超薄玻璃沒有最薄只有更薄

出品：科普中國

製作：陳健 （中國科學院上海矽酸鹽研究所）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

超薄玻璃和普通玻璃到底哪不一樣？超薄玻璃與日常經常看到玻璃一樣，都為無規則結構的非晶亞穩態固體材料（如圖1），具有各向同性、無固定熔點、漸變性與可逆性。一般是用多種無機礦物(如石英砂、硼砂、硼酸等)為主要原料，另外加入少量輔助原料製成的。它的主要成分為二氧化矽和其他氧化物，都是矽酸鹽複鹽。

圖1. 玻璃的原子結構示意圖（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Glass.

http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/crystal/120103.html.）

超薄玻璃是相對普通平板玻璃而言的，差別僅僅在於厚度不同。一般認為厚度小於1.5mm的玻璃即為超薄玻璃。實際生活中根據玻璃厚度不同，可將玻璃分成六種類型[1]：

1）特厚玻璃19~30mm；

2）超厚玻璃12~19mm；

3）厚玻璃8~12mm；

4）普通平板玻璃４~8mm；

5）薄玻璃1.5~3mm；

6）超薄玻璃＜1.5mm。

其中厚度小於0.5mm的超薄玻璃具有良好的撓性。一張A4列印紙的厚度是0.095mm，而厚度小於0.1mm的超薄玻璃具有可彎曲性能，又可稱為柔性玻璃（如圖2）。

圖2.超薄玻璃（http://www.zh-zhencheng.com/n1/56.html.）

超薄玻璃質量輕、耐高溫、耐衝擊

超薄玻璃不僅具有玻璃的基本特性如高透明性、電絕緣性、耐熱性、化學穩定性和抗氣性等，還具有薄型質量輕、耐高溫、耐衝擊、柔性等獨有的特點。因此在顯示器面板、ITO（氧化銦錫）導電膜玻璃基板、柔性顯示基板、智能表面、OLED（Organic Light-Emitting Diode）照明和柔性太陽能電池等領域具有廣泛的應用前景（如圖3），將給新一代電子產品的外觀和形式帶來變革。

隨著平板顯示技術的飛速發展，世界市場對超薄玻璃的需求巨大，過去幾年中，國際市場對超薄玻璃的需求量以每年20%的速度遞增[2]。

我國對超薄玻璃的需求量也與日俱增。據估算，目前國內超薄浮法玻璃的年需求量約為5000萬m2，並以每年15%的速度遞增。在智能移動終端迅速普及、液晶面板需求越來越旺盛的情況下，超薄玻璃將是我國最為短缺、也是最有潛力的產品之一，也是玻璃材料生產廠商的重要機遇，同時超薄玻璃的生產技術難度很高，其價格則是普通玻璃價格的數十倍甚至數百倍。

圖3. 超薄玻璃應用柔性顯示領域（https://www.baidu.com.（組合圖））

超薄玻璃是怎麽生產出來的？

目前，超薄玻璃的生產方法主要有浮法、溢流下拉法、狹縫下拉法和二次下拉法等。

1、浮法

浮法主要是將經過熔化、澄清、冷卻的玻璃液在調節閘板的控制下經流道平穩連續的流入錫槽，漂浮在熔融金屬錫液體表面，玻璃液流入錫槽後在重力的作用下攤平，在表面張力作用下拋光，在主傳動拉引力作用下向前漂浮，在拉邊機作用下實現玻璃帶的加工變薄等過程，形成超薄柔性玻璃（圖4）。

圖4. 浮法生產超薄玻璃示意圖（http://www.sohu.com/a/164730965_505848）

2、溢流下拉法

溢流下拉法是目前超薄玻璃製造中的熱點技術，也是製約國內超薄電子玻璃產業發展的瓶頸。溢流下拉法主要將熔融的玻璃液注入到楔形溢流槽內，使玻璃液從溢流槽溢出，將在溢流槽下方一體化後的熔融玻璃下拉而製造超薄玻璃（圖5）。

該法末端所生產玻璃帶兩外表面除了與空氣接觸外，不與任何固體或液體接觸，即不用槽子磚、引磚、轉向輥，也不用錫槽，無需研磨等處理；在成形過程中，玻璃熔液流向與其所形成玻璃帶的兩側面相平行，這就有利於在玻璃帶的兩側安裝溫度調節裝置，以利於消除玻璃板面的不平整度，提高玻璃板面質量。

圖5. 溢流下拉法生產超薄玻璃示意圖（http://www.sohu.com/a/164730965_505848）

3、狹縫下拉法

狹縫下拉法主要將熔融玻璃液導入鉑銠合金所製成的槽中，從槽底的狹縫流出，利用自身重力及向下的拉力拉製成超薄玻璃（圖6）。採用這種工藝製備的玻璃厚度可根據熔窯的拉引量、狹縫的大小及下拉速率來控制，玻璃的翹曲度則可根據溫度分布的均勻性控制，可以連續生產超薄玻璃。

圖6. 狹縫下拉法生產超薄玻璃示意圖（https://www.schott.com/advanced_optics/chinese/products/wafers-and-thin-glass/glass-wafer-and-substrates/ultra-thin-glass/index.html）

4、二次下拉法

二次下拉法採用浮法工藝製備的預成型玻璃原坯卷繞在圓筒狀的繞輥上，將玻璃母材垂直向下方輸送，利用加熱裝置將玻璃加熱至軟化點附近，將軟化後的玻璃基板向下延伸，製備出超薄玻璃。

根據國內科研和實際生產柔性玻璃的情況，這些方法中二次下拉法和狹縫下拉法具有間歇性、投資成本低、配方變化容易等特點，更適用於科研機構實驗室研究開發。浮法和溢流下拉法具有大規模、大板寬、連續性生產的特點，更適用於大規模工業化生產，在工業化過程中具有成本低的優勢。國內浮法工藝技術和裝備比較成熟，採用浮法技術更具有發展前景，目前已經能夠生產超薄的普通鈉鈣矽玻璃。隨著工藝技術和裝備的進一步發展和完善，解決浮法技術中生產超薄柔性玻璃出現的問題，能夠加快推廣柔性玻璃的應用領域和使用範圍。

沒有最薄只有更薄

中國目前可大規模生產的0.12mm的超薄玻璃號稱世界最薄玻璃，其實還有更薄的玻璃。

長期以來超薄玻璃的生產都以浮法工藝為主，但被國外公司所控制。領先技術主要掌握在美國康寧（CORNING）、德國肖特（SCHOOT）、英國皮爾金頓、日本旭硝子（AGC）、日本電氣硝子（NEG）等公司手裡[3-4]。早在2012年，世界最重要的手機觸控面板玻璃供應商康寧公司就已發布其採用熔融溢流下拉法和高溫滾壓技術相結合的方法制備出厚度為100μm的超薄可繞式螢幕玻璃（圖7），並形象的命名為“垂柳”（ Willow-Glass）。其通過化學鋼化處理，獲得很高的強度和很強的可彎曲性，可彎曲半徑5cm，能卷成寬1.3m、長300m、直徑15.24cm的筒，同時兼具輕便、成本低、可承受高達500℃高溫等特性。

圖7. 康寧公司 0.1mm Willow-Glass玻璃（http://www.designcurial.com/news/glass-a-flexible-material-4388280）

直到2018年，中國建材集團利用浮法技術工業化生產出0.12mm厚度的超薄玻璃（圖8）。在2014年、2015年、2016年、2018年，幾乎每年一個台階，從0.3mm到0.2mm，到0.15mm，再到現在的0.12mm，不斷打破由自己創造的超薄浮法電子玻璃紀錄。這之前我國只能穩定量產厚度為0.2 mm的普通鈉鈣矽玻璃和厚度為0.3 mm的無鹼超薄玻璃，其中也有部分科研機構對0.1 mm的柔性超薄玻璃進行研發，但僅僅處於實驗室研發階段。

近幾年，我國的幾家玻璃生產企業也先後建成了超薄浮法生產線，但產品厚度在0.2mm~1.1 mm之間，還沒有真正實現“微米級”和“柔性”[5] 。總之，我國與國外發達國家在超薄玻璃生產技術方面的差距較大。

圖8. 中國建材集團生產的0.12mm超薄玻璃（央視紀錄片《創新中國》第一集）

這種新型材料有望替代超薄玻璃

長江後浪推前浪，任何產品更新都不可能停滯不前，超薄玻璃也會面臨各種挑戰。一方面面臨關鍵技術突破的挑戰，超薄玻璃面臨柔性化趨勢的挑戰隨著新型顯示產品的不斷發展，消費者對於包括移動通訊終端在內各種器件的輕薄化要求越來高，提供更大存儲空間、長續航時以及輕薄化的顯示屏，成為高端器廠商追求目標。另一方面超薄玻璃也面臨聚酯類塑料薄膜等新型材料取代的挑戰，與超薄玻璃基板相比，聚酯類塑料薄膜無論是薄型輕量化，還是提高耐衝擊性、實現柔性，均具有無可比擬的優勢（圖9）。日前，中國華為公司在西班牙巴塞隆納新品發布會推出旗下首款折疊屏Mate X-5G手機就是採用柔性OLED，其使用PI（聚酰亞胺）作為下基板，代替剛性OLED中的玻璃基板；使用薄膜封裝代替玻璃封裝。

圖9. 聚氨酯柔性薄膜（https://baike.baidu.com/item/%E8%81%9A%E9%85%B0%E4%BA%9A%E8%83%BA/1656028?fr=aladdin）

隨著國家高端製造業的快速發展，超薄玻璃未來將向大尺寸、高強度、高彈性模量、小曲率半徑、高成品率低成本的方向發展，應用領域也會越來越廣泛。未來顯示屏可以隨意彎曲、可印刷列印、像錢包一樣折疊，不使用時可以將其折疊便於攜帶，使用時可以展開實現更大螢幕顯示；也可以像卷幕簾一樣滾動顯示；甚至可以拉伸顯示，而聚酯類塑料薄膜在這一方面具有更明顯的優勢。

參考文獻：

[1] 夏素旗，顧少軒，徐心怡,超薄玻璃的研究和發展，建材世界，2015，36（4）：37-40。

[2] 蔣文玖，超薄基板玻璃材料面臨柔性化趨勢的挑戰，玻璃與搪瓷，2015，43（6）：34-36。

[3] 司敏傑，郭衛，田芳等，柔性玻璃的研究現狀及發展趨勢，玻璃，2016，5：17-20。

[4] 陳福，武麗華，王迎春，柔性玻璃國內外發展現狀及趨勢，玻璃，2017，17：15-17。

[5] 陳瑞峰，柔性超薄玻璃，化學工業，2014，32（4）：39-40。