JP2010506168A - 脆性材料のシートを耐久試験する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

ガラス又はガラスセラミックに基づいた材料等の脆性材料のシートを耐久試験する方法が開示される。当該方法は、少なくとも１つの円筒形部材に沿ってガラスシートを曲げて、予め決められた値より大きな強度を有するシートを検出するステップを含む。上記方法は、シートに湾曲部を形成するステップと、湾曲部がシートを横切るようにシートと湾曲部との間に相対動作を生成するステップとを含み、湾曲部によりシートの表面に誘発される引張応力は予め決められた値に対応する。耐久試験を行うための装置も開示される。

Description

本発明は脆性材料を耐久試験する方法及び装置に関し、特に、ガラス又はガラスセラミックシートを耐久試験する方法及び装置に関する。

少し例を挙げると、プラズマ、液晶、又は有機発光ダイオードディスプレイ素子を使用するディスプレイデバイスは、市販製品においてブラウン管（ＣＲＴ）ディスプレイよりも短期間で普及し、多数のアプリケーション（携帯電話からテレビまで）において使用されていることを見つけることができる。しかしながら、非常に薄いフレキシブルディスプレイ（薄く可撓性のあるディスプレイ）の採用はまだ初期段階である。これは、少なからず上記ディスプレイになされるとてつもない構造的な要求の故である。つまり、当該構造的な要求は、上記ディスプレイ又はディスプレイが設けられる基板を傷つけることなく上記ディスプレイが繰り返し撓まされるか曲げられることに耐えることができなければならないことと、ポータブルデバイスにフレキシブルディスプレイを使用しようとしている故に、上記デバイスが、当該デバイス又は基板を過度に傷つけることなく手荒に扱われることに耐えることが求められることと、上記デバイスが２ｃｍ未満、幾つかの場合では１ｃｍ未満である場合もある曲げ半径に耐えることができるべきであることである。

フレキシブルディスプレイにおいて使用されようとしている１つの材料はガラスである。通常、ガラスは化学的耐性が有って透明であり、気密バリヤ又はシールを形成することができ、非常に薄いシート状に形成されてもよい。１ｍｍ未満及び０．７ｍｍよりさらに薄い厚さを有して１０ｍ^２を越えるシートが製造されてごく普通に使用されており、ガラスシートは間もなく少なくとも約１００ｍ^２の寸法に届くと予想されている。典型的なディスプレイ製造プロセスにおいて、複数のディスプレイは１つ以上の大きなガラスシート又は基板を用いて形成される。その後、当該ディスプレイは、通常では、切れ目を入れて割ることにより個々のディスプレイユニットに分けられる。よって、非常に大きなガラスシートはできるだけ多くのディスプレイユニットを製造することにより効率的に使用される。

ガラス（この場合では、ガラスシート）を切断することは、通常、ガラスシートのエッジにヒビ（例えば、クラック）を形成してしまう。ガラスが曲げられて、ヒビが引張応力を受けるならば、これらのヒビは、破壊源となるかもしれないので、シートの強度を低減する。通常では、典型的なディスプレイデバイスは大きく曲げられないので、これらのヒビの存在はあまり考慮されない。

フレキシブルディスプレイは、当該フレキシブルディスプレイはその可撓性の故に、製造プロセス又は使用の間にディスプレイ基板に大きな応力を生成する場合がある。よって、ガラスに存在するかもしれないヒビは、当該ガラスが壊れるのに十分大きな応力を受けるかもしれない。典型的なディスプレイデバイスの製造では、ガラスを切断して、個々のディスプレイを形成することが含まれ、切断により、切断エッジに沿ってガラスに複数のヒビが生成されることが知られており、これはガラス基板に基づいたフレキシブルディスプレイデバイスの運命・将来にとって悪いことを示す。

ガラスシートのエッジにおけるヒビを減ずる試みは、レーザ切断加工、グライディング加工、及びポリッシュ加工等を含み、これらの試みの全ては、ガラスシートが所定の大きさに切断されるときに生成されるヒビを除去するか最小にする。しかしながら、これらの解決手段の多くは、フレキシブルディスプレイアプリケーションにとって十分ではない。なぜなら、これら技術・手段が、予想される応力に必要とされる大きさまでヒビを除去することができないからであるか、これら技術・手段が、上記した薄いガラスシート（０．４ｍｍ未満の厚さ）に適用することが困難であるからである。ガラスエッジの酸性エッチングが使用されてもよいが、基板に設けられるディスプレイデバイスを劣化させるかもしれない。このように、使用される切断方法に関係なく、ヒビがガラスシート（特にシートのエッジ）に形成される。

本発明のある実施形態において、脆性材料のシートを耐久試験する方法が開示されている。当該方法は、シートに湾曲部を形成するステップと、湾曲部がシートを横切るようにシートと湾曲部との間に相対動作を生成するステップとを含んでいる。湾曲部によりシートの表面に誘発される引張応力は予め決められた強度値に対応し、予め決められた強度値よりも大きな強度を有するシートが検出される。

別の実施形態において、ガラスシートを耐久試験する方法が説明される。当該方法は、少なくとも１つのローラ（の曲面）に沿ってガラスシートを曲げ、シートを曲げて予め決められた強度値に対応するシートの表面に引張応力を生成するステップと、シートの連続する部分が引張応力を受けて予め決められた強度値よりも大きな強度を有するシートが検出されるようにシートと少なくとも１つのローラとの間に相対動作を生成するステップとを含んでいる。

さらに別の実施形態において、脆性材料のシートを耐久試験する装置が開示される。当該装置は、シートと接触し且つ脆性材料のシートに湾曲部を生じさせる少なくとも１つの円筒形部材を含んでいる。少なくとも１つの円筒形部材の曲率半径は、曲げることによりシートの表面に引き起こされる引張応力が予め決められた強度値に対応し、予め決められた値より大きな強度を有するシートが検出されるように選択される。

上記した概略的な説明及び以下の詳しい説明は本発明の単なる例であり、特許請求の範囲に記載したような本発明の性質及び特徴・構成を理解するための概要又は基本的な技術思想を提供することを目的としている。

添付図面は、本発明の更なる理解を提供するために含まれており、本明細書に含まれて本明細書の一部を構成している。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、様々な要素の大きさは、明確にするために変えられている場合がある。図面は本発明の１つ以上の実施形態を示し、本明細書と共に本発明の原理及び動作を説明するのに役立つ。

３つの厚さのガラスシートを曲げる円筒形部材（例えば、ローラ）の曲率半径（ｃｍ）の関数として引張「耐久試験」応力（ＭＰａ）を示す図である。 １つのローラ又はブッシュを使用する本発明の実施形態による脆性材料のシートを耐久試験する装置の側面図である。 １つの円形でない湾曲部材を使用する本発明の実施形態による脆性材料のシートを耐久試験する装置の側面図である。 本発明による耐久試験されるガラスシートに加えられ得る「安全な」応力を耐久試験において使用される曲げ半径の関数として示す図である。 脆性材料のシートを異なる方向に曲げる２つの円筒形部材を使用する本発明の別の実施形態の図である。 脆性材料のシートを異なる方向に曲げ且つ挿入面にシートを戻す３つの円筒形部材を使用する本発明の別の実施形態の図である。 シートの一方の面において脆性材料のシートのエッジにのみ接触し且つ他方の面において幅全体に亘ってシートに接触する円筒形部材を使用する本発明の別の実施形態の図である。 脆性材料のシートのエッジにのみ接触する円筒形部材を使用する本発明の別の実施形態の図である。

ガラスの強度は、当該ガラスにおけるヒビの存在により決められる。引張応力がヒビを有するガラスに加えられるならば、当該応力はヒビに集中するようになる。ヒビは、例えばミクロなクラックである場合もあり、この場合、応力はクラックの先端に集中する。応力がある大きさを越えるならば、元々のヒビ（クラック）は大きくなるかもしれない。大きな（十分な）応力が加えられるならば、クラックが大きくなることは実際には瞬間的なものである場合もあり、ガラスの壊滅的な破損に至る。つまり、当該ガラスは壊れる。

最も弱い鎖の輪の強度に基づく鎖の強度と同じ様に、ガラスの強度は最も大きいヒビの強度、従って最も弱い強度として特徴付けられてもよい。例えば、１０ｋｐｓｉ（約６８．９５ＭＰａ）の引張応力がガラスファイバに加えられ、当該ファイバが安定を維持するならば、当該ファイバは、少なくとも１０ｋｐｓｉ（約６８．９５ＭＰａ）の強度を有すると言える。つまり、ガラスファイバに存在するかもしれない全てのヒビは、１０ｋｐｓｉ（約６８．９５ＭＰａ）の引張応力が破損を引き起こすヒビよりも小さい。このように、ガラスにおけるヒビの「大きさ」は、当該ヒビに起因する壊滅的な破損を引き起こすのに必要とされる最小の引張応力を示すことによりしばしば表される。よって、壊れることなく１０ｋｐｓｉ（約６８．９５ＭＰａ）の応力を加えられるガラスファイバは１０ｋｐｓｉ（約６８．９５ＭＰａ）より「大きな」ヒビを有していないと言うことができる。少し誤った呼び方ではあるが、応力でヒビの大きさを特徴付けることはガラス強度の分野において一般的である。

上記した内容からわかるように、ガラスの強度は、ガラスがどのように使用されてきたか（history）の結果である。つまり、新しく形成されたガラスは本質的に非常に強固である。引き延ばされただけのガラスシートは新しく形成されたガラスファイバの強度（典型的には７００ＭＰａを越える強度）に近づくことができる（近づく）。しかしながら、後の処理又は環境要因への露出は、ヒビを生成するか、存在するヒビを大きくすることがあり、従ってガラスを弱くしてしまう。この理由のために、新しく伸ばされた光ファイバは、例えば、ポリマ被覆材によりすぐに被覆され、ガラスの表面を保護して、強度の減少を防止するか少なくとも最小にする。

ガラスシートは、一般的には所定の大きさに切断される。例えば、フュージョンガラスシート形成処理において、融解ガラスはくさび状の形成体の両側における傾斜を付けられた形成面に流される。ガラスの２つの別個の流れは、傾斜を付けられた形成面同士が接する形成体の底部すなわち谷底部（root）に集まり、傷のない表面を有するガラスリボン（平板状のガラス）を形成する。その後、当該リボンは、典型的には、機械的に切れ目を入れることにより予め決められた長さのシートに切断される。後に、当該シートのサイドエッジは同様の機械的に切れ目を入れるプロセスにより除去される。よって、上記シートのエッジは、当該エッジを損傷させるかもしれない力を受ける。この損傷は、例えばシートエッジのチッピング又はクラックを含む場合もあり、強度が低減される結果となる。本発明は、ガラスシートを試験し、当該シート、特には当該シートのエッジにおける最小の大きさを超えるヒビの存在を検出することによりこの問題を解決する。

上述したように、脆性材料（例えば、ガラス）は所定の張力で壊れる。ガラスに張力を生成する１つの方法は当該ガラスを曲げることである。所定の曲げ半径については（曲げ半径が与えられると）、誘発される応力は、以下の式により求められる。当該式は、

式１

である。ここで、ｔはシートの厚さであり、Ｒは曲げ半径であり、Ｅ_０は、材料のゼロ応力のヤング率であり、αは幾つかの脆性材料が受ける張力に対するヤング率の線形依存性のパラメータである。図１は、Ｅ_０が約７０．９ＧＰａの場合のコーニングコード１７３７ガラスのシートについて計算された耐力（応力）を示している。パラメータαは純粋な二酸化ケイ素（シリカ）についてのαを選択した。なぜなら、αはコード１７３７ガラスについて知られていないからである。しかしながら、実際には、αは１％歪み（１００ｋｐｓｉ（約６８９．５ＭＰａ））で３％の影響しか有していないので、不適切な誤り引き起こさずに簡素化のために省略されてもよい。上記シートの厚さは、２００μｍ（曲線１０）、４００μｍ（曲線１２）、及び７００μｍ（曲線１４）であった。

本発明のある実施形態によれば、脆性材料のシートを耐久試験する方法が説明される。脆性材料のシートは、ガラス又はガラスセラミックを最も一般的には含んでいるが、フレキシブルな（可撓性のある）シート状に形成され得る別の脆性材料を含んでいてもよい。図２を参照すると、最も簡単な実施形態では、本発明は曲率半径Ｒを有する円筒形部材１８に沿って脆性材料のシート１６を曲げることにより説明され得る。当該円筒形部材１８は、シートに湾曲部を形成する。円筒形部材１８は、図２に示すように、回転可能に取り付けられたローラであってもよいが、固定されたブッシュ（例えば、回転しない）であってもよく、又は図３に示すように、単純には低い摩擦係数を有する材料（例えば、デュポンテフロン（登録商標）（ＤｕＰｏｎｔ Ｔｅｆｌｏｎ）等のフルオロポリマ樹脂）から形成された曲面を有する形状であってもよい。シート１６は、シート１６の予め決められた長さが、与えられた曲げ半径に連続的にさらされるように円筒形部材１８に沿って（接触して）動かされる。予め決められた長さは、シートの全長であってもよく、又は全長より短い長さであってもよい。あるいは、円筒形部材がシート１６に沿って（接触して）動かされてもよく、円筒形部材は固定されていてもよい。

円筒形部材の曲率半径Ｒは、当該円筒形部材が、上記した式１により所望の応力をシートに与えるように選択される。つまり、所望の応力レベル、よって所望の最小強度は、円筒形部材の曲率半径により決定されてもよく、当該円筒形部材（の曲面）に沿ってシートは曲げられる。図４は、一時的な曲げ状態の間（曲線２０）、長時間の曲げ状態の間（数時間の曲げ状態、曲線２２）、数年に及ぶ曲げ状態の間（５年以上、曲線２４）等の後の使用のための「安全な」曲げ半径を提供するためにシートの耐久試験の間に必要な曲率半径を示している。例えば、図４を見ると、シートが１００ｃｍの曲げ半径を持続して有するならば、５０ｃｍの耐久試験曲げ半径（円筒形部材の曲率半径）が５年以上の耐用年数を確実にするために必要とされる。このような状態・状況は、シートが長期間の間の収容のために巻かれる場合に引き起こされるかもしれない。

上記内容からわかるように、１つの円筒形部材を使用することは、シートについての向きを変えることを必ず必要とする（円筒形部材に沿ってシートが動くことを仮定している）。おそらくより重要なことは、図２及び図３の実施形態では、引張応力がシート１６の１つの面にしか加えられないとういうことである。つまり、１つの方向にしか曲げないことは、円筒形部材が存在する側と反対側の面を所定の張力の状態にし、一方、円筒形部材と接触する面は圧縮状態にする。第１の面と同じ引張応力をシート１６の反対の面に加えるために、シートをひっくり返して、再び円筒形部材に沿ってシートの所定の長さを進める（曲げる）ことが必要となる。

本発明のより効率の良い実施形態が図５に示されており、図５においては、２つの円筒形部材がシート１６と接触している。２つの円筒形部材１８ａ及び１８ｂのそれぞれは、他方の円筒形部材とは異なる面においてシート１６と接触している。つまり、複数の円筒形部材はシートの表面及び裏面に交互に接触する。シート１６は、曲率半径Ｒ_１を有する第１円筒形部材１８ａに沿って第１方向（例えば、時計回りの方向）に曲げられ、その後、第２の曲率半径Ｒ_２を有する第２円筒形部材１８ｂに沿って第１方向とは異なる第２方向（例えば反時計回りの方向）に曲げられる。よって、シート１６の第１の面２６が引張応力を受け、その後第２の面２８が引張応力を受ける。よって、シートの両面に引張応力を加えるために円筒形部材同士の間を通るシート１６の経路は１つしか要求されない。シートエッジが耐久試験の後の機械的な損傷から保護されることを確実にするために、エッジは保護コーティング剤によりコーティングされてもよい。例えば、エッジは、ポリマコーティング層によりコーティングされてもよい。幾つかの実施形態では、シートの一方の面又は両方の面がコーティングされてもよい。

更なるローラが使用されてもよいことは容易に理解される。例えば、シートが円筒形部材に挿入されるのと同じ面２９において円筒形部材同士の間からシートを取り出すことが望まれるならば、曲率半径Ｒ_３を有する第３円筒形部材１８ｃが図６のように加えられてもよい。このような条件は、例えば物理的な空間を考慮することにより強要されるかもしれない。Ｒ_１、Ｒ_２、及びＲ_３が等しい（同一である）と好ましいが、望まれるならば異なっていてもよい。

上記した実施形態では、シートの幅全体に及ぶ円筒形部材が使用された。幾つかの実施形態では、幅全体と接触することが望まれない場合もある。例えば、フラットパネルディスプレイの製造において使用されるガラスシートは厳密な表面品質要求を満たさなければならない。シートの使用可能な領域すなわち「品質」領域と接触することは、当該シートを使用できないようにする表面欠損を与えるかもしれない。通常、品質領域は、処理の間に接触される全ての領域の内側の領域として画定される。よって、円筒形部材は、シートの周縁領域だけがシートの少なくとも一方の面において円筒形部材により接触されるようにシートのエッジに隣接して設けられる。このような構成・配置は図７に示されており、図７では、ガラスシート１６はエッジローラ３０と幅全体に及ぶローラ３２との間を進むように示されている。シート１６は図面における方向を示す矢印により示される方向に動く。この配置・構成はシートの少なくとも一方の面における表面品質を確保する。シートの両面との接触が最小化されるべきであるならば、エッジローラが、両面においてシートの品質領域に接触することなく、シートの両面の周辺部においてシートに接触するために使用されてもよい。図８は、図７に示した状況・状態と類似しているが、シートの両面における中央品質領域３２と接触することなくシート１６の両面のエッジと接触するエッジローラ３０を示している。

ヒビが、シートを曲げることにより加えられる引張応力よりも小さな強度を有する場合、シートは破損する場合もある。幾つかの実施形態では、特に、ガラスがコーティングされていないならば、破損することは明白である場合もあり、つまりシートは壊れて２つ以上の別個の破片になる。別の実施形態では、シートは、シートの一方の面又は両面をポリマフィルム等によりコーティングされてもよい。この場合、破損することは、特には自動製造プロセスにおいて直ちに検出されないかもしれない。よって、音声検出方法・手段が破損を検出するために用いられるのがよい。例えば、シート１６は搬送ラインにおいて曲げ誘発ローラ３２同士の間に送られ、この場合には、音声センサ３４がシートの表面近くに設けられる。シートの破壊は音を生成し、当該音は音声センサにより検出される。音声センサは制御ライン３６により制御デバイス３８（例えば、コンピュータ３８）に電気的に接続され、当該制御デバイス３８は、例えば、ローラ同士の間のシートの動きを停止させることができる。別の制御機能が含まれていてもよく、例えば、当該別の制御機能は音声及び／又は視覚アラームを起動することである。

ここで説明した様々なローラは固定フレームに取り付けられてもよく、シートの連続した部分が強度試験されるように、当該固定フレームにおいて脆性材料のシートがローラに相対的に動くことは本発明の開示内容の利点を考慮すると当業者にとって明らかである。あるいは、小さなローラが、ポータブルハンドヘルド（手で持つことができる）強度試験器を形成するためにハンドヘルドフレーム（手で持つことができるフレーム）に取り付けられてもよい。よって試験されるべき脆性材料のシートのエッジは、ハンドヘルド強度試験器のローラ同士の間に置かれ、試験器を保持しているオペレータはシートに対して試験器を動かし、予め決められた強度値に対するシートの一方のエッジの強度を一回で試験する。

本発明は特定の実施形態と共に説明されたが、多くの変形、変更、及び修正が、上記した内容から当業者には明確である。よって、本発明は、請求の範囲の精神及び範囲内であるこのような変更、変形、及び修正の全てを含む。

Claims (20)

1. 脆性材料のシートを耐久試験する方法であって、
   前記シートに湾曲部を形成するステップと、
   前記湾曲部が前記シートを横切るように前記シートと前記湾曲部との間に相対動作を生成するステップと、
   を含み、前記湾曲部により前記シートの表面に誘発される引張応力は、予め決められた強度値に対応し、当該予め決められた強度値よりも大きな強度を有するシートを検出することを特徴とする方法。
2. 前記湾曲部を形成するステップは、円筒形部材に沿って前記シートを曲げるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 複数の円筒形部材に沿って前記シートを曲げ、複数の湾曲部を形成するステップをさらに含み、前記複数の円筒形部材は前記シートの表面及び裏面に交互に接触することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記円筒形部材はローラであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記複数の円筒形部材は複数のローラを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記円筒形部材は前記シートの中央部に接触しないことを特徴とする請求項２に記載の方法。
7. 前記円筒形部材は前記シートの幅全体に亘って延在することを特徴とする請求項２に記載の方法。
8. 脆性材料の前記シートはガラス又はガラスセラミックを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記シートの破壊は音声センサにより検出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記円筒形部材の曲率半径は約２０ｃｍより小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記シートはポリマ層によりコーティングされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. ガラスシートを耐久試験する方法であって、
    少なくとも１つのローラに沿って前記ガラスシートを曲げ、前記シートを曲げて予め決められた強度値に対応する引張応力を前記シートの表面に生成するステップと、
    前記シートの連続した部分が前記引張応力を受けて、前記予め決められた強度値よりも大きな強度を有するシートを検出するように前記シートと少なくとも１つのローラとの間に相対動作を生成するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
13. 前記ガラスシートは、約０．４ｍｍ未満の厚さを有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記引張応力は少なくとも約５０ＭＰａであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記少なくとも１つのローラは、前記ガラスシートの表面及び裏面に交互に接触する複数のローラを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 脆性材料のシートを耐久試験する装置であって、
    前記シートに接触し且つ脆性材料の前記シートに湾曲部を形成する少なくとも１つの円筒形部材を含み、前記少なくとも１つの円筒形部材の曲率半径は、前記湾曲部により誘発される前記シートの表面における引張応力が予め決められた強度値に対応し、前記予め決められた値より大きな強度を有するシートを検出するように選択されることを特徴とする装置。
17. 前記円筒形部材はローラであることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記少なくとも１つの円筒形部材は複数の円筒形部材を含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
19. 前記複数の円筒形部材は複数のローラであることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記複数の円筒形部材は前記シートの中央部に接触しないことを特徴とする請求項１８に記載の装置。

Images