應用單晶鑽石刀於導光板入光面精密切削之研究

國 立 交 通 大 學

工學院精密與自動化工程學程

碩 士 論 文

應用單晶鑽石刀於導光板入光面精密切削

之研究

Precision Machining of the Incident Plane

of Light Guide Plate Using

Single-Crystal-Diamond Cutting Tool

研 究 生 : 林 玉 峰

指導教授 : 陳 仁 浩 教授

中華民國 九十八 年 六 月

應用單晶鑽石刀於導光板入光面精密切削

之研究

Precision Machining of the Incident Plane

of Light Guide Plate Using

Single-Crystal-Diamond Cutting Tool

研 究 生: 林 玉 峰 Student : Yu-Feng Lin

指導教授: 陳 仁 浩 Advisor :

Ren-Haw Chen

國 立 交 通 大 學

工學院精密與自動化工程學程

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Degree Program of Automation and Precision Engineering

College of Engineering

National Chiao Tung University

in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of

Master of Science

in

Automation and Precision Engineering

April 2009

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

摘 要

導光板是液晶螢幕的重要零件之一，因為導光板的設計和製造對於液晶面板 的亮度及均勻性有著重大影響，尤其是非印刷式的楔型導光板入光面的微結構， 是背光模組的輝度分佈關鍵因素，本文藉著探討應用單晶鑽石刀作精密微結構切 削，來提升導光板品質。 本研究應用精密端面切削加工機，採用不同角度的單晶鑽石刀具，分別以不 同的切削速度針對液晶顯示器背光模組用之導光板入光面進行V溝微細切削，再以 輝度儀具量測輝度分佈，在切削面檢測方面，採用光學顯微鏡、雷射共軛焦電子 顯微鏡作導光板V溝表面粗糙度與V溝斷面形狀量測，了解因不同的切削速度所得 到表面粗糙度的狀況，對於光學輝度分佈的影響，進而求得最佳參數組合，以達 到增加導光板光學品質的目的。 藉由本研究的實驗可以發現，對於導光板壓克力材質的切削模式，切削速度 的提高，能夠產生較佳的切削表面，對此，在導光板的光學設計會有很好的參考 依據，可提高整個背光模組的品質，縮短開發時間，節省開發成本。

ABSTRACT

Light guide plate is one of the important parts of liquid crystal display . Because the design and manufacture of light guide plates has significant impact on the

brightness and uniformity of liquid crystal panel . In particular, the luminance

distribution of backlight module is critically affected to incident plate’s micro-structure of non-printed wedge light guide plate . In this paper the single crystal diamond tools are applied to precision cutting for micro-structure to improve the quality of light guide plate .

In this study, the precision end-cutting machine would be applied . It will be used at different angles of the single crystal diamond tool and at variable cutting speed . To take a micro V groove structure process on the light guide plate’s incident plane of liquid crystal display’s backlight module , and then the distribution of luminance is measured by optical instrument . In the statement of the cutting surface inspection, using optical microscope and laser con-focal microscope to inspect the surface roughness and the section profile of light guide plate’s V groove , It can be found that the condition of surface roughness at variable cutting speed affects the distribution of optical luminance , and then acquires the best combination of parameters to achieve the objective which the quality of light guide plate is improved .

It would be found what is the cutting mode of acrylic light guide plate through the cutting speed increased can get better cutting surface in the study’s experiments . Therefore , that has a good reference for optical design of light guide plates, improving the quality of the backlight module , shortening the time of development and saving the costs of research .

誌 謝

第一聲蟬鳴的感動已忘了在何時，而今年卻無端攪亂陳封已久的心緒；幾年 的研究所生涯很快的便已劃下了句點，首先要感謝指導老師陳仁浩博士在這些年 來給與我的諄諄教誨，不僅在學識上使我獲益良多，更指導我研究規劃的技巧， 讓我有更好的專業來面對職場的考驗。並感謝徐瑞坤教授、鄭泗東教授與洪景華 教授在教務繁忙之際撥冗指導論文的口試，給與許多的建議及指正，益使論文更 加完整。 若沒你們這群好同事、好夥伴，我又如何能專心在課業上，泮志，常常因為 你的一番謬論，才能讓我坦然放下忙碌不完的工作，面對自己現階段目標，正偉、 虹任、燿嶸，感謝你們提供過去整理和搜尋資料的經驗，還有不時地給我精神上 的鼓勵，讓我能在困惑之際，再鼓起信念向前衝刺；在繁忙課業下無法兼顧工作 時，銘賢、國龍、穎盟，謝謝你們能協助我處理許多的工作，才不致耽誤上課的 時間；非常感謝你們大家的協助，讓我能順利完成學業。 最後，僅將本論文獻給我的桃妹，感謝妳這些年來為我及這個家的付出，默 默的支持還有給我無形的鼓勵，兒子們，爸爸已經完成了夢想，而你們的呢？若 目標不來接近你，那你就走向她吧！感謝你們，希望和你們共同分享這份畢業的 喜悅與榮耀。

目 錄

摘 要………i 英 文 摘 要………ii 誌 謝………..………iii 目 錄………...……iv 圖 目 錄……….…..………..vi 表 目 錄………...………...…. ix 第一章 緒 論………..1 1.1 研究背景……….…….1 1.2 研究動機與目的………2 1.3 文獻探討………...5 1.4 研究方法………..8 第二章 導光板作用原理………..10 2.1 基礎光學理論………..10 2.1.1 折射率……….10 2.1.2 折射定律……….11 2.1.3 反射定律……….11 2.1.4 臨界角與全反射……….11 2.1.5 漫反射……….12 2.2 導光板光學原理………15 2.2.1 狹窄化方法……….15 2.2.2 加入微結構方法……….15 2.2.3 加入擴散點方法……….16 2.3 背光模組結構分類………19 第三章 超精密加工技術………..29

3.1 超精密加工的演進………29 3.2 超精密加工技術的用途………31 3.3 切削加工原理………....32 3.4 切削速度………40 3.5 加工的表面品質………42 3.6 超精密加工技術在塑膠加工的應用………47 第四章 導光板入光側精密加工………..49 4.1 實驗目的………49 4.2 實驗設備………49 4.2.1 工件材質與規格……….49 4.2.2 切削刀具規格……….51 4.2.3 微結構加工機……….54 4.2.4 輝度計……….56 4.2.5 雷射共軛焦數位顯微鏡……….59 4.3 實驗設計………60 第五章 初步結果與分析………. 63 5.1 輝度分佈量測結果………63 5.2 理論粗糙度與 V 微結構粗糙度量測………66 5.3 切屑表面變化觀察……….71 5.4 切削速度和光學輝度的關係………73 第六章 結論與建議……….….…77 6.1 結論………77 6.2 建議………78 參考文獻………79

圖目錄

圖 1.1 小尺寸導光板側入料模具結構……….3 圖 1.2 薄平板導光板出光側入料模具結構……….………3 圖 1.3 楔形導光板入光側入料模具結構……….………4 圖 2.1 折射原理………13 圖 2.2 反射原理……….13 圖 2.3 光於光疏介質與光密介質的行進狀況……….14 圖 2.4 正反射和漫反射……….14 圖 2.5 導光板利用狹窄化改變光之行進路線情形………17 圖 2.6(a) 導光板利用上微結構改變光之行進路線情形………17 圖 2.6(b) 導光板利用下微結構改變光之行進路線情形………18 圖 2.7 擴散點光學原理………..18 圖 2.8 印刷式導光板……….………….21 圖 2.9 射出成型(蝕刻微點)導光板………22 圖 2.10 微切削加工導光板………22 圖 2.11 擴散片結構組成………23 圖 2.12 菱鏡片的作用原理………24 圖 2.13 雙側光源側光式背光板結構………26 圖 2.14 單側光源側光式背光板結構………27 圖 2.15 直下式背光板結構………28 圖 3.1 切屑的種類……….33 圖 3.2 切屑形成模型……….35 圖 3.3 剪切角對切屑形成影響……….36 圖 3.4 正交切削的切削力關係圖………..39 圖 3.5 切屑形成的速度………..42

圖 3.6 切削刀具為圓鼻刀尖……….43 圖 3.7 切削刀具無刀鼻圓角……….44 圖 3.8 塑膠切削速度和粗糙度的關係……….…48 圖 4.1 導光板尺寸規格……….50 圖 4.2 鑽石刀刀座………53 圖 4.3 端面微結構加工狀態……….54 圖 4.4 LGA-P3D 加工機……….54 圖 4.5 BM-7 輝度計………58 圖 4.6 輝度量測方式……….58 圖 4.7 光學量測位置……….59 圖 4.8 雷射共軛焦數位顯微鏡……….60 圖 4.9 (a)端面切削導光板固定方式 (b)導光板組立方式………..61 圖 4.10 導光板入光面微結構切削加工情形………62 圖 4.11 輝度量測點位置……….…………..62 圖 5.1 以 60°單晶鑽石刀在各種切削速度下所得背光模組的輝度量測值…………64 圖 5.2 以 90°單晶鑽石刀在各種切削速度下所得背光模組的輝度量測值…………64 圖 5.3 以 120°單晶鑽石刀在各種切削速度下所得背光模組的輝度量測值…..……65 圖 5.4 60°、90°、120°單晶鑽石刀在各種切削速度下所得背光模組的輝度比較. ………65 圖 5.5 切削速度與所得工件理論粗糙度的關係………..… ……….67 圖 5.6 微 V 溝表面粗糙度量測………67 圖 5.7 以 90°單晶鑽石刀在不同切削速度下所得切削屑的外觀形狀………...71 圖 5.8 切削屑的外觀龜裂拫跡距離量測……….………..………..72 圖 5.9 使用 60°單晶鑽石刀時切削速度和所得工件粗糙度的關係……..…………74 圖 5.10 以 60°單晶鑽石刀加工所得導光板端面的粗糙度和輝度的關係……...….74

圖 5.11 使用 90°單晶鑽石刀時切削速度和所得工件粗糙度的關係……….75 圖 5.12 以 90°單晶鑽石刀加工所得導光板端面的粗糙度和輝度的關係………...75 圖 5.13 使用 120°單晶鑽石刀時切削速度和所得工件粗糙度的關係…………..76 圖 5.14 以 120°單晶鑽石刀加工所得導光板端面的粗糙度和輝度的關係……….76

表目錄

表 3.1 加工精度發展歷程……….……….28 表 3.2 精密加工技術及其用途………..31 表 4.1 壓克力機械性質………..50 表 4.2 單晶鑽石刀及配重塊………..52 表 4.3 鑽石刀具的各項特性………..53 表 4.4 加工機 LGA-P3D 規格……….55 表 4.5 BM-7 輝度計規格……….57 表 5.1 以 60°單晶鑽石刀在各種切削速度下所得背光模組粗糙度量測值..….…..68 表 5.2 以 90°單晶鑽石刀在各種切削速度下所得背光模組的粗糙度量測值…...69 表 5.3 以 120°單晶鑽石刀在各種切削速度下所得背光模組的粗糙度量測值….70 表 5.4 以 90°單晶鑽石刀在不同切削速度下所得切削屑的外觀裂痕距離量測 數據………72

第一章 緒論

1.1 研究背景

隨著網際網路與無線電通訊技術的急遽發展，各類資訊產品快速普及於個人和 家庭，也因此輕巧簡便的資訊產品，諸如筆記型電腦、行動電話、數位相機、及個人 數位助理等，均推陳出新地快速發展與成長。為了因應市場的大量需求及吸引消費者 的青睞，所以液晶顯示器需具備薄型化、輕量化、低耗電量、無輻射污染的要求，來 達到綠能環保符合未來市場的需求【1】。 近幾年來，液晶顯示器產品之應用更呈飛躍性的成長，從早期的簡易電子手錶、 計算機等低資訊容量顯示產品的應用，漸漸擴及到精細化的監視器或可攜式資訊產 品，其中技術涵蓋材料、設備、製程、產品特性等諸多層面的開發，使得各式新產品 能夠快速發展，已經成為下一代平面顯示器市場的主流。另一方面，市場上的消費者 對面板的功能及品質要求愈來愈高，尤其在筆記型電腦、PDA、或行動電話均朝向輕、 薄方向發展，且對於顯示的附加效能有更高的要求，也因此對於顯示亮度的要求也就 愈來愈高，來因應產品功能及消費市場的需求。 所以提供液晶顯示器光源的背光模組廠商也必需持續朝更高的輝度(亮度；註： 「輝度」一詞為日文，但已被國內產學界所普遍習用，故本文亦採習用名詞，不做特 別的更正，以免產生困擾。)研發來達到目前整個高輝度的需求，無論是以原材的選 用來提高效能，更利用超精密加工技術加工出高精度模具，使得每個組成零件都能有 高品質、高精度、高效能。尤其是微機電系統技術(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)的應用，使得製作微小機電元件之可行性大為提升，並且可達成微小化、多功 能、陣列化、模組化及量產化的要求，並應用於光學元件的開發，讓導光板光學設計 的效能可達到最佳化，無論是反射面的蝕刻、電鑄、V-Cut 結構、及出光面的斜V微 結構，噴砂技術的應用都有很好成效，達到了高輝度、高均勻性的背光產品。近年因 環保及節能意識日趨抬頭，發光二極體LED的使用愈來愈廣範，不同於冷陰極燈管光 源特性，必須於導光板的入光面製作微結構才能將光源作有效擴散，讓光分佈更加均 勻，達到高輝度及高品質的產品。

1.2 研究動機與目的

整個液晶顯示器產業高輝度需求的趨勢下，為了提高背光模組的亮度，除了各 種光學膜片的效能提升外，導光板是重要光學元件，所以各種微結構的開發也因應而 生。從以往的印刷式網點、非印刷的網點到V-Cut 配合噴砂或雙V-Cut 結構，及現在 廣範應用的三面微結構，更對於提高輝度及均勻性有非常好的成效，也因此被廣範應 用於導光板的薄板結構或是小尺寸的背光模組。這二種結構的導光板，在射出模具設 計時都能夠將入料口設計在側邊或出光端面上，而不會在射出成型時影響導光板微結 構的轉寫性、及外觀形成流痕、縮水或成型不全等不良情形，或因成型尺寸過大而造 成厚薄不均及入料不對稱而形成光學分佈異常的狀況。藉由如此的模具結構待射出成 型後脫模取出後，利用熱熔剪將料頭(Gate)剪除，然後再經鏡面銑刀作鏡面拋光，如 圖 1.1小尺寸導光板及圖 1.2薄平板導光板的模具設計。 如此入光端便可利用模具結構作微結構加工，直接射出轉寫成型，使得光源經 過有微結構的導光板，讓光能作有效的擴散，使得背光模組有更好的光入射效能達到 高均勻、高輝度的要求。然而薄型平板的射出成型需要多段且高速的射出機才能達 到，也因如此造成射出成本增加，更重要的是薄板射出讓成品內部產生較大內應力， 致使導光板產生翹曲變形，影響光的傳遞及組裝功能，不但嚴重影響產品品質，也提 高了整個生產成本。鑑於此，楔形導光板的設計仍被廣範的應用，一來不需使用昂貴 的高速射出機台，只需用傳統油壓射出機台便可生產，二者改善薄板射出成型的翹曲 問題，來降低整個生產成本並提高產品良率。 雖然楔形導光板有其生產上的優勢，但考量射出成型的因素，必須將入料口設 計在楔形的厚端亦即光源的入光側，如圖 1.3，如此才能順利射出成型。再經由取出 後以熱熔裝置剪除料頭及鏡面銑刀拋光加工後，則入光側便成為一鏡面端面，而無法 像薄形導光板由入光側微結構達到光源有效擴散；所以也就需要後段機械加工來達到 類同於薄板微結構的功能。因此本文將針對導光板作端面機械精密加工的探討，建立 加工速度、加工深度對於壓克力加工粗糙度的影響，並歸納背光模組輝度分佈的趨 勢，作為光學設計的參考。

入光側 小尺寸導光板(側入料) 入光側微結構模具滑塊 模具模仁 入光側微結構模具滑塊 圖1.1 小尺寸導光板側入料模具結構 入光側 薄平型導光板(出光側入料) 薄平型導光板(出光側入料) 入光側微結構模具滑塊 模具模仁 圖1.2 薄平板導光板出光側入料模具結構

楔型導光板(入光側入料) 模具模仁

入光側

1.3 文獻探討

為了提高背光模組的發光效能，所以對於主要零組件的導光板之研究也就非常 繁多，而針對導光板微結構形式的探討，其中2006年，林伯樺【2】，藉由電腦輔助軟 體SPECTER建構2.2吋背光模組模型，並且研究導光板入光V-Cut 的頂角角度、V-Cut 間的間距，對於背光模組的中心輝度、平均輝度、均勻性與最高輝度的影響，並透過 改善導光板入光V-Cut 的角度、V-Cut 的間距的增加，使光源較均勻分散於接近LED 與LED之間前方的出光面，而隨著V-Cut的角度、V-Cut 的間距的減少，使光源較集 中於LED與LED之間的出光面，並且藉由最高輝度、中心輝度與均勻性研究其輝度的 趨勢；藉由電腦模擬分析得到若要以V-Cut 作為導光板增加輝度的結構，發現最佳的 入光V-Cut角度為120°、入光V-Cut 間距為 0.2 mm。 在反射面微結構製程漸趨成熟發展，入光面的光學分析，便成為提升輝度的另 一個重要的指標，所以三面微結構的分析便成為另一個新的研究領域，其中有2006 年，邵龍志【3】，對於導光板微結構的設計與模擬，提到使用田口實驗分析方式針對 所選取的微結構特定規格加以模擬出最佳狀態，從導光板光源入光處、出光面與反射 面進行微結構設計，並利用導光板表面微結構破除光線在導光板內部的全反射現象， 使得光線由導光板出光面射出，提供液晶顯示器所需的光源並且達到產品需求。於導 光板上下兩面皆設計V-Cut 微結構，可增加正向輝度的效果且以V-Cut的排列密度與 分佈設計能使出光均勻，V-Cut 微結構於導光板前端密度排列較稀疏時，導光板後方 所能利用的光源相對增加，並容易使的整體均齊度有效提升。經過這些技術的改進， 使得導光板出光效能明顯提高，如此便可讓能源消耗減少，達到綠能產品的地步。 而在入光側微結構研究中，2005年，張政德【4】，在背光模組導光板入光側V-Cut 微結構對光學輝度分佈影響之研究中發現， 入光側V-Cut 鋸齒角度愈大，光會集中 於LED 光源前方；而入光側V-Cut 鋸齒間距較小時，輝度分佈集中在LED 與LED 之 間；當間距變大時，則LED 前方之輝度分佈會變為橢圓形且集中於LED 前方；所以 而改變入光側V-Cut 的深度，對於導光板的輝度變化影響並不大。由此對於微結構的 設計更有具體方向，大幅縮短開發設計時間，減低開發成本。

另外2006年, Xingpeng Yang等【5】在導光板的設計研究中指出，若在導光板反 射面的微菱鏡結構的形狀、大小和密度來達到改善出光角度及發光的均勻性，以14.1 的導光板設計為例，可以達到86%以上的光學均勻性，並且可將出光角度由 40°到 -20 °的有效區域，讓整個背光模組的發光效能提升，甚而可以省略菱鏡片的使用，達到 成本降低的效果。 有好的模具設計才能有好的成品品質，尤其是精密微結構的模具加工，無論是 尺寸精度或是表面精度，都對未來射出成型的產品轉寫性，及成型的表面品質，都皆 有非常直接的影響，所以在2006年，張欽嘉【6】，在導光板V 溝模具微細加工與精 密檢測之研究一文中提及，導光板的設計與製造對於液晶面板亮度的均勻性有著重大 影響，在非印刷式的導光板設計與製造方面，精密模具技術是關鍵所在，藉著探討V 溝模具微細加工與檢測技術，以提升導光板品質。透過分析軟體ANSYS來分析機台 震動，並以微型干涉振動分析儀來檢測切削加工振動的影響，在形貌檢測方面，採用 電子顯微鏡、共焦型雷射位移計與表面輪廓量測系統來檢測刀具角度、導光板V溝表 面粗糙度與V溝斷面形狀。至於「田口法」則用於求得最佳化切削參數組合，藉著變 化各種加工條件(刀具角度、進给量、切削速度等)，以表面粗糙度為品質特性及L933直 角表進行望小特型分析，以求得最佳參數組合。提供精密加工良好的加工模式，並能 針對加工後的品質提出檢驗對策。 導光板是藉由外形窄化、蝕刻微點及微結構來破壞全反射達到傳遞光的功能， 要有最好的外形及微結構尺寸，才能將光源作有效的傳遞及出射，讓整體光源分佈均 勻，所以在2002年，Akihiro Tagaya 等【7】，在高傳遞光學導光板研究一文中指出， 楔形角度大小是影響出光效能的重要因素，並利用微結構角度及楔形角度的最佳組 合，讓導光板具有最高效能。 對於非印刷導光板大部份皆以射出成型來生產，射出後的尺寸及表面品質，對 於光學效能有重大影響，針對此在2004年，蔡俊欽【8】，在導光板光學設計及製程 之最佳化研究一文中指出，導光板V溝的尺寸特徵及導光板的翹曲是影響光學品質的

主要原因。維持V溝尺寸的精度，需要足夠的壓力，但是若沒有足夠的熔膠作為壓力 傳遞的空間，則光學特徵之幾何形狀收縮變形，是造成導致導光板光學輝度下降的主 因。因此利用較高的膠溫及模溫控制，配合精密射出成型機進行保壓壓力的多段精確 控制，使保壓階段的壓力傳遞能有效均勻地分佈於整個成品，將是維持V溝特徵及提 升光學輝度之最主要的關鍵。 而本文將針對導光板的切削加工作一研究，所以切削刀具的選擇將會關係切削 品質，在此方面的研究中以2002年，劉以仁【9】，在壓克力材質切削表面品質之研究， 使用高速鋼、薄膜層(TiN、TiAlN)、硬質合金(碳化物)等二刃與四刃，以及單刃金剛 石刀具進行各種不同切削條件的加工，並對加工後的表面粗糙度作量測，所得到的分 析結果是以單晶金剛石所切削的表面精度最小、表面透明度最佳，探究其原因為鑽石 的高硬度、低摩擦力所致。得到塑膠壓克力(PMMA)的切削加工中，鑽石刀可以有最 佳切削精密度，並提出相當的數據結論。另外，亦可從以下文獻得知，鑽石刀具也應 用於壓克力非球面透鏡的切削加工，亦有相當好的效果。 2005年，徐業奇【10】，使用燒結碳化物和聚晶鑽石刀具作為非球面壓克力透鏡 的切削刀具時，在未添加任何冷卻液的切削過程中，其所得到的鏡面品質，並沒有因 為工件與刀具間缺少潤滑而使得鏡面品質大幅下降，其中又以聚晶鑽石刀具所獲得的 鏡面品質較佳；所以若是使用聚晶鑽石作為加工壓克力塑料的切削刀具時，不僅可以 獲得與添加大量切削液時相近的表面粗度，還可避免切削液對人體造成的危害，進而 實現綠色加工之目的。期望藉由鑽石刀具的導入，來大幅提升鏡片表面品質、改善加 工製程、提高加工效率、降低生產成本；以及利用鑽石刀具的加工特性，達到乾式切 削的加工情況，以符合目前產業綠色製造的趨勢。 2005年，劉世彰【11】，影響非球面微透鏡陣列形狀精度的是主要因素是刀具的 面傾斜角的角度大小。而當刀具切削角與透鏡與透鏡的線向量在80.7度至110.4度，切 線向量在9.8度至20度之間時，可使鉋削完成後非球面微透鏡陣列的表面獲得粗糙度 (Ra)<10nm滿意結果。另外刀具的磨耗也是影響切削表面粗糙度的因素之一，所以在 Ryuichi Iwamoyo等【12】在探討鑽石刀在軟質金屬超精密加工的研究中，經由切削

鋁合金瞭解到，實際切削距離和表面粗糙度的關係，在加工開始之後便稍稍有變動， 實際切削距離在100KM以後，刀刃部份以有些許磨耗，實際切削距離在680KM以後磨 耗將非常嚴重，且隨著刀具的磨耗而引起的切削振動也加劇，以致加工表面無法得到 鏡面了。而本文作者亦對鑽石刀在脆硬材料作精密切削探討【13】，在刀具進給量及 切削深度皆微細時，則平均粗糙度PV(Peak to Valley)約為42nm，Ra約為5nm，可切削 加工出完全的鏡面。 在2004年，傅甘己【14】，以在刀具剛性與切削精度關係之研究中，提出切削 刀具之撓度變形是造成工件加工產生誤差最主要因素。而刀具撓度變形大小是依刀具 剛性好壞決定，剛性越差，刀具易產生變形，也容易產生切削振動，因而造成工件切 削精度及表面粗糙度不良。剛性好壞的因素為刀具的直徑大小、螺旋槽數量、挾持長 度等，皆會影響刀具之剛性，進而影響刀具於切削時可能產生之撓度，而造成加工精 度、表面粗糙度不精確。指出精密加工刀具夾持所造成的剛性及振動問題，鑑於此若 能降低此問題，將可以提高切削表面品質，若將此關係應用於導光板的切削加工，便 可較容易得到光滑的表面精度，得到更好的傳導效能，而此可由2004年，曾文政【15】 液晶顯示器背光板用導光板V-Cut加工之探討中可以得到證實，其利用CNC 銑床切削 液晶顯示器背光板用之導光板切削參數進行探討，並進行最佳銑削條件分析，以獲得 高輝度的導光板，由於鑽石刀具為硬度最高之物質，對非鐵金屬及非金屬工件材料之 高速切削非常適合，經實驗證實其可達成無毛邊及鏡面加工之能力，因此，對於導光 板之銑削，可獲得較高輝度之效果。導光板V-Cut 可收斂背光模組的視角，並將收斂 部分的能量分佈在可視角內，達到目視的增亮效果（實際總能量不變）。進給速率太 慢時，使得熱量集中，並使材料融熔於刀口，造成導光板之表面不佳，輝度值降低， 所以V-Cut 表面粗糙度愈光滑形成反射，輝度愈佳；表面粗糙度愈粗糙形成散射。

1.4 研究方法

關於端面微結構形狀對於背光模組輝度的影響，V-Cut 對導光板的導光效能有著 極大的關係，且微結構的深度和間距以及切削所形成的表面粗糙度對於光的效能有非 常大的影響，而入光面微結構亦成為未來產品的趨勢，所以入光面結構無法以塑膠射 出來成型的楔形導光板，將會藉由切削加工來製作此結構，來達到整個設計的需求。 本研究首先針對基本的幾何光學原理來了解導光板的光學原理，以及收集、研 讀切削加工理論並評估其在壓克力的適用性，其次進行壓克力的精密切削實驗，分析 探討壓克力塑膠材料的精密切削特性，期能掌握較佳之加工參數條件，以得到最佳的 加工品質。 實驗中將以 60 度、90 度和 120 度三種不同角度的 V 形單晶鑽石刀，以精密的端 面加工機，以相同的切削深度及相同的間距，而施以不同的切削速度，來針對 14.1＂ 楔型導光板的入光側端面作 V 形微結構加工，並量測每一加工樣本的輝度分佈情形。 而為了減少因燈源不同而產生輝度的變異，所以固定使用相同的背光模組來讓光源輝 度為定值，並且所加工的導光板為相同網點設計，讓光的傳導有相同的效能，以分析 各種切削速度下對於壓克力(PMMA)材質的導光板，因切削速度變化所造成切削力的 不同，所導致的導光板端面 V 溝粗糙度之差異，並分析其對於輝度分佈的影響，探 討出最佳的切削速度範圍及最好的光學分佈趨勢，作為楔形導光板光學設計的參考。

第二章 導光板作用原理

2.1基礎光學理論

光為能量的一種形式，其基礎理論又可劃分為幾何光學、物理光學。幾何光學 是將對光的解析以光線及光線的集合，並以光束(Light Beam)所表示的光學理論。而 以光學原理來分類，背光模組所使用到的光學基礎理論為幾何光學(Geometrical Optics)，包括如光學膜片及導光板的反射與折射等現象。以下便針對反射、折射、全 反射與漫射等原理來討論光學設計及分析光學問題【3】。

2.1.1 折射率(refractive index)

光在不同密度的介質中有不同的行進速度，當光線從第一介質入射至第二介質 時，有一部分的光會反射回第一介質而另一部分會穿透到第二介質中，入射到第二介 質中的光線成為入射線，於入射線進入第二介質交界時行進方向改變即稱為折射現 象。而絕對折射率(通常簡稱折射率)是介質相對於真空的折射率，因光線在空氣中的 速度相近於真空中的速度，所以絕對折射率可以被加以改為介質相對於空氣的折射 率，其定義為： n = ν c (2.1) n：折射率 c：光在空氣中的速率( ≒3×108m/s) v： 是光在介質中的速率

由於折射率即為光學密度(Optical Density)，當 n 較大時即稱為光密介質(Optical Dense Medium)，反之則稱為光疏介質(Less Dense Medium)。

2.1.2 折射定律

折射產生的原因在於光線從一透明或半透明介質到另一種介質時，因介質密度 的不同使得光線行進方向會改變，此種現象稱之為光的折射(Refraction)。如圖 2.1 所 示，假設圖中之介質為一玻璃，光線由空氣中射入玻璃，經折射後再由玻璃射入空氣 中，此現象必遵守斯乃爾定律(Snell’s Law)。 Snell 定律對於折射光線非常重要，由於決定出折射光行進方向，故入射角(θi ) 與折射角(θt )的關係必須遵循 Snell’s Law。 即 n₁sin(θ_i)= n₂sin(θ_t) (2.2) n1 表示入射前介質折射率，θi 為入射角，n 2 為入射後的介質折射率，θt為折射角。 如圖 2.1 所示，假設入射前介質為空氣(n=1.0003，視為n=1)時，則式(2.2)即可為： ) sin( ) sin( 2 t i n θ θ = (2.3) 因此折射角(θt)大也就是光線由光疏介質進入光密介質時，折射線會偏離法線；而當 光線由光密介質入射到光疏介質時，折射角較小故折射線偏向法線。所以可以經由角 度的大小、折射線的偏離程度，判斷光線在兩個介質中的光速快慢，角度越大，代表 光速越快。

2.1.3 反射定律

如圖 2.2 所示，當光線由 介質射入 介質時，於介質交界處會有部分光 線返回到 介質中，此種現象即稱為反射(Reflection)；當光線發生反射時，反射光 線需滿足入射角(θi) 等於反射角(θ 1 n n₂ 1 n t )的關係，且入射光與反射光均在介質的同一 邊，此定律稱為反射定律。

2.1.4 臨界角與全反射

如圖 2.3 所示，假設當光束從光密介質 n₁ 入射到光疏介質n₂ 時，依據Snell’s

Law，折射角θt 將隨入射角θi 之增加而增加，當折射角 2 π θt = 時便發生光線將延 著介質表面行進；如果θt 繼續增加，將不會產生折射線，且入射線將完全被反射回 介質中，此時稱之為全反射現象(Total reflection)，入射角 1 n θc 被稱之為臨界角(Critical angle)，該入射角θ_c 對應於使全反射瀕臨發生的入射角，而所對應的折射角為 2 π θt = ，則 (2.2) 式便可改寫成下式： 1 2 ) ( n n n i s θ_c = (2.4) _{1 2} 1 2 1_{( )} n n n n n i s c= > − _， θ (2.5) 由式(2.2)、(2.4)與(2.5)可知臨界角的大小取決於兩邊介質的折射率，只要入射角大於 臨界角時，全反射現象即會發生。故於此現象可了解光線於導光板中行進時當入射角 大於全反射臨界角時，全反射光線將會遵循反射定律行進，即發生光線在導光板內持 續進行全反射動作，無法將光線從表面出光面導出。

2.1.5 漫反射

上述說明了反射定律，但許多介質表面並非完整平滑，將導致入射光於介質表 面產生擴散或漫射現象。由於任何曲面均可視為無限多個平面所組成，根據反射定 律，當一光束射在光滑表面上時(如鏡子)，反射光只有一個方向，故稱之為單向反射。 又如果光束射在一並非完整光滑平面時，光會向四面八方反射，此種反射現象稱之為 漫反射(Diffuse reflection)，如圖 2.4 所示。漫反射又可分為兩種，即漫射及完整漫射， 針對不同表面粗糙度，光束漫射方向亦有所不同；在表面粗糙度較小時，所產生的漫 射方向較為集中；反之則相對漫射角度也隨之增加，光線並往四周圍漫射。

θi θt θi θt 入射光束 折射光束 壓克力(n2≒1.49) D N N 圖2.1 折射原理 空氣(n1=1) 空氣(n1=1) 入射角θi 反射角θt N 入射光束 折射光束 反射光束 折射角θt 圖2.2 反射原理

N N n2 θt θi θt n1>n2 θt n2 θt θi n1 n1 N θt n2 θi n2 θt θi=θc 2 π θt = n1 n1 圖2.3 光於光疏介質與光密介質的行進狀況 光滑平面的單向反射 粗糙平面的漫反射 圖2.4 正反射和漫反射

2.2 導光板光學原理

目前大部份導光板材料為壓克力(PMMA)，其折射係數大約為 1.49，所以可以計 算得相對之全反射之臨界角大約為42°，此即意涵著只要入射角大於 42°時光線即會產 生全反射之現象，即使入射之光線是照射在一透明的面上，也無法將光線折射出來， 這是在需要將光能夠完全應用的導光板中特別要注意的，所以利用全反射原理將光線 作反射傳遞，在導光板的應用中也常會利用到此觀念【16】；以下介紹導光板設計中 常用的三種方法。

2.2.1 狹窄化方法

楔形導光板為一般常見於側邊形燈源模組之導光板形狀，其採用楔形形狀之主 要目的是希望藉由導光板形狀之改變，來破壞全反射之條件，讓光源能適當且均勻的 散射出來，其作用方式如圖 2.5 所示，由此光源導入導光板中之光線，在此稱之為入 射光，假設入射光與導光板之法線夾角大於 42°，由前述之全反射原理可知，此光線 會在壓克力介質中來回的依照入射角等於反射角的定理作全反射，使光線在導光板中 傳遞；當光線遇到狹窄的表面時，入射角與表面法線之間之夾角，即入射角，會因逐 漸狹窄之表面而改變，而當其入射角小於全反射臨界角時，光線便會從導光板的表面 透出，因其全反射條件被逐漸變小導光板斜面所破壞，則光便能有效散射出，而達到 照明之效果。由於遠離光源端之光線強度較弱，所以一般的導光板在遠端面之厚度較 薄，導出之光線較多，而近光源端之厚度較厚，導出之光線較少。

2.2.2 加入微結構方法

在導光板之上下表面加入微結構為導光板中常用之方法，一般又分為上表面微 結構法及下表面微結構法兩種，其所應用之原理各不相同。在上表面微結構法中主要 應用之原理與前述狹窄化方法類似，利用導光板幾何形狀之改變而破壞全反射之條 件，如圖 2.6(a)所示，在圖中光束 1 若在原本未加入微結構之導光板，如圖中的虛線 面，作光線行進傳導時，因折射原理的關係，依然會保持在導光板中作全反射，如光 束 2，而無法在透出導光板；但相同的光束 1 之射線在有加入上微結構的導光板時，

如圖 2.6(a)所示，可以發現光束路徑隨加入微結構而改變其入射角，並使入射角變小， 破壞全反射條件而使光線導出導光板。上微結構法除應用在導光板之設計中外，也應 用於背光模組菱鏡片之設計，因為其有限制射出光線角度，提高正面亮度之功用。 除在上表面加入微結構外，也會在導光板底部適時地加入微結構，達到增加光 線之穿透性，然而在底部加入微結構與上表面加入微結構所應用之原理並不相同，在 底部加入微結構 主要構想是利用斜面之全反射性質，將入射至底面之光線反射至視 線方向，如圖 2.6(b)所示。若以平行於底面之光線為例，若其射線與斜面法線方向之 夾角大於 42°，光線即將被該微結構的斜面反射至視線方向，若光束的入射角小於 42°，則光線會先折射進入第二個斜面繼續反射與折射的動作，如圖中所示。若以平 行光線為例，欲造成全反射之鋸齒角度，該入射角(90-θ)應大於 42°，即θ需小於 48° 時，該斜面才具有全反射之能力。

2.2.3 加入擴散點方法

在導光板底部會加入大小不一之擴散點，並以不同密度分佈在底面。擴散點的 材料一般為具有高反射率之油墨材料，並以網點印刷之方式印製在底面，或是蝕刻、 電鑄等微機電製程在導光板上方或底部製作出許多圓形或方形的擴散點【17】，當光 線射到擴散點時，利用各種疏密、大小不一的擴散點，光由側面入光後直射或經底下 的反射板使反射光會往各個角度擴散，然後破壞全反射條件與光的干涉現象由導光板 正面射出來達成光的輝度均勻分佈。擴散點之所以能將光線導出乃是利用散射原理， 如圖 2.7 所表示，將其入射光線散射後，而穿透出導光板表面，當此光線射至擴散點 時，會將一條光線散射為多條光線，這些被散射之光線，當其入射角皆小於全反射臨 界角度時，光線即透出導光板；而散射光線之入射角度仍大於全反射臨界角之光線則 繼續反射，直至遇到下一個擴散點，重複其散射過程；由於靠近燈管附近之光強度較 強，所以在靠近光源之底面導光板之網點密度較低，且網點較小，而遠離光源之底面 導光板之密度較高，且網點較大，此種分佈之主要目的是希望，將光源強度較強部分 之部分散射較少之光線，而光源強度較弱之部分散射較多之光線，來達到亮度均勻之 要求。

圖 2.5 導光板利用狹窄化改變光之行進路線情形

≦42° ≧42°

圖 2.6(b) 導光板利用下微結構改變光之行進路線情形

2.3 背光模組的結構分類

液晶顯示器由於其厚度薄、質量輕且攜帶方便，且相較於目前的CRT更有低輻 射的優點，隨著液晶顯示器製造技術的提昇，近年來需求快速的增加，己能在顯示器 的市場佔有一席之地，但由於LCD為非自發光性的顯示裝置，必須藉助外部光源才能 達到顯示效果，而此提供光源的關鍵零組件便是背光模組。在大尺寸及低價格的趨勢 下，為保持在未來市場的競爭力，背光模組在考量輕量化、薄型化、低耗電、高亮度 及降低成本的市場要求，開發與設計新型的背光模組及射出成型的新製作技術，是努 力的方向及重要課題。 背光模組主要組成大致由燈源、燈管反射罩、金屬背板、反射片(Reflector sheet)、 導光板(Light guide plate)、擴散片(Diffuser sheet)、擴散板(Diffuser plate)、菱鏡片(Prism film)及外框等組件組裝而成，其中光學膜片與導光板為最主要之技術和成本所在，而 各零組件功能說明如下：

燈源主要以冷陰極螢光燈管（Cold cathode fluorescent lamp，CCFL）及發光二極 體（Light emitting diode，LED）為主，均具備高亮度、省電量及壽命長等特色，冷陰 極管管徑細長，形狀可彎曲成L型、U型等；LED有RGB三種原色，或是藍光配合黃色 螢光粉而成的白光，由於冷陰極管內含有水銀，有害於環境，無法符合目前所定訂的 環境安全法規，因此LED有逐漸取代冷陰極管的趨勢。 燈管反射罩作用在包住燈管發出的光源，盡量反射送入導光板內，而燈管反射 罩的形狀對導光板的入光效率有相當大的影響，一般中小型尺寸的背光模組常用包含 銀蒸鍍膜及PET的軟性材質，約有80%的入光效率，而較大尺寸的筆記型電腦系列， 對於入光效率要求較高，因此多以外型特殊及或以銅合金、鋁合金或不銹鋼等材質作 為基材，再黏貼銀膜作為反射材，如此除了可以增加結構強度，亦可夾持導光板以增 加入光效率，最佳時可達90%以上，並可將燈源所產生的熱量，藉此傳導達到散熱效 果。 反射片主要是將光源反射至工作面，而不至於讓光源從非工作面射出，其功能 是被散射的光源反射再進入光傳導區內，其本身對光源稍微有散射的效應，而反射片 的反射率就是反射片最重要的關鍵，反射率越高就有越多光源反射至工作面，當反射

率越低時則光源就會從反射片穿透及吸收，因此就會有比較少的光源反射至工作面， 在側光式大型的背光模組，為降低燈管入光處的輝線效應，常在反射板對應燈管入光 處做消光設計，得到較佳的外觀效果及均一性;而目前產業界的反射片大約可分兩 種，一種是白反射片、另一種是銀反射片。這兩種的基材都是 PET(Polyethylen terephthalate)，差異則是塗佈不同的反射材料，因不同的反射材料使得反射片厚度和 反射率會有所差別，基本上銀反射片反射率比白反射片還要高，因為銀反射片塗佈上 一層反射率極高的銀材。

導光板(Light guide plate)應用於側光型背光模組，是影響光效率的重要元件，製 程主要分為裁切式和熱壓射出成型。裁切型的導光板是以壓延加工的平板片材，以組 合型銑刀切削成所需外形尺寸，再將反射面印刷含高發散光源物質(如SiO2及TiO2)的 印刷材料，適當的分佈在導光板底面，藉由印刷材料對光源吸收再擴散放出的特性， 破壞全反射效應造成的內部傳播，使光由正面射出並均勻分佈於發光區，但因出光的 散射角較大及印刷點亮度對比較高，必須使用擴散片及菱鏡片達到其光學要求，主要 是應用於較無需考慮重量及薄形化的桌上型顯示螢幕，如圖 2.8 所示。 射出成型是用塑膠模具方式，反射面的微結構以蝕刻、電鑄或微切削加工，來 形成微點或微溝的反射結構，再利用射出機將光學塑膠熱壓成型，而將反射面上的微 結構轉寫到導光板成品上，蝕刻、電鑄其方法為將設計好的微點圖樣利用類似半導体 之光罩曝光顯影方法轉印在光阻膜上，利用熱迴流製程使光阻表面形成圓滑之半球狀 或半圓柱結構，再以精密電鑄之複製技術將光阻的圖案複製於電鑄模仁上，此法所製 得之導光板可依導光板圖樣之設計對光源的射出作有效的調節，使發光區達到最佳均 勻度。此外，微點圖樣具光學鏡面及微小的特性，更可使光能的損失達到最小，有助 於輝度的提升，如圖 2.9 所示。 微切削加工導光板，在導光板底面以切削方式(Slot cut)製作出一條條長溝型的結 構，溝兩側的反射鏡面破壞原來全反射作用，使光源能由導光板正面射出，經由長溝 型間的寬度及深度的變化，調整出光面的光學分佈。切削方式的優點在於輝度的提高 及製造上的方便，輝度提高的原因為光源擴散角的減小，使得正面光源增強，可因此

減少擴散板及稜鏡片的使用量，另外在出光面亦可使用切削方式製作與稜鏡片結構類 似的鏡面設計，更能增加輝度提高的效果，如圖 2.10 所示。 但為了讓背光模組能夠降低材料及組立成本，一體化導光板的設計則是未來努 力的目標【18】，除了上述將擴散點、稜鏡片等的功能整合到導光板之中，使得導光 板的正面加工，使其具有稜鏡片的功能，節省昂貴的菱鏡片，或在製作導光板時同時 將擴散點一體成型，省去網版印刷的手續。另一種一體化的導光板設計是在導光板射 出成型時，在壓克力材料中加入少量不同折射率的顆粒狀材質，此種導光板是靠光與 顆粒間的散射作用，讓光自導光板表面射出，利用由疏到密的散射點設計，可讓導光 板表面均勻發光。 圖 2.8 印刷式導光板

圖 2.10 微切削加工導光板 擴散片：光源經由反射片及導光板的微結構傳導及反射，光的出射角度並非集 中在導光板正面方向，因此在LCD的視角上無法達成亮度上的要求，必須修正光源的 方向及擴散角度，使得光源能盡量集中在要求的方向，所以擴散片的光學參數包含了 霧面程度及穿透率，霧化效果使得視覺效果更加柔和，並且比較不會看到導光板內的 微結構，且可以將導光板折射出的光線擴散擴散至適當視角，因此有效將射出的光線 再次改變角度，使輝度能提高；擴散片的作用除了修正光行進的角度外，對於破壞全 反射面的光學結構亦具有覆蓋的作用，保護結構較敏感的導光板及菱鏡片，如圖 2.11 是擴散片的結構組成。

擴散粒 PET 基材 抗密着層 圖 2.11 擴散片結構組成 菱鏡片：是作為出光角度修正及集光效果並提升正面輝度的重要元件，主要作 用是在增加背光輝度，其表面是一層 V 型的菱鏡面，可以把導光板折射出的光線再 將其光線改變角度，將有效的光線全部朝向顯示面，而有的光線因射向菱鏡面的角度 過大因而產生全反射角則光線因全反射的關係又再一次將光線射入導光板中再重新 循環一次因而重複利用，如圖 2.12 所示。因此透過菱鏡片出來的光線角度會比未加 菱鏡片出光角度來的小，因此會有視角上的問題，但增加菱鏡片時基本上會比未增加 菱鏡片時增加 4~5 倍的輝度。而目前背光模組都是經由二片角度成正交的正菱鏡片 (將光學膜片微菱溝朝上正面放置稱之，以區分將微菱溝朝下放置的逆菱鏡) 或一片 逆菱鏡片，將光折射成正向出光，成為 LCD 顯示器的的有效視角，達到高輝度的需 求。

圖 2.12 菱鏡片的作用原理 擴散板：擴散板的之功能為提供液晶顯示器一個均勻的面光源 ，和擴散片有相 同效果，主要應用於沒有導光板可作為光學膜片支撐的直下式背光模組；所以一般傳 統的擴散板主要是在擴散膜基材中，加入一顆顆的化學顆粒，作為散射粒子，而現有 之擴散板其微粒子分散在樹指層之間，所以光線在經過擴散層時會不斷的在兩個折射 率相異的介質中穿過，在此同時光線就會發生許多折射、反射與散射的現象，如此便 造成了光學擴散的效果。 所以背光模組由各類零件組成，依不同的產品需求而有不同的結構，一般而言，背 光模組依其功能的要求，發展出下列不同結構： a. 側光式結構：此種結構分別應用於個人電腦螢幕或攜帶型的消費性電子產品， 如筆記型電腦、行動相框、個人數位助理(PDA)、手機、數位相機、車用顯示 裝置等，而二者不同處在於前者是上下側邊皆有光源，因為每一側光源採二支 燈管設計，以致導光板厚度較厚不易以熱壓射出成型，所以一般採取用平板裁 切外型後，以距離光源遠近為依據，調整印刷反射點的疏密或大小，使整體出 光面達到均勻性的要求，如圖 2.13。後者則只有是單側邊有光源，且大部份 只設計單支燈管，導光板採射出成型的楔型板或薄平板，其反射網點或微結 構，皆是以利用蝕刻、電鑄或其它精密加工技術直接在模具內加工，在射出成

型時便將這些微結構轉寫於導光板上，一般常用於17"以下的背光模組，其側 邊入射的光源設計，擁有重輕量、薄型化、低消費電力的特色，其結構如圖 2.14。 b. 直下型結構:顧名思義，直下式背光模組的燈管是置於擴散板下方，而燈管可 以使用直型、U 型，由於作為LCD-TV應用時，考量其大尺寸及觀看距離，必 須有較高的亮度，因此使用的燈管數量較多，當燈管數倍增後，即引發一連串 的問題需加以克服，其中包括有成本提高、耗電量增加到佔全TV 的90%、散 熱問題變得嚴重等。另外，歐盟對環保議題相當在意，雖然目前CCFL作為光 源，其含汞量仍在其環保容許範圍內，但是長遠來看仍是隱憂；且為了克服多 燈管所造成的熱量，便加大厚度來提供更佳之散熱設計。採用直下式背光模組 也有優勢，也就是它的組裝零件可以減少門檻較高的導光板技術，組裝亦較側 光式為簡單，且它的整體發光效率相對於側光式背光模組也可以提高，這主要 是因為減少使用導光板的緣故。另外， LCD-TV 尺寸越大時，背光模組發光 之均勻性則越佳，但是當背光模組中之燈管越長時，燈管中心與兩端比較容易 產生亮度明暗差異與色偏異；為了解決這個問題，需增加擴散膜的使用，造成 亮度不足，只好再增加燈管數，因此而落入成本增加的惡性循環中。目前，大 部分業者在 LCD-TV 開發初期均採用直下式背光模組，以展現其大尺寸面板 之技術成就。如前所提言，開發直下式背光模組困難度相對於側光式背光式背 光模組並不高，甚至更為單純。就發光表現而言，它的亮度、均勻性、色飽和 度等都能夠與側光式背光模組相當，也已經符合消費者的需求，其結構如圖 2.15。

下菱鏡片 燈源反射罩 上擴散片 上菱鏡片 下擴散片 燈源 印刷式導光板 反射片 圖 2.13 雙側光源側光式背光板結構

下菱鏡片 燈源反射罩 燈源 非印刷式導光板 上擴散片 下擴散片 反射片 上菱鏡片 膠框 圖 2.14 單側光源側光式背光板結構

上菱鏡片 擴散板 燈源 上擴散片 下菱鏡片 下擴散片 膠框 反射片 金屬背板 圖 2.15 直下式背光板結構

第三章 超精密加工技術

3.1超精密加工的演進

近年高科技對精密度要求愈高， 促使精密機械的日益發展， 對機械性能及可靠 度的要求日益提昇， 使得機械元件表面粗糙度的性能愈形重要。對表面粗糙度的研 究與了解， 其關鍵在於加工建立的表面粗糙度， 好的表面粗糙度對機器性能的提高 及可靠度的要求將有莫大的影響。 目前機械加工業， 加工工件精度都有極大改善， 而工業界對加工精度之要求日 趨嚴格。而加工精度除了決定於工具機之精度外， 刀具之切削狀況也是有非常重要 影響， 因此如何達成最佳切削效果， 使產品精度及表面粗糙度達到設計之預期要求， 並提升刀具使用壽命及加工速度藉以降低成本， 為目前從事切削加工研究者之研究 方向。傳統切削加工的種類很多， 而於工業界中使用較頻繁者， 除了鑽削、車削等 加工外， 就屬銑削加工使用較廣；而銑削時若無選擇適當的切削條件， 必定造成工 件表面精度不良， 且會造成工件表面因切削熱殘留， 使工件表面材質產生變化影響 強度【19】。 精密加工和超精密加工技術自20世紀的1960年代提出以來，受到各國的高度重 視，發展十分迅速，以日本、美國和英國比較突出，快速地促進了製造技術的發展， 在國防工業、資訊工業、機械工業和航太工業等領域皆有廣闊的市場需求。 精密加工和超精密加工代表了加工精度發展的不同階段，從一般加工發展到精 密加工，但所謂「超精密」一詞並非絕對，而是配合當時加工精度極限來討論，即如 搪孔機及鐘錶車床加工精度雖以毫米計之，但以當時加工水準及精度，也堪稱為超精 密加工技術，所以精密加工和超精密加工代表加工精度發展的不同階段，從一般加工 發展到精密加工，再到超精密加工，如表 3.1。由於生產技術的不斷發展，劃分的界 線將隨著發展進程而逐漸向前推移，因此劃分是相對的，不容易用數值來表示，現在， 精密加工是指加工精度為1~0.1μm，表面粗糙度小於Ra 0.1~0.01μm；超精密加工是 指加工精度 0.1μm，表面粗糙度小於Ra 0.025μm的加工技術。

表 3.1 加工精度發展歷程【19】 而現在精密加工技術的突飛猛進，加工機具也都高度要求有完美運動基準及在 此運動基準上運動的運動偶，以及靜壓導軌及軸承製作技術的成熟，能確保機械在作 加工傳動時，能保證整個運動不會受到存在於機械內外的干擾影響，讓傳動及旋轉的 偏移量，可控制在次微米以下，也採用閉迴路控制系統，利用He-Ne雷射或面型雷射 的光源，除加工量的微小化外，亦作為使用數超精密加工機床台移動位置的感測器， 藉此便能夠正確檢出機器運動的功能，如此即可使用數值控制方法，將加工平台的定 位控制在1奈米精度。

3.2超精密加工技術的用途

精密加工技術是以追求低表面粗糙度、高形狀精度、高尺寸精度，並且能維持 材料原先的物性為主要目的。 超精密鏡面加工近年來被大量使用於光電產業【20】，在成像(Image)與顯示 (Display)兩大領域應用最廣。我國在近幾年積極投入，先後建立了平面、圓筒、角錐 鏡、球面鏡、非球面鏡、Fresnel Lens、鏡面加工技術，尤其是積極投入鏡面微結構技 術開發，應用於 LCD 導光板射出模具模仁 V 型微溝槽之鏡面加工及光學膜片滾輪曲 面環狀 V 型微結構鏡面加工，此等技術的建立對現今台灣蓬勃發展之光電產業有極 大之貢獻，也讓先進國家紛紛投入以超精密家工技術的研究；而表3.2 是超精密加工 技術各項用途。 表 3.2 精密加工技術及其用途【20】 零件名稱 加工材料 加工方式 用 途 非球面透鏡 光學級玻璃、光學 級塑膠 研削、切削、拋光、 模造 相機、手機、光碟機、投影 機…等 非球面模仁 高硬度鋼、碳化 鎢、碳化矽、陶瓷、 無電解鎳 切削、研削、拋光 塑膠射出成型用模具、玻璃 模造成型用模具 球面、非球面、 拋物面反射鏡 無電解鎳、光學級 塑膠 切削、研削 雷射加工機、投影機 繞射透鏡及模仁 無電解鎳、光學級 塑膠 切削 相機、光碟機…等 F－θ透鏡、柱面 透鏡用模仁、自 由曲面鏡 高硬度鋼、碳化 鎢、碳化矽、陶瓷、 光學級玻璃、光學 級塑膠 切削、研削、拋光 雷射印表機、投影機、照像 手機、頭載式顯式器

3.3 切削加工原理

切削加工可視為將刀具與工作物相接觸並作相對運動，藉以產生極大應力而導 致剪切破斷效應【10】，進而形成工件與切屑分離，以獲取所需尺寸、形狀與表面精 度之工作，此時所用的刀具有車刀、鑽頭、銑刀是由刀刃構成，而砂輪、抹磨劑即 由磨料所構成，都會產生切削，從工作物削除不用的部份，但是一般所謂的切削是 狹義解釋，單指刀刃的切削，而本章亦闡述此理論，雖切削也有鑽頭及銑刀等刀刃 形式，但也都可以應用車削的切削理論【21】。 以工具切削工作物時，工作物的切削形狀可分為下列形式：

(1). 流動形切屑(Flow type chip)如圖 3.1(a)所示，在切削時切屑成穩定的剪斷 角，切屑在剪斷面是呈現塑性變形，【22】，所以此時的剪斷會連續進行，切屑在工 具斜面上連續流動而送出，所以切屑長且成捲。

產生此切屑時，材料藉連續性滑動破壞而被切削，工具所受的切削阻力不變 動，振動少，加工面最良好，所以精密加工須選定各種加工條件來得到此種切屑形 態，讓加工表面達到高精度的要求。

(2). 剪斷形切屑(Shear type chip)如圖3.1(b)所示，在刀具斜上方發生滑動間隔不 像流動形那麼小，滑動間隔增大而有一定的寬度，沿工具刃尖斜上方 a，d 發生滑動 的話，切削阻力幾乎接近 0，隨工具的前進，a，b，c，d 素片如虛線般壓縮，在 b， c 方向方向發生第 2 次滑動，而產生 1 個切屑素片，反覆此種經過而進行切削，切 屑因剪斷作用而成零散的素片，在工具斜角面送出。 此切屑因不連續滑動而發生，為流動形與撕裂形的中間切屑，1 次滑動即發生 1 個切屑素片，切削阻力就變動，也就造成刃尖的變形，在加工面殘留對應的凹凸， 所以加工表面不如流動形。

(3). 撕裂形切屑(Tear type chip)如圖3.1( c)所示，從刃尖向前發生龜裂而切削， 材料黏着工具前面而無法在其上滑移，因無法從斜上方滑移，所以便向斜下龜裂，

個切屑素片，再反覆此過程，依序切削便為撕裂形切屑的生成情形，生且撕裂形切 屑根本是龜裂和剪斷的作用。 此時撕裂是從刃尖前方，且其前端比水平方向稍向材料內部，加工面上殘留的 撕裂痕跡，切削阻力也甚大於流動形及剪斷形，而且，每削出一片切削素片，就反 覆變動，刃尖的振動也變的非常大，且易形成撕裂痕，加工精度較差，且工作物會 有殘留應力產生，讓工作物在一段時間後發生尺寸變化，所以，撕裂形切屑的切削 也不適於精密加工，以刀具切削塑膠，如環氧樹脂、PVC、壓克力(PMMA)時，在刃 尖附近，塑膠發生黏性流動，塑膠分離的應力小於剪斷面應力，亦會形成撕裂形的 切屑。

(4). 龜裂形切屑(Crack type chip)如圖3.1(d)所示，發生的龜裂隨工具的進行而向 斜上方，最後到達工作物表面，此龜裂在切削角小時，從水平方向往斜上方發生， 切削角增大時，從刃尖的前進方向往下方發生，所以加工面殘留凹凸，切削阻力的 變動也激烈，不適於精密加工。 壓克力(PMMA)、聚醯氨樹脂增大前傾角，加工切削速度，或環氧樹脂以低速 度、大前傾角切削時，會生成塑膠的龜裂形切屑。 圖 3.1 切屑的種類

切削理論處理的問題有切削機構、切削阻力、切削溫度、加工面、工具壽命、 被削性、振動、工作液等問題，這些都是實際作業時須考慮的重要因素【21】，而典 型的切削加工模式是由工件、刀具、切屑所構成，如圖 3.3 所示；當切削加工時， 刀具對工件施以進刀深度 (Depth of cut)而切削時，則工件會因為刀具前傾面的強大 壓力而引起塑性的剪切作用，進而在 AB 的方向上剪斷，並產生厚度的切屑，沿著 AC 面流出。其中 AB 面稱為剪斷面(Shear plane)，AC 面為切屑剪斷面(Chip tool interface)，AE 面為加工面(Tool work interface)，這三個面在切削加工上分別都有其重 要的意義，AB 面為描述工件受力產生的塑性變形、AC 面為工具磨耗與摩擦、AE 面則是與工具磨耗、加工面粗糙度與殘留應力等問題有關【10】

。

由於切削厚度在 切削過程中會產生變化，無法直接控制，因此不能完全確定其形狀，故常以切削厚 度比亦稱切削比做為判斷切削材料的變形質、切削品質、切削條件是否良好及工件 材料的被削性等；如不計切屑與刀面的摩擦，則未變形切屑厚度與切削厚度之比為 切削比

r

_c【23】，即 c c

t

t

r

=

(3.1)

切削工具是一種楔形刀具(Wedge shaped cutting tool)，主要是由刀面(Face)與刀腹 (Flank)所構成；刀面為切削過程中切屑流經的表面，刀腹則是當刃口切入工件時， 具有避免刀具與已加工面相摩擦之作用，而此兩個面的連接處則稱為切刃口(Cutting edge)。刀面上的斜度稱之為斜角，在正交切削情況中，可由垂直於工件加工後新表 面之直線與刀面所形成的角度來表示之。 在切削過程中，形成切削之基本機構，工件與刀具之間藉由機械能與相對運動 使其發生剪切破斷進而移除材料，不論是連續切屑或不連續切屑，此移除的部份即 稱為切屑；然而工件從刀具刃口至工件表面會形成所謂的剪切變形區，ㄧ般被稱作 剪切面(Shear plane)，而剪切面與剪切方向的夾角稱為剪切角；如圖3.2 剪切角ψ可 由以下公式求得：

)

cos(

sin

φ

=

φ

−

α

c

t

t

_(3.1) 式展開整理後可得： 將(3.1)

α

γ

α

γ

α

α

φ

sin

1

cos

sin

1

cos

tan

×

−

×

=

×

−

×

=

C C c c

t

t

t

t

(3.2) 其中， t：進刀深度(mm) tc：切削厚度(mm) φ：剪切角 α：刀具傾角 φ α (φ-α) _φ 圖 3.2 切屑形成模型

由(3.2)式剪切角公式可發現，剪切角受切削條件及工件材料之影響甚大；如圖 3.3，以相同的切削深度及刀具傾角進行切削，若是剪切角小則剪切面長、切屑厚度 亦隨之增大，此外隨著切屑的產生，切削阻力或切削熱增多，故造成所需的切削力 亦增大；若剪切角大則剪切面較短，切屑變薄、切屑流出速度增快，切削阻力或切 削熱亦變少，所需的切削力也就降低，所以剪切角愈大對於切削愈有利。 薄切屑 厚切屑 φ大 φ小 (a) (b) 圖 3.3 剪切角對切屑形成影響【23】 因此刀具斜角的大小與工件材料的不同，直接影響了剪切角的大小，而剪切角 的大小又關係著切屑厚度，進而可藉由切屑的形成來作為評估整個切削加工的順利 與否。所以我們可基於剪切角與切屑形成的理論分析，再藉由刀具斜角大小與工件 材料性質的選擇，來達到最有利的切削加工情況。 在切削力(Cutting force)的分析方面，切削是使工件發生大塑性變形，進而分離 切屑，是促使剪切面發生剪應變所須之力量，而經由刀具斜面傳入，又稱為切削阻 力(Cutting resistance)。其方向、大小因加工方法、刀具幾何、切削條件、加工材料而 異，所以切削阻力直接影響切削所需動力，並透過切削系統包括工具機、刀具與工 件之剛性將影響加工精度。換言之也就是用以評斷工件材料被削性的基準之一，而 藉由過去切削理論的探討與切削阻力的計算與分析，可有助於切削現象的討論，並 用來求得被切削材料的機械性質與切削條件，以瞭解刀具幾何、切削速度、進給速

率等切削條件是否恰當。 同時，切削力與刀具尖端發生之熱有直接關係，連與刀具壽命也有密切關係， 所以切削力直接影響所須動力、尺寸精度、形狀精度、加工面粗度、加工變質層與 刀具壽命等加工項目【24】。 由圖 3.4(a) 正交切削的切削力關係圖，得知 R 為刀面部份和切屑間的作用力 R＇則為剪切面上的工件和切屑間的作用力，根據力學平衡條件得知 R 必須等於 R＇，而 R 與R’可以分為以下三組分力： 1. 水平與垂直方向分力，FP與NP。 2. 沿著剪切面和垂直於剪切面的分力Fs 與 Ns。 3. 沿著刀具面部和垂直於刀具面部的分力 F 與 N。 由圖 3.4(b)可以得知，與刀面平行之分力 F 為， α α cos sin _P P N F ED AE F + = + = (3.3) 與刀面垂直之分力 N 為， sinα N cosα F_P − _P = − =IC ID N (3.4) 由上式可知，當切屑接觸於刀面時，將在垂直方向及水平方向產生作用力，故 切屑與刀面間的摩擦係數μ及摩擦角β為， α α α α μ sin cos cos sin P P P P N F N F N F − + = = (3.5)

μ

tan

β

₌

−1 (3.6) 由式(3.5)可得知，切屑滑離刀面的阻力和刀具傾角α及兩分力FP、NP有關，此 兩方向的力可藉切削力測力計予以測定。

由圖3.4 切削力關係圖可得知，切削力亦可分解成沿著平行於剪切面方向的分 力FS，及與剪切面垂直的分力NS，則FS是剪切工件材料以形成切削所需的作用力，

稱為剪力(Shear force)，而NS則會使剪切面產生壓縮應力(Compressive stess)，所以可

以得知， φ φ sin cos _P P S N F KL AL F − = − = (3.7) φ φ cos sin _P P S N F MC KM N + = + = (3.8) 因切削中作用於剪切面的剪應力τs，可以視為工件材料的剪切強度，若已知 剪切角φ，刀面的摩擦角β，刀具傾角α，則切削作用力FP及垂直其的作用力NP，可 以由下式求出： ) cos(φ+β −α = R FS (3.9) ) cos(β −α = R FP (3.10) ) sin(β−α = R N_P (3.11) 由圖3.2 可知，剪力FS和剪應力τs的關係為： φ τ τ sin t b A F_S = _S × _S = _S × ⋅ (3.12) 所以，由式(3.9)及式(3.10)可得知FP為： ) cos( ) cos( α β φ α β − + − × = S P F F ，由式(3.12)將FS代入得 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + − × = ) cos( sin ) cos( α β φ φ α β τ bt FP S (3.13)

同理可得 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + − × = ) cos( sin ) sin( α β φ φ α β τ bt N_{S S} (3.14) 由此可知影響切削力的因素： 1. 被切削工件的機械性質及剪應力。 2. 切削時刀具的傾斜角度。 3. 未變形切屑厚度 t。 4. 切屑寬度 b。 5. 刀面的摩擦係數變化所致的剪切角。 α φ α β-α φ α β α α _β (b) φ (a) 圖3.4 正交切削的切削力關係圖

3.4 切削速度

切削速度是指工件與刀具間相對移動的速度，而不同的加工方式對於切削速度 的定義也不同，例如車削指的是工件的表面速度，即工件通過刀具的速度，而鑚床 或銑床指的是刀具的圓周速度，再者刨床指的是刀具於切削行程中的平均速度，若 以車削加工而言，其切削速度 V 定義為： 1000 N D V= π× × (3.15) V：切削速度(m/min) D：工件直徑 (mm) N：回轉速(rpm) 一般而言，提高切削速度會減少加工時間，但是會因此產生較多的摩擦熱而使 刀具壽命下降，反而增加造成加工的成本與時間，所有因應各種切削條件需建立適 當的切削速度，以符合加工成本及達到所需的外形精度；所以切削速度為切削條件 中影響最為廣泛的因素之一，對加工效率、刀具壽命、表面粗糙度、振動、安全等 具有很大的影響。提高切削速度，可提升加工效率，同時表面粗糙度也可獲得改善， 但相對地使刀具壽命降低。因此，適當切削速度的選擇必須考慮下列因素： (一) 工件材料性質：主要是依據材料的硬度與韌性來選擇適當的切削速 度。硬度愈高、韌性愈大者，宜選擇較低的切削速度。反之，易切削的 材料，可選擇較高的切削速度進行加工。 (二) 刀具：考量的是刀具材質與刀角對於切削速度的差異，例如，鑽石刀 具的切削速度比陶瓷刀具高，而陶瓷刀具比碳化物高。刀角的銳利程度 對於切削性也有所提升，切削速度也可因此而增加，但對於刀具壽命卻 是相對的降低。

(三) 進刀深度與進給：進刀深度影響切屑寬度，進給則影響切屑厚度。若 進刀深且進給大，也表示切削阻力亦增大，對於刀具壽命則相對降低， 因此考量大切深與大進給對於刀具的負擔，應選擇較低的切削速度。 (四) 切削劑：切削劑的使用可降低切削溫度、帶離切屑、維持刀刃的穩定 性，因而可以提高切削速度。 (五) 工具機結構與性能：若是工具機結構鬆動、剛性不足，應採用低切削 速度，以避免切削振動對於加工品質的影響。反之，剛性強、結構穩定 的工具機，則可以採用較高的切削速度。 (六) 加工品質與加工方式：精切削、粗切削、連續切削、不連續切削，或 工件夾持的穩固性，對於切削速度均有影響。 若不考慮切屑與刀面摩擦和切屑捲曲的情形，則切屑形成時有三種速度， 如圖 3.6 所示【23】。 1.切屑速度V：刀具對工件的切削速度，沿工件之加工面方向。 2.剪切速度Vs：切屑對工件的相對速度，沿剪切面方向。 3.切屑速度Vc：切屑對刀具的相對速度，沿刀面方向。 根據動力學原理可以得知，此三個速度向量必構成一個封閉速度圖，由圖 3.5 得切削速度和切屑速度的向量和等於剪切速度，所以得知 ) cos( cos V V cos V ) cos( V S S α − φ α × = α × = α − φ × (3.16) ) cos( sin V V sin V ) cos( V C C α − φ φ × = φ × = α − φ × (3.17)