TW201236985A - Local stengthening of glass by ion-exchange - Google Patents

Description

201236985 六、發明說明： 【優先權】 本申請案根據專利法之規定主張2〇11年2月28曰申 請之美國臨時申請案第61/447281號的優先權權利，該 案之全部内容作為依據且以引用的方式併入本文中。 【發明所屬之技術領域】 本申請案係針對化學強化玻璃，且詳言之係針對在已 自化學強化玻璃之大的薄片切割玻璃物品之後對該物品 之（多個）邊緣的局部強化。 【先前技術】 由於化學強化玻璃之極佳強度及抗損壞性，化學強化 玻璃已在觸控面板及攜帶型顯示器中發現廣泛應用。當 玻璃充當以與表面接觸之高層級曝露之裝置的蓋玻璃 時’此等性質尤其重要。化學強化玻璃之抗損壞性為經 由離子交換形成於玻璃基板上之表面壓縮層的直接結 果。藉由玻璃内部之拉伸區域來平衡表面壓縮。在玻璃 (例如 ’ Gorilla™玻璃（Corning Incorp〇rated))中易於 達成大於750 MPa之表面壓縮（CS)及大於40微米的 壓縮層深度（DOL )。比較而言，普通驗石灰玻璃已僅能 夠達到適度的表面壓縮（「CS」）及層深度（「D〇L」）， 該表面壓縮及該層深度通常分別為小於500 MPa及小於 1 5微米。 3 201236985 目前’觸控面板產業已對將觸碰感測器直接置於化學 強化蓋玻璃上感興趣，而非對如現行實踐之將單獨的觸 控面板結構層壓至蓋玻璃感興趣（見圖1)。最經濟之製 造處理程序將為將多個觸碰感測器圖案化至化學強化玻 璃之單一大薄片上，且接著自上面具有觸碰感測器之薄 片切掉個別零件❶然而’壓縮應力及儲存於化學強化玻 璃之中央拉伸區域中之彈性能量的量值使基板之機械切 割變得困難。因此’大多數現有生產製程涉及切割且修 整非離子交換玻璃基板以預先成形及隨後執行離子交 換。在此狀況下’觸碰感測器將必須單獨地圖案化至每 一個別零件上（「零件」製程）’該零件製程不如「整片」 製程經濟。 已在若干專利及專利申請公開案[例如，見US 4,468,534 ' US 2008-0128953 ' US 2010-0206008 ' US 2010-0210442及JP 2008-007384]中揭示用於切割回火 及化學強化玻璃基板之方法，該等方法中的一些方法適 用於分離尚強化玻璃。已揭示，對應力概況設定極限可 允許使用習知切割方法[例如，見US 2005-0221 044、Jp

2008-007369 、 JP 2004-352535 、 jp 2004-083378 、 GB 1222181及WO 2008-108332]。然而，後者方法由於限 制壓縮位準及/或層深度及因此限制可在玻璃中達成之 抗損壞性而受損失。兩種切割技術之嚴重缺點係以下事 貫.物品之邊緣在分離製程之後未經離子交換且因此經 受損壞及可能的延遲破壞（疲勞）。因此，需要具有—種 201236985 為抗損壞性及抗疲勞性兩者而在分離製程之後在零件之 (多個）邊緣上提供壓縮的製程。 儘管可在分離製程之後使用塗層以用於保護玻璃表面 藉由酸蝕刻邊緣實現高的邊緣強度[例如，見共同讓渡之 美國專利申請案第12/862096號]，但仍存在問題。彼問 題係維持此強度。^邊緣因後酸處理而受到損壞，則強 度將減小。換言之’此製程（例如）在消費者之使用期 間不保護玻璃免受損壞。因此’需要具有一種關於抗損 壞性及抗疲勞性兩者在大的玻璃薄片之物品的分離之後 在物品之邊緣上提供壓縮的製程。 已知包含觸碰感測器功能之薄膜對高溫敏感，且此等 薄膜通常限於承受低於20(rc之溫度；亦即，2〇〇t為此 等薄膜應經受之最大溫度。本發明係關於在將玻璃表面 維持在低於200°C之溫度下之同時，特定言之在玻璃在 表面上具有觸碰感測器時，局部離子交換（多個）玻璃 邊緣。 【發明内容】 本發明描述一種用於以離子交換強化玻璃物品之邊緣 的製程，该物品係在大的玻璃薄片已經離子交換以強化 該玻璃薄片之表面之後與該大的薄片分離，該製程在（多 個）玻璃表面維持在低於200°C之溫度下的同時，藉由 僅將所分離物品之一個或複數個邊緣曝露於離子交換介 質（例如但不限於，鹽、糊狀物、玻璃料、玻璃）而強 201236985 化玻璃物品之邊緣u實施例中，當使用併有該物 品之裝置（例如，行動電話）時，如自使用者之視角所 考f，物品之頂部邊緣及底部邊緣中之一者或兩者經離 子交換。在另-實施例中，玻璃物品之所有邊緣經離子 交換。玻璃物品具有長度、寬度及厚度；該長度及該寬 度確疋玻璃之第—及第二面或表面’且邊緣係藉由表面 之間的玻璃之厚度界定。邊緣可為平坦的或經成形㈠列 如但不限於）具有倒角、斜角或牛鼻形狀。 本發明之方法的關鍵優點為獲得化學強化邊緣之能 在維持由此化學強4匕玻璃％製成的玻璃物&之一或 更多個表面上所沈積之觸碰感測器薄膜的完整性的同 寺及等化學強化邊緣具有高於非離子交換邊緣的機械 強度，以及離子交換表面之性f。所述之方法實現用於 直接在化學強化玻璃上製造觸控面板的整片製程。本發 明之另—關鍵優點為：歸因於邊緣上存在拉伸層而減輕 疲勞相關破壞，亦即延遲破壞。 本發明係針對-種用於強化破璃物品之一個或複數個 邊緣的方法，該玻璃物品係切割自經離子交換玻璃之大 的薄片’該方法包含以下步驟：提供玻璃物品，該玻璃 物品具有在該玻璃中之鹼金屬離子，且具有藉由化學強 化第-玻璃面及化學強化第二玻璃面所界定之—個或複 數個邊緣’及所選擇厚度，其中—個或複數個該等邊緣 未、!化學強化，提供離子交換材料以用於化學強化該一 個或複數個邊緣，該離子交換材料含有大於該玻璃中之 201236985 鹼金屬離子的鹼金屬離子；將離子交換材料塗覆至該一 個或複數個邊緣；將塗覆至該—個或複數個邊緣之離子 交換材料加熱至所選擇;显度歷時所選料間，α藉此將 玻璃中之較小的離子交換成離子交換材料中之較大的離 子；及自該一個或複數個邊緣移除離子交換材料以藉此 提供物a，該物品沿該一個或複數個邊緣對所選擇深度 具有所選擇壓縮應力。在邊緣強化製程期間，在離子交 換步驟㈤間藉由將冷卻氣體傳遞跨越玻璃⑯。口口之表面而 將玻璃物品的表面保持在低於2〇〇<t之溫度下。玻璃為 選自由下列各物組成之群的化學強化破璃：鋁矽酸鹽玻 璃、硼矽酸鹽玻璃、鋁硼矽酸鹽玻璃及鹼石灰玻璃。 在個實施例中，離子父換材料為溶融驗金屬鹽，該 通*實質上為插入有玻璃物品之邊緣的硕酸鹽鹽浴， 該鹽浴具有在39〇°C至600°C之範圍内的所選擇溫度，且 所選擇時間係在1〇分鐘至6〇分鐘的範圍内。在另一實 %例中，塗覆至該一個或複數個邊緣之離子交換材料為 糊狀物，該糊狀物含有大於玻璃中之可交換鹼金屬離子 的鹼金屬離子。在一實施例甲，糊狀物係藉由微波輻射 而加熱。在另一實施例中，玻璃物品在該玻璃之該等面 中的一者上具有觸控螢幕電子設備，且該等玻璃面中之 兩個該等面係在加熱塗覆至該一個或複數個邊緣之離子 父換材料期間冷卻。在一實施例中，玻璃物品具有在〇 3 mm至1.5 mm之範圍内的厚度。在一實施例中，沿該一 個或複數個邊緣之離子交換產生至5〇 之層深 201236985 度及在180 MPa至600 MPa之範圍内的壓縮應力。 【實施方式】 本發明係針對一種用於強化經後離子交換、分離之玻 璃之邊緣的方法。亦即，本發明係針對一種用於強化玻 璃零件之邊緣的製程，該等玻璃零件係藉由分割大的經 離子交換玻璃薄片30 (諸如圖3中於數字34處所說明） 而製成。该製程係由以下步驟組成：將邊緣曝露於離子 交換材料，及在玻璃表面維持在低於2〇〇〇c之溫度下之 同時僅局部加熱該（等）邊緣以產生壓縮層。圖1展示 諸如行動電話之具有觸碰感測器元件之行動裝置上所使 用的蓋玻璃之一般零件形狀及邊緣形狀。圖2描繪具有 圖案化於化學強化蓋玻璃10上之觸控電子薄膜13(「IT0 列及行」）的完全整合觸控面板的示意圖。數字12表示 偏光器、數字14表示前玻璃、數字16表示另一玻璃元 件，且數字18表示背光。此一般形狀之較大規模變化可 用於諸如膝上型電腦或筆記型電腦、電子平板電腦及圖 曰閱5賣器之其他觸控及/或蓋玻璃應用，及lcd TV蓋玻 璃》 圖3中示意性地表示本文所揭示之製程。在此製程 中，具有在0.3 mm與1.5 mm之間的厚度之大的經離子 交換玻璃薄片30 (例如但不限於，1300 mm X 1100 mm 玻璃薄片）如32所表示而具有應用至該玻璃薄片的複數 個觸控榮幕電子設備或薄膜，用於觸碰感測器之薄膜以 201236985 所要型式（幾何形狀， 璃薄片。經離子交拖：至經離子交換玻 為含有離子之任何玻璃， 夕μ 子交換成較Α之料，❹，將玻璃中 之鈉料或鋰離子交換成來 甲離子例不性玻 旦不限於）鋁矽酸鹽玻璃、鋁硼矽酸鹽玻璃、 ::酸鹽玻璃或驗石灰玻璃。接下來，使用諸如雷射完 王刀離、雷㈣痕及„、機械刻痕及斷裂、酸姓刻之 不同的分離/切割方法將具有觸控螢幕薄膜之經離子交 換玻璃薄片32分成複數個個料件（如藉由數字34所 表示）。如說明36中所示，個別零件之邊緣接著塗覆有 離子交換介f 37，該離子交換介質為（例如但不限於） 含有可離子交換離子（例如，用於與玻璃中之n，或 W離子交換之Κ”離子）的糊狀物、鹽、玻璃料、玻 璃等。接著’在藉由使用如藉由數字39所表示之（例如 {不限於）水、空氣、惰性氣體、二氧化碳、氮氣及其 他氣體維持玻璃表面涼爽（低於2〇〇t：)的同時，藉由 符號△(例如但不限於，藉由使用對流、感應、雷射或 微波加熱）如說明38中所示局部加熱上面具有含尺介 質的"亥（等）邊緣。最後，樣本經洗蘇以移除離子交換 介質。 、 圖4為玻璃零件6〇及該零件之邊緣的說明該零件之 邊緣具有塗覆至該邊緣的如62處所說明之離子交換糊 狀物（例如，含鉀糊狀物）。如圖4中所說明，例示性離 子交換材料係由塗覆至邊緣的KN〇3、黏土及水組成。 201236985 一旦該（等）邊緣塗覆有離子交換材料，則在如上文所 述（例如但不限於）使用如圖3中藉由數字”所表示之 空氣或氮氣持續冷卻玻璃表面的同時，可在33〇乞至 5〇(TC之間的溫度下處理零件歷肖1Q分鐘至7小時的時 段。最後，使用水將塗覆至該（等）邊緣之離子交換介 質洗掉以提供如藉由數纟4〇戶斤說明的具有以離子交換 強化之邊緣的玻璃物品。 圖5A及圖5B展示使用黏土 /KN〇3糊狀物作為離子交 換介質而處理之經後離子交換、分離之邊緣的韋布 (Weibull)圖表。圖5A及圖5]5展示使用不同之雷射方 法（用含卸糊狀物在410 下執行預局部離子交換及後 局部離子交換歷時7小時）雷射分離之經離子交換玻璃 的水平（5A)邊緣強度及垂直（5B)邊緣強度。糊狀物 塗覆至邊緣’且接著在烘箱中以約4 1 〇。(：將邊緣加熱7 小時。在此製程期間，亦加熱表面。在熱處理之後藉 由在水中洗滌將糊狀物移除。與原分離/切割玻璃相比， 玻璃之該（等）邊緣的局部離子交換處理改良了樣本之 平均強度達2至4倍（2χ至4χ)的因數。表1中報告了 使用不同之雷射方法分離之前及之後的樣本之平均邊緣 強度。表1展示在使用含K+1糊狀物在410°C下處理之前 及之後兩者在使用FS及UV雷射所分離之樣本上的如藉 由水平彎曲測試所量測之邊緣強度。 201236985 --Τ' -- 雷射分離方法 -__P處理 —-___後處理 FS UV --_-_ Z〇o 1/1/： ---_ 430 --- 449 圖6展示經後離子交換分離及修整，且接著在不同之 時間及溫度下用含K+1糊狀物處理之零件的邊緣強度的 改良。如圖中所示’隨著時間及溫度増加，邊緣強度亦 增加。 在空氣在玻璃表面上循環以將溫度維持為低於2〇〇乞 之同時，亦將經後離子交#、分離且修整之邊緣浸沒至 熔融鹽浴中而執行實驗。目標在於達到大於400 MPa之 邊緣強度。圖7展示用以執行此等實驗之製程的示意 圖。在圖7中，盤73部分填充有kn〇3 52，kn〇3 52係 藉由加熱器75溶融至在⑽至靖之範圍内的溫 度°將玻璃物品74之邊緣浸沒至炼融鹽中歷時1〇 分鐘之時間’且藉由如藉由數字76所說明之流動而冷卻 玻璃的表面。表2中報告水平彎曲邊緣強度結果。邊緣 強度隨溫度增加，纟· t下處理3()分鐘之樣本的平均 邊緣強度為565 MPa。完全離子交換邊緣強度（其中邊 緣已經受與玻璃之面相同的離子交換條件）係在_ MPa至800 MPa之範圍内。 _ 表2 處理—------ ------_ 強度’ MPa

201236985 390°C/25 分鐘 197 ±36 ~ 500°C/30 分鐘 565 ± 24 ------- 亦評估用微波及糊狀物對該（等）邊緣的局部加熱。 因為SiC為強微波感受器’所以sic以所選擇量添加至 KN〇3糊狀物以促進區域中之加熱，在彼等區域，在糊 狀物經受微波輻射時塗覆該糊狀物。為例示性目的，糊 狀物塗覆至 Gorilla®玻璃（Corning Incorporated)之表 面，且在〜390°C下經受K-帶MW輻射歷時30分鐘。在 處理之後，DOL及CS分別為46 μπι及215 MPa。 儘管已關於有限數目個實施例描述了本發明，但受益 於本發明之熟習此項技術者應瞭解，可設計不脫離如本 文所揭示之本發明之範疇的其他實施例。因此，本發明 之範疇應僅受附加申請專利範圍限制。 【圖式簡單說明】 圖1為一般蓋玻璃之形狀及邊緣的說明《 圖2為完全整合觸控面板之示意圖，該完全整合觸控 面板具有圖案化於化學強化蓋玻璃1〇上之觸控電子薄 膜（ITO列及行13)，其中12為偏光器、14為前玻璃、 16為另一玻璃且18為背光。 圖3為本發明之製程的示意性表示，其中3 0為經離子 交換玻璃薄片；32為玻璃薄片，在該玻璃薄片中，電子 設備已在薄片被切割之前以分段方式應用於該薄片；34 為在已應用電子設備之後的切割薄片之說明；36表示塗 12 201236985 覆至玻璃物品之邊緣的離子交換材料或介質，38說明在 玻璃表面經冷卻之同時將熱量施加至玻璃物品之邊緣； 且40表不將尚未與玻璃邊緣相互作用且保留在邊緣上 之經塗覆的離子交換材料或介質洗掉。 圖4為玻璃零件5〇之說明，該玻璃零件之邊緣52具 有塗覆至邊緣的離子交換糊狀物42，例如含鉀糊狀物。 圖5Λ及圖5B為說明使用不同之雷射方法（用含鉀糊 狀物在41〇°C下執行預局部離子交換及後局部離子交換 歷時7小時）雷射分離之經離子交換玻璃的水平（圖 邊緣強度及垂直（圖5B)邊緣強度的圖表。 圖6為說明在不同之處理時間及不同之溫度下使用含 鉀糊狀物的局部離子交換邊緣之水平彎曲強度的圖表。 圖7為用於使用（例如）盤73浴中之熔融KN〇3鹽 72強化玻璃邊緣之製程的示意性表示，其中7〇表示在 使用流動空氣76保持玻璃之表面涼爽的同時，在39〇。〇 至600°C之範圍内的溫度下將玻璃物品74之玻璃邊緣浸 沒於熔融鹽浴中歷時在1〇分鐘至6〇分鐘之範圍内的時 間。 【主要元件符號說明】 10 :化學強化蓋玻璃 12 :偏光器 Π :觸控電子薄膜/ITO列及行 14 :前玻璃 13 201236985 16 :另一玻璃元件/另一玻璃 1 8 :背光 30 :經離子交換玻璃薄片 32:具有觸控螢幕薄膜之經離子交換玻璃薄片 34 :複數個個別零件 36 :個別零件 37 :離子交換介質 38 :局部加熱 39 :氣體 40 :具有以離子交換強化之邊緣的玻璃物品 42 :離子交換糊狀物 50 :玻璃零件 52 :邊緣/KN〇3 60 :玻璃零件 62 :離子交換糊狀物 70 :邊緣 72 :熔融ΚΝ03鹽 73 :盤 7 4 .玻璃物品 75 :加熱器 76 :流動空氣 14

Claims (1)

1. 201236985 七、申請專利範圍： 1 ·種用於強化一玻璃物品之一個或複數個邊緣的方法， 該玻璃物品係切割自經離子交換玻璃之一大的薄片，該 方法包含以下步驟 提供一玻璃物品，該玻璃物品具有在該玻璃中之鹼金 屬離子，且具有藉由一化學強化第一玻璃面及一化學強 化第一玻璃面所界定之一個或複數個邊緣，及一所選擇 厚度，其中該一個或複數個該等邊緣未經化學強化； 提供一離子交換材料以用於塗覆至該一個或複數個邊 緣以藉此化學強化該一個或複數個邊緣，該離子交換材 料含有大於該玻璃中之該等鹼金屬離子的鹼金屬離子； 將該離子交換材料塗覆至該一個或複數個邊緣； 將塗覆至該一個或複數個邊緣之該離子交換材料加熱 至一所選擇溫度歷時-所選擇時間，以藉此將該玻璃令 之較小的離子交換成該離子交換材料中之較大的離子· 及 自該-個或複數個邊緣移除該離子交換㈣，以藉此 :供-物品’該物品沿該一個或複數個邊緣對一所選擇 深度具有一所選擇壓縮應力； 其中該玻璃之該第-面及該第二面在該（等）邊緣之 該離子交換期間冷卻至低於2〇〇<t的_溫度。 2.如請求項1之方法，其中該玻璃物品在=璃之該等面 中的一者上具有觸控螢幕電子設備。 15 201236985 3·如明求項1之方法’其中該玻璃為選自由下列各物組成 JJL 巧'化學強化玻璃：鋁矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃、 鋁硼矽鳆鹽玻璃及鹼石灰玻璃。 4.如請求項丨之方法，其中該離子交換材料為插入有該玻 ^3 ^0 〇〇 夕 —堯 < 一邊緣的一熔融鹽浴，該鹽浴具有在390°C至 600 C之範圍内的一所選擇溫度且該所選擇時間係在 10分鐘至60分鐘的範圍内。 =，項1之方法，其中塗覆至該一個或複數個邊緣之 '子交換材料為一糊狀物，該糊狀物含有大於該玻璃 中之該等可交換鹼金屬離子的鹼金屬離子。 '項4之方法，其中該糊狀物係藉由微波輻射而加 熱0 :求項1之方法，其中塗覆至該一個或複數個邊緣之 k離子交換材料為一玻璃粉材料。 月求項1之方法’其中該玻璃物品具有在0.3 mm至 I.5 mm之範圍内的一厚度。 9.如請求項1之方 .’八中該一個或複數個邊緣之該離子 交換產生40μιηι5〇 μ 續冰度及在180 MPa至600 之範圍内的—壓縮應力。 16