显示技术进展 Lecture 基板与柔性显示

显示技术进展 ProgressinDisplayTechnology 主讲 刘琳西安邮电学院光电信息工程教研室Email liulin 2009 2010学年第一学期 2 显示技术进展 第八章玻璃基板的種類 特性 製程技術及其應用 參考資料 1 平面面板顯示器基本概論二版顧鴻壽 周本達 陳密 張德安 樊雨心 周宜衡編著出版者 高立書號 232526發行日期 2005年8月2 顯示器原理與技術趙中興編著出版者 全華書號 03185 01發行日期 1999 3 显示技术进展 8 1前言8 2液晶顯示器用之玻璃基板的材料 種類及其特性1 玻璃基板的材料及其種類2 玻璃基板的材料及其特性8 3液晶顯示器用之玻璃基板的製作技術1 玻璃基板的製造流程技術2 玻璃基板的後段加工技術及其特性8 4玻璃基板的應用領域與未來展望 4 显示技术进展 玻璃是一種非晶的無機材料 無機材料 金屬材料 有機材料並列為自然界三大主要材料無機材料 Inorganic 是所謂金屬的氧化物 碳化物 氮化物以及氫化物等有機材料是由碳 氫 氧 氮和鹵元素等所聚合鈉玻璃是一般日常生活中最普通的玻璃材料 由碳酸鈉加石灰以及矽沙所製成 色帶微綠而所見之平板和瓶管類產品均之 硼玻璃由三氧化硼加石灰及矽砂所製成 質堅難溶 澎賬係數低 適用於製作化學儀器等實驗性物品鉛玻璃是由氧話鉛 碳酸鈉加石灰及矽砂所製成 折光性極強而適用製作光學儀器 石英玻璃含二氧化矽96 以上 軟化點極高 耐磨 子外線透光極高 融製困難 價格昂貴 8 1前言 5 显示技术进展 世界生產平面面板顯示器的主要知名廠商有美國康寧公司 Corning 1970年代進入市場 日本電氣硝子 NEG 1992年進入市場 日本旭硝子 AGC 和日本NH Techno 1993年進入市場 美國康寧公司的市場佔有率是60 65 且位居世界第一位 世界第一大玻璃生產公司為美國康寧公司於日本及韓國均有玻璃溶融爐和切割加工等工廠 該公司隨著台灣TFT LCD產業的數千億台幣的投資而於1999年在台南科學園區投資7 8千萬美金而設立兩座玻璃溶融爐和16條後段切割加工生產線等工廠 日本旭硝子株式會社在台灣雲林科技工業區投資100億元並設立台灣旭硝子發殷科技股份有限公司 AFT 以浮動式融爐法為主並生產大面積的玻璃基板如550mmX650mm 第3代 680mmX880m 第3 75代 m和730mmX920mm 其厚度規格為1 1mm 0 7mm 0 6mm 0 5mm和0 4mm 8 1前言 6 显示技术进展 液晶平面顯示器所使用的玻璃基板之材料 有主要成份為二氧化矽 SiO2 氧化硼 B2O3 和氧化鋁 Al2O3 中含鹼土類金屬氧化物RO 以及含鹼金屬氧化物R2O等兩大類 因液晶平面顯示器的種類 應用領域和驅動方式不同 而使用不同尺寸的玻璃基板材料 分格式或格子式 Segment 的扭曲向列型 TN 面板 的蘇打石灰玻璃簡單矩陣式的扭曲向型和超扭曲向列型 STN 之面板的玻璃材料是蘇打石灰玻璃和中性硼矽酸玻璃 NeutralBorosilicateGlass 8 2 1玻璃基板的材料及其種類 7 显示技术进展 不同的材料玻璃一些基本特性 8 2 1玻璃基板的材料及其種類 8 显示技术进展 就基板之熱特性而言 有耐色性 耐熱衝擊性 熱伸縮性 熱膨脹係數 耐熱性乃指玻璃材料所能忍受之最高溫度 即所謂的歪點溫度 其容許溫度差值如下 T E T 容許溫度差 彎曲強度 Poisson比值 黏度 楊式係數E 熱膨脹係數 此玻璃材料在加熱後的尺寸 比加熱前來的小呈熱收縮現象稱為緊縮效應 Compaction 目前的對策有使用高耐熱性的玻璃材料或預先退火熱處理 以得高的尺寸安定性玻璃基板 8 2 2玻璃基板的材料及其特性 9 显示技术进展 玻璃的溫度以及尺寸的關係 若玻璃基板加熱於成膜溫度 則因因熱收縮效應而產生尺寸減小 薄膜元件因成膜製程和圖案化製程來1回反覆操作 而使機板發生熱收縮 並影響圖案的精密度 也影響到元件的特性 8 2 2玻璃基板的材料及其特性 10 显示技术进展 熱處理玻璃機板和未熱處理玻璃基板熱收縮變化圖 目前改善熱收縮的對策有使用高耐熱性的玻璃材料或預先退火熱處理 以得高的尺寸安定性玻璃基板 8 2 2玻璃基板的材料及其特性 11 显示技术进展 8 2 2玻璃基板的材料及其特性 玻璃機板材料的種類不同有所差異 1 蘇打石灰玻璃 成長鹼金屬溶出防止膜於基板表面 利用化學氣相沉積法或化學液相沉積法 2 非鹼金屬硼矽酸玻璃和非鹼金屬鋁硼矽酸玻璃 此類玻璃的鹼性金屬成份的含有量少0 1 的重量百分比 扭曲向列型和扭曲向列型 其玻璃基板鹼性金屬成份溶出量的容許是0 3 高信瀨度的要求值在0 2 以下 3 中性硼矽酸玻璃 一般指玻璃基板中鹼金屬含有量小於蘇打石灰中的50 調節其成份並使其成中性化 則可大幅地減少鹼金屬離子的溶出 12 显示技术进展 8 2 2玻璃基板的材料及其特性 在TFT LCD製程中 因為金屬或氧化物的薄膜在進行蝕刻工程時 均會使用到不同的酸性和鹼性的溶液 故玻璃基板材需考慮到其對各種蝕刻液的化學藥品耐久性 玻璃化學藥品耐久性則有耐水性 耐酸性和耐鹼性等三大項目 1 耐水性意指基板置於90度c之離子交換水中保持40小時 並測量其前後單位面積之重量變化的特性 依玻璃種類的蘇打石灰 非鹼性金屬和中性硼矽酸之順序 2 耐酸性是把基板置於95度c而濃度為0 01N的硝酸水溶液中保持20小時 並測量其前後單位面積之重量變化的特性 依玻璃種類的蘇打石灰 非鹼金屬和中性硼矽酸之順序 13 显示技术进展 3 耐鹼性是把基板置於80度c的鹼性蘇打水溶液中保持1小時 並測量其前後單位面積之重量變化的特性 依玻璃種類的蘇打石灰 非鹼金屬和中性硼矽酸之順序 下頁表代表性玻璃基板在各種藥品中浸泡時 單位面積的重量減少之化學耐藥性或耐久性比較 一般製程中在基板上均會成長SiO2 ITO SiN和Cr等功能性或結構性的薄膜 這些薄膜都應有良好的和強固的附額著力 在簡單矩陣式液晶面板之材質 為鍍有SiO2膜的蘇打石灰玻璃 在主動式矩陣式液晶面板之材質 為鍍有ITO膜的非鹼金屬玻璃和中性硼矽酸玻璃 8 2 2玻璃基板的材料及其特性 14 显示技术进展 在TFT LCD整個製程中 因為金屬或氧化物的薄膜在進行蝕刻工程時 均會使用不同的酸性和鹼性的溶液 故在玻璃基板材料需要考慮到其對各種蝕刻液的話學藥品耐久度 8 2 2玻璃基板的材料及其特性 15 显示技术进展 液晶平面顯示器用之玻璃基板的製作技術 因為其材料的成份和一般玻璃得製造過程以及其要求項目是有些不同的 其製造方法為直接吹氣成型或吹玻璃法 模型成型法和裝飾法 目前平面面板顯示器用之玻璃基板的製造方法 有流動床法 溶融向下曳引法 化學氣相反應法 在曳引法其中流動床法因具有低成本的量產型成形而占有優勢 8 3液晶顯示器用之玻璃基板的製作技術 16 显示技术进展 8 3液晶顯示器用之玻璃基板的製作技術 如下圖所示 流動床法適用於製作蘇打石灰玻璃 低鹼金屬玻璃和非鹼金屬玻璃 溶融法以非鹼金屬玻璃為主 向下曳引法則是以鋁硼矽玻璃為主 化學氣相反應法應用於合成石英 而在曳引法則是用於製作低鹼金屬玻璃和非鹼金屬玻璃 流動床法為英國畢盧金頓 布拉扎斯公司所開發的方法 乃是在溶融錫表面上將溶融玻璃水平式拉曳成板狀基板 一般適用於大板型量產之蘇打石灰玻璃板的製造 溝漕式向下曳引法是將溶融玻璃垂直式向下拉曳成平板狀基板 孔口端的表面成凹凸狀影響基板平坦性 而需要再進行研磨工程 溶融向下曳引法為美國康寧公司所開發的方法 其方法是由溶融之兩測垂直方向流下 而形成平坦狀玻璃基板 17 显示技术进展 在曳引法為日本Hoya NipponSheet所開發的技術 其方法是將溶融玻璃製作成母板玻璃 再將母板玻璃送到加熱爐 使其呈軟化玻璃 並延壓成型為薄狀玻璃基板 此一方法容易進行玻璃的替換 可適用於連續性的生產規模 化學氣相反應法則應用於石英玻璃基板 其方法為四氯化矽 氧氣和氫氣等反應性氣體 進行化學反應後形成玻璃錠 再將此一玻璃定進行刀切割加工成需厚度的基板材 在玻璃量產化技術擴大時 所可能面臨到的問題有槽窯爐及引出量方式的設計 成形槽放大比例而槽體受力大 機械其需維持 白金倒槽的設計 垂直退火距離增加而廠房設計高度也增加而廠房設計高度也增加 熔爐高度增加造成操作和維護上不易 玻璃寬度增加而退火爐寬度也增加 8 3液晶顯示器用之玻璃基板的製作技術 18 显示技术进展 玻璃基板的各種製作方法 8 3 1玻璃基板的製造流程技術 19 显示技术进展 流動床法為英國畢盧金頓 布拉扎斯公司所開發的方法 乃是在溶融錫表面上將溶融玻璃水平式拉曳成板狀基板 一般適用於大板型量產之蘇打石灰玻璃板的製造 溝漕式向下曳引法是將溶融玻璃重直式向下拉曳成平板 溶融向下曳引法為美國康寧公司所開發的方法 其方法是由溶融之兩個垂直方向流下 而形成平板狀的玻璃基板 再曳引法為日本Hoya Nipponsheet所開發的技術 其方法是將溶融玻璃製作成母板玻璃 再將母板玻璃送至加熱爐 使其程軟化玻璃 再將其壓成薄板 化學氣相反應法應用於製造多晶矽用的石英玻璃基板 其方法為CCl4 O2 H2 等氣體 進行化學反應後形成玻離錠 再將其切割形成基板 8 3 1玻璃基板的製造流程技術 20 显示技术进展 玻璃基板的製造流程 可分為溶融成形工程和就客戶要求尺寸之後段加工工程 前段工程是製成母片玻璃 而後段工程則是切割和表面研磨等母片玻璃的後續處理 液晶平面顯示器的玻璃基板的特性要求有 1 輕 薄 平坦 大型化2 化學耐久性3 熱穩定性4 玻璃品質好 8 3 2玻璃基板的後段加工技術及其特性 21 显示技术进展 玻璃基板形狀而言 其厚度由最初的1 1mm逐次地演變為0 7mm 0 5mm 乃至於0 4mm的極薄限度值 其從外形尺寸則以300mm對角的形狀較多 一般所用的玻璃基板厚度 因顯示面積的大小 機械的強度和規格需求等因素有所變化 在TFT LCD整個製程中 因為玻璃機板上要製作微細的圖案之薄膜元件 而其表面之缺陷是必需避免的 在玻璃表面上 若存在有刮痕 污物 凹凸和異物附著等缺陷的話 則薄膜的密著性列化和電極配線的斷線等問題將會產生 就玻璃基板表面所容許的凹凸質而言 其表面粗糙度的容許值 隨主動式矩陣型 扭曲向列型 超扭曲向列型和鐵電液晶型 分別地是100 150A 200 300A 200 300A和200 300A 8 3 2玻璃基板的後段加工技術及其特性 22 显示技术进展 玻璃基板製造流程圖 8 3 2玻璃基板的後段加工技術及其特性 23 显示技术进展 玻璃基板材料技術發展趨勢 為基板大型化 輕量化 低成本化以及高自動撿查高效率化 為求大量生產以便求降低成本 而有不同世代的玻璃尺寸被設計而出來 玻璃基板尺寸的大小會影響到可截取玻璃的片數 而尺寸標準化成為一種重要的課題 因筆記型電腦和攜帶式資訊用之LCD面板對輕量化有強列的要求 輕量而有強度的玻璃基板成為重要的項目 因LCD面板製造廠商的成本控制和考量 而要求低價格化零組件 因而玻璃製造商因應這一個趨勢 未來若能開發出不需要在經過熱處理和研磨工程的素玻璃和母片玻璃 直接進行TFT階段的生產則有效達到低價格化 8 4玻璃基板的應用領域與未來展望 24 显示技术进展 8 4玻璃基板的應用領域與未來展望 台灣在平面顯示器產業已成為世界三大產國之一 在產能和產量上的經濟規模是頗坐三望二之勢 因而相關零件組和材料如玻璃機板所需之市場量非常地大 2000年TFT LCD玻璃的需求量是600 1000萬片 而相當於50 60億新台幣 2001年和2002年隨著台灣各TFT LCD產能的產出而所預測需求的玻璃片數將大幅增加 薄型玻璃基板製造廠素有顯示器產業的晶圓廠之稱 目前世界前四大玻璃基板生產廠家 均策略性在台灣設立熔爐成形製程和後段加工等一係列生產作業 另外三加國內廠商也策略性聯盟的找到國外技術來源和經營團隊 進行玻璃基板的販售 25 显示技术进展 不同世代玻璃面板之切割率 8 4玻璃基板的應用領域與未來展望 26 显示技术进展 不同世代玻璃面板之切割率 8 4玻璃基板的應用領域與未來展望 27 显示技术进展 第三代玻璃面板 550 x650 3 5代世代玻璃基板 650X830 切割片數 8 4玻璃基板的應用領域與未來展望 28 显示技术进展 附錄 參考網站 玻璃基板簡介 ppt 上偏光板 上玻璃 顏色區 保護膜 ITO共用極 ITO顯示電極 液晶 補價電容 下偏光板 反射板 棱鏡板 導光板 光擴散板 間隙粒子 電晶體 框膠區 異方性導電膜 驅動IC TAB 印刷電路板 黑色框罩 背光燈管 玻璃基板由CF和TFT兩部分組成 29 显示技术进展 附錄 參考網站 玻璃基板簡介 ppt 薄膜制程RGB膜涂布鍍BM膜黃光制程RGB圖樣黃光制程蝕刻制程RGB顯影蝕刻制程TFT測試檢視 配向膜涂布及刷磨 TFT及CF封准組合 切割裂片 液晶注入 上下偏光板貼合 LCD電測目檢 LCD製程 PC壓著 封膠 機殼及背光源組裝 LCM檢測 LCM製程 TFT製程 5 7道光罩 CF製程 30 显示技术进展 附錄 參考網站 GlassSubstrate玻璃基板 http www wfc edu tw wwwme lab precision special TM1 2 ppt AMLCDGlassSubstrateisthefoundationofsocalled High TechDisplays AMLCD