電極在TFT玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用

岳 凱，金良茂,2，張曉春，趙 雷，金 昊，高多軍

(1.蚌埠中光電科技有限公司，蚌埠 233030；2.中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，蚌埠 233030)

TFT玻璃是無堿、高硅、高鋁的硼硅酸鹽玻璃，其主要組分為[1]：SiO258%～63%、Al2O314%～18%、B2O38%～11%、RO 10%～25%(RO為MgO、CaO、SrO、BaO等)。在熔化過程中，因堿金屬氧化物助熔會造成后期面板電路刻蝕時的短路，只能用堿土金屬氧化物替代，且SiO2、Al2O3含量高，TFT玻璃的熔化溫度高達(dá)1 600 ℃以上。

TFT玻璃對品質(zhì)要求非常嚴(yán)苛，任何一百微米以上的內(nèi)部缺陷(氣泡、結(jié)石)變形或較為嚴(yán)重的條紋都會影響顯示器的視覺效果，而窯爐的熔化效果好壞與玻璃內(nèi)部缺陷、條紋有著關(guān)鍵性的影響。

1 TFT玻璃窯爐使用電極的原因與要求

玻璃成分決定了它的生產(chǎn)流程，也決定了窯爐結(jié)構(gòu)與加熱系統(tǒng)的配置，TFT玻璃也不例外。

1.1 TFT玻璃窯爐電極使用分析

TFT玻璃熔化過程中，澄清、均化、冷卻通常在鉑金通道進(jìn)行，預(yù)熔優(yōu)良的玻璃液從窯爐底部進(jìn)入鉑金通道精煉。選用傳統(tǒng)的火焰窯雖然能達(dá)到要求的熔化溫度，但會造成表層與底部、窯爐中部與兩側(cè)玻璃液溫度差異大，影響溫度的均勻性；此外，上部火焰加熱的過程中，硼會在表層大量揮發(fā)，影響玻璃成分的均勻性。玻璃液的溫度不均、成分不均，直接影響鉑金通道的澄清、均化、冷卻效果，導(dǎo)致玻璃內(nèi)部缺陷、條紋不良。

如果選用全電熔窯，則無法滿足TFT玻璃的熔化溫度；退一步講，雖然全電熔可以避免硼揮發(fā)引起的玻璃成分不均，但會造成表層與底層玻璃液溫度的嚴(yán)重失衡，表層熔化不良的玻璃液隨液流進(jìn)入鉑金通道，亦會影響澄清、均化、冷卻效果。

鑒于上述原因，同時考慮到節(jié)能降耗的要求，TFT玻璃窯爐主要采用上部全氧燃燒、底部電極加熱的火焰-電混合加熱模式。

1.2 TFT玻璃熔化對電極的要求

選取電極時，不僅要考慮到TFT玻璃熔化溫度高、高溫黏度大、導(dǎo)電性較差，而且要考慮電極及其侵蝕物不能污染玻璃和鉑金通道。因此，熔化TFT玻璃的電極需滿足以下要求[2]：

1)良好的耐熱性能

由于電極表面的電流密度較大，電極表面溫度一般比玻璃液溫度高200 ℃左右[3]，電極的熔點(diǎn)要高；同時，其蠕變性能、持久強(qiáng)度、疲勞性能要好，可在1 600 ℃以上的玻璃液長期沖刷下正常使用。

2)熱膨脹系數(shù)要低

電極的安裝方式主要有冷安裝和熱安裝兩種，其共同點(diǎn)是：電極投入使用時要與池底磚之間留有一定的間隙，一方面是保證熱膨脹過程中不會擠壓損壞，另一方面確保后期可以進(jìn)行電極推進(jìn)作業(yè)(鉑金電極除外)。因此，電極的熱膨脹系數(shù)要低。

3)抗熱震性要好

電極電流短時間發(fā)生較大變化時會造成電極表面溫度急劇變化，窯爐工藝變更時易出現(xiàn)冷熱玻璃液流的交替變換，因此電極要有較好的抗熱震性，避免熱沖擊引起的電極損壞。

4)良好的高溫導(dǎo)電性

電極的高溫電阻越小，其自身耗能越低，越有利于節(jié)能降耗。

另外，在供給玻璃液的電能相同的情況下，高溫電阻越小，電極表面電流密度會越小。如表1所示[4]，電流密度越大，電極的侵蝕速度越快。

5)良好的抗玻璃液侵蝕能力

表1 電流密度對電極侵蝕速率的影響

電極主要受到物理、化學(xué)兩方面的侵蝕：

(1)物理侵蝕。電極長期處于高溫玻璃液中會發(fā)生一定程度的溶解；另外，電極會受到玻璃液沖刷的橫向應(yīng)力和粘滯流動作用，造成表層的不斷剝落，嚴(yán)重時會使電極變形、彎折。

(2)化學(xué)侵蝕。玻璃組分中的某些雜質(zhì)在高溫下會與電極(或電極中的雜質(zhì))發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，玻璃液氣氛變化也會引起電極的氧化還原反應(yīng)，這些均會造成電極侵蝕，因此應(yīng)選擇合適的適用氣氛，如表2所示。

表2 電極適用氣氛

6)電極及其侵蝕物不能污染玻璃和鉑金通道TFT玻璃對內(nèi)部缺陷、均勻性、透光率要求極高，電極及其侵蝕物不能造成氣泡、結(jié)石、條紋，也不能給玻璃著色，更不能與玻璃成分發(fā)生不良反應(yīng)；此外，還原性的電極材料會造成鉑金通道的損傷。

2 TFT玻璃生產(chǎn)中的電極選擇

2.1 幾種熔制玻璃用電極

隨著電熔技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用在玻璃熔制中的電極越來越多樣化。

1)鉑金電極

鉑金電極是在耐火材料外部包裹由高純鉑或鉑銠合金箔制成的電極。鉑熔點(diǎn)1 772 ℃，密度21.45 g/cm3，導(dǎo)電性、延展性和導(dǎo)熱性良好。鉑的化學(xué)性質(zhì)不活潑，在空氣和潮濕環(huán)境中穩(wěn)定，低于450 ℃加熱時，表面形成PtO2薄膜；在高溫下會與容易還原的重金屬(如鉛、錫、銻、砷、汞、銅等)形成合金。

鉑金電極通常使用高頻電源(一般為10 kHz)。使用中，鉑金電極容易出現(xiàn)的問題是：通電的鉑電極在與玻璃液的接觸界面處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鉑金損耗；高溫下，鉑熔入玻璃液后析晶成為結(jié)石；高頻電源會增加電源線路損耗。

2)氧化錫電極

氧化錫電極的主要成分為二氧化錫。二氧化錫熔點(diǎn)1 630 ℃，密度為6.5 g/cm3。二氧化錫是一種優(yōu)秀的導(dǎo)電材料，為了提高其導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，工業(yè)中常摻雜Sb、Ti、Fe等使用；抗熱震性好。

氧化錫電極不會對玻璃液造成污染，在玻璃窯爐中通常制成棒狀插入使用和塊狀堆疊使用，亦可根據(jù)用戶需要定制。有資料介紹[5]，英國Glassworks生產(chǎn)的ELR-X型氧化錫電極最高使用溫度可達(dá)1 750 ℃。

3)銅電極

銅電極由純銅原料加工而成。銅熔點(diǎn)1 083.4 ℃，密度8.92 g/cm3。銅延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，電阻率低。

由于銅熔點(diǎn)較低，銅電極在使用中需要通水強(qiáng)制冷卻。使用中，銅電極容易出現(xiàn)的問題是：銅電極表層熔入玻璃液，進(jìn)入鉑金通道后與鉑形成合金，從而破壞鉑金通道；銅電極被侵蝕后漏水，產(chǎn)生氣泡[6]。

4)鉬電極

鉬電極的主要成分是鉬，通過粉末冶金工藝制得。鉬熔點(diǎn)2 620 ℃，密度10.23 g/cm3，高溫強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性能好，膨脹系數(shù)小，導(dǎo)電率大。鉬在氧化氣氛中，380 ℃開始氧化，600 ℃加速氧化，超過700 ℃迅速氧化。

國際通用的鉬電極成分含量在99.95%，密度大于10.15 g/cm3。為了提高鉬電極的使用性能，近年來研發(fā)出了氧化物摻雜強(qiáng)化材料：TZM和MoZrO2。TZM鉬電極是在鉬基材中摻入微量鈦和鋯，以提高鉬電極的高溫強(qiáng)度和抗侵蝕性；氧化鋯鉬電極(MoZrO2電極)是在鉬基材中摻入微量氧化鋯超細(xì)微粉，屬于彌散強(qiáng)化材料，可以提高鉬電極的高溫強(qiáng)度、降低高溫蠕變。

鉬電極在通電狀態(tài)下，和玻璃液的接觸界面處會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鉬電極損耗。

5)石墨電極

石墨電極是以石油焦、瀝青焦為骨料，煤瀝青為黏結(jié)劑，經(jīng)過原料煅燒、破碎磨粉、配料、混捏、成型、焙燒、浸漬、石墨化和機(jī)械加工而制成的一種耐高溫石墨質(zhì)導(dǎo)電材料，稱為人造石墨電極(簡稱石墨電極)。石墨電極的優(yōu)點(diǎn)是可以加工成多種形狀。

石墨電極的主要成分碳，在使用過程中與某些玻璃原料或其分解物有發(fā)生反應(yīng)的可能性：

①高溫下，碳可能與SiO2、Al203、CaO反應(yīng)[7]。

②高溫下，碳可能與碳酸鹽的分解產(chǎn)物CaO、CO2反應(yīng)。

③更重要的是，碳能夠造成鉑金中毒，破壞鉑金通道。

2.2 TFT玻璃窯爐中電極的安裝、分布

電極的安裝、分布決定了窯爐內(nèi)的電場分布，也決定了電極的使用效果，直接影響電極、窯爐的使用壽命[8]。電助熔技術(shù)在玻璃行業(yè)應(yīng)用、發(fā)展的幾十年中，業(yè)界前輩在電極的安裝、分布方面總結(jié)了寶貴的經(jīng)驗。

2.2.1 電極的安裝方式

電極的安裝方式主要有3種：頂部插入、側(cè)墻插入、底部插入。

1)頂插電極

頂插電極可以按需求在三維方向上自由調(diào)節(jié)，能夠更靈活、合理地分布能量，常用于全電熔窯，如圖1所示。

2)側(cè)壁電極

側(cè)壁電極能夠加熱窯爐橫截面上的玻璃液，有利于減小玻璃液橫向溫差、上下層溫差，常用于火焰-電混合加熱的小型窯爐，如圖2所示。

3)底插電極

底插電極可以在池底大面積排布，設(shè)計靈活，能夠?qū)ΩG爐縱向能量分布進(jìn)行靈活調(diào)整，也有利于減小玻璃液橫向溫差，常用于火焰-電混合加熱的大、中型窯爐，如圖3所示。

2.2.2 電極的分布方式

1)均勻分布：在窯爐內(nèi)部均勻插入電極，使玻璃液受熱均勻，減小各區(qū)域溫度差，從而提高玻璃液的熔化效率和質(zhì)量。

2)熔化區(qū)與熱點(diǎn)布置相結(jié)合

在熔化區(qū)或(和)熱點(diǎn)附近安裝電極，對該區(qū)域的玻璃液強(qiáng)化加熱，提高玻璃液的熔化效率。

3)矩陣式分布

電極在池底以矩陣的形式均勻分布，有效地對玻璃液整體加熱，形成與碹頂溫度梯度相對應(yīng)溫度制度，提高玻璃液的熔化效率。

目前，主流的TFT玻璃成型方式主要為溢流法和浮法。與溢流法成型相匹配的窯爐為小型窯爐，采用均勻分布的側(cè)壁電極；與浮法成型相匹配的窯爐一般窯型較大，多采用矩陣式排列的底插電極。

2.3 電極在TFT玻璃生產(chǎn)中的選擇

在TFT玻璃生產(chǎn)中，由于銅電極、石墨電極存在的問題，很多生產(chǎn)線選用鉑金電極、氧化錫電極、鉬電極，并且根據(jù)窯爐及生產(chǎn)工藝選擇相匹配的電極。

1)溢流法窯爐

鉬電極多為棒狀，一般不作為側(cè)壁電極使用。因此，在溢流法生產(chǎn)TFT玻璃的窯爐中，電極可選用鉑金電極、氧化錫電極。

需要注意的是：鉑金電極曾在日本公司和國內(nèi)少數(shù)公司使用過，國內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)線中均使用的是氧化錫電極；另外，國內(nèi)鉑金電極方面的設(shè)計、研發(fā)人員較為缺乏，不利于后期的維護(hù)。

2)浮法窯爐

TFT玻璃液的電阻率較高，使用高頻電源的鉑金電極運(yùn)用于寬度較大的浮法窯爐中需要很高的電壓。有資料表明[9]，窯爐寬度大于3 m，電極的使用電壓將超過1 200 V，這對窯爐耐火材料和鋼構(gòu)絕緣的要求非常高，稍有不慎就會擊穿，造成安全事故。此外，鉑屬于貴金屬，大規(guī)模使用鉑金電極的成本很高。

因此，在浮法生產(chǎn)TFT玻璃的窯爐中，一般不用鉑金電極，主要采用氧化錫電極、鉬電極。

需要注意的是：氧化錫電極作為底插電極使用時，對于電極本體而言，其浸入玻璃液的表面積遠(yuǎn)大于側(cè)壁電極，侵蝕速度會非?？?，在使用過程中要加強(qiáng)管控。

鉬電極適用于還原性氣氛或中性氣氛的玻璃液。TFT玻璃生產(chǎn)中存在使用氧化錫和硝酸鹽的情況，為避免鉬電極被氧化損耗，最好選用經(jīng)過抗氧化處理的鉬電極。

3 電極在TFT玻璃生產(chǎn)中的使用

電極的使用方法是否正確，不僅影響電極的使用壽命，對窯爐的使用壽命也有直接影響。正確操作電極，需要注意以下幾點(diǎn)：

1)烤窯時的保護(hù)

氧化錫電極、鉑金電極的安裝，通常是在烤窯升溫前完成。為了避免烤窯過程中可能出現(xiàn)的還原性氣氛損傷電極，需要在電極表面涂抹抗還原的保護(hù)層。此外，烤窯過程中溫度要穩(wěn)定，杜絕突然?；鸬氖鹿?，避免溫度波動太大導(dǎo)致氧化錫電極炸裂。

鉬電極在玻璃液達(dá)到一定深度時推入窯內(nèi)，亦是出于保護(hù)電極的考慮。

2)電極的冷卻

氧化錫電極、鉬電極均有水冷套冷卻，在使用中要確保冷卻水的穩(wěn)定供應(yīng)，尤其是斷水后恢復(fù)的過程中切記冷卻水要緩慢開啟，一方面避免電極急冷炸裂，另一方面防止水冷套焊縫急冷開裂而漏水。

3)電極功率的調(diào)整

電極功率調(diào)整過程中，要避免電流的大幅變化，尤其是升高電流時。其原因在于，電極表面溫度高出玻璃液溫度200 ℃左右[3]，電流變化太大會加劇電極與玻璃液的溫差，容易造成電極炸裂。

4)電極的推進(jìn)

氧化錫電極、鉬電極在使用中，會不斷被侵蝕損耗變短。功率恒定的情況下，測量到的玻璃液電阻會不斷變大。工藝人員要注意觀察玻璃液電阻變化，定期計算電極的損耗量，必要時進(jìn)行電極推進(jìn)作業(yè)，避免電極損耗過度。

如不推進(jìn)電極，電極越來越短，會出現(xiàn)：

①對于側(cè)壁電極，電極會在池壁內(nèi)部越縮越深，加劇電極周圍池壁的侵蝕；

②對于底插電極，浸入玻璃液的電極表面積越來越小，為達(dá)到設(shè)定功率，電極表面的電流密度越來越大，從而加劇電極侵蝕，嚴(yán)重時會燒蝕池底。

5)窯爐工藝制度的穩(wěn)定

窯爐工藝制度穩(wěn)定的情況下，玻璃液流是相對穩(wěn)定的。當(dāng)工藝制度改變時，玻璃液流在短時間內(nèi)處于紊亂狀態(tài)，會加劇對電極的沖刷，電極侵蝕加快。

4 結(jié) 論

在TFT-LCD玻璃窯爐中，電極加熱從傳統(tǒng)的“電助熔”變成了“電主熔”，占有效加熱能量的60%～70%。合理選擇電極并正確使用，不僅能有效提高玻璃的熔化效率和品質(zhì)，與窯爐的使用壽命也息息相關(guān)。