显示器是电脑CPU的窗口,是人与电脑之间进行信息交换的重要界面。提到显示器的环保要求时,我们首先考虑的就是国际上通行的TCO认证了。目前最严格的TCO99涉及到环境、人体生态学、废物回收利用、电磁辐射、节能及无毒等多个方面,是一个综合考察的认证标准。只有通过了TCO99认证,才可以称之为绿色环保显示器。
绿色产品的发展以欧盟地区的响应最为积极,该地区早于1992年提出“整合性产品政策 (IPP)”,从产品生命周期的角度来提升产品对环境的友好性,进而发展绿色产品,随后欧盟地区所推广的包装材料指令(Packaging and Packaging Waste, 1994)、废弃车辆指令(ELV, 2000)、有害物质限用指令(RoHS, 2003)、废电机电子设备指令(WEEE, 2003)、使用能源产品生态化设计指令草案(EUP, 2003)等,均融入了环境化设计的概念。因此,绿色产品的发展趋势也深受上述指令的影响,朝向节能、低毒性、可回收等方向发展。
与LCD产品相关的国际环保规范
国际上与LCD产品环保特性相关的规范,依据适用范围大致可区分成节能、低毒性、可回收三个方面。以下将逐一进行探讨。
1、节能规范
国际环保规范针对LCD产品的节能设计,主要是以美国能源之星(Energy Star)计划与部分环保标章之节能规范为管制主轴,其主要目的是管制LCD产品在待机状态与关机状态下的耗能。由于其管制标准大致相同,本文以德国天使标章针对显示器产品耗能标准来说明其管制内容,如表1所示。由表1中可发现,对于LCD显示器耗能值之标准比传统CRT显示器标准的要求更严格,规定只有耗能值必须在待机状态低于3Watt,在关机状态低于2Watt,才能达到产品节能目的。
表1 天使标章针对显示器产品节能的环保规范
产品型态 |
操作模式 |
最大耗能值 |
操作模式的活性 |
CRT |
待机状态1
·低耗能状态
·休眠状态 |
≦10Watts |
视机种而定 |
待机状态2
·暂停状态
·深度休眠状态 |
≦5Watts |
视机种而定 |
关机状态 |
≦1Watts |
切换装置 |
LCD |
待机状态
·低耗能状态
·休眠状态 |
≦3Watts |
视机种而定 |
关机状态 |
≦2Watts |
切换装置 |
2、低毒性规范
限制产品中含有毒性化学物质之措施,一直为国际环保规范之管制重点。但是只有到2003年初欧盟公告RoHS指令,明确限制重金属铅、镉、汞、六价铬及二种溴化耐燃剂(PBBs,PBDEs)的使用,才将产品中限制毒性化学物质的概念正式应用于产品制造中。因此,由上游元件到下游系统组装的各种不同制程中,均有可能使用到这些限用物质,平面显示器产业之所以受到较大的冲击,在于相关产品需要用到各类印刷电路板、背光灯管、外壳塑胶组件、涂料、漆料等。
国际上除了RoHS指令针对毒性化学物质进行管制之外,其实早于1990年已存有多项正式指令或规范管制产品中化学物质含量。本文将其与LCD产品相关管制规范进行了整理,具体如表2所示。可见,产品除了符合RoHS指令之管制要求外,还必须考虑销售地区的有关产品环保规范,以符合各地区规范的要求。
表2 LCD相关产品可能遭遇的环境管制法规
管制法规/规范 |
管制内容 |
影响组件 |
备注 |
EU 91/157/EEC |
电池组件重金属含量:
Pb<4000ppm
Cd<250ppm
Hg<5ppm |
电池组件 |
|
EU 91/338/EEC |
塑胶组件重金属含量:
Cd<100ppm |
塑胶件中使用的涂料、颜料、稳定剂等 |
参照EU 76/769/EEC修正 |
EU 94/62/EC |
包装组件重金属含量:
Pb+Cd+Cr6++Hg<100ppm |
包装材料 |
|
EU 98/101/EC |
钮扣电池组件重金属含量:
Hg<2%(20000ppm) |
电池组件… |
参照EU 91/157/EEC修正,将钮扣电池视为排除条款 |
EU 2002/95/EC
RoHS |
Pb<1000ppm
Hg<1000ppm
Cr6+<1000ppm
Cd<100ppm
PBBs,PBDEs<1000ppm |
电子组件、塑胶件、涂料、颜料、焊锡等 |
|
US California
Proposition 65 |
PVC电线外层部份Pb<300ppm,并进行标示说明
|
含PVC成分之电缆线、电线、相关排线 |
|
Montreal Protocol |
破坏臭氧层之物质 |
制程清洗、填充等阶段 |
|
3、可回收规范
在可回收规范中,WEEE指令对平面显示器产业的冲击最为显着。由于液晶显示器产品可归类为WEEE 指令管制范畴中之第三类“资讯与通讯设备”或第四类“消费设备”,其废弃时之再使用与循环率(reuse and recycling rate)需达到65%及回收率(recovery rate)75%的目标,而该指令也于其第3条款(Article 3)中针对reuse rate、recycling rate 及recovery rate做出明确的定义:reuse系指该组件用于其原先设计用途的任何作业;recycling系指将零组件应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中针对各项回收作业的定义。
LCD产品环境化设计策略
根据上述众多国际间所采用的节能、低毒性、可回收相关规范,整理出的LCD产品环境化设计策如图1所示。
1、节能设计策略
一般来说,产品节能设计是在IC上进行节电装置设计的,或采用相关电源管理软体来达到产品节能的目的,因此,该阶段的环境化设计策略大多是在产品研发规划时拟定的。若以目前业界常见的节能规范,如美国能源之星、瑞典TCO 03’标章、欧盟EU-Flower标章、德国天使标章等对LCD产品在待机状态与关机状态下的耗能进行要求,大部分产品均可达到上述规范的要求,对制造商不会有太大影响。
2、低毒性设计策略
根据LCD产品由上游组件提供到下游系统组装之流程,为了方便了解整体LCD制造的主要材料与制程,本文将其分成5个主要制程阶段,以分析其中是否使用到RoHS所限制的化学物质,如表3所示。可以看出,LCD制程当中可能含有铬、铅、汞及溴化耐燃剂等成分。
表3 LCD制程使用到限用化学物质之分析
制程名称 |
主要材料 |
化学物质限制 |
玻璃基板制程 |
·进料段:硅砂、石灰石、硼酸、碳酸镁、亚砒酸、金属(铝、锶、钡)
·洗净段:DI Water(含HF/NH4OH/H2O2/H2O等化学品) |
该制程中,除了原始矿物质可能含有铅与镉外,并没有在该制程当中刻意使用到限用化学物质 |
阵列基板电路图制造(Array) |
·薄膜成型段:ITO(氧化铟锡)、铝、MoW、Mo、AlNd等金属及SiOx、SiNx、A-Si等
·光阻涂布段:光阻剂,含丙二醇甲醚乙酸酯(溶剂)、苯酚甲醛树脂(感光剂)等
·显影:显影液,氢氧化四甲基铵(TMAH)或氢氧化四乙基铵(TEAH)
·蚀刻段:蚀刻液,主要硝酸、氢氟酸(HF)及醋酸、磷酸及其缓冲液 |
此阶段制程中没有使用RoHS限制的物质 |
颜料分散法制造彩色滤光片 |
·洗净段:DI Water黑色矩阵(BM)
·形成工程段:Cr或树脂BM(压克力树脂+颜料+感光剂)、光阻剂
·彩色光阻涂布段:彩色光阻(压克力树脂+颜料+感光剂)
·保护膜形成工程段:环氧树脂系或聚醯亚胺系等高分子
·透明电极形成工程段:DIWater、ITO靶材 |
彩色滤光片中的黑色矩阵中含有Cr金属,虽是在真空中溅镀形成Cr与Cr3+,但有违反RoHS之疑虑,目前已逐步改为树脂BM |
LCD面板组装(Cell) |
·配向膜形成段:配向膜(Polyimide)、框胶
·散布间隔物段:间隔物(玻璃、Silica)
·液晶注入/封合段:液晶
·偏光板贴合工程段:偏光板(TAC、PVA、碘离子) |
此阶段制程中没有使用RoHS限制的物质 |
LCD模组组装制程 |
·驱动积体电路装配段:DriverIC(TCP/COG/COF)
·印刷电路板接线段:印刷电路板、异方性导电胶(ACF)
·背光模组安装段:背光模组(CCFL) |
此阶段使用的物料中,背光模组中的CCFL含有少量汞元素,目前虽然属于排外条款之列,但印刷电路板部分却可能有含铅量过高的疑虑 |
表3除了说明LCD制程段会使用到这些管制物质之外,在LCD面板制造完成后交给下游组装厂,生产LCD显示器、电视等相关产品时,由于有不同功能之需求,因此,还会衍生SMT制程、印刷电路板装入、外壳组件美化喷漆或电镀等制程,而这些制程中极可能使用到RoHS指令管制之物质。因此,有关LCD产品进行低毒性设计的策略,是将上述受管制的化学物质进行替代,目前业界常用的替代方式如表4所示。
表4 替代材料发展概况
管制物质 |
用途 |
可能含有的组件/制程 |
替代技术 |
技术原理 |
目前瓶颈 |
Cd |
颜料粘合剂 |
颜料、染料、漆料、墨水等 |
Cd-free的颜料 |
-- |
成本高、上色粘合度较差 |
安定剂 |
塑胶件、橡胶件、电子组件、玻璃件等 |
Cd-free的安定剂 |
-- |
成本高、安定程度较差 |
Cr |
装饰铬 |
镀铬框、电脑、手机壳件等 |
·电浆
·电镀(Ni系替代Cr6+)
·无电镀
·复合电镀 |
不使用铬酸系电镀液 |
电浆作业空间限制硬度、耐磨性、耐蚀性均比Cr6+差 |
工业铬(硬铬) |
五金件、面板矩阵制程、螺丝 |
-- |
-- |
-- |
Hg |
组件元素 |
电池、包装材料、颜料等 |
Ni-H、太阳能等电池 |
其他重金属替代 |
成本高 |
照明电极 |
灯管 |
LED |
LED |
大尺寸面板会有色散现象 |
Pb |
PCB喷锡(提升焊锡性) |
印刷电路板 |
化学浸金ENIG
化学银/化学锡 |
还原或置换反应 |
化学锡药水与初设设备成本过高 |
|
焊锡 |
印刷电路板、电阻、电容等 |
·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 |
无铅焊锡、合金技术 |
·Sn-Ag系:成本高、熔点温度高约38℃(与传统Sn-Pb相比较)
·Sn-Zn系:抗氧化性差、接点可靠性较低 |
|
颜料粘合剂 |
颜料、染料、漆料、墨水等 |
Pb-free的颜料 |
-- |
成本高、上色粘合性较差 |
|
安定剂 |
塑胶件、橡胶件、电子组件、玻璃件等 |
Pb-free的安定剂 |
-- |
成本高、安定程性较差 |
|
其他 |
CRT或电视之阴极射线管、电子组件、玻璃件等 |
-- |
-- |
-- |
PBBs、PBDEs |
耐燃剂 |
印刷电路板、塑胶件、连接器等 |
·有机系:N系、P系
·无机系:三氧化二锑、氢氧化铝、Si系等
·其他:环氧基、乙稀基等 |
非溴系耐燃剂 |
机械强度与耐温程度不足 |
3、可回收设计策略
产品进行可回收设计的主要目的是符合国际环保规范对产品回收率方面的要求,通过材质标识、组件单纯化、易拆解设计等策略,均可有效提升产品的回收效率。
(1)材质标识:LCD产品或其他资讯产品均会采用到大量塑胶材料。对于重量超过25g的塑胶组件,均需进行材质标识,而材质标识范例如下图2所示,由于LCD产品外壳大多采用PC+ABS塑材,可依照ISO 11469规范,将材质清楚地标识于产品上,以方便后续回收作业。
(2)组件的单纯化设计:产品的材质可参考德国VDI 2243标准所建立的材质相容表,或采用单纯材质的使用要求,如Apple公司采用Universal Motherboard Architecture,约可减少50%的零件使用,以达到组件单纯化与简化设计的目的。
(3)易拆解设计:产品易拆解设计可运用模组化或特殊机构设计来减少组件间复杂的连接方式,以便于产品后续的拆解,如Apple与Dell公司采用以下方式达到了产品易拆解设计。
·采用swing-open的外壳设计,方便组装与拆解,如图3所示。
·内部固定螺丝由11个减少到2个。
·将电池组件设计在印刷电路板的上缘,可不用特殊工具即可进行拆卸。
因此,产品开发只要遵循节能、低毒性及可回收三个要求,运用不同的环境化设计策略,并参考国际著名企业绿色产品的成功案例,就可以开发出符合国际环保规范的绿色产品。