液晶面板主要材料之—--基板玻璃篇

2018-11-15 15:18 admin



基板玻璃是构成液晶面板重要的原材料之一。液晶面板的关键结构类似于三明治,两层“面包”(TFT基板和彩色滤光片)夹“果酱”(液晶),故制作一片TFT-LCD面板需要用到两片玻璃,分别作为底层玻璃基板和彩色滤光片底板使用。

基板玻璃在TFT-LCD原材料成本中占比约20%,对面板产品性能的影响十分巨大,面板成品的分辨率、透光度、厚度、重量、可视角度等指标都与所采用的基板玻璃质量密切相关,作为重要的基底材料,基板玻璃之于TFT-LCD产业的意义相当于硅晶圆之于半导体产业。

 

TFT-LCD液晶面板结构

基板玻璃分为含碱和无碱两种。有碱玻璃主要用于TN/STN型液晶面板中,但对于TFT-LCD,由于玻璃中碱金属离子会影响薄膜晶体管栅压的稳定性,故基板的制造必须使用无碱配方,不可以含有氧化钠和氧化钾等成分;但氧化钠和氧化钾可以降低玻璃的融化温度,故无碱玻璃的制造需要更高的炉温,这也是无碱玻璃生产技术难度高于有碱玻璃的原因之一。

 

TFT-LCD液晶产业链

基板玻璃作为液晶面板基础原材料之一,占据液晶产业链顶端。上游原材料是一些最基础的化工原料如石英粉、氧化铝等,下游主要是面板厂和彩色滤光片供应商,分别供给他们制作TFT阵列和彩色滤光片,再在成盒段进行灌液晶、组装,制成Open Cell面板。

 

基板玻璃供应链

 

基板玻璃作为薄膜显示产业的基石,不仅广泛应用在TN/STN、TFT等液晶面板结构中,也是OLED必不可少的基底材料,基板玻璃重要性受显示机理变化的影响有限,具有不可替代性,未来产业地位稳固。

 

基板玻璃特性介绍

化学特性

主要理化参数

(1)应变点

在制造TFT工艺过程中,基板需要反复地热处理,温度最高要加热到625℃,要求基板在这一温度下保持刚性,不能有任何黏滞流动现象,否则不仅玻璃变形和降温时带来热应力,还会造成尺寸的变化。因此要求基板玻璃的应变点高于625℃,再加上25℃的保险量,玻璃的应变点至少要在650℃以上。

(2)化学稳定性

基板玻璃要求必须经得住显示器制造过程中的各种化学处理,如α-Si有源矩阵,LCD有7层以上的薄膜电路和同样多的腐蚀步骤,腐蚀剂和清洗剂强酸到强碱,如10%以上的NaOH、10%以上的H2SO4、浓HNO3、10%的HF-HNO3、浓H3PO4等,可以说基板对化学稳定性的要求几乎是玻璃品种中最严格的。

(3)碱的限制

因为在基板玻璃上印制电路的要求,玻璃不能含有一价碱金属,即R2O含量尽可能的低,甚至为0。一旦玻璃中含有一价碱金属,在高温时一价碱金属会从玻璃内部向玻璃表面溢出,造成印刷电路的短路或故障等,因此在液晶基板玻璃中严禁一价碱金属离子的出现。

一价碱金属,这里的碱金属(R2O)指一价碱金属离子,主要包括K+、Na、Li。

(4)热膨胀系数

由于在液晶面板的制造中,需要在玻璃表面镀上一层硅,所以玻璃的热膨胀系数必须与硅匹配,玻璃必须有与硅接近的热膨胀系数,氧化硅的膨胀系数5~7×10/℃。

另一方面,由于显示器在制造过程中要经过多次、反复、快速地升温降温,必然引起玻璃结构松驰,发生尺寸变化,这样就会使光刻制版的电子线路出现偏差。所以要求整个基板元件的收缩尺寸只能是电路图中的最细宽度的几分之一,即几个微米,低的热收缩仍然是必要条件。

一般来讲,基板玻璃的膨胀系数在0~300℃温度范围内小于40×10/℃。

 

玻璃原料及特点

液晶基板玻璃的主要原料包括:石英粉,碳酸锶,碳酸钡,硼酸,硼酐,氧化铝,碳酸钙,硝酸钡,氧化镁,氧化锡,氧化锌等。它们是玻璃的形成物,玻璃的调整物和中间体成份,构成了玻璃的主体,决定了该种玻璃的物理和化学性质。

石英粉

石英粉的主要成分是SiO2,是形成玻璃的主要氧化物,它是以硅氧四面体[SiO4]的结构形成不规则的连续网络,成为玻璃的骨架。

SiO2可以降低玻璃的热膨胀系数和密度,提高玻璃的应变点,SiO2含量过低时会降低玻璃的耐酸性等化学稳定性,不易获得低膨胀、低密度和高应变点的玻璃,使玻璃难以熔制,并容易导致结石(方石英)缺陷。

氧化铝

氧化铝为中间体氧化物,当玻璃中O不足时,Al的配位数为6,处于网络间隙,与O形成[AlO6]八面体;当玻璃中有多余的O时,Al的配位数为4,进入玻璃网络,与O形成[AlO4]四面体,起到补网作用,增加玻璃稳定性,降低玻璃膨胀系数,同时由于[AlO4]四面体体积较大,可以降低玻璃密度。Al2O3可以显著提高玻璃的应变点和弹性模量,增加玻璃的化学稳定性。

氧化硅与氧化铝的含量是相互依赖的。两者之和应在原料总量比例大于70%。

硼酸(硼酐)

硼酸作用是作为助熔剂,三氧化二硼可降低玻璃熔化黏度,且不增加膨胀系数,适量的三氧化二硼可增加耐氢氟酸能力,而使其易于加工,但当三氧化二硼浓度过高时,将会损坏玻璃的抗酸能力,且应变点会太低。

玻璃中的B主要与O形成硼氧化三角体[BO3],如果玻璃中有足够的O,可以形成四面体[BO4],降低玻璃的热膨胀系数。

氧化硼有降低熔点和有利于熔制的作用。但它同时降低转变温度,而且对化学耐久性十分有害,因此氧化硼含量最好在10%以下。

因为硼酐在生产过程极易受潮影响硼酐的主含量,因此硼酐的主要控制指标是主含量及水分含量,一般来讲,在使用过程中,要注意库房防潮和料仓内的干燥。

碳酸锶

碳酸锶主要引入氧化锶。氧化锶具有不使密度增大、不令线膨胀系数升高,不会使应变点下降过多的特性,还可使熔解性提高,如果含量过多,则会导致失透特性的劣化、耐酸性和对抗碱性、抗蚀膜剥离液的耐久性的低下。氧化锶还具有吸收X射线的作用。

氧化锌

锐化锌ZnO为中间体氧化物,在一般情况下,以锌氧八面体[ZnO6]作为网络外体氧化物,当玻璃中的游离氧足够时,可以形成锌氧四面体[ZnO4]而进入玻璃的结构网络,使玻璃的结构更加稳定。ZnO4能降低玻璃的热膨胀系数,提高玻璃的化学稳定性、热稳定性、折射率。

氧化锡

氧化锡是替代有毒物氧化砷而作为澄清剂的一种原料。

 

基板玻璃制造的主流工艺

基板玻璃的制造工艺主要有浮法、流孔下引法和溢流熔融法三种,目前主流工艺是溢流熔融法。

浮法制造工艺是应用最广泛、历史最悠久的平板玻璃制造工艺。该法是将熔融玻璃液传输至装有熔融液态锡的沟槽,利用锡和玻璃的密度差,在玻璃液表面张力和重力作用下自然摊平,再进入冷却室冷却成型。浮法玻璃需要后段进一步研磨、抛光等加工。浮法的优势在于产能高、易于基板玻璃面积尺寸的扩大,成本低于其它工艺,但是后段处理带来的开销又抵消了部分成本优势。浮法以前主要用于TN/STN基板玻璃,后来旭硝子成功利用浮法制造无碱基板玻璃,成为浮法制造TFT基板玻璃的代表厂商。

 

浮法工艺示意图

流孔下拉法是将熔融玻璃液导入由铂合金制程的流孔漏板槽中,在重力的作用下玻璃溶液流出,再通过滚轮碾压、冷却室固化成型。流孔大小和下引速度决定玻璃厚度,温度分布决定玻璃的平整度。流孔在此工艺中的作用十分重要,其尺寸稳定与否关系到玻璃厚度是否均匀、表面是否平坦等关键指标,但由于外力作用流孔可能变形,良率就会出现波动。另外由于玻璃表面与滚轮接触,所以平整度也会受到影响,故此流孔下拉法也需要后段抛光加工。主要使用该工艺的厂商是电气硝子。但目前由于此工艺优势不明显,已逐渐被淘汰。

 

流孔下拉法示意图

 

溢流熔融法是将熔融玻璃液导入导管,玻璃液到达容积上限后从导管两侧沿管壁向下溢流而出,类似瀑布一样在下方汇流后形成片状基板。溢流熔融法由著名玻璃厂商康宁主导,由于此工艺玻璃在成型时不需要接触任何介质(浮法接触液态锡、流孔法接触金属滚轮),不会产生因和介质有接触而造成的玻璃表面性质差异等问题,故此不需要后端抛光等加工,现在已经成为TFT-LCD基板玻璃制造工艺的主流。

溢流熔融法示意图

 

成型工艺流程

成型工序是将池炉熔化好并通过铂金通道澄清、均化和降温后的玻璃液,通过马弗炉内的溢流砖溢流成型,经过成型区冷却降温,利用退火炉去除产品应力,最终将表面平整、厚度均匀的玻璃板进行横向切割、称重、纵向切割、厚度检查、应用检查、静电除尘、外观检查后将半成品基板玻璃送至BOD(半成品加工)工序。

 

三种基板玻璃制造工艺对比

 

高世代化和轻薄化是基板玻璃的发展趋势

由于需要与下游面板厂配套,玻璃基板产线与面板厂一样,按照产出玻璃面积分成各世代线,面积越大世代线越高,现在在产的最高世代线是10代线,尺寸已达为2880x3130mm;面板产线向高世代线发展决定了基板产线相同的发展趋势,目前国际基板玻璃巨头们已将重心转移到高世代线的建设上,中低世代线不再开出新增产能。

 

基板玻璃世代线演变(规格单位:米)

工艺、配方及设备构成基板玻璃行业三大技术壁垒

基板玻璃看似容易,好像只需要把玻璃做的够薄够平、洁净就可以,但其实技术壁垒极高。基板玻璃制造的技术壁垒主要体现在三个方面:

第一是工艺壁垒:TFT-LCD用基板玻璃对玻璃表面平整度和杂质含量要求都是电子级的,使用一般的浮法工艺无法满足这么高的平整度要求,使用后段进行研磨抛光又可能因为介质接触引入新的表面杂质,目前只有旭硝子成功使用浮法制造基板玻璃,基板玻璃主流工艺还是溢流熔融法,而溢流熔融法工艺壁垒高于浮法,需要准确调整温度、流速等多个参数,掌握难度大。

第二是配方壁垒:这是核心的壁垒,是康宁等巨头得以垄断基板行业的关键技术部分。溢流熔融法需要正确的玻璃液配方才能稳定成型,玻璃液配方也影响着基板玻璃的光学、化学特性;此外,氧化砷作为一种化学澄清剂,在传统的基板玻璃制造配方中用来加速熔融玻璃中气泡的排出,但是砷是有毒金属,不符合一些国家和地区的环保要求,含砷玻璃在出口和下游客户开拓会受到限制,使用无砷配方则必须使用其他办法来消除气泡,技术难度也随之加大。总之,配方是基板玻璃制造的核心技术,关系到基板玻璃成品的良率。

第三是装备壁垒:以溢流熔融法为例,由于生产设备基本都是玻璃厂商自主研发生产,故此对于新进入者很难在市场上买到现成设备,都需要重新设计和制作生产设备。另外,由于熔炉、引流槽、溢流砖等关键部件的生产要求高,一些精度和特性的不达标将直接影响最终产品的良率,故在基板玻璃生产设备的制作上也存在很大壁垒。

 

基板玻璃行业三大进入壁垒

基板玻璃产业的进入壁垒很高,但退出则相对较易,这主要体现在基板玻璃产线单线投资额不高和容易转做盖板这两个方面。

不同于一条面板产线动辄百亿的投资,基板玻璃产线投资额相对较小,一条6代基板玻璃产线投资额大约在7亿元左右,其中2-3亿的铂金投资还可以变卖后回收。所以退出的资金压力不大。

基板玻璃生产厂商有能力并且有动力转做盖板玻璃

玻璃盖板是在手机、平板和超极本等可触控移动终端的最外层起保护作用的一层强化过的玻璃板。由于盖板玻璃对玻璃表面平整性和厚度要求没有基板那么高,且不需要使用无碱玻璃,故盖板玻璃的制造难度要低于基板玻璃。基板玻璃生产线转成盖板玻璃生产线技术难度不大,后段加入强化处理的投资也不高,只要掌握配方,改造只需一个月即可;但是盖板产线转回基板则要难的多,除了更改玻璃液配方外,炉子要消除盖板玻璃生产带来的碱玷污,而且还得改用耐温性更高的设备,这个过程技术难度大、耗时多,整体转换工期要三个月以上,行业中实践不多。

 

基板玻璃与盖板玻璃产线转换

随着智能手机、平板电脑的爆发式增长,盖板玻璃的需求也随之增加,一度供应紧张。其中,康宁开发的“大猩猩”盖板玻璃得到了包括苹果在内众多品牌厂商的青睐,成为iPhone等旗舰手机的盖板玻璃首选配臵。随着“大猩猩”玻璃的热销,加上盖板玻璃盈利强于基板玻璃,康宁把在美国的产线全部改做盖板玻璃之后,2011年和2012年又陆续将在台湾的10条基板产线转做了“大猩猩”盖板。

从康宁的“大猩猩之路”可以看出,基板玻璃厂商由于占据技术高点,转做其他玻璃产品技术门槛不高,门槛体现在配方上;目前盖板需求还在升温,当基板行业竞争加剧时,厂商退出基板转做盖板甚至更有钱赚,目前行业龙头康宁正逐步将其低世代产线转做盖板。

 

台湾康宁原基板玻璃产线转作大猩猩盖板玻璃

全球主要盖板玻璃厂商

厂商

国家

盖板玻璃产品

种类

推出时间

康宁

美国

Gorilla

溢流法高铝玻璃

2010

旭硝子

日本

DragonTrail

浮法高铝玻璃

2011

电气硝子

日本

CX-01

溢流法高铝玻璃

2011

肖特

德国

Xensation

浮法高铝玻璃

2011

旭虹光电

中国

王者熊猫

浮法高铝玻璃

2014

彩虹

中国

彩虹凯丽

溢流法高铝玻璃

2016

国产玻璃中,东旭也推出浮法工艺的高强超薄铝硅酸盐玻璃、彩虹推出了溢流法的高铝盖板玻璃。

旭虹光电的高强超薄触控屏玻璃生产线,年生产规模780万平方米,单线产能规模全球排名第二,仅次于日本旭硝子。

彩虹CG01溢流下拉6代高铝盖板玻璃,产能10-12万平方米/月,生产的规格为1520x1497mm,厚度从0.5到1.0mm。

 

高铝玻璃主要原料情况

高铝玻璃主要原料有:高纯石英砂,碳酸钠,硝酸钾,锆英粉,氧化铝,碳酸钾,氧化镁,芒硝等。

与面板制造这种“烧钱”的行业不同,玻璃基板是个靠技术吃饭的行业,高进入壁垒导致了其供需情况良好、寡头垄断、利润率高等行业特点,谁能做得出合格的产品,谁就可以参与分食高利润蛋糕;玻璃基板制造的三大壁垒阻挡了许多进入者,康宁和日本玻璃厂商寡头垄断的局面维持了相当长的时间。

显示世界综合自:广发证券、产业信息网、彩虹、东旭等。



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