OGS玻璃的强化工艺研究

陈 婧,段青鹏,张 君,张慧军

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

OGS玻璃的强化工艺研究

陈 婧,段青鹏,张 君,张慧军

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

触摸屏玻璃表面必须非常平整光洁轻薄,但强度要高,透光性能要好。为了保证触摸屏玻璃的强度，从OGS玻璃的工艺制程入手，介绍了OGS玻璃生产过程中的一次强化和二次强化原理和方法，最后通过主要的检测方法验证了触摸屏玻璃的强度，解决了触摸屏玻璃薄而易碎的问题。

触摸屏玻璃；化学强化；物理强化

玻璃是以石英砂、纯碱、长石和石灰石等为主要原料，经熔融、成型、冷却固化而成的非结晶无机材料。它具有一般材料难于具备的透明性，具有优良的机械力学性能和热工性质。强化玻璃即钢化玻璃，它其实是一种预应力玻璃，为提高玻璃的强度，通常使用化学或物理的方法，在玻璃表面形成压应力，玻璃承受外力时首先抵消表层应力，从而提高了承载能力，增强玻璃自身强度，寒暑性，冲击性等。

物理钢化玻璃又称为淬火钢化玻璃,它是将普通平板玻璃在加热炉中加热到接近玻璃的软化温度（600℃）时，通过自身的形变消除内部应力，然后将玻璃移出加热炉，再用多头喷嘴将高压冷空气吹向玻璃的两面，使其迅速且均匀地冷却至室温，即可制得钢化玻璃。这种玻璃处于内部受拉，外部受压的应力状态，一旦局部发生破损，便会发生应力释放，玻璃被破碎成无数小块，这些小的碎片没有尖锐棱角，不易伤人。

化学钢化玻璃是通过改变玻璃表面的化学组成来提高玻璃的强度，一般是应用离子交换法进行钢化。

1 OGS玻璃一次强化原理

考虑到体积、质量、触感以及透光等多方面的要求，触摸屏玻璃的厚度一般都要控制在0.5～2.0 mm，表面必须非常平整光洁，透光性能要好，整体要有一定的韧性，在按压下也不会出现裂痕，而且莫氏硬度至少要在6级或以上，这样才能确保手机玻璃有足够的表面强度，耐磨不易刮花。

目前在触控面板上主要采用了4种技术，即：G+G、In-cell、On-cell、OGS。其中G+G是传统TFT LCD加外挂式投射电容触控面板(合计4片玻璃基板)；内嵌投射电容触控的TFT LCD(合计3片玻璃基板)；AMOLED加On-cell投射电容触控面板及保护玻璃 (合计3片玻璃基板)；TFT LCD加外挂式OGS投射电容触控面板 (合计3片玻璃基板)。其中In-cell与OGS触控技术因为可以作到更轻薄，成为手机行业最受关注的两大显示技术。

其中OGS玻璃具有透光率高、轻薄等优点，但是其有一个较大的缺点，一旦手机玻璃不幸破裂，整合在内测的触控屏很可能会随之损坏，而且几率是很高的。因此OGS玻璃的强化已经成为制约其发展的最大瓶颈。

OGS玻璃的一次强化一般采用离子交换法，如图1所示钾离子和钠离子进行离子交换而形成强化层。

图1 离子交换法原理

OGS玻璃来料主要以3 mm厚度以下的钙钠玻璃为主，一般采用浮法工艺加工成型，化学处理方法强化，如图2所示采用高纯度的硝酸钾溶液及搭配的催化剂混合加热至420℃左右，玻璃结构表面的钾离子和钠离子进行离子交换而形成强化层。

图2 OGS玻璃的一次化学强化流程

离子交换工艺与温度和时间相关，如图3中可以看出随着温度的升高，玻璃强度逐步增大至最大值，但是随着温度的继续增高，出现了玻璃结构的松弛，玻璃强度又不断减小。这是因为高温下利于扩散，应力层增厚，温度太高，熔盐形成的分解物影响了离子交换并产生应力松弛。图4中可以看出玻璃强度随着时间的延长明显提高，但加速度逐步降低，时间太长，由于温度不变产生松弛应力导致强度降低。此外，玻璃强度还和熔盐纯度、玻璃表面的损伤有关。

图3 0.8 mm玻璃交换时间10 h温度与强度关系

图4 0.8 mm玻璃温度450℃时与强度关系

另外由于钾钠离子交换速度较慢，还可以增加催化剂等方法来加快离子交换的速度。

目前市场上的手机玻璃比较出名的主要是康宁公司的“大猩猩（Gorilla）”玻璃和旭硝子AGC公司的“龙迹（Dragontrail）”玻璃，其中大猩猩玻璃属于钠钙玻璃，而龙迹玻璃大部分属于硅酸铝化学强化玻璃，一部分超薄玻璃也属于钠钙玻璃。化学钢化玻璃的压应力层深度一般是5～25μm不等，但大猩猩玻璃及龙迹玻璃可以将应力层提高到50μm，抗弯曲强度可以达到600～800 mPa。

2 OGS触摸屏的二次强化过程

触控面板产品都会面临玻璃切割制程问题，为迎合轻薄化触控产品趋势，如何在OGS玻璃变薄、挖洞、异形切割后保持强化玻璃原有的机械抗压力，甚至将产品的机械抗压力提升，因此，物理方式和化学方式的玻璃二次强化技术就油然而生。

2.1 触摸屏玻璃的二次化学强化

利用氢氟酸浸泡法，破坏玻璃表面原有的硅氧膜，将含有微裂纹的表面均匀的蚀去，或者使表面微裂纹尖端钝化，加大曲率半径，减小应力集中的现象，发生的化学反应如下：

加工完成后，将抗酸膜贴附在玻璃上（或者涂布抗酸油墨），然后将玻璃放入HF蚀刻槽中进行玻璃段面微蚀刻。玻璃强度的修复或提升与以下因素有关：

(1)蚀刻时间。如果蚀刻过久，产品外缘会产生水波纹造成外观不良或边缘脱落，若蚀刻不足则裂痕无法消除或减轻，无法达到机械抗压力增加的目的。

(2)抗酸膜贴覆的精度与气泡影响HF时刻的效果。如果抗酸膜贴覆精度不佳则会影响OGS玻璃边缘的外观或边缘脱落，若是气泡产生则可能侵蚀到OGS上面的金属线路(ITO)，产品无法重工需报废处理，若气泡出现在玻璃段面则会遮蔽强化的效果造成凸点，凸点将使OGS产品产生组装不良的问题。

(3)HF浓度的变化。制程中HF浓度会因为蚀刻SiO2而逐渐下降，影响到制程蚀刻速率。

(4)温度。蚀刻制程为放热反应，若温度控制无法在适当的制程温度范围内将影响蚀刻速率的快慢。

(5)玻璃砂过滤处理问题。蚀刻过程会形成所谓的玻璃砂，玻璃砂若沉积在蚀刻槽体未排除将影响玻璃蚀刻速率与表面质量，因此玻璃段面就容易出现凸点或是蚀刻不均的现象，影响蚀刻后的机械强度和模块的组装质量。

2.2 触摸屏玻璃的二次物理强化

二次物理强化区别于二次化学强化，主要是物理反应，利用氧化水浆料和毛刷对玻璃的端面进行研磨(Polish)，如图5所示，左右两个毛刷高速旋转并接触玻璃加工面的端面，同时玻璃也低速旋转，从而进行端面研磨处理加工。通过本道工序，可以刮削和磨光玻璃端面的各种缺陷。

图5 物理强化方式

通过长时间的研磨，可以将玻璃机构抗压能力明显提升数倍，甚至优于化学处理方式，由于在研磨前叠片处理和研磨时耗费的时间较长导致产能很低，不具备量产性，且需要大量人力操作与机台设备，至少需4 h才可产出一批货。相对而言，化学方式的强化制程不仅产能较大、量产性佳，且制程时间仅需7～8 min即可产出一批产品。

3 OGS玻璃主要测试方法

基于OGS触控产业陆续蓬勃发展，触控产品本身的规格要求也日渐严苛，所有触控面板出货前均要分批测试。OGS触摸屏玻璃主要有3种技术指标：玻璃的抗弯曲强度(CL)、玻璃的抗冲击强度(CT)、玻璃的压应力层深度（DOL)，主要检测方法：

方法一、用钢球对玻璃进行抗冲击强度测试——落球破碎性测试；

方法二、静压测试法—用顶针在玻璃中心位置进行递增加压，直至玻璃破碎瞬间的压力值大小，见图6。

图6 静压测试法

方法三、压应力层深度测试法——用压应力测试仪对玻璃表面进行定量测定，计算出玻璃表面的压力层深度。

通过上述检测方法，强化后的OGS玻璃完全解决了玻璃强度不足的问题。

4 结束语

OGS将成为触控产业的主导技术方向，OGS玻璃结构简单,轻、薄、透光性好，由于省掉一片玻璃基板以及贴合工序，利于降低生产成本、提高产品良率，符合智慧型手机产品和触控面板模组厂的利益诉求。然而，现阶段OGS最大问题在于玻璃的强度不足，导致摔落时易碎，面对这样的问题，OGS开发商不断优化强化工艺，对OGS玻璃的强度问题得到了很大改善。

[1] 李超.玻璃强化及热加工技术[M].北京：化学工业出版社，2013.

Research of the strengthening process for OGS glass

CHEN jing，DUAN qingpeng，ZHANG jun，ZHANG huijun

(The Second Research Institute of CETC，Taiyuan030024，China)

Touch screen glass surface must be very flat and smooth thin，better strength，better light translucent properties..In order to ensure the strength of the Touch screen glass，the paper introduces the the principle of the OGS glass in manufacturing process to primary and secondary strengthen from the OGS glass process technology，and finally verified the strength of the glass through the main detection to solves the Touch screen glass thin and fragile issue.

Touch screen glass；Chemically strengthened；Physical strengthen

TN605

B

1004-4507(2015)05-0042-04

陈 婧（1982-），女，毕业于太原理工大学，工程师，现主要从事液晶和TP设备的研制开发。

段青鹏（1980-），男，毕业于中北大学，高级工程师，现主要从事液晶和TP设备的研制开发。

张 君（1985-），男，毕业于长安大学，工程师，现主要从事液晶和TP设备的研制开发。

张慧军（1984-），男，毕业于西安理工大学，工程师，现主要从事液晶和TP设备的研制开发。

2015-04-15