玻璃: 人类历史上最重要的制造材料之一

日期:  
2018年 7月 4日
作者: 
Anne Corning  | 
主题: 

我们许多人(大约50%的智能手机用户1)都有过手机意外摔落的经历。我们知道,当手机撞到地板或者更糟糕的是撞到路面上时,会发出可怕的碰撞声,手机表面会因此产生刮痕、裂缝或凹痕。我们中的一些人(大约20-23%1)甚至会继续使用屏幕破碎的手机长达6个月。

玻璃的发展演变

据历史学家估计,玻璃最早是于公元前4000年在美索不达米亚生产出来的。玻璃被称人类历史上最重要的制造材料之一2。从中世纪大教堂的彩色玻璃窗、眼镜、汽车钢化挡风玻璃到如今连接全球通信网络的光纤电缆,玻璃在我们的生活中无处不在。每天,全球有超过70亿人3将手机装入钱包和口袋,也就是说,以手机屏幕的形式随身携带着玻璃。即使采用如今更坚固耐用的盖玻片,手机和其他移动设备也仍然容易因各种意外而出现刮痕或裂缝。

保护壳和粘贴层可以帮助减少潜在损坏,但整个行业一直在持续推动和寻求耐久且抗损坏的玻璃,以实现耐刮擦性和抗震碎性这一双重目标(虽然有人对此持反对意见)。现代玻璃制造商已经“打破”了玻璃易碎的固有印象。该领域的一些创新成果包括:

  • 2012年,Corning, Inc.*推出了Gorilla Glass®,这是一种透明钢化玻璃材料,由硅和铝的氧化物(铝硅酸盐)制成,并浸入专有的钾和钠离子热溶液槽中进行处理。这种材料薄而轻,并且具有抗损坏性,满足智能手机和移动设备制造商对玻璃质量的高要求。虽然市场上还有其他类似产品,但目前全球大约已有50亿台设备使用了Gorilla Glass材料。(如果您想了解更多有关智能手机玻璃化学结构和特性方面的信息,您可以联系美国化学学会获取详细概述。)
  • 蓝宝石玻璃是蓝宝石的合成产品。它非常坚硬(莫尔硬度等级为9;钻石的莫尔硬度等级为10),这使其非常坚固耐久。但该产品价格昂贵,而且生产过程十分耗能。该产品在宽广的光谱范围内具有高度的透明性,包括可见光谱(~350-750 nm),并且具有耐刮擦性。但该产品略微易碎,因此容易因跌落冲击而产生裂缝。如今,该产品最常用于零售条码扫描仪、钟表(用作盖玻片)、电子晶圆(用作基材)以及一些智能手机设备的相机镜头。
  • 最新一代的Gorilla Glass (5)已经开发出来,至少80%的时间能够完全承受1.8米高处(“自拍高度”,即人们举着手机自拍的典型高度)跌落的考验。
  • 考虑到未来的玻璃研发趋势,许多公司目前正在研究合成金刚石玻璃和超薄柔性玻璃带等概念,以寻求“不易破裂”的智能手机屏幕。美国和日本的研究人员甚至提出了“自修复”玻璃和聚合物材料概念,这些材料可以重新模压到一起,以修复裂缝。

显示器上的柔性玻璃组件

除了以前的耐刮擦性和抗震碎性外,智能手机屏幕封盖现在还有一个新目标:灵活性。可折叠、可卷曲且可拉伸的显示器是今年SID显示器周(SID Display Week)活动期间的热门话题。中国显示器制造商BOE在该活动上展出了柔性OLED显示器,包括可以在微风中飘动的薄如纸的显示器:

三星展示了可卷曲的14’’有源矩阵OLED(AMOLED)显示器:

Corning, Inc.在该活动上提出了“玻璃时代”的宣传口号。该公司的商业技术总监Millicent Ruffin隆重介绍了Slinky®的玻璃版本,声称其与金属制成的版本拥有一样的柔性和弹性!

然而,Universal Display Corporation的会议发言人Mike Hack指出,当人们如今谈论配备柔性屏幕的手机时,无论是否了解,他们通常谈论的是配备塑料屏幕封盖而不是玻璃屏幕的手机。挑战在于,用于可折叠显示器的覆盖膜(无论是玻璃还是其他材料)必须提供:

  • 玻璃般的高强度
  • 塑料般的低模量

  • 橡胶般的弹性(伸长率)

  • 光学透明度

硬度、可折叠性与动态/静态可靠性的结合通常很难实现。例如,对于柔性OLED面板,理想的玻璃基材必须具有:

  • 较低的总间距变化(优于替代显示器玻璃45%)
  • 较低的总厚度变化(优于替代显示器玻璃2倍)
  • 较高的紫外线透射率(确保减少有害蓝光,缓解眼睛疲劳)

随着显示器行业越来越多地转向使用OLED、AMOLED(特别是智能手机)和microLED显示器,这些显示器要求日益受到关注。随着AR/VR技术的发展,可穿戴显示器对非常轻薄的高性能玻璃的需求也在不断增长。

确保玻璃和玻璃屏幕质量

无论手机或其他显示器设备上使用何种类型的玻璃或屏幕封盖,耐久性都并不是制造商面临的唯一挑战,确保材料本身没有点缺陷、表面刮痕等缺陷也同样重要。如今的高质量智能手机用户都期望他们拿到手中的产品是完美无缺的,并且始终保持完美无缺。

玻璃的制造过程非常精确。缺陷可能包括气泡、拉伸、点缺陷和不均匀性。为了解决这个问题,Corning公司已经开发了一种先进的融合生产方法,用于最大限度地提高Gorilla Glass和其他产品的质量和一致性。

除了控制玻璃本身的纯度和一致性外,显示器设备制造商在显示器所有层的装配过程中也需要尽可能减少缺陷,包括LCD基础层、触摸层、盖玻片以及任何抗眩光或其他应用薄膜层。在每个环节,表面上都有可能产生点缺陷、瑕疵或污渍(例如指纹),或者引起其他损坏(凹痕和刮痕)。

该智能手机相机镜头下方的灰尘可能会导致代价高昂的返工或产品退回.

Radiant的ProMetric®成像亮度计和色度计能够提供高分辨率的精确视觉检测,可靠地识别、量化和校正显示器的许多质量问题。成像色度计能够帮助制造商及早识别各种缺陷,防止因缺陷装配件而投入额外的成本,从而降低总体生产成本。制造商可以使用成像亮度计和色度计在制造过程中的关键环节检测灰尘或纤维等异物,避免将这些异物锁定在薄膜或玻璃下面。

刮痕分析图像.

压痕分析图像.

污渍分析图像.

点缺陷分析图像.

不同于人工检测员,来自Radiant的自动化表面检测系统能够以可重复地方式快速识别和测量显示器中虽微小但重大的缺陷。无论缺陷位置如何,该系统都能够准确定位缺陷;例如,识别透明层顶部或底部是否存在污渍或点缺陷,该污渍或点缺陷能否去除?该设备是否必须从生产线上剔除?

开发人员和发明人员正在研究能够提供未来显示器设备所需的灵活性、耐久性、薄度和性能的新一代玻璃和其他材料。Radiant正在与他们合作,确保提供最精确、最高效的测量,以保证这些显示器的表面质量。

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1. Nazarian, Robert, “How bad is the cracked cellphone screen epidemic? Motorola gives us the lowdown.” on Digital Trends, October 30, 2015. https://www.digitaltrends.com/mobile/motorola-shattershield-cracked-smartphone-screen-survey/

2. Main, Douglas, “Humankind’s most important material." The Atlantic, April 7, 2018. https://www.theatlantic.com/technology/archive/2018/04/humankinds-most-important-material/557315/

3. Boren, Zachary D., "There are officially more mobile devices than people in the world." Independent, October 7, 2014. https://www.independent.co.uk/life-style/gadgets-and-tech/news/there-are-officially-more-mobile-devices-than-people-in-the-world-9780518.html

 

*本文作者与Corning, Inc.并无直接关系。这篇博客文章的目的并不是为了表示本文作者或Radiant Vision Systems对任何第三方产品的认可,我们也没有因在这里展示任何公司的产品而收到任何付款或报酬。出于充分披露信息的目的,我们将在此简单介绍一下Corning, Inc.。该公司于1868年将总部设在美国纽约州Corning市,并以该城市的名称命名。纽约州Corning市则是以Anne Corning的祖先Erastus Corning命名的,Erastus Corning是一位金融家,在20世纪担任过美国Albany市市长和铁路行政人员。