玻璃的特性.doc

玻璃的特性一、玻璃的力學性質玻璃的理論抗拉強度極限為12000Mpa，實際強度只有理論強度的1/3001/200，一般為3060Mpa，玻璃的抗壓強度約為7001000Mpa。玻璃中的各種缺陷造成了應力集中或薄弱環節，試件尺寸越大缺陷存在的越多。缺陷對抗拉強度的影響非常顯著，對抗壓強度的影響較小。工藝上造成的外來雜質和波筋(化學不均勻部分)對玻璃的強度有明顯影響。在50+70範圍內玻璃的強度基本不變。脆性是玻璃的主要缺點。玻璃的脆性指標為13001500(橡膠為0.40.6，鋼為400460，混凝土為42009350)。E越大說明脆性越大。玻璃的脆性也可以根據衝擊試驗來確定。在實際應用中玻璃製品經常受到彎曲、拉伸和衝擊應力，較少受到壓縮應力。玻璃的力學性質主要指標是抗拉強度和脆性指標。二、玻璃的光學性質光學性質是玻璃最重要的物理性質。光線照射到玻璃表面可以產生透射，反射和吸收三種情況。光線透過玻璃稱為透射，光線被玻璃阻擋，按一定角度反射出來稱為反射，光線通過玻璃後，一部分光能量損失在玻璃內部稱為吸收。玻璃中光的透射隨玻璃厚度增加而減少。玻璃中光的反射對光的波長沒有選擇性，玻璃中光的吸收對光的波長有選擇性。可以在玻璃中加入少量著色劑，使其選擇吸收某些波長的光，但玻璃的透光性降低。還可以改變玻璃的化學組成來對可見光、紫外線、紅外線、X射線、和射線進行選擇吸收。三、玻璃的熱工性質玻璃的比熱與其化學組成有關，在室溫範圍內其比經熱的範圍為0.331.05103J/(kgK)。 表7 1玻璃的導熱係數 普通玻璃的導熱係數在室溫下約為0.75W/(mk)。玻璃的導熱係數約為銅的1/400，是導熱係數較低的材料。當發生溫度變化時，玻璃產生的熱應力很高。在溫度劇烈變化時玻璃會產生碎裂，玻璃的急熱穩定性比急冷穩定性要強一些。 四、玻璃的化學性質玻璃具有較高的化學穩定性，它可以抵抗除氫氟酸以外所有酸類的侵濁，矽酸鹽玻璃一般不耐鹼。玻璃遭受侵蝕性介質腐蝕，也能導致變質和破壞。大氣對玻璃侵蝕作用實質上是水氣、二氧化碳、二氧化硫等作用的總和。實踐證明，水氣比水溶液具有更大的侵蝕性。普通窗玻璃長期使用後出現表面光澤消失，或表面晦暗，甚至出現斑點和油脂狀薄膜等，就是由於玻璃中的鹼性氧化物在潮濕空氣中與二氧化碳反應生成碳酸鹽造成的。這一現象稱為玻璃發黴。可用酸浸泡發黴的玻璃表面，並加熱至400450除去表面的斑點或薄膜。通過改變玻璃的化學成分，或對玻璃進行熱處理及表面處理，可以提高玻璃的化學穩定性。TFT-LCD玻璃基板製造方法目前在商業上應用的玻璃基板，其主要厚度為0.7 mm及0.6m m，且即將邁入更薄（如0.4 mm）厚度之制程。基本上，一片TFT- LCD面板需使用到二片玻璃基板，分別供作底層玻璃基板及彩色濾光片（COLOR FILT E R）之底板使用。一般玻璃基板製造供應商對於液晶面板組裝廠及其彩色濾光片加工製造廠之玻璃基板供應量之比例約為1:1.1至1:1.3左右。 LCD所用之玻璃基板概可分為堿玻璃及無堿玻璃兩大類；堿玻璃包括鈉玻璃及中性矽酸硼玻璃兩種，多應用於TN及STN LCD上，主要生產廠商有日本板硝子（NHT）、旭硝子（Asahi）及中央硝子（Central Glass）等，以浮式法制程生產為主；無堿玻璃則以無堿矽酸鋁玻璃(Alumino Silicate Glass，主成分為SiO2、Al2O3、B2O3及BaO等)為主，其鹼金屬總含量在1%以下，主要用於TFT- LCD上，領導廠商為美國康寧( Corning )公司，以溢流熔融法制程生產為主。 超薄平板玻璃基材之特性主要取決於玻璃的組成，而玻璃的組成則影響玻璃的熱膨脹、黏度(應變、退火、轉化、軟化和工作點)、耐化學性、光學穿透吸收及在各種頻率與溫度下的電氣特性，產品品質除深受材料組成影響外，也取決於生產制程。玻璃基板在T N/S T N、TFT-LCD應用上，要求的特性有表面特性耐熱性耐藥品性及鹼金屬含量等；以下僅就影響TFT- LCD用玻璃基板之主要物理特性說明如下： 1 .張力點(Strain Point)：為玻璃密積化的一種指標，須耐光電產品液晶顯示器生產制程之高溫。2 .比重：對TFT- LCD而言，筆記型電腦為目前最大的市場，因此該玻璃基板之密度越小越好，以便於運送及攜帶。 3 .熱膨脹係數：該係數將決定玻璃材質因溫度變化造成外觀尺寸之膨脹或收縮之比例，其係數越低越好，以使大螢幕之熱脹冷縮減至最低。 其餘有關物理特性之指標尚有熔點、軟化點、耐化學性、機械強度、光學性質及電氣特性等，皆可依使用者之特定需求而加以規範。 整個玻璃基板的制程中，主要技術包括進料、薄板成型及後段加工三部分，其中進料技術主要控制於配方的好壞，首先是在高溫的熔爐中將玻璃原料熔融成低黏度且均勻的玻璃熔體，不但要考慮玻璃各項物理與化學特性，並需在不改變化學組成的條件下，選取原料最佳配方，以便有效降低玻璃熔融溫度，使玻璃澄清，同時達到玻璃特定性能，符合實際應用之需求。而薄板成型技術則攸關尺寸精度、表面性質和是否需進一步加工研磨，以達成特殊的物理、化學特性要求，後段加工則包含玻璃之分割、研磨、洗淨及熱處理等制程。 到目前為止，生產平面顯示器用玻璃基板有三種主要之制程技術，分別為浮式法(Float Technology )、流孔下引法(Slot Down Draw)及溢流熔融法(Overflow Fusion Technology)。“浮式法”因系水準引伸的關係，表面會產生傷痕及凹凸，需再經表面研磨加工，故投資金額較高，惟其具有可生產較寬之玻璃產品（寬幅可達2 . 5公尺）且產能較大(約達1 0萬平方公尺/月)之優點；“溢流熔融法”有表面特性較能控制、不用研磨、制程較簡單等優點，特別適用於產制厚度小於2 m m的超薄平板玻璃，但生產之玻璃寬幅受限於1.5米以下，產能因而較小。浮式法可以生產適用於各種平面顯示器使用之玻璃基板，而溢流熔融法目前則僅應用於生產TFT- LCD玻璃基板。以下僅就上述三種制程技術分別說明如下： ( 1 ) 浮式法： 為目前最著名的平板玻璃製造技術，該法系將熔爐中熔融之玻璃膏輸送至液態錫床，因黏度較低，可利用檔板或拉杆來控制玻璃的厚度，隨著流過錫床距離的增加，玻璃膏便漸漸的固化成平板玻璃，再利用導輪將固化後的玻璃平板引出，再經退火、切割等後段加工程式而成。 以浮式法生產超薄平板玻璃時應控制較低之玻璃膏進料量，先將進入錫床的玻璃帶(R ibbon)冷卻至700左右，此時玻璃帶的黏度約為108泊( Poise；1泊= 1 g / c ms e c )，再利用邊緣滾輪拉住浮於液態錫上的玻璃膏，並向外展拉後，再將玻璃帶加熱到850，配合輸送帶滾輪施加外力拉引而成，以浮式法技術拉制超薄平板玻璃如圖三所示。 浮式法技術系採用水準引出的方式，因此比較容易利用拉長水準方向的生產線來達到退火的要求。浮式法技術未能廣泛應用於生產厚度小於2 m m超薄平板玻璃之主要原因乃系其無法達到所要求的經濟規模。舉例來說，浮式法技術的一日產量幾乎可以滿足目前臺灣市場之月消耗量；如果用浮式法技術生產超薄平板玻璃，一般多系以非連續式槽窯( D a yTank)生產，因此該槽窯設計之最適化就顯得相當重要。 ( 2 ) 流孔下引法： 就平面顯示器所需的特殊超薄平板玻璃而言，有不少廠商是使用流孔下引法技術生產，該法系以低黏度的均質玻璃膏導入鉑合金所製成的流孔漏板( Slot Bushing )槽中，利用重力和下拉的力量及模具開孔的大小來控制玻璃之厚度，其中溫度和流孔開孔大小共同決定玻璃產量，而流孔開孔大小和下引速度則共同決定玻璃厚度，溫度分佈則決定玻璃之翹曲，以流孔下引法技術拉制超薄平板玻璃如圖四所示。 流孔下引法制程每日能生產5 2 0公噸厚度0.0 3 1.1的超薄平板玻璃，因鉑金屬無法承受較高的機械應力，因此一般大多採用鉑合金所製成的模具，不過因其在承受外力時流孔常會變形，導致厚度不均勻及表面平坦度無法符合規格需求為其缺點。 流孔下引法必須要在垂直的方向上進行退火，如果將其轉向水準方向則可能會增加玻璃表面與滾輪的接觸及因水準輸送所產生的翹曲，導致不良率大增。這樣的顧慮使得熔爐的建造必須採用挑高的設計，同時必須精確的考慮退火所需要的高度，使得工程的難度大幅增加，同時也反映在建廠成本上。 ( 3 ) 溢流熔融法： 系採用一長條型的熔融幫浦( Fusion Pump )，將熔融的玻璃膏輸送到該熔融幫浦的中心，再利用溢流的方式，將兩股向外溢流的玻璃膏於該幫浦的下方處再結合成超薄平板玻璃。 利用這種成型技術同樣需要借重模具，因而熔融幫浦模具也面臨因受機械應力變形、維持熔融幫浦水平度及如何將熔融玻璃膏穩定打入熔融幫浦中的問題。因為利用溢流熔融法的成型技術所作成的超平板玻璃，其厚度與玻璃表面的品質是取決於輸送到熔融幫浦的玻璃膏量、穩定度、水平度、幫浦的表面性質及玻璃的引出量。 熔融溢流技術可以產出具有雙原始玻璃表面的超薄玻璃基材，相較於浮式法(僅能產出的單原始玻璃表面)及流孔下拉法(無法產出原始玻璃表面)，可免除研磨或拋光等後加工制程，同時在平面顯示器製造過程中，也不需注意因同時具有原始及與液態錫有接觸的不同玻璃表面，或和研磨介質有所接觸而造成玻璃表面性質差異等，已成為超薄平板玻璃成型之主流。 由於無堿玻璃有特殊成分配方且在熱穩定性、機械、電氣、光學、化學等特性及外觀尺寸、表面平整度等方面都有極為嚴格的標準規範，故其生產線調整、學習時間較長，新廠商欲加入該產業之技術門檻則較高。 液晶顯示板工作原理及結構內容提要：液晶顯示板結構 在政府提倡的兩兆雙星政策積極引領下，國內薄膜電晶體液晶顯示器（thin-film transist關鍵字：結構 原理 工作 液晶顯示 玻璃 材料 成型 氣泡 特性 溫度液晶顯示板結構在政府提倡的兩兆雙星政策積極引領下，國內薄膜電晶體液晶顯示器（thin-film transistor liquid crystal display, TFTLCD）的上、中、下游體系日趨完整，已達垂直整合的功效。其中玻璃基板是平面顯示器的重要關鍵材料之一，本文針對 TFTLCD 面板上所使用玻璃基板的基本特性、制程技術、未來發展方向以及可能面臨的挑戰做一個介紹。 玻璃基板的基本特性 玻璃基板主要應用在平面顯示器上的薄膜電晶體及彩色濾光片二處，所需的基本要求有五項：成分中不能含鹼金屬氧化物，以避免鹼金屬離子經由擴散作用移動至電晶體陣列中，造成電路短路；具耐化學性，以承受高溫制程中所使用的化學藥劑；熱膨脹係數須與薄膜電晶體陣列中的矽相近；高玻璃應變點，使熱收縮較小（低），有助於在 TFT 制程中精確地對準光蝕刻圖形；低的生產成本而能產制高品質的超薄平板玻璃。 其中最後一項要求最難達成，因為要生產不含鹼金屬氧化物的玻璃熔體，本來就不太容易，還要把熔融玻璃體中的不純物、不均質和氣泡完全消除當然更加困難，最後還需要一個能產出超高表面品質的成型制程。既要克服各項技術瓶頸又要兼顧成本因素，這一項要求的困難度不言可諭。 從技術觀點來審視玻璃基板的基本特性，不難發現製造適用於TFTLCD玻璃基板的門檻相當高，其中包括玻璃本身的材料特性，如材質、品質、耐化學性和熱特性；玻璃成型時的表面特性，像是翹曲、波紋、粗糙度、表面凹凸、平坦度和厚度變化；最後是加工時或運輸過程中所造成的表面損傷。對材料特性而言，其核心技術在找出最合適的玻璃組成和熔解技術，包含澄清和均勻化。對表面特性而言，其核心技術則是尋找最理想的成型技術。 目前全球僅有康寧（Corning）、旭硝子（Asahi Glass Co., AGC）、日本電器硝子（Nippon Electric Glass, NEG）、以及板保科技玻璃公司（NH Technoglass, NHT）四家廠商可以供應TFTLCD用玻璃基板。在市場需求持續成長下，除了現有廠商積極擴建熔爐增加產量外，新的競爭者也陸續加入，如臺灣碧悠國際光電公司。 制程技術的關鍵 TFTLCD用玻璃基板的成型制程，主要區分為三大類型：薄板浮式玻璃制程，溢流融合下拉法制程，以及開口下拉法制程。 薄板浮式玻璃制程是把由熔爐流出的玻璃材料，以漂浮方式通過熔融狀態的金屬錫槽，利用液態錫表面光滑的特性拉出玻璃基板。由這個制程產出的玻璃因與液態錫接觸，須再經過拋光、研磨等後段加工步驟，因此對於成品良率、單位成本、量產速度與後續制程所引發的環保問題都較為不利。目前日本旭硝子公司是利用這個制程產制不含鹼金屬的玻璃。 溢流融合下拉法制程於 1930 年代 由 Libbey-Owen-Ford Glass Company 開發出來，並先後獲得多項專利。到了 1960 年代中期，康寧公司為了使產品厚度能更平坦與均勻，改進這個制程的缺點進而獲得多項專利。 這個制程的主要關鍵步驟是使熔爐內熔融狀態的玻璃原料通過耐火導管，再由導管頂部分兩側沿管壁向下溢流而出，並在導管底部匯流融合，以形成單一片狀玻璃基板，利用這種制程所生產的玻璃基板不需再經研磨。因專利早已過期，所以除康寧公司外，NEG 及 NHT 都採用溢流融合下拉法生產 TFTLCD 用的玻璃基板。 除上述兩種主要的成型制程外，第三種是德國 EPT 公司開發的開口下拉法。比較目前三種生產玻璃基板的成型制程，溢流融合下拉法是目前的主流。 以溢流融合下拉法生產的 TFTLCD 用玻璃基板，具有以下的優點：較高的玻璃應變點，使玻璃基材具有更佳的熱安定性與熱收縮性；較低的密度，可使玻璃基材較輕和較少的重力熱塑成型；更佳的耐化學性，使制程能在較嚴苛的蝕刻條件下進行；與矽晶體有更接近的熱膨脹係數，因而開啟了在玻璃上製備鑲合晶片的可能性；較高的耐崩角和機械強度；不會有鹼金屬離子（如鈉離子等）經由擴散作用，自玻璃表面遷移至電晶體陣列中，因而破壞電晶體元件成型時，溫度在掌控玻璃粘度上扮演重要的角色。在玻璃成型的過程中，可透過溫度控制調整玻璃熔體的粘度。例如在成型時，怕粘度太高而無法製成想要的產品，或是希望在改變形狀後仍然有時間消除應力，都可以經由溫度控制來達到。 在成型的過程中，若與外界接觸的玻璃表面溫度比較低，內部的溫度比較高，這樣的溫度差會在玻璃材料內部形成無法預知的應力。在使用這種玻璃材料時，因為有無法預知的應力，對玻璃的安全性無法掌握。因此成型後的玻璃材料，大都需要經過一定的熱處理（退火）程式，以消除玻璃材料內部的應力，確保使用者的安全。 玻璃基板三大成型制程各種條件的比較光學品質的技術關鍵 成型後玻璃的光學品質極為重要，當其中含有石頭、脈理或氣泡時，就表示有瑕疵，這些物質會影響玻璃的光學品質。做為 LCD 玻璃基板及光學玻璃的材料，是不允許有這些雜質存在的。 石頭的出現對玻璃的透明度及強度都有不利的影響，造成的原因是玻璃熔解後碰觸到耐火材料的些許粉末，它是一種結晶的礦物。脈理的存在對玻璃折射率有不良的影響，同時會使透過玻璃的影像變形而失真。造成的原因是耐火材料一併熔融於玻璃中，它是一種非結晶型條紋狀的物質。氣泡的來源包括外界空氣氣泡、一次氣泡（原料所生氣泡）、二次氣泡（因溫度改變所產生的氣泡）、耐火材料氣泡、電解氣泡等，對玻璃的透明度也有不利的影響。 為避免玻璃中石頭和脈理的產生，可使用白金或其合金當耐火材，要避免氣泡的產生，則須在玻璃原料中加入好的澄清劑。雖然綠色環保玻璃是未來產品發展的趨勢，但到目前為止，玻璃材料的製作仍然使用三氧化二砷做為澄清劑，因為三氧化二砷是已知能耐最高溫度的澄清劑。 這意味著即使在很高的熔解溫度（例如攝氏 1,450 度）下，玻璃熔體中的三氧化二砷仍會持續釋出氧氣，這種在高溫下釋放出氧氣的動作，有助於生產玻璃時在熔解與澄清階段移除內部氣泡。至於熔融初期的較低溫度階段，玻璃中的氧氣極易被三氧化二砷吸附。利用三氧化二砷的特性，分別在高溫及較低溫的狀態下，協助移除玻璃中的氣泡，在兩階段的相互配合下，基本上能產出沒有氣泡的玻璃成品。 玻璃基板的發展與挑戰 玻璃基板的未來發展，會以大型化及高精細化兩個方向為主。由於電視大型化的比重逐漸提高，2005 年時大於 20 英寸的液晶螢幕電視在市場上已超過七成，現階段面板廠商量產的 LCD TV 產品最大尺寸是 47 英寸，展示品最大尺寸已達 57 英寸（南韓三星），並且有朝更大型化發展的趨勢。 為了因應新產品週期縮短，新世代玻璃基板更新的速度也同時加速，新週期由原來的三縮短為 1 2 年，基板面積在 10 年內增加了 16 倍，尺寸提高到第六代生產線（1,500 1,850 mm2）及第七代生產線（1,870 2,200 mm2，1,850 2,150 mm2）的規格，並已著手第八代生產線的規畫。 以經濟效益而言，五代線（1,100 1,250 mm2）基板可切割出三片 32 英寸面板（16：9），基板利用率是六成，第6代生產線（1,500 1,850 mm2）可切割成八片，基板利用率則提高至九成。雖然投資額增加約七成，整體經濟效益的提升卻超過一倍以上，因此追求更大面積的基板生產線，是面板廠商進軍大尺寸電視的必要手段。而玻璃廠商在因應基板大型化的趨勢中，勢會面臨制程與搬運技術、