TWI637087B - 用於製備藍寶石基材之漿料、其製備方法、及使用其製備藍寶石基材之方法 - Google Patents

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本揭露係關於一種用於製備藍寶石基材之漿料、其製備方法、及使用其製備藍寶石基材之方法。其中，漿料之製備方法，可包括下列步驟：混合一α-氧化鋁粉末、一分散劑、一溶劑、一粒徑抑制劑及一金屬螯合劑，以形成一混合物，並研磨混合物；其中，粒徑抑制劑係為一金屬鹽類，且金屬為鎂、鋯、或鑭系金屬；以及於研磨後之該混合物中加入一單體及一聚合起始劑，以形成一用於製備藍寶石基材之漿料。

Description

用於製備藍寶石基材之漿料、其製備方法、及使用其製備藍寶石基材之方法
本揭露係關於一種用於製備藍寶石基材之漿料、其製備方法、及使用其製備藍寶石基材之方法，尤指一種可以膠鑄成形製備藍寶石基材之漿料其製備方法、及使用膠鑄成形製備藍寶石基材之方法。
近年來，以藍寶石基板作為手機與平板的面板或背板已經是許多國際品牌努力的方向，但是藍寶石面板在製作過程中的高成本與低產量都成為這項技術實際應用上的難關，而目前工廠實際應用生產，爐體的溫度都必須達到超過攝氏1800o C以上才得以達到使用需求，而高溫爐在高於1600o C後必須更換爐體的材料，也因此高溫爐的價格也會提高十倍不止，也會造成能量的大量浪費，在電費的成本上大幅提升。另一部份在印度地區則有以製作單晶藍寶石基板來作透光氧化鋁面板的技術，但由於單晶的成長過程緩慢，產量不符合實際所需，且有大量的藍寶石單晶在拋光研磨的過程中便被磨耗掉，實際的產量可能只有藍寶石單晶的50%，成本高昂。
為有效的減少製程上的浪費的成本，有部分美國與日本的學者開始在研究如何快速的製作藍寶石單晶，並且將形狀在成形時柱狀改為板狀，可減少不必要的磨耗損失並增加產量，目前已可在模具的幫助下，成功拉出大面積的氧化鋁面板，增加產量並減少加工成本，而另一部份的學者則開始在研究如何以多晶氧化鋁製作出高密度的氧化鋁薄板，但是大多數製作出之氧化鋁面板的粒徑都過大，無法有效的控制粒徑在400nm~1000nm以內。
有鑑於此，目前亟需發展一種新的藍寶石基材製備方法，以期能以低成本製作高密度且粒徑在500 nm以下之多晶藍寶石基材。
本揭露之主要目的係在提供一種用於製備藍寶石基材之漿料及其製備方法，藉由使用此用於製備藍寶石基材之漿料，而可製作出具有高密度之藍寶石基材。
本揭露之另一目的係在提供一種使用前述漿料製備藍寶石基材之方法，其係透過膠鑄成形的方式，以製作出具有高密度之藍寶石基材。
本揭露之用於製備藍寶石基材之漿料之製備方法，可包括下列步驟：混合一α-氧化鋁粉末、一分散劑、一溶劑、一粒徑抑制劑及一金屬螯合劑，以形成一混合物，並研磨混合物；其中，粒徑抑制劑係為一金屬鹽類，且金屬為鎂、鋯、或鑭系金屬；以及於研磨後之該混合物中加入一單體及一聚合起始劑，以形成一用於製備藍寶石基材之漿料。
經由前述步驟，則可得到本揭露之用於製備藍寶石基材之漿料，包括：一α-氧化鋁粉末、一溶劑、一粒徑抑制劑、一金屬螯合劑、一單體及一聚合起始劑；其中，粒徑抑制劑係為一金屬鹽類，且金屬為鎂、鋯、或鑭系金屬。
當使用本揭露之用於製備藍寶石基材之漿料製備藍寶石基材時，可形成相密度在55%~60%之高密度生坯；而當此生坯燒結後，可得到相對密度大於99%之高密度氧化鋁燒結體。
於本揭露之製備方法中，α-氧化鋁粉末、分散劑、溶劑、粒徑抑制劑及金屬螯合劑之添加順序並無特殊限制。較佳為，先將α-氧化鋁粉末、分散劑及溶劑混合及研磨後，再加入粒徑抑制劑及金屬螯合劑以形成混合物。當先將α-氧化鋁粉末、分散劑及溶劑混合及研磨，可打破氧化鋁粉末的團聚現象，而使得混合物中的粉末分散更加均勻。此外，於本揭露之製備方法中，研磨步驟可以本技術領域之研磨方法進行，例如：球磨法。
於本揭露之漿料及其製備方法中，分散劑的使用可幫助α-氧化鋁粉末均勻分散於溶劑中，而提升漿料中α-氧化鋁粉末的固含量。在此，分散劑的種類並無特殊限制，可為本技術領域常用之幫助陶瓷粉體分散之分散劑，例如：聚丙烯酸銨(ammonium polyacrylate)。此外，分散劑的添加量可介於 0.3 mg/m2 至0.8 mg/m2 之間，較佳介於0.4 mg/m2 至0.6 mg/m2 之間。當分散劑的添加量在0.3 mg/m2 以下時，所得到的漿料接近塑性流體，有明顯的剪切變稀的現象；而當分散劑的添加量在0.4 mg/m2 以上時，所得到的漿料接近牛頓流體；而當分散劑的添加量在0.6 mg/m2 以上時，所得到的漿料表面會有一層分散劑。
於本揭露之漿料及其製備方法中，α-氧化鋁粉末的粒徑為影響所得藍寶石基材中氧化鋁粒徑的因素之一。於本揭露中，α-氧化鋁粉末之粒徑可介於100 nm至300 nm之間。當α-氧化鋁粉末之粒徑超過300 nm時，不易製得氧化鋁粒徑在400 nm至1000 nm以內的藍寶石基材。此外，α-氧化鋁粉末之使用量係以所得之混合物之固含量來計算；例如：固含量係介於30 vol%至 75 vol%之間。
於本揭露之漿料及其製備方法中，金屬鹽類之粒徑抑制劑的使用，可使所形成之藍寶石基材中之氧化鋁粒徑控制在一預定範圍內。當漿料中包含粒徑抑制劑時，由於粒徑抑制劑中的金屬陽離子會附著在氧化鋁的晶界上而取代氧化鋁晶格中的鋁，藉此可控制氧化鋁粒徑大小。在此，粒徑抑制劑可為鎂、鋯、或鑭系金屬之鹽類，如金屬硝酸鹽、金屬鹵化物或金屬硫酸鹽。較佳為，粒徑抑制劑為氯化鎂或硝酸鎂。此外，粒徑抑制劑之使用量並無特殊限制，只要能達到控制氧化鋁粒徑之目的即可。例如，粒徑抑制劑之使用量係佔漿料總重量之100 ppm至1500 ppm，且較佳為300 ppm至1000 ppm。若粒徑抑制劑的使用量過低時，則無法達到有效控制氧化鋁粒徑之目的；若粒徑抑制劑的使用量過高時，將使所製得之氧化鋁基材純度降低。
由於添加粒徑抑制劑會造成漿料分散不均，故本揭露之漿料及其製備方法中更使用一金屬螯合劑，以防止粒徑抑制劑造成漿料分散不均的問題。在此，金屬螯合劑的使用量係根據粒徑抑制劑的使用量做調整。例如，金屬螯合劑與粒徑抑制劑之莫爾比係介於0.5:1至1:0.5之間；較佳係為1:1。此外，金屬螯合劑之種類也無特殊限制，可為本技術領域已知之羧酸型金屬螯合劑，如EDTA、 NTA、DTPA等。
於本揭露之漿料及其製備方法中，溶劑之選擇並無特殊限制，較佳為可良好分散α-氧化鋁粉末之溶劑，例如：水。
於本揭露之漿料及其製備方法中，所使用之單體並無特殊限制，只要能溶於溶劑中即可，例如一含羧基、羥基或環氧基之單體。其中，單體之具體例子包括：環氧單體或丙烯酸單體。
除了前述之漿料及其製備方法外，本揭露更提供使用前述漿料製備藍寶石基材之方法，包括下列步驟：提供前述之用於製備藍寶石基材之漿料，並將漿料置於一模具中；將漿料置於15°C至65°C之溫度，以形成一生坯；以一預定升溫速度升溫至於350°C至650°C，並持溫一預定時間，以加熱生坯；以及燒結生坯，以形成一藍寶石基材。
當使用本揭露之漿料時，透過單體與聚合起始劑進行加成反應時，可於漿料中形成高分子有機物，進而使漿料定型。當漿料置於15°C至65°C之溫度進行除泡及脫水後，可形成具有55%至60%之高密度氧化鋁生坯。於除泡及脫水的步驟中，較佳為，先將漿料係置於室溫下12至48小時，而後置於35°C至65°C之溫度下另一預定時間(例如：12至48小時)，以進行脫水而形成生坯。當漿料先置於室溫下放置一段時間，可使生坯的表面不易有龜裂產生。此外，脫水的溫度不得超過65°C，且較佳不超過60°C。
在生成生坯後，以一預定升溫速度升溫至於350°C至650°C，並持溫一預定時間(例如：1至5小時)，以加熱生坯。在此，較佳係緩慢升溫加熱生坯，例如以介於0.5°C/min至2°C/min之升溫速度，升溫至350°C至650°C。此外，前述的溫度可依據漿料中高分子有機物的種類加以調整。
最後，再燒結生坯，燒結完冷卻後，可得到一藍寶石基材。其中，燒結生坯的方式、溫度及時間並無特殊限制。舉例來說，可為梯度升溫或連續升溫方式燒結生坯。其中，生坯可於800°C至1800°C下進行燒結。此外，可選擇性的再進行熱均壓步驟；在高壓及高溫的環境下，可更進一步提升藍寶石基材的密度，並提升藍寶石基材的透明度。
以下係藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本揭露之其他優點與功效。本揭露亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可針對不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。
實施例 - 固含量 50 vol% 氧化鋁漿料之製備
在此，係以日本住友公司所出售的AKP-53的α-氧化鋁 (198.5 g)做為原料，最小粒徑為180nm，且具有高純度(99.99%)及流動性佳等特點。將α-氧化鋁與去離子水(41 ml)與分散劑(3 ml, Darven 821A)混合，固含量50 vol%，放入球磨罐以5mm之鋯球進行球磨的動作，藉由此步驟來解除因為粉末細小而產生的團聚現象，球磨8至18小時。在解除團聚過後，再同時添加相同當量的硝酸鎂與EDTA (硝酸鎂600 ppm，EDTA與硝酸鎂莫爾比為 1:1)，藉由球磨的方式使其能夠均勻分散，球磨2小時後將漿料取出。
接著，於前述所得之漿料混合物中，加入水及環氧樹酯(EGDGE) (環氧樹脂 7.3 ml，環氧樹脂與水體積比為17:3)，混和攪拌2至6小時。而後，加入起始劑 (DPTA, 3 ml)，混和攪拌30分鐘，以進行加成反應。經由前述步驟後，則可得到本實施例之用於製備藍寶石基材之漿料。
將前述所得的流動性良好之漿料注入玻璃模具中密封，在攝氏室溫(25°C)放置24小時，攝氏40°C放置8小時，攝氏60°C放置8小時，解除密封達成脫水，生坯成型，並以掃描式電子顯微鏡觀察其顯微結構。
將前述所得的生坯以緩慢升溫的方式(1°C/min)升溫至500°C，持溫2小時，然後正常升溫(5°C/min)至1150°C，持溫3小時，再正常升溫(5°C/min)至1450°C，持溫2小時，以正常降溫至室溫，燒結體成型，則可得到本實施例之藍寶石基材。
測試例 1
於本測試例中，係依前述實施例所述方法製備漿料；其不同之處在於，本實施例中漿料的固含量為2 vol%，且添加不同量的分散劑。對所得漿料進行界達電位(Zeta potential)的測量，結果係如圖1所示。
由圖1結果顯示，在分散劑添加量0.5 mg/m2 的時候，其Zeta電位的絕對值最大，粉末會因同性相斥而達到良好的分散，其粉末在溶劑中的分散性最好，漿料均勻分散。
測試例 2
於本測試例中，係依前述實施例所述方法製備漿料；其不同之處在於，本實施例中漿料的固含量為10 vol%，且添加不同量的分散劑。對所得漿料進行沉澱量的測量，藉由長時間的靜置來測量不同時間的沉澱量，由此推測分散程度最好的分散劑添加量。結果係如圖2所示。
測試例 3
於本測試例中，係依前述實施例所述方法製備漿料；其不同之處在於，本實施例中漿料的固含量為30 vol%，且添加不同量的分散劑。對所得漿料進行黏度的測量。結果係如圖3所示。
由圖3結果顯示，當分散劑添加量在0.3 mg/m2 以下的漿料都接近塑性流體，有明顯的剪切變稀的現象，而添加量大於0.4 mg/m2 的漿料則接近於牛頓流體。
測試例 4
於本測試例中，係依前述實施例所述方法製備漿料；其不同之處在於，本實施例中漿料的固含量為2 vol%，且調整pH。同時，針對不加分散劑、硝酸鎂及螯合劑(Al2 O3 組別)、僅添加硝酸鎂(Mg組別)、僅添加分散劑(分散劑組別)、同時添加硝酸鎂及螯合劑(Mg+EDTA組別)。對所得漿料進行界達電位(Zeta potential)的測量，結果係如圖4所示。
由圖4結果顯示，單純添加硝酸鎂的漿料電位絕對值下降，而添加螯合劑後可有效幫助其電位絕對值上升。此外，當pH值介於8.7至9時，效果最佳。
測試例 5
於本測試例中，係依前述實施例所述方法製備漿料；其不同之處在於，選擇性的添加硝酸鎂及螯合劑。針對未添加硝酸鎂及螯合劑(50 Vol%組別)、僅添加硝酸鎂(50 Vol%Mg組別)、同時添加硝酸鎂及螯合劑(50 Vol%Mg+EDTA組別)之漿料進行黏度的測。結果係如圖5所示。
由圖5結果顯示，將添加硝酸鎂的黏度與未添加的黏度進行比較，添加硝酸鎂會使的黏度大幅提升，添加螯合劑則可以非常有效的下降黏度，幫助漿料順利分散。
在此，更將本測試例之漿料，以前述實施例所述方法製備生坯及燒結體，並以阿基米德法測量燒結體之相對密度，並以掃描式電子顯微鏡觀察其顯微結構。結果係如表1、圖6及圖7所示。
表1
由表1、圖6及圖7，將不同添加物的漿料成型之生坯與燒結體進行比較，可以明顯的發現到，同時添加硝酸鎂與螯合劑的坯體具有較高的密度，其坯體的孔隙有明顯的下降，且氧化鋁的粒徑與未添加硝酸鎂的進行比較，粒徑的大小明顯小於未添加硝酸鎂的坯體，表示添加螯合劑不但能夠增加製作過程的流動性，同時還能保留鎂離子作為粒徑抑制劑的特性，有效的減少因分散不均而造成的孔隙。
由前述實施例及測試例結果顯示，本揭露以膠鑄成型的方式製作高密度的氧化鋁生坯與燒結體，其生坯的成形方式是使漿料硬化後便直接形成生坯，因此可以改變模具的形狀做出各種形狀的生坯，做出之生坯與燒結體具有高機械強度且耐損耗，而以此種方式更可以進一步抑制燒結所造成的晶粒成長，可應用於透光多晶藍寶石的技術或是其他高密度生坯的成型。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本揭露所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
無。
圖1為本揭露測試例1之漿料界達電位測量結果圖。 圖2為本揭露測試例2之漿料沉澱量測量結果圖。 圖3為本揭露測試例3之漿料黏度測量結果圖。 圖4為本揭露測試例4之漿料界達電位測量結果圖。 圖5為本揭露測試例5之漿料黏度測量結果圖。 圖6為本揭露測試例5之生坯電子顯微鏡照片。 圖7為本揭露測試例5之燒結體電子顯微鏡照片。

Claims (18)

  1. 一種用於製備藍寶石基材之漿料之製備方法，包括下列步驟：混合一α-氧化鋁粉末、一分散劑、一溶劑、一粒徑抑制劑及一金屬螯合劑，以形成一混合物，並研磨該混合物；其中，該粒徑抑制劑係為一金屬鹽類，且該金屬為鎂、鋯、或鑭系金屬；於研磨後之該混合物中加入一單體及一聚合起始劑，以形成一用於製備藍寶石基材之漿料，其中該用於製備藍寶石基材之漿料之固含量係介於30vol%至75vol%之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該α-氧化鋁粉末之粒徑係介於100nm至300nm之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該分散劑的添加量係介於0.3mg/m2至0.8mg/m2之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該單體為一含羧基、羥基或環氧基之單體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該粒徑抑制劑係為一金屬硝酸鹽、一金屬鹵化物或一金屬硫酸鹽。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之製備方法，其中該粒徑抑制劑係為氯化鎂或硝酸鎂。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該金屬螯合劑係為一羧酸型金屬螯合劑。
  8. 一種用於製備藍寶石基材之漿料，包括：一α-氧化鋁粉末、一分散劑、一溶劑、一粒徑抑制劑、一金屬螯合劑、一單體及一聚合起始劑； 其中，該粒徑抑制劑係為一金屬鹽類，且該金屬為鎂、鋯、或鑭系金屬，其中該漿料之固含量係介於30vol%至75vol%之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之漿料，其中該α-氧化鋁粉末之粒徑係介於100nm至300nm之間。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之漿料，其中該分散劑的添加量係介於0.3mg/m2至0.8mg/m2之間。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之漿料，其中該單體為一含羧基、羥基或環氧基之單體。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之漿料，其中該粒徑抑制劑係為一金屬硝酸鹽、一金屬鹵化物或一金屬硫酸鹽。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之漿料，其中該粒徑抑制劑係為氯化鎂或硝酸鎂。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之漿料，其中該金屬螯合劑係為一羧酸型金屬螯合劑。
  15. 一種藍寶石基材之製備方法，包括下列步驟：提供如申請專利範圍第8至14項任一項所述之用於製備藍寶石基材之漿料，並將該漿料置於一模具中，將該漿料置於15℃至65℃之溫度，以形成一生坯；以一預定升溫速度升溫至於350℃至650℃，並持溫一預定時間，以加熱該生坯；以及燒結該生坯，以形成一藍寶石基材。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之製備方法，其中該預定升溫速度係介於0.5℃/min至2℃/min。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之製備方法，其中該漿料係置於室溫下12至48小時，而後置於35℃至65℃之溫度下另一預定時間，以形成該生坯。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之製備方法，其中該生坯係於800℃至1800℃下進行燒結。
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