JP6014126B2 - ガラス−プラスチック積層デバイス、そのための処理ライン及び方法 - Google Patents

ガラス−プラスチック積層デバイス、そのための処理ライン及び方法 Download PDF

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Description

関連出願の説明
本出願は2011年5月27日に出願された米国仮特許出願第61/490976号の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記特許出願の明細書の内容に依存し、その内容の全体が本明細書に参照として含められる。
本発明は、ガラス−ポリマー積層構造に関し、さらに詳しくは、ガラス厚が500μm以下の可撓性ガラス−ポリマー積層構造に関する。
今日、可撓性ポリマー基板は1枚以上のポリマーフィルムが積層されたポリマーベース材料を用いて製造されている。これらの積層基板スタックは一般に、コストが低く、性能が実証されていることから、PV,OLED,LCD及びパターン形成薄膜トランジスタ(TFT)エレクトロニクスにともなう可撓性パッケージに用いられる。
可撓性ガラス基板を代替技術選択肢として推進するためには、脆性材料である、ガラスにともなう機械的信頼性の実在し感知される限界が克服され、実証されなければならない。可撓性ガラス基板は可撓性ポリマー技術に優るいくつかの技術的利点を既に提供している。一技術的利点は、屋外エレクトロニクスにおける主劣化機構である、水分またはガスに対するバリアとしてはたらくことができる能力である。第2の利点は、1つ以上のパッケージ基板層の低減または排除によるパッケージの全体寸法(厚さ)及び重量を低減するための潜在能力にある。したがって、ガラスにともなう機械的信頼性の実在し感知される限界を克服することができれば、可撓性ガラス基板の使用を進展させることができる。
可撓性裸ガラスの機械的信頼性を向上させるための一手法は可撓性ガラスを1枚以上の薄膜ポリマーと積層することである。機械的強度要件及び最終用途の推定曲げ応力及び曲げ方向に依存して、本明細書に開示される概念にしたがえば、可撓性ガラス−ポリマー積層基板を、機械的要件を満たすように構成することができる。適切に用いられれば、積層構造は、可撓性非積層(裸ガラス)構造に優り、不適切に用いられたガラス−ポリマー積層構造にさえ優る、向上した機械的信頼性を提供するであろう。
さらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、記述及び添付図面に例示されるように本発明を実施することによって認められるであろう。上述の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも本発明の例示に過ぎず、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解に向けた概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。
添付図面は本発明の原理のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は1つ以上の実施形態を示し、記述とともに、例として、本発明の原理及び動作の説明に役立つ。本明細書及び図面に開示される本発明の様々な特徴がいずれかのまたは全ての組合せで用いられ得ることは当然である。非限定的例として、本発明の様々な特徴は以下の態様にしたがって相互に組み合わせることができる。
第1の態様にしたがえば、
5〜500μmの厚さを有するガラスシート、及び
ガラスシートの第1の表面に積層された第1のポリマー、
を有する積層構造であって、
第1のポリマーがガラスシートに被覆係数(F)を与え、
被覆係数(F)は下式:
F=(1−γβ )/(1+γβ)
で定義され、ここで
γ=[Ep1(1−ν )]/[E(1−νp1 )]、
β=tp1/t
p1=第1のポリマーのヤング率、
p1=第1のポリマーの厚さ、
νp1=第1のポリマーのポアソン比、
=ガラスのヤング率、
=ガラスの厚さ、
ν=ガラスのポアソン比、
であり、
積層構造はガラスシートの第2の表面が凹面形状で配されるように湾曲される、及び
さらに、被覆係数(F)は1より小さい、
積層構造が提供される。
第2の態様にしたがえば、βが0.002〜400であり、γが0.001〜0.1である、第1の態様の積層構造が提供される。
第3の態様にしたがえば、Eが50〜95GPaである、第1の態様または第2の態様の積層構造が提供される。
第4の態様にしたがえば、Ep1が10〜9500MPaである、第1から第3の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第5の態様にしたがえば、Ep1が100〜7000MPaである、第1から第3の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第6の態様にしたがえば、Ep1が500〜6500MPaである、第1から第3の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第7の態様にしたがえば、
第1の表面、第2の表面及び5〜500μmの厚さを有するガラスシート、
ガラスシートの第1の表面に積層された第1のポリマー層、
−第1のポリマー層は、第1のヤング率(Ep1)、第1の厚さ(tp1)及び第1のポアソン比(νp1)を有する、
及び
ガラスシートの第2の表面に積層された第2のポリマー層、
−第2のポリマー層は、第2のヤング率(Ep2)、第2の厚さ(tp2)及び第2のポアソン比(νp2)を有する、
を有する積層構造であって、
ガラスシートは第2の表面が凹面形状で配されるように湾曲される、及び
さらに、第1のポリマー層と第2のポリマー層は:
[(Ep1p1(t+tp1)/(1−νp1 )]>[(Ep2p2(t+tp2)/(1−νp2 )]
であるように構成される,
積層構造が提供される。
第8の態様にしたがえば、第2のポリマー層のタイプが第1のポリマー層のタイプとは異なる、第7の態様の積層構造が提供される。
第9の態様にしたがえば、第2のポリマー層のタイプは第1のポリマー層と同じであるが、第2のポリマー層の厚さが第1のポリマー層の厚さとは異なる、第7の態様の積層構造が提供される。
第10の態様にしたがえば、第2のポリマー層が異なるポリマーからなる積層構造であり、Ep2,tp2及びνp2が第2のポリマー層に対する実効値である、第7の態様から第9の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第11の態様にしたがえば、第1のポリマー層が異なるポリマーからなる積層構造であり、Ep1,tp1及びνp1が第1のポリマー層に対する実効値である、第1の態様から第10の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第12の態様にしたがえば、ガラスが25〜400μmの厚さを有する、第1の態様から第11の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第13の態様にしたがえば、ガラスが50〜300μmの厚さを有する、第1の態様から第11の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第14の態様にしたがえば、ガラスが50〜250μmの厚さを有する、第1の態様から第11の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第15の態様にしたがえば、ガラスが50〜200μmの厚さを有する、第1の態様から第11の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第16の態様にしたがえば、ガラスが75〜200μmの厚さを有する、第1の態様から第11の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第17の態様にしたがえば、ガラスが75〜150μmの厚さを有する、第1の態様から第11の態様のいずれかの積層構造が提供される。
第18の態様にしたがえば、
ハウジング、及び
ハウジングに結合されたガラス−ポリマー積層構造部分、
を有し、
ガラス−ポリマー積層構造部分が、
第1の表面、第2の表面及び5〜500μmの厚さtを有するガラスシート、及び
ガラスシートの第1の表面に積層された第1のポリマー層、
を有し、
ガラス−ポリマー積層構造はガラスシートの第2の表面が凹面形状で配されるように湾曲される、
電子デバイスが提供される。
第19の態様にしたがえば、
第1のポリマー層がガラスシートに被覆係数(F)を与え、
被覆係数(F)は下式:
F=(1−γβ )/(1+γβ)
で定義され、ここで
γ=[Ep1(1−ν )]/[E(1−νp1 )]、
β=tp1/t
p1=第1のポリマーのヤング率、
p1=第1のポリマーの厚さ、
νp1=第1のポリマーのポアソン比、
=ガラスのヤング率、
=ガラスの厚さ、
ν=ガラスのポアソン比、
であり、
積層構造はガラスシートの第2の表面が凹面形状で配されるように湾曲される、及び
さらに、被覆係数(F)は1より小さい、
第18の態様のデバイスが提供される。
第20の態様にしたがえば、
第1のポリマー層が、第1のヤング率(Ep1)、第1の厚さ(tp1)及び第1のポアソン比(νp1)を有し、
ガラス−ポリマー積層構造がガラスシートの第2の表面に積層された第2のポリマー層をさらに有し、
第2のポリマー層が、第2のヤング率(Ep2)、第2の厚さ(tp2)及び第2のポアソン比(νp2)を有し、
さらに、第1のポリマー層と第2のポリマー層は:
[(Ep1p1(t+tp1)/(1−νp1 )]>[(Ep2p2(t+tp2)/(1−νp2 )]
であるように構成される,
第18の態様のデバイスが提供される。
第21の態様にしたがえば、第2のポリマー層が第1のポリマー層をなすポリマーとは異なるポリマーからなる、第20の態様のデバイスが提供される。
第22の態様にしたがえば、第2のポリマー層が第1のポリマー層のポリマーと同じポリマーからなるが、第2のポリマー層の厚さは第1のポリマー層の厚さと異なる、第20の態様のデバイスが提供される。
第23の態様にしたがえば、第2のポリマー層が異なるポリマーからなる積層構造であり、Ep2,tp2及びνp2が第2のポリマー層に対する実効値である、第20の態様または第22の態様のデバイスが提供される。
第24の態様にしたがえば、第1のポリマー層が異なるポリマーからなる積層構造であり、Ep1,tp1及びνp1が第1のポリマー層に対する実効値である、第19の態様から第23の態様のいずれかのデバイスが提供される。
第25の態様にしたがえば、ハウジングが内部及び外部を有し、さらに、ガラスシートの第2の表面がハウジングの外部を向くように配される、第18の態様から第24の態様のいずれかのデバイスが提供される。
第26の態様にしたがえば、ハウジングがガラス−ポリマー積層構造の湾曲に相補的な態様で湾曲される、第18の態様から第24の態様のいずれかのデバイスが提供される。
第27の態様にしたがえば、第1の側及び第2の側を有するガラス−ポリマー積層品のためのロールツウロール処理ラインが提供され、ガラス−ポリマー積層品は、第1の側の第1のポリマー層及び第2の側の厚さがtのガラスを有する構造体または第1の側の第1のポリマー層及び第2の側の第2のポリマー層をそれらの間の厚さがtのガラスとともに有する構造体のいずれかであり、処理ラインは、
直径Dを有する第1のロール、
−ガラス−ポリマー積層品の第2の側は第1のロールに面するように配される、
及び
直径Dを有する第2のロール、
−ガラス−ポリマー積層品の第1の側は第2のロールに面するように配される、
を備え、ここで
<Dであり、
さらに、ガラス−ポリマー積層品が第1の側に第1のポリマー層を有し、第2の側に第2のポリマー層を有する場合、
第1のポリマー層は、第1のヤング率(Ep1)、第1の厚さ(tp1)及び第1のポアソン比(νp1)を有し、
第2のポリマー層は、第2のヤング率(Ep2)、第2の厚さ(tp2)及び第2のポアソン比(νp2)を有し、
第1のポリマー層と第2のポリマー層は:
[(Ep1p1(t+tp1)/(1−νp1 )]>[(Ep2p2(t+tp2)/(1−νp2 )]
であるように構成される。
第28の態様にしたがえば、第2のポリマー層が異なるポリマーからなる積層構造であり、Ep2,tp2及びνp2が第2のポリマー層に対する実効値である、第27の態様の処理ラインが提供される。
第29の態様にしたがえば、第1のポリマー層が異なるポリマーからなる積層構造であり、Ep1,tp1及びνp1が第1のポリマー層に対する実効値である、第27の態様または第28の態様の処理ラインが提供される。
第30の態様にしたがえば、ガラス−ポリマー積層品を搬送する方法が提供され、ガラス−ポリマー積層品は第1の側及び第2の側を有し、ガラス−ポリマー積層品は、第1の側の第1のポリマー層及び第2の側の厚さがtのガラスを有する構造体または第1の側の第1のポリマー層及び第2の側の第2のポリマー層をそれらの間の厚さがtのガラスとともに有する構造体のいずれかであり、方法は、
直径がDの第1のロールを巡ってガラス−ポリマー積層品を搬送する工程、
−ガラス−ポリマー積層品の第2の側は第1のロールに面するように配される、
及び
直径がDの第2のロールを巡ってガラス−ポリマー積層品を搬送する工程、
−ガラス−ポリマー積層品の第1の側は第2のロールに面するように配される、
を含み、ここで
<Dであり、
さらに、ガラス−ポリマー積層品が第1の側に第1のポリマー層を有し、第2の側に第2のポリマー層を有する場合、
第1のポリマー層は、第1のヤング率(Ep1)、第1の厚さ(tp1)及び第1のポアソン比(νp1)を有し、
第2のポリマー層は、第2のヤング率(Ep2)、第2の厚さ(tp2)及び第2のポアソン比(νp2)を有し、
第1のポリマー層と第2のポリマー層は:
[(Ep1p1(t+tp1)/(1−νp1 )]>[(Ep2p2(t+tp2)/(1−νp2 )]
であるように構成される。
第31の態様にしたがえば、第2のポリマー層が異なるポリマーからなる積層構造であり、Ep2,tp2及びνp2が第2のポリマー層に対する実効値である、第30の態様の方法が提供される。
第32の態様にしたがえば、第1のポリマー層が異なるポリマーからなる積層構造であり、Ep1,tp1及びνp1が第1のポリマー層に対する実効値である、第30の態様または第31の態様の方法が提供される。
第33の態様にしたがえば、与えられた衝撃エネルギーによって発生されるような与えられた所要最大主応力に耐えるようにガラス−ポリマー積層構造を設計する方法が提供され、方法は、
5μm〜500μmの範囲の与えられたガラス厚、及び4〜100GPaの与えられたガラスのヤング率に対して、与えられた衝撃エネルギーを受けたときのガラスの最大主応力が所要最大主応力より小さくなるように、ポリマー厚を選択する工程及びポリマーのヤング率を選択する工程を含む。
図1は中立曲げ軸を有する1枚のガラス10の略図である。 図2は二層ガラス−ポリマー積層構造の略図である。 図3は曲げモーメントがかけられたときの二層ガラス−ポリマー積層構造の略図である。 図4は、図3におけるように配位された二層ガラス−ポリマー積層構造についての、0から1のβに対してβを一定とする、被覆係数及びγの関数としての一連の曲げ応力曲線のグラフである。 図5は、図3におけるように配位された二層ガラス−ポリマー積層構造についての、0.001から0.2のγに対してγを一定とする、被覆係数及びβの関数としての一連の曲げ応力曲線のグラフである。 図6は、図3における方向に対向する方向で曲げモーメントがかけられたときの、0.001から0.2のγに対してγを一定とする、被覆係数及びβの関数としての一連の曲げ応力曲線のグラフである。 図7は図3における方向に対向する方向で曲げモーメントがかけられたときの二層ガラス−ポリマー積層構造の略図である。 図8は、図7におけるように配位された二層ガラス−ポリマー積層構造についての、0から1のβに対してβを一定とする、被覆係数及びγの関数としての一連の曲げ応力曲線のグラフである。 図9は、図7におけるように配位された二層ガラス−ポリマー積層構造についての、1から400のβに対してβを一定とする、被覆係数及びγの関数としての一連の曲げ応力曲線のグラフである。 図10は、図7におけるように配位された二層ガラス−ポリマー積層構造についての、0.001から0.2のγに対してγを一定とする、被覆係数及びβの関数としての一連の曲げ応力曲線のグラフである。 図11は三層ガラス−ポリマー積層構造の略図である。 図12は曲げモーメントがかけられたときの三層ガラス−ポリマー積層構造の略図である。 図13は処理ラインの一部においてロールを巡って配されているときのガラス−ポリマー積層構造の略図である。 図14は、図13に示される位置Bにおける、二層ガラス−ポリマー積層構造の拡大図である。 図15は、図13に示される位置Bにおける、三層ガラス−ポリマー積層構造の拡大図である。 図16はガラス−ポリマー積層構造を含む電子デバイスの略図である。 図17は図16の線C−Cに沿ってとられた断面図の一実施形態である。 図18は図16の線C−Cに沿ってとられた断面図の別実施形態である。 図19はボールの落下高さ及びボールの重量の関数としての最大主応力のグラフである。 図20はポリマーのヤング率及びポリマー厚の関数としての最大主応力のグラフである。 図21は、2ジュールの衝撃エネルギーについて推定されるような、ポリマー厚及びポリマーのヤング率の関数としての最大主応力のグラフである。 図22は、6.78ジュールの衝撃エネルギーについて推定されるような、ガラス厚及びポリマー厚の関数としての最大主応力のグラフである。 図23は、様々な製品信頼性タイムフレームについての、所要強度に対する印加応力の関係を示すガラスディレーティンググラフである。
以下の詳細な説明においては、限定ではなく説明の目的のため、特定の詳細を開示している実施形態例は本発明の様々な原理の完全な理解を提供するために述べられる。しかし、本開示の恩恵を有している当業者には、本明細書に開示される特定の詳細から逸脱する他の実施形態で実施され得ることが明らかであろう。さらに、周知のデバイス、方法及び材料の説明は、本発明の様々な原理の説明を曖昧にしないように、省かれ得る。最後に、適用可能な場合は必ず、同様の参照数字は同様の要素を指す。
本明細書において、範囲は[「約」1つの特定値]から、及び/または[「約」別の特定値]までのように表され得る。範囲がそのように表される場合、別の実施形態は[その1つの特定値]から及び/または[その別の特定値]までを含む。同様に、先行詞「約」の使用により値が近似値として表されていれば、その特定の値が別の実施形態をなすことは理解されるであろう。さらに、範囲のそれぞれの端点が、他方の端点との関係でも、他方の端点とは独立にも、有意であることは理解されるであろう。
本明細書に用いられるような方向指示語、例えば−上、下、右、左、前、後、天、地−は、描かれているままの図面への参照として用いられているだけであり、絶対方向を意味するつもりはない。
別途に明白に言明されていない限り、本明細書に述べられるいずれの方法もその工程が特定の順序で実施される必要があると解されるつもりは全くない。したがって、方法特許請求項がその工程によってしたがわれるべき順序を実際に挙げていないか、あるいは、そうではなくとも、工程が特定の順序に限定されるべきであることが特許請求項または説明において特に言明されていない場合、いかなる点においても、順序が推定されるつもりは全くない。このことは、工程の配列または動作フローに関するロジック事項、文法構成または句読法から導かれる平易な意味、及び本明細書に説明される実施形態の数またはタイプを含む、解釈に対する可能ないかなる黙示原則についても成り立つ。
本明細書に用いられるように、単数形‘a’,‘an’及び‘the’の使用は、そうではないことを文脈が明白に規定していない限り、複数の支持対称を含む。したがって、例えば、‘component(コンポーネント)’への言及は、そうではないことを文脈が明白に示していない限り、2つ以上のそのようなコンポーネントを有する態様を含む。
ガラスは本来的には強い材料であるが、その強度(信頼性)は、表面の欠陥及びきずの寸法密度分布と時間の経過にともなう材料への累積応力曝露の関数である。全製品ライフサイクルの間、可撓性ガラス−ポリマー積層構造には様々な種類の静的及び動的な機械的応力がかけられるであろう。したがって、材料の大きな固有最大材料強度が製品につくり込まれ、時間の経過にかけて維持されるべきである。これは製造プロセス自体に始まり、有効製品寿命にわたって継続する。この機械的強度の維持はその最大強度までの印加応力の適切な信頼性ディレーティングによって達成されるであろう。
普通のタイプの応力への曝露の結果としての可撓性ガラス−ポリマー積層構造の機械的信頼性(強度)を設計及び予測するための方法が開発されている。これらの応力には、半径rの直径の周りの曲げ及び衝撃事象にともなう曲げがある。方法はガラス破壊モード及び表面欠陥への応力の効果の理解に基づく。方法は機械的要件が満たされることを保証するため及び固有機械的信頼性属性が実用寿命にわたって維持されることを保証するため、最終デバイスの設計に直接に適用され得る。さらに、方法論は、現行のまたは「設計されることになる」、製造プロセス、装置及びパッケージ(例えばスプール)が製造サイクル中に構造の固有強度属性を保護及び維持できることを保証するためにも用いられ得る。
本明細書において、一表面に単ポリマー層が積層されているガラス−ポリマー積層構造は二層可撓性基板と見なされ、それぞれの表面にポリマー層をもつガラス−ポリマー積層構造は三層可撓性基板と見なされる。三層基板は、ガラスのそれぞれの側のポリマー層が層のポリマーのタイプ、ポリマーの特性及び厚さに関して異なるように、構成される。
本開示は、製造工程(ロールツウロールプロセス)及び最終製品デバイスの機械的要件を構造の機械的信頼性属性が満たすことを可能にするための、基本的二層構造、三層構造または複合構造としてのガラス−ポリマー可撓性積層構造の設計も含む。機械的応力及び曲げ方向が前もって定められれば、1つ以上のポリマー材料との組合せにおいて可撓性ガラス基板厚を選ぶことができる。積層構造のそれぞれの層の特性(例えば、ヤング率、ポアソン比)、層厚及びガラス表面積層場所を用いて、製造及び最終製品の機械的信頼性要件への追随能力を実証するために引張強度プロファイルをモデル計算することができる。
ガラスの機械的信頼性はその表面欠陥数及びそれが配されている製品の全ライフサイクルにわたるガラスの適切な応力管理に強く影響を受ける。機械的ガラス信頼性は、(1)表面欠陥集団が引張応力下におかれるようなガラス基板の一軸曲げ−この応力はシートまたはロールツウロール製造工程におけるある半径(例えば搬送ローラー)の周りの基板の曲げにともなうことが多い、及び(2)表面欠陥集団が2つの軸平面において引張応力下におかれるようなガラスの衝撃荷重−このタイプの応力はガラスの表面を撓ませる動的衝撃を受けたときにつくられる、によって影響され得る。
無被覆ガラスの一軸曲げ
ガラス板(ガラスのシートまたはリボン)が(ガラスがデバイス内に保持されているかまたは処理中にローラーを巡って曲げられるときのように)湾曲または半径Rの曲げを受けると、ガラスに応力が発生する。無被覆ガラス板の形状が図1に示される。ガラス板が曲げ半径Rを達成するように、ガラスが図1のz軸の周りに印加される曲げモーメントを受けると、x軸(中立軸)に対する位置(y)における応力は下式[1]:
Figure 0006014126
によって計算することができる。ここで、
σは応力であり、
はガラスのヤング率であり、
νはガラスのポアソン比であり、
κは曲げ曲率であって、2/Dに等しく、
yは応力σが計算されるy軸における位置であり、
Dはガラスの曲げ半径Rの2倍であり、
はガラスの厚さである。
最大引張応力は、曲げ方向に依存して表面12または表面14のいずれかになるであろう、ガラスのいずれかの側に生じる。すなわち、表面12が凸面になるようにガラス10が曲げられれば最大引張応力は表面12にあるであろうが、表面14が凸面になるようにガラス10が曲げられれば最大引張応力は表面14にあるであろう。いずれの場合にも、式[1]のyに(1/2)tを代入すれば、最大応力σ最大の絶対値は下式[2]:
Figure 0006014126
によって定められる。
二層ガラス−ポリマー積層構造の一軸曲げ
図2に示されるように、ガラス10の一表面、図2に示されるように表面12にポリマー層20が積層されている場合、中立軸yは下式[3]:
Figure 0006014126
によって定められる。ここで、
Figure 0006014126
であって、
β=t/tであり、
はポリマーの厚さであり
はポリマーのヤング率であり、
νはポリマーのポアソン比である。
したがって、積層構造が曲率半径Rで曲げられたときの、yに対する位置yにおけるガラスの応力σは、下式[4]:
Figure 0006014126
によって定められる。
図3に示されるように、(上にポリマー層を有する)表面12が凸面になる(ポリマー層20がない表面14は凹面になる)ように、積層構造が曲率半径Rで曲げられた場合、ガラスの最大引張応力σ最大は表面12に発生し、下式[5]:
Figure 0006014126
によって定められるであろう。
式[2]と式[5]を比較すると、裸ガラスについての場合と比較して、ポリマー層がガラスに対する最大応力σ最大に乗数を導入し、さらに詳しくは、乗数(以降被覆係数Fと称される)が式[6]:
Figure 0006014126
で定められることが分かる。
被覆係数Fが1であれば、式[5]は式[2]に簡約され、よって積層構造が図3の形状をとっていてもポリマーが表面12におけるガラスの最大曲げ応力になんの効果も有していない−すなわち、表面12における曲げ応力にポリマー層20が影響を及ぼしていない−ことが分かる。しかし、被覆係数が1より小さければ、式[5]によって計算されるようなガラスの最大応力は式[2]によって計算される最大応力に比較して減じられるであろう。言い換えれば、表面12における引張応力はポリマー層20の存在によって減じられるであろう。被覆係数Fはβ及びγを適するように選ぶことによって1より小さくすることができる。
図4〜6はβ及びγの様々な変化に対する被覆係数Fへの効果のモデル計算結果を示す。これらの図に対し、ガラス厚は5μm〜500μmの範囲にある(例えば、5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70.75,80,85,90,95,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200,210,220,230,240,250,260,270,280,290,300,310,320,330,340,350,360,370,380,390,400,410,420,430,440,450,460,470,480,490,500μmである)とし、ポリマー厚は1μm〜2000μmの範囲にあるとし、ガラスのヤング率は50〜95GPaの範囲にある(例えば、50,55,60,65,70,75,80,85,90,95GPaである)とし、ポリマーのヤング率は10〜9500MPaの範囲にある(例えば、10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,120,130,140,150,175,200,225,250,275,300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,800,850,900,950,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1600,1700,1800,1900,2000,2100,2200,2300,2400,2500,2600,2700,2800,2900,3000,3100,3200,3300,3400,3500,3600,3700,3800,3900,4000,4100,4200,4300,4400,4500,4600,4700,4800,4900,5000,5100,5200,5300,5400,5500,5600,5700,5800,5900,6000,6100,6200,6300,6400,6500,6600,6700,6800,6900,7000,7100,7200,7300,7400,7500,7600,7700,7800,7900,8000,8100,8200,8300,8400,8500,8600,8700,8800,8900,9000,9100,9200,9300,9400,9500MPaである)とした。ヤング率のこれらの値において、ポアソン比は被覆係数Fに小さな影響しか有しておらず、簡単のために無視することができる。例えば、適するガラス組成の、米国ニューヨーク州コーニング(Corning)のコーニング社(Corning Incorporated)から入手できる、コーニングEagle XG(商標)は約74GPaのヤング率及び約0.23のポアソン比を有する。しかし、他の場合、より複雑な被覆係数Fの計算に対してはポアソン比を含めることが有用であり得る。
図4において、一連の曲線は0〜1で一定のβ値についての例であり、さらに詳しくは、曲線400はβ=0を示し、曲線401はβ=0.1を示し、曲線402はβ=0.2を示し、曲線403はβ=0.3を示し、曲線404はβ=0.4を示し、曲線405はβ=0.5を示し、曲線406はβ=0.6を示し、曲線407はβ=0.7を示し、曲線408はβ=0.8を示し、曲線409はβ=0.9を示し、曲線410はβ=1.0を示す。他方で、γは0〜0.2の範囲にある(例えば、0.02,0.04,0.06,0.08,0.1,0.12,0.14,0.16,0.18及び0.2である)。図4から分かるように、一定で非ゼロのβ(曲線401〜410のいずれか)について、γの増大に対して(及び、近似的な意味において、ポリマーのヤング率がガラスのヤング率に対して大きくなるからポアソン比を無視する場合に)被覆係数Fは小さくなる。同様に、与えられたγについては、βの増大に対して(すなわち、ポリマー厚がガラス厚に対して大きくなると)、被覆係数Fは小さくなる。いかなる場合にも、それぞれ0より大きいβ及びγに対して被覆係数Fは1より小さく、図1の裸ガラスの場合に比較して、ポリマー層20が表面12におけるガラス10の最大引張応力低減に必ず有益であることを意味している。したがって、ガラス−ポリマー積層構造が図3の形状で、すなわち、ポリマー層20を上に有する表面12が凸方位にあるように、またポリマー層20を上にもたない表面14が凹方位にあるように、配された場合、ガラス−ポリマー積層構造のガラスは、図1の裸ガラスの場合に比較して、より頑強であろう。したがって、ガラス−ポリマー構造をデバイスに配する場合、図3に示される形状でガラス−ポリマー構造を配することが有益である。
図5及び6は図4に関して上で論じたことと同様の結果を示す。詳しくは、図5において、被覆係数Fはβ及びγの関数として示され、一連の曲線は1〜400で一定のβ値についての例であり、さらに詳しくは、曲線500はβ=1を示し、曲線501はβ=10を示し、曲線502はβ=25を示し、曲線503はβ=50を示し、曲線504はβ=100を示し、曲線505はβ=200を示し、曲線506はβ=300を示し、曲線507はβ=400を示す。図5から、ポリマー層20とガラス10について相対厚の適する選択(適するβの選択)により、被覆係数Fを負にできることが分かる。すなわち、ガラス10を圧縮状態にすることができ、圧縮状態において、ガラス10は非常に耐久性があり、いかなる欠陥もガラス10を通って伝搬することは困難である。図6は同様の範囲のβを示すが、一連の曲線は一定のγの例である。詳しくは、曲線600はγ=0.001を示し、曲線601はγ=0.0025を示し、曲線602はγ=0.005を示し、曲線603はγ=0.01を示し、曲線604はγ=0.025を示し、曲線605はγ=0.05を示し、曲線606はγ=0.1を示し、曲線607はγ=0.2を示す。
しかし、ポリマー層はガラス10の最大応力の低減に必ずしも有益ではない。例えば、図7〜10を参照すれば、ガラス−ポリマー積層構造が、表面14(すなわち、上にポリマー層20をもたない表面)が、(上にポリマー層20を有する表面12が凸面形状に配さるように)凹面形状にされている、図7に示されるような形状に配された場合、ガラスの最大引張応力σ最大は増大し、よって、ガラス−ポリマー積層構造のガラスは図1のガラスより頑強ではない。さらに詳しくは、図7の形状に対する最大引張応力は表面14に生じ、下式[7]:
Figure 0006014126
で与えられる。
式[7]と式[2]を比較すると、裸ガラスに対する場合と比較して、ポリマー層が式[8]:
Figure 0006014126
によって定められる被覆係数Fを導入することが分かる。
しかし、この場合、すなわち上にポリマー層20を有する表面12が凹面態様の形状にされている図7の場合、被覆係数Fは最善でも1にしか等しくなり得えない。したがって、最善でも、この形状におけるポリマー層20は無害ではあるが、裸ガラスの場合に比較してガラスの最大引張応力を低減することはできない。言い換えれば、ガラス−ポリマー積層構造がこの形状に方位が定められると、ガラスの頑強さは高められず、実際は、低められるようである。
図8〜10はβ及びγの様々な変化に対する被覆係数Fへの効果のモデル計算結果を示す。これらの図に対し、ガラス厚は5μm〜500μmの範囲にある(例えば、5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70.75,80,85,90,95,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200,210,220,230,240,250,260,270,280,290,300,310,320,330,340,350,360,370,380,390,400,410,420,430,440,450,460,470,480,490,500μmである)とし、ポリマー厚は1μm〜2000μmの範囲にあるとし、ガラスのヤング率は50〜95GPaの範囲にある(例えば、50,55,60,65,70,75,80,85,90,95GPaである)とし、ポリマーのヤング率は10〜9500MPaの範囲にある(例えば、10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,120,130,140,150,175,200,225,250,275,300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,800,850,900,950,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1600,1700,1800,1900,2000,2100,2200,2300,2400,2500,2600,2700,2800,2900,3000,3100,3200,3300,3400,3500,3600,3700,3800,3900,4000,4100,4200,4300,4400,4500,4600,4700,4800,4900,5000,5100,5200,5300,5400,5500,5600,5700,5800,5900,6000,6100,6200,6300,6400,6500,6600,6700,6800,6900,7000,7100,7200,7300,7400,7500,7600,7700,7800,7900,8000,8100,8200,8300,8400,8500,8600,8700,8800,8900,9000,9100,9200,9300,9400,9500MPaである)とした。ヤング率のこれらの値において、ポアソン比は被覆係数Fに小さな影響しか有しておらず、簡単のために無視することができる。例えば、適するガラス組成の、コーニングEagle XGは約74GPaのヤング率及び約0.23のポアソン比を有する。しかし、他の場合、より複雑な被覆係数Fの計算に対してはポアソン比を含めることが有用であり得る。
図8において、一連の曲線は0〜1で一定のβ値についての例であり、さらに詳しくは、曲線800はβ=0を示し、曲線801はβ=0.1を示し、曲線802はβ=0.2を示し、曲線803はβ=0.3を示し、曲線804はβ=0.4を示し、曲線805はβ=0.5を示し、曲線806はβ=0.6を示し、曲線807はβ=0.7を示し、曲線808はβ=0.8を示し、曲線809はβ=0.9を示し、曲線810はβ=1.0を示す。他方で、γは0〜0.2の範囲にある(例えば、0.02,0.04,0.06,0.08,0.1,0.12,0.14,0.16,0.18及び0.2である)。図8から分かるように、一定で非ゼロのβ(曲線801〜810のいずれか)について、γの増大に対して(及び、近似的な意味において、ポリマーのヤング率がガラスのヤング率に対して大きくなるからポアソン比を無視する場合に)被覆係数Fは小さくなる。同様に、与えられたγについては、βの増大に対して(すなわち、ポリマー厚がガラス厚に対して大きくなると)、被覆係数Fは大きくなる。いかなる場合にも、それぞれ0より大きいβ及びγに対して被覆係数Fは1より大きく、図1の裸ガラスの場合に比較して、ポリマー層20が表面14におけるガラス10の最大引張応力を増大させることを意味している。したがって、ガラス−ポリマー積層構造が図7の形状で、すなわち、ポリマー層20を上に有する表面12が凹方位にあるように、またポリマー層20を上にもたない表面14が凸方位にあるように、配された場合、ガラス−ポリマー積層構造のガラスは、図1の裸ガラスの場合に比較して、頑強ではないであろう。
図9及び10は図8に関して上で論じたことと同様の結果を示す。詳しくは、図9において、被覆係数Fはβ及びγの関数として示され、一連の曲線は1〜400で一定のβ値についての例であり、さらに詳しくは、曲線900はβ=1を示し、曲線901はβ=10を示し、曲線902はβ=25を示し、曲線903はβ=50を示し、曲線904はβ=100を示し、曲線905はβ=200を示し、曲線906はβ=300を示し、曲線907はβ=400を示す。図10は同様の範囲のβを示すが、一連の曲線は一定のγの例である。詳しくは、曲線1000はγ=0.001を示し、曲線1001はγ=0.0025を示し、曲線1002はγ=0.005を示し、曲線1003はγ=0.01を示し、曲線1004はγ=0.025を示し、曲線1005はγ=0.05を示し、曲線1006はγ=0.1を示し、曲線1007はγ=0.2を示す。
三層ガラス−ポリマー構造の一軸曲げ
図11は三層可撓性ガラス−ポリマー構造を示し、同様の参照数字及び変数は図1〜10に関して上で論じたものと同様の項目を表す。この構成において、ガラス−ポリマー積層構造は、表面12及び14を有するガラス10,第1のポリマー層20及び第2のポリマー層30を有する。
この場合についての中立軸yは下式[9]:
Figure 0006014126
で与えられる。ここで、
Figure 0006014126
及び
Figure 0006014126
であり、
β=tp1/t
β=tp2/t
p1=第1のポリマー層20の厚さ、
p2=第2のポリマー層30の厚さ、
p1=第1のポリマー層20のヤング率、
p2=第2のポリマー層30のヤング率、
νp1=第1のポリマー層20のポアソン比、
νp2=第2のポリマー層30のポアソン比、
である。
この場合についてのガラスの曲げ応力σは下式[10]:
Figure 0006014126
で与えられ、ここで、
|κ|=1/D、
であり、
Dはガラス−ポリマー構造の曲げ半径Rの2倍、
である。上式[9]及び[10]から、式[11]:
Figure 0006014126
または、式[12]:
Figure 0006014126
であれば、y>0であり、図12の形状についてのガラスの最大引張応力が図1におけるような裸ガラスの場合の最大引張応力より低くなるであろうことが分かる。実用上、上記は、ガラス−ポリマー積層構造が湾曲形状で配されたときにガラスの最大引張応力が低減され、よってガラス−ポリマー積層構造のガラスがより頑強になるであろうように、ポリマー層20及び30の特性が相互に適切に選ばれ得ることを示す。しかし、他方で、ガラス−ポリマー積層構造が図12の形状にあるときに上式[11]及び/または[12]不等号が逆になるように第1のポリマー層20の特性に対して第2のポリマー層30の特性が選ばれれば、ガラスの最大引張応力は裸ガラスの場合についての最大引張応力より大きくなるであろう。すなわち、非対称三層ガラス−ポリマー積層構造については、最大引張応力が、2つの被覆層の[E(t+t)]/(1−ν )の相対的大きさに、また曲げ方向に、依存して大きくなるかまたは小さくなるであろう。ポリマー層20,30は異なるポリマーとすることができ、あるいは厚さが異なる同じポリマーとすることができる。
また、式[9]及び式[10]から、第1のポリマー層20と第2のポリマー層30が、同じヤング率、同じ厚さ及び同じポアソン比を有する同じタイプのポリマー層であれば(すなわち、ガラス−ポリマー積層構造が対称であれば)、最大引張応力の式は裸ガラスの場合と同じになるであろう。しかし、同じ曲げ曲率を達成するための曲げモーメントは裸ガラスの場合に比較して高められた曲げ剛性によって大きくなる。
応用
曲げ半径Rは、バッチ処理ラインまたは連続処理ラインとすることができる成形ラインまたは処理ラインを通してガラス−ポリマー積層品が搬送される際に、ロールによって与えられる−ラインは例えば成形ラインまたは処理ラインとすることができるが、説明の容易さだけのため、連続処理ラインに関して搬送を説明する。連続処理ラインを搬送される場合、ガラス−ポリマー積層品は連続リボンの形態にあるであろう。そのような処理ラインにおいて、リボンは一般に、例えば様々な処理ステーションの間で、リボンのセクションを累積するため一連のロールに巻き付けられる。ロールは累積リボン長が大きくなるにつれてリボンの張力を維持するために移動することができる。ロールはリボンの張力を維持するため、自重方式によるかまたは(独立にまたはマスタ−/スレーブ構成で)駆動装置を用いて1つ以上のロールを能動的に移動させることによって、操作することができる。多くのロールが連続して存在し得るから、使用スペースを最小限に抑えるために可能な限り小さい半径のロールを有することが望ましい。本明細書に開示される概念は、ロールによって占められる空間を最小限に抑えるため、そのようなリボン搬送に適用することができる。
連続処理ラインのロール区間の一実施形態が図13に示される。この図において、ガラス−ポリマー積層品2は一連の第1のロール100及び第2のロール200を通して矢印Aの方向に搬送される。場所Bにおいて、二層例について、ガラス10がロール100に面するように配され、ポリマー層20がロール200に面するように配される、ガラス−ポリマー積層品の方位が図14に示される。ガラス−ポリマー積層品2が第1のロール100を巡って搬送されている間、ガラス−ポリマー積層品2は図3に示される向きと同様の向きに配され、ポリマー層20は応力低減機能を与える。他方で、ガラス−ポリマー積層品2が第1のロール100を巡って搬送されているときは、ガラス−ポリマー積層品2が図7に示される向きと同様の向きに配され、ポリマー層はガラス10の応力を高める。したがって、これらの状況を比較すると、ガラス10に対する与えられた許容応力を有するガラス−ポリマー積層品に対し、特定のロールによって誘起されるガラスの最大引張応力はロール直径のDに反比例する態様で依存するから(式[5]及び[7]を見よ)、ロール100の直径Dはロール200の直径Dより小さくすることができる。そのような処理ラインの設計により、最悪の場面に対してガラス−ポリマー積層品を安全に搬送するために設計された同径ロールを有する同様の処理ラインに優る空間低減が可能になる。
縮小されたロール径の同様の利点は三層ガラス−ポリマー積層品によっても達成され得る。図15は三層例についての図13の場所Bにおけるガラス−ポリマー積層品の向きを示し、第2のポリマー層30が第1のロール100に面するように配され、第1のポリマー層20が第2のロール200に面するように配される。第1のポリマー層20と第2のポリマー層30の特性が式「11」及び/または「12」の関係にしたがって選ばれれば、やはり−二層の場合に関しての上記説明と同様に−ロール100はロール200より小さい直径を有することができる。
4つのロール100及び3つのロール200しか示されていないが、いかなる適切な数のそれぞれのロールタイプも用いることができる。また、ロール100はロール200の上方に配されるとして示されるが、ロール200がロール100の上方に配される、別の構成も同様に用いることができる。
別の実施形態において、曲げ半径Rを、ガラス−ポリマー積層品がデバイスに保持されている間、ガラスポリマー積層品に与えることができ、曲げは審美的目的または機能目的のため−例えば、ディスプレイにおける3D効果発生を補助するため−とすることができる。デバイスの略図が図16〜18に示される。デバイス300はハウジング302及びガラス−ポリマー積層部304を有する。ガラス−ポリマー積層部304は、例えば、それを通して光が放射される部分とすることができ、あるいは材料スタックにおける封入材/バリアとすることができる。
デバイス300の頑強性を向上させるため、図17に示されるような構成でガラス−ポリマー積層部304を配することができ、ポリマー層20はハウジング内部に向けて配され、ガラス10の表面14は凸面態様で、ハウジングの外側を向くように配される。あるいは、図18に示されるような構成でガラス−ポリマー積層部304を配することができ、ポリマー層20はハウジング外部に向けて配され、ガラス10の表面は凹面態様で、ハウジング302に内側を向くように配される。
図17及び18のそれぞれにおいて、ガラス−ポリマー積層部304が三層構造であれば、ガラス−ポリマー積層部304は、図示されるように配位されて、第1のポリマー層20の特性に対して式「11」及び/または「12」を満たす特性を有する、第2のポリマー層30を有するであろう。ハウジング302は、図17に示されるように、ガラス−ポリマー積層部304の形状に相補的な態様で湾曲させた形状を有することができるが、図18に示されるように、そのような必要はない。
全般的考察
本開示を通して、ガラス−ポリマー積層構造は、積層構造に用いられる得るガラスと同様に、(所望のいずれかの形状の)シートまたはリボンの形態にあることができる。
ポリマー層(説明の容易さのためだけに以降ポリマー層と称される、上述したポリマー層20及び30,あるいは衝撃荷重に関して以下で説明されるポリマー層)のそれぞれは様々なポリマー、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)、または熱可塑性ポリマーポリオレフィン(TPO(商標)−ポリエチレン、ポリプロピレン、ブロックコポリマーポリプロピレン(BCPP)またはゴムのポリマー/フィラーブレンド)、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリビニルブチラート、ポリエチレン及び置換ポリエチレン、ポリヒドロキシブチラート、ポリヒドロキシビニルブチラート、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリエーテル、ポリスルホン、ポリビニルアセチレン、透明熱可塑性プラスチック、透明ポリブタジエン、ポリシアノアクリレート、セルロースベースポリマー、ポリアクリレート及びポリメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリサルファイド、及びポリシロキサンを有することができる。プレポリマーまたは前駆化合物として被着/コーティングし、次いで転換することができる、エポキシ樹脂、ポリウレタン、フェノールホルムアルデヒド樹脂及びメラミンホルムアルデヒド樹脂のような、ポリマーを用いることも可能である。ポリマー層はいくつかの用途に対して透明とすることができるが、他に、その必要はない用途もある。
さらに、ポリマー層のそれぞれは、それぞれ自体を、異なるヤング率、異なるポアソン比及び/または異なる厚さをもつ異なるタイプのポリマーでつくられた積層構造または複合構造とすることができる。この場合、当業者であれば複合層を均質化して、ガラス−ポリマー積層構造を有用な態様で構成するために本明細書に説明されるように用いられ得る、実効厚さ、実効ヤング率及び実効ポアソン比を含む、層全体に対する実効値を見いだすことができるであろう。
本明細書に説明されるガラス−ポリマー積層構造はデバイス機能層を載せるための基板として用いることができ、あるいはデバイス内の封入材層として用いることができる。デバイスは電子デバイス、例えば、(例えば、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機発光ダイオードディスプレイ、フラットパネルディスプレイを含む)ディスプレイスクリーン、発光デバイス、太陽電池モジュールとすることができる。機能層には、例えば、薄膜トランジスタ(TFT),ダイオード、フォトダイオード、トライオード、太陽電池、フォトカプラ、透明電極、カラーフィルタ、電気伝導層を含めることができる。ガラス−ポリマー積層構造はディスプレイスクリーン上、例えば上述したデバイス上、に積層されたカバーとして用いることができる。
ガラス−ポリマー積層構造は、電子デバイスにおける保護素子として用いるための、実質的に透明な、成形可能及び/または可撓性の構造とすることができ、ガラス−ポリマー積層構造は、厚さが5〜500μmのガラス層及び厚さが1〜2000μmの範囲にあるポリマー層を含む複合構造である。この点については、ガラス−ポリマー積層構造の成形性により、曲げ及び/またはねじりによるガラス−ポリマー積層構造の完全平面からの偏りが可能になり、よって、ガラス−ポリマー積層構造を何か他の物体の形状または形態に適合させることができる。ガラス−ポリマー積層構造の可撓性により、そのバリア特性に有害な影響を与えずにガラス−ポリマー積層構造の曲げが可能になる。
電子デバイスは有機発光デバイスとすることができる。他の電子デバイスには、薄膜トランジスタ(TFT),ダイオード、フォトダイオード、トライオード、太陽電池及びフォトカプラがある。
ガラス−ポリマー積層構造は電子デバイスのための基板となることができ、したがって、透明電極層をコーティングすることができる。この場合、電極コーティングはガラス層の一方の表面に施される。別形として、ガラス−ポリマー積層構造は発光デバイスまたは他の電子デバイスのための封入フィルムとなることができる。
ガラス−ポリマー積層構造が有機発光デバイスのための基板となる構造を形成するため、ポリマー層に張り付ける前にガラス層に透明電極層をあらかじめコーティングすることができ、あるいはガラス−ポリマー積層構造の作製後に透明電極層を被着することができる。ポリマー層が電極層を支持する内層となり、ガラス層が外層となるように、ガラス−ポリマー積層構造の層順を逆にすることも可能である。
ガラス−ポリマー積層構造をもつ電子デバイスは、ガラス−ポリマー積層構造の形成、透明電極層の被着、1つまたはそれぞれの電気的活性層の被着及び第2の電極層の被着を含む、一連の工程シーケンスで製造することができる。完成デバイスの製造に対し、バッチプロセス、半連続プロセスまたは連続プロセスを考えることができる。第2の電極層上に封入層をさらに設けることができる。
異なる実施形態にしたがい、ガラス−ポリマー積層構造を製造するための様々な手法が可能である。
一実施形態にしたがえば、第1の透明電極(例えばITO)のコーティングを支持しているポリマー層が供給される。次いで、少なくとも1つの電気的に活性な、例えば電界発光する、有機材料層が被着され、続いて、第2の電極層が被着される。完成構造が次いでガラス層に積層される。
別の実施形態にしたがえば、上記シーケンスにおいてポリマー層とガラス層が入れ換えられる。
また別の実施形態にしたがえば、ガラス−ポリマー積層構造があらかじめ作製され、次いで第1の電極層、電気的に活性な材料の少なくとも1つの層及び第2の電極層の被着のための基板として用いられる。
第1の電極層に隣接してガラス層の内側にあるポリマー層をもつ、ガラス層が「外層」として用いられる場合、基板に存在し得る不純物(例えば、酸素、水及び考え得るその他の低分子量化合物)を(例えば、脱ガス、ベークまたはパージにより)除去することが重要である。
バッチプロセスによれば、ガラス及びポリマー層はシート形態で供給され得る。
あるいは、ガラス層はシート形態で提供され、ポリマー層は連続ロールから供給され得る。
別の可能性として、ガラス層及びポリマー層のいずれも連続ロールから供給される。
複合構造はガラス層とポリマー層の、例えば、バッチプロセス、連続ロールツウロールプロセスまたは、ポリマー層が連続フィルムであってガラス層がシート形態にある、半連続プロセスにしたがう、積層によって形成することができる。
ポリマー層には、プレポリマーまたは前駆化合物として被着/コーティングし、次いで転換することができる、エポキシ樹脂、ポリウレタン、フェノールホルムアルデヒド樹脂及びメラミンホルムアルデヒド樹脂のような、ポリマーを用いることも可能である。
ガラス層とポリマー層の積層は2つの層の間のグルー/接着剤によることができる。この場合、接着剤は2つの基板の一方の上または両基板上にあらかじめ塗布するか、あるいは、室温または高温において圧力を用いるかまたは用いずに、積層プロセス中に与えることができる。UV硬化接着剤も適している。
ポリマー層はヒートシール接着剤があらかじめ塗布されているポリマーシートの形態にあることができる。
ガラス層上へのポリマー層の積層及び/または被着はガラスの製造プロセスに統合することができる。すなわち、ガラスが製造ラインから出てきて、(まだ熱いか、または暖かいかまたは冷えている状態において)ポリマー層で被覆される。
積層による形成への代替として、バッチプロセスまたは連続プロセスによって複合構造のポリマー層がガラス層上にコーティングされる。ガラス層上へのポリマー層のコーティングは、浸漬、スプレイ、溶液−スピン、溶液−ナイフまたはメニスカスコーティングによるか、あるいは溶融ポリマーのガラス層上へのコーティングによることができる。
すなわち、異なる、(i)ポリマーが既にフィルムとして存在し、ガラスに積層される場合及び(ii)ポリマーはフィルム形態になっておらず、浸漬、スプレイ、等々によってガラス上にコーティングされる場合を考えることが可能である。例えば、上述したプレポリマーは場合(ii)にしたがう。しかし、上述した他のポリマーのいくつかも場合(ii)にしたがってコーティングすることができる。この場合、主に、溶液からの、融液からの、またはプレポリマーとしての、コーティングによってポリマーをガラス上にコーティングすることができる。
ガラス−ポリマー積層構造は、OLED(小分子蛍光体(SMF)及び発光ポリマー(LEP)のためだけでなく、電気的活性層を有する他のデバイス、例えば、有機光検出器、有機太陽電池、薄膜トランジスタ(TFT)アレイ及びOLED用TFTのための基板/封入材としても用いることができる。他に、パターン化されていないブラックライト及びその他の光源あるいはサイン、英数字ディスプレイまたはドットマトリックスのようなパターン化されたデバイス及びその他の高解像度ディスプレイのようなLEP製品のための用途がある。
電子デバイスの製造においては、通常、層のいくつかまたは全てが処理工程にかけられる必要がある。例えば、ポリ(フェニレンビニレン)(PPV)のような半導電性共役ポリマーである電界発光有機材料が存在していれば、その層の被着は通常、溶剤内のポリマーへの前駆体を、例えばスピンコーティングにより、被着し、次いで前駆体を最終ポリマーに転換するためにその層を後続処理工程にかけることによって行われるであろう。したがって、下層のガラス−ポリマー積層構造は、これらのプロセス工程中に存在すれば、前駆体層のスピンコーティングのための溶剤及び、溶剤を追い出し、前駆体をポリマーに転換するために用いられる後続の温度に耐えることができなければならない。すなわち、ガラス−ポリマー積層構造のポリマー層は適切な品質をもつことが必要である。例えば、ガラス−ポリマー積層構造が高温にさらされることになるのであれば、ポリマー層のガラス転移温度はそれらの温度より高くするべきである。例えば、150℃をこえる温度が可能である。さらに、いくつかの場合において、ポリマー層は、MEH PPVのような可溶性共役ポリマーに対して用いられる、キシレン混合液、THFのような、ポリマーに用いられる溶剤層に耐性を有するべきである。
ガラス−ポリマー積層構造は2つより多くの層を有することができる。例えば、複合層は1つのガラス層と2つのポリマー層を有することができる。
実際上、複合構造は、一方のポリマー層の外表面上にITOのコーティングをもつ、ポリマー/ガラス/ポリマー複合構造を含むことができる。そのような構造は、ガラス層とポリマー層の熱膨張係数にガラス−ポリマー積層構造の曲がりがおこるほどのかなりの差がある場合に有益であろう。これは付加層が組み込まれれば防止されるであろう。
追加の機能をポリマー層に組み込むことができる。例えば、ポリマー層には、ポリマー偏光板、コントラスト強調フィルタ積層板を含めることができ、ポリマー層は、無反射特性、カラーフィルタ特性またはカラー変換特性を有することができる。例えば、発光層が青色発光し、積層構造が、例えば、青色光を吸収して赤色または緑色で再発光する、赤色蛍光または緑色蛍光を発する分子を積層構造が含む、デバイスを得ることが可能であろう。あるいはまたはさらに、ポリマー層は不要な周囲光を遮断するように設計することができ、及び/または、導波性が抑えられ、デバイスの輝度が高められるように、散乱粒子を有することができる。そのような追加機能はガラス層に組み込むことができるであろう。複合構造に第3の層がポリマーが与えられれば、これにより、異なる層への異なる追加機能の組込みの可能性を提供する、2つの異なるタイプのポリマー層を考えることが可能になる。
衝撃荷重
上述したガラス−ポリマー積層構造の要件及び構成は、表面欠陥集団が動的衝撃により2つの軸平面において引張応力下におかれる、衝撃荷重に耐えるように積層構造を設計する上でも有用であり得る。例えば製品適格性評価中になされる、ボール落下試験は衝撃荷重の代用として役立つことが多い。ガラス−ポリマー積層構造への動的衝撃荷重のモデル研究を、(図19〜22の議論を通して適用できる)以下の仮定:
ガラス及び/またはポリマーの積層構造の試料寸法は300mm×300mmであり、四辺の全てについて外周25.4mm幅はクランプされる、
=73.6GPa、
ν=0.23、
ガラス密度=2.38×10kg/m
ポリマー被覆#1:E=3GPa、ν=0.3、密度=1.4×10kg/m
ポリマー被覆#2:E=6GPa、ν=0.3、密度=1.4×10kg/m
ポリマー被覆#3:E=9GPa、ν=0.3、密度=1.4×10kg/m
ポリマー被覆#4:E=12GPa、ν=0.3、密度=1.4×10kg/m、及び
二層ガラス−ポリマー積層構造のガラス側上へのボール落下、
を用いて実施した。
動的衝撃事象の最大主応力は、物体の重量、形状及び落下高さの関数である。図19は厚さが100μmの裸ガラス試料上に様々な高さから落下させた様々な重量のボールについての一連の曲線を示し、MPa単位の最大主応力をm単位の落下高さの関数として示す。さらに詳しくは、曲線1901は32gのボール重量について、曲線1902は64gのボール重量について、曲線1903は128gのボール重量について、曲線1904は256gのボール重量について、示す。この図から分かるように、与えられた落下高さに対し、最大主応力はボール高さが大きくなるにつれて高くなる。同様に、与えられたボール重量に対し、最大主応力はボール落下高さが大きくなるにつれて高くなる。実際問題として、特定の製品に対する標準試験は、標準を満たすために製品が耐えなければならない(ボールの重量、落下高さ及び/または直径を含む)最大衝撃エネルギーを指定する。例えば、IEC6164(薄膜地上PVモジュール−設計時適格性評価及び型式承認)及びUL1703(平板PVモジュール及びパネル)が、ボール落下実験による何らかの形態の衝撃試験を必要とする標準である。すなわち、曲線1901から1904は同様の関係(すなわち、衝撃エネルギーの増加にともなう最大主応力の増大)を示すから、以下に論じられる設計原則・指針が、様々な標準に述べられる様々な衝撃エネルギー試験を満たすようなガラス−ポリマー積層構造の設計に適用されるであろう。
図19に例示される上述した最大主応力は特定の製品要件セットに対して低減することができる。例えば、図20に示されるように、(衝撃荷重によって与えられるであろうような)ガラスの最大主応力は、ガラスに積層されるポリマー層のヤング率を高めることによって、及び/またはポリマー層の厚さを大きくすることによって、低減することができる。さらに詳しくは、図20は(二層ガラス−ポリマー積層構造のガラス側上に1mの高さから落下させた32gのボールによって与えられるであろうような)最大主応力対ガラス−ポリマー積層構造のポリマー層のヤング率のグラフであり、t=100μmである。曲線2001はポリマー厚t=100μmの場合であり、曲線2002はポリマー厚t=300μmの場合である。曲線2001から分かるように、与えられた衝撃荷重及びポリマー層厚に対し、最大主応力はポリマー層のヤング率が高くなるにつれて低減されるであろう(上述したポリマー被覆#1〜#4に対応する4点で示されている)。曲線2002は同様の関係を示す。さらに、曲線2002を2001と比較すれば、与えられた衝撃荷重及びポリマー層のヤング率に対し、最大主応力はポリマー層厚が大きくなると、すなわち、厚さが曲線2001から曲線2002の厚さまで大きくなると、低減されるであろうことが分かる。したがって、与えられた設計基準がガラス厚及びポリマー層のヤング率であれば、所要最大主応力を満たすに適するポリマー層厚を選ぶことができる(この最大主応力は、製品の使用中に推定される最大主応力であるか、または標準で指定されるような最大主応力とすることができ、説明の容易さのため、これは以降単に所要最大主応力と称される。さらに、最大主応力は以下で論じられるように安全率を与えるために下げられ得る−これは本明細書で論じられる他の状況における最大主応力に対する場合であると想定されるが、説明を簡潔にするため、それぞれの場合に特に述べることはしない)。同様に、与えられた設計基準がガラス厚及びポリマー層厚であれば、所要最大主応力を満たすに適するポリマー層材料(すなわち、適するヤング率を有するポリマー材料)を選ぶことができる。
図21は、(50mmの直径を有する)500gのボールを0.41mの高さからガラス上及び様々な二層ガラス−ポリマー積層構造のガラス側上に落下させたときにボールによってあたえられるであろう最大主応力値の比較を示す。ボールは基板に2ジュールのエネルギーを与えるであろう。さらに詳しくは、バー2101はt=100μmの厚さを有する裸ガラス基板の場合を示し、バー2102は、ガラス厚t=100μm及びポリマー層厚t=500μmで、ポリマー層がポリマー被覆#1の特性(特に、E=3GPa)を有する、二層ガラス−ポリマー積層構造の場合を示し、バー2103は、ガラス厚t=100μm及びポリマー層厚t=1000μmで、ポリマー層がポリマー被覆#1の特性(特に、E=3GPa)を有する、二層ガラス−ポリマー積層構造の場合を示し、バー2104は、ガラス厚t=100μm及びポリマー層厚t=1000μmで、ポリマー層がポリマー被覆#4の特性(特に、E=12GPa)を有する、二層ガラス−ポリマー積層構造の場合を示す。
バー2101をバー2102〜2104のいずれかと比較することにより、与えられたガラス厚に対して、ガラスに積層されるポリマー層によって最大主応力を低減できることが分かる。したがって、ガラス厚が与えられた設計基準であれば、ガラスが所要最大応力に耐えるであろうような積層構造として、適するポリマー層を選ぶことができよう。
バー2102をバー2103と比較することにより、与えられたガラス厚及びポリマー層材料特性に対して、ポリマー層厚を大きくすることによってガラスの最大主応力が低減されるであろうことが分かる。したがって、ガラス厚及びポリマー層特性が設計基準として与えられていれば、所要最大主応力を満たすに適するポリマー層厚を選ぶことができるであろう。
バー2103をバー2104と比較することにより、与えられたガラス厚及びポリマー層厚に対して、ポリマー層のヤング率を高めることによってガラスの最大主応力が低減されるであろうことが分かる。したがって、ガラス厚及びポリマー層厚が設計基準として与えられていれば、所要最大主応力を満たすに適するポリマー層ヤング率を選ぶことができるであろう。
図22は、上述した結果が100μmのガラス厚に限定されず、より厚いガラスに対してもガラス−ポリマー積層構造にすることよって最大主応力低減が達成され得ることを示す。さらに詳しくは、図22は、535gのボール(直径51mm)を1.295mの高さからガラス表面上に落下させた(6.78ジュールの付与エネルギーが得られる)場合を示す。バー2201は100μmの厚さを有する無被覆ガラスの場合を示し、バー2202は100μmのガラス厚及び、厚さt=1000μmを有し、ポリマー被覆#4の特性(特に、E=12GPa)も有する、ポリマー層を有する二層ガラス−ポリマー積層構造の場合を示し、バー2203は300μmの厚さを有する無被覆ガラスの場合を示し、バー2204は300μmのガラス厚及び、厚さt=1000μmを有し、ポリマー被覆#4の特性(特に、E=12GPa)も有する、ポリマー層を有する二層ガラス−ポリマー積層構造の場合を示す。
バー2201をバー2202と比較することにより、100μm厚ガラスの最大主応力はポリマー層と積層されることによって低減されるであろうことが分かる。同様に、バー2203とバー2204を比較することにより、より厚い、すなわち300μm厚の、ガラスの最大主応力もポリマー層と積層されることによって低減されるであろうことが分かる。したがって、例えば、ポリマーの層厚及び/または特性を変えることによる、特定の所要最大主応力に耐えるようにガラス−ポリマー積層構造を設計する概念は、様々なガラス厚に適用することができる。
上の議論について、モデル計算による最大主応力の値が、最大主応力の実際の値はメッシュサイズ、すなわち標本点間のピッチ、及び境界条件、すなわち試料が保持される態様に依存するであろうから、相対比較目的のためでしかないことに注意すべきである。例えば、モバイルデバイスに用いられるガラス−ポリマー積層構造の衝撃事象中、衝撃に対向する側は通常、引張り側であろう。
応力ディレーティング
ガラスの固有の機械的信頼性特性は適切な応力管理により維持され得る。所要最大主応力を調節するための一手法は応力ディレーティングによる安全率を適用することである。安全率は材料の固有強度に対する印加応力の比である。設計に適用される比が小さくなるほど、長期信頼性保証の確率が高くなる。設計属性がガラス−ポリマー積層構造の選択、厚さ及び場所に影響するであろう。
図23は、様々な製品信頼性タイプフレームについて所要強度に対する印加応力の関係を示すガラスディレーティンググラフである。さらに詳しくは、直線2301は秒台のタイムフレームを示し、直線2302は時間台のタイムフレームを示し、直線2303は年台のタイプフレームを示す。すなわち、例えば、200MPaの所要印加最大主応力に対して、印加応力が、数秒程度続くと推定される場合、所要強度は200MPa未満になるであろうし、数時間程度続くと推定される場合、所要強度は500MPa未満になるであろうし、数年程度続くと推定される場合、所要強度は約1000MPaになるであろう。すなわち、応力が印加される時間が長くなるほど、ガラスに要求される強度は高くなる。逆に、例えば、ガラスが、1000MPaの強度を有していれば、数年程度は約200MPaの、数時間程度は400MPa未満の、数秒程度は400MPaより大きい、印加最大主応力に耐えることができるであろう。
結言
本発明の上述した実施形態は、特にいずれの「好ましい」実施形態も、可能な実施形態の例に過ぎず、本発明の様々な原理の明瞭な理解のために述べられているに過ぎないことは強調されるべきである。本発明の精神及び様々な原理を実質的に逸脱することなく、本発明の上述した実施形態に多くの変形及び改変がなされ得る。全てのそのような改変及び変形は、本開示及び本発明の範囲内に含められ、添付される特許請求の範囲によって保護されるとされる。
2 ガラス−ポリマー積層品
10 ガラス
12,14 ガラスの表面
20,30 ポリマー層
100,200 ロール
300 デバイス
302 ハウジング
304 ガラス−ポリマー積層部

Claims (10)

  1. 積層構造において、
    5〜500μmの厚さを有するガラスシート、及び
    前記ガラスシートの第1の表面に積層された第1のポリマー、
    を有し、
    前記第1のポリマーが前記ガラスシートに被覆係数(F)を与え、
    前記被覆係数(F)が下式:
    F=(1−γβ )/(1+γβ)
    で定義され、ここで
    γ=[Ep1(1−ν )]/[E(1−νp1 )]、
    β=tp1/t
    p1=前記第1のポリマーのヤング率、
    p1=前記第1のポリマーの厚さ、
    νp1=前記第1のポリマーのポアソン比、
    =前記ガラスのヤング率、
    =前記ガラスの厚さ、及び
    ν=前記ガラスのポアソン比、
    であり、
    前記積層構造は前記ガラスシートの第2の表面が凹面形状で配されるように湾曲される、及び
    さらに、前記被覆係数(F)は0より小さい
    ことを特徴とする積層構造。
  2. βが1〜400であり、γが0.001〜0.2であることを特徴とする請求項1に記載の積層構造。
  3. が50〜95GPaであることを特徴とする請求項1または2に記載の積層構造。
  4. p1が10〜9500MPaであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の積層構造。
  5. 積層構造において、
    第1の表面、第2の表面及び5〜500μmの厚さを有するガラスシート、
    前記ガラスシートの前記第1の表面に積層された第1のポリマー層であって、第1のヤング率(Ep1)、第1の厚さ(tp1)、及び第1のポアソン比(νp1)を有する第1のポリマー層、
    及び
    前記ガラスシートの前記第2の表面に積層された第2のポリマー層であって、第2のヤング率(Ep2)、第2の厚さ(tp2)、及び第2のポアソン比(νp2)を有する第2のポリマー層、
    を有し、
    前記ガラスシートは前記第2の表面が凹面形状で配されるように湾曲される、及び
    さらに、前記第1のポリマー層と前記第2のポリマー層は:
    [(Ep1p1(t+tp1)/(1−νp1 )]>[(Ep2p2(t+tp2)/(1−νp2 )]
    であるように構成される、
    ことを特徴とする積層構造。
  6. 前記ガラスが25〜400μmの厚さを有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の積層構造。
  7. 電子デバイスにおいて、
    ハウジング、及び
    前記ハウジングに結合されたガラス−ポリマー積層構造部分、
    を有し、
    前記ガラス−ポリマー積層構造部分が、
    ガラスシートの厚さが5〜500μmの、請求項1から5のいずれか1項に記載の積層構造を有し、
    前記ガラス−ポリマー積層構造部分は前記ガラスシートの前記第2の表面が凹面形状で配されるように湾曲される、
    ことを特徴とする電子デバイス。
  8. ガラス−ポリマー積層品を搬送する方法において、
    前記ガラス−ポリマー積層品が第1の側及び第2の側を有し、前記ガラス−ポリマー積層品が前記第1の側に第1のポリマー層及び前記第2の側にガラスを有する構造体または前記第1の側に第1のポリマー層及び前記第2の側に第2のポリマー層を前記第1のポリマー層と前記第2のポリマー層の間のガラスとともに有する構造体のいずれかであって、前記方法が、
    直径Dを有する第1のロールを巡って前記ガラス−ポリマー積層品を搬送する工程であって、前記ガラス−ポリマー積層品の前記第2の側は前記第1のロールに面するように配される工程、
    及び
    直径Dを有する第2のロール巡って前記ガラス−ポリマー積層品を搬送する工程であって、前記ガラス−ポリマー積層構造の前記第1の側は前記第2のロールに面するように配される工程、
    を含み、ここで
    <Dであり、
    さらに、前記ガラス−ポリマー積層品が前記第1の側に第1のポリマー層を有し、前記第2の側に第2のポリマー層を有する場合、
    前記第1のポリマー層が、第1のヤング率(Ep1)、第1の厚さ(tp1)、及び第1のポアソン比(νp1)を有し、
    前記第2のポリマー層が、第2のヤング率(Ep2)、第2の厚さ(tp2)、及び第2のポアソン比(νp2)を有し、
    前記第1のポリマー層と前記第2のポリマー層は:
    [(Ep1p1(t+tp1)/(1−νp1 )]>[(Ep2p2(t+tp2)/(1−νp2 )]
    であるように構成される、
    ことを特徴とする方法。
  9. 前記第2のポリマー層が異なるポリマーからなる積層構造であって、Ep2,tp2及びνp2が前記第2のポリマー層に対する実効値であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 前記第1のポリマー層が異なるポリマーからなる積層構造であって、Ep1,tp1及びνp1が前記第1のポリマー層に対する実効値であることを特徴とする請求項8または9に記載の方法。
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