顯示器是電腦CPU的窗口，是人與電腦之間進(jìn)行信息交換的重要界面。提到顯示器的環(huán)保要求時(shí)，我們首先考慮的就是國際上通行的TCO認(rèn)證了。目前最嚴(yán)格的TCO99涉及到環(huán)境、人體生態(tài)學(xué)、廢物回收利用、電磁輻射、節(jié)能及無毒等多個(gè)方面，是一個(gè)綜合考察的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。只有通過了TCO99認(rèn)證，才可以稱之為綠色環(huán)保顯示器。
綠色產(chǎn)品的發(fā)展以歐盟地區(qū)的響應(yīng)最為積極，該地區(qū)早于1992年提出“整合性產(chǎn)品政策 (IPP)”，從產(chǎn)品生命周期的角度來提升產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的友好性，進(jìn)而發(fā)展綠色產(chǎn)品，隨后歐盟地區(qū)所推廣的包裝材料指令(Packaging and Packaging Waste, 1994)、廢棄車輛指令(ELV, 2000)、有害物質(zhì)限用指令(RoHS, 2003)、廢電機(jī)電子設(shè)備指令(WEEE, 2003)、使用能源產(chǎn)品生態(tài)化設(shè)計(jì)指令草案(EUP, 2003)等，均融入了環(huán)境化設(shè)計(jì)的概念。因此，綠色產(chǎn)品的發(fā)展趨勢也深受上述指令的影響，朝向節(jié)能、低毒性、可回收等方向發(fā)展。
與LCD產(chǎn)品相關(guān)的國際環(huán)保規(guī)范
國際上與LCD產(chǎn)品環(huán)保特性相關(guān)的規(guī)范，依據(jù)適用范圍大致可區(qū)分成節(jié)能、低毒性、可回收三個(gè)方面。以下將逐一進(jìn)行探討。
1、節(jié)能規(guī)范
國際環(huán)保規(guī)范針對(duì)LCD產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計(jì)，主要是以美國能源之星(Energy Star)計(jì)劃與部分環(huán)保標(biāo)章之節(jié)能規(guī)范為管制主軸，其主要目的是管制LCD產(chǎn)品在待機(jī)狀態(tài)與關(guān)機(jī)狀態(tài)下的耗能。由于其管制標(biāo)準(zhǔn)大致相同，本文以德國天使標(biāo)章針對(duì)顯示器產(chǎn)品耗能標(biāo)準(zhǔn)來說明其管制內(nèi)容，如表1所示。由表1中可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于LCD顯示器耗能值之標(biāo)準(zhǔn)比傳統(tǒng)CRT顯示器標(biāo)準(zhǔn)的要求更嚴(yán)格，規(guī)定只有耗能值必須在待機(jī)狀態(tài)低于3Watt，在關(guān)機(jī)狀態(tài)低于2Watt，才能達(dá)到產(chǎn)品節(jié)能目的。
表1 天使標(biāo)章針對(duì)顯示器產(chǎn)品節(jié)能的環(huán)保規(guī)范
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產(chǎn)品型態(tài) |
操作模式 |
最大耗能值 |
操作模式的活性 |
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CRT |
待機(jī)狀態(tài)1
·低耗能狀態(tài)
·休眠狀態(tài) |
≦10Watts |
視機(jī)種而定 |
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待機(jī)狀態(tài)2
·暫停狀態(tài)
·深度休眠狀態(tài) |
≦5Watts |
視機(jī)種而定 |
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關(guān)機(jī)狀態(tài) |
≦1Watts |
切換裝置 |
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LCD |
待機(jī)狀態(tài)
·低耗能狀態(tài)
·休眠狀態(tài) |
≦3Watts |
視機(jī)種而定 |
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關(guān)機(jī)狀態(tài) |
≦2Watts |
切換裝置 |
2、低毒性規(guī)范
限制產(chǎn)品中含有毒性化學(xué)物質(zhì)之措施，一直為國際環(huán)保規(guī)范之管制重點(diǎn)。但是只有到2003年初歐盟公告RoHS指令，明確限制重金屬鉛、鎘、汞、六價(jià)鉻及二種溴化耐燃劑(PBBs,PBDEs)的使用，才將產(chǎn)品中限制毒性化學(xué)物質(zhì)的概念正式應(yīng)用于產(chǎn)品制造中。因此，由上游元件到下游系統(tǒng)組裝的各種不同制程中，均有可能使用到這些限用物質(zhì)，平面顯示器產(chǎn)業(yè)之所以受到較大的沖擊，在于相關(guān)產(chǎn)品需要用到各類印刷電路板、背光燈管、外殼塑膠組件、涂料、漆料等。
國際上除了RoHS指令針對(duì)毒性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行管制之外，其實(shí)早于1990年已存有多項(xiàng)正式指令或規(guī)范管制產(chǎn)品中化學(xué)物質(zhì)含量。本文將其與LCD產(chǎn)品相關(guān)管制規(guī)范進(jìn)行了整理，具體如表2所示。可見，產(chǎn)品除了符合RoHS指令之管制要求外，還必須考慮銷售地區(qū)的有關(guān)產(chǎn)品環(huán)保規(guī)范，以符合各地區(qū)規(guī)范的要求。
表2 LCD相關(guān)產(chǎn)品可能遭遇的環(huán)境管制法規(guī)
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管制法規(guī)/規(guī)范 |
管制內(nèi)容 |
影響組件 |
備注 |
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EU 91/157/EEC |
電池組件重金屬含量：
Pb<4000ppm
Cd<250ppm
Hg<5ppm |
電池組件 |
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EU 91/338/EEC |
塑膠組件重金屬含量：
Cd<100ppm |
塑膠件中使用的涂料、顏料、穩(wěn)定劑等 |
參照EU 76/769/EEC修正 |
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EU 94/62/EC |
包裝組件重金屬含量：
Pb+Cd+Cr6++Hg<100ppm |
包裝材料 |
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EU 98/101/EC |
鈕扣電池組件重金屬含量：
Hg<2%(20000ppm) |
電池組件… |
參照EU 91/157/EEC修正，將鈕扣電池視為排除條款 |
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EU 2002/95/EC
RoHS |
Pb<1000ppm
Hg<1000ppm
Cr6+<1000ppm
Cd<100ppm
PBBs,PBDEs<1000ppm |
電子組件、塑膠件、涂料、顏料、焊錫等 |
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US California
Proposition 65 |
PVC電線外層部份Pb<300ppm，并進(jìn)行標(biāo)示說明
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含PVC成分之電纜線、電線、相關(guān)排線 |
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Montreal Protocol |
破壞臭氧層之物質(zhì) |
制程清洗、填充等階段 |
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3、可回收規(guī)范
在可回收規(guī)范中，WEEE指令對(duì)平面顯示器產(chǎn)業(yè)的沖擊最為顯著。由于液晶顯示器產(chǎn)品可歸類為WEEE 指令管制范疇中之第三類“資訊與通訊設(shè)備”或第四類“消費(fèi)設(shè)備”，其廢棄時(shí)之再使用與循環(huán)率(reuse and recycling rate)需達(dá)到65%及回收率(recovery rate)75%的目標(biāo)，而該指令也于其第3條款(Article 3)中針對(duì)reuse rate、recycling rate 及recovery rate做出明確的定義：reuse系指該組件用于其原先設(shè)計(jì)用途的任何作業(yè)；recycling系指將零組件應(yīng)用于部分制程中再加工，但不包括能源的再生利用；recovery系遵照EU 75/442/EC中針對(duì)各項(xiàng)回收作業(yè)的定義。
LCD產(chǎn)品環(huán)境化設(shè)計(jì)策略
根據(jù)上述眾多國際間所采用的節(jié)能、低毒性、可回收相關(guān)規(guī)范，整理出的LCD產(chǎn)品環(huán)境化設(shè)計(jì)策如圖1所示。
1、節(jié)能設(shè)計(jì)策略
一般來說，產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計(jì)是在IC上進(jìn)行節(jié)電裝置設(shè)計(jì)的，或采用相關(guān)電源管理軟體來達(dá)到產(chǎn)品節(jié)能的目的，因此，該階段的環(huán)境化設(shè)計(jì)策略大多是在產(chǎn)品研發(fā)規(guī)劃時(shí)擬定的。若以目前業(yè)界常見的節(jié)能規(guī)范，如美國能源之星、瑞典TCO 03’標(biāo)章、歐盟EU-Flower標(biāo)章、德國天使標(biāo)章等對(duì)LCD產(chǎn)品在待機(jī)狀態(tài)與關(guān)機(jī)狀態(tài)下的耗能進(jìn)行要求，大部分產(chǎn)品均可達(dá)到上述規(guī)范的要求，對(duì)制造商不會(huì)有太大影響。
2、低毒性設(shè)計(jì)策略
根據(jù)LCD產(chǎn)品由上游組件提供到下游系統(tǒng)組裝之流程，為了方便了解整體LCD制造的主要材料與制程，本文將其分成5個(gè)主要制程階段，以分析其中是否使用到RoHS所限制的化學(xué)物質(zhì)，如表3所示。可以看出，LCD制程當(dāng)中可能含有鉻、鉛、汞及溴化耐燃劑等成分。
表3 LCD制程使用到限用化學(xué)物質(zhì)之分析
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制程名稱 |
主要材料 |
化學(xué)物質(zhì)限制 |
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玻璃基板制程 |
·進(jìn)料段：硅砂、石灰石、硼酸、碳酸鎂、亞砒酸、金屬(鋁、鍶、鋇)
·洗凈段：DI Water(含HF/NH4OH/H2O2/H2O等化學(xué)品) |
該制程中，除了原始礦物質(zhì)可能含有鉛與鎘外，并沒有在該制程當(dāng)中刻意使用到限用化學(xué)物質(zhì) |
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陣列基板電路圖制造(Array) |
·薄膜成型段：ITO(氧化銦錫)、鋁、MoW、Mo、AlNd等金屬及SiOx、SiNx、A-Si等
·光阻涂布段：光阻劑，含丙二醇甲醚乙酸酯(溶劑)、苯酚甲醛樹脂(感光劑)等
·顯影：顯影液，氫氧化四甲基銨(TMAH)或氫氧化四乙基銨(TEAH)
·蝕刻段：蝕刻液，主要硝酸、氫氟酸(HF)及醋酸、磷酸及其緩沖液 |
此階段制程中沒有使用RoHS限制的物質(zhì) |
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顏料分散法制造彩色濾光片 |
·洗凈段：DI Water黑色矩陣(BM)
·形成工程段：Cr或樹脂BM(壓克力樹脂+顏料+感光劑)、光阻劑
·彩色光阻涂布段：彩色光阻(壓克力樹脂+顏料+感光劑)
·保護(hù)膜形成工程段：環(huán)氧樹脂系或聚醯亞胺系等高分子
·透明電極形成工程段：DIWater、ITO靶材 |
彩色濾光片中的黑色矩陣中含有Cr金屬，雖是在真空中濺鍍形成Cr與Cr3+，但有違反RoHS之疑慮，目前已逐步改為樹脂BM |
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LCD面板組裝(Cell) |
·配向膜形成段：配向膜(Polyimide)、框膠
·散布間隔物段：間隔物(玻璃、Silica)
·液晶注入/封合段：液晶
·偏光板貼合工程段：偏光板(TAC、PVA、碘離子) |
此階段制程中沒有使用RoHS限制的物質(zhì) |
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LCD模組組裝制程 |
·驅(qū)動(dòng)積體電路裝配段：DriverIC(TCP/COG/COF)
·印刷電路板接線段：印刷電路板、異方性導(dǎo)電膠(ACF)
·背光模組安裝段：背光模組(CCFL) |
此階段使用的物料中，背光模組中的CCFL含有少量汞元素，目前雖然屬于排外條款之列，但印刷電路板部分卻可能有含鉛量過高的疑慮 |
表3除了說明LCD制程段會(huì)使用到這些管制物質(zhì)之外，在LCD面板制造完成后交給下游組裝廠，生產(chǎn)LCD顯示器、電視等相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，由于有不同功能之需求，因此，還會(huì)衍生SMT制程、印刷電路板裝入、外殼組件美化噴漆或電鍍等制程，而這些制程中極可能使用到RoHS指令管制之物質(zhì)。因此，有關(guān)LCD產(chǎn)品進(jìn)行低毒性設(shè)計(jì)的策略，是將上述受管制的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行替代，目前業(yè)界常用的替代方式如表4所示。
表4 替代材料發(fā)展概況
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管制物質(zhì) |
用途 |
可能含有的組件/制程 |
替代技術(shù) |
技術(shù)原理 |
目前瓶頸 |
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Cd |
顏料粘合劑 |
顏料、染料、漆料、墨水等 |
Cd-free的顏料 |
-- |
成本高、上色粘合度較差 |
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安定劑 |
塑膠件、橡膠件、電子組件、玻璃件等 |
Cd-free的安定劑 |
-- |
成本高、安定程度較差 |
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Cr |
裝飾鉻 |
鍍鉻框、電腦、手機(jī)殼件等 |
·電漿
·電鍍(Ni系替代Cr6+)
·無電鍍
·復(fù)合電鍍 |
不使用鉻酸系電鍍液 |
電漿作業(yè)空間限制硬度、耐磨性、耐蝕性均比Cr6+差 |
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工業(yè)鉻(硬鉻) |
五金件、面板矩陣制程、螺絲 |
-- |
-- |
-- |
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Hg |
組件元素 |
電池、包裝材料、顏料等 |
Ni-H、太陽能等電池 |
其他重金屬替代 |
成本高 |
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照明電極 |
燈管 |
LED |
LED |
大尺寸面板會(huì)有色散現(xiàn)象 |
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Pb |
PCB噴錫(提升焊錫性) |
印刷電路板 |
化學(xué)浸金ENIG
化學(xué)銀/化學(xué)錫 |
還原或置換反應(yīng) |
化學(xué)錫藥水與初設(shè)設(shè)備成本過高 |
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焊錫 |
印刷電路板、電阻、電容等 |
·Sn-Ag系：Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Cu-In等
·Sn-Zn系：Sn-Zn-Al、Sn-Zn-Bi、Sn-Zn-Cu-In等 |
無鉛焊錫、合金技術(shù) |
·Sn-Ag系：成本高、熔點(diǎn)溫度高約38℃(與傳統(tǒng)Sn-Pb相比較)
·Sn-Zn系：抗氧化性差、接點(diǎn)可靠性較低 |
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顏料粘合劑 |
顏料、染料、漆料、墨水等 |
Pb-free的顏料 |
-- |
成本高、上色粘合性較差 |
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安定劑 |
塑膠件、橡膠件、電子組件、玻璃件等 |
Pb-free的安定劑 |
-- |
成本高、安定程性較差 |
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其他 |
CRT或電視之陰極射線管、電子組件、玻璃件等 |
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-- |
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PBBs、PBDEs |
耐燃劑 |
印刷電路板、塑膠件、連接器等 |
·有機(jī)系：N系、P系
·無機(jī)系：三氧化二銻、氫氧化鋁、Si系等
·其他：環(huán)氧基、乙稀基等 |
非溴系耐燃劑 |
機(jī)械強(qiáng)度與耐溫程度不足 |
3、可回收設(shè)計(jì)策略
產(chǎn)品進(jìn)行可回收設(shè)計(jì)的主要目的是符合國際環(huán)保規(guī)范對(duì)產(chǎn)品回收率方面的要求，通過材質(zhì)標(biāo)識(shí)、組件單純化、易拆解設(shè)計(jì)等策略，均可有效提升產(chǎn)品的回收效率。
（1）材質(zhì)標(biāo)識(shí)：LCD產(chǎn)品或其他資訊產(chǎn)品均會(huì)采用到大量塑膠材料。對(duì)于重量超過25g的塑膠組件，均需進(jìn)行材質(zhì)標(biāo)識(shí)，而材質(zhì)標(biāo)識(shí)范例如下圖2所示，由于LCD產(chǎn)品外殼大多采用PC+ABS塑材，可依照ISO 11469規(guī)范，將材質(zhì)清楚地標(biāo)識(shí)于產(chǎn)品上，以方便后續(xù)回收作業(yè)。
（2）組件的單純化設(shè)計(jì)：產(chǎn)品的材質(zhì)可參考德國VDI 2243標(biāo)準(zhǔn)所建立的材質(zhì)相容表，或采用單純材質(zhì)的使用要求，如Apple公司采用Universal Motherboard Architecture，約可減少50%的零件使用，以達(dá)到組件單純化與簡化設(shè)計(jì)的目的。
（3）易拆解設(shè)計(jì)：產(chǎn)品易拆解設(shè)計(jì)可運(yùn)用模組化或特殊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來減少組件間復(fù)雜的連接方式，以便于產(chǎn)品后續(xù)的拆解，如Apple與Dell公司采用以下方式達(dá)到了產(chǎn)品易拆解設(shè)計(jì)。
·采用swing-open的外殼設(shè)計(jì)，方便組裝與拆解，如圖3所示。
·內(nèi)部固定螺絲由11個(gè)減少到2個(gè)。
·將電池組件設(shè)計(jì)在印刷電路板的上緣，可不用特殊工具即可進(jìn)行拆卸。
因此，產(chǎn)品開發(fā)只要遵循節(jié)能、低毒性及可回收三個(gè)要求，運(yùn)用不同的環(huán)境化設(shè)計(jì)策略，并參考國際著名企業(yè)綠色產(chǎn)品的成功案例，就可以開發(fā)出符合國際環(huán)保規(guī)范的綠色產(chǎn)品。
