液晶玻璃基板原片密度的檢測(cè)與管控

何流 殷明瑞 易元 閔蛟

（成都中光電科技有限公司 成都 611731）

0 引言

玻璃基板作為液晶顯示面板最關(guān)鍵的原材料之一，主要用作薄膜晶體管的底板和彩色濾光片，即TFT和CF。液晶顯示面板對(duì)玻璃基板有著多項(xiàng)指標(biāo)要求，密度是其中之一，一般要求不超過(guò)2.6 g/cm3［1］。這個(gè)指標(biāo)對(duì)于玻璃基板制造商是很容易達(dá)到的，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，一些質(zhì)量問(wèn)題與玻璃基板的密度有著緊密的聯(lián)系，需要更加深入地研究玻璃基板的密度。

檢測(cè)和管控玻璃的密度是一種快捷有效發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法。密度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定測(cè)定密度前對(duì)玻璃樣品進(jìn)行精密退火，以消除玻璃內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響。本文通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的研究，發(fā)現(xiàn)玻璃基板原片密度，對(duì)于管控玻璃基板的質(zhì)量和分析解決液晶面板制程中的有關(guān)問(wèn)題非常重要。

1 密度的測(cè)試方法

密度的測(cè)定通常有下沉法（浮沉法）、阿基米德法（浮力法）等［2］。

浮沉法的原理是將不同密度的兩種有機(jī)試劑調(diào)制成和玻璃試樣的密度接近的溶液，測(cè)定時(shí)試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣懸浮于溶液上部，溫度升高，溶液密度減小，當(dāng)溶液密度小于玻璃密度時(shí)，玻璃下沉。根據(jù)試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣下沉?xí)r的溫度，即可計(jì)算出玻璃試樣的密度。該方法允許測(cè)定誤差為±0.0002 g/cm3。

浮力法的原理是將已知質(zhì)量的試樣浸入已知密度的水中稱量，由于浮力作用，試樣質(zhì)量減輕，所減輕的質(zhì)量為該試樣在水中所排開(kāi)同體積水的質(zhì)量。利用水的密度計(jì)算出試樣的體積，進(jìn)而計(jì)算出試樣的密度。該方法允許測(cè)定誤差為±0.0005 g/cm3［3］。

2 檢測(cè)和管控玻璃密度的意義

2.1 監(jiān)控玻璃的理化性能、補(bǔ)正料方

玻璃的理化性能必須穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)才能滿足使用要求。決定玻璃理化性能的主要是玻璃的成分和結(jié)構(gòu)，因此玻璃成分需要每日都檢測(cè)。CRT玻殼的成分檢測(cè)比較繁瑣，需要將玻璃樣品研磨成粉末，加入助熔劑熔制成玻璃片，才能用X射線熒光光譜儀檢測(cè)。制樣過(guò)程中的顆粒效應(yīng)、化學(xué)試劑的添加、熔樣的均勻性、熔樣模具的質(zhì)量等都會(huì)產(chǎn)生一定的檢測(cè)誤差［4］。

玻璃成分微小的變化，在密度檢測(cè)結(jié)果上都會(huì)反映出來(lái)，且密度的測(cè)定簡(jiǎn)單、快速，誤差較小，其結(jié)果可以精確到萬(wàn)分位［5］。通過(guò)檢測(cè)密度，再結(jié)合成分的檢測(cè)數(shù)據(jù)，就可以較為準(zhǔn)確地判斷玻璃理化性能是否穩(wěn)定受控。

CRT玻殼是由屏玻璃和錐玻璃封接成的，屏玻璃和錐玻璃都是一種含堿的鈉鈣玻璃，其中的Na2O、K2O等成分在高溫下易揮發(fā)，尤其是錐玻璃含有20%以上的PbO，這是一種更容易揮發(fā)的成分。其次，CRT玻殼所用的原材料中有大量的天然礦石原料如石英砂、長(zhǎng)石、白云石等，這些原料的成分波動(dòng)較大。受這些因素的影響，CRT玻殼的成分波動(dòng)較大。為了判斷成分的波動(dòng)對(duì)玻璃性能的影響，可以通過(guò)密度的測(cè)定快速得出大致的結(jié)論。檢測(cè)密度時(shí)首先要排除成分以外的因素，如殘余應(yīng)力的影響。因此需要將玻璃退火后檢測(cè)密度，以確定密度的變化是否由成分波動(dòng)引起，以便對(duì)料方進(jìn)行有效的補(bǔ)正。傳統(tǒng)浮法玻璃也有同樣的問(wèn)題，也需要檢測(cè)退火后的密度和成分，進(jìn)行料方的補(bǔ)正［6］。

2.2 監(jiān)控生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性

原料成分的變化、配料稱量誤差和配合料均勻度的波動(dòng)、熔制工藝的波動(dòng)等都可能引起玻璃密度的變化。

玻璃的各種成分是由原料引入的，這些引入的成分在原料中的含量發(fā)生變化，或者原料的水分、燒失量發(fā)生變化就會(huì)引起玻璃的成分變化。在某平板玻璃制品中，SiO2含量增加1.9個(gè)百分點(diǎn)，密度值由2.7771 g/cm3減小為2.7760 g/cm3［7］。在某鈉鈣硅玻璃中，以1%的CaO替代SiO2，密度值大約增加0.017 g/cm3［8］。

配料過(guò)程中的誤操作、稱量的精度、輸送過(guò)程中的飛散損失會(huì)產(chǎn)生配料的誤差，致使玻璃的成分發(fā)生變化，引起密度的波動(dòng)。

熔制工藝中的溫度波動(dòng)可能導(dǎo)致易揮發(fā)原料的揮發(fā)率變化，從而使玻璃的成分發(fā)生變化，引起密度的波動(dòng)。

如果檢測(cè)到玻璃的密度發(fā)生了超出控制范圍的變化，在排除掉玻璃成分變化的因素外，可能就是上述某個(gè)生產(chǎn)工序的波動(dòng)造成。這種情況，也需要對(duì)玻璃先進(jìn)行退火消除殘余應(yīng)力的影響后再測(cè)定。

2.3 監(jiān)控成形、退火工藝的穩(wěn)定性

玻璃的成形是一個(gè)從液態(tài)到固態(tài)、從高溫到低溫的過(guò)程，在此過(guò)程中，熱歷史對(duì)玻璃的密度有著較大的影響。玻璃的黏度大，導(dǎo)熱性差，使結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化大大遲于溫度的變化。玻璃從高溫冷卻下來(lái)，淬火（急冷）玻璃比退火（緩冷）玻璃的密度低［9］。一組風(fēng)冷瓶子的密度比緩慢退火瓶子的密度低了0.0041 g/cm3［5］。

液晶玻璃基板的生產(chǎn)主要有溢流法和浮法，溢流法的成形和退火是在垂直懸掛的成形爐和退火爐內(nèi)完成，結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)決定了其退火時(shí)間非常短暫，應(yīng)力消除得就不夠徹底。因?yàn)椴Ａ芏戎饕Q于構(gòu)成玻璃的原子的質(zhì)量和原子的堆積密集程度［10］。退火不充分的玻璃基板，其內(nèi)部的原子排列不夠整齊，原子堆積密度相對(duì)較小，玻璃的密度就會(huì)相應(yīng)降低。

3 玻璃基板密度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用浮力法檢測(cè)玻璃基板的密度，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5432—2008《玻璃密度測(cè)定 浮力法》進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)儀器及型號(hào)為電子密度計(jì)SD-200L、人工智能箱式電阻爐SGM2853S。

在同一批次液晶玻璃基板產(chǎn)品中隨機(jī)抽取8片，從每片玻璃基板的固定位置切取60 mm×60 mm的樣品4塊，檢測(cè)玻璃基板原片的密度。將檢測(cè)過(guò)的樣品在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行精密退火，設(shè)定退火溫度730 ℃，時(shí)間2 h，溫度控制精度±2 ℃，檢測(cè)退火后的玻璃基板密度。

4 分析與討論

玻璃基板原片密度與退火后玻璃密度測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，測(cè)試曲線見(jiàn)圖1。

表1 玻璃基板原片密度與退火后玻璃密度 g/cm3

圖1 玻璃基板原片密度和退火后玻璃密度對(duì)比曲線

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

退火處理后，玻璃基板樣品的密度值增加，玻璃結(jié)構(gòu)更加致密。經(jīng)計(jì)算，密度值平均增加0.0066 g/cm3。

玻璃基板原片密度波動(dòng)大于退火后密度的波動(dòng)。玻璃基板原片密度最小值為2.3799 g/cm3，最大值為2.3833 g/cm3，極差為0.0034 g/cm3；退火后檢測(cè)的密度最小值為2.3874 g/cm3，最大值為2.3884 g/cm3，極差為0.0010 g/cm3。

4.2 存在問(wèn)題

隨著液晶顯示技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，液晶顯示產(chǎn)品越來(lái)越追求高品質(zhì)，像素更加微型化，圖像更細(xì)膩逼真［11］。在工藝制程上，需要在玻璃基板上進(jìn)行多次鍍膜、多次曝光、反復(fù)加熱。由于玻璃是處于熱力學(xué)的介穩(wěn)狀態(tài)，具有極高的能級(jí)。在受到反復(fù)加熱的過(guò)程中，有自發(fā)到低能級(jí)穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)，所以結(jié)構(gòu)上會(huì)發(fā)生變化，引起微小的形變。盡管這種形變只有×10-6級(jí)，但是對(duì)于高精度的顯示面板也是足以致命的缺陷，主要表現(xiàn)為面板發(fā)生翹角或翹邊、TP（Total Pitch，全面積尺寸）不良等缺陷，有的批次表現(xiàn)特別明顯，批次與批次之間差別較大，或個(gè)別批次內(nèi)產(chǎn)品之間的差別也較大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致生產(chǎn)不能正常進(jìn)行。

4.3 結(jié)果與討論

以上問(wèn)題的出現(xiàn)與玻璃的抗形變能力有關(guān)，涉及到玻璃的應(yīng)變點(diǎn)、彈性模量等性能。批次之間的波動(dòng)或同一批次內(nèi)的波動(dòng)說(shuō)明產(chǎn)品的一致性不夠好。

從本文對(duì)密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)密度檢測(cè)的方式可以對(duì)玻璃基板抗再熱形變的能力做初步的判斷。在實(shí)驗(yàn)中，如果依據(jù)傳統(tǒng)檢測(cè)密度的方法，通過(guò)退火方式消除應(yīng)力后檢測(cè)玻璃基板的密度，得到密度的數(shù)據(jù)是比較穩(wěn)定的，這種檢測(cè)的方式只能反映與成分有關(guān)的因素，不能反映出玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的變化，也就不能反映面板生產(chǎn)廠家遇到的形變問(wèn)題。

液晶玻璃基板是一種無(wú)堿的硼鋁硅酸鹽玻璃，其化學(xué)組分揮發(fā)量相對(duì)都較小，使用的原材料也都是高純度的，因此其成分較為穩(wěn)定，退火后測(cè)定的密度也非常穩(wěn)定。玻璃基板制造的熱歷史等因素會(huì)引起玻璃結(jié)構(gòu)上的變化，從而產(chǎn)生密度的變化。因此退火后的密度穩(wěn)定并不等于玻璃基板原片的密度就穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

玻璃密度檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定了檢測(cè)密度前應(yīng)對(duì)樣品進(jìn)行退火處理，但通過(guò)對(duì)比玻璃基板原片密度和退火后玻璃密度發(fā)現(xiàn)，玻璃基板退火后的密度是非常穩(wěn)定的，不能客觀反映出液晶面板生產(chǎn)中出現(xiàn)的翹角、翹邊、TP不良等形變問(wèn)題。

液晶面板生產(chǎn)廠家使用的是玻璃基板原片，因此原片的密度才能真實(shí)地反映由玻璃結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的形變問(wèn)題。玻璃基板的制造商應(yīng)監(jiān)測(cè)玻璃基板原片的密度，并制定管控工藝參數(shù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的波動(dòng)對(duì)玻璃性能的影響。