特種平板玻璃的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來

關(guān)建光 張世港

（1.福耀玻璃工業(yè)集團股份有限公司 福清 350301；2.中國建材國際工程集團有限公司 上海 200062）

0 引言

玻璃的起源可以追溯到人類出現(xiàn)之前。如黑曜石是一種火山玻璃，由地表下爆發(fā)的快速冷卻的熔巖形成。玻璃器皿和窗戶是最早且最有用的應(yīng)用之一，發(fā)展至今仍在不斷創(chuàng)新?，F(xiàn)代建筑、液晶顯示技術(shù)、汽車工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文重點論述特種平板玻璃應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)狀和未來發(fā)展。

1 特種平板玻璃的應(yīng)用

1.1 光電顯示

20世紀(jì)末，隨著液晶和等離子顯示技術(shù)的出現(xiàn)、手機和其他便攜式消費電子設(shè)備的出現(xiàn)與普及，特種平板玻璃在顯示器方面的應(yīng)用受到了關(guān)注。期初，人們重點關(guān)注性能主要集中在表面堅固耐用、便攜（輕?。?、觀感方面。隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)，消費者期望他們的設(shè)備在更高帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率等方面不斷提高性能，同時希望設(shè)備更薄更輕。隨著需求的加速增長，特種平板玻璃的開發(fā)與應(yīng)用得到了前所未有的重視。

玻璃被認(rèn)為在受壓情況下很堅固，但在張力下很脆弱；通過在其表面形成壓應(yīng)力層進一步提高其表面強度與韌性，這也就是所謂的“鋼化”。物理熱鋼化對薄玻璃制品的效率不高，化學(xué)鋼化（即離子交換）更適用于移動設(shè)備保護玻璃應(yīng)用。在這種情況下，康寧公司利用了上世紀(jì)50年代首次提出，并在60年代商業(yè)化應(yīng)用于汽車玻璃領(lǐng)域的離子交換（IOX）［2］化學(xué)強化研究成果，結(jié)合專有成形工藝——溢流下拉工藝，以及不斷改進的玻璃配方和IOX工藝，走在這一材料領(lǐng)域的前列。

康寧的溢流下拉法工藝過程是，將來自熔爐的熔融玻璃液流入稱為溢流槽的槽中，再均勻地溢出溢流槽的頂部邊緣，形成兩股薄薄的片狀流，在溢流槽的V形底部邊緣相遇并融合，在向下拉伸的過程中受控的冷卻，成型板材。其工藝特點是：玻璃的外表面不與其他材料接觸，從而生產(chǎn)出表面純凈的玻璃板。這是溢流下拉工藝與其他平板玻璃（浮法等）生產(chǎn)技術(shù)相比的一個關(guān)鍵優(yōu)勢。因為兩個表面成分一致、純凈的玻璃板更適于進行化學(xué)鋼化或其它制成處理。

IOX工藝是一種化學(xué)鋼化工藝，即將玻璃浸泡在一個熔融的堿性鹽浴中，比如硝酸鉀。鹽浴中的堿金屬離子與玻璃中已存在的堿金屬離子（如鈉離子）進行交換，從而在玻璃表面形成了均勻的壓縮應(yīng)力。形成的壓縮應(yīng)力層在整個玻璃件上，并且其強度可以比熱強化提供的強度高出數(shù)倍。這層壓縮應(yīng)力能夠在表面上形成更具抗損壞性的層，并顯著提高玻璃的耐摔落和抗劃傷性能。經(jīng)過離子交換后，玻璃具有出色的機械性能和固有的抗損傷性能。玻璃組成和IOX工藝的創(chuàng)新和改進使得可以開發(fā)出性能更高的新型玻璃，如Corning? Gorilla? Glass Victus? 2能從高達(dá)1 m的高度跌落至模擬混凝土表面，依然保持完好無損。在相同測試條件下，鋁硅玻璃從不到0.5 m的高度跌落時，通常便會出現(xiàn)破損。在IOX過程之后，可以在玻璃表面上涂覆防反射、防眩光、防飛濺或防指紋涂層，以增強屏幕性能。

1.1.1 微晶玻璃

微晶玻璃是唐納德· 斯圖基（ Donald Stookey）博士在50年代發(fā)現(xiàn)的一類材料［4］，通過在玻璃基體中控制晶體的成核和生長而生產(chǎn)，與玻璃相比，它可以提供卓越的機械性能。雖然在炊具或壁爐窗等應(yīng)用中可以找到一些具有高機械性能的半透明微晶玻璃，但高透明微晶玻璃的開發(fā)具有挑戰(zhàn)性［5］。 玻璃陶瓷的透明性可通過滿足以下條件之一實現(xiàn)：①所有物種的晶粒遠(yuǎn)小于可見光波長；②晶體內(nèi)部的光學(xué)各向異性（雙折射）以及晶體與玻璃的折射率差非常小。傳統(tǒng)上，透明的玻璃陶瓷是在含有b-石英或斜長石晶相的鋰鋁硅酸鹽組合中開發(fā)的，但最近的研究表明，其他體系，如含有鈦鋅礦（ZnAl2O4）晶體的鋅鋁硅酸鹽玻璃也可以得到透明的玻璃陶瓷。晶體的尺寸和組成設(shè)計以最小化晶體相與周圍殘留玻璃基質(zhì)之間的折射率不匹配是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)［6］。雖然獲得這些條件非常具有挑戰(zhàn)性，但開發(fā)新組成和陶瓷工藝可能為屏幕應(yīng)用開辟新的可能性。此外，IOX工藝還可以進一步提高微晶玻璃的機械性能［7］。

1.1.2 超薄柔性可折疊玻璃

近幾年，可折疊設(shè)備引起了廣泛的關(guān)注，制造商推出了具有緊湊彎曲半徑的大屏幕智能手機，針對這些屏幕的基于塑料的解決方案存在著光學(xué)、劃痕和變形等根本性挑戰(zhàn)。中國凱盛科技集團已經(jīng)成功研發(fā)0.03 mm超薄柔性玻璃，可連續(xù)彎折40萬次，并符合柔性和可折疊玻璃應(yīng)用需求［8］。該技術(shù)突破標(biāo)志著中國玻璃技術(shù)實力進入世界前列。

1.1.3 玻璃背板及手機/平板屏幕以外的應(yīng)用

除了無處不在的手機和平板電腦屏幕以及數(shù)十億臺設(shè)備上的使用，玻璃還廣泛應(yīng)用于其他重要的移動消費電子產(chǎn)品，如智能手表和相機鏡頭蓋等。過去十年智能手機的普及使得消費者對攝影等活動的習(xí)慣發(fā)生了變化。與獨立相機相比，使用移動設(shè)備拍攝的照片比例不斷增加，對消費者來說，相機分辨率和圖像/視頻質(zhì)量變得越來越重要。智能手機制造商也大力致力于開發(fā)包含多個鏡頭的設(shè)備，而玻璃在其中起到至關(guān)重要的作用。

1.1.4 用于AR/VR應(yīng)用的玻璃

特種玻璃制造公司正在設(shè)計和開發(fā)新型玻璃來應(yīng)對增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。基于玻璃的解決方案被提供給消費電子公司，用于先進的增強/混合現(xiàn)實設(shè)備（AR/MR）。更加時尚、更加精簡的可穿戴技術(shù)的主要需求是基于具有高折射率的超薄玻璃的玻璃波導(dǎo)，以優(yōu)化圖像質(zhì)量并提供較大的視野。傳統(tǒng)材料的折射率低于1.6，可以使用，但其視野受到嚴(yán)重限制。為了接近人眼視野的廣闊范圍，需要使用具有更高折射率的玻璃波導(dǎo)。為了滿足可穿戴頭顯等輕便、便攜設(shè)備的需求，玻璃的重量也需要減小?？紤]到玻璃的折射率和密度之間的普遍權(quán)衡，為滿足這些需求，必須在玻璃成分和加工方面進行創(chuàng)新。現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化的折射率超過1.7的超薄玻璃用于AR/MR，并且針對下一代設(shè)備的特種玻璃生產(chǎn)也在進行中。除了成分開發(fā)之外，這種顯示玻璃應(yīng)用面臨的一些未來挑戰(zhàn)還包括對薄而平坦玻璃眼鏡片的控制生產(chǎn)，需要在玻璃平整度測試和高級激光加工方面取得進展。

1.2 半導(dǎo)體行業(yè)

特種玻璃對半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，它提供了滿足摩爾定律恰當(dāng)描述的需求所需的各種光學(xué)元件［9］。 這個概念最早在上世紀(jì)60年代中期提出，觀察發(fā)現(xiàn)集成電路中的晶體管數(shù)量大約每兩年翻倍一次。盡管近年來這種增長速度有所放緩，但半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)仍在通過在多個維度上移動極小的特征尺寸，并要求復(fù)雜的圖案化技術(shù)在硅晶片上準(zhǔn)確再現(xiàn)這些特征，持續(xù)不斷地進行創(chuàng)新。

玻璃在光刻工藝歷史上扮演著關(guān)鍵角色，既是透鏡材料，也是光刻掩膜基底材料。這些應(yīng)用需要特種玻璃在光刻領(lǐng)域感興趣波長下具有極高的光學(xué)透過率，最初為365 nm，后來變?yōu)?48 nm，最終在20世紀(jì)末為193 nm?？祵幵?0世紀(jì)30年代中期開發(fā)了熔融石英及其制造工藝，即化學(xué)氣相沉積。Frank Hyde博士認(rèn)為，化學(xué)氣相沉積法使得石英玻璃具備了非凡的純度。光學(xué)質(zhì)量在應(yīng)用中非常重要，因為微量的雜質(zhì)，包括大多數(shù)金屬，可能導(dǎo)致光吸收或失真［10］，因此需要在材料和加工技術(shù)方面做進一步的改進。雖然雜質(zhì)對紫外線（UV）透射是不利的，但一些添加劑如氟有時是有益的，可在特殊應(yīng)用中使用。光刻系統(tǒng)中的關(guān)鍵光學(xué)元件包括光刻掩膜和投影鏡頭。光刻掩膜包含集成電路的圖案，投影鏡頭將圖像精確地引導(dǎo)到硅晶圓上。投影鏡頭和光刻掩膜的要求隨著光刻技術(shù)的發(fā)展而不斷演變，但康寧高純度熔融石英（HPFS）和ULE?玻璃在這項技術(shù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，具有極低的折射率變化，實現(xiàn)了最先進的均勻性數(shù)值，最低的雙折射值，大尺寸能力，從深紫外到紅外區(qū)域的異常透過性以及超低熱膨脹系數(shù)。這些特種玻璃的特性使得集成電路中的特征尺寸不斷朝著更小的方向演進，并繼續(xù)推動極紫外光刻技術(shù)在下一代集成電路加工中的應(yīng)用。

除了集成電路光刻工藝所固有的玻璃外，技術(shù)玻璃還被廣泛用于該技術(shù)領(lǐng)域的各種其他應(yīng)用，包括半導(dǎo)體制造的檢測光學(xué)，以及用于先進半導(dǎo)體工藝（如硅晶圓減薄和fan-out先進封裝）的臨時粘合的高精度玻璃載體。后一種應(yīng)用包括玻璃成分的進步，以定制熱膨脹系數(shù)以及玻璃加工，生產(chǎn)具有卓越表面質(zhì)量、厚度和邊緣強度的超平面玻璃基板。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展，需要新的技術(shù)玻璃解決方案來滿足這一關(guān)鍵技術(shù)的嚴(yán)格要求。

1.3 抗菌玻璃和微晶玻璃

新冠疫情加強了人們對日常接觸表面上存在的細(xì)菌的意識。盡管水酒精凝膠和消毒濕巾具有高效殺菌作用，但這種效果只是暫時的，并且不能持續(xù)超過幾個小時。開發(fā)具有更持久效果的新材料和產(chǎn)品非常重要，因為它為常規(guī)清潔之間的表面提供了一層持續(xù)殺滅病毒和細(xì)菌的保護層，對于不經(jīng)常進行消毒的墻壁等表面尤其有幫助。人們早就知道銅離子具有抗菌效果，其效果取決于它所處的氧化態(tài)。雖然機制尚未完全了解，但Cul+離 子比Cu2+離子具有更高的AM功效。然而，Cu2+離 子通常比Cul+離子更穩(wěn)定，這代表了開發(fā)新的、含Cu1+的AM產(chǎn)品的重大挑戰(zhàn)。

康寧開發(fā)了一種新型材料系列，名為康寧Guardiant，在堿性銅鋁硼磷硅酸鹽玻璃陶瓷材料中穩(wěn)定紅銅礦晶體（Cu2O）?？祵嶨uardiant是美國首個將銅作為抗菌添加劑的建筑涂料，可減少涂層表面的細(xì)菌和病毒污染，是環(huán)境保護局（EPA）注冊的首款抗病毒涂料。

1.4 汽車

現(xiàn)代汽車廣泛使用玻璃，以提高能見度和駕駛體驗。除了擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗、后窗和天窗等大面積的玻璃或玻璃窗，玻璃在汽車中的應(yīng)用還越來越多地涉及顯示器和基于觸摸的控制系統(tǒng)。

典型的汽車擋風(fēng)玻璃由兩片厚度為1.5～2.1 mm的鈉鈣玻璃制成，中間夾有聚乙烯醇縮丁醛的聚合物薄膜層壓。薄型玻璃和具有較少光學(xué)失真的玻璃也受到高度需求，特別是在汽車上使用抬頭顯示器將關(guān)鍵駕駛信息投影到汽車擋風(fēng)玻璃上。此外，隨著擋風(fēng)玻璃中傳感器技術(shù)的出現(xiàn)，在駕駛員身上實現(xiàn)新的自主功能。具有堅固、抗損耗的玻璃有助于減少破碎，減少擋風(fēng)玻璃更換的需求，從而減少了可能需要復(fù)雜傳感器對準(zhǔn)的次數(shù)。

玻璃也正成為汽車內(nèi)部設(shè)計的一項技術(shù)需求?，F(xiàn)代汽車、卡車甚至越野車的內(nèi)部越來越多地采用玻璃，以實現(xiàn)更高的可見度和支持觸摸的車輛控制系統(tǒng)。這些高分辨率顯示器變得更大、更亮、更精密。許多汽車制造商還將形狀集成到以前平坦的顯示區(qū)域中，為在彎曲的儀表板和控制臺之間形成無縫連接的顯示器帶來了新的設(shè)計美學(xué)?，F(xiàn)今汽車的一些最新儀表板實際上完全被玻璃覆蓋。在這些應(yīng)用中，需要薄、柔性且經(jīng)過化學(xué)強化的玻璃，以提供所需的形狀、優(yōu)雅和耐用性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車內(nèi)部的玻璃應(yīng)用也在不斷進步。如采用彎曲玻璃的儀表板和控制面板可以呈現(xiàn)出流線型的外觀，并提供更大的顯示區(qū)域。同時，薄型化學(xué)強化玻璃可以在提供美觀外觀的同時保持足夠的強度和耐久性?？偟膩碚f，玻璃在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用廣泛，不僅用于車窗開口以提供良好的能見度，還用于高分辨率顯示器和內(nèi)部設(shè)計中，以實現(xiàn)更好的用戶體驗和創(chuàng)新的外觀。這種趨勢將繼續(xù)推動玻璃技術(shù)的發(fā)展，以滿足不斷增長的汽車行業(yè)需求。

汽車玻璃的未來正在發(fā)生翻天覆地的變化。汽車內(nèi)飾中的高級玻璃和觸控顯示器正變得無處不在。當(dāng)前和未來車輛中的傳感器應(yīng)用正在推動對專業(yè)技術(shù)眼鏡的需求。用于提高安全性的傳感器，尤其是在自動駕駛汽車中，可能會使用激光雷達(dá)和雷達(dá)系統(tǒng)中包含的紅外線或其他不可見電磁輻射來工作。

2 結(jié)論

特種平板玻璃在通信技術(shù)、半導(dǎo)體工業(yè)、先進顯示器、移動消費電子和汽車行業(yè)中的應(yīng)用不斷創(chuàng)造新的突破和發(fā)展機遇。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和市場需求的變化，特種玻璃將繼續(xù)為這些領(lǐng)域帶來新的突破和解決方案，推動行業(yè)的進步和發(fā)展。