1 ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃的發(fā)展與應(yīng)用
ITO(氧化銦錫) 透明導(dǎo)電膜玻璃是國(guó)際上70 年代初研制成功的一種新型材料。它是制造液晶平板顯示器(LCD) 的主要材料。LCD 順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流,作為人機(jī)接口產(chǎn)品而獲得了高速增長(zhǎng)。這種透明導(dǎo)電膜玻璃的膜層具有以下特性:
⑴膜層導(dǎo)電性能好,電阻率可達(dá)10 - 4Ω·cm;
⑵膜層硬度高、耐磨、耐化學(xué)腐蝕;
⑶膜層加工性能好;
⑷膜層可見(jiàn)光透過(guò)率高,可達(dá)85 %以上;
⑸膜層對(duì)紫外線具有良好的吸收性,吸收率不小于85 %;
⑹對(duì)紅外線具有良好的反射性,反射率不小于80 %;
⑺對(duì)微波具有衰減性,衰減率不小于85 %。
由于ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)技術(shù)難度高,工藝較為復(fù)雜,目前世界上仍只有少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家能夠工業(yè)化生產(chǎn)透明導(dǎo)電膜系列產(chǎn)品。日本已有數(shù)十條生產(chǎn)線,有效鍍膜玻璃面積從300mm ×400mm 到850mm ×1250mm 等共有7 種規(guī)格,美國(guó)多納利公司、德國(guó)萊寶公司也先后推出了系列化產(chǎn)品,有效鍍膜面積從350mm×900mm到830mm ×1500mm 不等,以爭(zhēng)奪LCD 市場(chǎng)。
1. 1 ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃在LCD 領(lǐng)域的應(yīng)用
ITO 玻璃在LCD 領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛,目前LCD 有TN - LCD、STN - LCD 和TFT - LCD ,是信息產(chǎn)業(yè)的重要部件。
TN - LCD 是液晶顯示器中最早上市的初級(jí)產(chǎn)品,如電子表、計(jì)算器、游戲機(jī)等。STN - LCD 則為較高檔液晶顯示器產(chǎn)品,如便攜式電腦、電子記事本、翻譯機(jī)、電子辭典及文字處理機(jī)等。TFT - LCD 為平面真彩液晶顯示器,是新一代的LCD。它具有體積小、重量輕、能耗低、圖像精確、無(wú)輻射、無(wú)閃爍、抗電磁干擾、屏幕反應(yīng)速度快等特點(diǎn),已成為筆記本電腦、臺(tái)式電腦、各類(lèi)監(jiān)視器和數(shù)字彩電等電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的液晶顯示器。此外,還有PDP 等離子體顯示器、ELD 場(chǎng)致發(fā)光顯示器,均屬于新一代平板顯示器。用PDP 制作的壁掛式電視機(jī)重量輕,可作公共信息標(biāo)牌、會(huì)議廳演示系統(tǒng)以及臺(tái)式計(jì)算機(jī)監(jiān)視器。ELD 場(chǎng)致發(fā)光顯示器尺寸可加大,在太陽(yáng)能電池面板等電子產(chǎn)品中的應(yīng)用日益增加。LCD 的增長(zhǎng)大大拉動(dòng)了電子工業(yè)對(duì)液晶顯示器加工制作主要材料的需求。
目前我國(guó)已成為T(mén)N - LCD 產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó)之一,生產(chǎn)的TN - LCD 產(chǎn)品已大量用于計(jì)算器、電子(鐘)表、溫度計(jì)等各種小型顯示器上,其中電子(鐘) 表用LCD 約占世界市場(chǎng)的一半,計(jì)算器用LCD 約占世界市場(chǎng)三分之一。我國(guó)已建有LCD 生產(chǎn)線80 余條,年需求ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃已超過(guò)400 萬(wàn)m2 。ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)線建有十多條,年產(chǎn)導(dǎo)電膜玻璃150～200 萬(wàn)m2 ,市場(chǎng)缺口甚大。
隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,TN - LCD 大量生產(chǎn)和普及,LCD 已成為僅次于CRT(陰極射線管) 的主要顯示器件。現(xiàn)在我國(guó)正向高檔的STN - LCD 產(chǎn)品發(fā)展,國(guó)內(nèi)已建多條生產(chǎn)線,安徽蚌埠華益導(dǎo)電膜玻璃公司第2 條STN - LCD 導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)線近日已投產(chǎn),可向國(guó)內(nèi)已建的STN - LCD 廠家提供優(yōu)質(zhì)的玻璃基片。未來(lái)10 年中國(guó)可望成為世界最大的個(gè)人電腦市場(chǎng),對(duì)LCD 玻璃需求將急劇上升。
1. 2 ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃在工業(yè)、交通、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用
ITO 膜玻璃作為面發(fā)熱體,它可制作成多種功能的特種加工玻璃,如用于飛機(jī)、火車(chē)、汽車(chē)等風(fēng)擋玻璃、宇航飛船的眩窗、坦克激光測(cè)距儀、機(jī)載光學(xué)偵察儀、潛望鏡觀察窗等,不僅起隔熱降溫作用,而且通電后還可除冰霜,因此在交通、宇航及國(guó)防工業(yè)中也得到廣泛應(yīng)用。
另外,利用ITO 膜玻璃還可制成多種多功能的工業(yè)及科研、國(guó)防等用建筑玻璃,如液晶調(diào)光玻璃、電加熱玻璃及電致變色玻璃、防盜玻璃、電磁屏蔽玻璃和大面積太陽(yáng)能玻璃等。已有建筑師采用透明導(dǎo)電膜玻璃制作成大面積太陽(yáng)能電池屋頂,該建筑的全部能耗都來(lái)自屋頂?shù)奶?yáng)能電池供給,其中太陽(yáng)能玻璃( ITO 膜玻璃) 功不可沒(méi)。不論是ITO - nip 型、ITO - pin 型,還是肖特基型或異質(zhì)結(jié)構(gòu)型,均鍍有一層ITO 膜作為減反射層和透明電極。這種太陽(yáng)能玻璃屋頂建筑已被譽(yù)為潔凈的生態(tài)環(huán)境建筑物。另外,由于ITO 導(dǎo)電膜層對(duì)微波具有衰減性,其衰減率不小于85 % ,因此,用ITO 導(dǎo)電膜制成的電磁屏蔽玻璃,已作為特殊建筑物的窗玻璃或幕墻玻璃,可廣泛用于計(jì)算機(jī)房、演播室、工業(yè)控制系統(tǒng)、軍事建筑物、外交部門(mén)的建筑物門(mén)窗玻璃以及有保密要求或防干擾要求的場(chǎng)合。這種ITO 膜電磁屏蔽玻璃在1GHz 頻率時(shí)具有衰減30～50dB 的屏蔽能力(即僅有1/ 1000 的入射量) ,用于計(jì)算機(jī)房、雷達(dá)的屏蔽保護(hù)區(qū)及國(guó)防、軍事等建筑物防電磁干擾的透明門(mén)窗,可完全防止由于外界電磁波的入侵而使電子設(shè)備產(chǎn)生誤差和保密信息的泄露。高檔的防屏蔽玻璃產(chǎn)品對(duì)外界電磁微波可衰減到80dm ,是國(guó)防、軍工優(yōu)先選用的玻璃制品。
目前日趨普及的家用電微波爐的觀察門(mén)亦可用ITO 膜屏蔽玻璃替代。利用ITO 膜玻璃制作的防護(hù)眼鏡,具有防紫外線和反射紅外線功能,更是倍受眼鏡玻璃業(yè)的歡迎。
近年來(lái)我國(guó)高層建筑物大量采用玻璃作為墻體材料,尤其是高寒地區(qū)高層建筑物,玻璃幕墻會(huì)使冬季室內(nèi)熱量向外散逸,使取暖的能源費(fèi)用增加,如果在幕墻的雙層中空玻璃內(nèi)側(cè)選用低輻射系數(shù)的ITO 膜玻璃,可節(jié)能40 % ,十分可觀。
在建筑上,大面積的ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃還可用作為各種商業(yè)建筑的貴重商品防盜廚窗,當(dāng)玻璃被盜賊擊破時(shí),通過(guò)導(dǎo)電膜及傳感器能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在醫(yī)院和科研設(shè)施, ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃已被用作溫室玻璃、透明加熱保育箱和怛溫槽等。
我國(guó)每年冰柜門(mén)玻璃需求量高達(dá)60 萬(wàn)m2 以上,以往均依靠進(jìn)口,用這種ITO 膜玻璃完全可替代傳統(tǒng)的雙層隔熱玻璃,它用于冷凍冷藏柜具有防結(jié)露和反射紅外線功能,可節(jié)能40 %左右。隨著銀行、郵政、機(jī)場(chǎng)、旅游業(yè)車(chē)站的建筑設(shè)施現(xiàn)代化發(fā)展,亟需用ITO 膜玻璃制作透明指觸式控制板和顯示操作器進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的電腦服務(wù)裝置。如果以軟件配合,還可用圖型表面裝鍵多重化,對(duì)于工業(yè)界多儀表集中控制操作既簡(jiǎn)便又直觀。
人類(lèi)已進(jìn)入21 世紀(jì),隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展,ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃的應(yīng)用前景極其廣泛。
2 ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃的生產(chǎn)工藝
2. 1 ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介
ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃的生產(chǎn)有三個(gè)必備條件,即:鍍膜設(shè)備、ITO 靶材和透明超薄玻璃(0. 4～1. 3mm) 。
ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃的膜層鍍制是工藝的核心技術(shù),它可以采用多種方法,有磁控濺射法(直流磁控濺射和射頻磁控濺射) 、真空蒸發(fā)法(電阻加熱或電子束加熱) 、浸漬法、化學(xué)氣相沉積法、噴涂法等5 種工藝。目前采用較廣的是直流磁控濺射法,用該工藝進(jìn)行連續(xù)鍍ITO 膜層,具有膜層厚度均勻、易控制、膜重復(fù)性好、穩(wěn)定、適于連續(xù)生產(chǎn)、可鍍大面積、基片和靶相互位置可按理想設(shè)計(jì)任意放置、可在低溫下制取致密的薄膜層、可采用合金靶反應(yīng)濺射、也可采用氧化靶直接濺射等諸多優(yōu)點(diǎn)。該工藝適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn), ITO透明導(dǎo)電膜玻璃質(zhì)量好,規(guī)格品種多,耗能低。
首先備好規(guī)定厚度尺寸的(0. 4～1. 3mm) 超薄玻璃片,預(yù)處理經(jīng)去離子水洗、超聲波潔凈,進(jìn)入真空室后,先進(jìn)行SiO2 鍍制,然后進(jìn)入ITO 鍍膜室鍍制ITO 膜,經(jīng)加熱固化退火后獲得成品。ITO 導(dǎo)電膜玻璃全工藝過(guò)程均在高真空狀態(tài)下潔凈無(wú)塵通入Ar (氬) 和O2 (氧) 氣體,經(jīng)過(guò)磁控濺射作用,在玻璃基片表面沉積氧
化銦錫薄膜及加熱退火后而制成。在鍍膜工藝生產(chǎn)時(shí),注意ITO 膜主要特性是透明和導(dǎo)電,影響這兩個(gè)指標(biāo)的最主要因素有濺射電壓、沉積速率、基片溫度、濺射壓力、氧分壓及靶材的Sn/ In 組分比。因此,在鍍制ITO透明導(dǎo)電膜時(shí),應(yīng)盡可能低電壓濺射,防止膜層因受離子轟擊而損傷,使膜層電阻增大及形成低價(jià)黑色氧化物InO ,降低了ITO 玻璃的透光率。
2. 2 ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃的生產(chǎn)設(shè)備及主要材料
生產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)良的ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃與選用的設(shè)備精良與否密切相關(guān)。目前日本、美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家大多采用磁控濺射多室的直列串聯(lián)式工藝裝備線生產(chǎn)ITO 玻璃。其玻璃基片架均為立式雙面型,并能連續(xù)移動(dòng)鍍膜作業(yè),生產(chǎn)工藝流程全部自動(dòng)化控制。目前國(guó)內(nèi)廠家采用的設(shè)備線有美國(guó)、德國(guó)、日本及我國(guó)沈陽(yáng)和深圳等公司生產(chǎn)的裝備線。1993 年前,只有深圳南亞公司引進(jìn)1 條美國(guó)80 年代的裝備線,年產(chǎn)3萬(wàn)m2 ITO 導(dǎo)電膜玻璃。1994 年沈陽(yáng)真空技術(shù)研究所與深圳南亞公司合作,首次開(kāi)發(fā)成功年產(chǎn)12 萬(wàn)m2TD -750 型自動(dòng)化透明導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)線。1995 年深圳和廣州兩地又引進(jìn)了德國(guó)和日本公司的3 條ITO 導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)線,使全國(guó)年總產(chǎn)量達(dá)到40 萬(wàn)m2 。1996 年蚌埠華益導(dǎo)電膜玻璃有限公司引進(jìn)美國(guó)1 條STN - ITO導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)線,年產(chǎn)10 萬(wàn)m2 。隨后不久,在石家莊、蕪湖、深圳及江蘇金壇等地又先后建成國(guó)產(chǎn)線多條,總計(jì)10 余條裝備線,年總生產(chǎn)能力150～300 萬(wàn)m2 。從目前ITO 導(dǎo)電膜裝備來(lái)看,日本真空技術(shù)株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的SDP 系列連續(xù)磁控濺射設(shè)備在國(guó)際市場(chǎng)銷(xiāo)量較大,1993 年已產(chǎn)63 條。德國(guó)萊寶公司推出的ARIS2TO1200 - 6 型ITO 鍍膜機(jī)有其新的先進(jìn)性,被國(guó)際市場(chǎng)看好。
2. 2. 1 國(guó)外裝備
⑴美國(guó)GCS - 16 型透明導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)裝備線
該裝備進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)較早,已在安徽蚌埠華益及深圳南亞公司運(yùn)行多年,其裝備性能及產(chǎn)品質(zhì)量較好。該設(shè)備系80 年代末全自動(dòng)控制裝備線,它是在高度凈化的廠房中利用平面磁控鍍膜技術(shù),在超薄玻璃基片上沉積氧化銦錫薄膜,生產(chǎn)TN - LCD 及STN - LCD 導(dǎo)電膜玻璃,年產(chǎn)60～80 萬(wàn)片,約合10 萬(wàn)m2 。產(chǎn)品規(guī)格有14″×14″×0. 4～1. 1mm ,14″×12″×0. 4～1. 1mm ,14″×16″×0. 4～1. 1mm等,生產(chǎn)的ITO 導(dǎo)電膜玻璃各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)。其面電阻R ≤150Ω/ Ö ,光透過(guò)率T ≥85 % ,膜層厚度為250 ±30! 。國(guó)內(nèi)早期引進(jìn)該裝備線已獲良好經(jīng)濟(jì)效益。
⑵德國(guó)NEW ARISTO 1200 - 6 型真空鍍膜機(jī)
由德國(guó)萊寶公司推出的NEW ARISTO 1200 - 6 型真空鍍膜設(shè)備,屬德國(guó)新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的新一代真空鍍制ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃的裝置。該裝備線主要由超薄玻璃清洗機(jī)、真空室、真空泵、真空測(cè)量計(jì)、濺射陰極、控制系統(tǒng)及成品檢測(cè)儀、真空檢漏儀等70 多臺(tái)(套、件) 所組成。裝備線主要特點(diǎn)大致如下:
⑴體積小、占地少、經(jīng)濟(jì)合理 該設(shè)備占地面積13. 2m ×4. 5m ,高約3m。由于該設(shè)備采用返回軌道薄膜沉積技術(shù),充分發(fā)揮真空腔室利用率,設(shè)備體積只有該公司早期產(chǎn)品的一半;
⑵能生產(chǎn)多種規(guī)格尺寸的ITO 玻璃基片 該機(jī)淘汰了V 型玻璃基架,使上機(jī)的玻璃基片不再受到框架的限制,適合多種規(guī)格玻璃基片的ITO 膜鍍制,大大拓寬了基片鍍膜產(chǎn)品品種。
⑶直接鍍制SiO2 膜層(具有射頻裝置室) 該設(shè)備可直接鍍制SiO2 (氧化硅膜) ,使ITO 透明導(dǎo)電膜玻玻璃與搪瓷璃制造商可直接購(gòu)買(mǎi)英、比、德、日等國(guó)生產(chǎn)的超薄玻璃原片,用該設(shè)備自行鍍制SiO2 膜,使ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃成本大為降低,獲利上升。
⑷適合鍍制各種不同性能的膜層 該設(shè)備不僅可鍍制TN 型、STN 型,還可鍍PDP、ELD 等多種導(dǎo)電膜玻璃的膜系,具有廣泛的適用性。
⑸設(shè)計(jì)合理,易于保養(yǎng) 該設(shè)備采用了模式化腔室的設(shè)計(jì),并且各腔室尺寸結(jié)構(gòu)一致,便于維護(hù)保養(yǎng),且各腔室零部件均可通用互換。還可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求,便利地增加或減少腔室與陰極數(shù)。
另外該設(shè)備一改過(guò)去需從空氣中長(zhǎng)距離返回的玻璃基架為新型的返回軌道薄膜沉積技術(shù),使基片在首先鍍制SiO2 膜后,能迅速鍍制ITO 膜層,玻璃基片在設(shè)備一端進(jìn)出,使玻璃基片架暴露在空氣中的時(shí)間大為縮短,玻璃基片所受空氣中的殘留塵埃污染大大減少,產(chǎn)品質(zhì)量得到提高。
萊寶公司1200 - 6 型設(shè)備集真空技術(shù)和磁控濺射于一體,它能采用射頻RF 濺射SiO 膜,用ITO 靶材真空高溫鍍制透明導(dǎo)電膜層,又由于裝置中的陰極采用移動(dòng)磁場(chǎng),使靶材利用率高達(dá)50 % ,而以往該設(shè)備的靶材利用率只有25 %～35 % ,為此大大降低了ITO 玻璃的生產(chǎn)成本。另外由于該裝備中使用了分子泵,可使真空度達(dá)到8 ×10 - 5Pa 以上,使空腔室無(wú)油漬污染現(xiàn)象出現(xiàn)。設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用磁懸浮導(dǎo)軌,不但使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定,且無(wú)機(jī)械摩擦,確保了各腔室的清潔度。該設(shè)備的控制系統(tǒng)使用PLC 可編程序邏輯控制器,使用PC機(jī)操作管理,還配有在線光學(xué)透過(guò)率檢測(cè)系統(tǒng),采用PC 機(jī)自動(dòng)監(jiān)控并與主機(jī)PC 機(jī)相連自動(dòng)校正工藝參數(shù)。
該鍍膜裝置生產(chǎn)出用于TN、STN、TFT 的ITO 導(dǎo)電膜玻璃,其質(zhì)量達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)。該生產(chǎn)線還配有膜質(zhì)檢測(cè)儀(包括ITO 膜厚測(cè)試儀、分光光度計(jì)、SiO2 膜厚和折射率檢測(cè)設(shè)備、四探針電阻測(cè)試儀) 。
