近日，彩虹電子玻璃研究院在彩虹合肥產業基地召開成立大會，中國電子彩虹集團總經理司云聰，彩虹集團科學技術委員會主任委員郭盟權共同為彩虹電子玻璃研究院揭牌，并聘任苅谷浩幸為研究院院長。
那么，關于顯示產品所使用的玻璃你了解多少呢？
General of Glass Manufacturing
即便TFE 封裝技術和柔性顯示技術越發火熱, 但是最少在現在的顯示屏生產中, 玻璃依然是其不可缺少的一個組成部分。
現階段柔性顯示依然需要在剛性玻璃背板上制作而TFE 雖然可以從某種程度上取代封裝玻璃, 但是特別對于小尺寸屏幕來說, 堅固蓋板玻璃依然是其運用場景中必不可少的一個重要組成部分。
對于大尺寸的TFT-LCD 面板, 其最少需要2 張玻璃(TFT+CF), 而對于OLED 其最少需要一張玻璃(TFT)。
即便是大行其道的小尺寸屏幕, 其在現階段依然對蓋板玻璃。可見玻璃在顯示中的重要性在未來幾年中依然會保持不變。
Porter‘s 5 Forces 分析法可以用分析某行業甚至到具體公司未來的發展方向。在缺乏相關數據的情況下, 僅在此進分析該行業的進入壁壘情況。
和下游顯示屏制造相比, 顯示用的玻璃行業進入壁壘特點如下(1):
• 資金進入壁壘: 和下游顯示屏制造相比, 玻璃生產資金進入壁壘較低。對于一條6 代TFT 基板玻璃產線的投資額大概在7 億左右。
• 退出渠道: 與顯示屏制造相比, 玻璃生產線比較容易推出和轉型。
比如背板玻璃產線可以通過適量的調整后轉為蓋板玻璃的同時,產線中鉑金設備(大概占投資額29% ~43%)可以變賣后回收。所以玻璃生產推出資金壓力不大。
Fig 1 背板玻璃產線和蓋板玻璃產線之間的轉換(1)
當選擇將背板玻璃轉化為蓋板玻璃時, 后續改造成本并不很大。對于產線而言只需要在掌握配方的同時, 對產線進行一定的改造,改造時間1~2 個月。
(13 年康寧成功的將其臺灣基板產線逐步轉化為大猩猩蓋板產線)而對于蓋板玻璃向背板玻璃轉化時, 其其后續投入改造成本升高的同時, 技術上也存在較大難度。
除去更改配方外, 玻璃生產爐要去除蓋板玻璃生產時帶來堿金屬污染的同時, 還需要采用耐溫性更高的設備。
一般改造時間需要數月(3 個月以上, 且業內實踐不多)。
• 技術壁壘: 一般而言壁壘可以進一步分為準入技術壁壘和學習曲線壁壘(瞎掰的)。技術壁壘可以進一步分為:
設備壁壘:
玻璃生產的核心設備基本都有玻璃廠商自主研發, 所以市場新入者很難買到現成標準化設備。設備的核心不僅僅在設備的設計上, 設備中的關鍵部件, 如熔爐等設備特性和加工精度亦對最終產品的良率產生很大的影響。
配方壁壘
配方為技術壁壘中的核心關鍵所在。比如在傳統玻璃中需要加入氧化砷來加速熔融玻璃中的氣泡排除。
但是砷作為一種有毒金屬, 其產品出口和使用都受到一定限制。而無砷配方需要采取其他方式來去除氣泡, 則生產難度進一步加大。
工藝壁壘
背板用玻璃對玻璃表面平整度和雜質含量要求較高(電子級)。一般浮法玻璃無法滿足其對平整度的要求, 而后段的碾磨優惠有引入新的雜質的風險。目前只有旭硝子能使用浮法制作基板玻璃。
而基板玻璃的主流工藝依然為康寧主導的溢流熔融法。溢流熔融法工藝壁壘高于浮法(需要對溫度和流速等多個參數進行精確調整)。
除去進入技術壁壘外, 背板玻璃的生產亦存在持續的學習曲線壁壘, 其具體表現在對于產品良率的提升和持續的對產品升級改進上。
Substrate Glasses in Detail
Type of Glasses
從現有顯示產業來看, 無論是TFT-LCD 亦或AMOLED, 玻璃基板都是其生產所需的重要材料。
根據顯示技術、器件結構和應用場景的不同(如是否需要觸摸屏和觸摸屏技術的不同), 會額外需要單層或多層的玻璃。
若僅考慮顯示屏本身, 則:
• AMOLED 中最少需要1 張玻璃基板: TFT-arrary 板(封裝可以采用蓋板玻璃或者薄膜封裝)。
• TFT-LCD 中最少需要2 張玻璃基板: TFT-arrary 板和CF 彩膜板。
顯示屏生產用的玻璃可以按照其成分分為有堿玻璃和無堿玻璃, 而無堿玻璃根據As 和Sb 的含量不同又分為(3):
• 普通玻璃: As 和Sb 含量≥0.1%。
• 綠色玻璃: As 和Sb 含量<0.1%。
Fig 3 Display 用玻璃分類
在PMLCD 中會采用鈉堿玻璃來降低生產成本, 但是在AM 型顯示器件中, 則不能采用鈉堿玻璃。
因為TFT 制作時因為制程溫度較高(> 300 ℃), 在高溫下鈉堿玻璃中的堿金屬離子會擴散到薄膜中, 由此破壞TFT 的特性并導致開關功能失效。
Table 1 顯示屏用的玻璃分類(2)
Characteristics & Compositions
為了滿足顯示生產需要, TFT 用的玻璃需要滿足以下幾個參數(1):
• 高的玻璃化溫度: 在顯示屏生產中, 特別是TFT 工藝中, 玻璃基板需要反復加熱處理。則要求基板在較高溫度下保持良好的剛性的同時避免粘滯流動。
• 良好的化學穩定性: 玻璃在使用前需要經過多重清洗流程和刻蝕流程。常見的液體除去離子水以外弱酸或弱堿型洗滌劑外, 還包含光刻時會采用的蝕刻液, 如。所以玻璃需要較高的化學穩定性和耐腐蝕性。
Table 2 Display 生產中常用的幾種溶液(2)
極少的堿金屬含量
作為TFT 用的玻璃需要為無堿玻璃。此類玻璃中特別要避免1 價堿金屬, 比如Na、K 和Li 等。如果玻璃中含有這類活潑的堿金屬, 在高溫工藝下(如PECVD)堿金屬會向外析出并進入薄膜, 從而影響器件的開關比。
良好的熱膨脹系數
在TFT 工藝中, 需要在較高的溫度下在玻璃上沉積a-Si: H。為了保證a-Si: H 和玻璃之間的粘附性和產品的精度, 玻璃和a-Si: H 之間的熱膨脹系數需要匹配。
一般TFT 用的玻璃基板物理參數如Table 3 所示。
Table 3 TFT-LCD 玻璃基板的物理參數(2)
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一般TFT 用的玻璃基板成分分為主體材料和其他材料。
各種材料的成分和作用簡列如下(1):
玻璃骨架
玻璃的骨架主要為SiO2, 一般由石英粉的來。作為形成玻璃的主要材料SiO2 不僅僅可以降低玻璃的熱膨脹系數和密度,也可以提高玻璃的應變點。
如果SiO2 含量過低會降低玻璃的耐酸性能, 并容易導致方石英等缺陷。
增加化學穩定性
Al2O3 主要用于降低玻璃的密度和提高玻璃的應變點、彈性模量和化學穩定性等。Al 進入玻璃后可以和多余的O 相互配位, 最終起到修補網格的作用。Al2O3 和SiO2 的含量時相互依賴的。
降低熱膨脹系數
主要材料為B2O3。B2O3 一般由硼酸(H3BO3)引入。H3BO3 作為助溶劑來降低玻璃融化黏度, 但是當H3BO3 過高時, 容易降低玻璃的抗酸能力和應變點。
當B 和O 結合時, 可以降低玻璃的熱膨脹系數, 但是亦會對玻璃耐化學造成一定影響。該材料的成分要求不高于10%。
保持應變點
SrO 可以用來保持應變點。SrO 主要由SrCO3 引入。其主要有在保持密度不增大的同時, 不使得線膨脹系數增加和不使應變點下降過多的特性。
SrO 如果含量過多, 會使得玻璃耐酸性和耐堿性等化學性能下降。
穩定劑
銳化ZnO 作為中間體氧化物主要用于穩定玻璃結構、降低玻璃熱膨脹系數和提高玻璃化學穩定性等作用。
澄清劑
可以用SnO2 和As2O3。由于As 有毒性, 處于環保的考慮, 一般采用SnO2 取代As2O3 作為澄清劑。
降低爐溫
主要用K2O 和Na2O 等堿金屬氧化物來降低爐溫, 但是堿金屬的過多會導致TFT 的失效。所以為了得到沒有堿金屬的玻璃, 則需要使用高爐溫的熔爐。
其中SiO2、Al2O3 和B2O3 為玻璃的主體材料, 大概占據玻璃總成份的70%~80%。Table 4(2)和Table 5(1)分別為兩個文獻對Display 用玻璃成分的詳細記錄。
Table 4 TFT-LCD 用玻璃化學組成1(2)
Table 5 TFT-LCD 用玻璃化學組成2(1)
Production Method
Fig 4 Glass Manufacturing Flow
FDP 中玻璃可以分為前工序(前端)和后工序(后端)。前端工藝主要是對玻璃基板進行制作, 而后端主要是對前端制作的基板進行切割、研磨和拋光以滿足FDP 制作的需要。前端廠和后端廠工藝相對獨立且無需建設在一起, 一般后端廠會建設在FDP 面板廠附近, 如此可以在降低成本的同時方便對產線的供應。
現在玻璃的生產方式主要為3 種, 浮法、狹縫下拉法和溢流熔融法。三種方法的產能和工藝如Table 6 所示。
Table 6 Making Methods(2) (3)
**成都中光電于17 年量產0.1mm & 0.2 mm TFT-LCD 用玻璃基板(Array 或CF 用未知)
**浮法工藝據傳在逐漸被淘汰
Table 7 2016 年海外主要背板玻璃廠商和產線分布(3)
Cover Glass in Details
蓋板玻璃一般為高鋁玻璃, 其主要的性能為:
• 極高的表面光潔度
• 極高的表面硬度和防刮傷性能
• 極高的表面強度
• 較高的尺寸控制
• 極高的硬度(8H)和透過率
蓋板玻璃的主要原料為高純石英砂、碳酸鈉、硝酸鉀、鋯石粉、氧化鋁、碳酸鉀、氧化鎂和芒硝等。其中各原材料化學成分如Table8 所示。
Table 8 高鋁玻璃所需要的材料以及各原材料的純度要求(1)
蓋板玻璃的產業鏈可以分為三個部分。
Fig 5 蓋板玻璃產業鏈(3)
蓋板高鋁玻璃主要通過溢流法和浮法制作。兩個工藝的性能對比如Table 9 所示而全球主要蓋板玻璃廠商產品和采用技術如Table 10所示。
Table 9 液流加壓法和浮法對比(3)
Table 10 全球蓋板玻璃廠商產品和技術(1)
References
1. 液晶面板主要材料之基板玻璃, 顯示世界, http: //mp.weixin.qq.com/s/pmtTe16QT0ebceeSJZ1D5w (2017)
2. Source* 申智淵, TFT-LCD 技術: 結構、原理及制造技術, 2012, ISBN978-7-121-15335-8 (2017)
3. 玻璃產業基板產業報告, 顯示世界, http: //mp.weixin.qq.com/s/NtON_co-n_kA0zLksIyPlA (2016)
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