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　　近日，彩虹電子玻璃研究院在彩虹合肥產(chǎn)業(yè)基地召開成立大會，中國電子彩虹集團總經(jīng)理司云聰，彩虹集團科學(xué)技術(shù)委員會主任委員郭盟權(quán)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(guān)于顯示產(chǎn)品所使用的玻璃你了解多少呢？

　　General of Glass Manufacturing

　　即便TFE 封裝技術(shù)和柔性顯示技術(shù)越發(fā)火熱, 但是最少在現(xiàn)在的顯示屏生產(chǎn)中, 玻璃依然是其不可缺少的一個組成部分。

　　現(xiàn)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(xiàn)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(yè)甚至到具體公司未來的發(fā)展方向。在缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下, 僅在此進分析該行業(yè)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(yè)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(chǎn)資金進入壁壘較低。對于一條6 代TFT 基板玻璃產(chǎn)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(chǎn)線比較容易推出和轉(zhuǎn)型。

　　比如背板玻璃產(chǎn)線可以通過適量的調(diào)整后轉(zhuǎn)為蓋板玻璃的同時,產(chǎn)線中鉑金設(shè)備(大概占投資額29% ~43%)可以變賣后回收。所以玻璃生產(chǎn)推出資金壓力不大。

Fig 1 背板玻璃產(chǎn)線和蓋板玻璃產(chǎn)線之間的轉(zhuǎn)換(1)

　　當選擇將背板玻璃轉(zhuǎn)化為蓋板玻璃時, 后續(xù)改造成本并不很大。對于產(chǎn)線而言只需要在掌握配方的同時, 對產(chǎn)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(chǎn)線逐步轉(zhuǎn)化為大猩猩蓋板產(chǎn)線)而對于蓋板玻璃向背板玻璃轉(zhuǎn)化時, 其其后續(xù)投入改造成本升高的同時, 技術(shù)上也存在較大難度。

　　除去更改配方外, 玻璃生產(chǎn)爐要去除蓋板玻璃生產(chǎn)時帶來堿金屬污染的同時, 還需要采用耐溫性更高的設(shè)備。

　　一般改造時間需要數(shù)月(3 個月以上, 且業(yè)內(nèi)實踐不多)。

　　• 技術(shù)壁壘: 一般而言壁壘可以進一步分為準入技術(shù)壁壘和學(xué)習(xí)曲線壁壘(瞎掰的)。技術(shù)壁壘可以進一步分為:

　　設(shè)備壁壘:

　　玻璃生產(chǎn)的核心設(shè)備基本都有玻璃廠商自主研發(fā), 所以市場新入者很難買到現(xiàn)成標準化設(shè)備。設(shè)備的核心不僅僅在設(shè)備的設(shè)計上, 設(shè)備中的關(guān)鍵部件, 如熔爐等設(shè)備特性和加工精度亦對最終產(chǎn)品的良率產(chǎn)生很大的影響。

　　配方壁壘

　　配方為技術(shù)壁壘中的核心關(guān)鍵所在。比如在傳統(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)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(yōu)惠有引入新的雜質(zhì)的風(fēng)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(dǎo)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(shù)進行精確調(diào)整)。

　　除去進入技術(shù)壁壘外, 背板玻璃的生產(chǎn)亦存在持續(xù)的學(xué)習(xí)曲線壁壘, 其具體表現(xiàn)在對于產(chǎn)品良率的提升和持續(xù)的對產(chǎn)品升級改進上。

　　Substrate Glasses in Detail

　　Type of Glasses

　　從現(xiàn)有顯示產(chǎn)業(yè)來看, 無論是TFT-LCD 亦或AMOLED, 玻璃基板都是其生產(chǎn)所需的重要材料。

　　根據(jù)顯示技術(shù)、器件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場景的不同(如是否需要觸摸屏和觸摸屏技術(shù)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)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(dǎo)致開關(guān)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(chǎn)需要, TFT 用的玻璃需要滿足以下幾個參數(shù)(1):

　　• 高的玻璃化溫度: 在顯示屏生產(chǎn)中, 特別是TFT 工藝中, 玻璃基板需要反復(fù)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(xué)穩(wěn)定性: 玻璃在使用前需要經(jīng)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(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性。

Table 2 Display 生產(chǎn)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(guān)比。

　　良好的熱膨脹系數(shù)

　　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(chǎn)品的精度, 玻璃和a-Si: H 之間的熱膨脹系數(shù)需要匹配。

　　一般TFT 用的玻璃基板物理參數(shù)如Table 3 所示。

Table 3 TFT-LCD 玻璃基板的物理參數(shù)(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(shù)和密度,也可以提高玻璃的應(yīng)變點。

　　如果SiO2 含量過低會降低玻璃的耐酸性能, 并容易導(dǎo)致方石英等缺陷。

　　增加化學(xué)穩(wěn)定性

　　Al2O3 主要用于降低玻璃的密度和提高玻璃的應(yīng)變點、彈性模量和化學(xué)穩(wěn)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(wǎng)格的作用。Al2O3 和SiO2 的含量時相互依賴的。

　　降低熱膨脹系數(shù)

　　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(yīng)變點。

　　當B 和O 結(jié)合時, 可以降低玻璃的熱膨脹系數(shù), 但是亦會對玻璃耐化學(xué)造成一定影響。該材料的成分要求不高于10%。

　　保持應(yīng)變點

　　SrO 可以用來保持應(yīng)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(shù)增加和不使應(yīng)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(xué)性能下降。

　　穩(wěn)定劑

　　銳化ZnO 作為中間體氧化物主要用于穩(wěn)定玻璃結(jié)構(gòu)、降低玻璃熱膨脹系數(shù)和提高玻璃化學(xué)穩(wěn)定性等作用。

　　澄清劑

　　可以用SnO2 和As2O3。由于As 有毒性, 處于環(huán)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(dǎo)致TFT 的失效。所以為了得到?jīng)]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(jù)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(xué)組成1(2)

Table 5 TFT-LCD 用玻璃化學(xué)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(shè)在一起, 一般后端廠會建設(shè)在FDP 面板廠附近, 如此可以在降低成本的同時方便對產(chǎn)線的供應(yīng)。

　　現(xiàn)在玻璃的生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)0.1mm & 0.2 mm TFT-LCD 用玻璃基板(Array 或CF 用未知)

　　**浮法工藝據(jù)傳在逐漸被淘汰

Table 7 2016 年海外主要背板玻璃廠商和產(chǎn)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(xué)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(chǎn)業(yè)鏈可以分為三個部分。

Fig 5 蓋板玻璃產(chǎn)業(yè)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(chǎn)品和采用技術(shù)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(chǎn)品和技術(shù)(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(shù): 結(jié)構(gòu)、原理及制造技術(shù), 2012, ISBN978-7-121-15335-8 (2017)

　　3. 玻璃產(chǎn)業(yè)基板產(chǎn)業(yè)報告, 顯示世界, http: //mp.weixin.qq.com/s/NtON_co-n_kA0zLksIyPlA (2016)