ผู้ซื้ออะลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูงรายใหญ่ที่สุด: คุณรู้จักแซฟไฟร์มากแค่ไหน?

คริสตัลแซฟไฟร์ผลิตจากผงอะลูมินาบริสุทธิ์สูงที่มีความบริสุทธิ์มากกว่า 99.995% ทำให้เป็นที่ต้องการมากที่สุดสำหรับอะลูมินาบริสุทธิ์สูง แซฟไฟร์มีความแข็งแรง ความแข็งสูง และคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร ทำให้สามารถใช้งานได้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูง การกัดกร่อน และการกระแทก แซฟไฟร์ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในด้านการป้องกันประเทศ เทคโนโลยีพลเรือน ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และสาขาอื่นๆ

จากผงอะลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูงไปจนถึงคริสตัลแซฟไฟร์

1. การประยุกต์ใช้งานหลักของแซฟไฟร์ 

ในภาคการป้องกันประเทศ คริสตัลแซฟไฟร์ถูกนำมาใช้เป็นส่วนประกอบหลักของหน้าต่างอินฟราเรดของขีปนาวุธ สงครามสมัยใหม่ต้องการความแม่นยำสูงในขีปนาวุธ และหน้าต่างแสงอินฟราเรดเป็นองค์ประกอบสำคัญในการบรรลุข้อกำหนดนี้ เนื่องจากขีปนาวุธต้องเผชิญกับความร้อนและแรงกระแทกทางอากาศพลศาสตร์ที่รุนแรงในระหว่างการบินด้วยความเร็วสูง ประกอบกับสภาพแวดล้อมการรบที่รุนแรง เรโดมจึงต้องมีความแข็งแรง ทนทานต่อแรงกระแทก และสามารถทนต่อการกัดเซาะจากทราย ฝน และสภาพอากาศที่รุนแรงอื่นๆ คริสตัลแซฟไฟร์มีการส่งผ่านแสงที่ดีเยี่ยม คุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่า และคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร จึงกลายเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับหน้าต่างอินฟราเรดของขีปนาวุธ

แผ่นรองรับ LED ถือเป็นการใช้งานแซฟไฟร์ที่ใหญ่ที่สุด หลอดไฟ LED ถือเป็นการปฏิวัติครั้งที่สามรองจากหลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอดประหยัดพลังงาน หลักการของ LED คือการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสง เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสารกึ่งตัวนำ โฮลและอิเล็กตรอนจะรวมตัวกัน ปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของแสง จนในที่สุดก่อให้เกิดแสงสว่าง เทคโนโลยีชิป LED ใช้เวเฟอร์แบบเอพิแทกเซียล ซึ่งวัสดุที่เป็นก๊าซจะถูกเคลือบทับลงบนแผ่นรองรับทีละชั้น วัสดุรองรับหลักๆ ได้แก่ แผ่นรองรับซิลิคอน แผ่นรองรับซิลิคอนคาร์ไบด์ และแผ่นรองรับแซฟไฟร์ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ แผ่นรองรับแซฟไฟร์มีข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือกว่าอีกสองประเภท ได้แก่ ความเสถียรของอุปกรณ์ เทคโนโลยีการเตรียมผิวที่สมบูรณ์ การไม่ดูดซับแสงที่มองเห็นได้ การส่งผ่านแสงที่ดี และราคาที่พอเหมาะ ข้อมูลแสดงให้เห็นว่า 80% ของบริษัท LED ทั่วโลกใช้แซฟไฟร์เป็นวัสดุรองรับ

นอกเหนือจากการใช้งานที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว คริสตัลแซฟไฟร์ยังใช้ในหน้าจอโทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์ทางการแพทย์ การตกแต่งเครื่องประดับ และเป็นวัสดุสำหรับหน้าต่างของเครื่องมือตรวจจับทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ เช่น เลนส์และปริซึมอีกด้วย

2. ขนาดตลาดและแนวโน้ม

ด้วยแรงสนับสนุนจากนโยบายและสถานการณ์การใช้งานชิป LED ที่ขยายตัว คาดว่าความต้องการและขนาดของตลาดของซับสเตรตแซฟไฟร์จะเติบโตในระดับสองหลัก ภายในปี 2568 ปริมาณการจัดส่งซับสเตรตแซฟไฟร์คาดว่าจะสูงถึง 103 ล้านชิ้น (เมื่อแปลงเป็นซับสเตรตขนาด 4 นิ้ว) ซึ่งเพิ่มขึ้น 63% เมื่อเทียบกับปี 2564 โดยมีอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี (CAGR) อยู่ที่ 13% ตั้งแต่ปี 2564 ถึง 2568 คาดว่าขนาดตลาดของซับสเตรตแซฟไฟร์จะสูงถึง 8 พันล้านเยนภายในปี 2568 เพิ่มขึ้น 108% เมื่อเทียบกับปี 2564 โดยมีอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี (CAGR) อยู่ที่ 20% ตั้งแต่ปี 2564 ถึง 2568 ในฐานะ "สารตั้งต้น" ของซับสเตรต ขนาดตลาดและแนวโน้มการเติบโตของผลึกแซฟไฟร์จึงเห็นได้ชัด

3. การเตรียมคริสตัลแซฟไฟร์

นับตั้งแต่ปี พ.ศ. 2434 (ค.ศ. 1891) นักเคมีชาวฝรั่งเศส แวร์นอย เอ. ได้คิดค้นวิธีการหลอมรวมเปลวไฟ (Flame Fusion) เพื่อผลิตผลึกอัญมณีเทียมขึ้นเป็นครั้งแรก การศึกษาเกี่ยวกับการเจริญเติบโตของผลึกแซฟไฟร์เทียมได้ดำเนินมานานกว่าศตวรรษ ในช่วงเวลานี้ ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีได้ผลักดันให้เกิดการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับเทคนิคการเจริญของผลึกแซฟไฟร์ เพื่อตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมที่ต้องการคุณภาพผลึกที่สูงขึ้น อัตราการใช้งานที่ดีขึ้น และต้นทุนการผลิตที่ลดลง มีวิธีการและเทคโนโลยีใหม่ๆ เกิดขึ้นมากมายสำหรับการปลูกผลึกแซฟไฟร์ เช่น วิธีของโชคราลสกี (Czochralski method), วิธีไคโรปูลอส (Kyropoulos method), วิธีการเจริญเติบโตแบบฟิล์มป้อนขอบ (Edge-defined film-fed growth: EFG) และวิธีการแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat exchange method: HEM)

3.1 วิธี Czochralski สำหรับการปลูกคริสตัลแซฟไฟร์
วิธี Czochralski ซึ่งริเริ่มโดย Czochralski J. ในปี 1918 เป็นที่รู้จักกันในชื่อเทคนิค Czochralski (ย่อว่า วิธี Cz) ในปี 1964 Poladino AE และ Rotter BD ได้นำวิธีนี้มาประยุกต์ใช้เป็นครั้งแรกในการเพาะผลึกแซฟไฟร์ จนถึงปัจจุบัน ได้ผลิตผลึกแซฟไฟร์คุณภาพสูงจำนวนมาก หลักการนี้เกี่ยวข้องกับการหลอมวัตถุดิบให้เป็นของเหลวเหลว แล้วจุ่มเมล็ดผลึกเดี่ยวลงบนพื้นผิวของผลึกเหลว เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิที่รอยต่อระหว่างของแข็งและของเหลว ทำให้เกิดภาวะเย็นยิ่งยวด (supercooling) ทำให้ผลึกเหลวแข็งตัวบนพื้นผิวของผลึกและเริ่มเจริญเติบโตเป็นผลึกเดี่ยวที่มีโครงสร้างผลึกเดียวกันกับเมล็ด เมล็ดจะถูกดึงขึ้นอย่างช้าๆ พร้อมกับหมุนด้วยความเร็วที่กำหนด เมื่อดึงเมล็ด ผลึกเหลวจะค่อยๆ แข็งตัวที่รอยต่อ ก่อตัวเป็นผลึกเดี่ยว วิธีการนี้ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการดึงผลึกออกจากของเหลวเหลว เป็นหนึ่งในเทคนิคทั่วไปสำหรับการเตรียมผลึกเดี่ยวคุณภาพสูง

ข้อดีของวิธี Czochralski ได้แก่ (1) อัตราการเติบโตที่รวดเร็ว ทำให้สามารถผลิตผลึกเดี่ยวคุณภาพสูงได้ภายในระยะเวลาอันสั้น (2) ผลึกจะเติบโตที่พื้นผิวหลอมเหลวโดยไม่ต้องสัมผัสกับผนังเบ้าหลอม ช่วยลดแรงตึงภายในได้อย่างมีประสิทธิภาพและปรับปรุงคุณภาพของผลึก อย่างไรก็ตาม ข้อเสียสำคัญของวิธีนี้คือความยากในการผลิตผลึกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการผลิตผลึกขนาดใหญ่

3.2 วิธีการ Kyropoulos สำหรับการปลูกคริสตัลแซฟไฟร์

วิธี Kyropoulos ซึ่งคิดค้นโดย Kyropoulos ในปี 1926 (เรียกย่อๆ ว่าวิธี KY) มีความคล้ายคลึงกับวิธีของ Czochralski โดยใช้วิธีจุ่มผลึกเมล็ดพืชลงบนพื้นผิวของของเหลวหลอมเหลว แล้วค่อยๆ ดึงขึ้นด้านบนเพื่อสร้างคอ เมื่ออัตราการแข็งตัวที่ส่วนต่อประสานระหว่างผลึกละลายและเมล็ดพืชคงที่ เมล็ดพืชจะไม่ถูกดึงหรือหมุนอีกต่อไป แต่จะมีการควบคุมอัตราการเย็นตัวเพื่อให้ผลึกเดี่ยวค่อยๆ แข็งตัวจากด้านบนลงมา จนกลายเป็นผลึกเดี่ยวในที่สุด

กระบวนการ Kyropoulos ผลิตผลึกที่มีคุณภาพสูง ความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำ ขนาดใหญ่ และคุ้มต้นทุน

3.3 วิธีการปลูกฟิล์มแบบ Edge-Defined Film-Fed Growth (EFG) สำหรับการปลูกคริสตัลแซฟไฟร์
วิธี EFG เป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูปผลึก หลักการของวิธีนี้คือการวางผลึกเหลวที่มีจุดหลอมเหลวสูงลงในแม่พิมพ์ ผลึกเหลวจะถูกดึงขึ้นไปยังด้านบนของแม่พิมพ์ผ่านกระบวนการแคปิลลารี ซึ่งจะสัมผัสกับผลึกเมล็ด เมื่อเมล็ดถูกดึงออกและผลึกเหลวแข็งตัว จะเกิดผลึกเดี่ยวขึ้น ขนาดและรูปร่างของขอบแม่พิมพ์จะจำกัดขนาดของผลึก ดังนั้น วิธีการนี้จึงมีข้อจำกัดบางประการ และเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับผลึกแซฟไฟร์ที่มีรูปร่าง เช่น ผลึกแบบท่อและผลึกรูปตัว U

3.4 วิธีการแลกเปลี่ยนความร้อน (HEM) สำหรับการปลูกคริสตัลแซฟไฟร์
วิธีการแลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับการเตรียมผลึกแซฟไฟร์ขนาดใหญ่ถูกคิดค้นโดยเฟร็ด ชมิด และเดนนิส ในปี พ.ศ. 2510 ระบบ HEM มีคุณสมบัติเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดีเยี่ยม ควบคุมการไล่ระดับอุณหภูมิในเนื้อหลอมและผลึกได้อย่างอิสระ และควบคุมได้ง่าย สามารถผลิตผลึกแซฟไฟร์ได้ค่อนข้างง่าย มีค่าความคลาดเคลื่อนต่ำและมีขนาดใหญ่

ข้อดีของวิธี HEM ได้แก่ การไม่มีการเคลื่อนที่ในเบ้าหลอม ผลึก และเครื่องทำความร้อนระหว่างการเจริญเติบโต จึงช่วยลดแรงดึงที่เกิดขึ้นเช่นเดียวกับวิธี Kyropoulos และ Czochralski วิธีนี้ช่วยลดการรบกวนจากมนุษย์และหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องของผลึกที่เกิดจากการเคลื่อนที่เชิงกล นอกจากนี้ อัตราการระบายความร้อนยังสามารถควบคุมได้เพื่อลดความเครียดจากความร้อน รวมถึงการแตกร้าวและความผิดปกติของผลึกที่เกิดจากการเคลื่อนตัว วิธีนี้ช่วยให้สามารถเจริญเติบโตของผลึกขนาดใหญ่ได้ ใช้งานง่าย และมีแนวโน้มการพัฒนาที่สดใส

ด้วยความเชี่ยวชาญอย่างลึกซึ้งในด้านการเติบโตของผลึกแซฟไฟร์และการประมวลผลที่แม่นยำ XKH นำเสนอโซลูชันเวเฟอร์แซฟไฟร์แบบกำหนดเองแบบครบวงจรที่ออกแบบมาเพื่อการใช้งานด้านการป้องกันประเทศ ไฟ LED และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ นอกจากแซฟไฟร์แล้ว เรายังจัดหาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงครบวงจร ซึ่งรวมถึงเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เวเฟอร์ซิลิคอน ชิ้นส่วนเซรามิก SiC และผลิตภัณฑ์ควอตซ์ เรารับประกันคุณภาพ ความน่าเชื่อถือ และการสนับสนุนทางเทคนิคที่ยอดเยี่ยมสำหรับวัสดุทุกประเภท เพื่อช่วยให้ลูกค้าบรรลุประสิทธิภาพที่ก้าวล้ำในการใช้งานด้านอุตสาหกรรมและการวิจัยขั้นสูง