一杯冰水的啟發… 玻璃切削技術大突破

印象中的玻璃總是硬梆梆直挺挺,一折就破,更別說彎曲了。即使是超薄玻璃,仍屬硬脆材料,也只能做到略微彎曲,彎度太大仍舊會斷裂。工研院的雷射無痕玻璃削整技術讓超薄易碎的玻璃能夠彎曲近180度,其中的關鍵就在於初裁切好的超薄玻璃邊緣缺陷,直接影響超薄玻璃彎曲能力。

photo credit: Pedro Serapio via Flickr. CC BY 2.0

為什麼讓超薄玻璃彎曲這麼重要?隨著產品輕、薄、可彎曲的發展,玻璃基板厚度已降低至小於0.1毫米,是智慧手持裝置的重要組件。然而超薄玻璃在機械初切割後,邊緣會產生微裂痕,一旦有些微碰撞扭曲即會讓玻璃變得容易破裂而不堪使用。

 

玻璃基板 智慧手機要件

簡單來說,你、我的智慧手機螢幕玻璃,若切割時有微裂痕在內,當手機掉落或碰撞時,就容易造成螢幕玻璃破損。目前業界用來消除超薄玻璃邊緣缺陷的方法不是以高分子材料包覆缺陷處補強,就是將玻璃邊緣缺陷以雷射熔融後再固化成型,但都存在耗時費工或功效有限的問題。

兩年前,工研院的軟性電子前瞻技術吸引日本玻璃大廠NEG慕名前來,希望與工研院合作OLED照明的玻璃基板開發,但NEG要求多層超薄玻璃的耐彎折強度能達到500MPa(彎曲強度),當時全球的薄玻璃彎折強度水準普遍落在200~300MPa,這對工研院團隊而言是極大挑戰,因為NEG所要求的薄玻璃,不但薄至0.1毫米,而且是多層玻璃,切割難度比單層玻璃高出太多。

工研院雷射中心團隊利用各種方式來切割玻璃,直到有一次在餐廳無意間將微加熱的透明玻璃杯裝上冰塊,結果在冷熱接觸點上,因熱漲冷縮的物理特性讓玻璃杯平整地裂開,聯想到運用雷射快速加熱讓薄玻璃面產生熱漲冷縮效應,可使玻璃沿著冷熱接觸點一一裂開,產生自然平整的「裂面」。

因為沒有使邊緣有裂痕的「切割面」,自然就沒有切割後產生的邊緣裂紋問題。團隊立即投入相關研究,但很快地就遇到困難。

如何讓雷射光能均勻適當地照射在玻璃邊緣就是一門學問,而雷射掃過的速度太快會發生裂面不連續的問題,太慢又會導致玻璃產生熔融有裂痕。還有,雷射能量參數調得太高會使玻璃碎裂,參數太低又無法讓玻璃順利「裂開」。

於是團隊與成功大學一起合作,從學理上進行模擬分析,加入實作參數而推導出「雷射劈裂超薄玻璃邊緣裂紋理論模型」。有了理論模型作為依據,有如將雷射削整玻璃技術的任督二脈打通,成功地調整出最佳參數,解決了所有困難。

 

削整技術 日大廠也佩服

當工研院研究團隊將削整好的0.1毫米多層超薄玻璃置於二點彎曲平台上,開始測試玻璃彎折強度時,全部的人屏氣凝神,注視著一端的壓軸逐漸移動擠壓輕薄玻璃,當壓軸移動到1.7公分,玻璃彎折已近乎180度,彎折強度達到日本玻璃大廠NEG所要求的500MPa而且未斷裂,實驗室爆出歡呼聲音,研究團隊對這個首創的成果感到無比的興奮,同時也讓日本NEG感到佩服!

「我們利用雷射連續照射玻璃周圍,讓邊緣因溫度產生變化,如此玻璃內部會產生應力,使玻璃斷面劈裂出一層玻璃屑,藉此就能連續移除周圍裂紋。」工研院雷射中心組長洪基彬說明「雷射無痕玻璃削整設備」的核心技術。

此項技術可解決超薄玻璃未來產業化應用切割後強度不足問題,讓玻璃基板強度更高、更輕薄並提升產能,可應用於觸控面板、軟性基板、顯示器、OLED照明等。

(本文於2016/3/31同步刊載於聯合新聞網)

 

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