随着科技的(de)迅(xun)速发展,我们日(ri)常(chang)使用的(de)一(yi)些(xie)平板显示电(dian)子产品如智能手机、平板电(dian)脑、液晶显示器等越来越普(pu)及并(bing)逐步向轻薄(bo)化、轻量化发展,尤其是(shi)可折叠智能手机、电(dian)子穿戴产品以及柔性(xing)显示技术已(yi)经(jing)逐渐成为市场(chang)发展的(de)主流。超薄玻璃因(yin)其良好的(de)热稳定(ding)性(xing)、化学稳定(ding)性(xing)和(he)光学性(xing)能(neng)等优良特性(xing),成为生(sheng)产(chan)平(ping)板显示产(chan)品所必(bi)须的(de)基础材料。
为了满足高性能平板(ban)显示器(qi)的(de)使用(yong)要求,超薄玻璃的(de)各项质量要求,尤其是(shi)表(biao)面粗糙度要求极其严格(ge)。如(ru)果超(chao)薄(bo)玻璃的表面粗糙精度(du)不能保证,会直接(jie)影(ying)响到(dao)液晶显示(shi)器(qi)中(zhong)基板间的电(dian)场(chang)和像素(su),导致(zhi)显示(shi)器(qi)色彩不均匀,同(tong)时降低玻璃强度(du)和透光率(lv),造成(cheng)产(chan)品缺陷(xian),同(tong)时也(ye)会有化学强化后产(chan)生翘曲的现象(xiang),严重影(ying)响产(chan)品良率(lv)。
目(mu)前(qian),通常采用表面抛(pao)光技术(shu)实(shi)现超薄玻(bo)璃(li)表面质量和加工(gong)精度的要(yao)求,但由(you)于(yu)超薄玻(bo)璃(li)韦氏(shi)硬度高(gao)、加工(gong)易破碎,且抛(pao)光质量要(yao)求高(gao),属于(yu)难加工(gong)材(cai)料,对于(yu)工(gong)业生产是一项技术难点。
超薄玻璃简(jian)介
根据(ju)相关标(biao)准(zhun)及定义,按玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)厚度(du)可将玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)分(fen)为(wei)超(chao)(chao)(chao)厚玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)、厚玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)、普(pu)通玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)、薄玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)、超(chao)(chao)(chao)薄玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)、柔性玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)。按照化学成分(fen)的不同,可将超(chao)(chao)(chao)薄玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)分(fen)为(wei)无碱超(chao)(chao)(chao)薄玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)和含碱超(chao)(chao)(chao)薄玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li),无碱玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)即玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)(li)组分(fen)中无碱金属元素,主要(yao)为(wei)无(wu)碱硼(peng)铝硅酸(suan)盐玻璃体(ti)系(xi),用(yong)作(zuo)TFT-LCD、OLED等基板玻璃;含碱超薄玻璃(li)主要(yao)为高铝硅酸盐玻(bo)璃体系,其可离子强化(hua)的特性常用作高(gao)强盖板玻璃。
玻璃厚度分类
超薄玻璃生(sheng)产方法主要(yao)包括浮法(fa)(fa)、溢(yi)流下拉法(fa)(fa)、垂直(zhi)引上法(fa)(fa)等。
其中,浮法(fa)技术(shu)需精确控制(zhi)拉边(bian)机和牵引机的工艺参数,同(tong)时还(hai)要考虑渗锡、波(bo)纹度等缺(que)陷(xian)的产(chan)生,因此(ci)对工艺控制(zhi)和装备要求极高,但生产玻璃尺寸大,产量高;
溢(yi)流下拉法生产的玻(bo)璃(li)表面质量好(hao),但(dan)受铂金溢流槽尺寸(cun)限制,板宽窄、产量小;
溢流下拉法生产(chan)工艺示(shi)意图(tu)
垂直(zhi)引上(shang)法(fa)易操控(kong)、占地(di)小,但是生产的玻璃平整度差、缺陷多,成品率低。
目(mu)前,国内超薄玻璃(li)生(sheng)产方法主要为浮法和溢流下拉法,随着技术的不断进步(bu),国产超薄玻璃在(zai)高端电子市场占(zhan)比逐步(bu)提升。
超薄玻璃(li)的抛光技术
超薄玻(bo)璃属于脆性(xing)材料,因此(ci)在抛(pao)光时不同于金属材料的(de)车削、磨削、铣削等(deng)传(chuan)统的(de)塑(su)性加工(gong)方式,在精密加工(gong)过程(cheng)中极易破碎,很难(nan)实(shi)现玻璃表面的(de)精密(mi)抛(pao)光(guang)(guang)。为(wei)此(ci),超薄玻璃的(de)抛(pao)光(guang)(guang)是(shi)以硬脆材料(liao)的(de)脆塑转变机理为(wei)出(chu)发点,根据抛(pao)光(guang)(guang)原理及抛(pao)光(guang)(guang)方式的(de)不同,可将其分为(wei)两大类,即接(jie)触式抛光(guang)技术和(he)非接触式抛光技术。
非接触式抛(pao)光(guang)技术一(yi)般为离(li)子束和电子束抛(pao)光(guang),技术操(cao)作环境要(yao)求高,技术流程不完备,无(wu)法满足大(da)尺寸工件的整体抛(pao)光(guang)。因此,从提(ti)高超(chao)薄玻璃产量与质量角度考(kao)虑,接触式抛(pao)光(guang)技术目前占绝(jue)对优势。
接(jie)触(chu)式抛(pao)(pao)光技术即(ji)通过抛(pao)(pao)光件与被抛(pao)(pao)光玻(bo)璃间的(de)相对(dui)摩擦实现抛(pao)(pao)光效(xiao)果,针(zhen)对(dui)超(chao)薄玻(bo)璃主要(yao)采用(yong)化(hua)学(xue)机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)技术。CMP技术由于抛光效率高、环境污染小、技术成熟、操作简单、成本低等诸多优点,被认为是目前抛光超薄(bo)玻璃最有(you)效的技(ji)术(shu)。其(qi)中(zhong),抛光液与抛光垫是抛光系(xi)统中(zhong)的核心(xin)部分,其(qi)材(cai)料(liao)决定了(le)最终(zhong)的加工质量。
CMP抛光原理(li)图
扩展(zhan)阅读(du):
(1)抛光液
抛光(guang)(guang)液主要由(you)去离子水、抛光(guang)(guang)粉、pH调节剂、分散剂等组成,其中抛光(guang)(guang)粉作为(wei)磨(mo)料(liao),利用“软磨(mo)硬”原理,通(tong)过较软的抛光(guang)(guang)粉材料(liao)对玻璃表面(mian)进行机械化学抛光(guang)(guang)处理,获得高(gao)质量(liang)的玻璃表面(mian)。
常用抛(pao)光(guang)粉材料的莫氏硬度
常见的抛光(guang)粉材(cai)料有(you)金(jin)刚石(shi)、Al2O3、SiO2、CeO2等无机(ji)材料,它们适(shi)用于不同的(de)(de)(de)抛(pao)光(guang)需求,在超薄玻璃的(de)(de)(de)抛(pao)光(guang)中,比较软的(de)(de)(de)CeO2由于(yu)抛光效率(lv)与抛光质量优于(yu)其它(ta)材料而成为优选材料。这是由于(yu)CeO2可以与玻(bo)璃中(zhong)的硅酸盐反应,Ce-O键能较高,会破坏Si-O键使之生成Si-O-Ce键,从而实现SiO2的化学机械去(qu)除。
光(guang)学玻璃抛光(guang)用氧化铈粉(fen)
从(cong)抛光(guang)机理出(chu)发(fa),影响抛光(guang)效率(lv)(lv)(lv)的五大因素(su)一般为:水(shui)分子在玻(bo)璃表(biao)面(mian)的扩散速(su)率(lv)(lv)(lv)、在抛光(guang)粉(fen)作用下的玻(bo)璃溶(rong)(rong)解速(su)率(lv)(lv)(lv)、抛光(guang)粉(fen)对(dui)溶(rong)(rong)解产物的吸附速(su)率(lv)(lv)(lv)、硅重新沉积(ji)玻(bo)璃表(biao)面(mian)的速(su)率(lv)(lv)(lv)及水(shui)的腐蚀速(su)率(lv)(lv)(lv)。
因(yin)此综合比较(jiao),对硅(gui)酸盐玻(bo)璃而言(yan),其(qi)抛光效(xiao)率最(zui)好的是(shi)CeO2,其次为(wei)ZrO2、ThO2、TiO2、Fe2O3。
(2)抛光垫
传统抛(pao)(pao)(pao)光系(xi)统通(tong)过抛(pao)(pao)(pao)光垫与被抛(pao)(pao)(pao)光玻(bo)璃的(de)相对(dui)运动(dong)带动(dong)两者间抛(pao)(pao)(pao)光液产生(sheng)相对(dui)摩擦,从(cong)而实现(xian)玻(bo)璃的(de)抛(pao)(pao)(pao)光,其(qi)抛(pao)(pao)(pao)光效果的(de)实现(xian)主要依(yi)赖于抛(pao)(pao)(pao)光液与玻(bo)璃表(biao)面(mian)的(de)化学机械(xie)作(zuo)用。此技术操作(zuo)简单(dan),易(yi)于控制,同时也存在游离抛光粉分布不均(jun)导致抛光质量低,废料清除(chu)难(nan)度(du)高及(ji)抛光液消耗(hao)大等诸多(duo)缺点,针对(dui)此问(wen)题,精度高、表面损伤小的(de)固(gu)结(jie)磨料(liao)研磨抛光技(ji)术应运(yun)而生(sheng),并逐渐成为(wei)超薄玻(bo)璃加工的研(yan)究重(zhong)点。
固结磨料研磨抛光技(ji)术是(shi)将磨料固结在(zai)抛光垫中,以(yi)取代游离磨料(liao),抛光(guang)过程中由于磨料(liao)镶嵌(qian)在(zai)抛光(guang)垫中,因此(ci)压入工件表(biao)(biao)面的(de)(de)(de)(de)深度相对较小(xiao),对工件表(biao)(biao)面产生的(de)(de)(de)(de)损伤小(xiao),另(ling)外凸起之间的(de)(de)(de)(de)沟槽(cao)有利于废屑(xie)的(de)(de)(de)(de)排出(chu),降低硅重(zhong)新沉积玻(bo)璃表(biao)(biao)面的(de)(de)(de)(de)速率(lv),从(cong)而提(ti)高玻(bo)璃表(biao)(biao)面抛光(guang)的(de)(de)(de)(de)效率(lv)和(he)质量。
固结磨料抛光垫示意(yi)图
另外也有一些研究者尝试其(qi)他途径进行(xing)玻璃抛(pao)光(guang),例如针对固结磨料(liao)抛(pao)光(guang)技术中抛(pao)光(guang)垫(dian)各点线(xian)速(su)度不同易产(chan)生抛(pao)光(guang)不均(jun)匀的(de)缺(que)点,提出磁性研(yan)磨抛光技术,即将磁(ci)性研磨料吸附在磁(ci)极端部,形成具有一定(ding)刚度的“磨料刷”,旋转磁极带动“磨料刷”转动对工件进行抛光;或采用气相沉积方法在(zai)抛光垫表面镀上一层饰膜,相比于传统(tong)CeO2游离(li)磨料(liao),这种抛(pao)光(guang)方法(fa)的Ce用量大幅减少;同时也有人提出浴法抛光、浮法抛光等技术,可以获得抛光精度较高的玻璃,如康宁公司和肖特公司采用浮(fu)法(fa)抛光技(ji)术(shu)分别对石英玻(bo)璃和微晶玻(bo)璃进行抛光(guang),玻(bo)璃表面粗糙度均低于0.2nm。
无论(lun)是磁性研磨抛(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)技(ji)术,还是浴法抛(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)、浮法抛(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)等(deng)技(ji)术,在抛(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)过程中均需要抛(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)模与玻(bo)璃的相对运动产生机械(xie)摩擦及抛(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)液的化学腐蚀实现抛(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)效(xiao)果,因(yin)此可将此抛(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)技(ji)术视为化学机械(xie)抛(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)技(ji)术的延伸(shen)和完善。
总结
随着终端显示(shi)技(ji)(ji)术的(de)(de)(de)进步,尤(you)其柔性显示(shi)技(ji)(ji)术的(de)(de)(de)提出及发展(zhan),导(dao)致国(guo)际市场对(dui)超(chao)(chao)薄玻(bo)(bo)(bo)璃(li)的(de)(de)(de)需求(qiu)量迅速提升(sheng),对(dui)其质量要求(qiu)也越(yue)来(lai)越(yue)高。超(chao)(chao)薄玻(bo)(bo)(bo)璃(li)制造工艺复杂,技(ji)(ji)术门槛(jian)高,尤(you)其超(chao)(chao)薄玻(bo)(bo)(bo)璃(li)抛光(guang)技(ji)(ji)术更属于(yu)高精尖技(ji)(ji)术领域,目(mu)前国(guo)内(nei)相(xiang)(xiang)关材(cai)料(liao)和技(ji)(ji)术研(yan)究(jiu)较少,但是基(ji)于(yu)近(jin)些年光(guang)学玻(bo)(bo)(bo)璃(li)抛光(guang)领域的(de)(de)(de)技(ji)(ji)术积累,相(xiang)(xiang)信(xin)不久的(de)(de)(de)将(jiang)来(lai)定能实现超(chao)(chao)薄玻(bo)(bo)(bo)璃(li)抛光(guang)技(ji)(ji)术的(de)(de)(de)创(chuang)新,推动超(chao)(chao)薄玻(bo)(bo)(bo)璃(li)相(xiang)(xiang)关产业(ye)的(de)(de)(de)发展(zhan)。
参考来源:
超薄玻(bo)璃抛(pao)光技术的研究进展,李(li)金威(wei)、宋(song)在芝、石(shi)丽芬(fen)、王巍(wei)巍(wei)、曹(cao)欣(xin)(1.中建材蚌埠玻(bo)璃工业设计研究院(yuan)有(you)限公司;2.浮法玻(bo)璃新技术国家重(zhong)点(dian)实(shi)验室;
3.硅基材料(liao)安徽省实验室)。
粉体(ti)圈 小(xiao)吉
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