JP2010528421A - 機械的可撓性および耐久性基板と製造方法 - Google Patents

機械的可撓性および耐久性基板と製造方法 Download PDF

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Abstract

非晶質無機組成物を含む可撓性基板が開示され、基板が約２５０μｍ未満の厚さと、ａ）約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、およびｂ）少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性の内の少なくとも一方とを有する。かかる可撓性デバイスを含む電子デバイスもまた開示される。約２５０μｍ未満の厚さと、ａ）約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、およびｂ）少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性の内の少なくとも一方とを有する基板を形成し得る非晶質無機材料を選択する工程と、次に、選択された無機材料から基板を形成する工程とを含む、可撓性基板を製造するための方法もまた開示される。

Description

本発明は、可撓性基板および可撓性基板の製造において用いられる方法に関する。
可撓性基板を電子デバイス、例えば、発光ディスプレイなどの様々な用途において使用することができる。このような用途において、製造、取扱、およびデバイスの破損またはデバイスの寿命の低下を引き起こし得る作業の間、可撓性基板に引張、圧縮、および剪断応力がかかることがある。機械的要求条件と、従って、適切な基板材料の選択および／または製造とは、対象とする用途に応じて変えることができる。基板材料の評価の際に典型的に考えられるいくつかの因子には、機械的耐久性、処理適合性、重量、曲げ半径、熱的能力、表面の粗さ、透明性、電気的性質、およびコストなどがある。
様々な材料が可撓性基板およびデバイスの製造において使用されている。例えばステンレス鋼などの金属基板は典型的に、例えば表面の粗さ、非透明性、および導電率などの性質を示し、それらは少なくともいくつかの発光ディスプレイデバイスと不適合である。同様に、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、およびポリイミドなどの熱可塑性基板は、少なくともいくつかの発光ディスプレイデバイスと不適合である酸素および水バリヤー性、熱膨張率、熱機械的安定度、熱的制限条件、および化学的耐久性の性質を示すことがある。無機薄膜コーティングを使用して熱可塑性基板のバリヤー性を変えることができるが、これらの薄膜は典型的に脆く、クラッキングの傾向があり、従って透過性および／またはデバイスの破損を起こす。
ガラス材料から構成された基板は、利用可能な材料、および例えば厚さなどの外因的性質に基づいて従来より選択されている。一般的に選択されたガラス材料は、デバイスの製造プロセスおよび／または最終用途においての使用に耐えるために十分でない脆性および／または不十分な機械的耐久性の結果として、不十分な機械的安定度を示すことがある。
電子デバイスのサイズおよび耐久性の要求条件は絶えず大きくなっている。従って、寸法安定性、熱膨張率、靭性、透明性、熱的能力、バリヤーおよび気密性質の他、電子デバイスの使用に関連した可撓性基板の他の性質に対処する必要がある。これらの必要性および他の必要性が本発明の組成物および方法によって満たされる。
本発明は可撓性基板に関し、具体的には、例えば、発光ディスプレイなどの電子デバイスにおいて使用され得る非晶質無機組成物を含む機械耐久性可撓性基板に関する。本発明は、新規な組成物、選択基準、および／または製造方法の使用によって上に記載された問題の少なくとも一部に対処する。
第１の態様において、本発明は非晶質無機組成物を含む基板を提供し、基板が約２５０μｍ未満の厚さと、ａ）約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、およびｂ）少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性の内の少なくとも一方とを有する。
第２の態様において、本発明は、非晶質無機組成物を含む可撓性基板を含む電子デバイスを提供し、基板が約２５０μｍ未満の厚さと、ａ）約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、およびｂ）少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性の内の少なくとも一方とを有する。
第３の態様において、本発明は、ａ）約２５０μｍ未満の厚さと、ｉ）約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、およびｉｉ）少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性の内の少なくとも一方とを有する基板を形成し得る非晶質無機材料を選択する工程と、ｂ）ａ）において選択された無機材料から基板を形成する工程とを含む、可撓性基板を製造するための方法を提供する。
第４の態様において、本発明は、本明細書に記載された方法によって製造された可撓性基板を提供する。
本発明のさらに別の態様および利点は、一部は、以下の詳細な説明、図面、およびいずれかの特許請求の範囲において示され、一部は、詳細な説明から導かれるか、または本発明の実施によって知ることができる。以下に記載された利点は、添付された特許請求の範囲に特に記載された要素および組合せによって実現および達成されよう。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は例示および説明に役立てるためのものであるにすぎず、開示された本発明を制限するものではないことは理解されるはずである。
添付した図面は、本願明細書に組み込まれ、その一部を構成し、本発明の特定の態様を説明し、説明とともに、制限することなく本発明の原理を説明するのに役立つ。同様の数字は、図面の全体にわたり同じ要素を示す。
本発明の様々な態様によって、破壊靭性の関数として様々な材料の加傷強度を示す。 本発明の様々な態様によって、脆性率の関数として様々な材料の加傷強度を示す。
本発明は、以下の詳細な説明、図面、実施例、および特許請求の範囲、およびそれらの上述のおよび以下の説明を参照することによってより容易に理解することができる。しかしながら、本発明の組成物、物品、デバイス、および方法が開示および説明される前に、本発明は、特に記載しない限り開示された特定の組成物、物品、デバイス、および方法に制限されず、それ故にもちろん変えることができることは理解されるはずである。また、本明細書に用いられた用語は特定の態様を説明するためにすぎず、制限的であることを意図しないことは理解されるはずである。
本発明の以下の説明は、その現在公知の態様において本発明の教示を可能にするものとして提供される。これにより、当業者は、本発明の有益な結果を得ながら、本明細書に記載された本発明の様々な態様に多くの変更を加えることができることを認識および理解するだろう。また、本発明の特徴のいくつかを選択することによって他の特徴を利用せずに本発明の所望の利点のいくつかを得ることができることも明らかであろう。したがって、当業者は、本発明に対する多くの改良および適応が可能であり、特定の状況において望ましい場合もあり本発明の一部であることを認識するだろう。従って、以下の説明は本発明の原理の実例として提供され、その制限ではない。
開示された方法および組成物のために使用することができ、それらと併用することができ、それらの調製に使用することができ、またはそれらの産物である材料、化合物、組成物、および成分が開示される。これらのおよび他の材料が本明細書に開示され、そして、これらの材料の組合せ、サブセット、相互作用、グループ等が開示されるとき、各々の様々な単位体およびこれらの化合物の集合的な組合せおよび順列の特定の基準が明示的に開示されない場合があるが、各々が本明細書において具体的に考察および説明されることは理解される。従って、成分Ａ、ＢおよびＣのクラスが開示され、ならびに成分Ｄ、ＥおよびＦのクラスならびに組み合わせた態様Ａ−Ｄの例が開示される場合、各々は個々および集合的に企図される。従って、この例において、Ａ、ＢおよびＣ；Ｄ、ＥおよびＦ；ならびに組み合わせＡ−Ｄの例の開示から、組み合わせＡ−Ｅ、Ａ−Ｆ、Ｂ−Ｄ、Ｂ−Ｅ、Ｂ−Ｆ、Ｃ−Ｄ、Ｃ−ＥおよびＣ−Ｆの各々が具体的に企図され、開示されるとみなされるべきである。同様に、これらの任意のサブセットまたは組み合わせもまた、具体的に企図および開示される。従って、例えば、Ａ、ＢおよびＣ；Ｄ、ＥおよびＦ；ならびに組み合わせＡ−Ｄの例の開示から、Ａ−Ｅ、Ｂ−ＦおよびＣ−Ｅのサブグループが、具体的に企図され、開示されるとみなされるべきである。この考え方は、組成物のいずれかの成分、ならびに開示される組成物を製造および使用する方法の工程を含めるがそれらに限定されない、この開示の全ての態様に適用する。従って、実施され得る種々のさらなる工程が存在する場合、それらのさらなる工程の各々が、開示される方法の任意の特定の態様または態様の組み合わせで実施され得ること、および各々のそのような組み合わせが具体的に企図され、開示されるとみなされるべきであることは、理解される。
本明細書においておよび以下の特許請求の範囲において、以下の意味を有すると定義されるものとする多数の用語への言及がなされる。
本明細書において用いられるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈がはっきりと他に指示しない限り、複数の対象を含める。従って、例えば、単数形の「成分」への言及は、文脈がはっきりと他に指示しない限り、２つ以上のこのような成分を有する態様を含める。
「任意の」または「場合により」とは、続いて記載される事象または状況が、起こっても、または起こらなくてもよいことを意味し、そしてその説明は、その事象または状況が起こる場合、およびそれが起こらない場合を含めることを意味する。例えば、語句「任意の成分」は、成分が存在しても、または存在しなくてもよいことを意味し、その説明は、成分を含めるおよび除外する本発明の両方の態様を含めることを意味する。
範囲は、「約」１つの特定の値から、および／または「約」別の特定の値までとして本明細書中で表され得る。そのような範囲が表される場合、別の態様は、１つの特定の値から、および／または他の特定の値までを含める。同様に、前例の「約」の使用によって、値が近似として表される場合、特定の値が別の態様を形成すると理解される。さらに、各々の範囲の終点は、もう一方の終点に関連して有意であること、およびもう一方の終点とは無関係に有意であると理解される。
以下の文書は、様々な組成物および組成物の物理的性質を試験するための方法について記載し、それらは、それらの全体において参照によって、および材料と、硬度、破壊靭性、および脆性率に関する試験手順とを開示する特定の目的のために本明細書に援用される。Ａｎｓｔｉｓ，Ｇ．Ｒ．ら著、“Ａ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ：Ｉ，Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｒａｃｋ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”、Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．６４（９）５３３〜５３８ページ（１９８１年）、Ｌａｗｎ，Ｂ．Ｒ．ら著、“Ｈａｒｄｎｅｓｓ，Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ，ａｎｄ Ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ：Ａｎ Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ”，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．６２（７−８）３４７〜３５０ページ（１９７９年）、Ｓｅｈｇａｌ，Ｊｅｅｔｅｎｄｒａら著、“Ａ Ｎｅｗ Ｌｏｗ−Ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ Ｇｌａｓｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｏｄａ−Ｌｉｍｅ−Ｓｉｌｉｃａ Ｇｌａｓｓ Ｆａｍｉｌｙ”，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．８１（９）２４８５〜２４８８ページ（１９９８年）、Ｓｅｈｇａｌ，Ｊｅｅｔｅｎｄｒａら著、“Ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ ｏｆ ｇｌａｓｓ”，Ｊ．Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ ２５３（１９９９年）１２６〜１３２ページ、およびＯｌｉｖｅｒ，Ｗ．Ｃ．ら著、“Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ｕｓｉｎｇ ｌｏａｄ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ”，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．７（６）１５６４〜１５８３ページ（１９９２年）。
簡単に上に記載したように、本発明は、可撓性基板のための組成物を提供し、具体的には、非晶質無機組成物を含みかつ電子デバイス、例えば、ＬＣＤ、ＯＬＥＤ、電気泳動、およびコレステリック液晶型ディスプレイデバイスなどの発光ディスプレイ、ならびにシリコンおよび有機半導体デバイス、例えば光電池、ＲＦＩＤ、ソーラーセル、およびセンサー技術デバイスにおいて使用され得る機械耐久性可撓性基板のための組成物を提供する。本発明は、一つには、このような電子デバイスに用いるために適し得る基板材料を選択するための基準を提供する。本明細書に記載された選択基準および性質は個々に、または適した基板を提供することができるいずれかの組合せにおいて利用され得る。
可撓性発光ディスプレイデバイスなどの電子用途は、例えば、製造中および／または使用中に曲げられ得るかまたは引張応力に耐え得る基板を必要とすることがある。基板の破損は典型的に、基板の傷のサイズおよび濃度、基板上にかかる応力の大きさ、および破壊に耐える基板材料の能力に依存する。基板の破損を低減するかまたは防ぐための様々な方法が試みられている。このような方法には、コーティング層を基板に付加して欠陥が基板表面に形成するのを防ぐこと、ならびに例えば、基板材料の弾性率を最小にすること、基板の厚さを最小にすること、および／または基板表面と応力フリー中立軸との間の距離を最小にすることなどによって、基板が受ける応力レベルを最小にすることなどがある。本発明は、破壊靭性、脆性率、弾性率、疲れ強さ、および曲げ半径など、基板材料のための選択基準を提供する。このような選択基準は、破壊に耐える基板材料の能力や、損傷を制限にする強度、ならびに他の材料の固有特性を扱うことができる。
本発明の基板は、電子デバイスに用いるために適したどんな厚さであってもよい。基板は約２５０μｍ未満、例えば、２５０、２２０、１８０、１５０、１１０、８０、７５、６０、４０、または３０μｍ、好ましくは約１５０μｍ未満、例えば、１４０、１２０、１００、８０、７５、６０、または４０μｍ、またはより好ましくは約７５μｍ未満、例えば、７０、６０、５０、４０、または３０μｍであってもよい。１つの態様において、基板は約１μｍ〜約２５０μｍ未満の厚さを有する。別の態様において、基板は約２５０μｍである。別の態様において、基板は厚さ約１５０μｍである。さらに別の態様において、基板は厚さ約７５μｍである。様々な他の態様において、基板は約２５０μｍ以上であってもよい。
本発明の基板材料の主要な選択基準には、破壊靭性および／または脆性率などがある。本発明の基板は、本明細書に記載された説明および値によって破壊靭性、脆性率、または破壊靭性と脆性率との両方を有することができる。
破壊靭性
破壊靭性は、本明細書において用いられるとき、クラックまたは他の欠点を有する材料が破壊に耐える能力を指す。ＫＩｃとして示される破壊靭性は典型的にＭＰａ・（ｍ）１／２の単位で表される。破壊靭性は、クラックが存在するときの脆性破壊に対する材料の耐性の定量的表現である。本発明の基板は、少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性、例えば、約０．７５、０．７７、０．８０、０．８３、０．８５、０．８７、０．９、０．９５、０．９９、１．０、１．５、または１．１ＭＰａ・（ｍ）１／２、好ましくは少なくとも約０．８５ＭＰａ・（ｍ）１／２、例えば、約０．８５、０．８７、０．９、０．９５、０．９９、１．０、１．５、または１．１ＭＰａ・（ｍ）１／２、より好ましくは少なくとも約１．０ＭＰａ・（ｍ）１／２、例えば、約１．０、１．０５、１．１、１．１５、または２ＭＰａ・（ｍ）１／２、または最も好ましくは少なくとも約１．１ＭＰａ・（ｍ）１／２、例えば、約１．１、１．１２、１．１４、１．１６、１．１８、１．２、または１．３ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性を有することができる。１つの態様において、基板は少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２〜約１０ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性を有する。別の態様において、本発明の基板は約０．８６ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性を有する。別の態様において、本発明の基板は約０．９５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性を有する。
脆性率
脆性率は、本明細書において用いられるとき、特定材料の硬度の、破壊靭性に対する比を指す。脆性率は典型的に、Ｈ／ＫＩｃとして表すことができ、（μｍ）−１／２の単位を有する。機械耐久性の可撓性基板は、低い硬度および高い破壊靭性を示し、従って低い脆性率をもたらす。本発明の基板は約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、例えば、約９．５、９．３、９．１、８．８、８．５、８．３、８．１、７．９、７．７５、７．５、７．２５、７．０、６．７５、６．５、６．２５、６、または５．５（μｍ）−１／２未満、好ましくは約８．０（μｍ）−１／２未満、例えば、約８．０、７．９、７．７５、７．５、７．２５、７．０、６．７５、６．５、６．２５、６、または５．５（μｍ）−１／２未満、より好ましくは約６．５（μｍ）−１／２未満、例えば、約６．５、６．２５、６、５．５、５．または４．５（μｍ）−１／２未満、または最も好ましくは約５．５（μｍ）−１／２未満、例えば、約５．５、５．２５、５、４．７５、または４．５（μｍ）−１／２未満を有することができる。１つの態様において、基板は約０．１（μｍ）−１／２〜約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率を有する。別の態様において、基板は約６．４６（μｍ）−１／２の脆性率を有する。別の態様において、基板は約５．５（μｍ）−１／２の脆性率を有する。
本発明の基板は、上に記載されたような破壊靭性および／または脆性率を有することができる。基板が例えば、少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性と、例えば、約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率との両方を有することは必要ではない。１つの態様において、基板は、少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性を有する。別の態様において、基板は約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率を有する。さらに別の態様において、基板は、少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性と約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率との両方を有する。
弾性率×基板の厚さ
曲げの間に基板材料が受ける応力レベルは、基板材料の弾性率（Ｅ）および応力フリー中立軸からの距離に比例し得る。特定の基板の応力フリー中立軸の位置は、基板組成物によって変化し得る。また、応力フリー中立軸の位置は、製造されたデバイスの基板またはコーティング材料を含む基板など、単一〜多層基板の間で変化することができる。典型的な態様において、可撓性基板はロールツーロール処理システムを通して引っ張られ、そこで引張応力（σｔ）は断面積に反比例し、従って基板の厚さに反比例する。この典型的な態様において、基板上の全応力は、ローラー装置中を移動する間に受ける曲げ応力と上に記載された引張応力との合計である。
所望の耐久性および可撓性を達成するために、弾性率（Ｅ）と基板の厚さ（ｔ）との積は約２ＧＰａ・ｃｍ未満、例えば、約２．０、１．８、１．６、１．４、１．２、１．０、０．８、０．６、または０．５ＧＰａ・ｃｍ未満、好ましくは約１．０ＧＰａ・ｃｍ未満、例えば、約１．０、０．９、０．７、または０．５ＧＰａ・ｃｍ未満、またはより好ましくは約０．５ＧＰａ・ｃｍ未満、例えば、約０．５、０．４、０．３、または０．２未満であるのがよい。約２ＧＰａ・ｃｍ未満の弾性率と厚さとの積は本発明に必要ではないが、改良された耐久性および可撓性を基板に提供することができる。１つの態様において、基板は、約０．００１ＧＰａ・ｃｍ〜約２ＧＰａ・ｃｍ未満の弾性率と厚さとの積を有する。別の態様において、基板は約１．８ＧＰａ・ｃｍの弾性率と厚さとの積を有する。別の態様において、基板は約１．４ＧＰａ・ｃｍの弾性率と厚さとの積を有する。さらに別の態様において、基板は約０．５ＧＰａ・ｃｍの弾性率と厚さとの積を有する。弾性率・厚さの基準に破壊靭性値、脆性率、または破壊靭性値と脆性率との両方を組み合わせることができる。１つの態様において、基板は約１．８ＧＰａ・ｃｍの弾性率・厚さとの積および約１．０ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性を有する。別の態様において、基板は約２．５ＧＰａ・ｃｍの弾性率と厚さとの積および約６．５（μｍ）−１／２未満の脆性率を有する。さらに別の態様において、基板は約１．８ＧＰａ・ｃｍの弾性率と厚さとの積、約０．９ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性、および約７．０（μｍ）−１／２未満の脆性率を有する。例えば、ＡＦ４５（Ｓｃｈｏｔｔ）、Ｄ２６３（Ｓｈｏｔｔ）、および０２１１（Ｃｏｒｎｉｎｇ）などの可撓性基板のために従来使用されているガラス材料は、低い弾性率と厚さとの積を有することがあるが、典型的に必要な破壊靭性および／または脆性率を有しない。
疲れ強さ
可撓性基板において、破壊メカニクスは典型的に、基板材料に存在する傷に当てはまる。特に、応力拡大係数、ＫＩは、式
ＫＩ＝Ｙσａ（πａ）１／２
（Ｙは基板材料に存在する傷の幾何学的因子である）によって表面引張応力σａ、および傷の深さａに関連づけられる。ＫＩが材料の破壊靭性に達するとき（ＫＩ＝ＫＩＣ）、破損が生じる。さらに、クラック速度と応力強さとの間の関係は、式
Ｖ＝ＡＫＩ ｎ
（Ａおよびｎの両方がクラック生長パラメータである）によって表すことができる。クラック生長パラメータｎは、臨界未満クラック生長に対する基板材料の感受性の指標を提供することができる。ガラスセラミック、およびガラスセラミック材料については、ｎは典型的に動的疲れ強さを用いて測定され、そこで材料の強度σｆは、応力速度σｒの関数として、例えば式
（σｆ１／σｆ２）ｎ＋１＝（σｒ１／σｒ２）
（下付き文字１および２は応力の異なる速度の測定強度を表す）で測定される。ｎの値は、対数強度対対数応力速度の単純な回帰によって測定することができ、そこで傾きは１／（ｎ＋１）に等しい。動的疲れ法によって得られるようなガラス材料の典型的な疲れ強さ値は以下の表１に記載される。
Figure 2010528421
従来のシート形成プロセスにおいて使用されるガラス材料は典型的に、約３０未満のｎ値を有する。対照的に、シリカなどのほとんど網目修飾体を有さないガラス材料は典型的に、３０以上のｎ値を有する。上に記載された破壊靭性および／または脆性率の他に、本発明の基板は場合により、ディスプレイ用途において典型的に用いられるガラスの疲労値よりも大きいか、または少なくとも約２９、例えば、約２９、３０、３１、３３、３５、３８、３９、４０、４２、４６、または５０、好ましくは少なくとも約３８、例えば、約３８、３９、４０、４２、４６、または５０の疲労値ｎを有することができる。少なくとも約２９の疲労値は必要ではないが、改良された物理的性質および性能を基板に提供することができる。１つの態様において、本発明の基板は３０の疲労値ｎを有する。別の態様において、本発明の基板は３９の疲労値ｎを有する。
曲げ半径
可撓性基板の曲げ半径は、基板が破壊せずに屈曲され得る最小半径である。屈曲基板の許容曲げ半径は典型的に、許容適用曲げ応力に反比例する。従って、より高いｎ値を有する材料は、可撓性基板がより小さい半径まで曲がることを可能にする。本発明の基板は約３０ｃｍ未満、例えば、約３０、２８、２６、２４、２２、２０、１８、１６、１４、１２、１０、８、６、４、２、１、または０．５ｃｍ未満、好ましくは約１０ｃｍ未満、例えば、約１０、８、６、４、２、または１ｃｍ未満、またはより好ましくは約２ｃｍ未満、例えば、約２、１．６、１．２、１、０．８、０．６、０．４、または０．３ｃｍ未満の曲げ半径を有することができる。約３０ｃｍ未満の曲げ半径は本発明の基板に必要ではないが、改良された可撓性および性能を提供することができる。１つの態様において、基板は約２６ｃｍの曲げ半径を有する。別の態様において、基板は約８ｃｍの曲げ半径を有する。さらに別の態様において、基板は約１．２ｃｍの曲げ半径を有する。
基板組成物
本発明の基板は少なくとも１つの非晶質無機組成物を含む。本明細書において用いられるとき、「非晶質」は長距離秩序がない非結晶材料を指す。基板が上に記載されたような脆性率および破壊靭性の内の少なくとも一方を有することを条件として、非晶質無機組成物は例えば、電子デバイスなどの対象となる用途において用いるために適したいずれの無機組成物であってもよい。非晶質無機組成物はガラス、ガラスセラミック、またはそれらの組合せを含むことができる。典型的なガラス材料は、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、リン酸塩ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、ホウケイ酸亜鉛ガラス、シリカガラス、ホウケイ酸バリウムガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、アルカリ土類アルミノケイ酸塩ガラス、希土類アルミノケイ酸塩ガラス、またはそれらの組合せを含むことができる。１つの態様において、基板はガラスを含む。特定の態様において、基板はアルミノホウケイ酸ガラスを含む。
基板は場合により他の組成物を含むことができる。基板全体が非晶質無機組成物であるか、またはいずれか任意の組成物が、存在する場合、非晶質無機組成物を含むことは必要ではない。このような任意の組成物は、存在する場合、結晶材料を含有することができる。１つの態様において、基板は、ガラスおよび結晶成分を含む。基板を作製するときに使用するための例えば、ガラス材料などの基板材料および組成物は市販されており、当業者は、ここに記載された基準に基づいて適切な材料および／または組成物を容易に選択することができる。
基板のコーティング
本発明の基板は場合により、少なくとも１つの基板表面の少なくとも一部の上にコーティングを含むことができる。コーティングは、基板表面を保護し、基板に機械的支持を与え、および／または基板に他の性質を提供することができる。コーティングは、存在する場合、いずれの材料も含むことができ、電子デバイスに用いるために適した任意の厚さで存在することができる。コーティングは、単一層または複数、例えば、２、３、４、５以上の層として存在することができる。複数の層は、存在する場合、同一または異なった組成物のどちらかを含むことができる。全ての層が同じ組成物を含む必要はない。１つの態様において、基板は、１つの基板表面上に単一層コーティングを含む。別の態様において、基板は、２つの対向した基板表面上に単一層コーティングを含む。様々な典型的な態様において、コーティング材料は、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエチレン、ポリアリレート、ポリオレフィン、環状オレフィンコポリマー、ポリアリールアミン、ポリアミド、ポリイミド、またはそれらの組合せを含む。１つの態様において、基板はポリアリレートコーティングを含む。別の態様において、基板はポリエーテルスルホンコーティングを含む。コーティングは、存在する場合、対象となる用途のために適したいずれの厚さであってもよい。任意のコーティングは約１μｍ未満〜約２００μｍ、またはそれ以上、例えば、約０．３、１、２、４、７、１０、１４、２０、３０、５０、７０、１００、１２０、１４０、１６０、１９０、２００、または２２０μｍであってもよい。１つの態様において、基板は１μｍの厚さを有するコーティングを含む。別の態様において、基板は３０μｍの厚さを有するコーティングを含む。さらに別の態様において、基板は１５０μｍの厚さを有するコーティングを含む。さらなる態様において、基板は、基板の２つの対向した表面上に２層コーティングを含む。コーティングおよびコーティング材料は市販されており、当業者は、デバイスの製造方法および／または対象となる用途に基づいて基板に適切なコーティングを容易に選択および適用することができる。
電子デバイス
本発明の基板は、例えば、発光ディスプレイデバイスなどの様々な電子デバイスにおいて利用され得る。デバイスの設計は、対象となる用途および要求条件に応じて変化することができる。デバイスは可撓性であってもよく、または基板の少なくとも一部が可撓性であることを必要とすることがある。１つの態様において、電子デバイスは、例えば、有機発光ディスプレイデバイスなどの発光デバイスである。別の態様において、デバイスは、約３０ｃｍ未満の曲げ半径を可能とする可撓性基板を有する。
機械耐久性および可撓性基板を必要とするデバイスには、例えば、携帯電話およびラップトップコンピュータなどのサイズおよび／または重量の制限条件を有する用途が挙げられる。このような用途において、基板は、デバイス製造プロセスの間ならびに最終用途において平らなままであってもよい。このような設計は、基板が曲げ応力に耐え得ることを必要とすることがあるが、全ての用途においてこの要求条件があるわけではない。本発明の基板は、約３０ｃｍ未満の曲げ半径を可能とすることができるが、基板は従来の基板材料よりも薄くかつより軽量であり得るので、機械的耐久性の性質はさらなる利点および価値を提供する。
機械耐久性基板の他の用途には、デバイスの製造の間または最終用途の間のどちらかに基板が曲げ半径を受けることができるデバイスがある。このようなデバイスの例には、ソーラーセル、太陽電池、有機発光ダイオードディスプレイ、電気泳動ディスプレイ、ＬＣＤディスプレイ、コレステリック液晶ディスプレイ、Ｓｉ ＴＦＴエレクトロニクス、有機ＴＦＴエレクトロニクス、酸化物ベースエレクトロニクス、および他のデバイス技術などの電子用途およびディスプレイ用途の両方がある。このようなデバイスにおいて、デバイスの製造の間、例えば、キャリア基板への接着／脱接着工程、ロールツーロール製造プロセスの使用、シート供給連続製造プロセスの使用、巻き取られた基板の巻出を必要とする大面積ディスプレイまたはエレクトロニクスの設置、スプーリングもしくはアンスプーリングプロセスまたは曲げ半径を必要とする他のプロセスの使用などにおいて、基板は曲げ半径を受けることができる。曲げ半径を必要とする例示的なデバイスには、デバイスの寿命の間に可変曲げ状態を経ることができるスクロール可能、折り可能、丁番付けされた、または他のデバイスがある。さらに別の典型的なデバイスには、コンフォーマブルディスプレイまたは電子デバイス、例えば、自動車のダッシュボード、飛行機のコックピット、照明、建築用デバイス、センサーのためのディスプレイまたはエレクトロニクスの他、デバイスの寿命の間に永久または半永久状態に一度曲げられ得る他のデバイスがある。
可撓性基板を製造する方法
本発明は、約２５０μｍ未満の厚さと、ａ）約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、およびｂ）少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性の内の少なくとも一方とを有する基板を形成し得る無機材料を選択する工程と、次に、少なくとも選択された非晶質無機材料から基板を形成する工程とを含む、可撓性基板を製造するための方法をさらに含む。形成プロセスは、焼結プロセス、圧密プロセス、圧伸成形プロセス、無機溶融体を必要とするプロセス、スロットドロープロセス、溶融ドロープロセス、アップドロープロセス、オーバーフロープロセス、ダウンドロープロセス、リドロープロセス、ブローイングプロセス、フロートプロセス、結晶化プロセス、アニールプロセス、スート堆積プロセス、ロール形成プロセス、約２５０μｍ未満の厚さを形成し得る他のプロセス、既に形成された無機シートまたは物品の固有性質（例えば、破壊靭性、弾性率、脆性率、耐疲労性）に影響を与えることができる他のプロセス、またはそれらの組合せを含むことができる。１つの態様において、形成プロセスは溶融プロセスを含む。別の態様において、形成プロセスは焼結プロセスを含む。さらに別の態様において、形成プロセスはダウンドロープロセスを含む。様々な形成プロセスが公知であり、当業者は、本発明によって基板組成物の製造に用いるために適切な形成プロセスを容易に選択することができる。
本明細書に記載された様々な方法を個々に、またはいずれかの組合せで用いて、可撓性基板または可撓性基板を含む電子デバイスを形成することができる。様々な態様において、基板は約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性、約２ＧＰａ・ｃｍ未満の弾性率と厚さとの積、破壊せずに約３０ｃｍ未満の曲げ半径を達成する能力、またはそれらの組合せを有する。
本発明のいくつかの態様は添付の図面において示され、詳細な説明において説明されたが、本発明は、開示された態様に制限されず、以下の特許請求の範囲によって示され、規定された本発明の趣旨から逸脱せずに多数の再配列、改良および代用を可能とすることは理解されるはずである。
本発明の原理をさらに説明するために、以下の実施例を示し、本明細書に特許請求された物品、デバイス、および方法を実施および評価する方法の完全な開示および説明を当業者に提供する。それらは、純粋に本発明を例示することを意図し、本発明者らが発明とみなすものの範囲を制限することを意図しない。数（例えば、量、温度等）に対して正確さを確実にするように努めたが、しかしながら、若干の誤差および偏差が考慮されるべきである。材料の性質は、例えば、特定のバッチおよび供給業者に応じて変動を示すことがある。従ってデータのばらつきはいずれの測定方法においても予想される。別記しない限り、温度は℃であるかまたは周囲温度であり、圧力は大気圧であるかまたはその付近である。製品の品質および性能を最適にするために使用できるプロセス条件の多数の変形および組合せがある。このようなプロセス条件を最適にするために適正なおよび日常実験だけが必要とされる。
実施例１−基板の性質の決定
第１の実施例において、以下の表２に記載されたようなセラミック、ガラスセラミック、シリカガラス、リン酸塩ガラス、および他の組成物などの様々な材料について弾性率、硬度、破壊靭性、および脆性率を決定した。表２に確認される材料の全てがガラスを容易に形成することができるわけではないが、本発明によって基板に用いるために適している物理的性質を説明するために様々な材料が含有される。弾性率の値は、ナノインデンテーション測定を指す。硬度値は、ナノインデンテーション、ヌープ、および／またはビッカース測定を指し、そこで例えば、角錐形ダイヤモンドによってインデンテーションが基板に作られる。破壊靭性値は、インデンテーションおよび／またはシェブロンノッチ測定を指す。脆性率値は、上に記載されたように硬度および破壊靭性の測定を指す。ナノインデンテーション、ヌープ硬度、ビッカース硬度、およびシェブロンノッチ測定は公知であり、当業者は、特定の材料の弾性率、硬度、破壊靭性、および／または脆性率を決定するために適切な試験手順を容易に選択することができる。
表２の値は、入手できる文献値と、実験的に得られた値との両方を含む。いくつかの場合一般的材料の特性値は、特定の測定技術が明記されていない公開文献から得られた。これらの場合、値は、近似値であると考えられるのがよい。
Figure 2010528421
表２に示されるように、多数の従来のガラス材料は、本発明の選択基準によって必要とされる破壊靭性または脆性率を有さない。さらに、上に示されるように、必要とされた破壊靭性および／または脆性率のどちらかを有する表２に記載された材料のいくつかは、ガラスを容易に形成せず、従って、多くの用途に適していない場合がある。示された材料のいくつか、例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｍａｃｏｒ（登録商標）、Ｃｏｒｎｉｎｇ ７７４０、Ｓｃｈｏｔｔ ＢＫ−７、Ｃｏｒｎｉｎｇ １７３７、およびＣｏｒｎｉｎｇ ＨＰＦＳ（登録商標）は、本発明の選択基準によって、少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性および／または約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率の両方を有する。従って、これらの材料は、本発明の薄い可撓性基板の組成物として用いるために適している。
実施例２−加傷強度
第２の実施例において、実施例１に記載された材料のいくつかについて加傷強度値を決定した。物理的性質間の関係を示すために、実験材料は非常に異なる組成物のファミリーから選択された。選択された材料の試料を切り分け、約１インチ×１インチ（２．５４ｃｍ×２．５４ｃｍ）片、厚さ約１ｍｍに磨いた。引き続いて、試料の片面を１５０Ｊサンドペーパーで加傷し、その後、加傷された試料面に引張応力を加え、リング・オン・リング（ｒｉｎｇ−ｏｎ−ｒｉｎｇ）二軸方向強さを試験した。この強度試験に関し、負荷リングの直径は典型的に０．２５インチ（約０．６３ｃｍ）であり、および支持リングの直径は典型的に０．５０（約１．２７ｃｍ）インチであった。試験速度は典型的に０．０５インチ（約１．２７ｍｍ）／分であった。
図１〜２は、それぞれ、破壊靭性および脆性率の関数として得られた加傷強度値を示す。図１は、破壊靭性の増加による加傷強度の増加傾向を示す。同様に、図２は、脆性率の減少による加傷強度の増加傾向を示す。従って、増加された加傷強度を有する基板は、破壊靭性の増加、脆性率の減少のどちらか、またはそれらの組合せによって達成され得る。
本明細書に記載された組成物、物品、デバイス、および方法に様々な改良および変形が可能である。本明細書に記載された組成物、物品、デバイス、および方法の他の態様は、本明細書に開示された組成物、物品、デバイス、および方法の明細および実施を考慮することから明らかであろう。明細書および実施例は例示として考えられることが意図される。

Claims (10)

  1. 基板が約２５０μｍ未満の厚さと、
    ａ）約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、および
    ｂ）少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性
    の内の少なくとも一方と、
    を有することを特徴とする、非晶質無機組成物を含む基板。
  2. ａ）約０．１（μｍ）−１／２〜約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、および
    ｂ）約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２〜約１０ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性
    の内の少なくとも一方を有することを特徴とする、請求項１に記載の基板。
  3. 前記基板が弾性率と厚さとを有し、前記基板の弾性率と前記基板の厚さとの積が約２．０ＧＰａ・ｃｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の基板。
  4. 前記基板の弾性率と前記基板の厚さとの積が約１．０ＧＰａ・ｃｍ未満であることを特徴とする、請求項３に記載の基板。
  5. 約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率と少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性との両方を有することを特徴とする、請求項１に記載の基板。
  6. 前記基板が約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率と少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性との両方を有し、前記基板が弾性率と厚さとを有し、前記基板の弾性率と前記基板の厚さとの積が約２ＧＰａ・ｃｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の基板。
  7. 前記基板が約８．０（μｍ）−１／２未満の脆性率と少なくとも約０．９ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性との両方を有し、基板が弾性率と厚さとを有し、前記基板の弾性率と前記基板の厚さとの積が約２ＧＰａ・ｃｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の基板。
  8. 約２９より大きい疲労値ｎを有することを特徴とする、請求項１に記載の基板。
  9. 基板が約２５０μｍ未満の厚さと、
    ａ）約９．５（μｍ）−１／２未満の脆性率、および
    ｂ）少なくとも約０．７５ＭＰａ・（ｍ）１／２の破壊靭性
    の内の少なくとも一方とを有することを特徴とする、非晶質無機組成物を含む可撓性基板を含む電子デバイス。
  10. 前記基板が弾性率と厚さとを有し、前記基板の弾性率と前記基板の厚さとの積が約２．０ＧＰａ・ｃｍ未満であることを特徴とする、請求項９に記載の電子デバイス。
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