含石墨烯加工液於多晶矽電化學磨削之研究

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藍坤志(Kuen-chih Lan) 查詢紙本館藏

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機械工程學系在職專班

論文名稱

含石墨烯加工液於多晶矽電化學磨削之研究
(The effect on Polycrystalline Silicon Surface Roughness by Electrical Chemical Machining Grinding Using Graphene Oxide Suspension)

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摘要(中)

本論文為探討使用含石墨烯加工液對多晶矽進行電化學表面磨削加工特性之研究，研究架構共分成三大部份，第一部份為建置實驗設備與初期加工液濃度比較及實驗結果確認，過程中重複驗證及確保實驗結果的正確性與重現性。第二部份為由前所得之實驗結果做為加工參數基準，後續進行不同加工機制實驗，以了解加工特性之影響趨勢，並藉由電化學磨削加工之特性，進而得到較佳表面粗糙度之加工參數。第三部份則由電化學磨削實驗所得之實驗結果做進一步優化，於加工液中添加石墨烯進行表面粗糙度改善實驗，由實驗過程中發現添加石墨烯後其加工時，可平均分散至加工表面達到磨削去除之效果，相較於傳統機械磨削製程，則可得較好之表面粗糙度。
本論文研究結果得知，在相同實驗參數下，傳統機械磨削製程之表面粗糙度為0.092μm，平均摩擦係數為0.33μ，而KOH加工液添加石墨烯0.5%後，表面粗糙度為0.051μm，平均摩擦係數為0.10μ，其表面粗糙度相較於傳統機械磨削製程改善1.8倍，摩擦係數改善3.3倍。於摩擦力驗證實驗中可得知，加入石墨烯後因其材料優越的磨潤性，可使摩擦係數減少並且同時改善表面粗糙度。經由本研究可證實，在加工液中添加石墨烯可改善磨削表面粗糙度並可同時將加工摩擦力降低，其研究成果可應用於矽晶圓磨削製程，使得該製程簡化並提升加工效益，期望藉由此論文之研究成果作為產學界之應用參考。

摘要(英)

There are some conclusions gotten from the experiment. The surface roughness and average friction coefficient are 0.092μm and 0.33μ by traditional mechanical grinding process; the surface roughness and average friction coefficient are 0.051μm and 0.10μ by adding 0.5% graphene into solution. The latter surface roughness and friction coefficient is 1.8 times and 3.3 times compared to the former.
The research shows that the tribological properties of graphene reduce the friction coefficient of solution and improve the surface roughness on workpiece. The research can be applied to grinding process of silicon wafer. The method can not only simplify the experiment steps but also enhance the process efficiency. The research is expected to be an application reference for industry and academic area.

關鍵字(中)

★ 太陽能電池
★ 多晶矽
★ 電化學磨削
★ 石墨烯加工液

關鍵字(英)

★ solar cells
★ polycrystalline silicon
★ electrochemical grinding
★ machining liquid graphene

論文目次

目錄
摘　要 i
Abstract ii
圖目錄 ix
表目錄 xvi
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 4
1-3 研究動機與目的 7
1-4 論文架構 9
第二章基本原理 10
2-1 機械拋光原理 10
2-2 機械拋光機制 10
2-3 磨耗型態 13
2-4 電解磨削原理 14
2-5 電化學反應機制 19
2-6 法拉第定律(Faraday’s Law) 21
2-7 歐姆定律 22
2-8 電極電位-金屬與溶液界面雙電質理論 22
2-9 陽極極化曲線其特徵 24
2-10 摩擦力原理 26
2-11 石墨烯特性應用於磨削原理 27
第三章實驗設計與研究內容 29
3-1 研究方法 29
3-2 加工型態 32
3-3 實驗材料 34
3-3-1 工件材料 34
3-3-2 加工液 35
3-3-3 磨削砂紙 36
3-3-4 添加於加工液中石墨烯 37
3-4 實驗設備 38
3-4-1 電化學機械磨削系統 38
3-4-2 電化學石墨烯制備系統 39
3-4-3 2D表面粗度輪廓形狀量測機 40
3-4-4 3D表面粗度輪廓形狀量測機 40
3-4-5 低真空掃描式電子顯微鏡 41
3-4-6 精密電子天平 42
3-4-7 超音波洗淨機 42
3-4-8 磁力攪拌器 43
3-4-9 拉曼光譜儀 43
3-4-10去離子水系統 44
3-4-11摩擦力試驗機 44
3-5 實驗方法 45
3-5-1 實驗參數設計 45
3-5-2 實驗步驟 47
3-5-3 表面粗糙度之量測 47
3-6 電化學機械磨削系統 48
3-6-1設備機台設計 49
3-6-2 加工治具機構設計 50
3-6-3 電化學機械磨削設備 51
3-6-4 電源變壓器 52
3-6-5 加工液系統 54
3-7 電化學石墨烯制備系統 55
第四章結果與討論 56
4-1 電化學磨削前置實驗 56
4-1-1 電化學磨削加工液濃度對表面粗糙度之影響 57
4-1-2 加工機制對表面粗糙度之比較 58
4-2 電化學磨削單因子實驗 59
4-2-1 實驗條件與規劃 59
4-2-2 砂紙號數對表面粗糙度之影響 61
4-2-3 磨削轉速對表面粗糙度之影響 64
4-2-4 磨削荷重對表面粗糙度之影響 67
4-2-5 磨削時間對表面粗糙度之影響 70
4-2-6 加工電壓對表面粗糙度之影響 73
4-3 添加石墨烯於電化學磨削改善實驗 76
4-3-1 實驗條件與規劃 76
4-3-2 添加石墨烯於砂紙號數對表面粗糙度之影響 78
4-3-3 添加石墨烯於磨削轉速對表面粗糙度之影響 81
4-3-4 添加石墨烯於磨削荷重對表面粗糙度之影響 84
4-3-5 添加石墨烯於磨削時間對表面粗糙度之影響 87
4-3-6 添加石墨烯於加工電壓對表面粗糙度之影響 90
4-3-7 添加石墨烯於不同加工液濃度對表面粗糙度之影響 93
4-3-8 添加石墨烯於不同重量百分比對表面粗糙度之影響 96
4-4 不同加工機制對加工表面參雜元素結果 99
4-4-1 不同加工機制其表面參雜元素之結果 99
4-4-2 加工液添加石墨烯於不同加工機制表面參雜元素之結果 101
4-5 電化學磨削其摩擦力之驗證比較 102
第五章結論 104
5-1 總結 104
5-2 未來展望 105
參考文獻 107
個人簡歷 110

參考文獻

參考文獻
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指導教授

顏炳華(Piin-hwa Yan)

審核日期

2014-7-11

推文