光連雙月刊2008年11月．No.78 45

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根據光電協進會的統計，TFT-LCD面板 2007年產值約 805億美元，佔整體平

面顯示器產值（不含零組件材料與設備）之 84％，年成長率超過 50％，主要

需求來自 LCD TV、寬螢幕 LCD顯示器、筆記型電腦等對大尺寸面板的需求快速增

加，再加上由於 2006年產業景氣低，廠商擴廠腳步放緩，產能增加幅度遠不及需求

成長，導致面板平均售價（ASP）除大尺寸 TV面板外皆呈現上漲走勢。未來成長

的驅動力仍會以 LCD TV為主，預計在 LCD TV快速取代 CRT TV的換機效應下，

2008至 2010年全球 TFT-LCD產值將分別達到 940億、1,030億及 1,090億美元的規

模，年成長率約為 6～ 17％。

TFT-LCD由於需求越來越多，玻璃基板的使用面積也越來越大，使得基板的

用量需求快速成長，為了提高生產效率，製造更多的產品，面板廠商無不朝向開

發更大尺寸的玻璃基板，以期提高生產產量，能更快速將產品送到市場，搶佔市

場先機。全球各個大廠都積極規劃次世代的產品，從 5代（1100×1300mm）、6代

（1500×1850mm）、7 代（1870×2200mm）、8 代（2160×2460mm），到目前日廠

Sony積極與 Sharp合作投資在大阪府堺市的堺工場進行的 10代（2850×3050mm）

廠的建置，甚至外傳韓廠三星電子（Samsung Electronics）也將與 Sony再度攜手，合

建 11代 TFT-LCD面板生產線。玻璃基板尺寸越來越大，無論是製程的穩定性，或是

玻璃儲存、搬運、包裝的穩定性都將受到極大的挑戰。

玻璃基板尺寸大型化所衍生出的技術性問題：

1、因尺寸變大、重量增加導致基板彎曲所衍生的問題

2、因尺寸變大基板的移載、夾持、清潔、儲存與定位技術門檻提高

3、因尺寸變大基板厚度均勻性之控制技術

4、因尺寸變大基板強度必須強化

5、因尺寸變大基板熱收縮率與熱破裂問題之改善

6、因尺寸變大玻璃基板的生產良率跟著下降

　　隨著平面顯示器大型化的趨勢日益明顯，對大尺寸玻璃基板之量產需求益加殷

切，但隨之而來的生產技術問題也更加複雜。從 5代廠開始，在生產廠房的規劃過程

中最大的挑戰之一就是要面對大型玻璃基板移載、夾持、清潔、儲存與定位等問題，

也就是玻璃基板處理（Handling）技術的必須改善與提升。在不同的製程與製程間都

需要這種技術，但傳統技術上玻璃與承載物之間會因接觸關係而產生靜電、刮傷或其

非接觸式多孔性氣浮平台技術介紹

文／李有璋（中原大學機械系助理教授）、余欽章（中原大學機械系碩士班研究生）蔡瑞益（中原大機械系教授）

因 應 TFT-LCD 日

益升高的市場需

求，玻璃基板的尺

寸亦逐漸加大以提

高生產效率，其衍

生出來的技術性問

題如儲存或搬運，

亦成為廠商的一大

挑戰。非接觸式氣

浮平台移載技術因

具備零摩擦力、零

耗損、高生產速

度等優點，將成為

TFT-LCD大尺寸玻

璃基板搬運移載系

統的主流。

光連雙月刊2008年11月．No.7846

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他因接觸產生的損害影響，隨著玻璃基板尺寸變大，因接觸所產生的問題會越來越複

雜。在面對到 7、8世代的面板廠，在玻璃基板處理方面，傳統的處理技術已達極限，

無法符合快速生產與高良率的需求。以下將先針對玻璃基板的移載技術加以探討：

玻璃基板傳統的移載技術：

1、移載平台由滾輪、皮帶或線性馬達系統驅動

2、基板精密定位與基板進出作業由機械手臂搭配機械或真空夾持方式執行

3、製程切換間的基板移載由托盤 (Trays)或卡夾 (Cassettes)搭配機械手臂進行

傳統 TFT-LCD玻璃基板是採用機械手臂（Robots）、AGV（Automated guided

vehicle）系統等作業方式來進行大型玻璃基板的搬運和移載。在生產過程中玻璃基板

與移載平台（或滾輪）是屬於接觸式作業，玻璃基板與移載平台或滾輪接觸時，因接

觸及摩擦的關係引起基板缺角、破裂、損傷、污染、靜電等問題會對玻璃基板之表面

造成損傷或缺陷，進而影響生產良率與產品品質，此外採用滾輪進行旋轉移載時，仍

有技術問題需要克服。這些問題對大尺寸玻璃基板之生產效率影響深遠，急需迫切改

善。若能以非接觸式氣浮平台技術來取代傳統接觸式移載技術所衍生的問題，將會是

有效的解決方式。

非接觸式氣浮平台移載技術： ■

　　非接觸式輸送及移載設備主要為改善傳統搬運技術在玻璃基板變大之後所引發的

問題，因為在輸送與移載過程中是不會直接接觸到作業物件，所以可以避免污染物附

著、應力、靜電及損傷玻璃基板的情形發生。

氣浮載運技術發展 ■

氣浮技術不是新的技術，最早是在

1828年由 Rev. Wills發表過一篇論文來描

述這項技術。1897 年 A. Kingsbury 在實

驗中發現氣浮技術將來在應用上需先克服

的粉塵（particle）問題與維持穩定漂浮高

度，主要是因為空氣的黏度太低，在實驗

中證實使用比空氣黏度更高的流體像是水

或油可以獲得更大的漂浮高度。1904年

G.. Westinghouse獲得一項利用空氣推力軸承應用在垂直蒸氣渦輪機上的專利。1950

和 1960年間美國國家實驗室引領氣浮技術的開發，雖然在當時氣浮技術名不見經

傳，但在美國的國家防衛部門與核能工業上，氣浮在定位上精準性的優點是一項不

可或缺且重要的技術，當時美國國家實驗室技術領先其他國家，並將其應用在超精

密機械設備上。1960年多孔性材質的氣浮技術首先在美國國家實驗室被開發出來。

1965年 CMM（Coordinate Measuring Machine）之父 Russ Shelton使用多孔性碳將

圖1　接觸式與非接觸式移載技術

傳統接觸式 非接觸式

資料來源：SMC

光連雙月刊2008年11月．No.78 47

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氣浮技術應用在 CMM，迄今已逾四十年該技術仍被使用。1970年間 IBM將氣浮技

術商業化，IBM將氣浮技術引用至軸承技術上，製造大型硬碟驅動器，截至目前為

止氣浮軸承仍是硬碟驅動器的主要應用技術。1982年 Sheffield Corporation（現在為

Giddings & Lewis Metrology）是 CMM製造商，也是少數利用多孔性氣浮技術的公司

之一。1984年 Aeolus Air Bearings完成全世界第一條製造氣浮元件和設備的標準生產

線。1987年 L.S. Starrett Co.，一家 CMM設備製造商，在重新設計 CMM時，將過去

所慣用的滾珠軸承技術改為氣浮軸承技術來改善其產品之精準度。沿革至今，在歐美

與日本等國的機械元件商，都陸續投入該項技術的產品開發與技術研究，為因應目前

面板產業在輸送移載上日益要求的速度、效率和潔淨度或是檢測上不斷追求快速、平

穩與精準，無不投入人力突破各項瓶頸。

氣浮移載系統的優點：

1、零摩擦力（Zero friction）

2、零耗損（Zero wear）

3、直線運動（Straight motion）、旋轉運動（Rotation motion）皆適用

4、操作平穩且無聲 （Silent and smooth operation）

5、高阻尼（Higher damping）

6、免除潤滑用油（Eliminate oil）

7、可高速作業（High speeds）

非接觸式輸送技術之發展分為兩個主要的方向： ■一、陣列噴嘴（Array Nozzle）單向氣浮定位控制技術 ◆

　　單向噴嘴技術，目前仍有許多問題必須克服，其中像是穩定性差，容易發生錘撞

（Hammering），且移載物件之韌性（Stiffness）不足，常以機械式夾持機構輔助，還

有作業需要消耗較大之氣體流量，才能達到符合作業需求的漂浮高度。為改善單向噴

嘴技術問題而發展出雙向氣浮定位控制技術（圖 2），該技術以具正負壓功能之噴嘴

來取代單向噴嘴，使氣墊層在支撐玻璃基板時，將多餘的空氣經由負壓吸嘴快速排

除，如此可在低氣體流量下迅速獲

得均勻平衡之浮力，且因具負壓之

吸力作用，可大幅提升韌性。然而

該技術的缺點在於耗氣量太大，尤

其對應到玻璃基板尺寸日益增加，

相對的耗氣量呈倍數成長，製造成

本相對增加；再者局部的氣體流量

過大，整體大面積的穩定性欠佳，

不論應用在移載輸送或是檢測上都

會造成影響。

圖2　陣列噴嘴單向／雙向氣浮定位控制技術

資料來源：SID 04 Digest

光連雙月刊2008年11月．No.7848

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二、多孔性材質氣浮控制技術 ◆

　　多孔性材質（Porous material）可大幅降低氣體流量，還能達到氣墊層均勻氣壓

及良好的分布並能提供足夠的作業所需漂浮高度。氣浮設備製造廠 New Way針對不

同噴嘴氣孔數量和形狀的設計與多孔性材料的氣壓分佈形的分析結果（圖 3）。由資

料上可以明顯看出多孔性材質所呈現的氣壓分佈和強度都是最均勻的，只是其韌性強

度（Stiffness）仍然不足，而且多孔性材料的製造成本也相對昂貴。目前在美國、歐

洲及日本地區的設備元件商、設備廠商及研究中心正積極開發非接觸式大尺寸玻璃基

板輸送及移載設備，同時也包含立式搬運系統在內的技術，而投入這項技術開發的除

了有 New Way, Festo, Newport之外，日本也有 CKD, SMC, Solar Research等，在台灣

有台伸藝陶股份有限公司與精密機械研究發展中心（PMC）共同合作開發的多孔性

陶瓷氣浮平台。

2006年 7月日刊工業新聞報導，日商 Solar Research研究所開發出非接觸式的

大型玻璃基板搬運裝置，利用噴出空氣所產生的負壓，在浮游的狀態下進行搬運。

CKD在 2007年 3月提出 Float Star GFM系列的產品，運用氣浮平台技術針對基板輸

送與檢測定位的需求設計來解決玻璃基板大型化所發生的彎曲、破裂和移載的問題，

以提高生產效能。Festo於 2008年 6月表示已發展出 TFT-LCD面板校位氣浮平台，

面板尺寸最大可到 65英吋。利用傾斜氣浮平台方式將面板調整到中間位置，真空產

生器產生真空到氣浮平台，以控制面板的位置，可以準確的控制面板放置位置，誤差

小於 +/-0.1mm。此外也可應用在旋轉輸送帶設備旋轉輸送帶設備，以齒輪皮帶電動

缸 DGE作為驅動元件，及氣浮平台作為玻璃基板的支撐元件。

多孔性元件的應用 ■１、輸送及移載設備之應用 ◆

如前面所述，多孔性氣浮平台可運用大尺寸玻璃的搬運。圖 4是將氣浮元件如

資料來源：New Way Air Bearings

圖3　氣浮元件之氣壓分佈形狀比較圖

光連雙月刊2008年11月．No.78 49

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噴嘴或多孔性材質以軌道方式排列分布，對流體流速、流量等參數加以控制，確定以

穩定而均勻的氣墊層提供穩定的漂浮高度，維持玻璃基板受流體牽引作用下不致晃

動，以提供輸送及移載玻璃基板之應用。採用氣浮移載可以完全克服接觸磨擦所製造

的種種問題，因氣浮具備零磨擦力、無耗損與不需使用任何的作業用潤滑油，而且速

度快又平穩且安靜。此外，因為在玻璃基板和移載軌道之間形成的氣墊層，可以托住

因重量增加所產生的彎曲，降低了基板在作業時的應力、形變與碰撞或刮傷等問題。

此外因無接觸而降低磨擦所產生靜電的機會，提昇製程良率。氣浮並無摩擦阻力，可

提高工作速度，增加產能。

2、精密檢測平台 ◆

　　將氣浮元件如噴嘴或多孔性材質

排列分布（圖 5），對流體流速、流

量等參數加以控制，以穩定而均勻的

氣墊層提供穩定的漂浮高度，維持玻

璃基板受流體牽引作用下不致晃動，

且調控平面精準度至數微米以下，將

可應用於大型檢測平台之設計。由於

利用氣浮承載技術可以維持玻璃基板

更為平整，克服掉因重量所引起的彎

曲問題對檢測的影響，而提供更為精

準的定位與更小的操作誤差，在現今

尺寸大型化單元微小化的生產製程當

中，是很重要的一環。

3、真空吸盤 ◆

　　是運用伯努力原理減少空氣消耗

量，提昇吸附力，節省能源，避免在

吸附夾持的搬運過程中造成刮傷或

吸痕，處理無法吸附的穿孔式玻璃基

板、無法吸附的海綿與緩衝材料等類

型作業物的搬運作業。此外尚有藉由

提升慣性力達到與真空吸盤相同的效

果，具有良好的懸垂效果，夾持穩定

性也比一般傳統設備更好。另外，若

將多孔性氣浮元件以原本吹氣方式改

為吸氣方式，也可成為另一種吸盤的

方式，唯該方法會造成機構與產品接

觸，為接觸式的一種。

資料來源：台伸藝陶股份有限公司／精密機械研究發展中心

資料來源：[左]SID 04 Digest　[右]SMC

資料來源：SMC

圖4　氣浮軌道之應用

圖6　真空吸盤

圖5　氣浮精密檢測平台

光連雙月刊2008年11月．No.7850

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多孔性陶瓷的優勢 ■

　　多孔性材質包含有金屬、塑膠、碳、陶瓷等；每一種材質各具有其獨特性質，以

陶瓷而言則具有下列幾項優點：機械強度佳、材質化性相對穩定、可用於高作業溫

度、可控制孔隙度大小。

　　利用高溫燒結技術製作的陶瓷本身就具有多孔性特質，但是如何能燒結出均勻微

米等級甚至是奈米等級的多孔性陶瓷則需要有效地利用粉末配方、粉末顆粒大小與分

布、燒結程序來控制。追求細微孔隙度的多孔性材質，其目的在低耗氣量的情況下，

依然能夠將玻璃達到所需漂浮高度，故耗氣成本得以降低。如果將氣浮元件組成氣浮

系統，則可利用 CFD系統計算出最佳壓力、氣體耗氣量、玻璃懸浮高度的關係，找

出多孔性材質的最佳排列方式，爭取最低的製造廠商與終端客戶的生產成本。

　　台灣無論是投入藝術陶瓷或是工業陶瓷的歷史皆相當悠久，亦擁有專業技術與成

本控制的競爭力。因此發展多孔性陶瓷於氣浮平台的應用，也相對擁有自主性高、時

效性佳、成本低等多項優勢。如果搭配國內研究單位與系統廠商的共同開發，將有利

於完整快速應用於相關產業。

結語 ■

多孔性氣浮輸送

平台具備低噪音、低

應力、低污染、高運

載速度等多項優點。

現階段國內外廠商努

力進一步降低元件製

作成本，同時減少製

程耗氣量，並且開發

更穩定的處理控制系

統。雖然目前的製造

成本與單價偏高，但

是若從長期的生產良

率與生產速度來看，相對的營運成本反而可能下降，而且可以提供更穩定的氣流與漂

浮高度，改善設備運作速度與精確度。未來這樣的技術一旦普及，相對地可以降低多

孔性材質的氣浮元件的製造成本與單價，讓該技術更具競爭力。非接觸式多孔性氣浮

移載系統，具備高度穩定性，壓力均勻性與低作業氣體流量。趨勢顯示此技術未來將

成為 TFT-LCD大尺寸玻璃基板搬運移載系統的主流。除了應用在大尺寸玻璃基板方

面，這項技術可以廣泛地被運用到其他的製造產業領域諸如太陽能面板、半導體晶圓

的搬運，也可應用於偏光板、薄膜、微小晶片、微鏡片、不織布與其他通氣性製程的

搬運系統中。

圖7　多孔性陶瓷

資料來源：台伸藝陶股份有限公司