手机面板的前景

dagege · 发表于 2015-6-22 19:40:36

         2013年1月，笔者应邀请，在西湖论坛上作了“触摸式手机玻璃面板技术发展”的专题报告，引起同行的兴趣，点击数达到11600多次，目前触摸式手机玻璃面板制造有了新进展，以Corning（康宁）公司为例，由Gorilla（大猩猩）1、2玻璃，2013年发展到Gorilla3玻璃，还有Willow（柳树）超薄式可桡玻璃、Eagle（鹰）XG玻璃、Lotus（莲花）玻璃，以及最近在环保署(ERA)注册的抗菌大猩猩玻璃(Antimicrobial Gorilla Glass)。德国Schott（肖脱）公司除了Xensation Cover 3D、Xensation Touch玻璃外，还研发了防眩光玻璃(Xensation AG)和抗菌玻璃。日本旭硝子主要生产Dragontrail（升龙或译龙尾）玻璃，日本电子硝子(NEG)则生产T2X玻璃。
　　
　　在市场占有率方面，Corning公司占53%左右，排名第一，日本旭硝子为第二。到了2014年8月，世界上有33品牌、2450型号、27亿台设备采用Gorilla玻璃。如诺基亚Lumia1020、1320；三星GalaxyS4、S5；HTCOneN8、E8；魅族MX3、MX2；还有LG、宏基、华硕、联想等手机均采用Gorilla玻璃面板，黑苺手机原先屏幕为TouchonLens，现在也改用Gorilla3，目前采用Gorilla玻璃的智能手机占全球60%以上，无需贴膜保护。
　　
　　苹果i-Phone6原计划用蓝宝石（有的文献或网站上称为蓝宝石玻璃，实际上是合成蓝宝石）为面板，因蓝宝石硬度为9，玻璃为7，蓝宝石比玻璃抗磨，苹果i-Phone5主键(home)具有指纹识别功能，采用蓝宝石能减少键磨损，避免表面划伤而影响识别效果；在摄像头以蓝宝石作保护盖板，防止照相镜头磨损，提高拍摄功能。但合成蓝宝石价格昂贵，4吋屏幕成本约40美元，而Gorilla玻璃仅为其；蓝宝石重量比玻璃高1.6倍，透明度也不及玻璃，生产时的能耗大，设备要投入巨资，这些因素均制约了合成蓝宝石在大屏幕手机上的应用，所以苹果6仍以玻璃为屏幕。
　　
　　本文阐述玻璃面板成分与性能、离子交换与离子注入工艺、防眩膜与抗菌玻璃面板方面的新进展

　　1玻璃成分与性能的改进
　　
　　手机面板玻璃为达到高强度、高硬度、抗磨损的性能需要，并能进行离子交换增强工艺要求，通常采用碱铝硅酸盐成分系统。此成分系统在离子交换前硬度、强度、抗磨损性能就比较好，离子交换后更增强此类性能。国内文献上介绍的Gorilla、Xensation和Dragontrail的性能见表1。: u* O. V* V/ d; T
　　
　　表1  国内介绍的三种面板玻璃成分（质量分数/%）

　　牌号SiO2 B2O3  Al2O3CaOMgO  Li2O  Na2O  K2O! i8 E7 r! W; ]
　　
　　Gorilla60~65  1~3  13~15 0~1  3~5  13~15  2~4

　　Xensation58~6213~15  3~4  1~5 5~8  11~13

　　Dragontrail60~64 9~13 0~1  4~7  8~12 3~74
　　
　　国外各企业实际成分与表1有很大偏差，即使国内对国外产品进行化学成分分析，认为已掌握了国外产品的成分，但分析成分并不等于企业的生产成分。从Gorilla为例，实际成分比表1介绍的成分要复杂，Gorilla2、3即是通过对Gorilla1的成分调整，使性能比Gorilla1有了明显的提高，因此不能忽视成分的作用。2013年研发的Gorilla3比Gorilla2、1的性能有以下改进。
　　
　　（1）Gorilla3密度最小、质量最轻Gorilla1的密度为2.44g/cm3，Gorilla2为2.42g/cm3，Gorilla3仅有2.39g/cm3，即Gorilla3比Gorilla1的密度降低2.05%，更符合手机、平板电脑轻薄化的要求。
　
　　（2）Gorilla3软化点最高Gorilla1的软化点为852℃，Gorilla2为895℃，Gorilla3为900℃。面板玻璃软化点的升高，适合高像素手机和平板电脑屏幕显示器热加工的需要。
　　
　　（3）Gorilla3的热稳定性好Gorilla3的线膨胀系数为75.8×10-7/℃，Gorilla2为81.4×10-7/℃，Gorilla1为84.5×10-7/℃。面板玻璃的线膨胀系数降低，受热后尺寸变化小，良好的尺寸稳定性有利于OGS(oneglasssolution)一体化单片玻璃触摸显示屏的制作。7 d: \5 S) \4 e: u& u; ]
　
　　（4）Gorilla3强度增加未化学增强前，Gorilla比3Gorilla2抗断裂强度就高50%。
　
　　（5）Gorilla3不易划伤Gorilla2受4N力即有明显划伤，而Gorilla3受7N力才有明显划伤。Gorilla3抗磨能力比Gorilla2提高3倍，肉眼可见刻痕减少40%。
　　
　　从以上性能数据的改变可以看出成分调整的重要性。
   2离子交换工艺的优选
　　
　　上世纪60年代国外就已研究了离子交换增强，国内称为化学钢化，80年代笔者和研究团队系统地研究了影响化学钢化的因素，特别是在KNO3熔盐中加入KOH、K2SiO3、K3PO4、KCl、K2CO3为加速剂，Al2O3、硅藻土为稳定剂，可以加速离子交换，提高离子交换增强的效果。但这些添加剂对交换后表面质量或多或少会有影响，而手机玻璃面板对表面平整度、光洁度要求极高，因此不宜再加入添加剂。目前国外对不同成分的玻璃优选出最合适的化学钢化条件，如Gorilla在100%KNO3熔盐中交换温度为380~460℃，时间3~16h，可根据玻璃成分来具体确定，如一个专利的实施方案中离子交换温度为430℃，时间8h。
　　
　　Gorilla3按其成分优选对应的离子交换温度和时间后，表面压应力有了明显提高，应力层也有加深。Gorilla3压应力≥950MPa，应力层深度≥50µm，而Gorilla1压应力≥800MPa，应力层深度≥40µm。Gorilla3离子交换后抗损伤性能也增加，产生初始径向微裂纹时，Gorilla3的循环负荷为15000g，Gorilla2为7500g，Gorilla1为4500g。
　　
　　Schott公司根据不同成分优选的离子交换温度为390~420℃，时间2~3h，表面压应力800~850MPa。XensationCoverAG离子交换前，努氏硬度HK为534MPa、维氏硬度HV为617MPa，用合适的温度制度进行离子交换后，H提高到639MPa、HV提高到681MPa。离子交换后表面压应力>900MPa，交换层深度>50µm，四点弯曲强度>800MPa。

　　3抗菌玻璃面板
　　
　　玻璃面板经常用手指触摸，手上常常带有细菌，容易感染，因此研发抗菌玻璃面板很有必要。在玻璃表面施加含Ag+、Cu+、Zn+离子涂层均可起抗菌、杀菌作用。采用溶胶凝溶法在玻璃表面上加含Ag+、Cu+、Zn+的涂层，但涂层必须进行热处理，温度达450~550℃，既影响化学钢化玻璃面板的应力松弛，而且也增加一道工序，因此合理的方法应在离子交换熔盐中加入抗菌杀菌离子，Corning和Schott公司均是在KNO3熔盐中添加AgNO3，在熔盐中K+与玻璃中Na+离子交换的同时，还进行熔盐中Ag+与玻璃中Na+离子交换。
　　
　　以Schott公司的触摸屏面板玻璃为例，通常在100%KNO3中加入AgNO34~8%，离子交换温度390~420℃，时间1~3h，离子交换后玻璃在550nm波长下透过率89%~91%，玻璃表面2µm层内Ag2O含量1%~2%（质量分数）。美国材料试验学会标准ASTM218-01方法对绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉菌、白色念珠菌、大肠杆菌、沙门氏菌的抗菌测试合格。按中国建材行业标准JCT1054-2007《镀膜抗菌玻璃标准》对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌试验也合格，说明此抗菌玻璃面板达到抗菌指标

　　4抗反射涂层（防眩层）研发
　　
　　在阳光下使用手机时，常常因为面板玻璃的反射，看不清楚显示屏上的文字与图案，因此降低玻璃表面反射率势在必行。一般手机面板折射率nD为1.50~1.51，要降低玻璃反射率，通常在表面加低折射涂层，此涂层也称减反射层，如折射率nD为1.445~1.46的SiO2即是；也可采用多层膜系，如将SiO2与TiO2组成5层膜系，即SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2，在450~650nm的反射率降低到0.5%以下，此减反射膜系在不同波长下的反射率如图1所示

　　减反射涂层玻璃的反射率曲线

Corning公司专利中介绍的抗反射涂层至少为1层，厚度为10~70µm，也可由几层构成，厚度也为10~70µm。单减反射层的材料为SiO2或掺杂F的SiO2。双减反射层的底层（贴玻璃表面的涂层）为金属氧化物，如HfO2、TiO2、ZrO2、Y2O3、Gd2O3其中之一，顶层为SiO2或掺杂F的SiO2。三层减反射膜中则玻璃膜表面上的底层膜为Y2O3，第二层为TiO2，顶层为SiO2。

5离子注入改性
　
　　离子注入与离子交换相比。离子注入品种不受限制，根据表面改性需要，几乎任何离子均可注入到玻璃中，注入温度不一定要高温，也可在低温、室温时进行，注入后基片尺寸不会变化，离子注入层不像涂层那样易于剥落[8]。笔者在上世纪80年代初开始研究离子注入对玻璃性能的影响，1982年发表了离子注入增强玻璃硬度方面的论文[9]。由于离子注入设备复杂，价格很高，在一般玻璃面板改性方面很难推广，但对于蓝宝石这类不含碱金属离子，无法用离子交换进行增强和增硬的面板材料而言，离子注入是最佳选择。
　　
　　2014年7月苹果公司发布了用离子注入对玻璃或蓝宝石手机面板进行标记（indicia）的专利，根据对颜色的要求，可以选择B、Mg、Ti、Cr、Fe、Cu等离子，在面板上形成红、蓝、黄、粉红、紫、橙或绿色标记，离子注入能量为10KV到500KV，注入深度从几个纳米，到200~300nm，最深达1µm。
　　
　　苹果公司在今年9月又发布用离子注入对蓝宝石进行改性的专利，在蓝宝石表面通过离子注入来增强，蓝宝石置于离子注入机样品室内旋转的夹具上，注入的离子源加速到规定的能量后，通过连接装置进入样品室，形成等离子体注入到蓝宝石或玻璃表面中，如图2所示。

　　图2用于蓝宝石改性的离子注入系统结构示意图

　　1-离子源，2-通道，3-等离子体，4-真空室，5-样品台，6-支柱，7-能源系统，8-调节阀，9-加热器，10-真空泵2 i4 x) r4 u1 Q( Y7 k! D

注入离子可选择Ar、N、Ti、Fe，注入能量10~100KV，注入剂量1013~1019ions/cm2。由于注入离子通过碰撞效应，在蓝宝石或玻璃表面产生填隙、动力堆积与碰撞交换，大量外来粒子导致表面体积增加，而蓝宝石或玻璃基体阻止其膨胀，从而在表面形成压应力层，使强度提高。

　　5展望
　　
　　手机发展不断减薄和减轻，i-phone6的厚度仅有6.9mm，i-phone6plus也只有7.1mm。从而要求玻璃面板厚度进一步减薄，在某些国家生产了厚度0.3mm、0.25mm和0.1mm的玻璃以后，2014年5月旭硝子公司生产了厚度只有0.05mm最薄的浮法玻璃SPOOL。此薄玻璃可以卷绕成宽1150mm、长100m的卷状产品，能用可控连续卷轴式(RolltoRoll)的生产方法，制造可挠式（曲面）的触摸式面板与穿戴式智能手表，如AppleWatch、AppleWatchSport和AppleWatchEdition，三星公司则有GearR350、Gear2R380与Gear2R381智能手表。一般薄玻璃厚度在0.1mm以下即可任意弯曲，形成多种弧度曲面，但必须深入研究薄玻璃强度问题，强度必须达到玻璃面板的要求

　　由于蓝宝石价格高，以及抗压强度和透明度低等问题，i-phone6并没有采用蓝宝石面板。目前仅有Vertu（威图）公司的VertuRococo、Constellation奢华限量版手机的按键和显示屏用蓝宝石。为了既发挥蓝宝石硬度高的优势，又要降低成本与提高强度，也可以采用一层超薄蓝宝石与一层玻璃的叠层，形成复合材料，用以制造全屏蓝宝石面板，这是今后发展的方向

　　除涂减反射层外，也可在玻璃表面用氢氟酸侵蚀成的亚光层，以降低反射率，也达到防眩目的。

拉比熊 · 发表于 2015-6-25 16:45:48

OBC · 发表于 2015-7-16 13:46:16

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