透明陶瓷的技術發展(上)：材料世界網

翁雪萍、張名惠、莊凱翔、邱國創／工研院材化所

透明陶瓷屬於結構陶瓷的其中一類。於陶瓷工藝中，透明陶瓷是指具備一定透光性的多晶材料，因此又被稱為光學陶瓷。由於透明陶瓷不僅在光學表現上優於傳統玻璃或樹脂類的光學材料，更在強度、硬度、耐腐蝕與耐高溫的特性表現中相當優異，因此可應用於條件極度嚴苛的環境或是工程設計當中，如國防工業、特殊工業設備等，未來技術發展上具有極大潛力。

【內文精選】

前　言

陶瓷(Ceramics)主要分為傳統陶瓷與精密陶瓷，其中精密陶瓷又細分為結構陶瓷(Structural Ceramics)、切削陶瓷和功能陶瓷（如圖一(a)）。透明陶瓷(Transparent Ceramics)屬於結構陶瓷的一種。而結構陶瓷大致可分為氧化物、氮化物、碳化物及硼化物四大類別（如圖一(b)）。一般而言，陶瓷是不透明的，主要原因是陶瓷結構本身具有的氣孔缺陷(Porosity Defects)、雜質(Impurity)以及晶界(Grain Boundary)條件限制。晶界是結構相同，但取向不同的晶體界面。在晶體界面上，原子排列會從一個取向過渡到另一個取向，故晶界處的原子排列會處於過渡狀態。當光入射於陶瓷結構時，會因為折射與散射作用的關係，使光線幾乎無法穿透結構體。也因不透光特性無法應用於光學領域上，因此科學家們於1930年代開始進行透明陶瓷的研究，並在1957年時，由美國General Electric Company的陶瓷專家R. L. Coble與他的團隊製備出第一塊透明氧化鋁(Transparent Alumina, Al₂O₃)。

圖一、(a)精密陶瓷；(b)結構陶瓷分類

R. L. Coble團隊發現，他們所製備出的透明氧化鋁樣品於儀器分析下並沒有發現任何微氣孔(Micropore)，推測陶瓷透明度可能與微氣孔存在有很大的關係。高密度的氧化鋁多晶結構為利用99%氧化鋁和少量氧化鎂(Magnesium Oxide; MgO)製成混合物，並在1,700˚C的真空或是氫氣環境下將樣品進行高壓煅燒。經過測試，樣品在0.30μm~6.6μm波長範圍內具有10%透射率。

選擇高純度粉體是為了減少形成第二相機率，因為第二相的存在會因為過度散射而影響樣品的透明度；此外，選擇添加氧化鎂也是有抑制劑的作用，除了可抑制晶粒成長過大之外，應力開裂也能得到緩解作用，而可得到期望的透明度。此外，從各項實驗分析結果來看，成功製備透明陶瓷除了微氣孔結構因素外，材料本身的純度以及晶體結構也是影響的關鍵要因。

本文將針對透明陶瓷的分類、製備工藝與影響性做介紹，並探討透明陶瓷應用領域、目前國內外市場的發展狀況以及未來的潛力市場。

國內外市場現況

透明陶瓷最大的終端應用市場在光電領域之中，如：發光二極體(LED)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)、感光耦合元件(CCD)、顯示器(Display Device)等，未來相關產業為提升光電效益，亦將促使透明陶瓷應用廣泛化。目前全球透明陶瓷營運主要企業共22家（如表一），主要參與者包括CoorsTek Inc.（美國）、Surmet Corporation（美國）、Schott AG（德國）和II-VI Optical Systems（美國）、CILAS（法國）、Bright Crystals Technology Inc.（中國），以及CeramTec-ETEC GmbH（德國）等；此外，從研發企業的分布區域來看，主要還是在歐美區域已開發國家居多…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。