PDP前后基板制造技术的研究进展教程文件

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。PDP前后基板制造技术的研究进展-PDP前后基板制造技术的研究进展摘要：综述了等离子体显示器（PDP）前后基板的研究进展对基板玻璃性能要求及其热性能的分析及改进方法，几种使用的基板玻璃，以及基板玻璃的生产工艺关键字：PDP前后基板性能基板玻璃生产工艺1PDP结构示意图及工艺制造流程图2.PDP的工作原理PDP的工作气体为惰性气体Ne+Xe,利用Ne的亚稳态与Xe的碰撞,产生电离雪崩,使Xe电离成,再经内部能量驰豫,到Xe的1s激发态.当它跃迁到基态时发出147nm真空紫外光,该紫外光激发红、蓝、绿色荧光

2、粉,发出可见光显示图像.离子亚稳态原子及高能光子可以从阴极表面轰击出次级电子,当这些次级电子满足时,气体的电离可保持自维持状态.式中a为次级电子的发射系数,U为外加电压,是电离系数.由于PDP的伏安曲线具有很强的非线性,选址时间较短,在矩阵选址中它的行数可以达到2k,像素间距0.33mm,障壁宽度30m,物理分辨率可以达12801024,亮度50500cd/m2,对比度200400,视角可达160.由此可见,PDP达到了我国数字电视的图像显示标准.3基板玻璃的性能要求31热性能的要求由图1的彩色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

3、。通常这些烧结过程温度在450600C之间，封接温度为380400C，排气最高温度为350C。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。对目前PDP的基板玻璃来说，很多烧结过程的温度高于玻璃的应变点，我们知道，在玻璃的应变点附近，玻璃的黏度一弹性特性变化很快，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lm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一个象素的完全错位。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。另外为了沿用现已开发出来的PDP材料要求基板玻璃

4、具板玻璃具有较高的热膨胀系数。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。32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。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。3.3电阻的要求等离子体显示器(PDP)的基本结构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，并分隔与构成象素单元，

5、以防止因象素间串扰而恶化象质。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。4.PDP基板玻璃的热性能分析在PDP开发初期，普遍使用钠钙浮法玻璃，随着大屏幕、高分辨率PDP的研究开发，发现基板玻璃在反复烧结时容易引起玻璃热收缩量的较大变化，甚至发生扇形弯曲，这一现象是什么原因造成呢?我们来分析以下玻璃的热膨胀曲线，对于经过退火的玻璃，其膨胀曲线符合图2所示的特征。玻璃经过加热，b点为转变点，在膨胀曲线的ab段近乎成直线关系，bc段变化比较剧烈，玻璃呈粘弹性

6、。我们知道，玻璃在低于凝固点时，可认为其结构单元已大体上互相结合。不过这些结构单元总还存在一些有限的活动性使它们能相对更换位置。网络中结构单元朝着能量分配更恰当的位置的转换过程在高温时进行的很快。图3很清楚地显示出在Tg以下温度时玻璃流动的现象。直径2cm的玻璃棒a由于在冷却时形成内部的拉应力和表面的压应力，只要将玻璃棒加热到90，即距离Tg还很远的温度，原来磨的十分平整的玻璃棒会变成b的形状。这种变形冷却到室温后也不能完全复原，而只是呈c的形状。玻璃熔体在软化区间的黏度为，在转变范围的黏度为。这就是说，转变点在一定条件下可在一定范围内变动。H沙尔孟通过试验发现相同组成的玻璃冷却速度不同，长度

7、变化与温度的关系曲线全然不同。这是由于玻璃的冷却速度不同时导致玻璃结构疏密程度不同，因而使得玻璃在室温时有不同的长度尺寸。所以当尺寸相同的玻璃重新经过相同的升温、降温过程也极有可能导致最终玻璃尺寸不同。因此说，玻璃重新加热后，其冷却曲线和加热曲线是不重合的。这样偏离的程度与玻璃的组成及热历史有关。通过上述分析，当玻璃加热温度在Tg温度以下时，冷却后玻璃一定存在一定的收缩形变，但这种变化具有一定的规律性，在制作PDP时可以通过实验，将变形量考虑在模板上予以校正。当玻璃加热温度在Tg温度以上时，冷却后的收缩形变将十分剧烈，并且难以把握其规律。普通钠钙浮法玻璃Tg温度为520540，对于PDP在58

8、0600的最高制作温度，早已越过了转变温度，因此不可以作为PDP玻璃基板使用。对PDP基板玻璃而言，要求其具有较好的热学性能，有较高的转变点、软化点，同时在膨胀系数上应能与所用浆料相匹配，即膨胀系数必须在。属于一种近于无色高透过率的优质平板玻璃。为了解决普通钠钙玻璃在PDP应用中出现的问题，日本旭硝子开发出了一种PD200玻璃，该玻璃最大的特点是热膨胀系数与钠钙玻璃几乎一样，而应变点和退火点比钠钙玻璃都提高了60左右，从而使基板上的浆料的烧成温度都比PD200的应变点低，大大改善了基板玻璃的热稳定性。西安交通大学卜忍安教授对PDP专用基板玻璃与普通玻璃在PD制作中的热收缩进行了比较实验。图4示

9、出了PD200和普通钠钙玻璃热收缩量与热处理温度的变化关系。从图4可以看出预处理后的PD200在低于580时不同烧结温度的热收缩比普通钠钙玻璃小得多。这主要是由于普通钠钙的TgP温度为540，PD200的Tg温度为620，在低于580的温度下PD200的收缩呈现线性规律变化，而普通钠钙玻璃在经历580的处理后其收缩不再符合线性规律。5.PDP用基板玻璃51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，这种玻璃的显著优点是价格便宜，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。但是这些玻璃的共同

10、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。在转变温度区域内，玻璃由于粘度逐渐增加而从典型的液体状态逐变成具有固态物体各种性能(即弹性、脆性等性质)的物体。对应地，Tf为转变温度区上限，相当于粘度为Pas时的温度，Tg为转变温度区的下限，相当于粘度为1Pas时的温度。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。退火温度可分为最高退火温度和最低退火温度。最高退火温度相当于粘度为1Pas时的

11、温度，在该温度下经过3min，玻璃的应力能消除95%，在最低退火温度下经3min，玻璃的应力能消除5%。称为玻璃的应变点或称为变形温度，在该温度下，玻璃中应力正好不能消除，相当于粘度为1Pas左右时的温度。由温度与粘度的关系可得：平板玻璃的退火温度区一般为550570，而PDP制造工艺的热处理温度为450600，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2)这给大面积、高精度PDP的制造带来很大困难。再则，在相当于

12、，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3)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不合适的。5.2铅玻璃另外，目前铅玻璃也常被用做PDP的基板玻璃，这是因为铅玻璃具有良好的电气特性，并能在600的温度下烧结。但由于铅有较大的氧化还原性，在烧结中会与氧化还原性小于它的金属电极材料，例如镍发生反应，使铅玻璃中的离子形式存在的铅变成金属铅。又因铅的熔点低，蒸汽压强高，这就会在基板玻璃与电极材料间生成气泡，降低两种材料粘接的强度。此外，铅玻璃还存在一个最严重

13、的问题，就是它的毒性，含铅的材料会对人体健康和社会环境造成严重的危害。因此，铅玻璃也不是用做PDP基板玻璃的理想材料。5.3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1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60，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PD2

14、00则几乎没有变形。这种玻璃可与日本浆料生产厂家Noritake的浆料配套使用，Noritake的浆料(介质、导体等浆料)推荐烧成温度为550，保温10min。Cs25的应变点高达610，并且经过多次烧结，其热收缩也只有很小的变化，经过退火后的Cs25在610对玻璃进行处理，其热膨胀小于百万分之二十。而且Cs25在550600时的弯曲速率大约比标准的SodaLime钠钙玻璃的低3个数量级。Cs25可与杜邦公司开发的各种浆料配套使用。杜邦公司用于PDP的浆料烧成温度为590，保温10min.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，但由于成本太高，至今仍没有实现大规模

15、的工业化生产。6.PDP基板玻璃的组成和生产工艺通过上述分析知道，PDP基板玻璃的组成必然与普通钠钙玻璃不同，同时由于PDP的特殊性能、质量要求，决定其生产工艺也应有别于普通Na-Ca玻璃，下面对此特点作一分析。61PDP基板玻璃的组成PDP基板玻璃的基本组成目前比较成熟的有含碱的系统和无碱的系统。日本旭硝子(株)特开平8165138公布的玻璃及日本电器硝子(株)特开平8-290938、8-290939公布的玻璃均属于含碱的系统；康宁公司USP5459109公布的玻璃属于系统。(1)系统基板玻璃系统基板玻璃有代表性的基本组成为()：(2系统基板玻璃康宁公司USP5459109首先公开了系统的P

16、DP基板玻璃。在这一类型的基板玻璃组成中没有一价碱金属，其组成范围是：澄清剂0-1.56.2PDP基板玻璃的生产工艺PDP基板玻璃属于电子器件特种玻璃，对产品质量要求很高，大多数要达到光学级的要求。其生产工艺必须考虑能充分满足产品的最终质量要求。玻璃的熔制和澄清上述两种系统的玻璃，由于系统中，引入了高温易挥发的生产十分难以控制，大多数生产者倾向于采用系统，本节在讨论玻璃的熔制和澄清时主要对系统进行了较为详尽的论述。PDP基板玻璃在熔化时，熔制温度较高，比传统钠钙硅玻璃高60以上，高温粘度大，配合料熔化困难，气泡难以排除。而用户对产品的要求达到光学级，大于0.2ram的气泡不允许存在。因此其熔制

17、的难点主要在于澄清过程。目前，常用的澄清工艺是大澄清部延时澄清，国内的全部浮法线及国外的大部分均采用这种方法，其特点是将熔窑的澄清部加长，使玻璃在该部位停留时间延长，让玻璃中的小气泡有充足的时间上升到玻璃液表面排出或者溶解于玻璃中。其优点是投资少，工艺简单。缺点是，澄清效率低、浪费能源，基本属于自然排泡，残留气体量较高，微气泡难以排除。对于PDP基板玻璃采用这种方法，根本无法保证产品对气泡的要求，因此必须采用先进的澄清工艺。国外基本成熟的先进澄清方法有两种：第一，降低玻璃液厚度的薄层澄清法，这种方法的特点是在澄清区采用特殊结构使玻璃液层明显变薄厚度在10cm以下，内层玻璃被提到浅层或表面，加速

18、气泡排出。这种方法又分为窑坎澄清和通道澄清，前者是在熔化和冷却中间窑炉底部被一个阶梯状提升的窑坎分开，窑坎横跨整个池窑。窑坎部分作为澄清部使用，亦称为澄清坎，由于在该部位玻璃液厚度在lOcm以内，玻璃液层的大幅度变薄，使熔体内的气泡很快到达液面，有利于气泡的排除，显著提高澄清效果。后者是在熔化部末端加有一段内部特殊处理的白金通道，玻璃从中流过得到澄清。第二，采用负压(真空)澄清，比较成功的是日本旭硝子的PDP基板玻璃生产线，其特点是在熔化部末端特殊处理的白金通道内处于真空状态，当玻璃流过时，气体快速排出，这是目前最好的澄清方法。通过以上分析，认为PDP基板玻璃在熔制工艺上应采用全新理念，全面改

19、进提高窑炉的技术水平，以达到特种玻璃及高品质玻璃的质量要求。1)改变窑炉结构，引进开发新的澄清工艺传统玻璃熔窑玻璃液在池窑内熔化时，存在两大回流。在两大回流中间有一滞止三角区，该三角区位于热点下方。当生产工艺出现波动时，该三角区便发生变化，三角区内未熔化的颗粒及各种杂质便带入后面生产流中，引起质量大幅度降低。新的窑炉结构第一应在熔化部和冷却部有效的分隔玻璃液的流动，充分提高玻璃质量，稳定生产工况；第二，应能大幅度减薄玻璃液层，使熔体内的气泡很快到达液面，大量减少微气泡数量，显著提高澄清效果。2)新的加热技术该项目拟采用全氧燃烧技术和电助熔技术。全氧燃烧技术全氧燃烧技术已在国外的一百多座玻璃窑上

20、使用。有资料表明该项技术的使用有四大优点：a)节能降耗。由于全氧燃烧可以避免大量助燃空气的加入，而助燃空气会带走很多的热量，浪费能源；b)低污染排放，助燃空气的加入便增加了NOx的排放，同时烟气排放量增加；c)提高玻璃质量。全氧燃烧使燃料燃烧更加充分，不易产生燃料杂质污染玻璃，对采用清洁能源尤其明显d)可以实现高温。对于PDP基板玻璃，由于其熔化温度高，传统燃烧方法难以达到需要的高温，而采用全氧燃烧技术可以使熔窑温度达到1680。电勖熔技术在窑炉的某些特殊部位设置助熔电极，如投料池底部电极，可以显著提高融化效率；在熔化部关键部位横向设置电助熔，由电极产生的能量对池底玻璃产生有效快速的影响。通过

21、电压调节更容易平衡窑内各点温度，稳定玻璃液流，使生产更加稳定，有利于保证产品质量；在澄清部设置电助熔，有利于玻璃液中气泡的排出。鼓泡技术在熔化部热点鼓泡具有以下优点：a）可以增加未熔物在高温区的停留时间；b)增加玻璃液的搅拌作用，进而增加回流的速度梯度，提高熔制效率;c)稳定热点流动结构，稳定熔制工艺;d)熔制工艺进一步得到强化，提高产量在澄清部采用氧鼓泡技术，具有三大优点，第一，可以造成明显的垂直环流，将底部低温玻璃液带到表面，将表面热玻璃液带到底部，使玻璃得到更好的均化。第二，将底部气泡带至表面充分排出，同时引入氧气还可起到化学澄清效果，综合提高玻璃液的澄清质量。第三，鼓泡形成的气幕有效阻

22、挡熔化区玻璃未熔颗粒进入澄清区。PDP基板玻璃的成型退火成型PDP基板玻璃的厚度一般小于3毫米，属于薄板玻璃，目前，薄板玻璃的成型方法有平拉法、下拉法及浮法等工艺方法。由于采用浮法生产工艺与上述其它工艺相比具有：产量高、质量好；规格大、品种多；生产稳定、作业期长的优点。所以，大多数PDP基板玻璃的成型均采用浮法工艺。对于浮法工艺玻璃成型的温度粘度范围选择在温度粘度曲线的弯曲部分。这时的玻璃液最适于成型，其粘度范围为泊，根据玻璃的温度-粘度曲线及其它各项特征来制定流槽口到锡槽末端的各项温度条件，对锡槽砖材、电加热进行配置。但是由于PDP基板玻璃的温度粘度曲线在成型范围比较陡峭(如图5所示)，从图5中可以看出随着温度的降低，恰好在成