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燒不出大號ITO靶材?但金童可以做到!

一塊小小的玻璃,不僅可以導電發光,還可以幻化出形式各異的文字和靜態、動態的炫目影像,這就是人們如今已司空見慣的各色平板顯示屏。

玻璃本身不導電,也不發光,奧妙全在于背后涂裝的一層薄薄透明導電膜。就是這層不足頭發絲直徑五百分之一的膜,背后有一塊看不見的“靶”。

“全國有20余家靶材生產制造商,但能做超過32英寸靶材的,我們還是‘零’!” 在這個行當搞了20多年研發的鄭州大學教授、河南省資源與材料工業技術研究院原總工程師孫本雙告訴科技日報記者。

問題出在尺寸上

在有色金屬的“朋友圈”里,銦錫的氧化物是實現電學傳導和光學透明的絕佳組合。

作為有色金屬氧化物,簡稱為ITO的氧化銦錫在平板上具有很好的導電性和透明性,它還可切斷對人體有害的電子輻射、紫外線及遠紅外線,是平板顯示器制造的重要原料。在薄膜狀時,它是略顯茶色的透明物質;在塊狀時,呈黃偏灰色。

但它并不是像油漆一樣被刷到平板玻璃上使用,而是先被制作成標準尺寸的固體靶材,由操縱磁控濺射的“槍手”,不斷“射擊”,將其氣化濺鍍到玻璃基板或柔性有機薄膜上,形成一層ITO膜。這層膜的厚度因功能需求而有不同,一般在30納米至200納米。

ITO靶材不僅用于制作液晶顯示器、平板顯示器、等離子顯示器、觸摸屏、電子紙、有機發光二極管,還用于太陽能電池和抗靜電鍍膜、EMI屏蔽的透明傳導鍍膜等,在全球擁有廣泛的市場。

ITO靶材外形很像瓷磚,由來卻遠比瓷磚煅燒復雜得多——人們把氧化銦和氧化錫粉末按嚴格的比例混合后,經過一系列生產工藝加工成地板磚的形狀,再層層摞疊到一個特制的爐子里,經過1700攝氏度高溫氣氛燒結,形成黑灰色的陶瓷半導體。通常靶材尺寸越大,濺射到平板上的拼縫就越少,價值也越高。

但就在尺寸的問題上,國內ITO靶材企業一直鮮有突破,而后端的平板顯示制造企業也要仰人鼻息。

技術和工藝是個難邁的坎

ITO靶材核心技術長期把持在日本三井、東曹、日立、住友、VMC和韓國三星、康寧等大企業手里。

對國內的企業來說,技術和工藝是個難邁的坎。由于ITO靶材是由高溫燒結而成,燒結技術工藝決定了產品質量,功夫不到家的話,最常出現批次質量不穩定的問題。濺射到屏上,有的ITO膜表面出現“麻點”;有的在蝕刻時容易出現直線放射型的缺劃或電阻偏高帶;還有的會出現微晶溝縫。

當談到生產裝備與國外的差距時,孫本雙教授嘆息說:“差遠了!”燒結大尺寸ITO靶材,需要有大型的燒結爐。國外可以做寬1200毫米、長近3000毫米的單塊靶材,國內只能制造不超過800毫米寬的?!斑@如同人家已經在燒制大型地板磚,我們還只能燒小瓷磚?!?孫本雙說。

在1700攝氏度的“丹爐”中,靶材燒結需要6至10天。高溫氣氛燒結需要高濃度氧氣參與,這項工藝也不易控制。長時間燒,很容易導致產品不均勻,成品率低。

在產出效率方面,日式裝備“牛氣”,月產量可達30噸至50噸,我們年產量只有30噸——而進口一臺設備價格要花一千萬元,這對國內小企業來說無異于天價。

目前,也有部分仿制的設備,但耐火材料不過關,難耐燒結工藝所需的烈火考驗,燒結爐總體質量差強人意?!斑@需要生產技術與裝備國產化重大專項的支持?!睂O本雙說。

質量不穩定、不過關的材料,誰見誰怕。各色終端生產廠家盤算下來還是覺得買國外進口的省事,久而久之,依賴進口成了“癮”。

功能性產品:有色金屬大國之痛

每年我國ITO靶材消耗量超過1千噸,一半左右靠進口,用于生產高端產品。受有色金屬期貨價格波動和技術封鎖等因素疊加作用,長期以來價格高企,成品價格最高達每公斤6千至8千元,占據企業不小的成本。

“資料顯示,我國半導體產品的進口花費超過石油”。2017年度何梁何利基金獎獲得者、昆明理工大學副校長楊斌教授說。

在中國,半導體重要原料銦、錫的采選、冶煉水平已處于世界頂尖水平,產量和品級也堪稱世界一流。全球近80%的高品質銦、錫來自中國,日企長期購買中國銦錠。

“但我們缺乏下游功能性產品和足夠長的產業鏈,只能賺取原材料的初級利潤,比如高品質、大尺寸的ITO靶材,就是粉末冶金和半導體行業的痛?!睏畋蠼淌谡f,國內的大尺寸靶材都只在實驗室階段,技術是一個難點,難以實現量產則是關鍵。

隨著近十年來國內LCD產業的發展和PDA、電子書等觸摸式輸入電子產品的悄然興起,尤其是目前,隨著有機發光二極管(OLED)以及其他顯示器件的發展,對ITO靶材制成工藝和設備有了更新、更高的期待。未來一段時間內,這仍是一個有前景的產業。

國內小規模、低層次、做了二十年之久的“靶”,因沒能走上世界前沿而長期依賴進口,如今得到了“回報”。近年,由于中國市場巨大,“小靶”國產能力有了大幅上升,這時國外壟斷企業“釜底抽薪”,開始在價格上進行打壓,一下子把ITO靶材價格降到800元一噸,一度接近價格最高點時的十分之一,國內20多個企業蒙受了巨大的損失,部分企業甚至奄奄待斃。

“但反過來說,價格低建設成本也低,這也是洗牌的機會?!睂O本雙說,如果有國家扶持,保留五六家重點企業,同時加快技術攻關,將實驗室的技術轉化量產,我們有望在大尺寸領域突破,并淘汰一部分國外企業。

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