超薄铝硅酸盐玻璃发展及应用

刘红刚+平文亮+龚锋杰+王明忠+周翔磊

摘 要：铝硅酸盐玻璃是一种可化学强化的高强度玻璃基材，广泛应用于各种消费电子领域，尤其是作为触摸屏保护玻璃。随着电子产品设计的轻薄化以及OLED柔性触摸屏技术的逐渐成熟，市场上对超薄铝硅酸盐玻璃的需求量会呈现出井喷式的增长。南玻集团基于自身多年的浮法玻璃生产经验，于2016年成功生产出0.2～2.0mm厚度范围的超薄铝硅酸盐玻璃。

关键词：铝硅酸盐玻璃 浮法工艺 超薄 保护玻璃 触摸屏

中图分类号：TQ17 文献标识码：A 文章编号：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

铝硅酸盐玻璃以其高透过率、高强度、高硬度的物理特性在建筑、信息、航空等行业，尤其是触控显示行業得到迅猛发展[1]。随着触摸屏电子产品的普及，人们对触摸屏盖板玻璃的要求越来越高，耐划伤、耐冲击、高透过率等性能已经成为触控屏行业的基本要求，玻璃的加工性能和钢化性能直接影响盖板玻璃的成本，在触控屏上下游产业链中也具有非常重要的意义[2-3]。行业内通常将Al2O3含量大于8 wt%，R2O（主要为Na2O和K2O，也可以是Li2O）含量大于11 wt%的硅酸盐玻璃定义为高碱铝硅酸盐玻璃[4]。在20世纪60年代，国际玻璃生产巨头美国康宁Corning公司和德国肖特SCHOTT公司就已经开发出来了高铝硅酸盐玻璃配方，但是直到2008年以后的智能机时代到来，随着以电容触控技术为代表的触控显示电子设备迅猛发展，铝硅酸盐可钢化玻璃才得到了充分的认识和应用，并迅速占领市场。

应用于触控屏保护玻璃的厚度基本在1.0mm以下，厚度差小于30μm，平整度要求波纹度小于0.15μm/20mm[5]。由于盖板保护玻璃主要应用产品为手持式消费电子产品，为了达到耐划伤、高强度的性能要求，加工好的原片玻璃需经过化学强化的工序，化学强化的原理是将含有Na2O的玻璃在硝酸钾熔融盐中，K离子和玻璃中的Na离子进行交换，在玻璃表面形成一层压应力层来达到增加机械强度的目的[6]。

以手机与平板电脑为主要应用的触摸屏电子产品，除了须接受严苛的落球、整机跌落等测试项目，又须符合轻薄的设计概念，尤其是用于下一代OLED柔性显示面板的保护玻璃，尺寸厚度小于0.3mm，弯曲半径小于30mm是基本的性能要求，因此如何提高铝硅酸盐玻璃的技术生产水平，提供符合市场需求厚度和质量的玻璃基板是主要玻璃制造商目前急需解决的技术障碍。南玻集团基于市场需求，依靠自身成熟的浮法玻璃制造工艺，于2016年完成0.3mm以下厚度的高铝硅酸盐玻璃的生产技术革新，目前能稳定提供0.2～2.0mm的高铝硅酸盐玻璃基板。

1 高铝硅酸盐玻璃目前的发展现状

触摸屏及其他电子设备用可钢化玻璃目前主要分为高中低三级市场，以美国康宁、日本电气硝子为代表的中高端市场，以日本Asahi龙迹、国内熊猫和南玻高铝为代表的中低端市场，低端市场主要为旭硝子的AS2、南玻中铝（河北视窗）等。

1.1 高铝硅酸盐玻璃组分

目前市场上常用的高铝硅酸盐玻璃成分的化学组成范围大致为（wt%）：SiO2：55～65wt%，Al2O3：10～17wt%，B2O3：0～6wt%，R2O：11～18wt%，RO：1～8wt%。SiO2、B2O3和A12O3决定了玻璃的机械强度和基本性能，R2O起到了助熔的作用，同时也为化学离子交换提供了基础，RO的主要成分为MgO，CaO的含量很少，这主要是因为CaO能够阻碍Na离子与K离子的顺利交换。康宁、肖特、旭硝子、电气硝子、旭宏及南玻的高碱铝硅酸盐玻璃的化学成分如表1所示[4，7-9]。

1.2 高铝硅酸盐制造方法及产品厚度范围

国内外各大玻璃制造商瞄准超薄铝硅酸盐玻璃市场，集中资金和技术研发适用于电子设备镜头保护玻璃、指纹识别保护玻璃、超薄感应芯片及OLED柔性显示面板保护玻璃等领域的0.3mm以下厚度的超薄玻璃生产方法。目前各主流生产厂商的超薄玻璃生产方法和厚度如表2所示。

表2中的信息主要为各公司网站上公布的玻璃厚度信息，目前只有肖特、NEG能通过下拉法提供厚度低于0.1mm的玻璃，旭硝子可以通过微浮法制造0.1～0.3mm的超薄玻璃，国内厂家来看，拥有多年的浮法生产技术的南玻集团能稳定提供0.2～0.3mm的超薄玻璃，占据国内超薄玻璃生产的领先地位。其他厂家要获得超薄玻璃，基本上是下游玻璃加工厂商通过化学减薄的方法得到，此类玻璃产品的腐蚀表面平整度和厚度均匀性不及自然空气抛光的玻璃，且由于化学腐蚀过程是个高污染高危险的工序，不符合环保规范，最终必将会被取代。endprint

2 南玻超薄铝硅酸盐玻璃性能

铝硅酸盐玻璃相比钠钙玻璃具有无与伦比的优势，强化后抗弯强度可超过普通钠钙玻璃的6倍以上，耐划伤性能也远远大于钠钙玻璃，是目前触控显示行业首选的盖板保护玻璃。普通钠钙玻璃和南玻铝硅酸盐玻璃性能对比如表3所示[10-12]。

作为OLED柔性显示等电子应用设备的首选保护玻璃方案，铝硅酸盐玻璃一方面需要实现超薄化（厚度小于0.3mm）；另一方面要在超薄玻璃基础上通过配方和生产工艺优化提高玻璃强度，同时结合化学钢化和镀膜等后处理方法实现增加机械强度的目的。图1、图2是对不同厚度0.2mm、0.25mm和0.3mm的南玻铝硅酸盐玻璃进行的弯曲半径测试和落球测试结果。

图1、图2中的测试样品采用长宽比150mm/70mm的尺寸，CNC磨边后钢化，表面应力值CS在780MPa，应力层深度Dol在26μm。

落球标准为64g钢球，中心点3次，起始高度30cm，每次增加10cm，直到破碎为止，记录落球高度。图1中明显可以看出在0.2～0.3mm厚度范围内的南玻铝硅酸盐玻璃，稳定落球高度在90cm，转换成冲击能量约为0.576J，随着厚度减少，由于玻璃受落球冲击产生的变形量扩大，使得落球高度增加至100～140cm。但是随着厚度减少，不稳定性也明顯增加，图1中可以看出0.3mm厚玻璃落球高度稳定在90cm，但是到了0.2mm厚玻璃时，落球高度就离散分布在100～140cm高度。

弯曲半径的测量采用靠模法，就是将玻璃弯曲贴靠在不同半径的圆柱体，弯曲超过半圆后不破裂时的圆柱体半径称为弯曲半径。图2中测试了不同厚度南玻铝硅酸盐玻璃的弯曲半径，随着玻璃厚度从0.3mm减为0.2mm，弯曲半径从18mm降低到12mm，也就是说用其作为OLED等柔性显示面板的保护玻璃盖板时可实现弯曲半径为12～18mm的弯折而不破裂，这对未来智能电子设备的设计和生产具有重要意义。

3 超薄铝硅酸盐玻璃所面临的问题

美国、日本、德国等国家的铝硅酸盐玻璃研究早于国内几十年，在玻璃配方和生产工艺方面都已经非常成熟，其产品已经广泛应用于各种电容式触摸屏和其他电子设备上。国内相关研究和生产工艺开发起步较晚，产品质量还不够稳定，面对国外专利保护体系严密的溢流下拉法生产工艺，需要非常大的技术和资本投入去克服此领域的技术障碍，国内主要铝硅酸盐玻璃生产厂商仍为浮法玻璃生产工艺。

从高铝硅酸盐玻璃的国内研究现状来看，仍有以下几个方面的重要技术需要攻克。

（1）铝硅酸盐玻璃的组成设计优化及性能提升，国内外专利申请，突破国外技术专利垄断。

（2）铝硅酸盐玻璃的生产技术改进及优化，浮法和溢流法技术突破，对玻璃高温熔制、澄清、成型及后段检测分析改进。

（3）铝硅酸盐玻璃的化学强化过程中的基础理论和技术研究，包括离子扩散的热力学和动力学；铝硅酸盐玻璃化学强化前后的玻璃表面结构及性能之间的关系；化学强化过程中玻璃表面应力分布及衰减规律等。

（4）研发超薄铝硅酸盐玻璃生产技术和设备，制备出厚度低于0.2mm的超薄高强度铝硅酸盐玻璃基板，满足OLED等领域的市场需求。

4 总结与展望

综上所述，目前国产超薄铝硅酸盐玻璃的发展已经取得了相当大的突破，以南玻高铝硅酸盐玻璃为例。

（1）南玻集团基于自身丰富的浮法工艺技术在2016年成功实现超薄铝硅酸盐玻璃0.2～2.0mm厚度玻璃基板的生产。

（2）南玻高铝硅酸盐玻璃钢化后可实现弯曲半径达到12mm的弯折水平，能满足OLED柔性显示面板保护玻璃的基本需求。

（3）南玻高铝硅酸盐玻璃钢化后，64g钢球落球高度可高于90cm以上，及中心点3次可承受0.576J以上的冲击能量。

随着近两年国内铝硅酸盐玻璃制造企业的长足进步，已逐渐扩大国产触摸屏玻璃的市场份额，打破国外垄断，并实现了多项技术突破。

参考文献

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