OGS玻璃的強化工藝研究

陳 婧,段青鵬,張 君,張慧軍

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

OGS玻璃的強化工藝研究

陳 婧,段青鵬,張 君,張慧軍

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

觸摸屏玻璃表面必須非常平整光潔輕薄,但強度要高,透光性能要好。為了保證觸摸屏玻璃的強度，從OGS玻璃的工藝制程入手，介紹了OGS玻璃生產(chǎn)過程中的一次強化和二次強化原理和方法，最后通過主要的檢測方法驗證了觸摸屏玻璃的強度，解決了觸摸屏玻璃薄而易碎的問題。

觸摸屏玻璃；化學強化；物理強化

玻璃是以石英砂、純堿、長石和石灰石等為主要原料，經(jīng)熔融、成型、冷卻固化而成的非結晶無機材料。它具有一般材料難于具備的透明性，具有優(yōu)良的機械力學性能和熱工性質。強化玻璃即鋼化玻璃，它其實是一種預應力玻璃，為提高玻璃的強度，通常使用化學或物理的方法，在玻璃表面形成壓應力，玻璃承受外力時首先抵消表層應力，從而提高了承載能力，增強玻璃自身強度，寒暑性，沖擊性等。

物理鋼化玻璃又稱為淬火鋼化玻璃,它是將普通平板玻璃在加熱爐中加熱到接近玻璃的軟化溫度（600℃）時，通過自身的形變消除內部應力，然后將玻璃移出加熱爐，再用多頭噴嘴將高壓冷空氣吹向玻璃的兩面，使其迅速且均勻地冷卻至室溫，即可制得鋼化玻璃。這種玻璃處于內部受拉，外部受壓的應力狀態(tài)，一旦局部發(fā)生破損，便會發(fā)生應力釋放，玻璃被破碎成無數(shù)小塊，這些小的碎片沒有尖銳棱角，不易傷人。

化學鋼化玻璃是通過改變玻璃表面的化學組成來提高玻璃的強度，一般是應用離子交換法進行鋼化。

1 OGS玻璃一次強化原理

考慮到體積、質量、觸感以及透光等多方面的要求，觸摸屏玻璃的厚度一般都要控制在0.5～2.0 mm，表面必須非常平整光潔，透光性能要好，整體要有一定的韌性，在按壓下也不會出現(xiàn)裂痕，而且莫氏硬度至少要在6級或以上，這樣才能確保手機玻璃有足夠的表面強度，耐磨不易刮花。

目前在觸控面板上主要采用了4種技術，即：G+G、In-cell、On-cell、OGS。其中G+G是傳統(tǒng)TFT LCD加外掛式投射電容觸控面板(合計4片玻璃基板)；內嵌投射電容觸控的TFT LCD(合計3片玻璃基板)；AMOLED加On-cell投射電容觸控面板及保護玻璃 (合計3片玻璃基板)；TFT LCD加外掛式OGS投射電容觸控面板 (合計3片玻璃基板)。其中In-cell與OGS觸控技術因為可以作到更輕薄，成為手機行業(yè)最受關注的兩大顯示技術。

其中OGS玻璃具有透光率高、輕薄等優(yōu)點，但是其有一個較大的缺點，一旦手機玻璃不幸破裂，整合在內測的觸控屏很可能會隨之損壞，而且?guī)茁适呛芨叩?。因此OGS玻璃的強化已經(jīng)成為制約其發(fā)展的最大瓶頸。

OGS玻璃的一次強化一般采用離子交換法，如圖1所示鉀離子和鈉離子進行離子交換而形成強化層。

圖1 離子交換法原理

OGS玻璃來料主要以3 mm厚度以下的鈣鈉玻璃為主，一般采用浮法工藝加工成型，化學處理方法強化，如圖2所示采用高純度的硝酸鉀溶液及搭配的催化劑混合加熱至420℃左右，玻璃結構表面的鉀離子和鈉離子進行離子交換而形成強化層。

圖2 OGS玻璃的一次化學強化流程

離子交換工藝與溫度和時間相關，如圖3中可以看出隨著溫度的升高，玻璃強度逐步增大至最大值，但是隨著溫度的繼續(xù)增高，出現(xiàn)了玻璃結構的松弛，玻璃強度又不斷減小。這是因為高溫下利于擴散，應力層增厚，溫度太高，熔鹽形成的分解物影響了離子交換并產(chǎn)生應力松弛。圖4中可以看出玻璃強度隨著時間的延長明顯提高，但加速度逐步降低，時間太長，由于溫度不變產(chǎn)生松弛應力導致強度降低。此外，玻璃強度還和熔鹽純度、玻璃表面的損傷有關。

圖3 0.8 mm玻璃交換時間10 h溫度與強度關系

圖4 0.8 mm玻璃溫度450℃時與強度關系

另外由于鉀鈉離子交換速度較慢，還可以增加催化劑等方法來加快離子交換的速度。

目前市場上的手機玻璃比較出名的主要是康寧公司的“大猩猩（Gorilla）”玻璃和旭硝子AGC公司的“龍跡（Dragontrail）”玻璃，其中大猩猩玻璃屬于鈉鈣玻璃，而龍跡玻璃大部分屬于硅酸鋁化學強化玻璃，一部分超薄玻璃也屬于鈉鈣玻璃?；瘜W鋼化玻璃的壓應力層深度一般是5～25μm不等，但大猩猩玻璃及龍跡玻璃可以將應力層提高到50μm，抗彎曲強度可以達到600～800 mPa。

2 OGS觸摸屏的二次強化過程

觸控面板產(chǎn)品都會面臨玻璃切割制程問題，為迎合輕薄化觸控產(chǎn)品趨勢，如何在OGS玻璃變薄、挖洞、異形切割后保持強化玻璃原有的機械抗壓力，甚至將產(chǎn)品的機械抗壓力提升，因此，物理方式和化學方式的玻璃二次強化技術就油然而生。

2.1 觸摸屏玻璃的二次化學強化

利用氫氟酸浸泡法，破壞玻璃表面原有的硅氧膜，將含有微裂紋的表面均勻的蝕去，或者使表面微裂紋尖端鈍化，加大曲率半徑，減小應力集中的現(xiàn)象，發(fā)生的化學反應如下：

加工完成后，將抗酸膜貼附在玻璃上（或者涂布抗酸油墨），然后將玻璃放入HF蝕刻槽中進行玻璃段面微蝕刻。玻璃強度的修復或提升與以下因素有關：

(1)蝕刻時間。如果蝕刻過久，產(chǎn)品外緣會產(chǎn)生水波紋造成外觀不良或邊緣脫落，若蝕刻不足則裂痕無法消除或減輕，無法達到機械抗壓力增加的目的。

(2)抗酸膜貼覆的精度與氣泡影響HF時刻的效果。如果抗酸膜貼覆精度不佳則會影響OGS玻璃邊緣的外觀或邊緣脫落，若是氣泡產(chǎn)生則可能侵蝕到OGS上面的金屬線路(ITO)，產(chǎn)品無法重工需報廢處理，若氣泡出現(xiàn)在玻璃段面則會遮蔽強化的效果造成凸點，凸點將使OGS產(chǎn)品產(chǎn)生組裝不良的問題。

(3)HF濃度的變化。制程中HF濃度會因為蝕刻SiO2而逐漸下降，影響到制程蝕刻速率。

(4)溫度。蝕刻制程為放熱反應，若溫度控制無法在適當?shù)闹瞥虦囟确秶鷥葘⒂绊懳g刻速率的快慢。

(5)玻璃砂過濾處理問題。蝕刻過程會形成所謂的玻璃砂，玻璃砂若沉積在蝕刻槽體未排除將影響玻璃蝕刻速率與表面質量，因此玻璃段面就容易出現(xiàn)凸點或是蝕刻不均的現(xiàn)象，影響蝕刻后的機械強度和模塊的組裝質量。

2.2 觸摸屏玻璃的二次物理強化

二次物理強化區(qū)別于二次化學強化，主要是物理反應，利用氧化水漿料和毛刷對玻璃的端面進行研磨(Polish)，如圖5所示，左右兩個毛刷高速旋轉并接觸玻璃加工面的端面，同時玻璃也低速旋轉，從而進行端面研磨處理加工。通過本道工序，可以刮削和磨光玻璃端面的各種缺陷。

圖5 物理強化方式

通過長時間的研磨，可以將玻璃機構抗壓能力明顯提升數(shù)倍，甚至優(yōu)于化學處理方式，由于在研磨前疊片處理和研磨時耗費的時間較長導致產(chǎn)能很低，不具備量產(chǎn)性，且需要大量人力操作與機臺設備，至少需4 h才可產(chǎn)出一批貨。相對而言，化學方式的強化制程不僅產(chǎn)能較大、量產(chǎn)性佳，且制程時間僅需7～8 min即可產(chǎn)出一批產(chǎn)品。

3 OGS玻璃主要測試方法

基于OGS觸控產(chǎn)業(yè)陸續(xù)蓬勃發(fā)展，觸控產(chǎn)品本身的規(guī)格要求也日漸嚴苛，所有觸控面板出貨前均要分批測試。OGS觸摸屏玻璃主要有3種技術指標：玻璃的抗彎曲強度(CL)、玻璃的抗沖擊強度(CT)、玻璃的壓應力層深度（DOL)，主要檢測方法：

方法一、用鋼球對玻璃進行抗沖擊強度測試——落球破碎性測試；

方法二、靜壓測試法—用頂針在玻璃中心位置進行遞增加壓，直至玻璃破碎瞬間的壓力值大小，見圖6。

圖6 靜壓測試法

方法三、壓應力層深度測試法——用壓應力測試儀對玻璃表面進行定量測定，計算出玻璃表面的壓力層深度。

通過上述檢測方法，強化后的OGS玻璃完全解決了玻璃強度不足的問題。

4 結束語

OGS將成為觸控產(chǎn)業(yè)的主導技術方向，OGS玻璃結構簡單,輕、薄、透光性好，由于省掉一片玻璃基板以及貼合工序，利于降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品良率，符合智慧型手機產(chǎn)品和觸控面板模組廠的利益訴求。然而，現(xiàn)階段OGS最大問題在于玻璃的強度不足，導致摔落時易碎，面對這樣的問題，OGS開發(fā)商不斷優(yōu)化強化工藝，對OGS玻璃的強度問題得到了很大改善。

[1] 李超.玻璃強化及熱加工技術[M].北京：化學工業(yè)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

陳 婧（1982-），女，畢業(yè)于太原理工大學，工程師，現(xiàn)主要從事液晶和TP設備的研制開發(fā)。

段青鵬（1980-），男，畢業(yè)于中北大學，高級工程師，現(xiàn)主要從事液晶和TP設備的研制開發(fā)。

張 君（1985-），男，畢業(yè)于長安大學，工程師，現(xiàn)主要從事液晶和TP設備的研制開發(fā)。

張慧軍（1984-），男，畢業(yè)于西安理工大學，工程師，現(xiàn)主要從事液晶和TP設備的研制開發(fā)。

2015-04-15