觸屏玻璃精密加工技術與工具研究進展*

盧家鋒，幸 鋒，曾憲明，張鳳林,

(1.廣東工業(yè)大學機電工程學院， 廣東 廣州　510006;2. 河源市樹熊超硬磨具有限公司，廣東 河源　517000)

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觸屏玻璃精密加工技術與工具研究進展*

盧家鋒1，幸 鋒2，曾憲明2，張鳳林1,2

(1.廣東工業(yè)大學機電工程學院， 廣東 廣州510006;2. 河源市樹熊超硬磨具有限公司，廣東 河源517000)

隨著手機、平板電腦及可穿戴數碼產品的不斷發(fā)展，觸屏玻璃的材料及制作加工技術也不斷推陳出新。文章綜述了觸屏技術分類及觸屏玻璃的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了觸屏玻璃的加工流程，分析了各種觸摸屏玻璃精密加工技術的特點以及觸摸屏玻璃精密磨削金剛石磨具的發(fā)展方向。

觸屏玻璃；精密加工技術；金剛石砂輪工具

0　前言

觸摸屏廣泛應用于智能手機、平板電腦、筆記本電腦、電子書、游戲機等領域。近年來，隨著智能手機、平板電腦、車載移動終端以及商業(yè)化信息查詢系統(tǒng)等智能終端產品的普及推廣，全球觸摸屏產品和技術發(fā)展突飛猛進，產業(yè)規(guī)模不斷提升。市場調研機構TrendForce發(fā)布的報告顯示，2014年全球智能手機出貨量達到11.67億部，相比2013年增加了25.9%；2015年全球智能手機出貨量為12.93億部，同比增長10.3%；TrendForce預估2016年智能手機市場仍呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，年增長約7.3%，總出貨量向14億部邁進。

觸屏玻璃為了達到高強度的要求，多采用強化玻璃作為基板材質，強化玻璃切割加工難度較大，加工時容易產生崩邊，而這些崩邊又容易造成玻璃強度降低[1]，需要對觸摸屏玻璃進行精密加工，因此對觸屏玻璃精密加工技術與工具研究的進展進行總結討論有著重要的意義。

1　觸摸屏技術

隨著觸摸屏在電子顯示領域的廣泛應用，觸屏技術也在不斷發(fā)展和提升。目前的觸屏技術主要包括電阻式、表面音波、紅外線、表面電容式、投射電容式等[2-3]。電阻式及電容式主要為中小尺寸應用技術。電阻式觸摸屏是最早出現(xiàn)的觸摸屏種類之一，其利用壓力感應進行控制，由于其技術成熟且簡單，并且具有價格優(yōu)勢，對一般廠商而言是最容易切入的觸屏技術，但其存在透光率較低、耐久性較差等缺點；表面聲波觸摸屏是將一塊不含有導電介質的普通玻璃屏安裝在CRT、LCD或PDP等顯示屏的前面，其主要特點是適應能力強，由于工作面是一層聲波能量，表面聲波觸摸屏的基層玻璃沒有任何夾層和結構應力，因此適合在公共場合等環(huán)境較惡劣的條件下使用；表面電容式觸摸屏的表面覆蓋有一層導電膜，工作時當人或其它物體接觸其表面時，電極就能接收到表面電荷的變化，從而確定接觸點的位置；紅外式觸摸屏是利用X-Y方向上設置的紅外線矩陣來檢測并定位觸摸點的，紅外線式觸摸屏價格便宜、安裝容易、能較好地感應輕微觸摸與快速觸摸，但是由于紅外線式觸摸屏依靠紅外線感應動作，陽光、室內射燈等外界光線變化均會影響其準確度；表面電容觸摸屏的壽命長，但是分辨率低且不能實現(xiàn)多點觸控；投射式電容以蝕刻ITO制成，以觸控時在X、Y交會處電容值的變化來判斷觸控的位置，具有較高耐用性、透光度、反應速度以及多點觸控功能的優(yōu)點。2007年以來蘋果公司的iPhone、iPad系列產品取得的巨大成功，引發(fā)投射式電容屏開始了井噴式的發(fā)展，迅速取代電阻式觸摸屏，成為現(xiàn)在市場主流的觸控技術。

2　觸摸屏玻璃分類

觸摸屏玻璃是觸摸屏的重要組成部分，按照其用途的不同，可以分為蓋板玻璃和基板玻璃。而按照屏幕面板材質的不同，則可以分為PET膜、鋼化玻璃和藍寶石玻璃。由于PET膜用于傳統(tǒng)的電阻屏，故在下文不作詳細介紹。

2.1觸摸屏蓋板玻璃

早期的觸摸屏大多用于采用電阻式觸摸屏技術的設備中，其蓋板玻璃一般采用亞克力板或者是鈉鈣玻璃。但是其機械強度不高，表面抗劃傷性和抗沖擊性均較差，從而經常導致顯示屏幕出現(xiàn)破損和表面變粗糙的情況。隨著觸摸屏在大眾電子消費產品中的普及，電容式觸摸屏應用得越來越廣泛，對于觸摸屏蓋板的要求也隨之提高。目前，觸摸屏蓋板玻璃多數采用高鋁硅玻璃，其特點是硬度高，耐磨性好。市場上的高鋁硅玻璃主要由外國企業(yè)生產，常見的牌號有美國康寧的Gorilla、日本旭硝子的Dragon-trail以及德國肖特的XensationCover等。

國內對高鋁硅玻璃蓋板玻璃的研發(fā)起步較晚。成都光明光電目前推出了標號為MJB5的高強度玻璃，據相關信息顯示，其比藍寶石玻璃具有更高的強度。2014年，科立視材料科技有限公司研發(fā)了名為“下拉溢流法”的玻璃生產工藝，成功制造并量產0.4mm的高鋁玻璃蓋板，但是其生產的蓋板玻璃是有堿配方，且不可以用于TFT玻璃基板。

近年來，單片玻璃解決方案(OGS)以及玻璃薄膜電容(GF)成為觸控面板廠研究的兩大技術焦點。其中單片玻璃解決方案即在蓋板玻璃上面制作傳感器，節(jié)省了一片基板玻璃和一次貼合，觸摸屏能夠做得更薄且成本更低。OGS技術的興起對觸摸屏蓋板提出了更高的要求，可以說蓋板玻璃已成為電容式觸控技術最關鍵的材料之一，而其加工技術將很大程度地影響其成品率和質量。

2.2觸摸屏基板玻璃

觸摸屏基板玻璃主要采用鈉鈣硅玻璃，其尺寸規(guī)格主要包括有1.1 mm、0.7mm、0.5mm以及0.33mm等。國外廠家主要有美國康寧、日本旭硝子、電氣硝子，國內的有南玻集團，河北東旭集團等。相對于觸摸屏蓋板玻璃，其技術門檻較低一些。

由于鈉鈣硅玻璃的價格遠低于高鋁硅玻璃，雖然高鋁硅玻璃的鋼化效果要強于普通鈉鈣硅玻璃，但是其鋼化后仍然能夠達到一定的強度和保護效果，故出于降低成本考慮，許多廠家開始將普通鈉鈣硅玻璃作為中、低端觸摸屏手機蓋板使用。南玻集團采用新型的熔鹽成分，對厚度為0.3～1.1mm、尺寸大于(300×300)mm的超薄平板玻璃進行化學鋼化處理，處理后所得的化學鋼化玻璃的表面應力平均值為300～450MPa，翹曲度低于0.2%，同時兼顧玻璃的可切割性和翹曲度，滿足了顯示器基板的使用要求。秦皇島設計院針對顯示屏玻璃的應用進行制備和性能研究，經過實驗制備出的超薄玻璃化學鋼化后表面壓應力可達702MPa，已能滿足液晶顯示屏的要求。

2.3藍寶石玻璃

2013年11月蘋果公司發(fā)布消息稱iPhone6可能使用藍寶石玻璃作為手機面板。雖然后來iPhone6并沒有采用藍寶石玻璃，但卻在其Apple Watch的顯示屏上采用了。此后，藍寶石玻璃便進入大眾的眼球并受到廣泛的關注。

嚴格來說，藍寶石玻璃一詞是不確切的，因為采用的是藍寶石晶體，而不是玻璃。藍寶石是一種硬度達到9(莫氏硬度)的剛玉晶體，其硬度比知名手機面板玻璃Gorilla更高，其耐刮性能也更優(yōu)于Gorilla。此外，藍寶石的光澤度比玻璃好，化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性也優(yōu)于玻璃面板。但是藍寶石生產工藝較復雜，特別是大尺寸藍寶石手機屏幕制造成本較高，每塊價格比玻璃面板提高近10倍。

人工制備藍寶石在1902年就開始進行研究，但大都是小尺寸的晶體。大尺寸藍寶石在近年開始制備，并發(fā)展起來了多種方法，如熱交換法、泡生法、溫梯法以及針對泡生法進行改良的冷心放肩微量提拉法等。由于藍寶石很硬，后期的研磨和拋光都非常困難，使得藍寶石的成本很高。目前除了蘋果手機屏幕采用藍寶石玻璃外，國內也有數家手機制造商推出了藍寶石屏幕手機。由于藍寶石玻璃具有的優(yōu)異性能，隨著藍寶石制備方法的改進，規(guī)模擴大，生產效率提高，價格有可能進一步下降，藍寶石玻璃在未來的觸屏面板領域將得到更廣泛的應用。

3　觸摸屏玻璃加工技術

3.1觸摸屏玻璃切割加工

在觸摸屏的生產制造中，為了提高生產效率，通常是在一張大的玻璃上制作多個觸摸屏。經過絲印后的大玻璃要通過切割分成多個觸摸屏。切割是觸屏玻璃加工的起始工序，其切割的質量直接影響后續(xù)加工的難易程度。目前常見的切割工藝有刀輪切割、水射流切割以及激光切割。

刀輪切割也稱為機械切割，是通過硬質合金或者金剛石的刀輪在一定壓力下沿著玻璃滑動，在玻璃上形成一條深度和寬度一致的切口，然后進行裂斷。刀輪切割技術成熟穩(wěn)定、工藝簡單、成本低；切割的質量主要取決于刀輪的品質[4]。

但是刀輪切割也有著明顯的局限，針對厚度小于1mm的玻璃使用刀輪切割是十分困難的，因為玻璃非常容易破碎；此外，刀輪加工后會在邊緣區(qū)域留下顯著的機械應力；隨著觸屏技術的不斷發(fā)展，對觸屏玻璃切割質量和切割成品率的要求非常嚴格，如用于平板顯示方面的玻璃最薄已經達到0.4 mm，有些應用于電子產品的玻璃甚至達到0.05 mm。隨著鋼化玻璃的不斷發(fā)展以及藍寶石玻璃逐漸進入觸屏領域，傳統(tǒng)的刀輪切割在面對這些變化時，明顯顯得靈活性不足。

水射流切割是將普通的水通過一個超高壓加壓器，然后通過通道直徑為0.3mm的水噴嘴產生一道約3倍音速的水射流進行切割，若加入砂料增加其切割力，則幾乎可以切割任意材料。

使用水射流切割觸摸屏玻璃與刀輪切割相比有著明顯的優(yōu)點：切割時不會產生裂痕，它可以切割厚度很薄的玻璃、能夠靈活切割曲線、不需要進行磨邊等二次加工，在切割過程中還可以減少飛塵，改善工作環(huán)境[5]。

激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、氣化、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹去熔融物質，從而實現(xiàn)將工件割開的目的。利用激光進行玻璃的切割可以使切割邊緣光滑整齊，避免傳統(tǒng)機械切割出現(xiàn)的微細裂紋，切割質量可以得到很大地提高[6]。并且激光能夠很好的在薄觸屏玻璃上面打孔或者開槽[7]。所以使用激光對觸屏玻璃進行加工受到了行業(yè)的關注。目前，用于工業(yè)生產的玻璃切割設備主要由國外生產，如美國Fonon DSS公司用于平板顯示方面的玻璃激光切割設備；德國Grenzebach公司的浮法玻璃在線激光切割設備；德國H2B 公司的平板玻璃切割設備；德國Rofin針對玻璃、藍寶石、陶片等透明易碎型材料推出的激光切割設備等。

在國內，對于激光切割玻璃設備和工藝也有相關的研究。2014年大族激光研發(fā)的藍寶石激光切割設備已量產并實現(xiàn)銷售。理論研究方面，葉圣麟對激光切割液晶顯示玻璃基片進行研究，其結果表明,增大光斑尺寸，可減少斷面上的熱影響區(qū)，提高切割質量；但光斑尺寸過大，會降低激光功率密度，增大輸出功率[8]。焦俊科分析了單束和雙束CO2激光熱應力切割玻璃的切割效果，其結果表明相對于單束CO2激光切割的方法，利用雙束CO2激光進行玻璃的切割，既可以保證切縫沿既定方向擴展又可以提高切面的光潔度，是一種比較理想的玻璃切割方法[9]。汪旭煌利用有限元軟件ANSYS進行溫度場數值計算,建立了激光切割液晶玻璃基板溫度場的有限元模型，研究了激光功率和光斑直徑對激光切割過程中溫度場的影響，得到了溫度分布與激光功率、光斑直徑的關系[10]。

3.2觸屏玻璃精密磨削加工

觸屏玻璃的主要制造工藝包括切割、研磨,再經機械拋光研磨或化學強化，針對觸摸屏玻璃切割后產生的玻璃邊緣崩邊，目前通常使用兩種方法進行邊緣缺陷的消除。一是機械加工法，如圖1所示，使用金剛石砂輪進行精密磨削，消除崩邊裂紋，降低亞表面損傷，提高表面質量；二是化學強化法，對切割后(或者精密磨削后存在表面缺陷)的強化玻璃基板(C圓角、R圓角、孔及邊等)使用氫氟酸處理玻璃邊緣，氫氟酸可以溶解掉玻璃表面的微觀不平整，消除缺陷，此外氫氟酸還可以與玻璃產生六氟化硅填補玻璃的微觀裂紋，但六氟化硅不穩(wěn)定，易與水接觸，接觸后還會還原成有毒的氫氟酸。雖然化學強化法成本低，但面臨著危害健康和環(huán)境保護的壓力。因此業(yè)界也越來越重視精密磨削后玻璃的表面質量，這對金剛石精密磨削砂輪也提出了很大的挑戰(zhàn)。

圖1　觸屏玻璃的精密磨削示意圖Fig.1　Diagram of precision grinding of touch screen glass 1—小型金剛石砂輪　2—觸摸屏玻璃

3.2.1 電鍍金剛石砂輪加工觸屏玻璃工藝

電鍍金剛石砂輪的制備原理是金剛石在弱酸性溶液中吸附H離子，在電場作用下向陰極緩慢移動，再輔助其它落砂方法，金剛石磨粒貼附在陰極(鋼基體)表面時，Ni離子不斷在陰極表面沉積，從而形成包裹金剛石磨粒的鍍層[11]。電鍍金剛石砂輪中金剛石磨粒、鍍層與鋼基體之間微觀結構如圖2所示。

圖2　電鍍金剛石砂輪結構示意圖Fig.2　Structure diagram of electroplated diamond grinding wheel1—金剛石磨粒　2—結合劑　3—基體

基于電鍍原理，金剛石與鍍層、鍍層與鋼基體之間的結合都是弱的機械鑲嵌作用，因此砂輪在使用過程中金剛石磨粒受力、受熱易脫落，導致砂輪壽命較短[12]。金剛石砂輪的壽命短導致CNC精密加工機床換刀次數頻繁，會影響生產節(jié)奏，降低生產效率。

使用電鍍金剛石砂輪加工觸屏玻璃的主要工藝包括：成型、開槽(孔)、倒邊、精磨(拋)等。加工后表面質量對觸屏玻璃的強度影響很大?；谀壳半婂兘饎偸拜喌哪ハ骶认拗疲瑸檫M一步提高觸屏玻璃加工后的強度，還需要進行玻璃邊緣的封膠強化，目的是使用樹脂對玻璃加工表面微細缺陷(裂紋)進行封閉，緩解加工應力，因此目前電鍍金剛石砂輪對觸屏玻璃進行精密磨削還存在不足之處。

3.2.2燒結金剛石砂輪加工觸屏玻璃工藝

燒結金剛石砂輪的金剛石的結合強度比電鍍金剛石砂輪要高，而且成型性好，耐高溫，導熱性和耐磨性好，使用壽命長，能夠承受較大的負荷[13]。但是，由于砂輪在燒結的過程中不可避免地存在著精度低的問題，因此需要對砂輪進行整形處理，這也增加了燒結金剛石砂輪的制造成本[14-15]。

國內外學者針對金剛石砂輪的修整進行了大量的研究，主要的修整方法有電解修整法、電火花修整法以及復合修整法等[16]。電解修整法速度快，但整形精度不高；電火花修整法整形精度高，既可整形又可修銳，但整形速度較慢；復合修整法有電解電火花復合修整法、機械化學復合修整法等，修整效果較好，但系統(tǒng)較復雜，因此燒結型金剛石砂輪的修整問題仍然沒有得到很好解決。

由于燒結金剛石砂輪的使用壽命比電鍍金剛石砂輪的長，在加工觸屏玻璃時可以大大減少CNC精密加工機床換刀次數，從而提高生產效率。并且電鍍金剛石砂輪存在不可忽略的環(huán)境問題，所以隨著燒結金剛石砂輪制備工藝和修整技術的發(fā)展，在觸屏玻璃加工領域，燒結金剛石砂輪將來很有可能會取代傳統(tǒng)電鍍金剛石砂輪。

3　結語

目前，針對觸屏玻璃進行深加工的電鍍金剛石砂輪存在著壽命短，加工表面質量差等缺點，而性能較好的燒結或釬焊金剛石砂輪由于成本原因還未廣泛使用，為滿足不斷擴大的觸屏玻璃市場，一方面要對傳統(tǒng)的加工工具和工藝進行提升，另一方面也要加大對新技術的研究和新工具的產業(yè)化推廣。

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The Research Development of Precision Machining Technology of Touch Screen Glass and Its Tools

LU Jia-feng1， XING Feng2， ZENG Xian-ming2，ZHANG Feng-lin1,2

(1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong,China510006;2.HeyuanKoalaSuperhardAbrasiveToolCo.,Ltd,Heyuan,Guangdong,China517000)

With the continuous development of mobile phones, tablets and wearable digital products, the materials and processing technology of touch screen glass have been constantly yielding new products. Classification of touch screen technologies and the current development status of touch screen glass have been reviewed in this article. Besides, the process flow of touch screen glass has been expounded and the characteristic of precision machining technology of various types of touch screen glass and the development trend of diamond grinding tool for precision grinding of touch screen glass have been analyzed.

touch screen glass; precision machining technology; diamond grinding tools

2016-04-20

廣東省科技計劃(2013B010204025)和廣東省自然科學基金(2015A030313491)資助項目

盧家鋒(1988-)，男，在讀研究生，從事超硬材料及磨料磨具研究。

張鳳林(1972-)，男，博士，教授，主要研究方向為超硬材料工具制造硬脆材料加工及仿真。E-mail:zhangfl@gdut.edu.cn

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0051-05

引文格式：盧家鋒，幸 鋒，曾憲明，等.觸屏玻璃精密加工技術與工具研究進展[J].超硬材料工程，2016，28(4)：51-55.