磷光材料)、

6603258(螢光染料/磷光薄膜)、

6608332(磷光材料)、

6614172(螢光粉)、

6614179(磷光材料配合紫外光)、

6616862(黃光鹵素磷光劑)、

6685832(磷光材料)

6641448(白光源製造方法)、

6648966(氮化鎵磊晶方法)

6508564(表面光源元件)、

6514113(碳奈米管白光源)、

6526213(燈光管材料)、

6653798(控制發光的方法)、

6628067(有機電致發光材料)

2004

6696703(磷光薄膜)、

6753648(螢光粉體)、

6812500(螢光轉換組件)、

6841804(黃色螢光粉)、

6841934(螢光粉)

6686691(三色晶粒)

6825498(II-VI族白光LED)

6689630(非晶氮化鋁的製造方法)、

6774402(P-N接面的製造)、

6805600(白光源的製造)、

6840999(磊晶方法)

6833565(omni-反射層的設計)

48

此外，松下也展出了光強在300lm（流明）、

功率20W的卡式白光LED模組。東芝也在會場

（Lighting Fair 2005）推出了高功率的照明用白

光LED模組，其白光LED是採購自美商Lumileds

和日亞化學；從展覽所透露的訊息可以看出來，

日本一些照明設備公司並不自產LED，而是向專

業的磊晶廠日亞化學或Lumileds等購買LED。畢

竟LED的製造仍有一定的技術門檻、特別是短波

長的紫外/藍/綠光LED。從東京2005年的照明展

可以預期，從今年年中開始，白光照明LED將會

陸續出現在市面上並逐步邁入一般家庭。

參考資料

1. 美國專利資料庫http://www.uspto.gov/

2. Delphion專利資料庫

http://www.delphion.com/

3. 網站資料http://china.nikkeibp.co.jp

4. S. Nakamura et al., “The Blue Laser Diode:

GaN Based Light Emitters and Lasers,”

Springer, 1997.

本文針對專利技術進行分類，並將結果列

於表2。其中其他類包括非半導體白光源（以灰

底標示）以及其他調整光色的技術，如專利號為

6,514,113的碳奈米管白光照明源，可做為未來可

能的替代技術。

結論 本文勾勒白光二極體專利技術分佈和發展的

簡圖，屬於一初步的專利分析，目的在於提供有

心投入此一領域的廠商一個簡單的背景介紹和專

利指引。從此一專利分析可以得知，目前大部份

的廠商在螢光粉體的開發是不遣餘力的，而台灣

在此一領域也沒有缺席；但是也有很多廠商並沒

有把自已侷限在固態發光二極體上，如對現有的

螢光燈提出精進的改良方法和全新的照明源(ex.

碳奈米管、有機電致發光體)等。

後記（日本東京國際照明展資料） 於2005年3月1日開始的“日本東京國際照明

展” （Lighting Fair 2005）展出了各式的高功率白

光LED，例如松下電工（Mitsushita）為了解決因

為散熱導致封裝材料老化的問題，在陶瓷封裝中

配置藍色LED，然後將把陶瓷封裝與銅底板接合

在一起。由此，LED熱量就可以通過陶瓷封裝傳

至銅底板上。這樣的做法可使LED亮度衰減一半

的壽命可長達4萬小時。此外、為了解決散熱的

問題，有的業者（小泉產業）還開發出水冷式的

LED照明模組。星和電機也推出了色溫為7000K

和3500K的白色LED、其色調和傳統的照明設備

已經相近，將更為消費者接受。星和電機是在藍

色LED添加了綠色和紅色的螢光材料，改變其配

方比例，使色溫接近家庭室內的螢光燈。目前此

類的產品將在今年4月於日本上市。同時提出上

市時程的，還有松下的白色照明LED模組、松下

將在今年春季推出藍光LED混合黃色螢光體的白

光LED，而在秋季推出混合紅色螢光體的產品。

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

49

國內利用遙測技術的單位相當多，主要是

集中於影像拍攝及影像處理部份，已累積豐富

技術與經驗，但所欠缺的是遙測儀器自主發展

能力，主因在其跨入門檻較高。有鑒於此，精密

儀器發展中心於國科會支持下，訂定光電遙測為

重點發展項目，除積極參與福爾摩沙衛星二號遙

測酬載及科學酬載研製工作外，同時進行光電遙

測技術發展，目前已完成「全景觀測系統」、蕃

薯號衛星酬載飛行體，及「光度計與影像儀」多

項地面遙測系統，並自民國90年開始進行國人

首套自製機載遙測儀「植被及國土變遷觀測儀」

(Vegetation and Change Detection imager，簡稱

VCDi)開發。VCDi經歷設計、組裝及機載取像測

試等階段，歷時2年3個月完成，其取像模組如圖1

所示。

圖1 VCDi取像模組

文/圖:蔡和霖儀器科技研究中心

前言 遙測技術能夠迅速偵測大區域面積，針對目標進行遠距離監測，其應用領域廣泛，包括防災、生

態環保、國土利用、區域安全及地球科學研究等，涵蓋日常生活上相當多層面，為一門多重領域科技

整合，對國計民生影響深遠的重要應用科技。

「植被及國土變遷觀測儀」VCDi之波段對準

VCDi研發目的為發展機載遙測系統，透過機

載測試驗證設計與組裝功能，應用於植被調查及

國土變遷監測，藉此培養光學遙測系統關鍵技術能

量，做為發展不同功能機載遙測儀器及參與衛星計

畫光學遙測酬載儀器研製的基礎。

VCDi為一多光譜儀，可提供紅、藍、綠及近

紅外四個波段影像資訊，每個波段利用一個鏡頭

取像，使用面型CCD為感測器。因而系統組裝及

測試工作必須包含個別波段鏡頭調焦、光譜範圍確

認、光輻射度校正、幾何修正及波段對準等。波段

對準目的在於確定同一目標物落於各波段鏡頭取得

之影像位置也相同，如此方能有效將各波段資料套

疊在一起成為有用資訊。

波段對準方法 多光譜機載數位取像系統分為三類，一為單

感測器掃描，一為線性感測器掃描，另一種採用面

型感測器直接取像。運用單感測器與線性感測器方

式進行掃描需要配合精確的系統姿態參數，因此除

了取像系統之外，需要另一精密姿態量測系統始可

取得面型地面影像；而採用面型陣列感測器進行取

像是直接取得二維影像。因而在無姿態測量系統且

飛機姿態不穩定前提下，只得採用面型陣列感測器

的影像。

在各波段分光方面，在單感測器與線性感測

器掃描系統中，只要在感測器前加裝該波段濾光片

50

即可界定該波段光譜範圍。使用掃描方式取得影

像有一個特性，就是這些掃瞄的點或者線並非同

時取得，必須參照各時間點上的系統姿態與位置

參數將這些點或線連結起來成為影像，同樣的，

各個波段影像的連結也必須靠各時間點的姿態與

位置參數，換句話說，對這些掃瞄取像系統而

言，同一位置的各波段影像其實是在不同時間取

得。這些不同波段之相同位置影像必須有各時間

點的姿態參數才能加以套合。反之，使用面型感

測器系統則是同時取得各波段影像，這使取得各

波段影像可以在無姿態參數的情況下進行套合。

精儀中心是在無姿態參數的前提下發展機載取像

系統，因此採用面型陣列感測器同時取得各波段

影像。

基於組裝與校準的考慮與界定光譜範圍的

要求，VCDi採用每個波段使用一個鏡頭的模組

化設計，利用濾光片界定各波段波長範圍。為了

保證各波段取得同一區域影像，必須將各波段光

機模組對準同一目標，因此特別於實驗室發展出

各波段間對準程序。

組裝上於機構設計上利用一儀器板做為基

板，各波段模組分別透過調整機構固定於此基

板，此調整機構可使各波段取像模組相對於基板

進行姿態調整。調整時採用準直儀，其調整架設

如圖2。光源使用針孔作為圖樣，利用準直儀投射

圖像使之於取像系統焦平面上的成像在一個畫素

之內。

各波段模組相對於儀器板固定後，利用推拉

式姿態調整方法使取得影像對到同一區域。結合

部位有溝漕設計，感測器模組可以進行自旋，如

此可以調整影像四邊的角度，確保各波段模組的

影像角度相同。

調整完畢後各波段的成像坐標與中心像素之

間的差，都調整到在5個像素以內。水平調整-10°

與+10°的成像位置y方向其誤差在1個畫素之內。

各波段的水平調整已經把場角差20度的兩點成像

位置y坐標相差調整到1個像素之內。經由中心點

與水平調整，取像系統各波段取像範圍已經對到

無窮遠的共同標的物上。

圖 2 波段對準架設

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

51

，，

波段對準後實際機載取像取得之新竹科學園

區各波段影像如圖3。取三個波段影像可套合成

彩色影像，圖4為套疊後之紅藍綠彩色影像圖，

右上角圓環為財團法人同步幅射研究中心建築。

機載取像驗證了實驗室進行的波段對準已經將取

像系統各波段取像範圍對到相同的範圍。

此一程序除用於波段對準外，也可用於立體

相機取像模組相對姿態調整、影像拼接及鏡頭畸

變(distortion)量測。距離固定的相機對準同一個

目標取像時，就如同人的雙眼一樣產生立體影像

並可求得三維模型，立體相機個別相機之間的相

對姿態需隨標的物的遠近調整，此姿態調整可利

用此方式進行，利用姿態調整配合焦距調整，立

體相機可以進行不同距離標的物三維模型建立；

面型感測器之空載取像系統由於單個感測器陣列

的感測器數目仍無法同時滿足解析度與取像範圍

的需求，使用多感測器同時取像之後進行影像拼

接是必然趨勢。這種多感測器取像系統中各個感

測器的相對姿態必須使各自取得不同區域影像且

圖 3 新竹科學園區VCDi取得之各波段影像

圖 4 套疊後之彩色影像

相互之間有些微重疊，個別感測器的姿態調整可

以用相同的程序進行；利用機構精確調整入射光

場角之成像位置量測可推算出成像模組於成像焦

平面的各區域的成像位置誤差，從而也可定出取

像系統畸變。

結語 精儀中心經由VCDi研製，已建立多光譜儀

波段對準技術，可快速對準波段影像資訊，此一

技術也可用於立體相機取像模組相對姿態調整、

影像拼接之取像模組姿態調整及取像系統畸變量

測。

52

文/圖:林柏州、楊元森、許芳瑋國家地震工程研究中心

非線性結構分析平台之研發

本研究以C++程式語言搭配物件導向概念與

機制，開發一套非線性靜動力結構分析平台，

名為PISA3D (Platform of Inelastic Structural

Analysis for 3D Systems) [1]。此平台可擴充

非線性材料(material)與非線性結構元素型態

(element)程式庫，以及多種不同的三維靜力與

動力分析模式，並驗證其可靠性與實用性，使

工程實務與學術研究上均可應用此軟體進行結構

設計與模擬。研究人員將可根據其研究成果，運

用本平台之擴充性，在不修改原始程式碼的情況

下，新增PISA3D程式的分析功能。

除了數值分析的技術，視覺化技術也是數值

模擬工作的重要環節。良好的視覺化環境不但能

大幅提升數值分析工作的效率，也有助於減少分

析人員在分析模型建立與分析資料解讀的人為失

誤。有鑑於目前大多數已發表的物件導結構分析

架構，大多著重在分析核心部份，鮮少著墨於使

地震是大自然最令人類無法抵抗的力量，不但難以預測，更常常造成人類生命財產的損失，例如

近年來的日本阪神地震及台灣的921集集地震，都造成了重大的災害。地震頻繁的國家無不致力於結

構物的耐震性能研究與提升，希望能正確地研究不同結構物與各種隔減震元件的靜態及動態反應，以

對抗地震災害對人類生命財產的威脅。

欲模擬結構物在地震之下的動態反應，主要有結構試驗與數值分析兩種方法。雖然結構試驗是

最真實而直接的途徑，但受限於實驗室空間大小、實驗儀器能力範圍以及試驗成本的控制，大部分的

試驗都無法對真實的目標結構系統進行，而需以縮小尺度的簡化結構，或只對結構中某些元件進行試

驗。隨著數值分析理論成熟與資訊科技的快速進展，利用電腦進行數值模擬分析已成為結構抗震領域

中不可或缺的工具。利用電腦的高速運算能力，研究人員可以快速且經濟地對多自由度建築、橋樑及

隔減震元件等結構物，進行線性或非線性的動力分析，作有效而準確的分析與模擬。另一方面，隨著

結構抗震領域的日新月異，對於數值模擬的需求也不斷改變與提升，一個永遠符合學術研究者與結構

工程師所有分析與模擬需求的軟體是不存在的。結構數值模擬軟體除了功能強大以外，更應具有充分

的使用彈性與擴充性，讓使用者或研究人員可加以擴充程式功能，才能滿足不同的實務與研究的分析

需求。

用者之視覺化架構，本研究依照結構分析的需求

與考量未來擴充可能性，規劃一套物件導向有限

元素分析視覺化架構。目前本中心已針對PISA3D

於視窗環境作業系統下，利用3D電腦繪圖技術

開發出一套幫助使用者快速檢核分析資料之圖

形檢視介面環境，名為VISA3D (Visualization of

Inelastic Structure Analysis for 3D Systems) [2]。

藉由3D視覺化的方式，使用者於進行PISA3D分

析前，可以先利用VISA3D準確地從圖形中檢核輸

入資料的正確與否，並於PISA3D分析完成後，將

分析的結果顯示於視窗圖形介面上，協助使用者

有效地從圖形中查看各項分析的結果。

非線性結構分析軟體之物件導向架構 開發本平台的最基本理念即是希望一改過

去許多有限元素分析程式的「函數導向(function

based)」概念；而希望後續的使用者與研發人

員，均能以接近真實世界的「物件」觀點來進行

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

53

工作。以非線性結構元素庫為例，傳統的函數導

向程式(例如DRAIN系列[3])的架構如圖1。若開

發者欲建立M×N種不同特性之結構元件(M種材

料與N種元素型態)，則必需在程式庫中建立M×N

個相關的判斷式。如果研究者將在程式庫中擴充

一種新的非線性材料，則原本的所有N種元素類

別都必須針對新加入的材料型態進行修改。同樣

地，如果開發一種新的元素類別，也必須在新的

元素類別相關程式碼中，考慮原本已有的的M種

材料加以撰寫。元素型態與材料型態之間的高度

耦合性(high-coupled)，影響程式的擴充性，使

得程式擴充的成本大幅提高。隨著開發的元素與

材料增加，不可避免的即是程式碼的迅速膨脹，

程式撰寫錯誤的風險亦隨之增加。

物件導向程式最大的優點在於，較易於以真

實世界的觀點，來建立程式的架構與模型。以真

實世界的觀點來看，一個結構元素型態的材料非

線性行為由材料發生，因此本分析平台針對這兩

者重新設計，將結構元素與結構材料分離。如圖

2，結構元素類別透過材料類別的介面處理其非

線性行為，而新開發的元素或材料型態可利用

物件導向語言提供的繼承技術，衍生自元素類別

(Element)或材料類別(Material) [4]。開發一新材

料物件後，無須修改任何原始碼，原本的結構元

素類別均可採用此材料。同樣若開發一新結構

元素，也可搭配原本的結構材料庫使用。

PISA3D功能介紹分析模式程式庫

目前在PISA3D程式中已開發的結構分析

模式主要分為非線性靜力分析(單步分析、力

量控制及位移控制)，模態分析以及非線性動

力分析(地表加速度歷時分析)。除了對結構直

接執行單一分析模式外，利用程式中分析模

式物件的組合，使用者亦可執行多次之分析模

式，每次分析不專限於靜力或動力之分析。例

如組合數個位移控制分析以進行結構系統的反

覆側推；或在動力分析之後進行單向側推求取

極限強度；或者是組合多個動力分析模式以模

擬餘震分析。

結構材料程式庫

PISA3D之結構材料庫目前具備六種材料:

(1) 無降伏狀態之線彈性材料。

(2) 平衡路徑包含初始斜率段及降伏斜率段的

　雙線性材料。

(3) 可模擬如鋼材料行為的兩面理論硬化材料

。其平衡路徑具備走動硬化及等向硬化兩

種特徵。

(4) 模擬RC構件行為的三參數衰減材料(參

圖1 傳統程式之非線性結構元件架構

圖2 PISA3D之非線性結構元件架構

54

見（圖3)，其參數可用來模擬構件的勁度衰

減、強度劣化及握裹力滑落效應。此材料並

可輸入兩組不同的三參數，以更準確地模擬

RC韌性容量耗盡後的行為。

(5) 雙線性彈性材料，此材料具有非線性的應力

應變平衡路徑，但永遠保持在彈性範圍，無

永久變形產生；

(6) 受壓會發生挫屈之雙線性材料，此材料在受

拉力狀態下和一般雙線性材料行為相同，但

受壓降伏後會依原加載路徑彈性卸載。

結構元素程式庫

PISA3D之結構元素庫包含五種結構元素，均可

搭配前述結構材料庫使用：

(1) 僅能承受軸力的桁架元素，此元素主要是被

應用於模擬結構的斜撐構件，或用以建立空

間桁架結構。

(2) 採用塑鉸模型考量非線性效應的梁柱元素，

即以一彈性構件兩端串聯彎矩塑鉸及剪力塑

鉸構成，進入非線性後，塑性變形全部發生

在其相對應之塑鉸，此外使用者也可依需求

選擇性加入端部剛域或內力互制曲面。

(3) 用於模擬建築結構牆的非線性牆元素，其具

備五個變形模式(參見圖4)，如同常見的結構

牆多為水平剪力破壞，本元素只有剪力變形

會進入非線性，其餘四個變形模式將永遠保

持在彈性。其搭配不同的降伏材料可模擬如

RC剪力牆及磚牆之非線性行為。

(4) 僅能考量彎矩降伏狀態的接點元素，此元素

可被應用於模擬RC結構物或鋼結構抗彎構架

的梁柱交會區。

(5) 參考Kelvin Model基本理論定義之速度型阻尼

器元素，為一個彈簧構件及一個阻尼構件

並聯所組成，用以模擬黏滯性阻尼器

(Viscous Damper)或黏彈性阻尼器(Visco-

Elastic Damper)。另外使用者可指定非線性

阻尼指數(η)模擬非線性阻尼行為。

圖3 三參數衰減材料示意圖

圖4 結構牆元件局部座標自由度系統圖

VISA3D功能介紹 VISA3D為針對非線性結構分析平台所開發的

前後級處理程式。其架構在視窗作業系統下，利

用物件導向及3D電腦繪圖技術開發而成，所採用

的開發工具為Visual C++，而視窗程式的建立則

採用MFC(Microsoft Foundation Class)類別庫。

VISA3D程式以多重文件介面(MDI)的架構加以撰

寫，使用者可同時開啟多個模型與多個視窗做互

相的比較，並提供多元化的溝通介面，讓使用者

能夠利用下拉式選單、彈出選單、工具列、快速

鍵以及滑鼠等多種方式做屬性的設定與功能的執

行。

使用者可於進行PISA3D分析前，先利用

VISA3D將結構物模型及輸入資料以視覺化的圖形

視窗顯示出來，以準確地檢核輸入資料的正確與

否，並於PISA3D分析完成後，再使用VISA3D程

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

55

式，將分析的結果顯示於圖形介面上。VISA3D

除能顯示結構物模型圖外，亦提供了結構物受

力變形圖、模態變形圖(圖5)、塑性變形分佈圖

(圖5)以及位移、速度、加速度和能量分佈歷時

圖(圖6)，其中的結構物受力變形圖與模態變形

圖，能分別以靜態以及動態方式呈現，而塑性

變形分佈圖則利用不同的顏色及圖形顯示構件

塑性區分佈的狀態及大小。

藉由物件導向程式的功能，VISA3D亦具有

可擴充的特性。VISA3D採用Microsoft Visual

Studio程式開發平台提供的MFC (Microsoft

Foundation Classes)基本類別作為視窗操作元

件。以目前VISA3D的程式架構之下，可利用物

件導向程式的繼承方式，擴充新的分析軟體資

料檔案格式，以及新的元素類型。圖7與圖8分

別為表示擴充新資料檔案格式與新元素類型的

繼承架構。 PISA3D之應用與分析實例裝置速度型阻尼器三維鋼結構動力分析

本示範實例應用PISA3D分析一棟地下一

層、地上六層之鋼骨建築，結構裝置不同特性之

速度型流體黏滯性阻尼器(FVD)構件，並同時在

PISA3D與SAP2000進行動力分析比較。結構系

統(FVDF)之模型如圖9，進行雙向非線性動力分

析。地表加速度歷時採用CHY076測站所測得921

餘震之雙向地震紀錄。圖10為PISA3D與SAP2000

分析結果之頂層側向位移比較，可看出PISA3D與

SAP2000分析結果十分接近，由此可確認PISA3D

非線性動力分析之正確性。此外在分析所花費的

時間上，PISA3D僅使用約十分鐘即完成此非線性

動力分析，而SAP2000需花費3小時才能完成分

析，由此可比較出PISA3D比SAP2000具備較高之

非線性分析效率。

圖5 VISA3D顯示3D建築物受地震反應之塑性變形量 (綠色圓圈顯示受損進入塑性區域的部份

圖6 VISA3D地震能量之累積歷時曲線

圖7 擴充VISA3D資料檔案格式的繼承架構

圖8 擴充VISA3D元素型態的繼承架構

圖9 擴充VISA3D元素 型態的繼承架構

56

圖10 FVDF短向頂層位移歷時分析結果

含磚牆RC平面構架模擬與測試

本測試實例根據參考文獻[5]，於國家地震工

程研究中心進行之實驗構架進行模擬，試體構架

如圖11所示。試驗主要採用位移控制的方式對構

架進行反覆側推。在PISA3D中根據實際構架建

立平面模型，梁與柱採用梁柱元素，磚牆部份以

結構牆元素模擬。所有梁、柱與磚牆均搭配不同

參數設定的三參數衰減材料使用。由圖12與反覆

側推的實驗數據作比較，PISA3D分析所得之基

底剪力與構架變形轉角關係曲線和實驗結果均相

當接近，代表模型與實際構架之遲滯行為十分符

合，尤其側向強度評估結果非常準確。

圖12 磚牆試驗反應與分析比較

預力構件梁柱接頭分析

本例應用PISAD分析含預力構件結構系統之

靜動態行為[6]。於PISA3D建立梁柱接頭模型與預

力式梁柱接頭試驗做比較。由於預力構件遲滯行

為是由雙線性部分的消能鋼棒，與雙線性彈性部

分的預力鋼鍵共同組成(圖13)，因此在同一座標點

上放置兩個接點元素並聯，其材料分別採雙線性

與雙線性彈性材料，以兩者之並聯反應模擬預力

構件梁柱接頭之行為。分析結果與試驗結果之比

較可見圖14，由圖中可發現使用PISA3D可相當準

確地模擬預力梁柱接頭的行為。

圖11 磚牆構架試體與分析模型 圖13 預力梁柱接頭

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

57

結論與未來展望 耐震技術的進步使得結構分析功能的需求日

益增加，對於進行實驗的研究人員而言，數值模

擬可以輔助在實驗前掌握實驗的大致結果，提高

實驗設計的正確性與實驗進行的安全性。具擴充

性的結構分析工具，亦可以輔助研究人員建立

新元素或新材料的數值模型，擴充分析軟體的功

能，提高研究成果的再利用性。而開發一個適合

工程界需求的結構分析平台，不但可以有助於縮

短工程設計成本，鼓勵工程界使用較先進的耐震

或隔減震元件，且更精確的分析結果也將提高結

構設計的品質，進一步提昇建物橋梁等結構的耐

震性能與安全性。

經工程界及學術界實際應用PISA3D且與其

他軟體及實際結構試驗比較，驗證其在預測與

分析建築材料之非線性行為有相當的實用性與可

靠度，並具備高度分析效率。PISA3D為一仍處

於成長階段的軟體，因此後續的研究者可繼續改

進其架構，並擴充其程式庫，滿足不同的分析需

求。未來本平台也將計畫與現有軟體進行整合開

發，例如搭配實驗室擬動態試驗控制軟體，擴

充為進行結構試驗的分析平台，以充分利用其程

式庫。此外對於三維結構分析軟體而言，視覺化

介面對於軟體使用性有相當正面的幫助，後續開

發者可研究擴充VISA3D圖形化輸入的前處理介

面，進一步提高使用上的便利性。

參考資料

1. Tsai, K.C. and Lin, B.Z. (2003), “User

Manual for the Platform of Inelastic Structural

Analysis for 3D Systems, PISA3D”, Center

for Earthquake Engineering Research,

National Taiwan University, Report No.

CEER/R92-04.

2. Tsai, K.C., Hsu, F.W. (2003),

“Development of Visual Post-Process

Program for an Object-oriented Nonlinear

Static and Dynamic Structural Analysis of 3D

Systems”, Center for Earthquake Engineering

Research, National Taiwan University, Report

No.CEER/R92-05.

3. Kannan, A.E. and Powell, G.H. (1973),

‘‘DRAIN-2D, A General Purpose Computer

Program for Dynamic Analysis of Inelastic

Plane Structures, User’s Guide’’, EERC/73-6

and EERC/73-22, Earthquake Engineering

Research Center, University of California,

Berkeley.

4. Gamma, E., Helm, R. and Vlissides, J.

(1995), ‘‘Design Patterns: Elements of

Reusable Object-Oriented Software”,

Addison-Wesley.

5. 翁元滔、陳垂欣、林克強、蔡克銓 (2002)，

「含磚牆鋼筋混凝土平面構架反覆載重實驗

及耐震性能評估」，中華民國第六屆結構工

程學術研討會，Paper No. G30.

6. 蔡克銓、莊勝智 (2004)，「含三角形鋼板

消能器與含預力構件構架耐震行為研究」，

國立台灣大學地震工程研究中心，報告編號

CEER/R93-01

圖14 預力梁柱接頭試驗反應與分析比較圖

58

文/圖: 葉昌偉、謝昌煥國家高速網路與計算中心

摘要 基因晶片(gene chip)可以同時針對生物體內數以千計的基因進行表現量分析，對於生命科學研

究者而言，不論是細胞生命週期、生化調控路徑等基礎研究，還是藥物研發中對於藥物作用位置的

篩選，到臨床的疾病診斷預測等方向，都是基因晶片可以應用的範圍。基因晶片的分析是相當複雜

的程序，由於分析的資料量龐大，需要應用到生物統計及生物資訊相關軟體的協助，本文將會針對

基因晶片與其資料分析方法，以及相關軟體與國網中心提供之服務做一個基礎的介紹。

基因晶片簡介與分析及應用軟體介紹(上)

前言 生物體中基因的表現千變萬化，過去生物

學家為了探究基因表現的狀況，因而有了北方墨

漬雜交法(northern hybridization)，但這只跨出

了一小步，北方墨漬雜交法有其限制，一次只能

針對一個基因進行研究。隨著各種不同生物的基

因序列不斷的被定序，也預測出生物體內基因數

量的龐大，例如酵母菌(Yeast, Saccharomyces

cerevisiae)有將近六千個基因，而我們人類也有

約35,000個基因，所以一個能即時探究成千上萬

個基因的工具—基因晶片，便因此誕生。

基因晶片的原理與北方墨漬雜交法相同，

由於DNA是由四種不同的核酸A、T、G、C組

成，而A與T、G與C有配對的特性，雙股DNA在

加熱變性(denature)後，雙股間的氫鍵會被打斷

而形成兩條單股DNA，而當造成變性的條件移除

後，單股DNA會依其互補序列，如AT與TA、CG

與GC配對，產生黏合反應(reanneal)而形成雙股

DNA，這種過程稱為復性(renature)。在基因晶

片上，上千種的單股DNA探針(probe)被固定在載

具(通常為玻璃)上，能與溶液中的單股DNA標的

(target)，如mRNA或cDNA，進行黏合反應，這

種過程我們稱之為雜交(hybridization)[1]。

目前主要的基因晶片可分為兩大類，第

一大類為在晶片上合成之寡核 酸晶片( in situ

synthesized oligonucleotide chips)，第二大類為

先合成之DNA晶片(pre-synthesized DNA chips)。

寡核酸晶片製作方式利用類似電子產業

光蝕刻的方式，進行核酸的合成，將長度約25

個鹼基的核 酸合成在約指甲大小的晶片上，這

種基因晶片的製備完全機械化，成本高，對於一

般實驗室而言負擔太大；而另一種先合成的DNA

晶片，將預先合成好的DNA探針，通常長度為

100~5000個鹼基，利用點陣(spotting)或是噴墨的

方式，固定於晶片上，由於製作成本較低[2]，目前

國內實驗室需進行基因晶片實驗時，通常採用此

種基因晶片。

基因晶片的用途[3]

一般而言，生物體內數量龐大的基因並不會

同時全部都表現，不同功能的基因會在需要他的

時候才會表現，而生物學家研究基因時，便會針

對不同狀態下去探究基因的表現，就如同一開始

所提及，以往只能研究一個或數個基因表現，自

從基因晶片的出現，生物學家對於基因體的研究

又往前邁進一大步。

而基因晶片究竟對生物學的發展帶來怎樣

的幫助呢？由於基因晶片可以偵測整個生物體

內多數基因的表現，在基因晶片發明初期，研究

人員針對不同狀態下的細胞內所有基因表現進

行研究，例如酵母菌(Yeast)的細胞週期、果蠅

(Drosophila)在變態時的發育、進行細胞分裂的人

國研科技 科技

交流

59

類老化細胞，如此便可以得知細胞在不同週期時

基因表現的差異。

另外有兩個深為研究人員注目的方向，預測

基因功能及藥物設計也都屬於基因晶片的應用範

圍。利用基因晶片針對突變細胞進行基因表現分

析，便可以精確的區分先前未知的基因，而針對

受藥物刺激的細胞進行基因表現分析，也可以用

來鑑別藥物作用的位置。

基因晶片除了可以利用在基礎研究與藥物

研發上，在臨床上還可以當做預測診斷疾病的工

具，甚至協助醫生決定治療疾病的方式。目前在

癌症的研究上，要分辨癌症的型式往往只能靠組

織及病理的角度來判斷，倘若不同型的癌症在組

織型態上差異不大時，就很容易導致分辨錯誤，

並採用了錯誤的治療方式，而基因晶片可以容易

的區分不同類型的癌症；或是在癌症早期尚未出

現病理表徵時，便利用基因晶片早期診斷癌症的

發生，而對病人做出適當的治療處置。

在傳染性疾病的問題上，許多的病原都已演

化出抗藥性的品系，甚至演化成新的病原物種，

所以在基因晶片的應用上，也都針對診斷是否遭

受感染以及研發新藥做為研究的方向。

由於生物體是一個非常複雜的系統，從細胞

分裂、發育到死亡，上千億的細胞之間如何溝通

聯繫，並且維持一個生命體的存活，都與細胞的

表現有絕對的關係，有了基因晶片這種工具，提

供了生物學家一個徹底探究生物奧妙的絕佳的機

會。

基因晶片的分析 不論是上述所提及的何種基因晶片，經過研

究人員的雜交實驗後，再透過晶片掃描器所產生

的影像，必須再透過影像分析軟體將每一個探針

所產生的影像數值化，才能讓研究人員進行更進

一步的分析。也正因為基因晶片可以同時探究成

千上萬個基因的表現，所以分析基因晶片所產生

出來的大量數據，便需要大量的統計方法以及高

速電腦參與分析基因的表現。

使用如同生物晶片這種高產量 ( h i g h -

throughput)的方法監測基因表現時，往往不能兼

顧到每個基因的個別特性，會造成實驗所的數據

與真實的基因表現產生些許的誤差，所以在實驗

時不僅要小心謹慎，也需要透過一些統計方法，

將數據正規化處理，將數據迴歸到可能的真實表

現，圖1即是利用本中心提供之BASE軟體，透過

局部線性迴歸方法LOWESS法[4]將數據正規化的

例子，圖1上是原始數據，圖1下是正規化後的數

據，圖1上的數據分布有向左上方傾斜的趨勢，正

規化後圖1下即修正了這個誤差。

圖1 上圖所顯示的是進行正規化前的數據分布，經正規化 後，數據分布就如同下圖所示。

60

在基因晶片的實驗當中，最常見的就是單一

因子下，不同基因表現的變化情形，也就是說透

過不同處理的細胞與正常細胞之間的差異，在經

過上述的正規化處理後，可以將外界的變因降到

最低，而不影響到原有的單一因子對基因表現的

影響，之後才能在相同的基準下進行有統計意義

的比較與分析，檢定得到具有表現顯著差異的基

因。

圖2 基因晶片分析流程圖

圖2為基因晶片分析主要流程，就如之前所

提及的，從影像的取得到資料的正規化，這些僅

僅是針對資料的部分做處理，其中包含了哪些的

生物意義都是未知的，在數據的分析上，除了針

對具顯著表現的基因進行分析外，還可以進行將

所得的數據歸類分析比對，也就是所謂的叢集分

析(cluster analysis)，這種分析方法可以將表現相

類似的基因歸類到一個叢集，進而去分析同一個

叢集內所有基因的關聯性。另外也可以將屬於相

類似功能基因的表現，與叢集分析一同進行，藉

以獲得相類似基因間之關係。

我們也可以利用現有已知的生化代謝反應路

徑或訊息傳導路徑進行對應分析，藉由路徑圖片

與數據資料的比對(如圖3)，再配合如時間順序或

不同階段實驗數據，可以分析而得到路徑上下游

以及替代路徑等具有生物意義的結果。

圖3 基因晶片資料與訊息傳導路徑對應圖[5]，圖有顏色的小

方塊即是基因表現資料(圖片來源http://www.biocarta.com/)

微陣列基因表現資料庫社群[6]

有鑒於基因晶片價格昂貴，且所產生出來

的資料量相當龐大，所以需要一個能將基因晶

片的數據公開並共享的資料庫，讓全世界的生

物學家、資訊學家及統計學家參與，所以一個

由歐洲生物資訊研究所(EBI)、史丹佛大學以及

Affymetrix公司等基因晶片相關研究單位及廠商設

立的微陣列基因表現資料庫社群(Microarray Gene

Expression Database Society，MGED Society)

便因此成立。這個社群的目的在於制定基因晶片

數據註解及交換的標準，並且建立微陣列資料庫

及研發相關軟體標準，並且推動在生物學界基因

晶片數據具有高品質及良好註解，最後能夠共享

這些研究成果。

Minimum Information About a Microarray

Experiment (MIAME)是一個標準，它描述了關於

基因晶片實驗最少量資訊，能夠明確的闡明基因

晶片的實驗結果，並且能夠被重複進行實驗，這

也是一個基因晶片資料庫的標準格式。

MicroArray and Gene Expression (MAGE)

提供了一個基因晶片表現資料展示的標準，使

得不同來源的基因晶片資料可以相互交換。他們

國研科技NARL Quarterly

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61

與OMG(Object Management Group)合作建立

了MAGE-OM(MAGE-Object Model)做為基因晶

片資料交換的原型，MAGE-ML(MAGE-Markup

Language)做為基因晶片資料交換的格式，其

中MAGE-OM以統一模型化語言(UML，Unified

Modeling Language)做為基礎，而MAGE-ML

以可延伸性標示語言(XML，eXtensible Markup

Language)建構而成，MAGEstk(MAGE Software

Toolkit)，收集了許多不同平台上MAGE-OM與

MAGE-ML之間的轉換器工具軟體。

基因晶片分析應用軟體 由於生命科學研究人員對基因晶片分析的需

求，業界以及學術界都推出許多基因晶片相關的

分析應用軟體，從單純進行影像處理、正規化、

差異性表現分析、叢集分析或是資料庫軟體，到

彙整多項功能的整合性軟體都有，下列表1、2為

依功能區分軟體與整合性軟體的比較表。

有了前述的基因晶片標準，基因晶片數據的

分析與交換便有了一個標準的平台，在目前可取

得的基因晶片分析應用軟體中，許多也都按照該

社群制定的標準，其中BASE(BioArray Software

Environment)是一個結合標準基因晶片資料庫與分

析軟體的環境平台[7,8]。

BASE是一個完全免費的網頁介面的基因晶

片資料庫解決辦法，能夠處理大量的基因晶片數

據，從生物實驗的資訊、基因晶片所產生的原始

資料、原始影像，也提供了內建與外插的方式進行

正規化、資料瀏覽與分析的工具。BASE是由瑞典

Lund大學的三位研究人員Lao H Saal, Carl Troein,

Johan Vallon-Christersson開發而成，目前陸續都

表1 基因晶片分析軟體分析比較表--依功能區分（記號代表為免費軟體）

分析流程 免費軟體方法 軟體 系統平台

Image processing

Windows NT 4.0 SP5 or Windows 2000

GenePix

ArrayVision Windows

ScanAlyze Windows

F-scanWindows, MacOS, Unix

(MatLab is required)

P-scanWindows, MacOS, Unix

(MatLab is required)

Normalization

ScoreCard

pin to pin normalization ArrayVision Windows

AMAIDA Windows, MacOS

CLUSFAVOR Windows

ArrayStat Windows

Filtering CLUSFAVOR Windows

Differential expression

analysis

PaGE Unix

F-scanWindows, MacOS, Unix

(MatLab is required)

62

P-scanWindows, MacOS, Unix

(MatLab is required)

MAPS Windows NT 4.0 SP5

ArrayStat Windows

SAM Windows Significance analysis MAPS Windows NT 4.0 SP5

Clustering

Hierarchical, K-means clustering, self-

organizing map(SOM)

Hierarchical, K-means clustering, self-

organizing map(SOM)

Hierarchical clustering, Single linkage, UPGMA

linkage, Complete linkage

Weighted Voting(WV), k-nearest neighbors(KNN), SOM

Plaid Model

K-means clustering, self-organizing

map(SOM)

Cluster/TreeView Windows

J-Express Windows, Mac OS, Linux

CLUSFAVOR Windows

GeneCluster Windows, Mac OS, Linux

PLAID Windows

XClusterWindows, Mac OS,

Linux

Hierarchical, K-means clustering, self-

organizing map(SOM), PCA, Support Vecter

Machine

GenesisWindows 2000, Linux,

Solaris, Tru64

Classify

Principle Components Analysis(PCA)

AMAIDA Windows, MacOS

Principle Components Analysis(PCA) CLUSFAVOR Windows

Microarray database AMAIDA

Windows, Mac OS, Linux

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63

表2 基因晶片分析軟體分析比較表--整合性軟體(記號代表有該功能但方法不明)

整合性

軟體

功能

與特性

SpotFire DecisionSite for Functional

Genomics

Silicon Genetics

GeneSpringGeneX BASE

Affymetrix Data Mining Tool (DMT)

BioDiscovery GeneSight

InforMax Vector

Xpression

OS

Windows, Mac OS or

Solaris

Windows, Mac OS or

Unix(Linux or Solaris)

Linux, Solaris, Mac OS, Windows

Linux WindowsWindows,

Linux, MacOS

Windows

Statistical test

Spotfire DecisionSite

Statistics

t-test, 2-way ANOVA test, 1-way post-

hoc test

Multi- Experiment Viewer Tool

ANOVA

Normalization sixteentransfo

rmations

LOWESS, Global

median ratioLOWESS

Global, Control-

based, M vs. A Plot, LOWESS

Filtering Visual

Filtering Average

value...etc

ClusteringHierarchical,

K-means clustering

Hierarchical, K-means, QT

clustering

Hierarchical, K-means

clustering, Self-

Organizing Map

Hierarchical clustering

Self- Organizing

Map, modified Pearson’s Correlation Coefficient

Hierarchical, K-means,

neural network clustering

Hierarchical, K-means

clustering, Self-

Organizing Map

Classify

Principle Components

Analysis (PCA)

PCA, SVM PCA PCA PCA

Other tools

R connector, combined with DecisionSite

for Lead Discovery

OpenDX, R MDS, plug-in

Matrix Analysis

Tool, Virtual Array

Dynamic Enhancement

System

Pathway mapping

Pathway Views

MAGE

Microarray database MySQL MicroDB

Freeware

Othersonly for

Affymetrix GeneChip

64

有更新版的發行，尤其是這個基因晶片分析環境

平台是完全免費使用，安裝程式、原始檔、操作

手冊等都可以經由網路免費取得，對於學術單位

進行基因晶片分析研究有相當大的幫助。其網址

為http://base.thep.lu.se/。

BASE資料庫依照了MGED社群所制定的

基因晶片實驗最少量資訊 ( M I A M E )的規範所

建立，其中包含了實驗設計、樣品製備、雜

交過程、資料取得以及基因晶片設計等部分

(如圖4 )，資料輸出依照MAGE-ML的格式，

資料輸入亦可依照M A G E - O M物件的規範。

系統主要的架構以PHP與C++等語言所建構

而成，後端為MySQL資料庫，前端為Apache網頁

伺服器，使用者可透過瀏覽器使用該系統介面，

圖4 BASE基因晶片資料庫架構(圖片來源http://base.thep.lu.se/)[8]

圖5為系統架構。

目前本中心亦安裝BASE基因晶片資料庫分

析系統（圖6），提供給國內學術單位參與使用測

試，網址為http://bioinfo.nchc.org.tw/base/。

參考資料

1. 葉昌偉 (2002) 《交互雜交問題的探討與探針

設計》，國立陽明大學解剖暨細胞生物學研

究所生物資訊學程碩士論文。

2. Harrington, C.A., Rosenow, C., and Retief,

J. (2000) Monitoring gene expression using

DNA microarrays. Curr Opin Microbiol 3,

285-91.

3. Young, R.A. (2000) Biomedical discovery

with DNA arrays. Cell. 102, 9-15.

國研科技NARL Quarterly

科技

交流

65

圖5 BASE系統架構(圖片來源http://base.thep.lu.se/)[8]

4. Workman, C., Jensen, L.J., Jarmer, H.,

Berka, R., Gautier, L., Nielser, H.B., Saxild,

H.H., Nielsen, C., Brunak, S., and Knudsen,

S. (2002) A new non-linear normalization

method for reducing variability in DNA

microarray experiments. Genome Biol 3,

research0048.

5. http://www.biocarta.com/

6. http://www.mged.org/

7. Saal, L.H., Troein, C., Vallon-Christersson,

J., Gruvberger, S., Borg, A., and Peterson, C.

(2002) BioArray Software Environment

(BASE): a platform for comprehensive

management and analysis of microarray

data. Genome Biol 3, SOFTWARE0003.

8. http://base.thep.lu.se/

圖6 國網中心提供的BASE基因晶片資料庫分析系統

掌握趨勢提升競爭力專訪儀器科技研究中心陳建人主任

66

成長及求學背景

儀器科技研究中心主任陳建人博士，年少時期可說

完全是在新竹地區十八尖山周遭度過，儘管從小學至高中

都在不離方圓兩公里的區域就學，但這完全沒有限制住他

寬廣的視界與研究科學的企圖心。高中畢業以後，陳主任

以優異的成績同時考取成功大學機械工程系及國防醫學院

醫學系，而在樂於解決各種科學難題之個性的驅使下，最

後選擇至成大就讀，並於民國五十九年、六十一年分別取

得學、碩士學位。

產官學研工作經歷

在民國六年代，正是外商大舉來台投資建廠的時

期，陳主任的第一份工作是在福特六和汽車公司擔任產品

開發處工程師。當時陳主任是在該公司千餘份的應徵函裡

被精挑細選才錄取的十一位優秀青年之一。於任職兩年期

間的傑出表現，深獲外籍主管的肯定與鼓勵，可說是公司

積極培養的人才。

雖然外商公司待遇極佳，陳主任總覺得這僅是為外

國企業服務，因此民國六十四年在政府的號召及愛國心的

驅使下毅然遞出辭呈，以自身專長報效國家，投入國防部

中山科學研究院參與青蜂飛彈計畫致動系統工作。在中科

院服務六年後，由於績效卓越，獲選派進修。陳主任申

請至美國史丹福大學就讀，於四年內完成航空太空暨機械

工程博士學位後回國服務。不久即晉升為簡任技監研究員

並擔任飛彈致動器組長及天弓、天劍計畫致動器系統負責

人。

於中科院服務期間深感科技政策制訂與科技管理之

重要，雖工作繁忙，仍於七十九至八十二年間，赴政治大

學企研所科技管理班進修三年，對日後從事科技研發管理

工作大有助益。

當初陳主任在黃前主任的一再邀請下，亦為中心光

學、真空、光機電等強項技術吸引，因此在中科院服務了

二十一年後，決心轉換跑道投入儀科中心。對此陳主任表

示這是一種機緣，而能與同仁共事更是緣份。如今陳主任

加入中心已邁入第十個年頭，在他的領導下，這些過去即

被他看好的技術果然逐漸開花結果，不但整個研究團隊在

近年來相繼發表不少廣為各界肯定之研發成果，也使儀科

中心在去年獲得中華民國科技組織績效評鑑優等的殊榮。

陳主任在中科院服務期間曾在國立清華大學動機所

兼課，至儀科中心後繼續在國立清華大學開光機電整合課

程，教學深受學生的喜愛，上述工作經驗讓陳主任更加了

解產官學研機構的運作方式。

生活簡單

陳主任平常除了在辦公室及居家外，公餘之暇的休

閒活動就是爬十八尖山。由於十八尖山靠近科學園區，因

此陳主任也經常在山上碰到國家實驗研究院的李院長及院

內各單位爬山同好。

對儀科中心法人化後的期許

陳主任表示三十年前儀科中心的成立有其時空背

景，現已由公務機關轉成法人機構，在思維上必須大幅

度轉變。中心已長期培養許多特殊的技術能力，隨時準備

好爭取機會，目前國家實驗研究院要求儀科中心增加自籌

比例，陳主任在深入瞭解產業界的需求及評估中心的實力

後，認為應可達成目標。

近年來，儀科中心積極發展儀器科技、整合儀器資

源並加強技術服務，例如以光學技術來說，從磨鏡片、

鍍膜、組裝成光機系統直至整合測式，全部是自己完成

的。曾有多位國際知名專家學者如瑞典Lund大學趙光安

教授、美國Carnegie Mellon大學姚詩訓教授、NIST姜傳

康博士在參觀後，皆表示儀科中心具有完整的儀器整合技

術，對國內前瞻研究的發展至為關鍵。未來陳主任將帶領

中心除了繼續專注於創新研發外，更將加強原有技術推廣

與對產學各界之技術服務，並積極主動爭取外界委託執行

研究計畫，活化組織運作。

文：吳佳穎/圖：陳建人儀器科技研究中心

國研科技NARL Quarterly

人物

專訪

67

盡心盡力出類拔萃創造豐富璀璨的人生專訪科技政策研究與資訊中心蔡嘉寅主任

文：許嘉惠/圖：王惟貞科技政策研究與資訊中心

1963年懷著忐忑不安的心情，滿載夢想的行囊，

一張單程機票及美金200元的旅費，年輕的蔡主任前往

美國普渡大學攻讀生化遺傳學碩士學位，指導教授為知

名遺傳學家及美國科學院的院士，蔡主任是他第一位台

灣學生，他的用功向學、早出晚歸從不懈怠，讓指導教

授對他印象深刻，並給予他直接攻讀生化遺傳學博士學

位。1967年是蔡主任人生最燦爛的一年，在獲得博士學

位之路，蔡主任更是一路過關斬將，2月第二外國語(德

文)檢定合格，5月通過博士資格考，8月更是迅速的在二

週完成博士論文並獲得學位（其中由當時還是女友的現

任夫人協助完成論文打字）。同年9月完成終身大事。

1967-1969年，蔡主任畢業後繼續留在普渡大學擔任博

士後研究員，二年後，蔡主任同時獲聘於University of

Georgia及Georgia Institute of Technology(Georgia

Tech)。在這過程中，Georgia Tech，更直接聘任為副

教授，此時蔡主任的指導教授獲知後，立即與普渡大學

商討「像這麼優秀的人才，一定要盡全力留他下來為普

渡效力」。在當時，聘任師資是採多元匯集，蔡主任的

優秀，讓母系破例聘任。面對三個學校的邀約，蔡主任

幾經思量並感念普渡大學栽培多年，最後決留在普渡大

學展開長達31年的教學研究生涯。

蔡主任雖在碳水化合物及澱粉合成領域成果豐碩，

但仍決定另求發展。70年代初期遺傳工程開始發展，

蔡主任憑藉既有的知識，未深入著墨這類相關著作，

便寫了有關蛋白質基因調控機制的研究計畫，並送往

National Institutes of Health(NIH)審查，審查後的結

果受到不少批評，使他體會到隔行如隔山，後來在NIH

擔任計畫複審委員，更學習到許多專家學者撰寫研究計

畫思慮的周詳及完整，深刻領悟到「人外有人，天外有

天」。加上之前李先聞院士勉勵蔡主任「當你有重要事

情要來臨時，你必須要做好萬全的準備」及「當你在一

個特別的身分和地位的時候，你所做的任何一個決定都

可能會造成重大的影響，因此得特別的謹慎小心」的兩

句建言，都使蔡主任銘記於心。

漂泊的遊子也會有思鄉情懷，一天開車行駛在滿

林楓樹的道路上，看著楓葉緩緩飄落，收音機裡傳來熟

悉的歌曲「黃昏的故鄉」，一聲一聲呼喚著遊子的心。

1994年蔡主任提前自普渡退休，回到台灣大學擔任教

職。當時台大給他的薪資遠不如普渡的優渥，但滿懷理

想及熱誠，他堅持要為台灣的農業生技打拼因而歸國效

力。在台大十年，他曾擔任植物學系主任，亦負責籌設

台大生物技術研究中心。1999年10月正值籌備工作緊

鑼密鼓時，蔡主任意外發現自己罹患惡性肺癌，一股強

烈的使命感，促使他抱病工作也要將工作告一段落才開

刀，幸而得到李元麒教授及楊泮池教授兩位醫師的治

療，才能有驚無險的平安渡過。有了這次體驗，讓他更

加珍惜得來不易的生命，蔡主任也以此勉勵同仁「每天

都要很認真努力的渡過，盡情享受生命中的每一天」。

蔡主任表示，科技政策中心的同仁在工作上表現優

異，讓他以身為中心主任感到無比的驕傲。對於未來的

發展，著重重點發展推動，推動科技關鍵議題的政策研

究，活用既有的資料庫體系，並提供加值服務分析，期

許未來中心能成為國家科技政策及促進科技創新之重要

驅動樞紐。

掩星現象(Radio Occultation)淺說文／圖：劉代瑜國家太空中心

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68

科技小百科

光在不同介質的傳播速率不同，因此，當

光由一種介質進入另外一種介質時會發生折射

現象。一個明顯的例子：筷子放入裝水的杯子

中，筷子看起來好像彎了。這是因為光在空氣

與水中速率不同，而造成光的折射。而沙漠中

海市蜃樓的誤會（如圖1），也是起因於光在

冷熱空氣中不同的傳播速率所造成。

無線電波的傳播在不同介質中也會產生

折射的現象。因此，在軌道運行的人造衛星，

運用無線電波與其它人造衛星或地面控制站互

相傳送資訊時，均有可能受到大氣層的折射。

利用這項折射原理而發展出掩星技術(Radio

Occultation)，可以推算出電波訊號所受到的折

射，進而得到介質的成份與狀態。

第一個應用無線電波掩星技術的實驗，

是1965年發射至火星的衛星Mariner 4。由

Mariner 4衛星所發送的無線電波受到火星大

氣層折射後，被位於行星背後的地球接收站接

收，所量測的無線電波行經路徑，比原預定時

間延誤0.007微秒到達地球，並比理論計算多

出2公尺（如圖2）。電波掩星技術需要穩定且

精確的無線電波，經由所收到訊號的強度、頻

率及相位資料，科學家們反推出火星大氣層的

密度、溫度隨著高度的變化，並進一步得知火

星表面的氣壓為4.1到7.0毫巴（地球表面的氣

壓為1013毫巴）。

掩星技術應用範疇，包括行星的大氣層

（包括電離層），行星環等研究。而應用掩星

技術的衛星，則有Pioneers, Viking, Voyager,

Galieo, Mars Observers等。掩星技術目前已

發展為新且有效的遙測技術，結合全球定位衛

星（GPS）則可應用在地球上的觀測，福爾摩

沙衛星三號即為應用此一技術的科學衛星（如

圖3）。福衛三號是由六顆微衛星所組成，不

斷環繞地球的衛星星系，每顆衛星上皆搭載了

GPS訊號接收器，收集GPS無線電波受到地表

大氣折射後的訊號，此訊號提供了地球表面大

氣層及電離層垂直分布結構的詳細資訊，可做

為天氣預報、研究全球氣候變遷和研究電離層

的基本資料。

圖2 Mariner 4 衛星所發送層折慎後，被位於行星背後的地球接 收站接收市蜃樓

圖1 光線在較高溫的空氣中產生折射現象，造成海市蜃樓

圖3 福衛三號為應用掩星技術結合全球定位衛星的科學衛星

科技

小百科

69

國研科技NARL Quarterly

奈米碳管–Carbon Nanotubes文／圖：丁志華國家奈米元件實驗室

1985年，英國的Dr. Harry Kroto與美

國的Richard Smalley教授之團隊合作，發

現籠狀的富樂林分子（cage-like fullerene

molecules，C60），當所有碳原子以六邊形

（hexagonal pattern）排列，碳以平面的石墨

片（graphene sheet）存在，但在富樂林分子

存在有五邊形碳結構（pentagons），故平面

的碳原子能形成中空的球（bulky ball），如圖

1所示；1990年德國Dr. Wolfgang Kratschmer

的團隊與美國Dr. Donald Huffman的團隊展示

大量產生富樂林的方法，在一氦氣環境中，

將電流通過兩個接觸的石墨電極（graphite

electrodes），產生的熱汽化石墨，當氣態

的碳冷卻時形成富樂林分子，受到他們研

究的啟發，日本NEC公司的飯島澄男博士

（Dr. Sumio Iijima）將兩個石墨電極保持在

短的距離（電弧放電氣化法，arc discharge

evaporation method），通電流時便在電

極之間產生火花（spark），他於1991年發

現微細的碳針（carbon needles）- 奈米管

（nanotubes），成長於負電極上，為奈米科

學開啟了一個新的紀元。

自從1991年飯島澄男博士發現奈米碳

管（carbon nanotubes，CNTs），或稱

碳奈米管，立刻吸引全球科學家廣泛的研

究，發展出其他的製備方式，例如碳化矽

的昇華分解（sublimation decomposition of

silicon carbide）、雷射輔助熱爐管的合成

（laser-assisted synthesis in a furnace）、

和以過渡金屬（鐵、鈷、鎳等）為催化劑

（catalyst）、以氫/氣為載氣、含碳原子氣

體（甲烷、乙烯、乙炔等）為反應氣體的微

波電漿化學氣相沉積法（microwave plasma-

enhanced chemical vapor deposit ion，

M P C V D）及高溫爐管法（ t h e r m a l

furnace）。奈米碳管看似由平面的六邊形碳

(hexagons)石墨片捲曲成中空管狀（graphene

sheets rolled up into tubes），尖端則由其他

碳結構【如五元環及七元環（pentagons and

heptagons）等】共同封閉起來，如果由單層

石墨片捲曲而成，稱為單壁奈米碳管（Single-

walled carbon nanotubes, SWCNTs），如

圖2所示，如果由兩層（含）以上之石墨巢

狀圓柱組成（cylinders nestling one inside

the other），如同蘇俄洋娃娃（Russian

dolls），稱為多壁奈米碳管（Multi-walled

carbon nanotubes, MWCNTs），如圖3所

示，多壁奈米碳管大部份具有金屬的導電性質

（metallic），單壁奈米碳管則因成長方法/條

件不同可能展現半導體（semiconducting）或

導體的特性。

奈米碳管直徑從幾奈米（nanometer）

到幾十奈米，具有優異的材料特性，實驗量

測顯示其楊氏模數（Young’s modulus）大於

1000 GPa、拉伸強度/應力(tensile strength)

約150 GPa，機械軔性（stiffness）較商業

化碳纖維佳，相當高的熱傳導速率(thermal

conductivity)，熱傳導係數約2000 W/m.K，導

電性的奈米碳管其電阻率約10-4 Ω.cm，且在無

熱排放（heat sink）下，電流密度負載可達到

109 A/cm2，是現今沒有任何金屬可承受的電

流密度；經過十餘年對奈米碳管的研究，累積

了諸多實際和有潛力的應用，導電性的奈米碳

管可用於冷陰極場發射顯示器（field emission

70

display，圖4(a)）、觸媒的支撐、鋰離子電

池的陽極、化學與遺傳學的探針、超高零敏

度氣體感測器（gas sensor，如CNTs吸附氧

氣）、氫氣的儲存（電動車的燃料電池）、與

積體電路多層導體內連線（interconnect，圖

4(b)），而半導體奈米碳管則可應用於電化學

的超級電容器、掃描探針顯微鏡（scanning

probe microscope）、電子元件如電晶體

（transistor，圖5）和機械式非揮發性記憶

體、奈米鑷子（nano tweezers）。

圖1 富樂林分子（fullerene molecule，C60）的結構

圖2 單壁奈米碳管（Single-walled carbon nanotubes, SWCNTs）

圖3 多壁奈米碳管（Multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs）

(a) 冷陰極CNT場發射顯示器

(b) CNT積體電路多層導體內連線圖4 導電性奈米碳管的應用

圖5 CNT場效電晶體

71

活動報導Activity Report

國網中心南部事業群新建大樓落成網路維運中心TWAREN心臟啟動

文/圖：陳之言國家高速網路與計算中心

國家高速網路與計算中心(國網中心)南部事業

群新建大樓，一月三十日上午在南科園區內與南部

科學工業園區管理局，及警政署保安警察第二總隊

第四大隊第二中隊聯合舉行三棟新建大樓完工啟用

典禮。典禮由總統府黃崑虎國策顧問、台南縣蘇煥

智縣長、國科會謝清志副主委、南科管理局戴謙局

長、國家實驗研究院(國研院)翁政義董事長、國研

院李羅權院長、國網中心莊哲男主任、保二總隊梁

建銘總隊長一同主持啟用，並與來自園區的奇美電

子廖錦祥董事長、日商住華科技大迫一義董事長、

AIT高雄分處經濟組江偉林(William Johnson)組長及

園區公會曹典章總幹事等所有貴賓合力轉動齒輪，

象徵行政、研發、保全已齊備正式開啟大門為南部

地區產學研服務;活動現場另有「科技世紀婚禮」來

自園區內因工作結緣之28對新人，在與會佳賓共同

見證祝福下完成終身大事，同時也象徵南科未來將

有更多生力軍投入南科新興產業聚落!

國網中心南部事業群新建大樓位於南部科學

園區的行政服務區內，緊鄰南科管理局大樓及國

際會議中心，生活機能良好，為提升南區工程計

算與網路應用技術研發能量而設置。基地面積三

萬四千六百坪，總樓地板面積二千八百坪，設計樓

層為地上六層、地下一層，是為建置「台灣高品質

學術研究網路」(TaiWan Advanced Research and

Education Network, TWAREN)之「網路維運中

心」（Network Operation Center, NOC）、及電腦

與網路設備機房暨研究維運人員辦公室使用，並以

建築抗災結構穩固、機電架構完善、全年無休運轉

為目標。

該大樓為國網中心主要三核心點之一，定

位為網路維運中心，與竹科本部計算資源中心、

中科格網維運中心(建置中)各自賦予責任，三者均

兼具服務與訓練基地及資料異地備援之功能。網

路維運中心主要負責TWAREN網路的維運，採全

年24小時無休之維運制度，即時監控TWAREN網

路現況及機房機電等維運環境，同時也將分擔網

路監控、測試等工作，作為網路實驗和研發優良測

試環境，以其嚴密的安全系統與防護設備，確保網

路維運品質；同時也將扮演網路儲存中心的角色，

利用TWAREN之卓越傳輸效能與先進網路骨幹，

支援「台灣知識格網」（Knowledge Innovation

National Grid, KING），提供異地資料備援及災害

救援等服務；此外也提供完善的遠距視訊與教學環

境，將成為發展視訊格網與多媒體數位學習的關鍵

據點。國網中心將以此國家級研發資源，積極推動

光電及生科技術研發平台，並提供專業軟體訓練課

程，以提昇南部地區之高科技研發能量。

(左起)新人代表、南科戴謙局長、黃崑虎國策顧問、

台南縣蘇煥智縣長、奇美廖錦祥董事長、

國科會謝清志副主委、國研院翁政義董事長

72

活動報導Activity Report

國科會謝清志副主委以國研院指導長官及證婚

人代表，祝福28對新人何其「三生有幸」，因為南

科「生活、生態、生產」已然形成優質環境，從華

衛二號衛星影像中也可以預見未來南科繁榮精彩可

期。南科園區在整體團隊齊心努力下，已經快速發

展成新一代科學園區的典範，深信將可持續擴大引

進關鍵性技術與產業，結合南部週邊產官學研發展

台灣另一波新經濟的成長並與全球接軌。總統府黃

崑虎國策顧問代表陳總統向在場貴賓致意及祝福，

相對於日昨兩岸包機直航空中大門敞開歷史性的一

刻，更值得一提的是台灣科技經濟競爭力已經站上

國際舞台，這一切都要感謝我們的廠商努力，也嘉

勉來自園區的在場新人繼續努力，在這最高產值的

園區上歡喜結緣相愛一生!

台南縣府大家長蘇煥智縣長開心地預告2005

年南科向前大躍進，代表國家R&D最高科技單位中

研院農業生產中心、及成大實驗大樓將於年底前進

駐，目前將近95%的進駐率值得慶祝;配合南科快速

成長，未來還有南科世貿中心、國際村社區、 LCD-

TV專業園區及電信園區各項建設都將啟動，南台灣

的驕傲邀請大家一起來分享!南科管理局戴謙局長感

性地說:「有夢最美、希望相隨、美夢成真」，八年

來總算有了自己的家，感謝大家的努力與鄉親長期

的忍受;「造房、娶妻、生子」人生大事，也因為28

對新人中41位區內15位區外連結而融合一體，未來

這一片世界園區，也希望能有來自國外好友的喜悅

加入，相信南科絕對可以完成南北均衡發展的核心

目標。

國研院翁政義董事長指出，南科以驚人速度短

短七年營業總額突破千億大關，從甘蔗田中沖出亮

麗成績單實在可喜可賀，南科在景氣低迷中仍舊形

成目前的IC半導體、光電、生物科技產業聚落，國

研院將投入更大型及尖端研究計劃，例如已與成大

合作成立奈米中心，積極發展國家奈米科技，未來

也將爭取更多經費投入南科建置完成之科技產業研

究平台，一起打併為南部地區高科技產業發展開創

新里程。國研院李羅權院長表示，國研院目前已有

國網中心、奈米實驗室、國家晶片系統中心進駐南

科，實驗動物中心也與成大醫學中心合作，去年國

家太空中心福衛二號也與成大防災中心合作即時支

援南亞救災衛星圖像; 另外去年底「科技政策研究與

資訊中心」及「儀器科技研究中心」剛加入國研院

實驗室團隊，未來國研院也將更有效地整合學術研

發資源，推動產學研發合作平台，共同培養科技人

才，提昇前瞻科技研發邁向國際化。

國網中心員工心目中的高科技夢想與實踐家莊

哲男主任於剪綵儀式中，特別感謝所有給予支持與

鼓勵的貴賓，同時也開心的宣佈國網中心開啟網路

新世紀「南部事業群新建大樓」正式營運，未來網

路專業人員將進駐南科提供專業服務，也將持續與

國內大學進行網路技術合作研究，歡迎有創新研發

與前瞻使命的科技人才加入團隊。同時莊主任也正

式宣告台灣高速網路與計算能量已站穩腳步，國網

中心能夠代表國家實驗室首先進駐南科正式運轉深

負使命與榮耀，我們也會繼續努力推動台灣高速網

網路計算與科技研發成果推向國際，推動台灣成為

全球學術研究網路的亞太樞紐，再造南科成為台灣

資訊科技產業重鎮的夢想!

國網中心莊哲男主任(右三)與國科會謝清志副主委(右五)與貴

賓共同剪綵

73

國研科技NARL Quarterly

活動

報導

民國93年12月下旬，國家地震工程研究中心

（以下簡稱國震中心）建物組，提出一項史無前例

的現地結構實驗計畫，擬對花蓮縣新城國中之ㄧ棟

舊校舍，在拆除之前，發揮其剩餘價值，而進行一

系列之現地結構試驗。經過一個月的密集規劃，在

94年1月16日學期結束，試驗團隊開始進場，並於1

月30日成功地完成任務。本試驗乃全國首次於現地

進行的實體建物結構破壞實驗，突破以往僅能在實

驗室進行縮尺試體實驗的限制，成功地取得最真實

且完整的校舍結構試驗資料，對校舍耐震能力之研

究有極大的貢獻，也是國內大型結構試驗技術重大

的突破。

在歷年來之災害性地震中，國民中小學校舍

皆為破壞最嚴重的一群建築物，因此儘速透過補強

的手段來提昇校舍的耐震能力，實為當務之急。

然而既有國民中小學校舍數以萬計，若無經濟有效

之法，如此龐大之補強數量極易耗盡財源，而難以

成功。針對校舍結構耐震能力提昇之問題，教育部

委託國震中心提出解決之程序，國震中心提出簡易

調查及初步評估之方法，有效地將校舍結構之耐震

能力排序，以縮小問題之規模。對於耐震堪虞之校

舍，依嚴重程度，由工程之專業人員，進行結構耐

震之詳細評估及補強之設計。此外，國震中心更驗

證耐震補強工法之可行性，供工程師參考應用，同

時提出結構審查程序，讓補強設計更為嚴謹。

新城國中待拆之舊校舍為二層樓鋼筋混凝土結

構，南北走向呈一字型，在每一樓層中，南北兩側

花蓮縣新城國中校舍耐震能力現地試驗文/圖：邱聰智、黃世建、鍾立來、簡文郁、葉勇凱國家地震工程研究中心

各三間教室，中間為川堂，乃典型之既有校舍。

在實驗之規劃中，南側作為反力構架，北側即為待

測構架，試驗佈置如圖1所示，利用6具油壓千斤

頂架設在川堂二樓及屋頂梁版間，藉由南側教室的

反力，對北側教室進行單向推垮測試。經由現地試

驗，吾人更進一步確認既有校舍結構之耐震能力，

使耐震評估更能反映真實校舍之行為，圖2為靜態

推垮試驗之載重與位移關係。

由於首次嘗試現地試驗，事前準備工作相當繁

瑣，動員人力物力也相當龐大，因此全體工作同仁

無不戰戰兢兢，深怕錯失任何一個環節。1月19日

人力機具移師到花蓮新城國中後，即開始展開試體

準備工程及測試系統佈置，於1月27日開始進行試

驗。試驗開始進行前，安排了簡單的開幕式，邀請

新城國中校長及師生參與，首先由國震中心蔡克銓

主任致詞（圖3），再由建物組黃世建組長介紹本

次試驗的目的及其重要性，最後由國震中心簡文郁

博士對學校師生進行防震教育（圖4），介紹校舍

於地震發生時常見的破壞型態，讓在場師生充分了

解適當的逃生方法及時機。開幕式後，蔡克銓主任

即宣布試驗開始，6具油壓千斤頂緩慢的往前推，

校舍的破壞序列逐一呈現，配合佈置大量的量測儀

器，進行測試資料集錄，獲得校舍真實耐震行為的

寶貴資料。

本次試驗之主要項目有：

1. 靜態側向推垮試驗－此為本試驗最主要之項目，

透過本試驗將有助於了解校舍在抵抗側向地震力

74

的能力與其受力變形的程度。

2. 門窗功能試驗－可觀察門窗受地震力後，能否

正常開啟，此為師生能否在面臨地震時順利逃

生之重要影響因素之一（圖5、圖6）。

3. 磚牆面外倒塌試驗－國內之校舍常用磚牆作隔

間牆，若磚牆因地震而作面外倒塌，則將危及

師生之生命安全。

4. 微震量測－可得知校舍之自然週期，以做為日

後校舍耐震設計之重要參考資訊。

油壓千斤頂2F平面圖

B構架立面圖

推倒方向

推倒方向

斜撐

圖1試驗佈置

圖2推垮試驗之載重與位移關係

活動報導Activity Report

5. 柱損毀後之承重能力試驗－測試校舍柱在損毀

後，其垂直承載之傳力機制，以尋求緊急補強

之措施。

6. 材料性質取樣統計分析－於試驗結束後，對校

舍之鋼筋、混凝土及磚牆大量取樣並對其作材

料試驗，有助於瞭解校舍之耐震能力。

經由這一系列之試驗，可對既有中小學校舍之

耐震能力有更深入的認識與瞭解，下一階段國震中

心實驗團隊（圖7）則將進行校舍耐震補強之現地驗

證，預計於今年暑假期間進行。

本試驗得以順利展開，實有賴花蓮縣新城國

中與花蓮縣政府提供如此寶貴之機會。另外，教育

部國教司提供部分經費，大漢技術學院土木系、國

立台灣科技大學營建系及國立台灣大學在試驗過程

中，也提供諸多寶貴的意見與協助，於此一併致上

最深之謝意。

國研科技NARL Quarterly

活動

報導

75

圖7國震中心現地結構試驗團隊

圖5門窗功能試驗實驗前 圖6門窗功能試驗實驗後

圖3開幕式蔡主任致詞 圖4防震教育簡文郁博士演講

76

國家實驗研究院與成功大學及台灣師範大學簽訂學術合作協議

國家奈米元件實驗室為鼓勵台灣各大學院校師

生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之

軟硬體設備資源，定期於每年11月舉辦學界合作

研究座談會，以讓各界更加了解本實驗室共同合

作開發的目的及相關辦法。為徵求94學年度的合

作計畫，國家奈米元件實驗室於93年11 月4 日及

93年11 月11 日分別於南科辦公室及新竹奈米電

子大樓舉辦「國家實驗研究院國家奈米元件實驗

室合作研究座談會」。

此次的座談會北區及南區共計有92人參加，

會中除說明國家奈米元件實驗室的合作研究成

果、合作研究申請辦法、合作項目草案及服務使

用現況外，並有合作教授與國家奈米元件實驗室

的合作研究經驗分享與成果說明。各單位對國家

奈米元件實驗室提供完整的安全訓練並有經驗豐

富的高級研究人員、工程師及技術人員可供諮

國家實驗研究院

各實驗室動態

詢，讓學校的教學研究可以在花費不多的狀況下完

成實驗表示高度的贊許；未來亦將與國家奈米元件

實驗室共同由矽基半導體製造技術走向奈米製造技

術，提昇台灣在奈米技術的國際研發水平。

國研院與台師大

簽訂學術合作協議

後，本院李羅權院

長(右)與台師大前

校長黃光彩博士合

影，攝於國研院院

部。

國家奈米元件實驗室

繼去年與國立清華大學、國立交通大學以及國

立中央大學之後，本院於今年1月18日及3月2日

又分別與國立成功大學、國立台灣師範大學簽訂

學術合作辦法以及學術合作協議書，合作內容涵

蓋人員合聘、科技研究合作以及研究生訓練等項

目，象徵本院朝推動國內科技合作以及擴大支援

學術研究的目標又邁進一大步。

93年學界計畫合作研究座談會

兩項協議書的簽訂是由本院李羅權院長分別與

成功大學高強校長以及台師大前校長黃光彩博士，

在國研院董事長翁政義博士，以及雙方高階主管的

見證下完成的。國研院對擴大支援學術研究，分享

科技資源，以及促進科技研究合作一向不遺餘力，

未來期能藉由學術研究合作方式，與其他國內研究

機構在科技研發與應用科學的推廣上共同努力，以

強化國家實驗研究院扮演的角色及功能。

國研院與成功大學簽訂學術合作辦法後留影，左起：本院李羅權

院長、翁政義董事長以及成功大學高強校長，攝於成功大學。

93年學界計畫合作研究座談會

77

國研科技NARL Quarterly

各實驗

室動態

美國學校學生參加地震工程教育訓練

為了將地震工程及其應用落實於一般學生之日常

生活中，國家地震工程研究中心接受台北美國學校之

申請，於3月15日對於其九年級之七十三名學生，進

行別開生面的地震工程教育訓練相關活動。

本次活動一共分為兩個部分：一為地震工程之觀

念介紹，另一個則為小型之義大利麵屋競賽。地震

工程觀念之介紹主要著重於介紹何謂共振、何謂週期

與頻率，並利用在現實生活中可輕易得到的單擺與音

叉等器材，搭配地震中心特有的小型振動台由淺入深

的告訴同學們地震與結構物之間是如何造成共振的效

應。第二個部分則是利用簡單的義大利麵條，讓同學

們親手進行抗震結構物之設計與製作，並將所學習到

的地震工程相關知識當場應用。活動在十八組同學製

作的義大利麵屋輪番在小型振動台上接受嚴苛的地震

測試中達到了最高潮，隨著地震強度的不斷上升，現

場也充滿了歡呼聲與尖叫聲。比賽的結果分別由第一

組、第十三組與第十七組同學獲得前三名，在簡單的

頒獎儀式與合影留念後，圓滿成功的結束本次活動。

國家地震工程研究中心

同學們也依依不捨的表示，一定要再組隊參加本年的抗

震大作戰，朝更困難的層級挑戰。

地震中心的全部參與同仁與美國學校的學生合影

The 2005 TURNKEY CONFERENCE

國家實驗動物中心

為使「國家實驗動物中心－南科中心新建工程

案」之劃規、設計能更具國際觀，實驗動物中心王明

升主任、余俊強副主任及建廠小組人員赴美國SAN

DIEGO參加由A2C2 Magazine及Animal Lab News所

舉辦之The 2005 TURNKEY CONFERENCE。

TURNKEY CONFERENCE是一專門討論有關

興建或整修實驗動物設施之研討會，以講演者所提

出之實例，與與會者分享其設施規劃、興建、擴建

或整修等之經驗與教訓。為期二天的研討會，共計

討論12個議題，分別為：(1) 使飼育同一類動物之

實驗動物設施具使用上的彈性；(2) 不良設施設計所

造成的問題；(3) 如何決定設施之規模；(4) 如何使

生物安全等級三 (ABSL3) 設施既具備彈性運用空間

又能降低風險；(5) 如何以有限之預算整建ABSL3

設施；(6) 如何在一擁擠的醫學院校區興建一含動

物設施之研究大樓；(7) 試定義獨立通氣鼠籠之效能

標準；(8) 「新動物設施：計畫性的荒廢 (planned

obsolescence)？」；(9) 模組化動物飼養設施 (貨櫃屋)

的成功案例；(10) 囓齒類實驗動物飼育籠內環境之最

佳化；(11) 實驗動物飼育設施之自動化以及 (12) 生物

安全等級實驗室設計之委辦。會議議題內容豐富，實

能提供南科中心規劃設計上之參考。

王主任與余副主任合影

78

各實驗室動態

第一屆格網技術與應用研討會

WoGTA’04 Taiwan UniGrid

國家高速網路與計算中心

2004年12月7-8日國網中心假新竹舉辦第一屆格

網技術及應用研討會，共有來自台灣、美國、中國的

學者專家聚首一堂，探討「格網計算」的發展、及分

享其應用計算能量以解決各項問題之經驗，希望藉此

凝聚共識，促成技術交流與合作。會中除邀請國內外

極為知名的學者發表主題演講外，共20篇學術論文於

會中發表，是國內第一次在格網計算與應用方面徵求

審核及發表論文的學術會議。

同時會中發表由本中心與學界合作建置的格網平

台「Taiwan UniGrid」。目前Taiwan UniGrid已完成

格網基礎架構的連結，可在任何地點經由網路使用

此一格網平台上提供的資源，解決大型計算問題，未

來平台在測試運行穩定後，將逐步擴大格網平台的規

模。Taiwan UninGrid計畫參與人員，金仲達、李冠憬、許慶賢教授（右至左）及特別講者美國UCSD教授Andrew Chien博士（右二）

本次研討會報名人數超過140人，可見國內學界反

應相當熱烈，希望此研討會能產生帶頭作用，日後每年

舉辦一次。

本中心與國立成功大學防災研究中心合作，就福

爾摩沙衛星二號升空取像半年以來，對台灣地區所拍

攝八公尺分辨率之真實自然色影像，進行嚴密之正射

糾正、色調匹配等影像處理工作。經篩選雲蔽率低於

百分之五的理想影像，鑲嵌處理成一幅全台灣地區相

當於萬分之一比例尺的影像地圖，於1月28日聯合發

表工作成果報告。福衛二號非常獨特地提供每日再

訪、自主操控、快速處理的衛星影像，應用在國土規

劃、防災救災、甚至於國際救援各方面均已發揮預期

效果。

發表福衛二號真實自然色台灣地區影像

國家太空中心

太空中心與台灣大學正式簽定福衛二號衛星

影像分送中心合約

本中心吳作樂主任於3月3日上午11時與台灣大學

陳維昭校長在台大共同簽署福爾摩沙衛星二號影像分

送中心正式合約。此次國家太空中心與台灣大學攜手

合作，將可提供台灣地區每天最即時的地面高解析力

影像。凡對衛星影像有使用需求者皆可透過台大取得

衛星影像，而台大亦提供各項加值服務，以滿足使用

者在各個應用層次的需求，例如國土規劃、環境資源調

查、災害監測、觀光遊憩管理、環境違規監測、影像地

圖製作、環境教育等。

左起：李羅權院長、吳作樂主任、翁政義董事長、台大陳維昭校長

、台大理學院王瑜院長、台大朱子豪教授

79

國研科技NARL Quarterly

各實驗

室動態

「2004晶片系統設計環境研討會」

國家晶片系統設計中心

由國家晶片系統設計中心所主辦的「2004晶片系

統設計環境研討會」於93年12月10日(五)假奈米電子

研究大樓國際會議中心圓滿落幕，而今年本中心特別

邀請國立交通大學黃威教授(晶片系統國家型科技計

畫共同主持人)來擔任貴賓致詞。

本次研討會除邀請今年矽智產設計競賽及嵌入式

軟體設計競賽之優等人員分享其設計經驗外，尚有十

七家EDA廠商前來共襄盛舉。會中並介紹本中心今年

新引進的SoC/IP相關設計軟體及未來將提供之服務。

希望藉由這些軟體的引進能使IC設計者獲得事半功倍

的效果、大幅節省製造晶片及解決其難題的時間，並

讓晶片的功能發揮到極致，以研發更新、更好與更高

附加價值的產品設計，同時可將設計人員的理想付諸

實現。未來，本中心將視學術研究、產業趨勢及需求 黃威教授與本中心正副主任及同仁合影

為配合政府組織再造，精儀中心在走過31年歷史

後，於94年1月十16日改制為財團法人並納入國家實

驗研究院的組織架構，正式脫離原隸屬於國科會之公

務體系，未來將以更具彈性之組織型態進行各項技術

研發與推廣。

精儀中心自成立初期，即以提供國內精密儀器技

術之研究與服務為主要任務。近兩年中心除陸續完成

「植被及國土變遷觀測儀（VCDi）」、「奈米微流

量校正系統」、「光度計及影像儀」、「航太級大口

徑非球面鏡技術」、「心肌梗塞微型生醫檢測晶片系

統」及「微型光譜即時偵測器」等前瞻研究外，更連

續獲得「國科會技術移轉績優單位」、「行政院各機

關建立參與及建議制度優等獎」、「中華民國科技組

織績效評鑑優等獎」等各項榮譽，可說是我國精密儀

器技術領域重要的發展動力來源。

中心改制後將改名為「儀器科技研究中心」，此

一名稱已於94年3月18日國研院第一屆董監事第六次

聯席會議通過，將報請主管機關核准後正式更名，

而法人化後的首任中心主任仍續由陳建人博士出任。未

來儀科中心除了仍繼續專注於科技學術上之創新研發以

外，更將加強原有技術推廣與對產學各界之技術服務，

並積極主動爭取外界委託執行研究計畫，活化組織運

作。

陳主任於慶祝典禮致詞

精密儀器發展中心正式掛牌進入國家實驗研究院

國家儀器科技研究中心

舉辦各項研討會，並將進一步深入探討與經驗交流，以

期成為產學合作交流的橋樑。

80

各實驗室動態

93年度防救災專案計畫成果研討會

國家災害防救科技中心

「93年度防救災專案計畫成果研討會」於94年2

月17至18日假成功大學光復校區國際會議廳舉辦，

主辦單位為國立成功大學、台南市政府、防災國家型

科技計畫辦公室及國家災害防救科技中心。共有64

項重要成果於研討會中發表，並於會場展示93年度

執行防災國家型科技計畫成果海報，頒獎表揚93年

度防災國家型科技計畫績優人員，共約五百人參加，

過程順利圓滿。

研討會由台南市許市長添財及成功大學歐副校長

善惠蒞臨開幕典禮致詞，行政院林政委盛豐及美國

Colorado大學Natural Hazards Center主任 Professor

Kathleen Tierney進行專題演講後，展開為期兩天的

研討會議程。研討會分為兩天十三個議題。第一天的

議題為：（1）防救災研發課題說明與討論；（2）

計畫主管單位成果報告；（3）防災教育與人為；

（4）地震與地震工程；（5）防救災資訊說明防災

教育網站與知識庫建置計畫；（6）技術轉移。

第二天的議題為：（1）防救災體系；（2）氣象；

（3）緊急醫療體系；（4）社會與經濟；（5）洪旱；

（6）坡地；（7）協力機構。

本研討會為防災國家型科技計畫辦公室及國家災害

防救科技中心，邀請國內災害防救相關單位，將每年

度執行之重要防救災專案計畫成果，進行公開發表及討

論，並邀請國內外學者專家進行專題演講，藉由研討會

之舉辦，可了解目前國內防救災現況及促進各防救災領

域技術交流。

行政院林政委盛豐專題演講

科技政策研究與資訊中心

為配合政府組織再造，隸屬於行政院國家科學委

員會之科學技術資料中心，於民國94年1月16日納入

國家實驗研究院，正式脫離公務體系，未來可以更

具彈性之組織型態推展業務。

科學技術資料中心成立於民國63年，專責提供

國內科技研究發展所需資訊。納入國家實驗研究院

後，將加強科技政策的研究，並以「國家科技政策

研究與資訊中心」期許，配合政府科技組織調整的

過程，扮演一個推手及催化劑的角色，整合建立科

技政策研究機制與知識平台，以支援政府科技政策

規劃與評估，並促進科技創新所需資訊於產、官、

學、研界間流通與利用，以加速國家科技發展。

改制初期名稱先維持「科學技術資料中心」，並

聘請蔡嘉寅博士出任主任，於民國94年1月17日上午

假科學技術資料中心14樓會議室進行佈達典禮，儀

式由國研院李院長主持，國研院翁董事長亦親臨現

場觀禮指導。蔡主任係台灣大學植物科學研究所兼

任教授，曾任台大植物學系主任、台大生物技術研

科學技術資料中心主任佈達交接典禮

究中心籌備處主任及國科會學門召集人，其行政與管理

之經驗豐富，並曾參與行政院層級之政策規劃服務，擔

任農業科技發展策略規劃委員會副召集人，完成台灣農

業科技發展策略規劃報告書，深信未來對我國科技政策

之研擬，必能有相當大之助益。

蔡嘉寅博士出任主任

主要目的：增進本院各實驗研究單位間之相互了解與交流、對外提升本院的

知名度與形象。

稿件內容：與本院任務相關之通識性科技文章或活動報導。

徵稿對象：國研院同仁及參與本院計畫人員，文章刊登後依本院「稿酬給付

辦法」致贈稿酬。

出 版：每年1月、4月、7月、10月出刊，每季截稿日期為出刊前一個月。

聯絡人：稿件請以電子檔寄至院部蔡智華小姐。 chtsai@narl.org.tw。

敬請支持、踴躍投稿

徵

榮譽發行人：翁政義

發行人：李羅權

副發行人： 陳正宏

編審委員： 王明升、吳作樂、周景揚、倪衛新、莊哲男、陳亮全、陳建人、蔡克銓、蔡嘉寅

丁南宏、洪啟文、翁聰標、陳發林、陸璟萍

總編輯：張桂祥

執行編輯： 蔡智華

編輯小組： 汪若文、李維森、邵守麗、陳之言、陳啟彰、梁鍾鼎、彭薏蓉、蔡杰廷、謝家平

設計印刷： 活水視覺公關有限公司

發行所：財團法人國家實驗研究院

地址：臺北市106和平東路二段106號3樓電話：02-2737-8000傳真：02-2737-8044網址：http://www.narl.org.tw

中華郵政台北誌字第317號執照登記為雜誌交寄

國研科技徵稿啟事

編輯室報告

本期「國研科技」特別針對海嘯及其因應對策作一專題報導，除本院稿件外，特別感謝

成功大學水工試驗所黃煌煇所長、國家海洋科學研究中心劉家瑄主任提供海嘯相關文章，與

本刊讀者分享。

歡迎儀器科技研究中心及科技政策研究與資訊中心於今年1月16日加入國家實驗研究院

的行列。

為因應未來挑戰，配合任務調整，本院國家太空計畫室、精密儀器發展中心、科學技術

資料中心，已正式更名為國家太空中心、儀器科技研究中心、科技政策研究與資訊中心。

本期專訪儀器科技研究中心陳建人主任，擁有豐富的產、官、學、研經驗的陳主任認為

儀科中心具有完整的儀器整合技術，未來將加強原有技術推廣與對產學各界之技術服務，並

積極爭取委託研究計畫，以活化組織運作。本刊也訪問了科技政策研究與資訊中心蔡嘉寅主

任，蔡主任認為科技政策中心未來將著重推動科技關鍵議題的政策研究，活用既有的資料庫

體系，並提供加值服務分析，期許未來能成為國家科技政策與促進科技創新之重要樞紐。

感謝各單位同仁踴躍投稿，由於這期稿擠，難免有遺珠之憾，無法刊登之文章將於往後

陸續刊登。