LCD基板玻璃是TFT-LCD技術的基礎，它需要超純、無鹼、熱穩定性強的玻璃。由於技術壁壘高，複雜的生產流程和全球寡占主導LCD基板玻璃的生產。
基板玻璃是液晶面板最重要的原料之一。液晶面板的核心結構類似三明治：兩層「麵包」（TFT基板和彩色濾光片）包裹著「餡料」（液晶）。因此，製造TFT-LCD面板需要兩片玻璃——一片用作底部玻璃基板，另一片用作彩色濾光片基板。
基板玻璃約佔TFT-LCD面板原料成本的20%，對產品效能有顯著影響。解析度、透光率、厚度、重量和可視角度等關鍵面板特性都與所用基板玻璃的品質密切相關。作為關鍵的基礎材料，基板玻璃在TFT-LCD產業中的作用堪比矽片在半導體產業中的地位。
TFT-LCD面板結構
基板玻璃是液晶面板最重要的原料之一。液晶面板的核心結構類似三明治：兩層「麵包」（TFT基板和彩色濾光片）包裹著「餡料」（液晶）。因此，製造TFT-LCD面板需要兩片玻璃——一片用作底部玻璃基板，另一片用作彩色濾光片基板。
基板玻璃約佔TFT-LCD面板原料成本的20%，對產品效能有顯著影響。解析度、透光率、厚度、重量和可視角度等關鍵面板特性都與所用基板玻璃的品質密切相關。作為關鍵的基礎材料，基板玻璃在TFT-LCD產業中的作用堪比矽片在半導體產業中的地位。
基板玻璃的類型
基板玻璃一般可分為兩類：含鹼玻璃和無鹼玻璃。
含鹼玻璃主要用於TN/STN液晶面板。然而，對於TFT-LCD應用，玻璃內部的鹼金屬離子會影響薄膜電晶體閘極電壓的穩定性。因此，TFT-LCD製造需要使用不含氧化鈉和氧化鉀的無鹼玻璃配方。
雖然氧化鈉和氧化鉀有助於降低玻璃的熔點，但無鹼玻璃在生產過程中需要更高的爐溫。這也是無鹼玻璃製造在技術上比傳統鹼性玻璃製造更具挑戰性的原因之一。
TFT-LCD產業鏈
作為液晶面板的基礎原料之一，基板玻璃處於液晶產業鏈的上游。
其上游原料包括石英粉、氧化鋁等基礎化工原料。下游客戶主要包括面板製造商和彩色濾光片供應商，他們使用該玻璃製造TFT陣列和彩色濾光片，然後進行液晶注入和模組組裝，最終形成開放式面板。
基板玻璃供應鏈
作為薄膜顯示產業的基石，基板玻璃不僅廣泛應用於TN/STN和TFT LCD結構，也是OLED顯示器不可或缺的基板材料。基板玻璃的重要性基本上不受顯示技術機制變化的影響，使其成為不可替代的材料，在產業中擁有長期穩定的地位。
基板玻璃的特性
化學性質
主要理化參數
（1）應變點
在TFT製造過程中，基板玻璃需承受高達625°C的反覆熱處理。基板必須在這些溫度下保持剛性，且不得出現黏性流動行為。否則，冷卻過程中可能會發生變形和熱應力，導致尺寸變化。
因此，基板玻璃的應變點必須超過 625°C。考慮到 25°C 的安全裕度，應變點一般應至少為 650°C。
（2）化學穩定性
基板玻璃必須能夠承受顯示器製造過程中所使用的各種苛刻化學處理。
例如，α-Si主動矩陣液晶顯示器的製造涉及七層以上的薄膜電路和多道蝕刻製程。腐蝕性化學物質和清潔劑的範圍很廣，從強酸到強鹼，包括：
- 10%以上氫氧化鈉
- 10%+ H₂SO₄
- 濃硝酸
- 10% HF-HNO₃
- 濃磷酸
因此，基板玻璃是所有玻璃產品中化學穩定性要求最嚴格的產品之一。
（3）鹼限制
由於電子電路直接印刷在基板玻璃上，因此玻璃中必須含有極低濃度的一價鹼金屬（R₂O），理想情況下接近零。
如果玻璃中存在一價鹼金屬，它們在高溫下可能會從玻璃內部遷移到表面，這可能導致短路或電路故障。
這裡提到的單價鹼金屬主要包括：
- 鉀（K⁺）
- 鈉（Na⁺）
- 鋰（Li⁺）
（4）熱膨脹係數
在液晶顯示器製造過程中，矽層被沉積在玻璃表面。因此，玻璃的熱膨脹係數必須與矽的熱膨脹係數非常接近。
二氧化矽的熱膨脹係數通常約為：
5–7 × 10⁻⁶ /°C
此外，顯示器在製造過程中會經歷反覆的快速加熱和冷卻循環。這些熱循環會使玻璃結構發生弛豫，導致尺寸變化，進而可能造成光刻對準誤差。
因此，需要極低的熱收縮率，通常僅限於幾微米。
一般來說，基板玻璃的熱膨脹係數應保持在以下水平：
在 0–300°C 溫度範圍內，40 × 10⁻⁷ /°C。
玻璃原料及特性
LCD基板玻璃的主要原料包括：
- 石英粉
- 碳酸鍶
- 碳酸鋇
- 硼酸
- 氧化硼
- 礬土
- 碳酸鈣
- 硝酸鋇
- 氧化鎂
- 氧化錫
- 氧化鋅
這些材料作為玻璃形成劑、改質劑和中間成分，共同決定了最終玻璃的物理和化學性質。
石英粉
石英粉的主要成分是二氧化矽（SiO₂），它是玻璃形成的主要氧化物。
SiO₂ 形成基於矽氧四面體結構 [SiO₄] 的不規則連續網絡，該結構是玻璃結構的骨架。
二氧化矽可以：
- 較低的熱膨脹係數
- 降低密度
- 增加應變點
SiO₂ 含量不足會降低耐酸性和整體化學穩定性，同時難以獲得低膨脹、低密度和高應變點的玻璃。
礬土
氧化鋁（Al₂O₃）是一種中間氧化物。
當氧氣不足時，鋁在網絡間隙中形成[AlO₆]八面體。當氧氣過量時，鋁在玻璃網絡內部形成[AlO₄]四面體，從而增強結構。
氧化鋁可以：
- 提高玻璃穩定性
- 較低的熱膨脹係數
- 增加應變點
- 提高彈性模量
- 增強化學穩定性
二氧化矽和氧化鋁的總含量通常超過原料總成分的 70%。
硼酸（氧化硼）
硼酸可用作助熔劑。
B₂O₃可降低玻璃熔融黏度，且不會顯著增加熱膨脹係數。適量的B₂O₃可改善玻璃的耐氫氟酸性和加工性能。
然而，過量的B₂O₃：
- 降低耐酸性
- 降低應力點
- 降低轉變溫度
- 損害化學耐久性
因此，氧化硼含量通常保持在 10% 以下。
由於氧化硼在生產過程中對水分非常敏感，因此儲存過程中的濕度控制至關重要。
碳酸鍶
碳酸鍶主要引入氧化鍶（SrO）。
氧化鍶可以：
- 改善熔融特性
- 避免過度增加密度
- 防止熱膨脹係數顯著增加
- 極限應變點減小
然而，過量的 SrO 可能會對耐酸性和抵抗鹼性剝離劑的耐久性產生負面影響。
氧化鍶還具有X射線吸收特性。
氧化鋅
ZnO是一種中間氧化物。
在適當的氧氣條件下，ZnO 可以在玻璃網絡內形成 [ZnO₄] 四面體，從而提高結構穩定性。
氧化鋅可以：
- 較低的熱膨脹係數
- 提高化學穩定性
- 增強熱穩定性
- 提高折射率
氧化錫
氧化錫被用作精煉劑，以取代玻璃製造中有毒的氧化砷。
基板玻璃的主流製造工藝
基板玻璃的三種主要製造流程是：
- 浮選工藝
- 槽式下拉工藝
- 溢出融合過程
目前，溢流融合製程是主流技術。
浮選工藝
浮法製程是應用最廣泛、歷史最悠久的平板玻璃製造技術。
熔融玻璃被轉移到熔融錫浴中。由於錫和玻璃的密度不同，熔融玻璃在進入冷卻室之前，會在表面張力和重力的作用下自然鋪展成扁平狀。
浮法玻璃還需要後續的研磨和拋光工序。
優勢包括：
- 高產能
- 易於擴展，適用於更大尺寸的基板
- 降低製造成本
然而，後製處理會部分抵銷這些成本優勢。
浮法製程最初主要用於TN/STN基板玻璃。後來，AGC成功地將浮法製程應用於無鹼TFT基板玻璃的製造。
槽式下拉工藝
在槽式下拉成型製程中，熔融玻璃在重力作用下流經鉑合金槽，並透過輥子成型，然後冷卻凝固。
槽口尺寸和拉絲速度決定玻璃厚度，而溫度分佈影響平整度。
然而：
- 槽變形可能會影響屈服率
- 滾輪接觸影響表面平整度
- 還需要進一步拋光。
該工藝最初由日本電氣硝子株式會社使用，但由於優勢有限，已逐漸被淘汰。
溢出融合過程
在溢流熔融過程中，熔融玻璃流入槽中，像瀑布一樣對稱地從兩側溢出，然後融合形成連續的玻璃片。
康寧公司率先採用了這種工藝。
由於玻璃在成型過程中不會與外部介質接觸（不像浮法加工中的熔融錫或下拉法中的輥子），因此表面品質保持得非常均勻。
結果是：
- 無需拋光
- 表面污染風險降至最低
- 表面平整度顯著提高
如今，溢流熔融已成為TFT-LCD基板玻璃的主流製造技術。
成型製程
成型過程包括：
- 玻璃熔化
- 透過鉑金通道進行精煉和均質化
- 溫度降低
- 馬弗爐內形成溢流
- 控製冷卻
- 退火消除應力
- 水平和垂直切割
- 厚度檢測
- 應用程式測試
- 靜電除塵
- 最終外觀檢查
然後將半成品基板玻璃轉移到 BOD（半成品加工）工序。
高世代和超薄發展趨勢
為了滿足下游面板製造要求，基板玻璃生產線根據玻璃產量面積按世代規模進行分類。
較大的基板尺寸對應於較高世代的生產線。
目前，第十代生產線是營運中規模最大的生產線，基板尺寸達到：
2880×3130毫米
隨著面板製造商不斷向更大批量生產線轉型，基板玻璃製造商也遵循同樣的趨勢。目前，全球主要的玻璃製造商主要致力於擴大高批量生產線的產能。
基板玻璃產業的三大主要技術障礙
雖然基板玻璃看起來很簡單，但該行業的技術門檻卻非常高。
這些障礙可以分為三類：
1.工藝技術壁壘
TFT-LCD基板玻璃需要達到電子級表面平整度和雜質控制標準。
傳統的浮選製程難以達到這些標準，而拋光可能會引入額外的污染物。
溢出融合處理需要精確控制：
- 溫度因素
- 流量
- 成型條件
這使得整個過程非常複雜。
2. 玻璃配方屏障
玻璃配方是該行業的核心競爭障礙。
溢流熔融製程需要高度專業化的玻璃成分，才能達到穩定的成型和最佳的光學和化學性能。
傳統配方通常使用氧化砷來去除氣泡，但含砷玻璃在許多地區面臨環境限制。
開發不含砷的配方大大增加了技術難度。
歸根結底，玻璃成分直接決定了生產產量和產品品質。
3. 設備屏障
大多數基板玻璃生產設備都是由製造商自行研發的。
新進入市場的企業必須獨立設計和建造生產系統，包括：
- 火爐
- 溢流槽
- 白金頻道
- 溢出磚塊
精度要求極高，即使設備出現微小偏差也會對產量產生重大影響。
行業進入和退出特徵
雖然基板玻璃產業的進入門檻極高，但退出門檻相對較低。
與需要投資數百億元的液晶面板生產線相比，第六代基板玻璃生產線通常需要投資約7億元。
此外，鉑金級設備投資通常可以透過轉售部分收回成本。
從基板玻璃到蓋板玻璃的轉換
基板玻璃製造商既有能力也有動力將生產線改造為蓋板玻璃製造生產線。
蓋板玻璃是智慧型手機、平板電腦和超極本中使用的強化型外部保護玻璃。
與基板玻璃比較：
- 表面平整度要求較低
- 無鹼配方並非強制性要求。
- 製造難度較低
將基板玻璃生產線改造成蓋玻片生產線相對簡單，如果配方得當，可能只需要一個月左右的時間。
然而，由於鹼性污染和更高的耐熱性要求，改回生產基板玻璃要困難得多。
康寧的「大猩猩玻璃」策略
隨著智慧型手機和平板電腦需求的激增，蓋板玻璃的需求也迅速增長。
康寧公司的「大猩猩玻璃」被包括蘋果在內的各大品牌廣泛採用，並成為iPhone等旗艦智慧型手機的首選蓋板玻璃解決方案。
由於蓋玻片市場利潤豐厚，康寧公司在 2011 年至 2012 年間將多條基板玻璃生產線改造為大猩猩玻璃生產線。
這顯示基板玻璃製造商如何利用先進的玻璃技術拓展到其他高價值特種玻璃市場。
全球主要蓋板玻璃製造商
東旭集團和彩虹集團等中國製造商也推出了採用浮法和溢流熔融法的先進鋁矽酸鹽蓋板玻璃技術。
高鋁玻璃的主要原料
高鋁玻璃的主要原料包括：
結語
與資本密集型面板製造不同，基板玻璃製造從根本上來說是一個技術驅動型產業。
高技術壁壘導致：
- 強勁的供需動態
- 寡占市場結構
- 高利潤率
只有具備生產合格產品的公司才能參與這個利潤豐厚的市場。
多年來，由於存在重大的技術壁壘，基板玻璃行業一直由康寧等領先製造商和日本主要玻璃公司主導。
資料來源：綜合廣發證券、產業資訊網、彩虹集團、東旭證券等產業資訊。
