1 ITO 透明导电膜玻璃的发展与应用
ITO(氧化铟锡) 透明导电膜玻璃是国际上70 年代初研制成功的一种新型材料。它是制造液晶平板显示器(LCD) 的主要材料。LCD 顺应时代发展的潮流,作为人机接口产品而获得了高速增长。这种透明导电膜玻璃的膜层具有以下特性:
⑴膜层导电性能好,电阻率可达10 - 4Ω·cm;
⑵膜层硬度高、耐磨、耐化学腐蚀;
⑶膜层加工性能好;
⑷膜层可见光透过率高,可达85 %以上;
⑸膜层对紫外线具有良好的吸收性,吸收率不小于85 %;
⑹对红外线具有良好的反射性,反射率不小于80 %;
⑺对微波具有衰减性,衰减率不小于85 %。
由于ITO 透明导电膜玻璃生产技术难度高,工艺较为复杂,目前世界上仍只有少数工业发达国家能够工业化生产透明导电膜系列产品。日本已有数十条生产线,有效镀膜玻璃面积从300mm ×400mm 到850mm ×1250mm 等共有7 种规格,美国多纳利公司、德国莱宝公司也先后推出了系列化产品,有效镀膜面积从350mm×900mm到830mm ×1500mm 不等,以争夺LCD 市场。
1. 1 ITO 透明导电膜玻璃在LCD 领域的应用
ITO 玻璃在LCD 领域的应用十分广泛,目前LCD 有TN - LCD、STN - LCD 和TFT - LCD ,是信息产业的重要部件。
TN - LCD 是液晶显示器中最早上市的初级产品,如电子表、计算器、游戏机等。STN - LCD 则为较高档液晶显示器产品,如便携式电脑、电子记事本、翻译机、电子辞典及文字处理机等。TFT - LCD 为平面真彩液晶显示器,是新一代的LCD。它具有体积小、重量轻、能耗低、图像精确、无辐射、无闪烁、抗电磁干扰、屏幕反应速度快等特点,已成为笔记本电脑、台式电脑、各类监视器和数字彩电等电子产品中广泛应用的液晶显示器。此外,还有PDP 等离子体显示器、ELD 场致发光显示器,均属于新一代平板显示器。用PDP 制作的壁挂式电视机重量轻,可作公共信息标牌、会议厅演示系统以及台式计算机监视器。ELD 场致发光显示器尺寸可加大,在太阳能电池面板等电子产品中的应用日益增加。LCD 的增长大大拉动了电子工业对液晶显示器加工制作主要材料的需求。
目前我国已成为TN - LCD 产品的主要生产国之一,生产的TN - LCD 产品已大量用于计算器、电子(钟)表、温度计等各种小型显示器上,其中电子(钟) 表用LCD 约占世界市场的一半,计算器用LCD 约占世界市场三分之一。我国已建有LCD 生产线80 余条,年需求ITO 透明导电膜玻璃已超过400 万m2 。ITO 透明导电膜玻璃生产线建有十多条,年产导电膜玻璃150～200 万m2 ,市场缺口甚大。
随着电子产业的飞速发展,应用领域不断扩大,TN - LCD 大量生产和普及,LCD 已成为仅次于CRT(阴极射线管) 的主要显示器件。现在我国正向高档的STN - LCD 产品发展,国内已建多条生产线,安徽蚌埠华益导电膜玻璃公司第2 条STN - LCD 导电膜玻璃生产线近日已投产,可向国内已建的STN - LCD 厂家提供优质的玻璃基片。未来10 年中国可望成为世界最大的个人电脑市场,对LCD 玻璃需求将急剧上升。
1. 2 ITO 透明导电膜玻璃在工业、交通、建筑等领域的应用
ITO 膜玻璃作为面发热体,它可制作成多种功能的特种加工玻璃,如用于飞机、火车、汽车等风挡玻璃、宇航飞船的眩窗、坦克激光测距仪、机载光学侦察仪、潜望镜观察窗等,不仅起隔热降温作用,而且通电后还可除冰霜,因此在交通、宇航及国防工业中也得到广泛应用。
另外,利用ITO 膜玻璃还可制成多种多功能的工业及科研、国防等用建筑玻璃,如液晶调光玻璃、电加热玻璃及电致变色玻璃、防盗玻璃、电磁屏蔽玻璃和大面积太阳能玻璃等。已有建筑师采用透明导电膜玻璃制作成大面积太阳能电池屋顶,该建筑的全部能耗都来自屋顶的太阳能电池供给,其中太阳能玻璃( ITO 膜玻璃) 功不可没。不论是ITO - nip 型、ITO - pin 型,还是肖特基型或异质结构型,均镀有一层ITO 膜作为减反射层和透明电极。这种太阳能玻璃屋顶建筑已被誉为洁净的生态环境建筑物。另外,由于ITO 导电膜层对微波具有衰减性,其衰减率不小于85 % ,因此,用ITO 导电膜制成的电磁屏蔽玻璃,已作为特殊建筑物的窗玻璃或幕墙玻璃,可广泛用于计算机房、演播室、工业控制系统、军事建筑物、外交部门的建筑物门窗玻璃以及有保密要求或防干扰要求的场合。这种ITO 膜电磁屏蔽玻璃在1GHz 频率时具有衰减30～50dB 的屏蔽能力(即仅有1/ 1000 的入射量) ,用于计算机房、雷达的屏蔽保护区及国防、军事等建筑物防电磁干扰的透明门窗,可完全防止由于外界电磁波的入侵而使电子设备产生误差和保密信息的泄露。高档的防屏蔽玻璃产品对外界电磁微波可衰减到80dm ,是国防、军工优先选用的玻璃制品。
目前日趋普及的家用电微波炉的观察门亦可用ITO 膜屏蔽玻璃替代。利用ITO 膜玻璃制作的防护眼镜,具有防紫外线和反射红外线功能,更是倍受眼镜玻璃业的欢迎。
近年来我国高层建筑物大量采用玻璃作为墙体材料,尤其是高寒地区高层建筑物,玻璃幕墙会使冬季室内热量向外散逸,使取暖的能源费用增加,如果在幕墙的双层中空玻璃内侧选用低辐射系数的ITO 膜玻璃,可节能40 % ,十分可观。
在建筑上,大面积的ITO 透明导电膜玻璃还可用作为各种商业建筑的贵重商品防盗厨窗,当玻璃被盗贼击破时,通过导电膜及传感器能及时发出报警信号。在医院和科研设施, ITO 透明导电膜玻璃已被用作温室玻璃、透明加热保育箱和怛温槽等。
我国每年冰柜门玻璃需求量高达60 万m2 以上,以往均依靠进口,用这种ITO 膜玻璃完全可替代传统的双层隔热玻璃,它用于冷冻冷藏柜具有防结露和反射红外线功能,可节能40 %左右。随着银行、邮政、机场、旅游业车站的建筑设施现代化发展,亟需用ITO 膜玻璃制作透明指触式控制板和显示操作器进行人机对话的电脑服务装置。如果以软件配合,还可用图型表面装键多重化,对于工业界多仪表集中控制操作既简便又直观。
人类已进入21 世纪,随着电子工业的飞速发展,ITO 透明导电膜玻璃的应用前景极其广泛。
2 ITO 透明导电膜玻璃的生产工艺
2. 1 ITO 透明导电膜玻璃生产工艺简介
ITO 透明导电膜玻璃的生产有三个必备条件,即:镀膜设备、ITO 靶材和透明超薄玻璃(0. 4～1. 3mm) 。
ITO 透明导电膜玻璃的膜层镀制是工艺的核心技术,它可以采用多种方法,有磁控溅射法(直流磁控溅射和射频磁控溅射) 、真空蒸发法(电阻加热或电子束加热) 、浸渍法、化学气相沉积法、喷涂法等5 种工艺。目前采用较广的是直流磁控溅射法,用该工艺进行连续镀ITO 膜层,具有膜层厚度均匀、易控制、膜重复性好、稳定、适于连续生产、可镀大面积、基片和靶相互位置可按理想设计任意放置、可在低温下制取致密的薄膜层、可采用合金靶反应溅射、也可采用氧化靶直接溅射等诸多优点。该工艺适用于大规模工业化生产, ITO透明导电膜玻璃质量好,规格品种多,耗能低。
首先备好规定厚度尺寸的(0. 4～1. 3mm) 超薄玻璃片,预处理经去离子水洗、超声波洁净,进入真空室后,先进行SiO2 镀制,然后进入ITO 镀膜室镀制ITO 膜,经加热固化退火后获得成品。ITO 导电膜玻璃全工艺过程均在高真空状态下洁净无尘通入Ar (氩) 和O2 (氧) 气体,经过磁控溅射作用,在玻璃基片表面沉积氧
化铟锡薄膜及加热退火后而制成。在镀膜工艺生产时,注意ITO 膜主要特性是透明和导电,影响这两个指标的最主要因素有溅射电压、沉积速率、基片温度、溅射压力、氧分压及靶材的Sn/ In 组分比。因此,在镀制ITO透明导电膜时,应尽可能低电压溅射,防止膜层因受离子轰击而损伤,使膜层电阻增大及形成低价黑色氧化物InO ,降低了ITO 玻璃的透光率。
2. 2 ITO 透明导电膜玻璃的生产设备及主要材料
生产品质优良的ITO 透明导电膜玻璃与选用的设备精良与否密切相关。目前日本、美国、德国等工业发达国家大多采用磁控溅射多室的直列串联式工艺装备线生产ITO 玻璃。其玻璃基片架均为立式双面型,并能连续移动镀膜作业,生产工艺流程全部自动化控制。目前国内厂家采用的设备线有美国、德国、日本及我国沈阳和深圳等公司生产的装备线。1993 年前,只有深圳南亚公司引进1 条美国80 年代的装备线,年产3万m2 ITO 导电膜玻璃。1994 年沈阳真空技术研究所与深圳南亚公司合作,首次开发成功年产12 万m2TD -750 型自动化透明导电膜玻璃生产线。1995 年深圳和广州两地又引进了德国和日本公司的3 条ITO 导电膜玻璃生产线,使全国年总产量达到40 万m2 。1996 年蚌埠华益导电膜玻璃有限公司引进美国1 条STN - ITO导电膜玻璃生产线,年产10 万m2 。随后不久,在石家庄、芜湖、深圳及江苏金坛等地又先后建成国产线多条,总计10 余条装备线,年总生产能力150～300 万m2 。从目前ITO 导电膜装备来看,日本真空技术株式会社开发的SDP 系列连续磁控溅射设备在国际市场销量较大,1993 年已产63 条。德国莱宝公司推出的ARIS2TO1200 - 6 型ITO 镀膜机有其新的先进性,被国际市场看好。
2. 2. 1 国外装备
⑴美国GCS - 16 型透明导电膜玻璃生产装备线
该装备进入中国市场较早,已在安徽蚌埠华益及深圳南亚公司运行多年,其装备性能及产品质量较好。该设备系80 年代末全自动控制装备线,它是在高度净化的厂房中利用平面磁控镀膜技术,在超薄玻璃基片上沉积氧化铟锡薄膜,生产TN - LCD 及STN - LCD 导电膜玻璃,年产60～80 万片,约合10 万m2 。产品规格有14″×14″×0. 4～1. 1mm ,14″×12″×0. 4～1. 1mm ,14″×16″×0. 4～1. 1mm等,生产的ITO 导电膜玻璃各项指标均达到国际通用标准。其面电阻R ≤150Ω/ Ö ,光透过率T ≥85 % ,膜层厚度为250 ±30! 。国内早期引进该装备线已获良好经济效益。
⑵德国NEW ARISTO 1200 - 6 型真空镀膜机
由德国莱宝公司推出的NEW ARISTO 1200 - 6 型真空镀膜设备,属德国新开发设计的新一代真空镀制ITO 透明导电膜玻璃的装置。该装备线主要由超薄玻璃清洗机、真空室、真空泵、真空测量计、溅射阴极、控制系统及成品检测仪、真空检漏仪等70 多台(套、件) 所组成。装备线主要特点大致如下:
⑴体积小、占地少、经济合理 该设备占地面积13. 2m ×4. 5m ,高约3m。由于该设备采用返回轨道薄膜沉积技术,充分发挥真空腔室利用率,设备体积只有该公司早期产品的一半;
⑵能生产多种规格尺寸的ITO 玻璃基片 该机淘汰了V 型玻璃基架,使上机的玻璃基片不再受到框架的限制,适合多种规格玻璃基片的ITO 膜镀制,大大拓宽了基片镀膜产品品种。
⑶直接镀制SiO2 膜层(具有射频装置室) 该设备可直接镀制SiO2 (氧化硅膜) ,使ITO 透明导电膜玻玻璃与搪瓷璃制造商可直接购买英、比、德、日等国生产的超薄玻璃原片,用该设备自行镀制SiO2 膜,使ITO 透明导电膜玻璃成本大为降低,获利上升。
⑷适合镀制各种不同性能的膜层 该设备不仅可镀制TN 型、STN 型,还可镀PDP、ELD 等多种导电膜玻璃的膜系,具有广泛的适用性。
⑸设计合理,易于保养 该设备采用了模式化腔室的设计,并且各腔室尺寸结构一致,便于维护保养,且各腔室零部件均可通用互换。还可根据生产工艺要求,便利地增加或减少腔室与阴极数。
另外该设备一改过去需从空气中长距离返回的玻璃基架为新型的返回轨道薄膜沉积技术,使基片在首先镀制SiO2 膜后,能迅速镀制ITO 膜层,玻璃基片在设备一端进出,使玻璃基片架暴露在空气中的时间大为缩短,玻璃基片所受空气中的残留尘埃污染大大减少,产品质量得到提高。
莱宝公司1200 - 6 型设备集真空技术和磁控溅射于一体,它能采用射频RF 溅射SiO 膜,用ITO 靶材真空高温镀制透明导电膜层,又由于装置中的阴极采用移动磁场,使靶材利用率高达50 % ,而以往该设备的靶材利用率只有25 %～35 % ,为此大大降低了ITO 玻璃的生产成本。另外由于该装备中使用了分子泵,可使真空度达到8 ×10 - 5Pa 以上,使空腔室无油渍污染现象出现。设备传动机构采用磁悬浮导轨,不但使设备运转稳定,且无机械摩擦,确保了各腔室的清洁度。该设备的控制系统使用PLC 可编程序逻辑控制器,使用PC机操作管理,还配有在线光学透过率检测系统,采用PC 机自动监控并与主机PC 机相连自动校正工艺参数。
该镀膜装置生产出用于TN、STN、TFT 的ITO 导电膜玻璃,其质量达到欧洲标准。该生产线还配有膜质检测仪(包括ITO 膜厚测试仪、分光光度计、SiO2 膜厚和折射率检测设备、四探针电阻测试仪) 。
