近日，彩虹电子玻璃研究院在彩虹合肥产业基地召开成立大会，中国电子彩虹集团总经理司云聪，彩虹集团科学技术委员会主任委员郭盟权共同为彩虹电子玻璃研究院揭牌，并聘任苅谷浩幸为研究院院长。

　　那么，关于显示产品所使用的玻璃你了解多少呢？

　　General of Glass Manufacturing

　　即便TFE 封装技术和柔性显示技术越发火热, 但是最少在现在的显示屏生产中, 玻璃依然是其不可缺少的一个组成部分。

　　现阶段柔性显示依然需要在刚性玻璃背板上制作而TFE 虽然可以从某种程度上取代封装玻璃, 但是特别对于小尺寸屏幕来说, 坚固盖板玻璃依然是其运用场景中必不可少的一个重要组成部分。

　　对于大尺寸的TFT-LCD 面板, 其最少需要2 张玻璃(TFT+CF), 而对于OLED 其最少需要一张玻璃(TFT)。

　　即便是大行其道的小尺寸屏幕, 其在现阶段依然对盖板玻璃。可见玻璃在显示中的重要性在未来几年中依然会保持不变。

　　Porter‘s 5 Forces 分析法可以用分析某行业甚至到具体公司未来的发展方向。在缺乏相关数据的情况下, 仅在此进分析该行业的进入壁垒情况。

　　和下游显示屏制造相比, 显示用的玻璃行业进入壁垒特点如下(1):

　　• 资金进入壁垒: 和下游显示屏制造相比, 玻璃生产资金进入壁垒较低。对于一条6 代TFT 基板玻璃产线的投资额大概在7 亿左右。

　　• 退出渠道: 与显示屏制造相比, 玻璃生产线比较容易推出和转型。

　　比如背板玻璃产线可以通过适量的调整后转为盖板玻璃的同时,产线中铂金设备(大概占投资额29% ~43%)可以变卖后回收。所以玻璃生产推出资金压力不大。

Fig 1 背板玻璃产线和盖板玻璃产线之间的转换(1)

　　当选择将背板玻璃转化为盖板玻璃时, 后续改造成本并不很大。对于产线而言只需要在掌握配方的同时, 对产线进行一定的改造,改造时间1~2 个月。

　　(13 年康宁成功的将其台湾基板产线逐步转化为大猩猩盖板产线)而对于盖板玻璃向背板玻璃转化时, 其其后续投入改造成本升高的同时, 技术上也存在较大难度。

　　除去更改配方外, 玻璃生产炉要去除盖板玻璃生产时带来碱金属污染的同时, 还需要采用耐温性更高的设备。

　　一般改造时间需要数月(3 个月以上, 且业内实践不多)。

　　• 技术壁垒: 一般而言壁垒可以进一步分为准入技术壁垒和学习曲线壁垒(瞎掰的)。技术壁垒可以进一步分为:

　　设备壁垒:

　　玻璃生产的核心设备基本都有玻璃厂商自主研发, 所以市场新入者很难买到现成标准化设备。设备的核心不仅仅在设备的设计上, 设备中的关键部件, 如熔炉等设备特性和加工精度亦对最终产品的良率产生很大的影响。

　　配方壁垒

　　配方为技术壁垒中的核心关键所在。比如在传统玻璃中需要加入氧化砷来加速熔融玻璃中的气泡排除。

　　但是砷作为一种有毒金属, 其产品出口和使用都受到一定限制。而无砷配方需要采取其他方式来去除气泡, 则生产难度进一步加大。

　　工艺壁垒

　　背板用玻璃对玻璃表面平整度和杂质含量要求较高(电子级)。一般浮法玻璃无法满足其对平整度的要求, 而后段的碾磨优惠有引入新的杂质的风险。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艺依然为康宁主导的溢流熔融法。溢流熔融法工艺壁垒高于浮法(需要对温度和流速等多个参数进行精确调整)。

　　除去进入技术壁垒外, 背板玻璃的生产亦存在持续的学习曲线壁垒, 其具体表现在对于产品良率的提升和持续的对产品升级改进上。

　　Substrate Glasses in Detail

　　Type of Glasses

　　从现有显示产业来看, 无论是TFT-LCD 亦或AMOLED, 玻璃基板都是其生产所需的重要材料。

　　根据显示技术、器件结构和应用场景的不同(如是否需要触摸屏和触摸屏技术的不同), 会额外需要单层或多层的玻璃。

　　若仅考虑显示屏本身, 则:

　　• AMOLED 中最少需要1 张玻璃基板: TFT-arrary 板(封装可以采用盖板玻璃或者薄膜封装)。

　　• TFT-LCD 中最少需要2 张玻璃基板: TFT-arrary 板和CF 彩膜板。

　　显示屏生产用的玻璃可以按照其成分分为有碱玻璃和无碱玻璃, 而无碱玻璃根据As 和Sb 的含量不同又分为(3):

　　• 普通玻璃: As 和Sb 含量≥0.1%。

　　• 绿色玻璃: As 和Sb 含量<0.1%。

Fig 3 Display 用玻璃分类

　　在PMLCD 中会采用钠碱玻璃来降低生产成本, 但是在AM 型显示器件中, 则不能采用钠碱玻璃。

　　因为TFT 制作时因为制程温度较高(> 300 ℃), 在高温下钠碱玻璃中的碱金属离子会扩散到薄膜中, 由此破坏TFT 的特性并导致开关功能失效。

Table 1 显示屏用的玻璃分类(2)

　　Characteristics & Compositions

　　为了满足显示生产需要, TFT 用的玻璃需要满足以下几个参数(1):

　　• 高的玻璃化温度: 在显示屏生产中, 特别是TFT 工艺中, 玻璃基板需要反复加热处理。则要求基板在较高温度下保持良好的刚性的同时避免粘滞流动。

　　• 良好的化学稳定性: 玻璃在使用前需要经过多重清洗流程和刻蚀流程。常见的液体除去离子水以外弱酸或弱碱型洗涤剂外, 还包含光刻时会采用的蚀刻液, 如。所以玻璃需要较高的化学稳定性和耐腐蚀性。

Table 2 Display 生产中常用的几种溶液(2)

　　极少的碱金属含量

　　作为TFT 用的玻璃需要为无碱玻璃。此类玻璃中特别要避免1 价碱金属, 比如Na、K 和Li 等。如果玻璃中含有这类活泼的碱金属, 在高温工艺下(如PECVD)碱金属会向外析出并进入薄膜, 从而影响器件的开关比。

　　良好的热膨胀系数

　　在TFT 工艺中, 需要在较高的温度下在玻璃上沉积a-Si: H。为了保证a-Si: H 和玻璃之间的粘附性和产品的精度, 玻璃和a-Si: H 之间的热膨胀系数需要匹配。

　　一般TFT 用的玻璃基板物理参数如Table 3 所示。

Table 3 TFT-LCD 玻璃基板的物理参数(2)

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　　一般TFT 用的玻璃基板成分分为主体材料和其他材料。

　　各种材料的成分和作用简列如下(1):

　　玻璃骨架

　　玻璃的骨架主要为SiO2, 一般由石英粉的来。作为形成玻璃的主要材料SiO2 不仅仅可以降低玻璃的热膨胀系数和密度,也可以提高玻璃的应变点。

　　如果SiO2 含量过低会降低玻璃的耐酸性能, 并容易导致方石英等缺陷。

　　增加化学稳定性

　　Al2O3 主要用于降低玻璃的密度和提高玻璃的应变点、弹性模量和化学稳定性等。Al 进入玻璃后可以和多余的O 相互配位, 最终起到修补网格的作用。Al2O3 和SiO2 的含量时相互依赖的。

　　降低热膨胀系数

　　主要材料为B2O3。B2O3 一般由硼酸(H3BO3)引入。H3BO3 作为助溶剂来降低玻璃融化黏度, 但是当H3BO3 过高时, 容易降低玻璃的抗酸能力和应变点。

　　当B 和O 结合时, 可以降低玻璃的热膨胀系数, 但是亦会对玻璃耐化学造成一定影响。该材料的成分要求不高于10%。

　　保持应变点

　　SrO 可以用来保持应变点。SrO 主要由SrCO3 引入。其主要有在保持密度不增大的同时, 不使得线膨胀系数增加和不使应变点下降过多的特性。

　　SrO 如果含量过多, 会使得玻璃耐酸性和耐碱性等化学性能下降。

　　稳定剂

　　锐化ZnO 作为中间体氧化物主要用于稳定玻璃结构、降低玻璃热膨胀系数和提高玻璃化学稳定性等作用。

　　澄清剂

　　可以用SnO2 和As2O3。由于As 有毒性, 处于环保的考虑, 一般采用SnO2 取代As2O3 作为澄清剂。

　　降低炉温

　　主要用K2O 和Na2O 等碱金属氧化物来降低炉温, 但是碱金属的过多会导致TFT 的失效。所以为了得到没有碱金属的玻璃, 则需要使用高炉温的熔炉。

　　其中SiO2、Al2O3 和B2O3 为玻璃的主体材料, 大概占据玻璃总成份的70%~80%。Table 4(2)和Table 5(1)分别为两个文献对Display 用玻璃成分的详细记录。

Table 4 TFT-LCD 用玻璃化学组成1(2)

Table 5 TFT-LCD 用玻璃化学组成2(1)

　　Production Method

Fig 4 Glass Manufacturing Flow

　　FDP 中玻璃可以分为前工序(前端)和后工序(后端)。前端工艺主要是对玻璃基板进行制作, 而后端主要是对前端制作的基板进行切割、研磨和抛光以满足FDP 制作的需要。前端厂和后端厂工艺相对独立且无需建设在一起, 一般后端厂会建设在FDP 面板厂附近, 如此可以在降低成本的同时方便对产线的供应。

　　现在玻璃的生产方式主要为3 种, 浮法、狭缝下拉法和溢流熔融法。三种方法的产能和工艺如Table 6 所示。

Table 6 Making Methods(2) (3)

　　**成都中光电于17 年量产0.1mm & 0.2 mm TFT-LCD 用玻璃基板(Array 或CF 用未知)

　　**浮法工艺据传在逐渐被淘汰

Table 7 2016 年海外主要背板玻璃厂商和产线分布(3)

　　Cover Glass in Details

　　盖板玻璃一般为高铝玻璃, 其主要的性能为:

　　• 极高的表面光洁度

　　• 极高的表面硬度和防刮伤性能

　　• 极高的表面强度

　　• 较高的尺寸控制

　　• 极高的硬度(8H)和透过率

　　盖板玻璃的主要原料为高纯石英砂、碳酸钠、硝酸钾、锆石粉、氧化铝、碳酸钾、氧化镁和芒硝等。其中各原材料化学成分如Table8 所示。

Table 8 高铝玻璃所需要的材料以及各原材料的纯度要求(1)

　　盖板玻璃的产业链可以分为三个部分。

Fig 5 盖板玻璃产业链(3)

　　盖板高铝玻璃主要通过溢流法和浮法制作。两个工艺的性能对比如Table 9 所示而全球主要盖板玻璃厂商产品和采用技术如Table 10所示。

Table 9 液流加压法和浮法对比(3)

Table 10 全球盖板玻璃厂商产品和技术(1)

　　References

　　1. 液晶面板主要材料之基板玻璃, 显示世界, http: //mp.weixin.qq.com/s/pmtTe16QT0ebceeSJZ1D5w (2017)

　　2. Source* 申智渊, TFT-LCD 技术: 结构、原理及制造技术, 2012, ISBN978-7-121-15335-8 (2017)

　　3. 玻璃产业基板产业报告, 显示世界, http: //mp.weixin.qq.com/s/NtON_co-n_kA0zLksIyPlA (2016)