触摸屏用盖板材料研究报告

触摸屏用盖板材料研究报告一、综述1.触摸屏的结构电容式触摸屏的结构较为复杂，由于技术进步和厂商技术选择的不同，有多种结构形式，典型的触摸屏结构如图1所示。

包括保护膜、防反射层、盖板、粘接层、透明导电膜、显示屏等。

本文中关心的是其中的盖板（Protective Cover）的材料性能和新型盖板材料的选择。

图1电容触摸屏的典型结构对于这层盖板材料而言，目前所使用的最为成熟的材料是康宁（Corning）公司的大猩猩玻璃（Gorilla Glass），目前已经发展到第4代。

其基本性能见表1。

对于康宁大猩猩玻璃而言，已经具备了良好的综合性能，如其维氏硬度指标已经较高，但仍然不能抵抗日常使用中如沙粒（主要成分为SiO2）等的磨损破坏，同时由于断裂韧性较低，仍不能满足抗跌落性能的要求。

表1 康宁大猩猩4代玻璃盖板材料性能除了上面所列指标外，透光率、表面应力状态、折射率和厚度等基本参数也必须作为盖板材料选择时的重要参考依据。

2.可行的技术路线汇总分析认为，目前潜在的提高盖板材料性能的技术路线有以下几条，可通过深入分析从而选择技术上可行及低成本可产业化的路线进行：1.织构化透明陶瓷（Textured T ransparent C eramics）技术路线2.织构化微晶玻璃（Textured G lass C eramics）技术路线3.织构化低温镀膜（Textured & L T C oating）技术路线4.非晶化镀膜技术路线为实现几条技术路线，需要突破的关键技术有透明陶瓷取向制备技术；微晶玻璃晶化过程控制技术；低温（室温）织构化镀膜技术。

这几条技术路线各有优缺点，各自需要面对的技术难点问题是不同的：对于微晶玻璃而言，对晶化过程进行取向控制从而改进其硬度和韧性指标是技术难点。

对于透明陶瓷而言，一旦基于硬度、韧性指标选定了某种材料或体系，注意力就需要转移到提高其透光率、表面裂纹控制等方面。

超细粉体的制备、等静压技、真空烧结技术控制气孔率和气孔大小都是技术难点。

在透明陶瓷制备中取向控制是提高透明陶瓷透光率的重要技术手段之一。

对于薄膜材料，基底的选择，薄膜与基底结合力、薄膜应力状态等成为技术难点。

如果选用低熔点的PMMA（polymethyl methacrylate聚甲基丙烯酸甲酯）或PC（Polycarbonate聚碳酸酯）材料作为基底，则要求镀膜在低温下进行，在低温下制备高性能薄膜的镀膜工艺如离子束辅助沉积技术（IBAD）或低温溶胶凝胶（sol-­‐gel）技术是研究重点。

3.盖板材料设计思路固体材料各种性质取决于其晶体结构，要正确地选择性能符合要求的材料或研制具有更好性能的材料，首先要熟悉乃至控制其结构。

已知共价键的结合能高于离子键或者相差不大，远高于分子键、金属键和氢键。

共价键结合的原子晶体（covalent crystal）包括金刚石（C）、硅（Si）、锗（Ge）、碳化硅（SiC）、立方氮化硼（CBN）、氮化硅（Si3N4）二氧化硅（SiO2）等，这些材料表现出来的性质是高熔点、高硬度、但是均属脆性材料。

通过离子键结合的离子晶体也表现出较高的熔点、较高的硬度，AB型的硬度较高的离子晶体有MgO（莫氏硬度6.5）； AB2型的离子晶体包括CaF2（萤石）、TiO2（金红石）、ZrO2（立方氧化锆为稳定相）等；A2B3型包括刚玉（α-­‐Al2O3）；AB2O4包括尖晶石（MgAl2O4）、氮氧化铝（ALON）。

另外一些有一些金属元素和准金属元素通过共价键、离子键和金属键结合的形成间隙化合物也表现出极高的硬度如VC、WC、TiC等碳化物和TiN、CrN、MoN、GaN等氮化物。

由于这些间隙化合物表现出金属晶体的性质，在可见光区域一般是不透明的或半透明，不能作为盖板材料，某些透明材料如GaN或可以薄膜形式作为盖板保护材料，但其制备工艺及成本或不允许选择作为备选材料。

硅酸盐的基本结构单元是SiO4四面体，包括Mg2 S iO4（镁橄榄石）、Y3Al5O12（钇铝石榴石YAG）、Be3Al2[Si6O18]（绿柱石）等硬度较高，透明度也较高的潜在可用的材料体系。

寻找适合触摸屏盖板的材料时，如果选用体材料（透明陶瓷或微晶玻璃）需要考虑材料的硬度、透光率、韧性等几个基本性能指标；如果选用膜材料除上述以外还需要考虑基底材料的选择、基底与薄膜之间的结合力、薄膜应力状态、制备技术所需的工艺过程、温度等技术条件及设备成本等。

一些满足硬度要求物质的基本性质见表2。

表中仅列出了莫氏硬度大于7的自然界中存在的材料。

这些材料虽然硬度较高，韧性虽然较玻璃高，但仍属于脆性材料。

除石英和金刚石，表2中所列的其他材料透明度较低。

除金刚石外，都具有双折射性质，这对于提高透光率是有损害的。

表2 自然界中常见较硬物质的性质4.织构化对于盖板材料的意义织构是指晶体具有择优取向，即具有各向异性的材料。

在透明陶瓷的制备中，关于织构化的研究较少，Xiaojian Mao 等人将氧化铝粉末在12T 的强磁场下注浆成型H//c （对于氧化铝其磁化率χc >χa ），随后在1850°C 下氢气中烧结制备了具有c 轴取向的透明氧化铝陶瓷，所制备的氧化铝陶瓷与未在磁场下注浆成型的普通透明陶瓷相比，其透光率（300nm ）从10%提高到44%。

如图2所示为织构化透明氧化性质金刚石 刚玉 黄玉 绿柱石 石英 莫氏硬度10 9 8 7.5 7 努氏硬度(MP a /mm 2)70000 21000 13400 无数据 8200 断裂韧性低 低 低 低 低 透光率 透明 半透明-­‐透明 半透明-­‐透明 半透明-­‐透明 透明 折射率 2.417 1.762-­‐1.770 1.619-­‐1.627 1.56-­‐1.59 1.533-­‐1.541 双折射率 单折射 0.008-­‐0.010 0.008-­‐0.010 0.005-­‐0.009 0.009 主要成分C α-­‐Al 2O 3 氟硅酸盐 铍硅酸盐 SiO 2 晶系 立方晶系 六方晶系 斜方晶系 六方晶系 六方晶系三方晶系Eng Diamond Corundum（Sapphire ） Topaz BerylQuartz铝陶瓷与非织构化半透明氧化铝。

这种方法也适用于其他具有磁各向异性的透明陶瓷制备，当χc<χa时，需要使磁场满足H⊥c。

此时可以获得c轴垂直于磁场的多晶透明陶瓷。

图2a）采用强磁场织构化制备的透明氧化铝陶瓷b）透明度随波长变化曲线。

Satoshi T anaka等人在旋转磁场中（10T）对具有磁各向异性的四方铌酸锶钡（SBN）进行胶态成型，随后1350°C高温Ar气氛烧结，具有c 轴织构的SBN多晶陶瓷透明度大大提高（超过50%）。

在旋转磁场下（H⊥c），晶粒取向稳定在c轴垂直于磁场方向（χc<χa）。

采用晶粒织构化可以使晶体取向趋于一致，一方面可以降低晶界处的双折射损失；另外一方面由于织构造成的机械性能各向异性，可以预期可能会提高某个方向的断裂韧性，提高抗跌落性能。

如可以预期跌落实验中长度方向（或宽度方向）跌落到地面时，盖板材料的跌落完好率提高。

图3是几种晶体取向结构示意图，包括随机取向，c轴取向和双轴取向。

对于超导材料制备而言，需要制备出具有双轴织构的超导材料才能保证其性能。

如果仅需要考虑透光率，对于氧化铝透明陶瓷而言，只需要获得c轴织构就可以大幅度提高透光率。

图3晶体几种取向结构的示意图二、透明陶瓷技术路线与无定型的玻璃不同，陶瓷是结晶的、有时是多相的，而透明陶瓷与普通陶瓷相比虽然也是多晶的，但往往不是多相的，致密度更高，气孔率更低，气孔尺寸更小，晶界处也较普通陶瓷“特殊”，从而具有相当高的透明度。

透明陶瓷最初是在代替恶劣条件下（高温、高腐蚀条件）使用的玻璃而应运而生的。

1962年美国的Coble等人采用高纯、超细原材料，精确控制结构首先制备了透明氧化铝多晶陶瓷。

透明陶瓷具有陶瓷的高硬度、高强度、耐腐蚀、耐冲击、耐磨等陶瓷的特性以外，还具有玻璃的透光性。

通过降低晶粒尺寸，纤维增韧等方法，可以将氧化铝陶瓷的韧性提高到10MP a m1/2以上。

透明陶瓷在透明装甲、导弹鼻锥、各种红外高温窗口、多晶激光陶瓷等众多领域有广泛的用途。

1.透明陶瓷透光的原理：光在介质中传播衰减的两个途径：1）光被原子吸收，将光能转换成在介质中的热能。

2）光散射，包括在光被吸收和同时再辐射的能量。

这个能量包括通过原子，分子，或多种离子辐射的能量。

一般多晶陶瓷的不透明性是由于非等轴（立方）晶系的多晶晶粒在排列取向上的随机性，导致晶粒间折射系数不连续，以及晶界效应、气孔等引起的散射等原因所致。

在光学各向异性的晶体中，如非立方晶系的氧化铝陶瓷，入射光在晶界处会产生双折射现象（birefringence），如氧化铝。

减少双折射（birefringence）的途径之一是通过降低晶粒尺寸（参考可见光的波长）来实现，这已经在透明氧化铝中通过理论和实践证明。

图4 氧化铝透明度受气孔率和厚度影响较大，尖晶石在较厚时透明度仍较高图4是不同气孔率、晶粒尺寸、厚度对氧化铝陶瓷透光率的影响。

不同陶瓷材料固有的透光率也有差别，如尖晶石在晶粒粗大，厚度较厚状态下仍表现出高透光率。

阿贝数是衡量介质的色散程度的指标。

高阿贝数对应的是低色散。

图5所示为玻璃和不同透明陶瓷的阿贝数。

萤石是一种低色散的材料。

n d为不同材料在波长为587.56 nm处的折射率。

在制备透明陶瓷材料中希望制备具有高折射率，高阿贝数的材料。

图5 玻璃和透明陶瓷的阿贝数与折射率。

双折射现象还和波长相关，对于很短波长的紫外线（200nm），即便是立方晶系的尖晶石（MgAl2O4）也表现出双折射现象。

图6立方氧化锆透明度随晶粒尺寸和波长的变化尽管四方氧化锆的双折射率（0.035-­‐0.050）比氧化铝的双折射率高的多（氧化铝为0.008，600nm），当制备的多晶陶瓷晶粒尺寸降低到<50nm以下时，仍可以制备出透明度较高的，致密的（残余气孔率低于0.01%）透明氧化锆陶瓷，如图6所示。

对于透明陶瓷来说，透明度受多种因素的影响，包括光的吸收、陶瓷的致密度（气孔率），反射率，双折射率，晶粒尺寸等。

如图所示入射束在上下表面处均有一定程度的反射损失、在晶界处有双折射损失、在缺陷和气孔处还有漫散射损失。

如图7所示图7 发生在透明陶瓷内部的反射、双折射、散射 透明陶瓷材料的理论透光率较低，大部分达不到玻璃的透光率水平，透明陶瓷的透光率往往用真实直线透过率表征RIT(Real i n-­‐line Transmission) 。