｜飛秒雷射之精微加工技術

摘要：金屬雙極板具有低成本與高機械強度的特性，但是質子交換膜燃料電池的金屬雙極板因為操作在溫度較高的硫酸環境中，所以金屬板會遇到腐蝕的問題。透過雷射披覆碳膜於金屬雙極板上可提供抗腐蝕之保護。

Abstract: Metal bipolar plates have low cost and high mechanical strength properties. Because the PEMFC works at a high temperature and sulfuric acid environment, the metal plate encounters corrosion issues. The metal plates can be protected from corrosion by laser carbon film cladding.

關鍵詞：雷射披覆、碳膜、金屬雙極板、燃料電池

Keywords：Laser Cladding, Carbon Film, Metal Bipolar Plate, Fuel Cell

前言
飛秒雷射的雷射脈衝寬度在飛秒（10-15秒）等級，材料在此超短脈衝寬度照射下，可在照射區域產生超強功率密度（peak power density = energy intensity / pulse duration, >1012 W/cm2），在此超強功率密度作用下，飛秒雷射對材料之作用機制有別於長脈衝雷射，具極低熱影響區（minimal heat affected zone）、非線性多光子吸收（nonlinear multi-photon absorption）特性，可在材料表面及透明材料內部進行微米或奈米尺度的超精密加工，以及單光束可直接製作奈米或微奈米混和結構，可突破傳統加工的極限，提供一般製程做不到的能力。

工研院南分院之飛秒雷射精微加工技術以開發雷射源、光路模組、深化飛秒雷射的材料作用機制、與創新應用等為技術開發主軸，以提升精微加工、透明材料內部改質、微奈米結構製作等核心技術能力，並與國外（日本東北大學、美國UC Berkeley、Missouri University of S&T、University of Missouri）等進行技術合作，以及連結學研團隊（台大、成大、中正、中興、中山、屏科大等），進行相關創新研發應用，以提升產業技術層級為目標。

本文將針對飛秒雷射之材料加工機制與量測研究，以及各種創新應用之實現做介紹，如功能性微奈米結構之快速製作，含抗沾黏模具、具抗摩擦特性之創新軸封、高靈敏度之電化學電極等，以及奈米金屬粒子之飛秒雷射快速燒結與奈米材料製備。

飛秒雷射之材料加工機制與量測
透過材料改質後特性分析與量測技術，建立飛秒雷射與材料之作用機制，為進行各種工程應用之核心基本技術。

在材料改質後特性分析部分，本文以飛秒雷射技術對非晶氧化銦錫（Indium Tim Oxide, ITO）做多晶圖案成型的可行性，並建立飛秒雷射的材料作用機制模型[1-5]。以光電產品製程為例，對於一些功能層需要做熱處理使之結晶化，以改善其工作特性，如需將a-ITO（amorphous-ITO）轉變成poly-ITO（polycrystalline-ITO），以增加導電性和透光度。傳統的高溫爐熱處理技術，屬於全面性的高溫製程，容易破壞其他低溫的功能層，因此使得雷射圖案成型技術的低溫特性逐漸受到重視。一般雷射技術的解析度因光繞射極限之故僅能達1/2波長，且熱效應區域還是較大，因此在解析度上仍有待改善。飛秒雷射是屬於非線性光子吸收原理，因此光斑解析度可以小於1/5波長，且雷射脈衝寬度小於材料熱擴散時間，因此產生的熱影響區極低。圖1為分別透過低重複頻率（1 kHz）及高重複頻率（80 MHz）之飛秒雷射，在透明ITO薄膜材料之照射結晶實驗結果。可以觀察到當雷射重複頻率1 kHz時，由於相鄰雷射脈衝時間大於一般玻璃材料熱擴散時間（約21 μs），不會產生熱累積效應，使得材料在相鄰雷射脈衝之間產生熱循環（thermal cycling effect），導致結晶後ITO薄膜產生龜裂現象。但透過高重複頻率（80 MHz）的照射，結晶後ITO結晶線段上並未出現龜裂狀，因為雷射重複頻率夠高，在相鄰雷射脈衝之間，ITO薄膜處於穩定溫度並使得龜裂現象獲得改善。針對飛秒雷射之薄膜材料改質，以ITO薄膜為例，透過不同型式飛秒雷射，建立各種微奈米結構圖案製作及相關物理機制模型，突破現有飛秒雷射直接削除技術瓶頸，並可單步驟在非晶材料上，直接製作具奈米週期結構之多晶圖案，如圖2所示，其週期約為200nm。