電子信息顯示用超薄玻璃研究

鮑兆臣

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司,上海 200063)

電子信息顯示用超薄玻璃研究

鮑兆臣

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司,上海 200063)

該文闡述了電子信息顯示用超薄玻璃的性能、主要種類、生產(chǎn)工藝及技術(shù)難點(diǎn),并對(duì)我國(guó)市場(chǎng)進(jìn)行了展望。

超薄玻璃; 性能; 種類; 工藝; 難點(diǎn)

近年來,隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,越來越多的電子顯示產(chǎn)品走進(jìn)千家萬戶,走進(jìn)現(xiàn)代化的工廠企業(yè),日漸滲透到我們工作、生活中的各個(gè)角落,已成為我們工作生活中的必需品。由于液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器(PDP)及觸摸屏(TP)等高科技電子顯示產(chǎn)品相繼面世,這種綠色環(huán)保平板信息顯示產(chǎn)品已成為市場(chǎng)發(fā)展的主流,而生產(chǎn)這種平板顯示所需的基礎(chǔ)材料——超薄玻璃,因其具有優(yōu)越的性能,在信息產(chǎn)業(yè)尤其是電子顯示業(yè)占有非常重要的位置,目前沒有其它材料可以完全替代。隨著電子顯示產(chǎn)品輕量化、薄型化發(fā)展,對(duì)超薄玻璃的生產(chǎn)又提出了更高的要求,這不但是玻璃生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的機(jī)遇,更能促進(jìn)玻璃技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,超薄玻璃的生產(chǎn)也自然而然戴上了玻璃行業(yè)的皇冠。該文對(duì)電子信息顯示用超薄玻璃的性能、主要種類、生產(chǎn)工藝及技術(shù)難點(diǎn)作了簡(jiǎn)單分析。

1 基本性能

一般來說,原片玻璃的厚度在0.1～25 mm之間,按照厚度劃分,可分為超薄玻璃、普通玻璃和超厚玻璃。超薄玻璃是指厚度在0.1～1.1 mm的玻璃。玻璃按厚度分類,詳情見表1。

實(shí)際上,電子信息顯示用超薄玻璃具有很多特殊的性能:

1)質(zhì)量?jī)?yōu)秀:無氣泡、無雜物、無鉛錫;厚薄差小,其厚薄差小于0.05 mm;透光率91%以上。

2)化學(xué)穩(wěn)定性好:應(yīng)變點(diǎn)較高、熱膨脹系數(shù)較低,從而使得電子設(shè)備在使用過程中能面對(duì)各種復(fù)雜的溫度環(huán)境,減少了由物理特性對(duì)使用性和安全性帶來的影響,熔點(diǎn)、軟化點(diǎn)、耐化學(xué)性較符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境。

3)可鍍膜性好:超薄玻璃的厚度薄,透過率高,可以通過鍍膜形成各種ITO導(dǎo)電膜玻璃。

表2所示為目前在超薄玻璃中有代表性的美國(guó)康寧公司的Gorilla(金剛)玻璃性能。

2 主要種類及生產(chǎn)工藝

按照組成成分的不同,超薄玻璃分為有堿玻璃和無堿玻璃。有堿和無堿的區(qū)別在于堿金屬氧化物(Na2O,K2O—鈉、鉀)的含量,堿金屬氧化物總含量在0.1%以上的稱為有堿玻璃,0.1%以下的稱為無堿玻璃。有堿玻璃以鈉鈣玻璃為主,無堿玻璃以無堿鋁硅酸鹽玻璃為主。超薄玻璃的開發(fā)一開始主要用于液晶顯示用玻璃基板,對(duì)于TN-LCD和STN-LCD顯示面板,主要采用有堿玻璃;對(duì)于TFT-LCD顯示面板,主要采用無堿玻璃。對(duì)于觸摸屏用玻璃基板,目前主流的觸摸屏用玻璃基板一種是有堿玻璃,另一種是無堿玻璃或經(jīng)化學(xué)鋼化后的無堿玻璃,后者是康寧公司為蘋果公司設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)確立的解決方案。不過,無堿玻璃雖然性能好,但是價(jià)格也高;相比較而言,有堿玻璃性能不但滿足使用要求,而且價(jià)格便宜,目前有堿玻璃在觸摸屏市場(chǎng)仍然有比較大的優(yōu)勢(shì)。

從生產(chǎn)工藝上來講,到目前為止,生產(chǎn)超薄玻璃有3種主要工藝:浮法技術(shù),溢流熔融法,流孔下引法。這3種工藝方法的對(duì)比情況,見表3。

3 技術(shù)難點(diǎn)

由于超薄玻璃厚度很薄,性能要求高,和通常的平板玻璃或工業(yè)玻璃相比,工藝環(huán)節(jié)或許相似,但前者對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)要求極高,生產(chǎn)制造極其困難,主要技術(shù)難點(diǎn)表現(xiàn)在:原料配方、熔化、成形、退火、切裁、堆垛以及各輔助生產(chǎn)設(shè)施等多個(gè)方面,以下僅就原料、熔化、成形作簡(jiǎn)要說明。

1)原料配方:特殊的配方是廠商的最高機(jī)密。超薄玻璃對(duì)原料雜質(zhì)的含量、硅質(zhì)原料批次間化學(xué)成分穩(wěn)定性和原料粒度組成等控制非常嚴(yán)格。

以TFT-LCD液晶顯示用玻璃基板為例,其和通常的建筑玻璃或汽車玻璃相比,兩者的原料配方相差很多,日常用的建筑玻璃或汽車玻璃屬于鈉鈣玻璃,主要原料有石英砂、純堿、長(zhǎng)石、白云石、芒硝、碎玻璃等,而液晶顯示用玻璃基板則不同——由于TFT-LCD面板在制造過程中需要真空蒸鍍與蝕刻,所以要求玻璃基板必須耐高溫、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿;同時(shí),在加溫冷卻過程中,玻璃基板不可避免會(huì)出現(xiàn)膨脹/收縮與變形問題,對(duì)于高精密的液晶面板來說,即使是微米級(jí)的變化都是難以接受的。因此,TFT-LCD液晶玻璃基板生產(chǎn)所用主要原料改堿土金屬為硼鋁硅酸鹽,因?yàn)樗哂休^低的熱膨脹系數(shù)與較高的熱穩(wěn)定性。

對(duì)于超薄玻璃基板廠來說,具體的原料配方是最高機(jī)密;在技術(shù)的發(fā)展過程中,成熟的配方為了避免其他公司的使用,會(huì)通過申請(qǐng)專利的方式進(jìn)行保護(hù),而對(duì)于還在研發(fā)過程中的新配方就成為了公司最隱秘的信息;目前,全球幾家超薄玻璃廠都有幾十年的研發(fā)和生產(chǎn)積累經(jīng)驗(yàn),配方的隱秘性使其成為進(jìn)入該行業(yè)的壁壘。

2)熔化:熔爐的溶解、澄清要求極高。氣泡問題是任何玻璃生產(chǎn)者都必須面臨的問題,而液晶顯示用玻璃基板對(duì)氣泡的容忍度極低,因?yàn)榧词故侨庋垭y以看到的微小氣泡都可能對(duì)薄膜晶體管(TFT)造成破壞而在液晶顯示屏上形成“壞點(diǎn)”。氣泡產(chǎn)生的原因很多,包括熔化能力不足、溫度不夠、澄清不良等。解決氣泡問題,需要在溫度控制、玻璃液流速、窯壓等方面進(jìn)行有效控制。

超薄玻璃的引拉量一般較低,只有普通玻璃的34%～66%,但控制精度要求非常高,是普通的多倍。溫度控制方面,流道溫度波動(dòng)小于±0.5℃,窯壓波動(dòng)小于±0.5 Pa。為保證玻璃質(zhì)量的穩(wěn)定,熔窯的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定往往要通過大量的計(jì)算機(jī)模擬與生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證,其運(yùn)營(yíng)控制系統(tǒng)也需專門開發(fā)對(duì)應(yīng)的“專家系統(tǒng)”進(jìn)行實(shí)時(shí)回路監(jiān)控和參數(shù)調(diào)節(jié)。

3)成形:兼顧平坦度與缺陷抑制、厚度與均勻性是核心難點(diǎn),以浮法生產(chǎn)超薄玻璃為例,成形是通過熱場(chǎng)控制玻璃液的黏度,利用拉邊機(jī)把玻璃液向兩邊拉開,直到達(dá)到預(yù)期的厚度。在成形過程中有幾大難題:一是需要兼顧玻璃平坦度與缺陷抑制矛盾。通常來說,成形過程中,為達(dá)到玻璃平坦化的要求,需要調(diào)整流速較快部分加熱器的輸出功率,但較低的成形溫度往往會(huì)引發(fā)缺陷數(shù)量的大幅增加。因此,兼顧玻璃平坦度與缺陷抑制成為超薄浮法玻璃所面臨的兩難問題。二是需要兼顧玻璃厚度與均勻性矛盾。隨著生產(chǎn)玻璃厚度的下降,所需拉邊機(jī)對(duì)數(shù)也不斷增加,其伴生的負(fù)效應(yīng)也隨之增多,也會(huì)影響玻璃成形質(zhì)量。拉邊機(jī)數(shù)量增加對(duì)玻璃質(zhì)量的影響包括:a)容易導(dǎo)致邊緣溫度明顯低于中部溫度,造成中部“過流”,加劇超薄玻璃橫向厚度差;b)拉邊機(jī)數(shù)量增多意味著更長(zhǎng)、更寬的拉薄區(qū),熱場(chǎng)與流場(chǎng)均勻性的控制難度增加;c)隨著拉邊機(jī)數(shù)量增多,可能出現(xiàn)橫向拉伸、橫向收縮、再橫向拉伸的情況,導(dǎo)致玻璃帶忽寬忽窄,對(duì)玻璃的穩(wěn)定控制帶來非常不利的影響。成形作為超薄玻璃生產(chǎn)最關(guān)鍵、最核心的階段,為了有效達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求,從研究、理論、設(shè)計(jì)、施工以及后續(xù)生產(chǎn)制度、參數(shù)、操作都要科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、周密、細(xì)致,尤其是通過實(shí)踐再完善、夯實(shí)基礎(chǔ)理論更加重要。

目前,電子信息顯示用超薄玻璃生產(chǎn)技術(shù)主要由美國(guó)康寧公司、日本旭硝子公司、德國(guó)肖特公司壟斷并對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖。但蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院/中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司通過基礎(chǔ)理論研究、技術(shù)攻關(guān)、工程轉(zhuǎn)化、系統(tǒng)優(yōu)化和集成創(chuàng)新,已開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超薄浮法玻璃成套技術(shù)與裝備,為行業(yè)的發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步做出了突出貢獻(xiàn)。

4 結(jié) 語

中國(guó)已成為電子信息顯示生產(chǎn)消費(fèi)大國(guó),對(duì)0.3～1.1 mm超薄玻璃的需求非常大。目前,國(guó)內(nèi)已有70多條氧化銦錫導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)線,已成為氧化銦錫導(dǎo)電膜玻璃的最大生產(chǎn)和出口國(guó),每年量產(chǎn)TCO導(dǎo)電膜玻璃超過5 000萬m2,液晶顯示器對(duì)超薄玻璃基片的市場(chǎng)需求超過9 000萬m2。根據(jù)DisplaySearch公司預(yù)計(jì),中國(guó)電子信息顯示器件未來10年都會(huì)保持年均29%以上的增長(zhǎng)率,因此電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展將對(duì)我國(guó)超薄玻璃市場(chǎng)產(chǎn)生巨大推動(dòng)。

同時(shí),隨著信息產(chǎn)品的顯示質(zhì)量要求逐漸提高,對(duì)電子信息顯示用玻璃基板的質(zhì)量要求也是越來越高,不但在厚薄差、微觀波紋度、翹曲、表面缺陷等有嚴(yán)格要求,尤其是對(duì)隱形劃傷的質(zhì)量要求,更是涉及到多個(gè)方面。另外,由于電子產(chǎn)品輕薄化趨勢(shì),生產(chǎn)更薄的電子玻璃基板也是市場(chǎng)的方向,所以,電子信息顯示用超薄玻璃生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)不僅會(huì)滿足市場(chǎng)需求,更將進(jìn)一步提升我國(guó)玻璃行業(yè)技術(shù)水平,促使優(yōu)勢(shì)企業(yè)利用自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整、煥發(fā)勃勃生機(jī),而且也將進(jìn)一步促進(jìn)或帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

[1] Touchscreen—Wikipedia,the free encyclopedia[EB/OL].http://www.Wikipedia.com,2012-05-16.

[2] 彭 壽,張 沖.平板玻璃在光電顯示領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)玻璃,2012,37(2):3-8.

[3] 康寧股份有限公司.抗損傷的、化學(xué)鋼化的防護(hù)性蓋板玻璃[P].CN,200980104999.1,2009-02-05.

[4] 陳 福,安百江,楊寶珠.顯示屏用薄玻璃的化學(xué)鋼化及性能分析[J].玻璃,2012,39(5):45-47.

[5] Gorilla Glass[EB/OL].http://www.cominggorillaglass.com,2012-06-06.

Research on Ultra-thin Glass Used in Electronic Information Display

BAO Zhɑo-chen
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shanghai 200063,China)

This article elaborates the performance,species,manufacturing technique and technical difficulties of the ultra-thin glass used in electronic information display,and gives a outlook for China market.

ultra-thin glass; performance; species; process;difficulties

2014-04-08.

鮑兆臣(1968-),高級(jí)工程師.E-mail:bzc666@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.007