Стекло для подложек ЖК-дисплеев позволяет создавать TFT-ЖК-дисплеи и требует использования сверхчистого, не содержащего щелочей, термостойкого стекла. Сложные технологические процессы и глобальная олигополия доминируют в производстве из-за высоких технических барьеров.
Стекло-подложка — один из важнейших сырьевых материалов, используемых в ЖК-панелях. Ключевая структура ЖК-панели напоминает сэндвич: два слоя «хлеба» (подложка TFT и цветовой фильтр) заключают в себе «начинку» (жидкий кристалл). Поэтому для производства TFT-ЖК- панели требуется два куска стекла — один служит нижней стеклянной подложкой, а другой — подложкой для цветового фильтра.
Стекло подложки составляет приблизительно 20% от стоимости сырья для TFT-LCD панели и оказывает существенное влияние на характеристики продукта. Ключевые характеристики панели, такие как разрешение, светопропускание, толщина, вес и угол обзора, тесно связаны с качеством используемого стекла подложки. Как важнейший базовый материал, стекло подложки играет в индустрии TFT-LCD роль, сравнимую с ролью кремниевых пластин в полупроводниковой промышленности.
Структура TFT-LCD панели
Стекло-подложка — один из важнейших сырьевых материалов, используемых в ЖК-панелях. Ключевая структура ЖК-панели напоминает сэндвич: два слоя «хлеба» (подложка TFT и цветовой фильтр) заключают в себе «начинку» (жидкий кристалл). Поэтому для производства TFT-ЖК-панели требуется два куска стекла — один служит нижней стеклянной подложкой, а другой — подложкой для цветового фильтра.
Стекло подложки составляет приблизительно 20% от стоимости сырья для TFT-LCD панели и оказывает существенное влияние на характеристики продукта. Ключевые характеристики панели, такие как разрешение, светопропускание, толщина, вес и угол обзора, тесно связаны с качеством используемого стекла подложки. Как важнейший базовый материал, стекло подложки играет в индустрии TFT-LCD роль, сравнимую с ролью кремниевых пластин в полупроводниковой промышленности.
Типы подложечного стекла
Подложки из стекла, как правило, делятся на две категории: щелочесодержащее стекло и щелочебескаленое стекло.
Стекло, содержащее щелочи, в основном используется в ЖК-панелях TN/STN. Однако в приложениях TFT-LCD ионы щелочных металлов внутри стекла могут влиять на стабильность напряжения затвора тонкопленочного транзистора. Поэтому для производства TFT-LCD требуются составы стекла, не содержащие щелочей, исключающие оксид натрия и оксид калия.
Хотя оксид натрия и оксид калия помогают снизить температуру плавления стекла, для производства бесщелочного стекла требуются значительно более высокие температуры в печи. Это одна из причин, почему производство бесщелочного стекла технически сложнее, чем производство обычного щелочного стекла.
Производственная цепочка TFT-LCD дисплеев
Будучи одним из основных сырьевых материалов для ЖК-панелей, подложка из стекла занимает начальный этап производственной цепочки ЖК-индустрии.
В качестве сырья на начальном этапе используются основные химические материалы, такие как кварцевый порошок и оксид алюминия. В качестве конечных потребителей в основном выступают производители панелей и поставщики цветных фильтров, которые используют стекло для производства TFT-матриц и цветных фильтров перед заливкой жидкого кристалла и сборкой модулей для формирования панелей с открытой ячеистой структурой.
Цепочка поставок подложечного стекла
Являясь краеугольным камнем индустрии тонкопленочных дисплеев, подложечное стекло широко используется не только в структурах TN/STN и TFT LCD, но и служит важным подложечным материалом для OLED-дисплеев. Важность подложечного стекла практически не меняется с развитием технологий дисплеев, что делает его незаменимым материалом со стабильным долгосрочным положением в отрасли.
Характеристики подложечного стекла
химические свойства
Основные физико-химические параметры
(1) Точка деформации
В процессе производства тонкопленочных транзисторов (TFT) стеклянная подложка подвергается многократной термической обработке при температурах до 625 °C. При таких температурах подложка должна оставаться жесткой и не проявлять вязкостного течения. В противном случае при охлаждении могут возникать деформация и термические напряжения, приводящие к изменению размеров.
Следовательно, температура точки деформации подложки из стекла должна превышать 625°C. С учетом запаса прочности в 25°C, температура точки деформации, как правило, должна составлять не менее 650°C.
(2) Химическая стабильность
Подложка из стекла должна выдерживать различные агрессивные химические обработки, используемые в процессах производства дисплеев.
Например, производство активных матричных ЖК-дисплеев на основе α-Si включает в себя более семи слоев тонкопленочной схемы и множество процессов травления. Используются агрессивные химические вещества и чистящие средства, от сильных кислот до сильных щелочей, в том числе:
- 10%+ NaOH
- 10%+ H₂SO₄
- Концентрированная HNO₃
- 10% HF-HNO₃
- Концентрированная H₃PO₄
В результате, к стеклу-основе предъявляются одни из самых строгих требований к химической стабильности среди всех изделий из стекла.
(3) Ограничения по содержанию щелочи
Поскольку электронные схемы наносятся непосредственно на стеклянную подложку, стекло должно содержать чрезвычайно низкое количество одновалентных щелочных металлов (R₂O), в идеале близкое к нулю.
При наличии одновалентных щелочных металлов они могут мигрировать изнутри стекла на поверхность при высоких температурах, что потенциально может привести к коротким замыканиям или отказам цепей.
К числу упомянутых здесь одновалентных щелочных металлов относятся, главным образом, следующие:
- Калий (K⁺)
- Натрий (Na⁺)
- Литий (Li⁺)
(4) Коэффициент теплового расширения
В процессе производства ЖК-дисплеев на поверхность стекла наносятся слои кремния. Следовательно, коэффициент теплового расширения стекла должен быть максимально близок к коэффициенту теплового расширения кремния.
Коэффициент теплового расширения диоксида кремния обычно составляет приблизительно:
5–7 × 10⁻⁶ /°С
Кроме того, в процессе производства дисплеи подвергаются многократным циклам быстрого нагрева и охлаждения. Эти термические циклы могут привести к ослаблению структуры стекла и изменению размеров, что потенциально может вызвать ошибки выравнивания при фотолитографии.
Следовательно, требуется крайне низкая термическая усадка, часто ограничивающаяся всего несколькими микрометрами.
Как правило, коэффициент теплового расширения подложечного стекла должен оставаться ниже:
40 × 10⁻⁷ /°C в диапазоне температур 0–300°C.
Сырье и характеристики стекла
К основным сырьевым материалам, используемым в производстве стекла для подложек ЖК-дисплеев, относятся:
- Кварцевый порошок
- Карбонат стронция
- Карбонат бария
- Борная кислота
- Оксид бора
- Оксид алюминия
- Карбонат кальция
- Бария нитрат
- Оксид магния
- Оксид олова
- Оксид цинка
Эти материалы выступают в роли стеклообразователей, модификаторов и промежуточных компонентов, в совокупности определяя физические и химические свойства конечного стекла.
Кварцевый порошок
Основным компонентом кварцевого порошка является SiO₂, главный оксид, ответственный за образование стекла.
SiO₂ образует нерегулярную непрерывную сеть на основе тетраэдрической структуры кремний-кислород [SiO₄], которая служит основой структуры стекла.
SiO₂ может:
- Более низкий коэффициент теплового расширения
- Уменьшить плотность
- Увеличение точки напряжения
Недостаточное содержание SiO₂ может снизить кислотостойкость и общую химическую стабильность, а также затруднить получение стекла с низким коэффициентом теплового расширения, низкой плотностью и высокой температурой деформации.
Оксид алюминия
Оксид алюминия (Al₂O₃) является промежуточным оксидом.
При недостатке кислорода алюминий образует октаэдры [AlO₆] в промежутках сетки. При избытке кислорода алюминий образует тетраэдры [AlO₄] внутри стекловидной сетки, упрочняя структуру.
Al₂O₃ может:
- Улучшение стабильности стекла
- Более низкий коэффициент теплового расширения
- Увеличение точки напряжения
- Улучшить модуль упругости
- Повышение химической стабильности
Суммарное содержание оксида кремния и оксида алюминия обычно превышает 70% от общего состава сырья.
Борная кислота (оксид бора)
Борная кислота действует как флюсующее вещество.
B₂O₃ снижает вязкость плавления стекла без существенного увеличения термического расширения. Соответствующие количества улучшают устойчивость к плавиковой кислоте и технологичность.
Однако избыток B₂O₃:
- Снижает кислотостойкость
- Снижает точку напряжения
- Снижает температуру перехода
- Вред, химическая стойкость
По этой причине содержание оксида бора обычно поддерживается ниже 10%.
Поскольку оксид бора очень чувствителен к влаге в процессе производства, контроль влажности при хранении имеет решающее значение.
Карбонат стронция
Карбонат стронция в первую очередь способствует образованию оксида стронция (SrO).
SrO может:
- Улучшение характеристик плавления
- Избегайте чрезмерного увеличения плотности.
- Предотвратить значительное увеличение коэффициента теплового расширения
- Снижение предельной точки деформации
Однако избыток SrO может негативно влиять на кислотостойкость и устойчивость к щелочным растворителям.
SrO также обеспечивает свойства поглощения рентгеновского излучения.
Оксид цинка
Оксид цинка (ZnO) является промежуточным оксидом.
В подходящих кислородных условиях ZnO может образовывать тетраэдры [ZnO₄] внутри стекловидной сетки, повышая структурную стабильность.
ZnO может:
- Более низкий коэффициент теплового расширения
- Улучшить химическую стабильность
- Повышение термической стабильности
- Увеличение показателя преломления
Оксид олова
Оксид олова используется в качестве рафинирующего агента для замены токсичного оксида мышьяка в производстве стекла.
Основные производственные процессы для подложечного стекла
Три основных процесса производства стекла для подложки:
- Плавающий процесс
- Процесс опускания слота
- Процесс перелива при слиянии
В настоящее время процесс перелива при термоядерном синтезе является доминирующей основной технологией.
Плавающий процесс
Флотационный процесс — это наиболее широко используемая и исторически сложившаяся технология производства листового стекла.
Расплавленное стекло переносится в ванну с расплавленным оловом. Из-за разницы в плотности олова и стекла расплавленное стекло естественным образом растекается под действием поверхностного натяжения и силы тяжести, прежде чем попасть в камеру охлаждения.
Для производства листового стекла требуются дополнительные процессы шлифовки и полировки на последующих этапах.
Преимущества включают в себя:
- Высокая производственная мощность
- Легкая масштабируемость для подложек больших размеров.
- Более низкая стоимость производства
Однако постобработка частично нивелирует эти преимущества в плане затрат.
Технология флоатинга первоначально использовалась в основном для производства стекла для подложек TN/STN. Позже компания AGC успешно адаптировала технологию флоатинга для производства стекла для подложек TFT без использования щелочей.
Процесс опускания слота
В процессе вытяжки через щели расплавленное стекло под действием силы тяжести протекает через щели из платинового сплава, принимает форму с помощью роликов, после чего охлаждается и затвердевает.
Размер пазов и скорость вытяжки определяют толщину стекла, а распределение температуры влияет на плоскостность.
Тем не менее:
- Деформация щели может повлиять на выход годной продукции.
- Контакт ролика с поверхностью влияет на её плоскостность.
- Требуется дополнительная полировка.
Этот процесс первоначально использовался компанией Nippon Electric Glass, но постепенно был выведен из употребления из-за ограниченных преимуществ.
Процесс перелива при слиянии
В процессе переливного плавления расплавленное стекло поступает в желоб и симметрично переливается через края, подобно водопаду, прежде чем слиться в сплошной стеклянный лист.
Этот процесс был впервые разработан компанией Corning.
Поскольку в процессе формования стекло не контактирует с внешними средами — в отличие от расплавленного олова при флоат-формовке или валков при вытяжке — качество поверхности остается чрезвычайно однородным.
В результате:
- Полировка не требуется.
- Риски загрязнения поверхностей сведены к минимуму.
- Плоскостность поверхности значительно улучшена.
Сегодня технология перелива при плавлении стала основной технологией производства стекла для подложек TFT-LCD дисплеев.
Технологический процесс формования
Процесс формования включает в себя:
- Плавление стекла
- Очистка и гомогенизация через платиновые каналы
- Снижение температуры
- Внутри муфельной печи образуется перелив.
- Контролируемое охлаждение
- Отжиг для снятия напряжений
- Горизонтальная и вертикальная резка
- Контроль толщины
- Тестирование приложений
- Электростатическое удаление пыли
- Окончательный осмотр внешнего вида
Затем полуфабрикат из стекла передается на этап обработки полуфабрикатов (BOD).
Тенденции развития высокотехнологичных и сверхтонких технологий
Для соответствия требованиям, предъявляемым к производству панелей на последующих этапах, линии по производству подложечного стекла классифицируются по размеру поколения в зависимости от площади выпускаемого стекла.
Большие размеры подложки соответствуют производственным линиям более высокого поколения.
В настоящее время производственные линии 10-го поколения являются крупнейшими из действующих, с размерами подложек, достигающими следующих значений:
мм × 2880 3130
По мере того как производители панелей продолжают переходить к линиям производства более крупных поколений, производители стекла для подложек следуют той же тенденции. Крупнейшие мировые производители стекла сейчас в первую очередь сосредоточены на расширении производственных мощностей для выпуска продукции больших поколений.
Три основных технических барьера в индустрии подложечного стекла
Несмотря на кажущуюся простоту, эта отрасль сталкивается с чрезвычайно высокими техническими барьерами.
Эти барьеры можно разделить на три категории:
1. Технологический барьер процесса
Для подложек TFT-LCD-дисплеев требуется безупречная поверхность электронного класса и контроль за наличием примесей.
Традиционные методы флотации с трудом соответствуют этим стандартам, а полировка может привести к появлению дополнительных загрязнений.
Обработка данных при переполнении требует точного контроля:
- Температура
- Расход
- Условия формирования
Это делает процесс крайне сложным.
2. Барьер из стеклянной формулы
Состав стекловолокна представляет собой ключевой конкурентный барьер в отрасли.
Процесс перелива стекла требует применения высокоспециализированных составов для достижения стабильного формования и оптимальных оптических и химических свойств.
В традиционных составах для удаления пузырьков часто использовался оксид мышьяка, однако во многих регионах действуют экологические ограничения в отношении стекла, содержащего мышьяк.
Разработка составов, не содержащих мышьяк, значительно усложняет техническую задачу.
В конечном счете, состав стекла напрямую определяет выход годной продукции и ее качество.
3. Барьер для оборудования
Большая часть оборудования для производства подложечного стекла разрабатывается самими производителями.
Новые участники рынка должны самостоятельно проектировать и создавать производственные системы, в том числе:
- Печи
- Переливные желоба
- Платиновые каналы
- Переливные кирпичи
Требования к точности чрезвычайно высоки, и даже небольшие отклонения в работе оборудования могут существенно повлиять на выход годной продукции.
Характеристики входа и выхода из отрасли
Хотя барьеры для входа в индустрию производства подложечного стекла чрезвычайно высоки, барьеры для выхода из нее относительно низки.
В отличие от производственных линий для ЖК-панелей, требующих инвестиций в десятки миллиардов юаней, для линии по производству подложки из стекла шестого поколения обычно требуется около 700 миллионов юаней инвестиций.
Кроме того, инвестиции в оборудование, принадлежащее платине, часто частично окупаются за счет перепродажи.
Переход от подложечного стекла к покровному стеклу
Производители подложечного стекла обладают как возможностями, так и мотивацией для переоборудования производственных линий под производство наружного стекла.
Защитное стекло — это упрочненное внешнее защитное стекло, используемое в смартфонах, планшетах и ультрабуках.
По сравнению со стеклом-подложкой:
- Требования к плоскостности поверхности ниже.
- Использование бесщелочных составов не является обязательным.
- Сложность производства ниже.
Преобразование линий по производству подложечного стекла в линии по производству покровного стекла — относительно простая задача, которая при правильном подборе состава может занять всего около месяца.
Однако переход обратно к производству стекла на подложке значительно сложнее из-за щелочного загрязнения и более высоких требований к термостойкости.
Стратегия Corning по созданию «стекла Gorilla Glass»
По мере резкого роста спроса на смартфоны и планшеты, спрос на защитные стекла также быстро увеличивался.
Защитное стекло Corning « Gorilla Glass » получило широкое распространение среди крупных брендов, включая Apple, и стало предпочтительным вариантом для защиты флагманских смартфонов, таких как iPhone.
Благодаря высокой рентабельности на рынке защитного стекла, в период с 2011 по 2012 год компания Corning переоборудовала несколько линий по производству подложечного стекла в линии по производству стекла Gorilla Glass.
Это продемонстрировало, как производители стекла для подложек могут использовать передовые технологии производства стекла для расширения своего присутствия на других высокодоходных рынках специализированного стекла.
Крупнейшие мировые производители покровного стекла
Китайские производители, такие как Dongxu и Rainbow Group, также внедрили передовые технологии производства покровного стекла из алюмосиликата с использованием методов флоат-печати и переливного плавления.
Основные сырьевые материалы для высокоглиноземистого стекла
К основным сырьевым материалам для производства высокоглиноземистого стекла относятся:
Заключение
В отличие от капиталоемкого производства панелей, производство подложечного стекла — это, по сути, технологически развитая отрасль.
Высокие технические барьеры привели к следующим последствиям:
- Сильная динамика спроса и предложения
- Олигополистические рыночные структуры
- Высокая рентабельность
В этом высокодоходном рынке могут участвовать только компании, способные производить качественную продукцию.
В течение многих лет в отрасли производства подложечного стекла доминировали ведущие производители, такие как Corning и крупные японские стекольные компании, из-за значительных технологических барьеров, связанных с этой отраслью.
Источник: Информация собрана из GF Securities, Industry Information Network, Rainbow Group, Dongxu и других отраслевых источников.
