電子信息顯示用超薄玻璃研究

鮑兆臣

(中國建材國際工程集團有限公司,上海 200063)

電子信息顯示用超薄玻璃研究

鮑兆臣

(中國建材國際工程集團有限公司,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、生產工藝及技術難點,并對我國市場進行了展望。

超薄玻璃; 性能; 種類; 工藝; 難點

近年來,隨著信息產業的迅猛發展,越來越多的電子顯示產品走進千家萬戶,走進現代化的工廠企業,日漸滲透到我們工作、生活中的各個角落,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品相繼面世,這種綠色環保平板信息顯示產品已成為市場發展的主流,而生產這種平板顯示所需的基礎材料——超薄玻璃,因其具有優越的性能,在信息產業尤其是電子顯示業占有非常重要的位置,目前沒有其它材料可以完全替代。隨著電子顯示產品輕量化、薄型化發展,對超薄玻璃的生產又提出了更高的要求,這不但是玻璃生產企業轉型發展的機遇,更能促進玻璃技術的發展和進步,超薄玻璃的生產也自然而然戴上了玻璃行業的皇冠。該文對電子信息顯示用超薄玻璃的性能、主要種類、生產工藝及技術難點作了簡單分析。

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。

實際上,電子信息顯示用超薄玻璃具有很多特殊的性能:

1)質量優秀: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)化學穩定性好:應變點較高、熱膨脹系數較低,從而使得電子設備在使用過程中能面對各種復雜的溫度環境,減少了由物理特性對使用性和安全性帶來的影響,熔點、軟化點、耐化學性較符合現代電子產品生產環境。

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導電膜玻璃。

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

2 主要種類及生產工藝

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。超薄玻璃的開發一開始主要用于液晶顯示用玻璃基板,對于TN-LCD和STN-LCD顯示面板,主要采用有堿玻璃;對于TFT-LCD顯示面板,主要采用無堿玻璃。對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化學鋼化后的無堿玻璃,后者是康寧公司為蘋果公司設計產品時確立的解決方案。不過,無堿玻璃雖然性能好,但是價格也高;相比較而言,有堿玻璃性能不但滿足使用要求,而且價格便宜,目前有堿玻璃在觸摸屏市場仍然有比較大的優勢。

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

3 技術難點

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玻璃相比,工藝環節或許相似,但前者對產品的各項要求極高,生產制造極其困難,主要技術難點表現在:原料配方、熔化、成形、退火、切裁、堆垛以及各輔助生產設施等多個方面,以下僅就原料、熔化、成形作簡要說明。

1)原料配方:特殊的配方是廠商的最高機密。超薄玻璃對原料雜質的含量、硅質原料批次間化學成分穩定性和原料粒度組成等控制非常嚴格。

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、耐強酸強堿;同時,在加溫冷卻過程中,玻璃基板不可避免會出現膨脹/收縮與變形問題,對于高精密的液晶面板來說,即使是微米級的變化都是難以接受的。因此,TFT-LCD液晶玻璃基板生產所用主要原料改堿土金屬為硼鋁硅酸鹽,因為它具有較低的熱膨脹系數與較高的熱穩定性。

對于超薄玻璃基板廠來說,具體的原料配方是最高機密;在技術的發展過程中,成熟的配方為了避免其他公司的使用,會通過申請專利的方式進行保護,而對于還在研發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和生產積累經驗,配方的隱秘性使其成為進入該行業的壁壘。

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者都必須面臨的問題,而液晶顯示用玻璃基板對氣泡的容忍度極低,因為即使是肉眼難以看到的微小氣泡都可能對薄膜晶體管(TFT)造成破壞而在液晶顯示屏上形成“壞點”。氣泡產生的原因很多,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,流道溫度波動小于±0.5℃,窯壓波動小于±0.5 Pa。為保證玻璃質量的穩定,熔窯的設計及結構參數的確定往往要通過大量的計算機模擬與生產實踐驗證,其運營控制系統也需專門開發對應的“專家系統”進行實時回路監控和參數調節。

3)成形:兼顧平坦度與缺陷抑制、厚度與均勻性是核心難點,以浮法生產超薄玻璃為例,成形是通過熱場控制玻璃液的黏度,利用拉邊機把玻璃液向兩邊拉開,直到達到預期的厚度。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,為達到玻璃平坦化的要求,需要調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引發缺陷數量的大幅增加。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。隨著生產玻璃厚度的下降,所需拉邊機對數也不斷增加,其伴生的負效應也隨之增多,也會影響玻璃成形質量。拉邊機數量增加對玻璃質量的影響包括:a)容易導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)拉邊機數量增多意味著更長、更寬的拉薄區,熱場與流場均勻性的控制難度增加;c)隨著拉邊機數量增多,可能出現橫向拉伸、橫向收縮、再橫向拉伸的情況,導致玻璃帶忽寬忽窄,對玻璃的穩定控制帶來非常不利的影響。成形作為超薄玻璃生產最關鍵、最核心的階段,為了有效達到產品質量要求,從研究、理論、設計、施工以及后續生產制度、參數、操作都要科學、嚴謹、周密、細致,尤其是通過實踐再完善、夯實基礎理論更加重要。

目前,電子信息顯示用超薄玻璃生產技術主要由美國康寧公司、日本旭硝子公司、德國肖特公司壟斷并對我國進行技術封鎖。但蚌埠玻璃工業設計研究院/中國建材國際工程集團有限公司通過基礎理論研究、技術攻關、工程轉化、系統優化和集成創新,已開發出具有自主知識產權的超薄浮法玻璃成套技術與裝備,為行業的發展及技術進步做出了突出貢獻。

4 結 語

中國已成為電子信息顯示生產消費大國,對0.3～1.1 mm超薄玻璃的需求非常大。目前,國內已有70多條氧化銦錫導電膜玻璃生產線,已成為氧化銦錫導電膜玻璃的最大生產和出口國,每年量產TCO導電膜玻璃超過5 000萬m2,液晶顯示器對超薄玻璃基片的市場需求超過9 000萬m2。根據DisplaySearch公司預計,中國電子信息顯示器件未來10年都會保持年均29%以上的增長率,因此電子信息產業的飛速發展將對我國超薄玻璃市場產生巨大推動。

同時,隨著信息產品的顯示質量要求逐漸提高,對電子信息顯示用玻璃基板的質量要求也是越來越高,不但在厚薄差、微觀波紋度、翹曲、表面缺陷等有嚴格要求,尤其是對隱形劃傷的質量要求,更是涉及到多個方面。另外,由于電子產品輕薄化趨勢,生產更薄的電子玻璃基板也是市場的方向,所以,電子信息顯示用超薄玻璃生產技術的研發不僅會滿足市場需求,更將進一步提升我國玻璃行業技術水平,促使優勢企業利用自身技術優勢進行結構調整、煥發勃勃生機,而且也將進一步促進或帶動相關產業技術的轉型升級。

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[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-),高級工程師.E-mail:bzc666@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.007