手機(jī)玻璃發(fā)展歷程和未來趨勢(shì)

王承遇 湯華娟

（1.大連工業(yè)大學(xué)紡織材料工程學(xué)院 大連 116034；2.沈陽昌昊玻璃制品有限公司 沈陽 110325）

眾所周知，1973年4月30日，馬丁·庫帕（Martin Cooper）研制成手持個(gè)人移動(dòng)電話［1］，可以認(rèn)為是手機(jī)的始祖。從當(dāng)時(shí)的1G模擬通信到現(xiàn)代的5G、6G數(shù)字通信，至今已有50年。手機(jī)玻璃作為手機(jī)的部件（配件），既是功能材料又是裝飾材料，手機(jī)玻璃與手機(jī)的發(fā)展緊密相連，手機(jī)的更新?lián)Q代推動(dòng)了手機(jī)玻璃發(fā)展。本文就手機(jī)玻璃發(fā)展歷程作一回顧與展望。

1 手機(jī)玻璃的內(nèi)涵與外延

手機(jī)玻璃指用于手機(jī)上的部件（配件），分為狹義的手機(jī)玻璃和廣義的手機(jī)玻璃。狹義的手機(jī)玻璃僅指手機(jī)上的蓋板玻璃，或稱為外屏（外蓋），是手機(jī)最外層的保護(hù)玻璃，起了保護(hù)手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，有的制造商為防止外屏的刮擦與磨傷，還在蓋板上再貼一層保護(hù)膜。廣義的手機(jī)玻璃除了蓋板玻璃外，還包括觸摸屏（觸摸模塊），一般為電容式，通過觸摸效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流［2］。在觸摸屏下面即是顯示屏，再下面為背光板與機(jī)身，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 手機(jī)玻璃外屏結(jié)構(gòu)

為了減化工藝，可將保護(hù)玻璃（蓋板）和觸摸屏合為一體，在保護(hù)玻璃上鍍ITO膜等觸摸部件，使蓋板玻璃兼有觸摸屏功能，少用一片玻璃從而節(jié)約制造工藝，減輕重量，增加透明度，降低成本，此工藝稱為OGS（One Glass Solution），指用一片玻璃來解決［3］，也可稱為二合一（2 in 1）技術(shù)，此技術(shù)方案如圖2所示。

圖2 前蓋玻璃與觸摸屏一體化

二合一工藝帶來的缺點(diǎn)是切割困難，同時(shí)屏幕的彎曲強(qiáng)度減弱。

手機(jī)玻璃的顯示屏有液晶LCD（Liquid Crystal Display） 、 有 機(jī) 發(fā) 光 二 極 管 顯 示 屏OLED（Organic Light-Emitting Diode），薄膜晶體管-液晶顯示屏TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）［4］以及有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏AMOLED（Active Matrix Organic Light Emitting Diode），這些顯示屏均應(yīng)用玻璃為基片。液晶顯示屏技術(shù)成熟，圖像顯色度好，柔和而不傷眼。有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏與液晶顯示屏相比，有機(jī)發(fā)光二極管為自發(fā)光，顯示的黑色更純粹，黑白分明。顯示屏比較輕薄，能耗也較低。目前手機(jī)大都采用有機(jī)發(fā)光二極管為顯示屏。薄膜晶體管-液晶顯示屏將背透和反射相結(jié)合，液晶背部每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，可以通過點(diǎn)脈沖直接控制，色彩顯示上TFT屏幕效果較佳，對(duì)比度好，響應(yīng)速度快，也是LCD常用的一種顯示屏。有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏也為自發(fā)光，比有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏反應(yīng)速度快，對(duì)比度高，視覺廣，顯示效果好，畫面不失真，也能顯示純黑色，而且屏幕可減薄到1 mm以下，達(dá)到輕薄化，柔性化，彎曲化，廣泛用于折疊式手機(jī)顯示屏，也是今后顯示屏主流，但技術(shù)難度大，成本比較高。

至于NOVA高亮度顯示屏是在IPS（平面轉(zhuǎn)換In-Plane Switeching）液晶面板技術(shù)上，采用提高亮度和純白色調(diào)，優(yōu)化手機(jī)使用者的體驗(yàn)，如華為NOVA的10、11系列手機(jī)，單獨(dú)作為一個(gè)牌號(hào)系列，實(shí)際可歸類于液晶顯示屏中。除了將蓋板玻璃與觸摸屏一體化以外，還有將觸摸屏與LCD顯示屏結(jié)合在一起，出現(xiàn)了“On-Cell”工藝，將觸摸屏嵌入顯示屏彩色濾光片基板和偏光片之間，即在液晶面板上配置觸控傳感器。另一工藝稱為In-Cell，將觸摸功能嵌入顯示屏像素中去；與On-Cell工藝對(duì)比，In-Cell的屏幕更為輕薄，透過率更好，但技術(shù)要求更高，好品率低。iPhone 5 采用In-Cell工藝，將手機(jī)厚度降低到7.6 mm，而iPhone 4S厚度為9.3 mm，比原來厚度降低18%，重量也由iPhone 4S的140 g降到112 g，減輕20%，畫面更有所改善，因?yàn)楣饩€穿透的層數(shù)越少，畫面就越清晰。同時(shí)屏幕越薄，手機(jī)中空出的容積愈大，可留下更大空間安裝更大電池，提高手機(jī)續(xù)航時(shí)間。

原先手機(jī)后蓋板大都采用鋁合金或碳纖維增強(qiáng)的鋁合金，后來流行的5G手機(jī)，其天線比4G要復(fù)雜很多，如采用金屬后蓋，則電磁波衰減很大；手機(jī)無線充電時(shí)，也是由于金屬后蓋對(duì)電磁波的屏蔽特性不適于無線充電，因此均需采用玻璃后蓋。從而出現(xiàn)了前蓋和后蓋都是玻璃的“雙玻結(jié)構(gòu)”。

近年來微晶玻璃性能優(yōu)越，蘋果公司從iPhone 12開始，用超晶瓷（Ceramic Shield）取代玻璃作手機(jī)蓋板和底蓋，超晶瓷實(shí)質(zhì)上是微晶玻璃的一個(gè)品種。華為也將納米微晶玻璃用于P50 Pro手機(jī)上，稱為昆侖玻璃，其抗摔性提高10倍。微晶玻璃有逐步代替玻璃用于前后蓋板玻璃的趨勢(shì)。

至于奢華手機(jī)如威圖VERTU所用的藍(lán)寶石蓋板屬于人工晶體，與玻璃在結(jié)構(gòu)、性能和制備工藝上有明顯區(qū)別，已不屬于手機(jī)玻璃范圍。

綜上所述，廣義的手機(jī)玻璃應(yīng)包括前蓋板（保護(hù)玻璃）觸摸屏、顯示屏、后蓋板所用玻璃或微晶玻璃材料。

2 手機(jī)玻璃發(fā)展歷程

2.1 手機(jī)的更新?lián)Q代推動(dòng)了手機(jī)玻璃的發(fā)展

手機(jī)玻璃發(fā)展與手機(jī)的演變緊密相連，手機(jī)玻璃的更新?lián)Q代推動(dòng)了手機(jī)玻璃的變革，而手機(jī)玻璃功能的提升和擴(kuò)展又為手機(jī)的創(chuàng)新、創(chuàng)意提供新的平臺(tái)。

從1973年第一代手機(jī)，從1G網(wǎng)絡(luò)到目前的6G，由移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)向移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，加速了許多行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不僅用于生活?yuàn)蕵?，更多用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智聯(lián)網(wǎng)，有力地促進(jìn)了我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

手機(jī)發(fā)展歷程中有幾個(gè)具有里程碑意義：

（1）2007年第一部智能手機(jī)的問世，由功能手機(jī)進(jìn)入智能手機(jī)時(shí)代；

（2）2019年5G手機(jī)問世，構(gòu)建了高速、移動(dòng)、安全的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)備；

（3）2018年折疊式手機(jī)問世，大屏幕高分辨率影像、折疊雙屏形成新的生態(tài)系統(tǒng)。

50年前工程師庫帕研發(fā)成手持個(gè)人移動(dòng)電話，尺寸比較大，機(jī)身長13 cm，重達(dá)1.09 kg（24磅），充電10 h才能通話30 min，以后商品化，型號(hào)為Dyna TAC 8000X，采用模擬通訊網(wǎng)絡(luò)，只能進(jìn)行話音通信，屬1G語音通信時(shí)代。

1979年，日本電報(bào)電話公司（NTT）在東京推出世界第一個(gè)商用自動(dòng)化模擬技術(shù)蜂窩通訊系統(tǒng)，成為第一個(gè)1G商用網(wǎng)絡(luò)。1982年，歐洲郵電管委會(huì)成立移動(dòng)專家組后改為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM。用數(shù)字技術(shù)取代1G模擬技術(shù)，通信質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性提升，安全可靠，且設(shè)備能耗降低。1987年，廣州與摩托羅拉合作開通了廣州、香港、澳門移動(dòng)通信，還引進(jìn)Motorola 3200手機(jī)，是國內(nèi)第一部GSM手機(jī)，雖然其體積和重量遠(yuǎn)低于TAC 8000X，但重量仍有520 g，外形像磚頭，俗稱大哥大，是當(dāng)時(shí)身份的象征。1G時(shí)代由于是模擬網(wǎng)絡(luò)，速率很慢，只有2.4 kb/s，信號(hào)不穩(wěn)，通信質(zhì)量差，串號(hào)、盜號(hào)時(shí)有發(fā)生。

1990年，手機(jī)進(jìn)入數(shù)字通信2G時(shí)代，語音加文本，具有接收數(shù)據(jù)的能力，可收發(fā)短信。歐洲采用GSM標(biāo)準(zhǔn)，美洲為CDMA標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)常見的手機(jī)諾基亞2110為GSM標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置天線，重量較摩托羅拉3200明顯降低。以后國外企業(yè)分別研制了翻蓋手機(jī)，雙頻道內(nèi)置游戲的手機(jī)以及滑蓋手機(jī)。1999年，摩托羅拉發(fā)布了智能手機(jī)天柘A6188，為首部觸摸屏手機(jī)，無線上網(wǎng)，中文手寫識(shí)別。2G時(shí)代的手機(jī)較1G時(shí)代抗干擾能力有所提高，能連接互聯(lián)網(wǎng)，但傳播速度仍較低，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。

2000年開始是將語音與國際互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合于一體的移動(dòng)通訊3G時(shí)代，3G手機(jī)可利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)打包技術(shù)，處理圖像、音樂、視頻會(huì)議、電子商務(wù)等。諾基亞2000年首推互聯(lián)網(wǎng)手機(jī)，夏普研制了具有11萬像素?cái)z像頭的液晶手機(jī)，還有三星的MP3手機(jī)，愛立信內(nèi)置藍(lán)牙的手機(jī)，諾基亞內(nèi)置硬盤的手機(jī)和彩色屏的游戲機(jī)以及摩托羅拉的超薄雙屏手機(jī)。2003年，市場(chǎng)上出現(xiàn)了國產(chǎn)40和弦鈴的聯(lián)想手機(jī)、波導(dǎo)和TCL手機(jī)。此時(shí)國產(chǎn)手機(jī)市場(chǎng)已超過外資。2006年，中國網(wǎng)民超過1億，手機(jī)用戶4.43億戶，每百人平均持有手機(jī)33.9部，用途以通信和短信為主。

2007年，蘋果公司公布了智能手機(jī)iPhone，為全觸控，用ios系統(tǒng)，是手機(jī)發(fā)展史的里程碑，進(jìn)入智能手機(jī)的時(shí)代。以后中國臺(tái)灣地區(qū)開發(fā)了采用安卓操作系統(tǒng)的HTC滑蓋式手機(jī)，大陸則有魅族M8手機(jī)，從此手機(jī)出現(xiàn)了ios和Android兩大操作系統(tǒng)。3G時(shí)代擴(kuò)展了頻譜，提高了速率，可達(dá)2 Mb/s，帶寬為1.6 M，更加利于Internet業(yè)務(wù)，系統(tǒng)容量大，頻率利用系數(shù)高，通信質(zhì)量好。

2009年開始為4G時(shí)代，速率快，可達(dá)100 Mb/s，通信靈活，兼容性好，智能性高，能傳輸高質(zhì)量圖像及視頻，還可用于微信支付、支付寶支付。此時(shí)三星GALAXY NOTE以超大AMOLED顯示屏配合雙曲面窄邊框取得較好視覺效果，還應(yīng)用虹膜識(shí)別，提高了手機(jī)安全性。蘋果iPhone 7提高了手機(jī)防水級(jí)別，在1 m深水中可正常工作0.5 h。華為P30 Pro 搭載了當(dāng)時(shí)最好的麒麟系統(tǒng)芯片980處理器，6.4英寸OLED水滴屏。蘋果iPhone機(jī)身后蓋用雙離子強(qiáng)化工藝得到iPhone最堅(jiān)固面板。國產(chǎn)手機(jī)小米、OPPO、VIVO、中興等產(chǎn)品脫穎而出，走向國際市場(chǎng)，成為主流產(chǎn)品。2017年中國生產(chǎn)了14億部智能手機(jī)，中國品牌智能手機(jī)占世界50%。2019年底，我國12.04億人用上4G網(wǎng)，較2018年底增加2984萬人，網(wǎng)民使用手機(jī)上網(wǎng)比例達(dá)99.1%，可見我國4G時(shí)代手機(jī)發(fā)展的迅速。

2018年，國際通信聯(lián)盟（ITU）提出5G技術(shù)要求，峰值速率20 Gb/s，用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)速率為100 Mb/s，比4G速率高100倍，時(shí)延1 ms，連接密度支持每平方公里100萬臺(tái)連接，流量密度每平方米達(dá)10 Mb/s，并具有低能耗，網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，時(shí)時(shí)處處有網(wǎng)絡(luò)。

5G技術(shù)與人工智能深度融合成為5G手機(jī)的趨勢(shì)，人工智能賦予手機(jī)的學(xué)習(xí)和思考能力，5G技術(shù)賦予更強(qiáng)大的通信能力，兩者結(jié)合，使手機(jī)從小智能（Smart Phone）進(jìn)化到大智慧（Brain Phone）。特別是2019年5G商用元年以來，5G手機(jī)與人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（I）云計(jì)算（C）大數(shù)據(jù)（D）與邊緣計(jì)算（E）［5G + AICDE］集合創(chuàng)新，從產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)到智聯(lián)網(wǎng)，推動(dòng)了萬物智聯(lián)到智慧城市，由互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代——信息革命發(fā)展到智聯(lián)網(wǎng)時(shí)代——智能革命。

2019年1月，美國威訊（Verison）與中國聯(lián)想在美國發(fā)布了全球首款5G手機(jī)，以后三星、華為也相繼推出了搭載5G芯片手機(jī)進(jìn)行初步應(yīng)用。到2019年底，中、韓、美、日、英五國的5G手機(jī)達(dá)到商用階段。中國在2019年末就已建成5G基站13萬個(gè)，5G手機(jī)出貨量超過1377萬部。

目前5G手機(jī)有全面屏與折疊屏兩大類型。全面屏將前置攝像頭和部分排線外移，消除屏上的“額頭”和“劉?！保灿袑z像頭放在屏下，不拍照時(shí)可以顯示屏上內(nèi)容，拍照時(shí)則變成透明玻璃，以便光線進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)自拍。全面屏的屏占比由90.4%提高到接近100%。

5G手機(jī)另一特色是折疊式，當(dāng)然4G手機(jī)也有折疊式。2018年10月，柔宇首推Flex Pai折疊式手機(jī)，以后華為發(fā)布了Mate X向外翻轉(zhuǎn)的外折型手機(jī)。三星Galaxy S10則為內(nèi)折型手機(jī)。此外還有Galaxy S1抽屜型、摩托羅拉Razr豎屏內(nèi)折型、OPPO卷軸型以及谷歌Z（三折）型等。折疊型手機(jī)要求能折疊20萬次，即每天100次。2019年全球可折疊智能手機(jī)出貨量70萬部，2022年達(dá)到1400萬部，比2021年增長59%，預(yù)計(jì)2023年出貨量可達(dá)3000萬部。目前折疊式手機(jī)還存在折疊縫隙、屏幕壽命、折疊程度及折痕等問題，還需進(jìn)一步研究改進(jìn)。

由于5G接收頻段數(shù)量比4G高，5G手機(jī)有2個(gè)發(fā)射天線和4個(gè)接收天線，而4G手機(jī)僅有1個(gè)發(fā)射天線和2個(gè)接收天線，5G比4G手機(jī)配置上有所升級(jí)，下載速度更快，有更大的運(yùn)存和存儲(chǔ)空間，5G手機(jī)的功耗有所提升，電池容量和電池體積隨之增大，加上屏幕尺寸擴(kuò)展和更強(qiáng)悍的影像功能，從而使手機(jī)的體積增大，越來越重，以前摩托羅拉Defy體積為107 mm×59 mm×13.4 mm，重量?jī)H為118 g，但5G手機(jī)由于更大的電池，優(yōu)質(zhì)的屏幕，復(fù)雜構(gòu)造的攝像頭，厚度達(dá)7.7 mm，重量增加到175 g左右，專家建議5G手機(jī)重最好不超過180 g。

2020年，蘋果發(fā)布的iPhone12手機(jī)一改過去以玻璃為屏幕，改用抗摔性和耐刮擦性高的超晶瓷為屏幕。2022年，華為Mate 50 Pro手機(jī)外屏的昆侖玻璃實(shí)際上也是透明微晶玻璃，從而使透明微晶玻璃也與玻璃并列成手機(jī)蓋板的重要材料，當(dāng)然目前微晶玻璃還未大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，價(jià)格要比玻璃高。

總結(jié)中國在各技術(shù)年代的情況為1G空白，2G落后，3G追趕，4G同步，5G領(lǐng)先。手機(jī)的情況也是如此，目前我國的華為、小米、OPPO、VIVO手機(jī)在質(zhì)量和產(chǎn)量上均列世界前茅。

繼5G技術(shù)以后，中國、美國、德國、日本、韓國等多國啟動(dòng)了6G的研究和探討，我國6G技術(shù)已在世界領(lǐng)先。6G的傳輸比5G提升100倍，理論網(wǎng)速可達(dá)1 Tb/s，網(wǎng)絡(luò)延遲也從毫秒級(jí)降到微秒級(jí)，一般小于100 ms，是5G延遲的1/10。除此以外，6G網(wǎng)絡(luò)外可能實(shí)現(xiàn)地面和衛(wèi)星通信之間互通，應(yīng)用也更加智能。6G規(guī)模試驗(yàn)預(yù)計(jì)可在2024年底前進(jìn)行。

今后手機(jī)的發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

（1）采用更大尺寸人工智能屏幕，縮小邊框，達(dá)到屏占比接近100%，便于手游和觀看視頻。

（2）手機(jī)更耐刮擦、耐磨損，抗沖擊，提高耐用性，并采用柔性顯示器，可折疊，可彎曲。

（3）提高光學(xué)清晰度以及觸控靈敏性，達(dá)到多點(diǎn)觸控。

（4）增強(qiáng)無線通信功能和人工智能的融合，達(dá)到海量云上網(wǎng)、云攝像頭、云端計(jì)算和云儲(chǔ)存。

（5）綠色低碳，實(shí)現(xiàn)近乎零耗能通信。

（6）有效避免無線通信電磁信號(hào)泄露等弱點(diǎn)，快速均勻，抗干擾，不僅安全、穩(wěn)定、快速、高效，而且成本低廉。

手機(jī)的發(fā)展為手機(jī)玻璃提供了目標(biāo)和方向，促進(jìn)了手機(jī)玻璃的技術(shù)創(chuàng)新。

2.2 手機(jī)玻璃的發(fā)展歷程

手機(jī)制造的初期并沒有專用的玻璃，通常采用鈉鈣玻璃和硼硅酸鹽玻璃。鈉鈣玻璃已大量生產(chǎn)，成本低廉且便于離子交換進(jìn)行化學(xué)增強(qiáng)，故將鈉鈣玻璃用于鐘表和儀器、儀表作表面保護(hù)，國內(nèi)稱為“表蒙玻璃”，以后用作手機(jī)的蓋板玻璃。硼硅酸鹽玻璃硬度、強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性均優(yōu)于鈉鈣玻璃，但不易熔化成形和加工，而硼硅酸鹽光學(xué)玻璃K9國內(nèi)已大量生產(chǎn)，均勻性、透明性均佳，國內(nèi)有一段時(shí)間廠家將切割、研磨、拋光后的K9光學(xué)玻璃作為手機(jī)蓋板玻璃。

手機(jī)玻璃發(fā)展史上重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)：

（1）智能手機(jī)的問世促進(jìn)高強(qiáng)度、抗摔性好，耐刮擦的專用系列手機(jī)玻璃的生產(chǎn)；

（2）折疊手機(jī)的問世，促進(jìn)了超薄、柔性玻璃的研發(fā)和生產(chǎn)，以及由極超薄玻璃和聚酰亞胺薄膜組成的疊層材料的研發(fā)與運(yùn)用；

（3）微晶玻璃逐步取代玻璃用作手機(jī)前后蓋板材料。

2007年，蘋果公司喬布斯（Steve Jobs）研制了第一部觸摸屏手機(jī)iPhone時(shí)，就考慮到手機(jī)玻璃是采用亞克力（Acrylic）還是玻璃的問題，亞克力是丙烯酸和甲基丙烯酸化學(xué)品的通稱，常用的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），透光率為92%，維氏硬度為16～21 kgf/mm2，彎曲強(qiáng)度90～130 MPa，斷裂韌性可達(dá)1.6 MPa ·m1/2；玻璃與其相比，玻璃的透光率92%以上，最高可達(dá)95%～97%，比亞克力要高，而且在紫外線照射下不會(huì)老化。玻璃的維氏硬度440～480 kgf/mm2，比亞克力要高幾十倍，但亞克力抗沖擊強(qiáng)度是玻璃的16倍，既要考慮到玻璃的高硬度、耐磨和耐刻劃性，又要提高玻璃的抗沖擊強(qiáng)度和抗摔性，這是一個(gè)難題。喬布斯與康寧公司埃利森（Adam Ellison）聯(lián)系后，考慮采用上世紀(jì)60年代康寧公司Chemcor產(chǎn)品的化學(xué)增強(qiáng)技術(shù)，通過離子交換以提高玻璃強(qiáng)度與抗摔性。于是康寧公司位于肯塔基州哈羅斯伯格（Harrodsburg）企業(yè)將熔融溢流下拉法生產(chǎn)的1.3 mm薄玻璃用離子交換進(jìn)行化學(xué)增強(qiáng)。未增強(qiáng)玻璃硬度534 kgf/mm2，通過離子交換，交換層深度44 mm，形成壓應(yīng)力750 MPa，

玻璃硬度提高到649 kgf/mm2，抗沖擊強(qiáng)度比交換前提高4倍?？祵幑緦⒋水a(chǎn)品命名為Gorilla，中 文 譯 為“大 猩 猩”，簡(jiǎn) 稱CG1［6］。2012年又開發(fā)第二代Gorilla，簡(jiǎn)稱CG2，其強(qiáng)度比CG1提高20%，產(chǎn)生擦傷的負(fù)荷需4 N力，而CG1僅需2 N力，沖擊斷裂落球高度比CG1增加80%。與鈉鈣玻璃相比，CG玻璃更具有優(yōu)勢(shì)，在相同厚度條件下，鈉鈣玻璃離子交換的深度為15 mm，形成壓應(yīng)力500 MPa，抗沖擊強(qiáng)度僅有120 MPa，僅為CG1的18.5%。2012年10月統(tǒng)計(jì)有10億臺(tái)手機(jī)采用CG2玻璃，占世界第一位。

從2007年第一代Gorilla開始到2020年Victus，各代玻璃的抗摔性與耐磨性的比較如表1所示。

表1 各代CG玻璃抗摔性與耐磨性或耐刮擦性的比較

2020年研制的第七代Gorilla Glass Victus首次實(shí)現(xiàn)跌落高度和抗刮擦能力同時(shí)提升，一般鋁硅酸鹽玻璃通常不足0.8 m高度跌落就損壞，而Victus跌落高度可提高到2 m，同時(shí)其抗刮擦性能比一般鋁硅酸鹽玻璃要高4倍，其對(duì)設(shè)備的保護(hù)得到普遍的認(rèn)可，已用于80億臺(tái)設(shè)備和2400機(jī)型，是目前最堅(jiān)固的大猩猩玻璃。

康寧研發(fā)另一著名玻璃產(chǎn)品為Lotus XT，中文譯為“蓮花”，是一種硼硅酸鹽玻璃，具有很高的彈性模量，E為80.7 GPa，維氏硬度626 kgf/mm2，工作溫度（103Pa·s）1370 ℃、軟化點(diǎn)Tf（106.5Pa·s）1045 ℃，退火點(diǎn)799 ℃以及低的熱膨脹系數(shù)a10-300℃34.5×10-7/℃，耐高溫和高的尺寸穩(wěn)定性，用于LTPS高效能顯示器的基片，做到精確加工，精確定位，精確顯示，使顯示屏達(dá)到更亮更清晰。Lotus XT還能拉成33 mm以下薄玻璃，用作可折疊顯示屏。

Willow中文譯為“柳木”，也可制成超薄可撓性玻璃，具有高溫穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性，能在500 ℃應(yīng)用，隨意彎曲?？祵幣c三星合作研制成超薄玻璃Ultra Thin Glass（UTG）厚30 mm，具有很高的柔韌性和耐用性，還可以通過化學(xué)增強(qiáng)，進(jìn)一步增加強(qiáng)度和韌性，最初用于三星折疊屏手機(jī)Galaxy Z Flip，可折疊2萬次而不斷裂，還與聚酰亞胺（PI）組成疊層材料，充分發(fā)揮超薄玻璃的剛性和聚酰亞胺的塑性，形成新的韌性材料，折疊時(shí)達(dá)到嚴(yán)整，減少皺褶。

上世紀(jì)50年代康寧公司就已發(fā)明了微晶玻璃，抗沖擊強(qiáng)度很高，熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性好，電性能均佳，蘋果公司將改進(jìn)的新品種納米微晶玻璃用于iPhone 12的蓋板，稱為超晶瓷，以后iPhone 13，iPhone 14均用此為蓋板，具有很高的抗摔性和耐刮擦性。

2012年左右，德國Schott用小浮法生產(chǎn)了蓋板玻璃。Xensation Cover是一種鋁硅酸鹽玻璃，彈性模量E為73 kN/mm2，未離子交換前的努普硬度（Knoop Hk 0.1/20）為595 kgf/mm2，交換后為700 kgf/mm2；未離子交換前維氏硬度（Vicker Hv 0.2/20）為630 kgf/mm2，交換后為680 kgf/mm2；離子交換后形成壓應(yīng)力>800 MPa，壓應(yīng)力深度>100 mm，四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度>600 MPa，是較優(yōu)良的蓋板玻璃。2015年Schott利用狹縫下拉法制造了鋁硼硅酸鹽玻璃AF 32eco和硼硅酸鹽玻璃D263。D263的性能：彈性模量72.0 kN/mm2，努普硬度470 kgf/mm2，Tg點(diǎn)557 ℃，線膨脹系數(shù)72×10-7/℃，介電常數(shù)6.7（1 MHz）。AF32的彈性模量74.8 kN/mm2，努普硬度580 kgf/mm2，Tg點(diǎn)717 ℃，線膨脹系數(shù)32×10-7/℃，介電常數(shù)5.1（1 MHz）。D263介電常數(shù)比較高，可代替藍(lán)寶石作指紋識(shí)別，不必用密碼清屏，實(shí)用、簡(jiǎn)單、安全便捷，適用在線支付，權(quán)限控制識(shí)別。

As87eco超薄玻璃可制成30 mm薄片，最薄25 mm，可彎曲半徑3 mm。

2011年，日本旭硝子（AGS）研制出蓋板玻璃Dragonton第一代，中文譯為“龍跡”或“龍尾”［5］，強(qiáng)度為鈉鈣玻璃的6倍，以后又推出Dragontrail X，比以前龍跡系列產(chǎn)品強(qiáng)度提高30%，是普通玻璃的8倍，手機(jī)屏從1.3 m高度落下不碎。2014年，旭硝子發(fā)布的SPOOL超薄玻璃厚度僅有0.1～0.05 mm，用小浮法生產(chǎn)，成功卷繞成100 m的卷軸。

日本電氣硝子（NFC）于2012年采用小浮法工藝生產(chǎn)Dinorex堿硅酸鹽蓋板玻璃，中文譯為“霸王龍”1代，2012年用溢流下拉法推出Dinorex 2代。2014年則發(fā)布了Dinorex 3代，比2代在同樣條件下離子交換速度提高了2倍。該公司研制的超薄玻璃GLeaf厚度只有90 mm～0.03 mm，最薄的只有25 mm～100 mm，可與樹脂層積板構(gòu)成Lamin隱形材料。

我國對(duì)玻璃蓋板的研制起步并不晚。2007年，成都光明光電公司即已申報(bào)了鋁硅酸鹽玻璃化學(xué)鋼化的專利，2013年建成高鋁玻璃浮法生產(chǎn)線，后因故停產(chǎn)。2019年，根據(jù)國內(nèi)手機(jī)玻璃生產(chǎn)商對(duì)提高抗摔性能的要求，進(jìn)行了透明微晶玻璃手機(jī)蓋板的研制，2020年已小規(guī)模生產(chǎn)。

2011年8月，我國臺(tái)灣華映集團(tuán)在福州成立科立視材料科技有限公司，于2013年建立了第一條溢流下拉法生產(chǎn)線，制造Gorilla 4.5代蓋板玻璃，用于觸摸屏，后來又生產(chǎn)抗菌蓋板玻璃。2018年開展透明微晶玻璃研發(fā)。

2014年，四川旭虹光電科技公司生產(chǎn)了鋰鋁硅酸鹽蓋板玻璃，產(chǎn)品名稱Panda 1681（大熊貓1681），第一代以后又生產(chǎn)了Panda 1681-2第二代，性能比第一代有明顯提高。

南玻集團(tuán)所屬的河北視窗玻璃在2021年生產(chǎn)0.25～1.1 mm超薄屏幕玻璃，宜昌南玻集團(tuán)光電玻璃公司在2020年批量生產(chǎn)0.18 mm鋁酸鹽玻璃，是國內(nèi)最早生產(chǎn)0.33 mm以下鋁酸鹽超薄玻璃企業(yè)。2015年，咸寧南玻光電玻璃公司生產(chǎn)了KK3第一代高鋁玻璃，2019年發(fā)展為KK6第二代高鋁玻璃，在透光度、抗摔性和耐刮擦性方面均有提高。

蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)院也是我國早期研發(fā)蓋板玻璃單位之一，2017年建成一條Al2O3含量高于14%的蓋板玻璃浮法生產(chǎn)線。重慶鑫景則與北京工業(yè)大學(xué)合作在2018年建成和投產(chǎn)了Al2O318%高鋁玻璃生產(chǎn)線。2021年又研制成透明微晶玻璃，應(yīng)用于華為P50 Pro手機(jī)，稱為昆侖玻璃，可在2 m高度向下跌落，獲得首個(gè)瑞士SGS五星抗摔權(quán)威論證，此外防刮擦性能也有顯著提高。

最近湖南旗濱企業(yè)建成一條透明微晶玻璃生產(chǎn)線，用特種壓延法生產(chǎn)0.7 mm以下超薄微晶玻璃，有望應(yīng)用于手機(jī)蓋板。

3 手機(jī)玻璃發(fā)展方向

從手機(jī)發(fā)展歷程中可以看出，從功能手機(jī)到智能手機(jī)、智慧手機(jī)，手機(jī)玻璃既是功能材料也是裝飾材料，由前蓋板、觸摸屏、顯示器到后蓋板，玻璃均是合適的材料［6］。特別是5G手機(jī)和折疊屏手機(jī)中，玻璃成為前蓋板和后蓋板“雙玻結(jié)構(gòu)”的理想材料。今后手機(jī)玻璃發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

（1）進(jìn)一步提升手機(jī)玻璃的硬度、強(qiáng)度、抗摔性、耐刮擦性等特性，改進(jìn)測(cè)試方法

從2007年第一款專用手機(jī)玻璃問世以來，專家和企業(yè)家一直在研究提高手機(jī)玻璃的硬度，通過離子交換進(jìn)行化學(xué)增強(qiáng)，手機(jī)玻璃的硬度有了提高，圖3為不同玻璃離子交換前后Vickers硬度Hv比較，圖3中斜線為離子交換前的硬度，交叉線為離子交換后的硬度。

圖3 各國手機(jī)玻璃離子交換前后的硬度

從圖3可以看出，經(jīng)過離子交換后，手機(jī)玻璃的硬度有所增加，但提升幅度不大，各國手機(jī)的硬度雖有所差異，但并不明顯，今后需要通過研究比較采用兩步法還是多步法進(jìn)行離子交換更合適，優(yōu)化離子交換熔鹽配方和交換工藝制度，特別是選擇新型添加劑以提高交換后玻璃表面質(zhì)量。

斷裂韌性是指材料抗裂紋擴(kuò)展的能力，以Kc來表示斷裂韌性，斷裂韌性值愈大，則愈不容易產(chǎn)生脆性斷裂。各代手機(jī)玻璃的斷裂韌性如圖4所示。

圖4 各代手機(jī)玻璃的斷裂韌性

從圖4中可以看出，CG1的斷裂韌性值最大，強(qiáng)度也應(yīng)該最高，但從表1中則看出CG1的抗摔性不是最高的，似于兩者產(chǎn)生了矛盾?？顾ば允且粋€(gè)使用者可以直接觀察到的結(jié)果，與多種因素有關(guān)，斷裂韌性不是唯一因素，測(cè)定抗摔性更符合實(shí)際情況，更容易為使用者所接受。為此手機(jī)研發(fā)者提出了有關(guān)硬度、抗摔性和耐刮擦性測(cè)定方法的建議。硬度除用硬度計(jì)等測(cè)試外，也可采用生產(chǎn)廠及銷售商的簡(jiǎn)單易行的測(cè)試方法，如將5種不同型號(hào)粗細(xì)的砂紙磨擦手機(jī)玻璃表面，觀察是否產(chǎn)生磨痕，以確定其硬度。將手機(jī)與常見損壞手機(jī)玻璃的雜物混裝在一個(gè)錢包內(nèi)，如將iPhone 12 與一串鑰匙，6枚（半打）25分硬幣和一支金屬筆置于同一小化妝包內(nèi)，用力搖晃30 s，以模擬錢包在口袋內(nèi)折騰幾周后，要求手機(jī)玻璃無劃痕。

將手機(jī)玻璃前蓋板和后蓋板在瓷磚上滑動(dòng)10次，要求無任何劃傷，還要求用手輕按80#砂紙?jiān)谑謾C(jī)玻璃屏幕打磨10次，相當(dāng)于手機(jī)掉落滑過車道和人行道后，檢查手機(jī)受損情況，要求手機(jī)屏無磨傷。

抗摔性目測(cè)方法是將手機(jī)從一定的高度跌落在地，觀察其破裂情況。實(shí)際測(cè)定時(shí)，必須指出一些具體條件，除高度還應(yīng)指明屏幕向上還是向下，地面是否平整光滑，是地板還是水泥、巖石等粗糙地面，而且還要說明次數(shù)。如三星Galaxy S20用6代Gorilla玻璃從1 m高度跌落，仍能保持屏幕的完整性。Galaxy S20，從15樓摔到三樓后蓋板都摔壞了，但屏幕仍完好，僅有一個(gè)壞點(diǎn)。為了更符合實(shí)際使用情況，將抗摔性的高度作了一些規(guī)定：

①0.912 m（3英尺）相當(dāng)于人類臀部高度屏幕向下和屏幕向上兩種情況，觀察其破損；

②1.2 m相當(dāng)于人類腰部高度，屏幕向下，觀察破損情況；

③1.6 m相當(dāng)于人類平均身高，屏幕向下，觀察破裂情況。

還有從2 m高度、二樓陽臺(tái)、三樓等摔下等測(cè)試情況，不一一列舉。通常認(rèn)為每人每年可能手機(jī)摔地7次。

為了直接觀察手機(jī)玻璃的抗沖擊強(qiáng)度，則用落球法試驗(yàn)，因手機(jī)玻璃比較薄且面積小，不能經(jīng)受鋼化玻璃直徑63.5 mm（質(zhì)量1040 g）鋼球自由落地的沖擊而采用較輕的鋼球，如華為手機(jī)昆侖玻璃的測(cè)試，則規(guī)定重150 g的鋼球從1.2 m高度落下沖擊玻璃中心而不破裂。國外也有采用133 g鋼球進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的，如Corning 0.55 mm手機(jī)玻璃要求133 g鋼球沖擊高度為90 cm而不破裂。

（2）手機(jī)是AI的最佳載體，已由產(chǎn)品形成一個(gè)行業(yè)，隨著手機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，手機(jī)玻璃也要不斷創(chuàng)新創(chuàng)意。高端化、輕薄化、柔性化、集成化、綠色化和生態(tài)化成為手機(jī)玻璃今后發(fā)展方向

①高端化。指手機(jī)玻璃達(dá)到性能卓越，獨(dú)特雅致，雍容華貴的要求，并不完全指價(jià)格高端。以華為Mate 50 Pro采用昆侖玻璃蓋板為例，采用平均晶體尺寸5～60 nm的納米微晶玻璃結(jié)構(gòu)，裝配的華為Mate 50 Pro手機(jī)從2 m高度跌落實(shí)測(cè)情況，達(dá)到手機(jī)正面向下跌落而不是邊角跌落，前蓋玻璃未碎裂。根據(jù)華為官方介紹昆侖玻璃將整機(jī)抗摔性能提高10倍。至于手機(jī)上昆侖前蓋玻璃目前的價(jià)格只比普通玻璃貴200元，普通消費(fèi)者可以接受。

②輕薄化。手機(jī)屏面積擴(kuò)大，攝像頭的增加，內(nèi)部集成更多的元件，排布復(fù)雜的天線，大功率電池，強(qiáng)大5G功能均使手機(jī)的厚度和重量增加。但從手機(jī)使用者來看，要求手感舒適，于是產(chǎn)生了手機(jī)功能和手機(jī)輕薄化的矛盾。要解決此矛盾，主要是手機(jī)設(shè)計(jì)者通過元件的功能化、復(fù)合化和結(jié)構(gòu)元器件的合理排列與堆疊以減少手機(jī)的厚度和重量，但玻璃本身的輕薄化，也不應(yīng)忽略。

要使手機(jī)輕薄化，一方面減少玻璃的密度，另一方面減少玻璃的厚度。玻璃的密度受玻璃配方和生產(chǎn)工藝的限制，密度不可能降低很大。以手機(jī)用Gorilla玻璃為例，從第一代到第五代的密度如圖5所示。

圖5 各代手機(jī)玻璃的密度

要降低手機(jī)玻璃重量行之有效的辦法是減少玻璃的厚度，2006年第一部iPhone問世起，當(dāng)時(shí)玻璃前蓋的厚度為1.3 mm，以后各年代手機(jī)前蓋玻璃的厚度不斷減少到0.7 mm，0.6 mm，0.4 mm，0.33 mm［7］。目前國內(nèi)外企業(yè)制備的超薄玻璃的厚度與柔性見表2。

表2 國內(nèi)外制備的超薄玻璃的厚度與柔性

超薄玻璃不僅降低手機(jī)的重量，還可提高玻璃的強(qiáng)度與柔性。根據(jù)Griffith強(qiáng)度理論，即強(qiáng)度尺寸效益理論，厚度愈薄，單位面積上裂紋數(shù)量愈少，玻璃強(qiáng)度愈高。

③柔性化。隨著手機(jī)彎曲屏與折疊屏的流行，手機(jī)玻璃的柔性化成為一種發(fā)展趨勢(shì)［8］。柔性指玻璃抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，柔性與塑性緊密相關(guān)，也可以形容為材料發(fā)生塑性變形而不斷裂的能力，即發(fā)生彎曲而不斷裂，換言之，柔性是指材料抵抗變形破壞的能力，如抗彎、抗沖擊、抗扭轉(zhuǎn)等。玻璃柔性主要由結(jié)構(gòu)鍵來確定，但通過結(jié)構(gòu)鍵來提高玻璃柔性，目前還是非常困難的，只有運(yùn)用強(qiáng)度尺寸效應(yīng)制造超薄玻璃來減少表面裂紋及各種宏觀微觀缺陷是行之有效的辦法。

通常認(rèn)為當(dāng)玻璃厚度低于0.1 mm時(shí)，即具有柔性。

除了利用強(qiáng)度尺寸效應(yīng)得到柔性玻璃外，還可用疊層結(jié)構(gòu)來制造柔性玻璃。三星Galaxy Z Flip 折疊手機(jī)柔性面板就是將高硬度的超薄玻璃（ UTG） 表面覆蓋一層柔性的聚酰亞胺（Polymide）薄膜，組成疊層材料，既發(fā)揮了玻璃的剛性又降低了玻璃易碎性，此柔性顯示屏厚度0.03 mm，而彎曲半徑僅為1 mm。

④集成化。最初手機(jī)的蓋板玻璃、觸摸屏玻璃、顯示器玻璃、后蓋玻璃是分開的，各有其功能。以后逐步走集成化道路，由一種部件集合多種功能。首先將觸摸屏與蓋板玻璃一體化。既可作為觸摸屏，也可作蓋板。成本均降低，而好品率卻提高。

將觸摸屏與液晶顯示器集成化，如In-Cell技術(shù)，是將觸摸屏功能嵌入液晶像素的方法，集成化后手機(jī)厚度、重量降低，好品率提高。

蓋板玻璃表面處理時(shí)，也可將化學(xué)增強(qiáng)、抗眩光（AG）、抗反射（AR）、抗指紋（AF）、防霧、自清潔以及防菌、抗菌功能集合化。最近采用十七氟癸基三乙氧基硅烷（trimeth-oxysilane PFDTES ）C16H19F17O3Si和1、2雙（三 乙 氧 基 硅烷）乙烷（BTESE）為前驅(qū)體通過溶膠-凝膠法在蓋板玻璃上制備成十七氟癸基修飾的SiO2膜，具有防水、防污、自清潔、低折射率、防反射、絕緣、耐酸、耐磨、抗刮擦、不易附著指紋污染等結(jié)合功能。

⑤綠色化。指手機(jī)玻璃中不含或含限量的有害物質(zhì)以及在手機(jī)制造過程中綠色生產(chǎn)和低碳排放。手機(jī)主機(jī)中有害物質(zhì)的含量均應(yīng)在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26572規(guī)定以下，包括汞（Hg）、鎘（Cd）、六價(jià)鉻（Cr（VI））、多溴聯(lián)苯（PBB）、多溴二苯醚（PBDE）、Pb雖然超出GB/T 26572規(guī)定的限量，但目前無代替方案，按歐盟RoHS指令豁免。當(dāng)然這是整機(jī)的檢測(cè)，不單是手機(jī)玻璃的檢測(cè)，但手機(jī)玻璃成分設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)選擇鉛、鎘、汞等有毒成分，原料處理和熔制時(shí)要避免有毒成分的揮發(fā)，同時(shí)要提高化學(xué)穩(wěn)定性，防止這些有毒成分的析出，還必須在熔制成形和加工過程中盡量減少碳排放。

⑥生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化。此處的生態(tài)系統(tǒng)并不是常用的ecosystem的概念，一般生態(tài)系統(tǒng)是指在自然空間內(nèi)，生物與環(huán)境構(gòu)成統(tǒng)一整體，在這個(gè)統(tǒng)一整體中，生物與環(huán)境相互影響，相互制約，并在一定時(shí)期內(nèi)處于穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

手機(jī)的生態(tài)系統(tǒng)是指?jìng)€(gè)人或?qū)嶓w接觸到手機(jī)硬件和軟件的總和，手機(jī)廠商對(duì)于所制造品牌手機(jī)硬件以及操作系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使手機(jī)應(yīng)用時(shí)能處于最佳系統(tǒng)，為用戶提供更為完美的使用服務(wù)。而用戶則要選擇系統(tǒng)好用的軟件和功能穩(wěn)定的優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)。因此，手機(jī)設(shè)計(jì)者和制造者需要根據(jù)手機(jī)使用情況，不斷優(yōu)化手機(jī)的硬件和操作系統(tǒng)，使其處于最佳狀態(tài)，如華為研發(fā)的鴻蒙生態(tài)5G手機(jī)等。