液晶玻璃基板原片密度的检测与管控

何流 殷明瑞 易元 闵蛟

（成都中光电科技有限公司 成都 611731）

0 引言

玻璃基板作为液晶显示面板最关键的原材料之一，主要用作薄膜晶体管的底板和彩色滤光片，即TFT和CF。液晶显示面板对玻璃基板有着多项指标要求，密度是其中之一，一般要求不超过2.6 g/cm3［1］。这个指标对于玻璃基板制造商是很容易达到的，但是在实际应用过程中，一些质量问题与玻璃基板的密度有着紧密的联系，需要更加深入地研究玻璃基板的密度。

检测和管控玻璃的密度是一种快捷有效发现问题和解决问题的方法。密度测试的标准方法规定测定密度前对玻璃样品进行精密退火，以消除玻璃内部残余应力的影响。本文通过对实际问题的研究，发现玻璃基板原片密度，对于管控玻璃基板的质量和分析解决液晶面板制程中的有关问题非常重要。

1 密度的测试方法

密度的测定通常有下沉法（浮沉法）、阿基米德法（浮力法）等［2］。

浮沉法的原理是将不同密度的两种有机试剂调制成和玻璃试样的密度接近的溶液，测定时试样和标准试样悬浮于溶液上部，温度升高，溶液密度减小，当溶液密度小于玻璃密度时，玻璃下沉。根据试样与标准试样下沉时的温度，即可计算出玻璃试样的密度。该方法允许测定误差为±0.0002 g/cm3。

浮力法的原理是将已知质量的试样浸入已知密度的水中称量，由于浮力作用，试样质量减轻，所减轻的质量为该试样在水中所排开同体积水的质量。利用水的密度计算出试样的体积，进而计算出试样的密度。该方法允许测定误差为±0.0005 g/cm3［3］。

2 检测和管控玻璃密度的意义

2.1 监控玻璃的理化性能、补正料方

玻璃的理化性能必须稳定在一定的范围内才能满足使用要求。决定玻璃理化性能的主要是玻璃的成分和结构，因此玻璃成分需要每日都检测。CRT玻壳的成分检测比较繁琐，需要将玻璃样品研磨成粉末，加入助熔剂熔制成玻璃片，才能用X射线荧光光谱仪检测。制样过程中的颗粒效应、化学试剂的添加、熔样的均匀性、熔样模具的质量等都会产生一定的检测误差［4］。

玻璃成分微小的变化，在密度检测结果上都会反映出来，且密度的测定简单、快速，误差较小，其结果可以精确到万分位［5］。通过检测密度，再结合成分的检测数据，就可以较为准确地判断玻璃理化性能是否稳定受控。

CRT玻壳是由屏玻璃和锥玻璃封接成的，屏玻璃和锥玻璃都是一种含碱的钠钙玻璃，其中的Na2O、K2O等成分在高温下易挥发，尤其是锥玻璃含有20%以上的PbO，这是一种更容易挥发的成分。其次，CRT玻壳所用的原材料中有大量的天然矿石原料如石英砂、长石、白云石等，这些原料的成分波动较大。受这些因素的影响，CRT玻壳的成分波动较大。为了判断成分的波动对玻璃性能的影响，可以通过密度的测定快速得出大致的结论。检测密度时首先要排除成分以外的因素，如残余应力的影响。因此需要将玻璃退火后检测密度，以确定密度的变化是否由成分波动引起，以便对料方进行有效的补正。传统浮法玻璃也有同样的问题，也需要检测退火后的密度和成分，进行料方的补正［6］。

2.2 监控生产工艺的稳定性

原料成分的变化、配料称量误差和配合料均匀度的波动、熔制工艺的波动等都可能引起玻璃密度的变化。

玻璃的各种成分是由原料引入的，这些引入的成分在原料中的含量发生变化，或者原料的水分、烧失量发生变化就会引起玻璃的成分变化。在某平板玻璃制品中，SiO2含量增加1.9个百分点，密度值由2.7771 g/cm3减小为2.7760 g/cm3［7］。在某钠钙硅玻璃中，以1%的CaO替代SiO2，密度值大约增加0.017 g/cm3［8］。

配料过程中的误操作、称量的精度、输送过程中的飞散损失会产生配料的误差，致使玻璃的成分发生变化，引起密度的波动。

熔制工艺中的温度波动可能导致易挥发原料的挥发率变化，从而使玻璃的成分发生变化，引起密度的波动。

如果检测到玻璃的密度发生了超出控制范围的变化，在排除掉玻璃成分变化的因素外，可能就是上述某个生产工序的波动造成。这种情况，也需要对玻璃先进行退火消除残余应力的影响后再测定。

2.3 监控成形、退火工艺的稳定性

玻璃的成形是一个从液态到固态、从高温到低温的过程，在此过程中，热历史对玻璃的密度有着较大的影响。玻璃的黏度大，导热性差，使结构状态的变化大大迟于温度的变化。玻璃从高温冷却下来，淬火（急冷）玻璃比退火（缓冷）玻璃的密度低［9］。一组风冷瓶子的密度比缓慢退火瓶子的密度低了0.0041 g/cm3［5］。

液晶玻璃基板的生产主要有溢流法和浮法，溢流法的成形和退火是在垂直悬挂的成形炉和退火炉内完成，结构上的特点决定了其退火时间非常短暂，应力消除得就不够彻底。因为玻璃密度主要取决于构成玻璃的原子的质量和原子的堆积密集程度［10］。退火不充分的玻璃基板，其内部的原子排列不够整齐，原子堆积密度相对较小，玻璃的密度就会相应降低。

3 玻璃基板密度测试实验

3.1 实验方法

本实验采用浮力法检测玻璃基板的密度，参照国家标准GB/T 5432—2008《玻璃密度测定 浮力法》进行测定。实验仪器及型号为电子密度计SD-200L、人工智能箱式电阻炉SGM2853S。

在同一批次液晶玻璃基板产品中随机抽取8片，从每片玻璃基板的固定位置切取60 mm×60 mm的样品4块，检测玻璃基板原片的密度。将检测过的样品在马弗炉内进行精密退火，设定退火温度730 ℃，时间2 h，温度控制精度±2 ℃，检测退火后的玻璃基板密度。

4 分析与讨论

玻璃基板原片密度与退火后玻璃密度测试数据见表1，测试曲线见图1。

表1 玻璃基板原片密度与退火后玻璃密度 g/cm3

图1 玻璃基板原片密度和退火后玻璃密度对比曲线

4.1 实验数据分析

退火处理后，玻璃基板样品的密度值增加，玻璃结构更加致密。经计算，密度值平均增加0.0066 g/cm3。

玻璃基板原片密度波动大于退火后密度的波动。玻璃基板原片密度最小值为2.3799 g/cm3，最大值为2.3833 g/cm3，极差为0.0034 g/cm3；退火后检测的密度最小值为2.3874 g/cm3，最大值为2.3884 g/cm3，极差为0.0010 g/cm3。

4.2 存在问题

随着液晶显示技术的不断更新换代，液晶显示产品越来越追求高品质，像素更加微型化，图像更细腻逼真［11］。在工艺制程上，需要在玻璃基板上进行多次镀膜、多次曝光、反复加热。由于玻璃是处于热力学的介稳状态，具有极高的能级。在受到反复加热的过程中，有自发到低能级稳定状态的趋势，所以结构上会发生变化，引起微小的形变。尽管这种形变只有×10-6级，但是对于高精度的显示面板也是足以致命的缺陷，主要表现为面板发生翘角或翘边、TP（Total Pitch，全面积尺寸）不良等缺陷，有的批次表现特别明显，批次与批次之间差别较大，或个别批次内产品之间的差别也较大，严重时导致生产不能正常进行。

4.3 结果与讨论

以上问题的出现与玻璃的抗形变能力有关，涉及到玻璃的应变点、弹性模量等性能。批次之间的波动或同一批次内的波动说明产品的一致性不够好。

从本文对密度的实验数据可以看出，通过密度检测的方式可以对玻璃基板抗再热形变的能力做初步的判断。在实验中，如果依据传统检测密度的方法，通过退火方式消除应力后检测玻璃基板的密度，得到密度的数据是比较稳定的，这种检测的方式只能反映与成分有关的因素，不能反映出玻璃内部结构上的变化，也就不能反映面板生产厂家遇到的形变问题。

液晶玻璃基板是一种无碱的硼铝硅酸盐玻璃，其化学组分挥发量相对都较小，使用的原材料也都是高纯度的，因此其成分较为稳定，退火后测定的密度也非常稳定。玻璃基板制造的热历史等因素会引起玻璃结构上的变化，从而产生密度的变化。因此退火后的密度稳定并不等于玻璃基板原片的密度就稳定。

5 结语

玻璃密度检测的标准方法规定了检测密度前应对样品进行退火处理，但通过对比玻璃基板原片密度和退火后玻璃密度发现，玻璃基板退火后的密度是非常稳定的，不能客观反映出液晶面板生产中出现的翘角、翘边、TP不良等形变问题。

液晶面板生产厂家使用的是玻璃基板原片，因此原片的密度才能真实地反映由玻璃结构变化导致的形变问题。玻璃基板的制造商应监测玻璃基板原片的密度，并制定管控工艺参数，以便及时发现生产工艺的波动对玻璃性能的影响。