新型顯示用玻璃材料發展回顧及展望

轉自：科創中國

新型顯示用玻璃材料是新型顯示關鍵基礎材料，本文回顧了薄膜晶體管液晶顯示（TFT-LCD）和有機發光二極管顯示（OLED）用玻璃材料研發情況，包括基板玻璃、蓋板玻璃、觸控玻璃、柔性玻璃4類超薄玻璃，對比分析了國內外發展概況，發現中國在基板玻璃技術研發和產業實施方面與國外尚有差距；在蓋板玻璃產能方面具有領先優勢，但柔性玻璃和OLED基板玻璃等高端產品尚需努力；觸控玻璃已積累了豐富產業經驗，產能和質量水平處於領先優勢。對於新一代微小間距發光二極管顯示（MLED）而言，應進行前瞻性基礎研究、技術開發和產業化工作。

目錄

 1、國內顯示玻璃產業概況

1.1 基板玻璃

1.2 蓋板玻璃

1.3 觸控玻璃

       2、國外顯示玻璃行業概況

2.1 基板玻璃

2.2 蓋板玻璃

2.3 觸控玻璃

       3、新型顯示玻璃發展趨勢

隨着電子信息產業的發展，顯示屏應用幾乎無處不在，如智能手機、平板電腦、筆記本電腦、顯示屏、信息查詢機、電視、多功能顯示屏等。目前，顯示屏以薄膜晶體管液晶顯示（TFT-LCD）和有機發光二極管顯示（OLED）2類為主，TFT-LCD佔據主要市場份額，OLED正處於蓬勃發展的上升階段。新型顯示用玻璃材料（以下簡稱顯示玻璃）是構成顯示屏的關鍵基礎材料，具有不可或缺性。顯示玻璃在產品形態上具有超薄（0.4~1.1 mm）或柔性（20~100µm）特徵，在理化工藝性能方面具有較為嚴苛的指標要求。隨着全球和中國顯示產業的發展壯大，給顯示玻璃發展帶來很好的機遇和前景。

美國和日本的顯示玻璃的研發和生產起步於20世紀90年代，技術相對成熟，而中國起步相對較晚，技術及產業方面尚存在一定差距。中國的TFT-LCD顯示產業起步於2005年。2018年，中國的京東方科技集團股份有限公司成功趕超韓國企業成為全球最大的液晶面板生產企業。2019年，華星光電技術有限公司成為全球第3大顯示面板生產企業。在京東方和華星光電等面板顯示企業的帶領下，2019年中國已成為全球第1大顯示面板製造國。至今投產和在建的G8.5/G8.6面板生產線達16條、G10.5/G11面板生產線5條。在未來5年內，全球LCD基板玻璃需求量將從5.9億m2增長到6.8億m2，其中，中國LCD基板玻璃需求量將達4.4億m2；另外，中國在建和擬建OLED顯示面板生產線將達17條，涵蓋G4.5~G8.6面板規格，為高分辨、高色域、超薄化、柔性等高端顯示產品提供支撐，OLED基板玻璃需求將達0.43億m2，因此，中國將成為顯示玻璃需求大國。

1、國內顯示玻璃產業概況

中國顯示玻璃發展已有近50年曆史，從20世紀70年代開始發展陰極射線管顯示到21世紀之初的新型顯示，隨着新型顯示產業的蓬勃發展，顯示玻璃需求量呈快速增長趨勢，中國顯示玻璃總需求量超過6億m2。按顯示玻璃用途大致分為3類：基板玻璃、蓋板玻璃、觸控玻璃。

1.1基板玻璃

基板玻璃是液晶顯示（liquid crystal display，LCD）和OLED面板的關鍵基礎材料，是薄膜硅晶體管（TFT）和彩膜（CF）的基板/載板。

LCD發展歷史相對悠久，20世紀70年代在美國實現雛形，20世紀80—90年代在日本實現產品應用，從小尺寸黑白顯示，再到彩色顯示，直至TFTLCD技術全面突破。在技術方面不斷創新，應用領域不斷擴大，逐步向大型化、超薄化、多功能方向發展。目前，LCD面板最大規格已達G11世代（2940mm×3370 mm），顯示品質和顯示效果不斷提升。

OLED顯示已逐步發展爲新一代顯示產品，其研發歷史可以追溯到1987年，鄧青雲和Slyke等開發出具有實用價值的OLED器件，使得OLED技術獲得廣泛關注。OLED具有自發光、厚度薄、對比度高、視角廣、可用於柔性顯示等特點，已成為顯示行業新寵，具有良好的產業前景。

2004年，中國京東方和上海廣電信息產業股份有限公司分別引進日本和韓國的LCD顯示面板製造技術，率先啟動了中國的TFT-LCD顯示產業，而LCD顯示的關鍵性基板玻璃主要依賴於從日本、美國進口，因而價格昂貴，每平方米價格高達400~500元人民幣。為打破行業壟斷，降低製造成本，2005年，河南安彩高科公司率先對LCD基板玻璃開展產業研發工作，廣泛收集資料並開展基礎研究，申報了中國最早的基板玻璃專利，后因資金問題，項目被迫終止。2007年，彩虹集團與東旭集團合作實現了中國第1條TFT-LCD基板玻璃生產線的產業化工作，在技術和裝備經驗相對比較欠缺的情況下，經過艱苦卓絕的技術攻關，2008年9月8日在咸陽生產出中國第1片G5規格（1100 mm×1300 mm）基板玻璃。其后，東旭集團、彩虹集團及中國建材集團在國內先后建成G4.5（730 mm×920 mm）、G5、G6（1500 mm×1850mm）、G7.5（1950 mm×2250 mm）生產線。2008年以后，彩虹集團、東旭集團、中國建材集團先后投入到LCD基板玻璃產業中。在咸陽、合肥、張家港、成都、鄭州、石家莊、蕪湖、蚌埠、青島、邵陽建設了LCD基板玻璃生產線。2019年9月8日，中建材（蚌埠）光電材料有限公司研發的浮法G8.5（2200mm×2500mm）LCD基板玻璃在安徽蚌埠成功下線；2020年2月18日，彩虹集團自主研發的溢流法生產厚度0.5 mm的G8.6（2250 mm×2610 mm）LCD基板玻璃在安徽合肥成功下線，至今已累計建設7條生產線，標誌着技術成果的成熟和可靠，可以實現規模化複製。中國LCD基板玻璃生產線信息如表1所示。

表1 中國LCD基板玻璃生產線情況

從表1可知，國內的G6 LCD基板玻璃生產線數量遠高於G5 LCD基板玻璃生產線數量，這與中國大陸及臺灣地區的LCD面板產能密切相關，另外，隨着世代規格增大，單線產能也隨之增大。對於溢流法生產而言，G5/G6 LCD基板玻璃生產線日熔化量一般為10~13 t/d，G7.5 LCD基板玻璃日熔量達到17~18 t/d，G8.5/G8.6 LCD基板玻璃日熔量達22~30 t/d，浮法工藝的單線熔化能力更大，可達50~70 t/d。目前，中國LCD基板玻璃生產主要以溢流法為主，浮法工藝生產LCD基板玻璃的產業化時間尚不足5年，還在不斷完善與提升過程中。

1.2蓋板玻璃

2007年，美國康寧公司研發的高強超薄蓋板玻璃成功用於蘋果公司iPhone手機的屏幕保護，該款玻璃為可化學強化的鹼鋁硅玻璃，其表現出較好的抗摔和耐劃等力學特性，於是具有屏幕保護功能的蓋板玻璃引起手機廠商的廣泛關注和青睞，中國、日本、德國等國家的科研機構和玻璃廠商紛紛加入到蓋板玻璃研發與試產中，極大地促進了蓋板玻璃產業發展與繁榮。蓋板玻璃有助於移動終端設備（智能手機和平板電腦）的屏幕保護。蓋板玻璃屬於鹼鋁硅玻璃體系，可以通過一步或多步法化學強化增強，玻璃中的Al2O3質量分數為5~35，按Al2O3含量不同可將蓋板玻璃分為低鋁玻璃（質量分數為5~8）、中鋁玻璃（質量分數為8~12）、高鋁玻璃（質量分數為12~19）、超高鋁玻璃（質量分數大於等於19）。

蓋板玻璃產品厚度主要以0.5~0.9 mm為主，目前，化學強化和微晶化是蓋板玻璃力學性能提升的重要技術手段。壓應力（compressive stress，CS）和離子強化層深度（depth of layer，DOL）是評估蓋板玻璃抵抗衝擊和表面劃傷性能的重要參數。

中國蓋板玻璃的產業研發可追溯至2007年下半年，蘇州新吳公司委託北京工業大學進行技術開發，2008年，申報了中國最早的蓋板玻璃專利。2010年，蘇州新吳公司推出牌號為GD1717高鋁蓋板玻璃，建成一條10 t/d的浮法玻璃生產線，Al2O3質量分數為17，產品厚度最小為1.0 mm，無法達到下游用户要求的0.8 mm，最終被迫停產。同期，成都光明光電公司獨立開展研發，於2009年申請鋁硅酸鹽玻璃專利，產品商標為鎧甲（Loricae），產品牌號MJB3-MJB5，於2012年成功建成一條30 t/d的浮法高鋁蓋板玻璃生產線。2010年，武漢理工大學對蓋板玻璃化學組成、熔化、成型等方面開展了系統研究。2011年，中航特種玻璃技術有限公司與海南大學合作研發，2015年，該團隊將研究成果轉移給重慶鑫景公司，經過進一步開發、實施后，於2018年8月成功點火投產一條浮法高鋁蓋板玻璃生產線。2011年，蚌埠玻璃工業設計院對蓋板玻璃展開系列研究並申報專利，籌建了中建材（蚌埠）光電材料有限公司，於2017年5月成功點火投產了一條浮法高鋁蓋板玻璃生產線。2014年，四川旭虹公司與北京工業大學開展技術合作，將原有等離子顯示（PDP）玻璃（Al2O3質量分數為7）產品成功轉產為高鋁蓋板玻璃（Al2O3質量分數為13.5）產品，取得了很好的經濟效益和社會效益，2018年獲得國家科技進步獎二等獎。南玻集團於2015年和2018年分別在廣東清遠和湖北咸寧各投產建設一條浮法高鋁蓋板玻璃生產線。上述技術研發和蓋板玻璃生產工藝全部基於中國最為擅長的浮法工藝，得益於浮法工藝在中國沒有技術壁壘，人才很多，以及單線產能規模大，具有投資少、成本低的優勢。相對浮法工藝，溢流法生產的蓋板玻璃雖然單線產能相對較低，但產品質量高，化學強化翹曲變形小。中國在溢流法生產方面同樣有工業嘗試與探索，福州科立視材料科技有限公司和彩虹集團分別投產了G5及G6溢流法生產線，2019年4月，中電彩虹集團研發的國內首條G7.5蓋板玻璃生產線在湖南邵陽正式投產；2020年8月21日，第2條G7.5蓋板玻璃生產線點火，總產能可以達到400萬m2。2020年之后，中國浮法蓋板玻璃迎來大發展時期，先后在四川綿陽、河南安陽、湖南新化、山東青島、山東臨沂等地建設高鋁蓋板玻璃生產線，目前累計生產規模達1.5億m2/a，中國已經投產及在建蓋板玻璃生產線如表2所示。

表2 國內蓋板玻璃生產線情況

1.3 觸控玻璃

觸控玻璃以超薄鈉鈣玻璃為主，Al2O3質量分數一般為1.5~2.0，用於觸控屏傳感器或保護貼。產品厚度以0.33~2.0 mm為主，在觸控玻璃完成氧化銦錫（ITO）鍍膜工藝，其中保護貼產品的厚度以0.33 mm為主。

目前，全球僅有中國和日本生產觸控玻璃品種，國內主要廠商包括中國建材集團、信義集團、旗濱集團、南玻集團、海川電子。中國觸控玻璃生產線相關信息見表3。

表3 中國觸控玻璃生產線

2、國外顯示玻璃行業概況

2.1 基板玻璃

TFT-LCD面板產業的發展推動了基板玻璃產業的發展，吸引了美國康寧公司（Corning）、日本旭硝子公司（AGC）、日本電氣硝子公司（NEG）等投身於基板玻璃的研發與生產，產品性能不斷提高，規格逐步增大。1992年，康寧公司採用溢流法生產出可用於TFT-LCD面板的7059牌號基板玻璃，其后推出了1737、1737G、Eagle2000等產品牌號的基板玻璃，目前，康寧公司推出的具有代表性的基板玻璃有EAGLEXG®Slim用於LCD面板的基板玻璃，產品最薄可達0.25 mm，最大達G10.5世代（2940 mm×3370 mm）、LotusTM NXT適用於LCD/OLED的高性能基板玻璃，以及針對高性能氧化物的LCD/OLED顯示推出的AstraTM基板玻璃，該產品在高性能顯示領域佔領了重要地位。日本旭硝子公司採用浮法工藝推出生產牌號為AN100以及具有超低再熱收縮率的AN Wizus®基板玻璃，日本電氣硝子採用溢流法工藝推出生產牌號為OA10G、OA11，以及具有高耐熱性和低再熱收縮的OA31的基板玻璃，平安翰視特（原日本板硝子公司）推出生產牌號為NA35的基板玻璃。

2010年起，隨着全球大尺寸LCD面板（大於G8.5規格，可經濟裁切電視面板）的興起與投產，對基板玻璃提出了更大尺寸的要求，康寧、旭硝子和電氣硝子公司生產和供應G8.5（2200 mm×2500 mm）基板玻璃。2015年開始G10.5及G11（2940 mm×3370 mm）面板在日本和中國陸續投產，開始形成更大規格尺寸基板玻璃的需求。當基板玻璃規格超過G8.5世代后，常規運輸方式會帶來表面劃傷和微塵污染問題，需選用特殊的包裝箱，運輸成本極高。因此G8.5以上規格TFT-LCD顯示面板生產廠需要與基板玻璃生產廠比鄰而建。2015年以后，中國已經成為全球面板製造的重要投資地，全球平板顯示面板佔有率由8%~9%迅速提高到26%以上，使得美國康寧、日本旭硝子和日本電氣硝子在中國開始投資建廠。目前，美國康寧將G5和G6的LCD基板玻璃生產線更改為蓋板玻璃生產線，最近幾年又投資了一部分OLED基板玻璃生產線，進一步優化了玻璃耐熱性、308 nm紫外透過率和低再熱收縮率值。

2.2蓋板玻璃

目前，僅有美國、日本、德國等國家掌握蓋板玻璃生產技術。美國康寧公司始終處於該行業領先地位，其次為日本旭硝子、電氣硝子，德國肖特（Schott）公司。

2007年，康寧公司採用溢流法研發出「大猩猩」（Gorilla®Glass，GG）1代鹼鋁硅酸鹽蓋板玻璃，為滿足蓋板玻璃的性能要求，採用一步法離子交換工藝對玻璃進行化學強化處理。至今，康寧公司已研發7代大猩猩玻璃產品，產品性能不斷優化，玻璃軟化點呈上升趨勢。由於增加Al2O3含量會導致玻璃熔化温度升高，進而使軟化温度升高，同時有利於離子交換便於進行化學強化提高玻璃機械強度，據此可推測玻璃組分中Al2O3含量增加。GG5的熱膨脹係數較低，離子交換層深度提升，據此可推斷GG5玻璃的助熔劑為Na2O、P2O5、B2O3；同時體系中加入Li2O，使用硝酸鈉和硝酸鉀熔鹽對玻璃進行二步法離子交換強化處理。GG6可承受連續15次從1 m高度跌落到粗糙表面的測試與GG5相比抗跌落損傷性能翻倍。2020年7月，推出新一代「大猩猩」玻璃VictusTM，該玻璃可承受從2 m高度跌落到粗糙表面的測試，抗劃傷性能是GG6的2倍。

2009年，德國肖特公司採用浮法工藝研發了LAS-40牌號可化學增強蓋板玻璃，生產線日熔化量15 t/d，生產0.7~1.3 mm厚度產品。2010年陸續推出LAS-80、AS87eco牌號蓋板玻璃；2012年採用浮法工藝研發出Xensation Cover鹼鋁硅酸鹽蓋板玻璃，產品性能不斷提升。隨着摺疊手機的面世，尤其是2020年三星發佈的Galaxy Z Flip摺疊手機搭載了超薄蓋板玻璃，進一步推動了柔性蓋板玻璃的研發。2020年5月，肖特推出賽絢TMFlex柔性玻璃，經加工后彎折曲率半徑低於2 mm，玻璃厚度70µm左右，已成為三星超薄蓋板玻璃供貨商。同期推出賽絢TMUP.可化學強化的鋰鋁硅酸鹽蓋板玻璃，抗跌落損傷性能相比傳統鋁硅酸鹽玻璃有大幅度提升，由此可以看出，鋰鋁硅酸鹽玻璃體系已成為蓋板玻璃的發展趨勢。

2010年，日本旭硝子公司採用浮法工藝在日本關西對蓋板玻璃進行研究，經過不斷優化調整2011年推出龍跡（Dragontrail，DT）1代產品；隨后快速推出DT2、DT3代產品，性能不斷提升。DT3代產品中Al2O3質量分數高達16以上，抗衝擊性能略低於GG4。

2010年，日本電氣硝子公司採用浮法工藝研發出霸王龍（Dinorex）1代鹼鋁硅酸鹽蓋板玻璃。2012年，推出霸王龍2代T2X-1，採用溢流法生產，產品薄且表面光滑，無需拋光，化學強化后玻璃幾乎不發生翹曲。在相同化學強化條件下離子交換速度顯著提升，極大縮短了化學強化處理時間，有效提高了生產效率。隨后推出T2X-3，採用二步法離子交換強化處理，玻璃抗衝擊強度顯著提升。目前，國外生產高鋁蓋板玻璃的生產廠商相關信息如表4所示。

表4 國外高鋁蓋板玻璃生產廠商及相關信息

2.3 觸控玻璃

國外觸控玻璃生產企業以日本旭硝子和日本板硝子公司為主，主要用於觸摸屏ITO鍍膜。玻璃厚度普遍為0.2~1.1 mm，日本旭硝子公司擁有一條180 t/d超薄鈉鈣玻璃生產線，產品主要銷售日本和中國。日本板硝子擁有一條150 t/d超薄鈉鈣玻璃生產線，銷售市場與日本旭硝子公司相同。

3、新型顯示玻璃發展趨勢

新型顯示玻璃在顯示領域有着不可替代的作用。隨着科技進步與發展，新型顯示玻璃製造技術不斷革新，產業不斷進步，受到了越來越多研發機構和產業集團的廣泛關注。國內外顯示玻璃發展側重點各有不同，國外側重產品前瞻性開發和產品質量控制，而中國主要側重產業規模和成本控制。

在基板玻璃方面，LCD基板玻璃增長趨勢變緩，國外產線和產能逐步向國內轉移，中國在高世代（G8.5系列）方面進行產能規模的放大，基板玻璃生產工藝以溢流法為主，向大規模化、超薄化、功能化方向發展，單線產能從400萬m2·a-1提高到500萬m2·a-1，厚度從0.5 mm降低到0.4 mm，響應顯示產品的輕量化需求。另外，OLED基板玻璃尚處於發展黃金期，需要大力推動技術革新，打破技術壁壘，縮小與國外的差距，開發出高熱穩定性、低再熱收縮率、高紫外透過率、大尺寸高世代的OLED基板玻璃，亟須突破高世代（G8.5系列）OLED基板玻璃配方、工藝和裝備技術。

在蓋板玻璃方面，全球發展和需求重點已經從一步法高鋁蓋板玻璃轉向二步法鋰鋁硅蓋板玻璃，再到納米透明微晶玻璃複合化學強化增強，智能手機的蓋板玻璃要經受整機抗摔高度大於1.6 m的考驗，甚至達到2.0 m以上。中國高端觸摸屏蓋板玻璃市場需求量很大，除了傳統移動終端的需求，將在車載觸屏、信息查詢設備、建築幕牆顯示、智慧屏等產品上得到廣泛應用，蓋板玻璃需求量仍將保持高速增長。對蓋板玻璃性能要求也不斷提升，傳統的高鋁玻璃已很難滿足使用需求，鋰鋁硅蓋板玻璃及納米微晶蓋板玻璃已成為新的發展潮流，結合二步法化學強化工藝可有效提高屏幕的抗摔性能。國內應加強蓋板玻璃新品種研發，改進生產工藝、提高產品性能、擴大應用領域、從而應對未來複雜的應用市場要求。隨着2019年可摺疊手機的陸續推出，必將催生柔性蓋板玻璃的研發及產業化工作，將成為各大廠商競爭的另一個特殊蓋板玻璃市場。

隨着MLED（Mini/Micro LED）顯示技術興起，Mini LED在傳統LED背光基礎上進行了改良，厚度接近OLED並彌補了容易燒屏的缺點；Micro LED則是將LED進行薄膜化、微縮化、矩陣化，具有低功耗、高亮度、超高分辨率、壽命長等技術優點。MLED顯示被視為下一代顯示技術，但是與適用配套的不同電路模式與控制方式的基板玻璃開發尚需加緊推進研發與產業化工作。

作者簡介：田英良，趙志龍，趙志永

本文作者：田英良，北京工業大學材料科學與工程學院，平板顯示玻璃工藝技術國家工程研究中心，教授，研究方向為新型玻璃材料組成與結構、性能關係，玻璃熔體特性及生產製程關係。

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