等离子显示屏用基板玻璃浅析

等离子显示屏用基板玻璃浅析 等离子显示屏用基板玻璃浅析 等离子 显示屏用基板玻璃浅析 Analysisofglassforplasmadisplaypanel 高锡平崔竹李长久黄幼榴(中国建筑材料科学研究院.北京100024) 摘要:介绍了等离千里示脬P1)P的工作原理.从显示湃制作噩他瑚过程提出了时毖板玻璃的性能要求,时儿种 PI)l>用基板玻璃进行丁比较.提出了开发县有自主知识产权的PDP基椒垃璃的重要性理前景. 关键词:P1)l'.基板玻璃:性能 Ab~mct:T1wtheury 【1rPDIwasintroducediJithisarticlerheneedIorprupevty'f'Motherawput~brwardfrom theprotes,~.ofmanufactureand.p1icatkmBaseduI1thecompan吣nSt2~"~2r;1lkir,t~tp1)pglass,thci:cnpmtallof PDpmotllerglasswithindcpmidelltin~ellcctualpropertyrighL~washrewI. Keywords:P1)Illotherglass;property 中圈分类号:T0;文献标识码:A文章编号:…13—8%5(20()6)02一f)04fi一 光电子显示是光电子技术和产业的重要组成 部分.显示器是各种视频信号和计算机数据信息的 终端显示器件,平板化,大型化和高清晰度是今后 显示器的发展方向,其种类将呈多元化.并随着科 学技术的飞速发展,不断出现各种各具特色的新型 显示器件. 作为平板显示器.主要有以下几类e见表1): 1等离子显示器 等离子显示器是继CRT,LCD之后的新一代 显示器,它问世于20世纪60年代,在20世纪90 年代中期开始批量生产.由于该器件具有一系列优 点.如视角广,薄型,图像无畸变,响应速度快,寿命 表1典型的平面显示装鲎的种类 舞哦.蔺胨...驾瓣4..墨静濞理一..._囊,霎薯 『r艄掘射线管电子柬轰啬荧光体家用电器,办公终端工业电视,计测船 VFD萤光显示器电子柬蠹击荧光体畔佛甘对箍,者蛳机摩电触涵 发光犁1I】澄光二极管Il_n接盎发光导向灯,音频嚣,计量器 PDP等离子最承掘气体l拙电.紫外缝淑裳荧光体寝堆电把捣示撮,OA帆l掩端厦 帚 f1p电子发光概有电场直接激发赞光体腆产生发光OA机终踹显示 L曲液晶显示撮禳晶的施兜性 妥光型光戢射.积色性白就瓤乎计掉机,时忡袖碜电褫QA辩鹰峨枣 ECD电谘显示桩氧化迹朦酬钾台式计黛机,调光窗玻璃,标识板 篷疆堰堋上业堰堋 图1PDP工作原理 长,具有较好的发光效率和亮度(亮度为30, 700cd/cm2,发光效率在0.1—0.5lm/W),有存贮功 能,宜制作大尺寸等,因此它是目前公认的实现高 清晰度数字电视和大屏幕壁挂电视最有希望的器 件,各国对它的研究开发相当活跃,具有广阔的市 场前景.而现在,与平板显示技术竞争大尺寸市场 的显示技术还没有出现. 1.1结构及工作原理 PDP按工作方式分为两大类:交流型AC— PDP和直流型DC—PDP.目前大多数公司研制和 生产的PDP都是采用AC型结构.AC—PDP又分 为对向放电和表面放电两种,其中表面放电AC- PDP的生产工艺水平和产品性能更为先进,它的 结构如图1所示.AC—PDP显示器有前后两块玻 璃基板组成,每个基板包含许多平行电极,两块极 板电极呈垂直状态密封在一起.后基板电极两侧制 造沟槽状的障壁,障壁的侧面分别涂红,绿,蓝3色 荧光粉两极板间隙充满一定压强的氦氙气体,极 板间的气体放电产生的紫外光激励荧光粉发出可 见光,前基板电极涂有SiO介质层,防止电极间直 接放电.介质层上覆盖一层MgO保护层,以保护 显示电极(前)和防止介质层被侵蚀.后基板荧光粉 上的MgO涂层主要是为了防止离子溅射. 等离子体显示技术(PlasmaDisplay)的基本原 理是:显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室 (一般都是氙气和氖气的混合物),电流激发气体,使 其发出肉眼看不见的紫外光,这种紫外光碰击后面 玻璃上的红,绿,蓝3色荧光体,它们再发出在显示 器上所看到的可见光. 1.2国内外概况 国际上,日本已有5家公司推出PDP模块产 品多家公司的107cm,127cm产品开始在日本和 中国等地销售,其中3家公司展出了152cm样品. 韩国的LG,三星电管,Orion,UPD,法国的Thom— son,中国台湾的中华映管,Acer,南亚等都加速了 开发和规模生产的步伐,投资兴建PDP生产线的 资金已超过20亿美元.2002年一2004年是PDP 产量的快速成长期.彩色PDP目前主要用于商务, 但是2003年以后增长速度最快的将是家用壁挂 电视. 国内PDP产业的发展已受到我国政府的高度 重视.国家科技部在"九五"推出了科技攻关项目 "彩色等离子体显示器工艺及实用化关键技术研 究"课题的研究和滚动项目"彩色等离子体显示器 关键技术研究",成功开发出53cm彩色PDP样机 和107cm显示屏初样,建成107cm彩色PDP试 验线,为下一步开展大屏幕彩色PDP生产技术的 研究打下良好的基础.研究开发方面,国内一些研 究所,企业,高校相继开展彩色PDP的技术研究. 它们有彩虹集团,55所,西安交大,东南大学和浙 江大学等. 1.3PDP的缺点及改进 PDP显示器的主要缺点:功耗大,以42英寸 为例,功耗达300W以上:由于采用平面晶体管制 造工艺,要达到小屏幕显示有一定困难;等离子显 示屏表面玻璃易碎,机械强度差,不能承受太大的 压力. 因此.提高PDP的性能主要通过以下几方面 进行:提高光效,提高亮度,降低功耗,提高分辨率, 改进对比度,克服虚像,提高彩色再现能力等. 2等离子显示屏用基板玻璃 随着彩色等离子体显示器分辨率的提高和屏 幕尺寸的增大,对彩色PDP显示器用基板玻璃的 要求也越来越高. 47 朋矾垠堋==|上业堰堋 图2等离子显示屏制造工艺流程 2.1基板玻璃的性能要求 2.1.1热性能的要求 由图2的彩色AC—PDP制造工艺流程图.可 以看出,组成彩色PDP的前后玻璃基板都需要经 过一系列的厚膜印刷和高温烘烤,烧结.通常这些 烧结过程温度在450,600~(2之间,封接温度为 380~400~C,排气最高温度为350?.因此,彩色 PDP基板玻璃的热稳定性对PDP的质量起着非常 重要的作用. 必须保证在上述高温的工艺处理过程中,基板 具有良好的耐热性,不得发生变形炸裂和热破碎等 现象.为此,需要具有高应变点的温度,该温度至少 应高于570~(2.在玻璃的应变点附近,玻璃的粘弹 性特性变化很快,从而导致玻璃基板产生弯曲,不 规则形变和热收缩.对玻璃基板而言,热收缩可能 会造成最大的形变.例如,在对角线为1m的彩色 ACPDPHDTv中,基板玻璃百万分之二十的不恰 当收缩就会产生至少,个像素的完全错位.因而, 基板玻璃具有高的应变点对PDP的质量也起着至 关重要的作用.另外为了沿用现己开发出来的 PDP材料,要求基板玻璃具有较高的热膨胀系数 (85x1O一7/?左右).但是,通常若玻璃具有较高的 应变点,则膨胀系数较低,这是开发这种新型基板 玻璃的难点之一.,. 2.1.2化学稳定性的要求 在等离子体显示器的生产过程中,要使用许多 化学溶剂,进行涂膜和光刻,这就要求基板玻璃具 有良好的化学稳定性.玻璃不能与构成PDP的介 避疆堰堋与上业堰塥 质材料和电极材料发生反应.在各种不同的光刻溶 剂的侵蚀下,基板玻璃不能产生可见的缺陷. 2.1.3电阻的要求 等离子体显示器(PDP)的基本结构(如图1)是 由前后两块玻璃基板组成的.在前基板上面制作有 汇流电极,透明电极,支撑电极等;后基板上则制有 与前基板上电极互相垂直的电极与肋条,并涂有荧 光粉.前基板作为PDP的阳极,后基板则作为 PDP的阴极.肋条用于隔离前后基板,以形成放电 空间,并分隔与构成像素单元,以防止因像素间串 扰而恶化像质.在放电空间内充有用作气体电离放 电的惰性气体(通常是氖气).从PDP的结构可以看 出,玻璃基板主要是用来密封内部的放电物质的, 它必须保证内部与外部的电绝缘性,因此要求基板 玻璃有较高的体电阻. 另外,PDP基板的面积比较大,要求玻璃要有 良好的平坦度,无气泡,结石等缺陷,比重要小,适 于大批量生产,如浮法生产等. 2.2PDP基板玻璃的选用和研发 2.2.1钠钙硅玻璃 目前.大部分PDP研究开发单位所用玻璃基 板仍为钠钙硅玻璃,也有使用在此基础上改进了性 能的钠钙硅玻璃,如旭硝子的Asahi玻璃,这种玻 璃的显着优点是价格便宜,且与已开发出的彩色 PDP其它材料相匹配,能进行大批量生产.但是这 图3钠钙玻璃基板的扇形变形 些玻璃的共同缺点是应变点低,热稳定性差. 玻璃的热稳定性在很大程度上取决于它的热 历史.玻璃的热历史是指玻璃从高温液态冷却通过 转变温度区域和退火温度区域的经历,包括在该区 域内停留的时间和冷却速度等. 为了消除玻璃中的内应力,必须将玻璃加热到 低于转变温度Tg附近某一温度进行保温均热,使 应力松弛,这一温度称为退火温度.平板玻璃的退 火温度区一般为550—570~C,而PDP制造工艺的 热处理温度为450600~C,高于钠钙硅玻璃的转变 温度下限,更明显高于玻璃的应变点温度,且存在 温度的不均匀性.这时玻璃易产生平面方向的变形 和弯曲.特别是在玻璃的批量生产过程中,用隧道 炉烧结玻璃基板时,由于前进过程中温度不均匀, 导致玻璃基板的扇形变形(如图3),这给大面积,高 精度PDP的制造带来很大困难.再则,在相当于玻 璃转变温度以上的区域内反复加热,冷却,如果冷 却不均匀,会在玻璃基板内产生应力,严重时会导 致基板一定程度的弯曲(如图4).因此,从PDP对 基板玻璃的要求和普通钠钙硅玻璃的特性来看,大 面积高清晰度PDP显示器基板玻璃采用钠钙硅玻 璃是不合适的. 2.2.2新型PDP用玻璃 由于传统玻璃具有不适合用做PDP基板玻璃 的一系列缺点,科研工作者便试图通过调整玻璃成 图4钠钙玻璃基板的弯曲变形 避矾堰埔上业堰堋 分找到一种符合PDP基板玻璃性能要求的新型玻 璃.目前,日本旭硝子公司和美国康宁公司已开发 出彩色PDP专用基板玻璃PD200和Cs25玻璃. 其玻璃成分如表2所示. 玻璃组分中碱金属氧化物已明显减少,其物理 性能也有明显改善.PD200比早期开发的Asahi 钠钙玻璃的应变点高6O?,热变形性能也比普通 钠钙硅玻璃的好.在PDP热处理温度区(600?) 普通钠钙硅玻璃有较大的变形量,而PD200则几 乎没有变形.Cs25的应变点高达610?,并且经过 表2PD200和Cs25玻璃的成分 表3ACPDP用玻璃的化学组成(质量%) 注1:uSP6313052B1专利为El本旭硝子[~12001年11月6日在美国注册的专利.其中对下列组分又做了一些限定SiO2+AI203:72—82%: MgO+CaO=5—72%;Na=O+K20=I-15%;MgO+CaO+Na2O+K20:18— 18%. 注2:USP6297182B1专利为13本旭硝子[~]2001年10月2日在美国注册的专利 .为高膨胀系数玻璃.其中对下列组分又做了一些限定 Na20+K20=7—15%;MgO+CaO+SrO+BaO=1O一17%.PD200应属于此专利范围. 注3:USP5459109位CORNING的PDP用无碱玻璃的专利,其中MgO+CaO+SrO+Ba048—51%. 厘疆堰堋与上业塬堋 表4PD200CS25与标准钠钙玻璃性能比较 应变点温度/?57061O50661O 退火点温度/?6206545-璋l5'_蠢 软化点温度/?830848726720 , . ._lll热膨胀系数/(xl07/?)_ f2O一300oC)83848583 密度(g/cm~)2.772-=88_.2.49 体电阻对数值1O566511 多次烧结,其热收缩也只有很小的变化,经过退火 后的Cs25在610.C对玻璃进行处理,其热膨胀小 于百万分之二十.而且Cs25在550,600.C时的弯 曲速率大约比标准的SodaLime钠钙玻璃的低3 个数量级. 表3为基板玻璃的专利介绍. PD200和Cs25新型基板玻璃在很多性能上 优于传统PDP用基板玻璃,现已实现工业化生产. 2.2_3我国正在研制的PDP用玻璃 根据PDP的使用要求,基板玻璃需采用铝硅 酸盐系统作为玻璃的基础组成,这对于现行的浮法 玻璃生产技术来说将带来一系列问题,如熔化温度 高,不易澄清与均化,对耐火材料侵蚀严重,使锡液 挥发严重等.中国建筑材料科学研究院的科研工作 者采用稀土氧化物掺杂改性技术,在提高玻璃的 电,热性能的同时,改善玻璃的熔化和成形性能,同 时采用富氧燃烧,负压澄清等创新技术,进行系统 研究,攻克理化性能与工艺性能相对立的矛盾,形 成具有自主知识产权的PDP基板玻璃配方及生产 工艺参数,实验室产品已由宁波天明电子股份有限 公司试用,基板玻璃的一系列性能均达到PDP的 要求,其性能列于表4. 3结语 伴随着现代信息处理技术和大规模集成电路 技术的飞速发展,显示技术正在发生一场革命,平 板显示器代替CRT已成为高技术发展的必然趋 势.平板显示器中技术成熟,有发展前景的主要是 液晶显示器(LCD)和等离子显示器(PDP).而等离 子显示器适合制作大尺寸显示器,随着PDP的迅 猛发展,其基础材料玻璃基板必将有很好的发展前 景目前欧美,日本等发达国家已经生产出的平板 显示器用玻璃基板占有90%以上的市场份额,而 国内生产尚处空白,主要依赖进口.因此开发研制 我们自己的FPD用玻璃基板,不仅有助于提高我 国平板玻璃产品及装备的整体技术水平,促进行 业的创新能力,同时也必将增强我国平板玻璃产品 在国际市场上的竞争力. 参考文献(略) 51