超薄鋁硅酸鹽玻璃發(fā)展及應(yīng)用

劉紅剛+平文亮+龔鋒杰+王明忠+周翔磊

摘 要：鋁硅酸鹽玻璃是一種可化學(xué)強化的高強度玻璃基材，廣泛應(yīng)用于各種消費電子領(lǐng)域，尤其是作為觸摸屏保護玻璃。隨著電子產(chǎn)品設(shè)計的輕薄化以及OLED柔性觸摸屏技術(shù)的逐漸成熟，市場上對超薄鋁硅酸鹽玻璃的需求量會呈現(xiàn)出井噴式的增長。南玻集團基于自身多年的浮法玻璃生產(chǎn)經(jīng)驗，于2016年成功生產(chǎn)出0.2～2.0mm厚度范圍的超薄鋁硅酸鹽玻璃。

關(guān)鍵詞：鋁硅酸鹽玻璃 浮法工藝 超薄 保護玻璃 觸摸屏

中圖分類號：TQ17 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0063-04

Abstract：Alumino-silicate glass is a kind of being chemically toughened glass material with a high mechanical strength property，which is widely used in all kinds of consumer electronics，especially used as the protected glass of touch screen.As the lightweight design of electronic device being and the OLED touch screen maturing gradually，the market demand for ultra-thin alumino-silicate glass can present a spurt of growth. Based on our own years of experience in float glass，CSG company had successfully produced a range of 0.2～2.0mm thickness ultra-thin alumino-silicate glass in 2016.

Key Words：Alumino-silicate glass； Float process； Ultra-thin； Cover glass； Touch screen

鋁硅酸鹽玻璃以其高透過率、高強度、高硬度的物理特性在建筑、信息、航空等行業(yè)，尤其是觸控顯示行業(yè)得到迅猛發(fā)展[1]。隨著觸摸屏電子產(chǎn)品的普及，人們對觸摸屏蓋板玻璃的要求越來越高，耐劃傷、耐沖擊、高透過率等性能已經(jīng)成為觸控屏行業(yè)的基本要求，玻璃的加工性能和鋼化性能直接影響蓋板玻璃的成本，在觸控屏上下游產(chǎn)業(yè)鏈中也具有非常重要的意義[2-3]。行業(yè)內(nèi)通常將Al2O3含量大于8 wt%，R2O（主要為Na2O和K2O，也可以是Li2O）含量大于11 wt%的硅酸鹽玻璃定義為高堿鋁硅酸鹽玻璃[4]。在20世紀60年代，國際玻璃生產(chǎn)巨頭美國康寧Corning公司和德國肖特SCHOTT公司就已經(jīng)開發(fā)出來了高鋁硅酸鹽玻璃配方，但是直到2008年以后的智能機時代到來，隨著以電容觸控技術(shù)為代表的觸控顯示電子設(shè)備迅猛發(fā)展，鋁硅酸鹽可鋼化玻璃才得到了充分的認識和應(yīng)用，并迅速占領(lǐng)市場。

應(yīng)用于觸控屏保護玻璃的厚度基本在1.0mm以下，厚度差小于30μm，平整度要求波紋度小于0.15μm/20mm[5]。由于蓋板保護玻璃主要應(yīng)用產(chǎn)品為手持式消費電子產(chǎn)品，為了達到耐劃傷、高強度的性能要求，加工好的原片玻璃需經(jīng)過化學(xué)強化的工序，化學(xué)強化的原理是將含有Na2O的玻璃在硝酸鉀熔融鹽中，K離子和玻璃中的Na離子進行交換，在玻璃表面形成一層壓應(yīng)力層來達到增加機械強度的目的[6]。

以手機與平板電腦為主要應(yīng)用的觸摸屏電子產(chǎn)品，除了須接受嚴苛的落球、整機跌落等測試項目，又須符合輕薄的設(shè)計概念，尤其是用于下一代OLED柔性顯示面板的保護玻璃，尺寸厚度小于0.3mm，彎曲半徑小于30mm是基本的性能要求，因此如何提高鋁硅酸鹽玻璃的技術(shù)生產(chǎn)水平，提供符合市場需求厚度和質(zhì)量的玻璃基板是主要玻璃制造商目前急需解決的技術(shù)障礙。南玻集團基于市場需求，依靠自身成熟的浮法玻璃制造工藝，于2016年完成0.3mm以下厚度的高鋁硅酸鹽玻璃的生產(chǎn)技術(shù)革新，目前能穩(wěn)定提供0.2～2.0mm的高鋁硅酸鹽玻璃基板。

1 高鋁硅酸鹽玻璃目前的發(fā)展現(xiàn)狀

觸摸屏及其他電子設(shè)備用可鋼化玻璃目前主要分為高中低三級市場，以美國康寧、日本電氣硝子為代表的中高端市場，以日本Asahi龍跡、國內(nèi)熊貓和南玻高鋁為代表的中低端市場，低端市場主要為旭硝子的AS2、南玻中鋁（河北視窗）等。

1.1 高鋁硅酸鹽玻璃組分

目前市場上常用的高鋁硅酸鹽玻璃成分的化學(xué)組成范圍大致為（wt%）：SiO2：55～65wt%，Al2O3：10～17wt%，B2O3：0～6wt%，R2O：11～18wt%，RO：1～8wt%。SiO2、B2O3和A12O3決定了玻璃的機械強度和基本性能，R2O起到了助熔的作用，同時也為化學(xué)離子交換提供了基礎(chǔ)，RO的主要成分為MgO，CaO的含量很少，這主要是因為CaO能夠阻礙Na離子與K離子的順利交換。康寧、肖特、旭硝子、電氣硝子、旭宏及南玻的高堿鋁硅酸鹽玻璃的化學(xué)成分如表1所示[4，7-9]。

1.2 高鋁硅酸鹽制造方法及產(chǎn)品厚度范圍

國內(nèi)外各大玻璃制造商瞄準超薄鋁硅酸鹽玻璃市場，集中資金和技術(shù)研發(fā)適用于電子設(shè)備鏡頭保護玻璃、指紋識別保護玻璃、超薄感應(yīng)芯片及OLED柔性顯示面板保護玻璃等領(lǐng)域的0.3mm以下厚度的超薄玻璃生產(chǎn)方法。目前各主流生產(chǎn)廠商的超薄玻璃生產(chǎn)方法和厚度如表2所示。

表2中的信息主要為各公司網(wǎng)站上公布的玻璃厚度信息，目前只有肖特、NEG能通過下拉法提供厚度低于0.1mm的玻璃，旭硝子可以通過微浮法制造0.1～0.3mm的超薄玻璃，國內(nèi)廠家來看，擁有多年的浮法生產(chǎn)技術(shù)的南玻集團能穩(wěn)定提供0.2～0.3mm的超薄玻璃，占據(jù)國內(nèi)超薄玻璃生產(chǎn)的領(lǐng)先地位。其他廠家要獲得超薄玻璃，基本上是下游玻璃加工廠商通過化學(xué)減薄的方法得到，此類玻璃產(chǎn)品的腐蝕表面平整度和厚度均勻性不及自然空氣拋光的玻璃，且由于化學(xué)腐蝕過程是個高污染高危險的工序，不符合環(huán)保規(guī)范，最終必將會被取代。endprint

2 南玻超薄鋁硅酸鹽玻璃性能

鋁硅酸鹽玻璃相比鈉鈣玻璃具有無與倫比的優(yōu)勢，強化后抗彎強度可超過普通鈉鈣玻璃的6倍以上，耐劃傷性能也遠遠大于鈉鈣玻璃，是目前觸控顯示行業(yè)首選的蓋板保護玻璃。普通鈉鈣玻璃和南玻鋁硅酸鹽玻璃性能對比如表3所示[10-12]。

作為OLED柔性顯示等電子應(yīng)用設(shè)備的首選保護玻璃方案，鋁硅酸鹽玻璃一方面需要實現(xiàn)超薄化（厚度小于0.3mm）；另一方面要在超薄玻璃基礎(chǔ)上通過配方和生產(chǎn)工藝優(yōu)化提高玻璃強度，同時結(jié)合化學(xué)鋼化和鍍膜等后處理方法實現(xiàn)增加機械強度的目的。圖1、圖2是對不同厚度0.2mm、0.25mm和0.3mm的南玻鋁硅酸鹽玻璃進行的彎曲半徑測試和落球測試結(jié)果。

圖1、圖2中的測試樣品采用長寬比150mm/70mm的尺寸，CNC磨邊后鋼化，表面應(yīng)力值CS在780MPa，應(yīng)力層深度Dol在26μm。

落球標準為64g鋼球，中心點3次，起始高度30cm，每次增加10cm，直到破碎為止，記錄落球高度。圖1中明顯可以看出在0.2～0.3mm厚度范圍內(nèi)的南玻鋁硅酸鹽玻璃，穩(wěn)定落球高度在90cm，轉(zhuǎn)換成沖擊能量約為0.576J，隨著厚度減少，由于玻璃受落球沖擊產(chǎn)生的變形量擴大，使得落球高度增加至100～140cm。但是隨著厚度減少，不穩(wěn)定性也明顯增加，圖1中可以看出0.3mm厚玻璃落球高度穩(wěn)定在90cm，但是到了0.2mm厚玻璃時，落球高度就離散分布在100～140cm高度。

彎曲半徑的測量采用靠模法，就是將玻璃彎曲貼靠在不同半徑的圓柱體，彎曲超過半圓后不破裂時的圓柱體半徑稱為彎曲半徑。圖2中測試了不同厚度南玻鋁硅酸鹽玻璃的彎曲半徑，隨著玻璃厚度從0.3mm減為0.2mm，彎曲半徑從18mm降低到12mm，也就是說用其作為OLED等柔性顯示面板的保護玻璃蓋板時可實現(xiàn)彎曲半徑為12～18mm的彎折而不破裂，這對未來智能電子設(shè)備的設(shè)計和生產(chǎn)具有重要意義。

3 超薄鋁硅酸鹽玻璃所面臨的問題

美國、日本、德國等國家的鋁硅酸鹽玻璃研究早于國內(nèi)幾十年，在玻璃配方和生產(chǎn)工藝方面都已經(jīng)非常成熟，其產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電容式觸摸屏和其他電子設(shè)備上。國內(nèi)相關(guān)研究和生產(chǎn)工藝開發(fā)起步較晚，產(chǎn)品質(zhì)量還不夠穩(wěn)定，面對國外專利保護體系嚴密的溢流下拉法生產(chǎn)工藝，需要非常大的技術(shù)和資本投入去克服此領(lǐng)域的技術(shù)障礙，國內(nèi)主要鋁硅酸鹽玻璃生產(chǎn)廠商仍為浮法玻璃生產(chǎn)工藝。

從高鋁硅酸鹽玻璃的國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，仍有以下幾個方面的重要技術(shù)需要攻克。

（1）鋁硅酸鹽玻璃的組成設(shè)計優(yōu)化及性能提升，國內(nèi)外專利申請，突破國外技術(shù)專利壟斷。

（2）鋁硅酸鹽玻璃的生產(chǎn)技術(shù)改進及優(yōu)化，浮法和溢流法技術(shù)突破，對玻璃高溫熔制、澄清、成型及后段檢測分析改進。

（3）鋁硅酸鹽玻璃的化學(xué)強化過程中的基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究，包括離子擴散的熱力學(xué)和動力學(xué)；鋁硅酸鹽玻璃化學(xué)強化前后的玻璃表面結(jié)構(gòu)及性能之間的關(guān)系；化學(xué)強化過程中玻璃表面應(yīng)力分布及衰減規(guī)律等。

（4）研發(fā)超薄鋁硅酸鹽玻璃生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，制備出厚度低于0.2mm的超薄高強度鋁硅酸鹽玻璃基板，滿足OLED等領(lǐng)域的市場需求。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，目前國產(chǎn)超薄鋁硅酸鹽玻璃的發(fā)展已經(jīng)取得了相當大的突破，以南玻高鋁硅酸鹽玻璃為例。

（1）南玻集團基于自身豐富的浮法工藝技術(shù)在2016年成功實現(xiàn)超薄鋁硅酸鹽玻璃0.2～2.0mm厚度玻璃基板的生產(chǎn)。

（2）南玻高鋁硅酸鹽玻璃鋼化后可實現(xiàn)彎曲半徑達到12mm的彎折水平，能滿足OLED柔性顯示面板保護玻璃的基本需求。

（3）南玻高鋁硅酸鹽玻璃鋼化后，64g鋼球落球高度可高于90cm以上，及中心點3次可承受0.576J以上的沖擊能量。

隨著近兩年國內(nèi)鋁硅酸鹽玻璃制造企業(yè)的長足進步，已逐漸擴大國產(chǎn)觸摸屏玻璃的市場份額，打破國外壟斷，并實現(xiàn)了多項技術(shù)突破。

參考文獻

[1] 國建.世界市場玻璃工業(yè)趨向[J].磚瓦世界，2004（6）：9-10.

[2] VARSHNEYA A K.Chemical strengthening of glass：lessons learned and yet to be learned[J].International Journal of Applied Glass Science，2010（2）：131-142.

[3] 高哲，田英良，沈雪紅.高強度鋁硅酸鹽玻璃及其化學(xué)鋼化方法：中國，200810147442.3[P].2009-01-07.

[4] 郭振強，章宇，崔瑞男，等.高堿鋁硅酸鹽玻璃的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].建筑玻璃與工業(yè)玻璃，2014（3）：10-12.

[5] 洪偉，曹欣.觸摸屏保護玻璃[J].中國玻璃，2012（1）：30-33.

[6] 姜良寶，厲蕾，張官理.化學(xué)強化鋁硅酸鹽玻璃研究進展[J].材料工程，2014（10）：106-112.

[7] 王沖，喬斯·西默.用于觸摸屏的鋁硅酸鹽玻璃：中國， 201080056262.X[P].2010-12-10.

[8] 村田隆，山崎博樹.強化玻璃基板及其制造方法：中國，200880017889.7[P].2008-06-03.

[9] 戴斌，肖子凡.鋁硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃的強化方法及強化玻璃：中國，20140815759.5[P].2014-12-23.

[10] 夏文寶，姜宏，魯鵬.觸摸屏蓋板玻璃的發(fā)展及應(yīng)用前景[J].玻璃與搪瓷，2014，42（1）：37-42.

[11] 鄒世鋒，姜宏，趙會峰.高堿鋁硅酸鹽玻璃的研究綜述[J].玻璃與搪瓷，2013，41（5）：34-37.

[12] 田英良，梁新輝，張磊，等.高堿鋁硅酸鹽玻璃的超薄浮法工藝探究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32（22）：102-105.endprint