CN104071980A - 触控保护玻璃的组成 - Google Patents

Abstract

一种触控保护玻璃(cover glass)的组成，其组成成份的重量百分比分别为64%≤SiO₂≤69%、7%≤Al₂O₃≤11.5%、1.5%≤B₂O₃≤2.5%、4.5%≤MgO≤7.5%、0%<CaO≤2.5%、0%<ZnO≤2%、0%<ZrO₂≤0.2%、0%<TiO₂≤1%、14.5%≤Na₂O≤16.5%、1%≤K₂O≤4%、及0%<SnO₂≤0.4%，其中CaO及MgO的总含量，以在4.5%～10%为最佳，且Na₂O及K₂O的总含量，以在15.5%～20.5%为最佳，如此，即可将前述组成材料熔融形成触控保护玻璃，并浸泡于高温(KNO₃)溶液，以离子交换(Ion Exchange)的方式将触控保护玻璃的表层一定深度的钠离子(体积较小)替换为钾离子(体积较大)，使其表层产生挤压作用，进而形成高强度、耐磨损及刮伤(Scratch)的触控保护玻璃。

Description

触控保护玻璃的组成

技术领域

一种触控保护玻璃(cover glass)的组成，本发明尤其是指一种具有高强度、耐磨损及抗刮伤特性，且不含As₂O₃或Sb₂O₃等对环境有害的成份的触控保护玻璃的组成。

背景技术

在携带式电子设备(如手机、平板或笔记型电脑)的触控屏幕和液晶显示器上所使用的触控保护玻璃(cover glass)，均属铝硅酸玻璃，其经由离子交换处理过程以进行强化，此种玻璃组成中仅含极微量的碱金属氧化物成份，可利用浮式法或下拉法等成型法制成玻璃。

如中国台湾公告第I252844号专利案所揭的玻璃成份可知，其中含有对人体及环境有害的As₂O₃及Sb₂O₃，若以不同成分替代玻璃中的As₂O₃及Sb₂O₃，必定会改变玻璃原有的光学与物理特性，故必须对玻璃的组成成份及其重量百分比进行广泛的研发与变化，方能克服上述的问题。

在成型制程中，熔融态玻璃液温度降低时，极易引发玻璃产生结晶现象而失透(即因玻璃析出结晶而失去透明性)，而定义玻璃开始失透或产生结晶的最高温度，即玻璃液相温度(LT，Liquidus Temperature)，为避免产生失透现象，从而影响到玻璃的外观品质，玻璃的液相温度(LT)要求越低越好，因此，作业温度高于玻璃液相温度时，即使经长时间的热处理，也不致产生失透或结晶现象，反之则容易产生结晶失透的问题，导致玻璃表面或内部产生杂质，如此将改变玻璃内部的应力分布，降低了玻璃硬度及强度，导致产品良率下降，例如中国台湾公告第I305768号专利案所揭的玻璃，由于其液相温度大于1000℃，故其玻璃稳定性较差。

此外，成型制程中原料的熔解温度也要求越低越好，以降低能源消耗并提高炉体寿命。在中国台湾公开第200637800号专利案所揭示的玻璃中，其组成成份必须要达1600℃以上的高温才能进行熔解，因此会消耗能量较高，不利于降低生产成本。

综上，本发明所揭，即为如何设计出一种创新的触控保护玻璃的组成，能借助添加及改变组成分比例的方式来取代As₂O₃或Sb₂O₃等对环境有害的成份，进而生产出具有耐失透性的触控保护玻璃，以解决现有玻璃不符合环保标准的问题。

发明内容

鉴于上述，本发明的主要目的在于借助添加及改变组成分比例的方式来取代氧化铅、As₂O₃或Sb₂O₃等对环境有害的成份，进而生产出具有耐失透性的触控保护玻璃，以解决现有玻璃于熔解过程中产生有害气体排放，且玻璃成品含有害物质的问题。

为达上述的目的，本发明主要是借助添加及改变玻璃组成物中组成成分的重量百分比例的方式来强化结构，进而生产出具有耐失透性的触控保护玻璃，所述触控保护玻璃的组成成份的重量百分比分别为64%≤SiO₂≤69%、7%≤Al₂O₃≤11.5%、1.5%≤B₂O₃≤2.5%、4.5%≤MgO≤7.5%、0%<CaO≤2.5%、0%<ZnO≤2%、0%<ZrO₂≤0.2%、0%<TiO₂≤1%、14.5%≤Na₂O≤16.5%、1%≤K₂O≤4%及0%<SnO₂≤0.4%，其中CaO及MgO的总含量，以在4.5%～10%为最佳，且Na₂O及K₂O的总含量，以在15.5%～20.5%为最佳，如此，即可将前述组成材料熔融后，制成具有较佳耐失透性的触控保护玻璃，且可借助SiO₂在玻璃中形成网络结构，并借助Al₂O₃使玻璃生成坚韧的表面，进而增加玻璃耐热性与抗失透性，减少玻璃膨胀率，且借助B₂O₃、MgO及CaO降低玻璃的粘度及膨胀系数，同时借助ZnO增加玻璃的耐蚀性与熔融性，并借助ZrO₂增加玻璃的耐化学性、耐热性与熔融性，且借助TiO₂降低玻璃原料的熔解温度，同时借助Na₂O使玻璃易于成形，并借助K₂O可增加玻璃粘度，使玻璃硬而有光泽，且借助SnO₂取代氧化铅、As₂O₃或Sb₂O₃等成分，作为玻璃熔解时的澄清剂或除泡剂，如此，即能解决现有玻璃因含As₂O₃或Sb₂O₃等对环境有害的成份，以致于熔解过程中产生有害气体排放，且玻璃成品含有害物质的问题。

具体实施方式

本发明主要提供一种触控保护玻璃的组成，该触控保护玻璃是由下列材料(成份)，依一定的重量百分比，组合而成：

(1)重量百分比64%≤SiO₂≤69%；

(2)重量百分比7%≤Al₂O₃≤11.5%；

(3)重量百分比1.5%≤B₂O₃≤2.5%；

(4)重量百分比4.5%≤MgO≤7.5%；

(5)重量百分比0%<CaO≤2.5%；

(6)重量百分比0%<ZnO≤2%；

(7)重量百分比0%<ZrO₂≤0.2%；

(8)重量百分比0%<TiO₂≤1%；

(9)重量百分比14.5%≤Na₂O≤16.5%；

(10)重量百分比1%≤K₂O≤4%；

(11)重量百分比0%<SnO₂≤0.4%；及

(12)其中CaO及MgO的总重量百分比，在4.5%～10%为最佳，且Na₂O及K₂O的总重量百分比，在15.5%～20.5%为最佳。

在本发明中，由于各组成分的重量百分比，将依其物理特性，对玻璃的特性、结构及制作等方面，造成不同程度的影响，故各组成分在重量百分比上必须有所限制，以下详细说明触控保护玻璃各组成分的选择及其重量百分比限定于一定范围内的理由：

SiO₂是构成玻璃网络结构形成的主要成份，对提高化学耐久性、增加粘性及降低液相温度有很好的效果，其较佳的重量百分比含量为64%～69%，若SiO₂含量少于64%，所制作出的玻璃将容易失透，另一方面，若SiO₂含量多于69%，将导致玻璃的熔解温度太高，所制成的玻璃也容易失透。

Al₂O₃是用以提高玻璃结构的强度，使玻璃生成坚韧的表面，进而增加玻璃耐热性与抗失透性，减少玻璃膨胀率，对提高化学耐久性及增加粘性有很好的效果，其较佳的重量百分比含量为7%～11.5%，若Al₂O₃含量少于7%，玻璃将容易失透，也容易受到外界水气或化学试剂的侵蚀，另若Al₂O₃含量多于11.5%，也将导致玻璃的熔解温度太高，而不利于以一般熔解炉制造。

B₂O₃的作用作为助熔剂，主要用以降低熔制玻璃时玻璃的粘度，对玻璃的均质化、降低熔解温度有很好的效果，其较佳的重量百分比含量为1.5%～2.5%，若B₂O₃含量少于1.5%，其助熔剂效果即无法充分发挥，容易使玻璃产生失透，若B₂O₃含量多于2.5%，将大幅降低玻璃的应变点，不利于后续制程的应用。

MgO用以降低熔制玻璃时玻璃的粘度及膨胀系数，以减少其中的气泡或不纯物的含量，同时降低液相温度、增加耐失透性，为调整光学常数的有效成份，其较佳的重量百分比含量为4.5%～7.5%，但若MgO含量多于7.5%，玻璃将容易失透，化学耐久性也会变差。

CaO的作用促进玻璃的熔解，可降低玻璃液相温度并提升其耐失透性，其较佳的重量百分比含量为0%<CaO≤2.5%，若CaO含量为0%，将无法有效降低玻璃的粘度及液相温度，若CaO含量多于2.5%，玻璃的耐失透性及化学耐久性将会变差，且热膨胀系数会大幅提高，不利于后续制程的应用。

ZnO可增加玻璃的耐蚀性与熔解性，有改善化学耐久性的效果及降低液相温度的效果，其较佳的重量百分比含量为0%<ZnO≤2%，若ZnO含量为0%，上述效果会变得不明显，若ZnO含量多于2%，则玻璃耐失透性会变差。

ZrO₂可增加耐化学性、耐热性与熔融性，且有增加耐失透性及化学耐久性的效果，其较佳的重量百分比含量为0%<ZrO₂≤0.2%，若ZrO₂含量为0%，上述效果会变得不明显，若ZrO₂含量多于0.2%，则玻璃耐失透性会变差，不利于产品的应用；TiO₂可降低玻璃原料的熔解温度，其较佳的重量百分比含量是在0%<TiO₂≤1%之间。

本发明的组成形成的触控保护玻璃必须再浸泡于高温KNO₃溶液，以化学强化(chemical strengthening)的方式将触控保护玻璃表层的钠离子(体积较小)替换为钾离子(体积较大)，进而形成高强度、耐磨损及抗刮伤(Scratch)的触控保护玻璃，因此触控保护玻璃中必须含有一定量的钠离子，故在本发明的组成中添加Na₂O，借以提供足量的钠离子；另，Na₂O可降低玻璃熔解温度及液相温度，使玻璃易于成形，其较佳的重量百分比含量为14.5%～16.5%，若Na₂O含量多于16.5%，则玻璃耐失透性会恶化；K₂O可降低熔解温度及液相温度，其较佳的重量百分比含量为1%～4%，若K₂O含量多于4%，玻璃将容易失透。

SnO₂的作用主要在于取代As₂O₃或Sb₂O₃等成分，作为玻璃熔解时的澄清剂或除泡剂，其较佳的重量百分比含量为0%<SnO₂≤0.4%之间，若SnO₂含量为0%，上述效果会变得不明显，若SnO₂含量多于0.4%，不但玻璃耐失透性会变差，不利于产品的应用，且容易在玻璃降温的过程中，凝结于铂金系统(即由铂金材质所组成的熔融态玻璃液输送系统，用以使玻璃液能顺利地消除气泡及搅拌均匀)的上部低温处，并掉回玻璃液中，导致瑕疵产生，使良率降低。

承上，前述CaO及MgO等成份虽用以促进玻璃的熔解度，及调整玻璃的热膨胀系数，但CaO及MgO的总重量百分比含量，以在4.5%～10%为最佳，若CaO及MgO的总含量少于4.5%，玻璃的熔解温度将会太高，反之，若CaO及MgO的总含量多于10%，则玻璃将容易失透，且玻璃的热膨胀系数会太高；另，Na₂O及K₂O的总重量百分比含量，以在15.5%～20.5%为最佳，若Na₂O及K₂O的总含量少于15.5%，玻璃的熔解温度及液相温度将会太高，反之，若Na₂O及K₂O等成份的总含量多于20.5%，则玻璃耐失透性会恶化。

本发明实施时，是先将各组成物进行混合，再导入一玻璃熔解槽，待其熔解成玻璃液后，将其温度降低到成型所需的温度范围，再以下拉成型法，制成预定厚度的玻璃板。

以下谨就本发明前述的各组成物，以不同的重量百分比，加以混合，再依前述程序制作出不同的玻璃样品，并以所述各玻璃样品为例，列表说明其热膨胀系数、应变点、密度及玻璃液相温度等特性值间的差异：

表一（例1）为本发明的实施例，其是以如下方法制造；各组成成份取常用原料，依对应的重量百分比加以均匀混合，再以1650℃的温度，于熔炉中熔解，再于铂金加热系统内搅拌均匀，然后将呈熔融态的玻璃液以下拉成形法冷却成型为片状。此时，针对玻璃样品进行检测，可分别得到热膨胀系数、应变点、密度及玻璃液相温度等特性值，并表列在表一的对应栏位上。

本发明在检测各玻璃样品的各特性值时，主要是依下列方法进行：

(1)热膨胀系数(单位：10^-7/℃)的检测：以机械推杆式热膨胀仪，加热并量测玻璃样品的伸长量，温度范围自室温量到玻璃不再伸长，甚至因软化而收缩为止的温度。

(2)应变点(单位：℃)的检测：加热并量测玻璃样品的粘度与温度的关系，以特定粘度(10^14.5Poise)所对应的温度作为应变点。

(3)密度(单位：g/cm³)的检测：取约2克重不含气泡的块状玻璃，以玻璃样品在比重液中浮沉的情形量测其密度。

(4)玻璃液相温度(单位：℃)的检测：将小于850μm的玻璃屑放入铂金皿中，置于梯度炉24小时后，以显微镜测量玻璃的结晶情形，判定其液相温度而得。

表一

由表一所示例1的各检测数据可知，依本发明的组成分所制成的触控保护玻璃，具有不高于83.3的热膨胀系数(10^-7/℃)，且其应变点不低于565℃，密度不高于2.45g/cm³等特性值，与一般液晶显示器用的基板玻璃极为相近，故适于作为一般液晶显示器用玻璃基板的材料。

综上，本发明主要借助SiO₂在玻璃中形成网络结构，并借助Al₂O₃使玻璃生成坚韧的表面，进而增加玻璃耐热性与抗失透性，减少玻璃膨胀率，且借助B₂O₃、MgO及CaO降低玻璃的粘度及膨胀系数，同时借助ZnO增加玻璃的耐蚀性与熔融性，并借助ZrO₂增加玻璃的耐化学性、耐热性与熔融性，且借助TiO₂降低玻璃原料的熔解温度，同时借助Na₂O使玻璃易于成形，并借助K₂O可增加玻璃粘度，使玻璃硬而有光泽，且借助SnO₂取代氧化铅、As₂O₃或Sb₂O₃等成分，作为玻璃熔解时的澄清剂或除泡剂，据此，借助添加及改变组成分比例的方式来强化结构，本发明其据以实施后，确实可以达到提供一种具有耐失透性且不含As₂O₃或Sb₂O₃等有害成份的触控保护玻璃的目的，如此，即能将前述组成材料熔融后所形成的触控保护玻璃浸泡于高温KNO₃溶液，以化学强化(chemical strengthening)的方式将触控保护玻璃表层的钠离子(体积较小)替换为钾离子(体积较大)，进而形成高强度、耐磨损及抗刮伤(Scratch)的触控保护玻璃。

以上所述的内容，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明实施的范围，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神与范围下所作的均等变化与修饰，皆应涵盖于本发明的专利范围内。

Claims (3)

1.一种触控保护玻璃的组成，其特征在于，其各组成的成份及各该成份的重量百分比包括：

64%≤SiO₂≤69%；

7%≤Al₂O₃≤11.5%；

1.5%≤B₂O₃≤2.5%；

4.5%≤MgO≤7.5%；

0%＜CaO≤2.5%；

0%＜ZnO≤2%；

0%＜ZrO₂≤0.2%；

0%＜TiO₂≤1%；

14.5%≤Na₂O≤16.5%；

1%≤K₂O≤4%；以及

0%＜SnO₂≤0.4%。

2.如权利要求1所述的触控保护玻璃的组成，其特征在于，CaO及MgO的总重量百分比为4.5%～10%。

3.如权利要求1所述的触控保护玻璃的组成，其特征在于，Na₂O及K₂O的总重量百分比为15.5%～20.5%。