臺灣博碩士論文加值系統

以低成本振動研磨加工設備為工具，進行超高硬度藍寶石晶體材料元件，做表面高潔度鏡面研磨與拋光加工可行性技術之研究。實驗設計以國內LED藍寶石晶體產業晶球角料元件為材料，高密度研磨子與拋光子，搭配不同粒徑之研磨砂與拋光粉，進行超高硬度藍寶石晶體材料平面與不定型元件表面細緻化振動研磨與高潔度鏡面拋光加工之可行性製程條件實驗驗證。並以高倍率顯微鏡進行各製程加工面，大面積表面加工品質放大成像觀察比對，並以AFM量測設備加工面局部小範圍之加工粗糙度比對，供做振動研磨拋光之加工原理機制探討。而實務應用元件設計開發，結合藍寶在晶體材料之特優之物理、化學、光學特性，與實驗製程中研磨拋光表面粗糙度與接觸角量測所呈現之藍寶石晶體表面疏水性之特徵比較，設計製作多功能藍寶石單晶寶石刀與各式球面與圓柱面與不定型非平面之藍寶石晶體應用元件，以建立之振動研磨拋光製程技術完成應用元件實務拋光加工，驗證振動研磨加工方法在超高硬脆材料之研磨拋光加工之可行性。

This thesis used low-cost vibration grinding equipment to develop grinding and polishing processes for high-clarity mirror surfaces of sapphire single crystals. High-density grinding cubes and polishing cubes equipped with different sizes of grinding sand and polishing powder were utilized to process flat wafer and irregular body from the scraps of LED sapphire crystal ball polishing. The optical microscope (OM), atomic force microscope (AFM) and contact angle analysis system were used to observe the surface quality, measure the surface roughness and examine the hydrophobic characteristic of each process, respectively.
As for the practical design and development of application components, this study fabricated a multi-function sapphire crystal knife and all types of sapphire components with spherical, cylindrical, and irregular shapes.

目錄
摘要 II
Abstract III
誌謝 IV
目錄 V
表目錄 表目錄 X
圖目錄 圖目錄 XI
第一章 序論 1
1.1 藍寶石晶體材料特性介紹 1
1.2 藍寶石晶體應用元件特性介紹 2
1.2.1藍寶石晶體元件應用發展特性 2
1.2.2 近期藍寶石晶體應用發展特性 5
1.3 國內現有藍寶石晶體產業狀況 8
1.4藍寶石晶體加工特性 11
1.4.1藍寶石晶體材料品質分級 11
1.4.2藍寶石晶體材料定向切割 13
1.4.3藍寶石晶體元件成型 14
1.4.4藍寶石晶體元件研磨拋光 15
1.5藍寶石晶體磨削成型理論分析 16
1.6藍寶石晶體研磨(Lapping)理論分析 20
1.7 藍寶石晶體拋光(Polishing)理論分析 22
1.8 研究動機 24
1.8.1國內藍寶石晶體角料產出分析 25
1.8.2藍寶石晶球角料特性與應用分析 26
1.8.3低成本藍寶石晶體研磨拋光技術建立 28
1.8.4多功能藍寶石寶石刀設計製作 30
第二章 藍寶石振動研磨拋光實驗設計 32
2.1振動研磨機加工原理 32
2.2高硬材振動研磨優勢特性 34
2.3振動研磨研拋特性比較 36
2.4可行性藍寶石材料振動研磨設計分析 37
2.4.1藍寶石材料振動研磨可行性探討 37
2.4.2可行性藍寶石晶體振動磨料設計選擇 38
2.4.3可行性藍寶石振磨振磨子設計選擇 39
2.4.4逐次降糙振動研磨製程設計 40
2.5可行性藍寶石材料振動拋光設計分析 43
2.5.1藍寶石材料振動拋光可行性探討 43
2.5.2可行性藍寶石振動拋光料設計選擇 44
2.5.3可行性藍寶石晶體振動拋光振磨子設計選擇 44
2.5.4細拋與精拋振動拋光設計 45
2.6實驗製程規劃 46
2.7試片製作規劃 49
2.7.1平板試件特性 49
2.7.2寶石刀試件設計 51
2.7.3比對陪製試件製作 53
2.8實驗檢測 53
2.8.1 顯微放大成像觀察顯微鏡(Microscope) 53
2.8.2 AFM接觸式原子顯微鏡粗糙度量測 54
2.8.3接觸角量測機(Contact Angle) 55
2.8.4可調變雷射光源(Q-switched laser) 55
第三章 實驗結果與探討 57
3.1製程設備、工件、耗材條件 57
3.2低道次快速跳砂振動研磨製程實驗條件結果討論 59
3.2.1製程實驗設計 59
3.2.2結果觀察 60
3.2.3製程結果描述 62
3.2.4結果探討 63
3.3可行性逐次降糙製程實驗條件結果討論 65
3.3.1製程條件修正調變 65
3.3.2實驗條件 66
3.4製程結果 68
3.4.1全陶瓷振磨子逐次粗化降糙製程結果 68
3.4.2全陶瓷振磨子逐次粗化降糙實驗結果觀察比對描述 70
3.4.3全陶瓷振磨子單製程逐次降糙製成結果 71
3.4.4全陶瓷振磨子單製程實驗結果觀察比對描述 73
3.5逐次降糙製程與單製程實驗結果比對分析 74
3.6瑪瑙振磨子逐次粗化降糙製程結果 74
3.6.1瑪瑙振磨子糙遮蔽試片A逐次粗化降糙製程結果 74
3.6.2瑪瑙振磨子逐次粗化降糙實驗結果觀察比對描述 76
3.6.3瑪瑙振磨子單製程逐次降糙製成結果 77
3.6.4瑪瑙振磨子單製程逐次降糙製程實驗結果觀察比對描述 79
3.7全陶瓷與瑪瑙振磨子逐次降糙製程實驗結果比對分析 79
3.8優化修正製程實驗條件結果討論 81
3.8.1優化製程條件修正 81
3.8.2實驗結果觀察 83
3.9AFM粗糙度量測結果 84
3.9.1量測條件 84
3.9.2量測結果 86
3.9.3粗糙度量測結果分析 89
3.10接觸角量測 89
3.10.1量測結果 89
3.10.2接觸角量測結果分析 91
3.11表面光潔度量測 92
3.11.1量測條件 92
3.11.2表面光潔度量測結果 93
3.11.3表面光潔度量測結果分析 94
3.12寶石刀優化製程實驗驗證 95
3.12.1寶石刀成型 95
3.12.2寶石刀振磨拋光 96
3.12.3觀察 99
第四章 結論與展望 101
參考文獻 106
表目錄
表1-1藍寶石材料特性表[13] 2
表1-2藍寶石單晶分級標準[28] 13
表1-3藍寶石以及氧化鋁陶瓷抗彎強度比較[14] 18
表2-1碳化矽SiC磨料番號粒徑表[15] 42
表3-1逐次降糙條件精拋面比對 80
圖目錄
圖1-1藍寶石單晶飛彈鼻罩[16] 3
圖1-2藍寶石單晶對於軍事上用途[17] 4
圖1-3藍寶石單晶各項元件[18] 5
圖1-4藍寶石單晶長晶Ky法[19] 6
圖1-5藍寶石單晶單晶體(目前最大可達200公斤)[20] 6
圖1-6藍寶石單晶對於生醫材料之用途[21] 8
圖1-7藍寶石單晶製成LED製程工序[22] 9
圖1-8藍寶石單晶設備簡圖以及藍寶石單晶[23] 10
圖1-9藍寶石單晶軸面結構[24] 14
圖1-10脆性材料加工分為脆性去除以及塑性去除[25] 17
圖1-11藍寶石單晶角料[29] 27
圖2-1振動研磨機實體圖與示意圖 33
圖2-2振動研磨研磨子流向上下翻轉、螺旋翻轉以及順時針旋轉 34
圖2-3低道次快速跳砂振動研磨流程圖 47
圖2-4逐次降糙製程實驗流程圖(陶瓷) 48
圖2-5逐次降糙製程實驗流程圖(瑪瑙) 48
圖2-6優化修正製程實驗流程圖 49
圖2-7藍寶石單晶遮蔽 50
圖2-8藍寶石單晶使用膠帶遮蔽比對前後製程 51
圖2-9藍寶石單晶寶石刀製作流程 52
圖2-10 AFM粗糙度量測設備原理[26] 54
圖2-11接觸角量測(接觸角為θc)[27] 55
圖2-12 雷射頭與接收器量測藍寶石穿透度 56
圖3-1振動研磨機外觀 57
圖3-2(a)陶瓷振動研磨子(b)瑪瑙振動研磨子 58
圖3-3藍寶石單晶製程試片 59
圖3-4低道次快速跳砂振動研磨製程流程圖 60
圖3-5 低道次快速跳砂振動研磨製程10倍成像 60
圖3-6低道次快速跳砂振動研磨製程50倍成像 61
圖3-7低道次快速跳砂振動拋光製程50倍成像 61
圖3-8逐次降糙製程實驗流程圖(陶瓷) 67
圖3-9逐次降糙製程實驗流程圖(瑪瑙) 68
圖3-10粗化降糙遮蔽A試片×50倍顯微放大之前後製程交界面成像 69
圖3-11粗化降糙×100倍顯微放大各製程面成像 69
圖3-12粗化降糙×200倍顯微放大各製程面成像 70
圖3-13單製程降糙遮蔽B試片×50倍顯微放大各製程面與光學面交界成像 72
圖3-14單製程降糙×100倍顯微放大各製程面成像 72
圖3-15單製程降糙×200倍顯微放大各製程面成像 73
圖3-16粗化降糙遮蔽A試×50倍顯微放大之前後製程交界面成像 75
圖3-17粗化降糙×100倍顯微放大各製程面成像 75
圖3-18粗化降糙×200倍顯微放大各製程面成像 76
圖3-19單製程降糙遮蔽B試片×50倍顯微放大各製程面與光學面交界成像 77
圖3-20單製程降糙×100倍顯微放大各製程面成像 78
圖3-21單製程降糙×200倍顯微放大各製程面成像 78
圖3-22優化修正製成實驗流程圖 83
圖3-23逐次降糙製程×100倍加工面顯微放大成像 83
圖3-24逐次降糙製程×200倍加工面顯微放大成像 83
圖3-25單次降糙製程×200倍加工面顯微放大成像 84
圖3-26 AFM對各逐次降糙製程試片表面量測 85
圖3-27 AFM對各逐次降糙製程試片表面量測 85
圖3-28 AFM對各逐次降糙製程試片表面量測 86
圖3-29 AFM對各逐次降糙製程試片表面量測 86
圖3-30全陶瓷振磨子逐次降糙製程試片粗糙度量測結果 87
圖3-31瑪瑙振磨子逐次降糙製程試片粗糙度量測結果 87
圖3-32優化製程逐次降糙製程試片粗糙度量測結果 88
圖3-33製程陶瓷振磨子粗糙度量測結果 88
圖3-34製程瑪瑙振磨子粗糙度量測結果 89
圖3-35電子級高潔度拋光面接觸角量測 90
圖3-36全陶瓷振磨子逐次降糙製程接觸角量測結果 90
圖3-37瑪瑙振磨子逐次降糙製程接觸角量測結果 91
圖3-38優化逐次降糙製程接觸角量測結果 91
圖3-39雷射量測藍寶石試片光潔度示意圖 93
圖3-40雷射穿透藍寶石試片漫射示意圖 93
圖3-41陶瓷振磨子逐次降糙製程表面光潔度量測結果 93
圖3-42瑪瑙振磨子逐次降糙製程表面光潔度量測結果 94
圖3-43優化製程實驗表面光潔度量測結果 94
圖3-44寶石刀初成型 96
圖3-45 220#去刮 96
圖3-46 325#振磨4小時 96
圖3-47 600#振磨4小時 97
圖3-48 800#振磨4小時 97
圖3-49 1200#振磨4小時 97
圖3-50 3000#振磨4小時 97
圖3-51 3μm振拋6小時 98
圖3-52 1μm 振拋20h 98
圖3-53 0.3μm 振拋10小時振拋 98
圖3-54 0.3μm10振拋小時振拋+0.05μm 振拋10小時 98
圖3-55表面去除振動研磨拋光示意圖 99
圖3-56(a)藍寶石寶石刀分解圖(b)藍寶石寶石刀組合圖 100
圖3-57(a)自發光藍寶石寶石刀(b)小圓棒與釘狀元件以及擦光棒 100

參考文獻
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[16]http://www.melleroptics.com/shopping/shopdisplayproducts.asp?id=716
[17]http://alphynind.com/military-technology-on-the-iphone-5/
[18]http://www.norcaprecision.com/machined_sapphire.shtml
[19]研究計畫結案報告；合約編號：華機 95 專案字 011 號。job.cust.edu.tw/job/rdc/d/10.pdf
[20]http://rubicon-es2.com/index.php?page_id=1
[21]www.cc.ntut.edu.tw/~wwwdtl/94dtl/class/01_design/02_bien.pdf
[22]http://www.ledinside.com.tw/knowledge/20071120-1219.html
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[25]蔡宗河編譯，「陶瓷的機械加工；第六章陶瓷的磨削加工」，全華科技圖書股份有限公司，1991年。
[26]http://web1.knvs.tp.edu.tw/AFM/ch4.htm
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