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从小米9看:蓝宝石玻璃距离手机面板有多远?
2019年02月27日 发布 分类:行业要闻 点击量:3741
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2019年2月20日,小米在北京召开发布会,正式发布了其年度旗舰手机小米 9。在其宣传页面上小编注意到小米9采用了一块243mm2的蓝宝石玻璃覆盖其3颗镜头。这里小米之所以突出243mm2的蓝宝石玻璃,也在于大尺寸蓝宝石制备工艺复杂,成本高,也进一步凸显了产品的高品质。

 

1 小米9手机

严格来讲,采用蓝宝石玻璃一词是不确切的,因为采用的是蓝宝石晶体,而不是玻璃。蓝宝石晶体化学组成为Al2O3,理论成分为Al 55.91%、O47.09%,无色透明,如含Ti3+ Fe3+,则呈蓝色。蓝宝石具有硬度高、耐磨性、化学稳定性和耐热性好等特点,采用蓝宝石代替玻璃制作手机面板,既能够增加其耐磨性、光泽、热稳定性和化学稳定性,又可适应于极端恶劣环境条件,提高手机面板使用寿命。然而,截至目前,采用蓝宝石作为智能手机面板的产品仍没有面市。那么,蓝宝石玻璃屏幕到底值不值得期待?或许是一个很值得讨论的话题。

其实早在2013年11月,苹果公司就曾发布消息称iPhone 6可能使用蓝宝石玻璃作为手机面板,此消息当是引起了国内外的广泛关注,但其后2014年初,又宣布放弃蓝宝石玻璃屏幕。2014年8月,日本京瓷公司发布了一款搭载蓝宝石屏幕的手机,名为Brigadier,也是全球首款蓝宝石屏幕手机。此后国内智能手机厂商也宣布将生产采用蓝宝石玻璃屏幕的手机,但都没有产品上市。究其原因,一是蓝宝石生产工艺复杂;二是大尺寸蓝宝石手机屏幕制造成本高。

 

2  搭载蓝宝石屏幕的Brigadier手机(日本京瓷公司)

生产大尺寸蓝宝石主要方法有泡生法、热交换法、温梯法以及对泡生法进行改良的冷心放肩微量提拉法。常用的方法有热交换法、泡生法以及富有特色的冷心放肩微量提拉法。

名称

工  艺

优  点

缺  点

应  用

热交换法

利用热交换器,在坩埚底部中心处加入籽晶,再装入Al2O3原料,坩埚放在热交换器的顶端,将晶体炉密封并抽真空。用石墨加热器加热到2050℃左右,使Al2O3熔融,同时在热交换器中不断通入氦气,带走籽晶附近一部分热量,以免籽晶完全熔融。当籽晶回熔到足够数量时,就加大氦气流量,使其带走更多籽晶热量,从而使籽晶持续生长成晶体。

1、蓝宝石晶体均匀性和完整性都比较好。

2、蓝宝石晶体开裂与位错等缺陷少,晶体强度,晶体生长速度也较快。

2、可根据客户要求,制备不同形状蓝宝石晶体例如长方形、正方形、柱状等。

 

1、消耗的氦气量大,如晶体生长速度过大,易形成过冷结构,导致晶体中出现气泡。

2、生产过程中,存在坩埚膨胀系数与蓝宝石晶体膨胀系数相差,坩埚边缘处易产生应力,导致生长的蓝宝石晶体外部易开裂。

美国Crystal Systems有限公司一直采用热交换法生产蓝宝石晶体。

泡生法

将籽晶用籽晶杆接触到熔融的高纯Al2O3熔体表面,当籽晶在熔体固液面上开始生长与籽晶结构相同的单晶时,籽晶杆以很慢速度向上提拉,提拉一段时间后形成晶颈等熔体与籽晶界面凝固速度稳定后,籽晶不再提升,也不再旋转,仅以控制冷却速率方式来使单晶从上向下逐步凝固,最后凝固成一个单晶锭,然后再进行退火和冷却。

在晶体生长过程中,晶体不需要提出坩埚外,精确控制冷却速度,减少热应力,避免坩埚污染,晶体生长速度也较快。

在晶体生长过程中存在晶体的移动和转动,可能对质量有影响。

20182月,内蒙古晶环电子材料有限公司采用泡生法成功制备全球最大450公斤级超大尺寸高品质蓝宝石晶体。

冷心放肩微量提拉法

工艺过程可分为引晶、放肩、等径、退火和冷却 4 个控制阶段。

1、该工艺能够实现蓝宝石保证高质量单晶生长。

2、能制备出大尺寸晶体,材料综合利用率可达泡生法的1.2 倍以上。

3、晶体内温差小,可减少热应力,选用水作为冷却介质降低成本,晶体可实现原位退火。

易受到温度波动的影响;不易生长c轴晶体

 

哈尔滨工大奥瑞德光电技术有限公司制备出300mm以上蓝宝石单晶

 

 

3 蓝宝石玻璃手机面板

目前,国内主流量产蓝宝石晶体重量在60-130公斤左右。2018年2月,内蒙古晶环电子材料有限公司采用泡生法成功制备全球最大450公斤级超大尺寸高品质蓝宝石晶体。经初步测算,相比150公斤级蓝宝石晶体,本次开发的450公斤蓝宝石晶体预计量产后的单位成本可下降40%左右。

蓝宝石应用于手机面板还存在一个问题就是其透光性能不如玻璃,在相同的光线环境下,蓝宝石屏幕看上去会更暗一些。屏幕分析机构DisplayMate,在入射角度0的情况下,康宁大猩猩玻璃的反射率为4.13%,而蓝宝石的反射率达到了7.58%,比前者高出83.7%。但透光性问题并非不能解决,目前,研究者主要通过增加背光源弥补了蓝宝石透光性不好的缺陷。

因此,随着大尺寸蓝宝石晶体制备在解决工艺、成本问题及其透光性能后,或许国内手机厂商下一款旗舰手机面板材料将有蓝宝石晶体来定义。

参考文献:

1、汤华娟,王承遇,手机面板用蓝宝石玻璃性质与制备,玻璃与搪瓷。

2、韩杰才,左洪波,孟松鹤等,泡生法制备大尺寸蓝宝石晶体,人工晶体学报。

作者:乐心


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