电子信息显示用超薄玻璃研究

鲍兆臣

(中国建材国际工程集团有限公司,上海 200063)

电子信息显示用超薄玻璃研究

鲍兆臣

(中国建材国际工程集团有限公司,上海 200063)

该文阐述了电子信息显示用超薄玻璃的性能、主要种类、生产工艺及技术难点,并对我国市场进行了展望。

超薄玻璃; 性能; 种类; 工艺; 难点

近年来,随着信息产业的迅猛发展,越来越多的电子显示产品走进千家万户,走进现代化的工厂企业,日渐渗透到我们工作、生活中的各个角落,已成为我们工作生活中的必需品。由于液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)及触摸屏(TP)等高科技电子显示产品相继面世,这种绿色环保平板信息显示产品已成为市场发展的主流,而生产这种平板显示所需的基础材料——超薄玻璃,因其具有优越的性能,在信息产业尤其是电子显示业占有非常重要的位置,目前没有其它材料可以完全替代。随着电子显示产品轻量化、薄型化发展,对超薄玻璃的生产又提出了更高的要求,这不但是玻璃生产企业转型发展的机遇,更能促进玻璃技术的发展和进步,超薄玻璃的生产也自然而然戴上了玻璃行业的皇冠。该文对电子信息显示用超薄玻璃的性能、主要种类、生产工艺及技术难点作了简单分析。

1 基本性能

一般来说,原片玻璃的厚度在0.1～25 mm之间,按照厚度划分,可分为超薄玻璃、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。玻璃按厚度分类,详情见表1。

实际上,电子信息显示用超薄玻璃具有很多特殊的性能:

1)质量优秀:无气泡、无杂物、无铅锡;厚薄差小,其厚薄差小于0.05 mm;透光率91%以上。

2)化学稳定性好:应变点较高、热膨胀系数较低,从而使得电子设备在使用过程中能面对各种复杂的温度环境,减少了由物理特性对使用性和安全性带来的影响,熔点、软化点、耐化学性较符合现代电子产品生产环境。

3)可镀膜性好:超薄玻璃的厚度薄,透过率高,可以通过镀膜形成各种ITO导电膜玻璃。

表2所示为目前在超薄玻璃中有代表性的美国康宁公司的Gorilla(金刚)玻璃性能。

2 主要种类及生产工艺

按照组成成分的不同,超薄玻璃分为有碱玻璃和无碱玻璃。有碱和无碱的区别在于碱金属氧化物(Na2O,K2O—钠、钾)的含量,碱金属氧化物总含量在0.1%以上的称为有碱玻璃,0.1%以下的称为无碱玻璃。有碱玻璃以钠钙玻璃为主,无碱玻璃以无碱铝硅酸盐玻璃为主。超薄玻璃的开发一开始主要用于液晶显示用玻璃基板,对于TN-LCD和STN-LCD显示面板,主要采用有碱玻璃;对于TFT-LCD显示面板,主要采用无碱玻璃。对于触摸屏用玻璃基板,目前主流的触摸屏用玻璃基板一种是有碱玻璃,另一种是无碱玻璃或经化学钢化后的无碱玻璃,后者是康宁公司为苹果公司设计产品时确立的解决方案。不过,无碱玻璃虽然性能好,但是价格也高;相比较而言,有碱玻璃性能不但满足使用要求,而且价格便宜,目前有碱玻璃在触摸屏市场仍然有比较大的优势。

从生产工艺上来讲,到目前为止,生产超薄玻璃有3种主要工艺:浮法技术,溢流熔融法,流孔下引法。这3种工艺方法的对比情况,见表3。

3 技术难点

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业玻璃相比,工艺环节或许相似,但前者对产品的各项要求极高,生产制造极其困难,主要技术难点表现在:原料配方、熔化、成形、退火、切裁、堆垛以及各辅助生产设施等多个方面,以下仅就原料、熔化、成形作简要说明。

1)原料配方:特殊的配方是厂商的最高机密。超薄玻璃对原料杂质的含量、硅质原料批次间化学成分稳定性和原料粒度组成等控制非常严格。

以TFT-LCD液晶显示用玻璃基板为例,其和通常的建筑玻璃或汽车玻璃相比,两者的原料配方相差很多,日常用的建筑玻璃或汽车玻璃属于钠钙玻璃,主要原料有石英砂、纯碱、长石、白云石、芒硝、碎玻璃等,而液晶显示用玻璃基板则不同——由于TFT-LCD面板在制造过程中需要真空蒸镀与蚀刻,所以要求玻璃基板必须耐高温、耐强酸强碱;同时,在加温冷却过程中,玻璃基板不可避免会出现膨胀/收缩与变形问题,对于高精密的液晶面板来说,即使是微米级的变化都是难以接受的。因此,TFT-LCD液晶玻璃基板生产所用主要原料改碱土金属为硼铝硅酸盐,因为它具有较低的热膨胀系数与较高的热稳定性。

对于超薄玻璃基板厂来说,具体的原料配方是最高机密;在技术的发展过程中,成熟的配方为了避免其他公司的使用,会通过申请专利的方式进行保护,而对于还在研发过程中的新配方就成为了公司最隐秘的信息;目前,全球几家超薄玻璃厂都有几十年的研发和生产积累经验,配方的隐秘性使其成为进入该行业的壁垒。

2)熔化:熔炉的溶解、澄清要求极高。气泡问题是任何玻璃生产者都必须面临的问题,而液晶显示用玻璃基板对气泡的容忍度极低,因为即使是肉眼难以看到的微小气泡都可能对薄膜晶体管(TFT)造成破坏而在液晶显示屏上形成“坏点”。气泡产生的原因很多,包括熔化能力不足、温度不够、澄清不良等。解决气泡问题,需要在温度控制、玻璃液流速、窑压等方面进行有效控制。

超薄玻璃的引拉量一般较低,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。温度控制方面,流道温度波动小于±0.5℃,窑压波动小于±0.5 Pa。为保证玻璃质量的稳定,熔窑的设计及结构参数的确定往往要通过大量的计算机模拟与生产实践验证,其运营控制系统也需专门开发对应的“专家系统”进行实时回路监控和参数调节。

3)成形:兼顾平坦度与缺陷抑制、厚度与均匀性是核心难点,以浮法生产超薄玻璃为例,成形是通过热场控制玻璃液的黏度,利用拉边机把玻璃液向两边拉开,直到达到预期的厚度。在成形过程中有几大难题:一是需要兼顾玻璃平坦度与缺陷抑制矛盾。通常来说,成形过程中,为达到玻璃平坦化的要求,需要调整流速较快部分加热器的输出功率,但较低的成形温度往往会引发缺陷数量的大幅增加。因此,兼顾玻璃平坦度与缺陷抑制成为超薄浮法玻璃所面临的两难问题。二是需要兼顾玻璃厚度与均匀性矛盾。随着生产玻璃厚度的下降,所需拉边机对数也不断增加,其伴生的负效应也随之增多,也会影响玻璃成形质量。拉边机数量增加对玻璃质量的影响包括:a)容易导致边缘温度明显低于中部温度,造成中部“过流”,加剧超薄玻璃横向厚度差;b)拉边机数量增多意味着更长、更宽的拉薄区,热场与流场均匀性的控制难度增加;c)随着拉边机数量增多,可能出现横向拉伸、横向收缩、再横向拉伸的情况,导致玻璃带忽宽忽窄,对玻璃的稳定控制带来非常不利的影响。成形作为超薄玻璃生产最关键、最核心的阶段,为了有效达到产品质量要求,从研究、理论、设计、施工以及后续生产制度、参数、操作都要科学、严谨、周密、细致,尤其是通过实践再完善、夯实基础理论更加重要。

目前,电子信息显示用超薄玻璃生产技术主要由美国康宁公司、日本旭硝子公司、德国肖特公司垄断并对我国进行技术封锁。但蚌埠玻璃工业设计研究院/中国建材国际工程集团有限公司通过基础理论研究、技术攻关、工程转化、系统优化和集成创新,已开发出具有自主知识产权的超薄浮法玻璃成套技术与装备,为行业的发展及技术进步做出了突出贡献。

4 结 语

中国已成为电子信息显示生产消费大国,对0.3～1.1 mm超薄玻璃的需求非常大。目前,国内已有70多条氧化铟锡导电膜玻璃生产线,已成为氧化铟锡导电膜玻璃的最大生产和出口国,每年量产TCO导电膜玻璃超过5 000万m2,液晶显示器对超薄玻璃基片的市场需求超过9 000万m2。根据DisplaySearch公司预计,中国电子信息显示器件未来10年都会保持年均29%以上的增长率,因此电子信息产业的飞速发展将对我国超薄玻璃市场产生巨大推动。

同时,随着信息产品的显示质量要求逐渐提高,对电子信息显示用玻璃基板的质量要求也是越来越高,不但在厚薄差、微观波纹度、翘曲、表面缺陷等有严格要求,尤其是对隐形划伤的质量要求,更是涉及到多个方面。另外,由于电子产品轻薄化趋势,生产更薄的电子玻璃基板也是市场的方向,所以,电子信息显示用超薄玻璃生产技术的研发不仅会满足市场需求,更将进一步提升我国玻璃行业技术水平,促使优势企业利用自身技术优势进行结构调整、焕发勃勃生机,而且也将进一步促进或带动相关产业技术的转型升级。

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

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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.

鲍兆臣(1968-),高级工程师.E-mail:bzc666@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.007