TW201315701A - 利用電漿炬及／或電弧噴射強化玻璃之方法及據此製成之物件 - Google Patents

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Abstract

某些範例具體例有關一種強化玻璃基板(如，鈉鈣矽玻璃基板)之改良方法。於某些範例中，玻璃基板可藉由在該玻璃內製造電場而經化學方式強化。在某些情況下，該化學鋼化可藉由在基板之四周使用包括某些離子，諸如Li+、K+、Mg2+和/或相似物，之電漿進行。在一些情況下，此等離子因形成該電漿之電極產生的半周期電場而被迫進入該玻璃基板中。此具有在實質上節省時間之情況下以化學方式強化玻璃基板之優點。於其它範例具體例中，可將電場設在浮浴中，如此將鈉離子從該熔融玻璃帶驅趕進入錫浴中，其具有可產生具鈉含量較少之較強的玻璃基板之優點。

Description

利用電漿炬及/或電弧噴射強化玻璃之方法及據此製成之物件 發明領域
某些範例具體例有關一種強化玻璃基板(如，鈉鈣矽玻璃基板)之改良方法。於某些範例中，玻璃基板可藉由在該玻璃內製造電場而經化學方式強化。在某些情況下，該化學鋼化可藉由在基板之四周使用包括某些離子，諸如Li+、K+、Mg2+和/或其它相似物，之電漿進行，此等離子因形成該電漿之電極產生的半周期電場而被迫進入該玻璃基板中。於某些範例具體例中，可將電場設在浮浴中，如此將鈉離子從熔融玻璃帶驅趕進入錫浴中，其優點可產生具鈉含量減少之較強的玻璃基板。
發明背景
鈉鈣矽玻璃具有在各式各樣之情況下所需之特性，包括例如，良好的透明度以及清澈度、高耐久性等等。然而，於一些情況下，鈉鈣矽玻璃之機械強度的程度取決於(i)製造時於玻璃中出現的瑕疵；和/或(ii)玻璃表面隨著時間損害而發展出之表面瑕疵，其可在玻璃表面引起所謂的“起泡”。當玻璃片之表面積對體積之比率增加(如，較薄的玻璃物件)時，此等表面瑕疵有時可能會變得更加嚴重。雖然在某些情況下，可在玻璃之製造期間使用二氧化鈉(NaO2)幫助降低玻璃之熔融，但在一些情況下，玻璃物件中Na+離子之存在(特別地對於玻璃物件之表面/近表面區域)，對 該物件之化學和/或機械耐久性可能具有負面的影響。
例如，在某些情況下，Na+離子可能會引起鈉鈣矽玻璃之品質下降。在一些情況下，此可能以二階段方式發生。第一階段為從穿過鈉鈣矽玻璃之表面的濕氣而來之H+和/或H3O+離子，與從玻璃移除之鹼金屬離子(如，Na+)間之離子交換過程。在此階段，二氧化矽網狀結構仍維持未改變，但在玻璃表面形成具或包含NaOH以及H2O之鹼性薄膜。於一些範例中，該薄膜會變得越來越鹼性，因為更多的濕氣穿過玻璃之表面且與接近玻璃表面之鈉離子反應。於某些情況下，假如和/或當pH達到約9或更高時(如，當薄膜變得越來越鹼性時)，可能會發生第二階段。第二階段包括二氧化矽網狀結構的分解，其可導致奈米裂痕形成，接著可能會使玻璃基板變弱。
此外，玻璃強度有時受控於“最壞部分”之大小或最嚴重的缺失(如，裂痕和/或奈米裂痕)，其隨著樣本不同而不同。於某些情況下，鈉鈣矽玻璃中之表面奈米裂痕和/或其它瑕疵(如，Na+離子與濕氣間之反應所製造的和/或該等因為其它因素而出現的)可能作用為“應力集中點”。於某些情況下，可能較少的應力即可使玻璃基板之裂痕變大、變廣和/或破裂，因為在最初的位置出現此等奈米裂痕。此外，因為此等裂痕可在玻璃之表面附近形成(如，因為鈉離子與濕氣之反應，在玻璃之表面附近形成鹼性“塗層”)，所以玻璃表面特別地易於在低於正常之應力下產生損傷(如，比鈉鈣矽玻璃之無裂痕部分更容易)。
於一些一般的情況下，裂痕愈大，裂痕蔓延所需之應力愈低。潛在大量的瑕疵，比其正常情況下更易導致玻璃碎裂。於一些情況下，如，因為存在裂痕/奈米裂痕，所以未強化的玻璃可能在低於玻璃之理論強度5、10或甚至100倍之應力下碎裂。此使得難以精確地預測在玻璃產生裂痕、碎裂和/或破裂之前，玻璃基板可能經受之應力的數量。此具相似組成以及厚度之玻璃基板的強度變化性，可能導致意外破損增加和/或生產成本增加，如，必須生產比“安全”所需強度更高之玻璃基板。確實，在會引起具相似組成以及厚度之玻璃基板產生裂痕、碎裂和/或破裂之應力方面，約有25%的變化性。
換句話說，引起具相似組成以及厚度之不同玻璃基板產生裂痕、碎裂和/或破裂所需之應力量可能不相同。引起一基板產生碎裂之應力量，可能不會引起具相似組成以及厚度之第二基板產生碎裂。於一些情況下，假如要使用玻璃的話，因為低的整體強度以及高的強度變化性之可能的結合，最好是需要增加玻璃的厚度。因此，於一些情況下，使用鈉鈣矽玻璃作為工程材料會受從此等瑕疵引起之問題的限制，諸如其易碎的性能、強度變化和/或其在正常使用情況下之低有效強度。
當薄玻璃之應用變得更廣泛時(如，在電子市場)，諸如機械硬度、對刮擦損失之抗性以及熱安定性之因素，可能變成更重要的考慮因素。
因此，需要改善玻璃之表面和/或近表面之特 性，使其夠耐久，同時維持和/或改善其之其它所欲的特性(如，電子級、透明度等等)。
目前有許多可用於強化鈉鈣矽玻璃之方法，即熱(如，機械)熱處理(如，熱強化和/或熱鋼化)以及化學鋼化。熱處理，例如，典型地涉及對玻璃基板加熱，以及以比內部更快的速度冷卻熱表面。此在表面附近製造壓縮應力，其會被朝向內部之拉伸應力平衡和/或抵消。另一方面，化學鋼化涉及離子交換過程。於某些化學鋼化實施中，較大的離子取代玻璃表面上之較小的離子。此方法有時稱作“離子填塞”。二種技術在一些情況下均可在玻璃基板之表面引起壓縮應力。
應力量變曲線顯示存在基板中各個點處之應力的量以及類型。圖1(a)-(b)係以上所述二種技術中各個之例示性應力量變曲線。更明確地，圖1(a)例示說明玻璃基板之橫斷面，其顯示出熱強化玻璃所引起之殘留應力量變曲線。
如上所述，對玻璃之熱處理(如，熱強化和/或熱鋼化)涉及藉由改變玻璃之應力來強化該玻璃。於一些情況下，熱鋼化方法係在玻璃基板之表面上建立和/或增加殘留壓縮應力狀態，且到達表面下某一個深度。此殘留壓縮應力狀態由在該玻璃之至少一些內部之拉伸應力抵消和/或平衡。圖1(a)例示說明基板1(a)之表面和/或近表面部分100(a)處之壓縮應力，以及朝向基板1(a)之內部101(a)之拉伸應力。於圖1(a)中可以看到，於某些情況下，已經機械強化(如，熱處理)之玻璃基板的內部應力係拉伸的。
另一方面，圖1(b)例示說明經化學鋼化之玻璃基板的橫截面。在圖1(b)中，當基板1(b)在其表面上/附近之區域100(b)中具有壓縮應力時，該壓縮應力不會穿透深入表面，以及在玻璃基板1(b)之內部101(b)中之拉伸應力低於經熱鋼化之玻璃基板1(a)。當玻璃基板係經化學鋼化時，基板之表面和/或近表面區域的組成會改變。在某些情況下，Na+離子會被移除，因此玻璃基板之二氧化矽網狀結構，通常不易受到Na+離子與外面濕氣間之反應相關的損害。
熱鋼化之缺點為在某些情況下，其可能無法有效地用於薄的玻璃(如，厚度大約或小於1.5mm之玻璃)，因為其可能會引起表面起皺和/或翹曲。此外，當玻璃變得越來越薄時，熱鋼化有時會損失功效。在其它範例中，熱鋼化無法達到與化學鋼化相同的“鋼化”位準。然而，化學鋼化需要非常長的時間以便足夠地強化玻璃基板(如，與分鐘相反，需以小時計)。
因此，雖然熱以及化學鋼化在某些情況下可能具有優點，但熟悉此技藝之人士應可認知到，需要有一種能夠更快，更適合強化玻璃基板之方法(如，針對厚與薄的基板)。
發明概要
於某些範例具體例中，提供一種用於增加玻璃基板之強度之方法。使用至少一種電漿來源以及置於玻璃基板之相對的主要表面上之第一與第二電極打出電漿，其中 該電漿包含取代離子。將取代離子驅趕進入該玻璃基板之該相對的主要表面中，以便增加該玻璃基板之強度。
於某些範例具體例中，提供一種使用電漿來強化包含鈉離子之玻璃基板之方法。使用至少一種電漿來源以及置於玻璃基板之相對的主要表面上之第一與第二電極打出電漿，該電漿包含正離子。使用電場驅趕該正離子進入該玻璃基板之該至少一個主要表面中，以便取代至少一些鈉離子以及增加該玻璃基板之強度。
於某些範例具體例中，提供一種包含鈉鈣矽玻璃之化學強化的玻璃物件。該物件包含，至少一種鉀、鋰以及鎂電漿植入的取代離子在該玻璃物件之表面區域中。該表面區域從該玻璃物件之主要表面延伸至至少約5微米深，更佳地至少約7微米，有時至少約50微米。該取代離子中之至少一些取代了鈉離子，如此該玻璃物件具有比沒有經化學強化之玻璃物件少的鈉離子。該玻璃物件具有至少約200MPa之強度，更佳地至少約400MPa。
於某些範例具體例中，提供一種用於增加玻璃基板之強度之方法。在玻璃基板之至少第一主要表面上，放置至少一種電漿炬，其包含至少第一以及第二電極。透過在二個電極間施與的電場，通過該電漿炬之噴嘴，噴灑出包含取代離子之電漿，如此該電漿被噴灑在該玻璃基板之該第一主要表面附近。將該取代離子驅趕進入該玻璃基板之至少一個主要表面中，以便增加該玻璃基板之強度。
在某些範例具體例中，提供一種用於強化鈉鈣矽 玻璃基板之方法。於玻璃基板之相對的主要表面上，放置第一以及第二電漿炬或電弧噴射。透過各電漿炬或電弧噴射，將包含取代離子之電漿噴灑於該玻璃基板之該相對的主要表面上。藉由各電漿炬或電弧噴射之第一以及第二電極間之電場，將該取代離子驅趕進入該玻璃基板之第一以及第二主要表面中，以便增加該玻璃基板之強度。
在某些範例具體例中，提供一種製造玻璃基板之方法。使鈉鈣矽玻璃基板之相對的主要表面曝露於含有離子之電漿中，該鈉鈣矽玻璃基板起初至少包括10-20重量%之Na2O。選擇性地活化與該電漿結合之電極，以便直接或間接地驅趕該離子進入該玻璃基板之表面區域，以及迫使鈉離子離開該表面區域，而減少該玻璃基板之Na2O含量至低於10重量%。
在某些範例具體例中，提供一種製造玻璃基板之方法。將電漿打在浮法生產線之錫浴部分中，至少一熔融玻璃帶之上方，該電漿作為陽極，而該錫浴作為陰極。透過該陽與陰極製造之電場，將鈉離子驅趕出該熔融玻璃帶，然後進入該錫浴中，以及至少部分存在該熔融玻璃帶中。此容許形成該玻璃基板，該玻璃基板具有低於20重量%之Na2O。
於某些範例具體例中，提供一種製造玻璃基板之方法。於透過至少一種電漿之浮法生產線之錫浴部分中提供一熔融玻璃帶。將鈉離子驅趕出該熔融玻璃帶，然後進入該錫浴中，以便減少該熔融玻璃帶中之鈉離子含量。使 該玻璃帶維持在一或多個夠高的溫度下，如此在製造該玻璃基板時，即使該玻璃帶之組成改變，該玻璃帶仍呈熔融狀態。
於某些範例具體例中，一種強化的玻璃基板包含矽酸鹽基質，其中該基質包含至少一些氬原子，以及其中該玻璃基板中之鈉離子實質上已枯竭，以及具有至少約600MPa之強度，更佳地至少約1000MPa。
於某些範例具體例中，提供一種製造玻璃基板之方法。透過至少一種包含氧化鋁之電漿，將氧化鋁驅趕進入熔融玻璃中，以及迫使鈉離開該熔融玻璃。在製造該玻璃基板之過程中拉製該熔融玻璃。
於某些範例具體例中，一種強化的玻璃基板包含低於10重量%之Na2O以及至少一種擇自於由下列所構成之群組之離子類型：鉀、鋰以及鎂離子。該離子中之至少一些，取代了原本就存在於將成為該玻璃基板之玻璃帶中之鈉離子。該玻璃物件具有強度至少約400MPa。
此等以及其它具體例、特徵、態樣以及優點，可以任何適合的組合或次組合之形式結合在一起，產生又另外的具體例。
圖式簡單說明
參照下列範例具體例之詳細的說明以及圖式，將能更完整的了解此等以及其它特徵以及優點，其中：圖1(a)-(b)分別顯示機械(如，熱)強化以及化學鋼化的玻璃基板之範例應力量變曲線； 圖2(a)-(b)幫助說明某些化學鋼化的原理；圖3幫助說明依照某些範例具體例，如何使用電漿(作為電極)以及取代離子來源，以化學方式強化玻璃基板；圖4說明根據某些範例具體例之化學強化的玻璃基板之放大橫截面圖；圖5幫助說明依照某些範例具體例，當以化學方法強化玻璃基板時，如何使用一或多種電漿供給取代離子；圖6說明根據某些範例具體例之化學強化的玻璃基板之放大橫截面圖，包括離子梯度；圖7幫助說明依照某些範例具體例，如何使用電漿以及浮法生產線，以化學方式強化玻璃基板；圖8係範例電極之電壓對時間之圖表，其可依照某些範例具體例使用；以及圖9說明根據某些範例具體例之玻璃基板四周之電壓對時間之圖表，以及在鞘層上之相應的作用。
較佳實施例之詳細說明
如上所述，在某些情況下需要製造具改善耐久性之如，“電子級”的薄玻璃基板。此外，於某些情況下需要由不完美之鈉鈣矽玻璃原料開始製造改善的玻璃。的確，有些時候，以使其更耐久和/或強之方法處理鈉鈣矽玻璃，而不是製造天生較強之玻璃(諸如硼矽酸玻璃和/或相似物)，可能更有成本效益。為了幫助克服強度相對較弱之鈉鈣矽玻璃，使其更薄、更強和/或達到電子級，需要改變玻 璃基板之表面和/或近表面區域之某些特性。因此，例如，於某些範例具體例中，可減少和/或取代具有會與濕氣反應而分解玻璃之缺點之鈉離子。
圖2(a)以及圖2(b)幫助說明某些化學鋼化之原理。如上所述，化學鋼化之一般概念涉及用其它取代離子，移除和/或取代玻璃基板中之一些鈉離子(特別是該等在表面區和/或近表面區域之鈉離子)。該取代離子可能大於鈉離子和/或反應性小於鈉離子。於一些情況下，該取代離子可包括鉀、鋰和/或鎂。於本發明之某些範例具體例中，取代離子可包含此等離子和/或其它二價離子、多價離子、鹼金屬、銀和/或其它適當的材料。於某些情況下，鈉離子的取代亦可改變玻璃基板之近表面的應力量變曲線。
圖2(a)以及圖2(b)亦幫助說明玻璃基板之表面和/或近表面區域與熔融鹽浴中之離子間的離子交換。例如，圖2(a)顯示出玻璃基板1中一部分之鈉離子11。取代離子10(於某些情況下，鉀離子19可用作為取代離子10)。至少在一開始時，顯示鉀(例如)離子19在玻璃基板之外面。與基板1相同(雖然僅例示出一部分的鹽浴以及一部分的基板)，鉀離子19在熔融鹽浴中。圖2(b)說明鉀離子19如何取代玻璃基板1中之鈉離子11。圖2(b)中之箭頭顯示離開玻璃基板1之表面/近表面區域之鈉離子11，且指出曾經是鈉離子11之空缺15，可被鉀離子19取代。於一些情況下，離子19可為除了鉀之外之離子/化合物(如，另一種鹽)。圖2(a)以及圖2(b)簡單地說明，當基板在熔融鹽浴中時，基板1中之離子19如何 取代較小的離子11(或於其它範例具體例中，或許更具反應性，而不是較小的離子)。
在某些情況下，離子交換方法(例如，圖2(b)所示)可能為擴散限制性反應。在熔融鹽浴中進行之離子交換方法亦典型地為一種慢的方法。據此，足夠的離子發生交換需花一段長的時間。
離子交換方法一般涉及相互離子擴散機制，以便符合電中性之原理(如，正電荷之總和通常必須與負電荷之總和相等)，因為在某些情況下沒有涉及電子流。換句話說，假如基板中之Na+離子僅透過擴散力經熔融鹽浴中之離子取代，則該方法可能需要數小時。透過熔融鹽浴大量的取代Na+離子，在沒有擴散以外之額外的力量運作時，可能花費極長的時間。
可用於表達取代離子可穿入玻璃基板之深度(Lexc)之方程式，可以材料之擴散能力(如，擴散係數D，其係材料容許氣體或流體通過之程度)、玻璃基板之溫度T以及基板浸在浴中之時間t之函數表示。
例如，針對400MPa鋼化狀態(如，在此，化學鋼化玻璃之強度係在玻璃表面上之壓縮應力為約400MPa)，。然而，於其它範例中，400MPa強度可達約7微米之深度下達到。
時間(t)之下限典型地係溫度(T)依賴性的。換句話說，在熔融鹽浴中，透過離子交換充分強化玻璃基板所花費之時間，會隨著溫度升高而減少。然而，在四小時內 達到前述之鋼化強度，甚至可能需要極高的溫度。雖然4個小時係一段長的時間，但在一些情況下，在較不極端之溫度下，其可能花費16個(或甚至更多)小時才能達到足夠的強度。例如，於一些情況下，t 上限 L 2 /D k 4小時。此可受費氏定律(Fick’s laws)之限制，其有關，例如，擴散通量之方向與濃度之關係，以及擴散如何隨著時間引起濃度的改變。
於熔融鹽浴中以化學方式鋼化玻璃基板，玻璃基板可達到約400MPa之強度。然而，從以上可見，其可能在高溫下花費將近4個小時來取代離子，以便達到植入深度50微米，以及在較低(如，更“合理”)溫度下花費高達16個小時或更長。雖然可植入離子至較淺的深度(如，約7微米)，但使用熔融鹽玻璃達到約400MPa之強度仍需耗費數個小時。假如所需之強度大於400MPa，和/或所欲植入的深度為100微米或更深，則透過熔融鹽浴強化玻璃之方法可能需耗費16個小時或更長。據此，於某些情況下，在熔融鹽浴中使用離子以化學方式強度一片玻璃所耗掉之時間的長度，在較大規模之生產方面，並不理想和/或可行。
如以上所提到的，某些強化技術可能涉及透過物理機制操作之離子交換過程；如，離子之熱擴散。然而，於一些情況下，可在如玻璃基板之間加上電場。在某些範例情況下，在鹽浴和/或玻璃基板中存在電場，可因改變玻璃密度、應力和/或平均極性而可產生指數改變。
在某些情況下，施用電場可增加鹽浴中取代離子 之速率和/或速度，且可減少充分取代(因此強化)所需之時間。據信係因為使用電場會幫助離子交換，其可提供額外的力，使離子從熔融鹽中移出。因此，在使用電場之情況下，其它很難以隨機、熱運動(如，二價離子和/或其它更大、更重的離子)交換之離子，因此可用於取代玻璃中之鈉。
更明確地，在熔融鹽浴中，使用於取代玻璃基板中之鈉離子之離子，僅可因為不依賴電刺激之電荷載體的隨機布朗運動所產生之擴散電流而移動(如，透過熱和/或密度梯度顯示)。另一方面，假如施用電場，離子可因為漂移電流而移動。漂移電流係電流，或電荷載體之流動，即由所施予的電場引起，常稱作在一段指定距離下之電動勢。
因此，在某些範例具體中，需要且有利的提供取代離子以及產生電場，以幫助取代離子穿入玻璃表面以及取代鈉離子之速度。然而，有時很難產生足夠加速取代過程之大小的電場，特別是因為用於在玻璃基板中和/或接近玻璃基板處產生電場之電極可能需要置於鹽浴中，且可能需要直接與玻璃基板之表面接觸。為可使如此之接觸能夠成功和/或可能，玻璃基板可能需呈固態，而不是熔融狀態。另一方面，玻璃可能需要維持呈其熔融狀態，以便容許鈉離子以及取代離子具更充分的交換速率。因此，當玻璃基板呈熔融狀態時，使用足夠大小的電場可能不合適；相似地，取代離子之速度/速率(如此總化學鋼化過程)可能需要玻璃係呈熔融狀態。據此，此二種少量增加化學鋼化速度之方案彼此互相排斥。
於一些情況下，如，因為玻璃在熔融狀態下時具高移動性，所以使用此狀態之玻璃容許離子被充分地交換(如，愛因斯坦關係式之解釋)。二個相關的範例如下：(帶電粒子之擴散)，以及(“愛因斯坦-斯托克斯(Einstein-Stokes)方程式”，有關球狀粒子通過具低雷諾數之液體的擴散作用)，在此：．D係擴散常數，．q係粒子之電荷，．μ q 係帶電粒子之電移動性，或粒子的終端漂移速率對所施用之電場的比例，．k B 係波茲曼(Boltzmann)常數，．T係絕對溫度，．η係黏度，以及．r係球狀粒子之半徑。
因為所以。因此，從以上擴散相關方程式可見，當材料之黏度減低(如，材料變得較不具黏性)時，帶電粒子之電移動性會增加。據此，當玻璃呈熔融狀態時，黏度將較低，如此電荷移動性將較高。因此，當玻璃基板呈熔融狀態時，離子交換過程可較快。而電場可進一步增加離子交換之速率。不幸地，如上所述， 於某些情況下，為了在玻璃基板內和/或接近玻璃基板處維持一電場，可能需要將電極物理性地置於玻璃基板上。為此成為可能，玻璃可能需呈固體狀態。
在某些情況下，在熔融鹽浴中之玻璃基板上使用電場(如，大約100V/cm)，可容許離子到達約1至4m/s之速度。於某些情況下，在此速度下之離子可穿入玻璃基板約10微米。然而，於某些情況下，可能需要離子穿入玻璃基板中比10微米更進去。再者，維持玻璃基板呈熔融狀態並不是總是方便的和/或可行的。
例如，在某些離子交換過程之範例中，玻璃可呈固體狀態(如，T<Tg，在此Tg係玻璃變成熔融之溫度)，且浸在鹽浴中。為達到約100微米離子交換深度，可能耗掉5、10或16個小時或甚至更長之時間(取決於溫度)。
在某些情況下，將電場設定在約100V/cm之程度(如，10,000V/m)，物理電極可置於熔融(熔融浴)中，同時玻璃係呈固體狀態。此外，於某些情況下，將物理電極放置於熔融鹽浴中，而玻璃係呈固體狀態，可能存在施予漂移電流(如，電流，或電荷載體之移動，其與施予之電場有關，常稱作在一段指定距離下之電動勢)以促進離子交換之障礙。換句話說，施予足夠的電場，玻璃可呈固體狀態。相反地，於某些情況下，當玻璃呈熔融狀態時，離子將移動得更快，因為電荷移動性與黏度成反比。此外，於某些情況下，DC電場幫助的離子交換僅提供玻璃之一個表面之交換。
因此，熟悉此技藝之人士應能認知到，存在一種使以化學方法鋼化玻璃基板更有效之方法之需求。可能需要找出一種當/或當玻璃係呈固態狀態時，利用電場使取代離子更有效地取代鈉離子之方法。此外，最好能減少完成化學強化所需之時間規模。
已發現在此揭示之技術，具有容許調整和/或調變玻璃基板之表面和/或近表面區域(如，磊晶薄層)上之離子組成，顯著地快於以前的機械和/或化學鋼化的方法之優點。於某些範例具體例中，調整和/或調變鈉鈣矽玻璃基板之表面和/或近表面區域之組成之時間規模，可至少低於其它方法一個級數級。於某些範例具體例中，玻璃基板之強化係數分鐘，而不是數小時(或甚至數天)之事情。
於以上所述之熔融鹽離子交換中，該熔融鹽提供用於取代玻璃中之鈉離子之取代離子。然而，某些範例具體例有關在不同“狀態情況下”(如，固體、熔融等)之玻璃基板之表面中和/或處，製造高以及實質上均一的電場之方法和/或技術。如上所述，在一些情況下，製造高電場可能需要金屬電極物理地置於熔融鹽浴中。在大面積之玻璃方面，此等技術可能會受限，且亦會受玻璃之狀態的限制。
相反地，於某些範例具體例中已發現之優點係，電漿可用作為電極，以便在玻璃內設定隨時間改變之電場。於某些情況下，可使用不同的技術加上電場(如，AC、DC、RF等等)以驅動較快的離子交換強化，更快地使玻璃強化。於一些情況下，電場可具有淨變化調變基礎。於第 一範例具體例中，取代離子可藉由使該取代離子於目的作為電極之電漿中蒸發，於玻璃基板之中和/或周圍設定電場而被引入玻璃基板中。如圖3所示，欲以化學方式鋼化之玻璃基板，可視情況浸入電容耦合或輝光放電或靜電放電電漿內。依照某些範例具體例製成之以化學方式強化的玻璃基板示於圖4中，其進一步於下文中詳述。
依照不同的範例具體例，電漿可作為許多的目的。例如，電漿可加熱玻璃，提供到達玻璃表面之取代離子的來源，和/或提供電子以使位移電流完整。於某些範例具體例中，玻璃基板不需要加熱。取而代之的是電漿之操作可使基板之溫度增加，特別是在玻璃基板之表面和/或近表面區域處。於某些情況下，玻璃可作用為電容器。電漿亦可以其電容耦合至玻璃之方式作用。於某些情況下，玻璃基板附近之電漿中之正離子與電子間之磨擦力，可引起玻璃溫度升高。於某些範例中，電漿可透過歐姆損耗加熱玻璃基板。
圖3例示說明槽50中之玻璃基板1，具上電極30以及下電極32。於某些範例情況中，上與下電極30以及32可使用射頻(RF)和/或交流電(AC)電壓操作。然而，依照其它範例具體例，電極之頻率以及電壓可為任何適合的類型(諸如，例如DC)。電漿來源60可提供槽50電漿前趨物62(如，惰性氣體；具蘊含某些單價、二價和/或多價種類(如，Li+、K+和/或Mg2+為主的化合物；和/或相似物)之鹽化學品為主的蒸發離子種類之氣體)。電極30以及32可用以製造電 場，其接著會從電漿前趨物62中打出電漿。在不同範例具體例中，槽50之壓力可在大氣壓力、約大氣壓力之程度和/或次大氣壓力下。例如，在不同的範例實施中，壓力可低於或等於760陶爾(1大氣壓)、低於或等於380陶爾(0.5個大氣壓)以及甚至可能約500微陶爾或更低。於某些範例具體例中，槽可為真空或近真空，雖然如上所指亦可能為其它的大氣壓力。
在不同的範例具體例中可進一步包括其它的元素。例如，大氣可包括一或多種惰性氣體，諸如氬氣、氪、氖氣等等。
於某些範例具體例中，電極可製造電場，其接著可從電漿前趨物62中製造出電漿64。於某些範例具體例中，電場可存在玻璃基板中。電漿前趨物62可包括諸如Li+、K+和/或Mg2+之鹽種類。於某些範例具體例中，可使在或接近Stoltow點產生電漿之效率增加或最大，在此實現實質上均一、大體積之電漿。該Stoltow點係在減低的能量需求下發生離子化之點。於某些情況下，能量大約隨著施予電壓之三次方改變，但引起的(電)流可能會飽和。
於某些範例中，玻璃基板可位於上與下電極之間(因此，在電漿裡面)。為使增加加工條件之彈性，電極30以及32可有利地設計成可獨立地在x和/或y(甚至可能地z)方向上移動，以便容許在加工期間，電漿場隨加工需要而改變。例如，電極30以及32可依電腦控制的模式，在基板1之x和/或y方向上線性或非線性地掃描。因為玻璃基板之非 傳導性的本質，玻璃基板可用作為絕緣體。在電漿中存在玻璃基板，可在玻璃基板之表面處和/或上表面之上以及下表面之下製造正電荷鞘層。
於某些範例具體例中，離子可被沈積在玻璃表面上成為一層和/或藉由淨電場以及(可能地交流)電直接或間接被驅趕進入玻璃中。於某些範例具體例中，在電漿離子交換方面，至少暫時沈積的取代離子(Li+、K+、Mg2+等等)之薄膜，可在玻璃之一或二側上之電漿鞘層持續施予的淨電場之幫助下，供給取代離子。在某些情況下，此“薄膜”可為一種電漿態樣，不是沈積在玻璃基板上之物理性膜。然而，在其它範例具體例中，具或包括前述取代離子之薄膜可在玻璃基板之一側或雙側上形成，以進一步促進離子交換/離子填塞過程。
於某些範例中，在薄膜技術方面，諸如K2SO4、Li2SO4、MgSO4和/或相似物之混合離子，可形成該薄膜。在不同的情況下，硫酸鹽類、鹵化物鹽類和/或其它類型之鹽類可用於供給取代離子。於某些情況下，薄膜離子交換過程可從在玻璃基板之一或二側上產生離子材料之薄塗層(例如，厚度100-150nm)開始。於另外的範例中，在清潔之前，玻璃可以是已經過清洗和/或拋光的。於其它範例具體例中，如上所示，取代離子之薄膜可簡單地包括從在基板之各側上形成之鞘層而來之正離子。
於某些範例具體例中，鈉離子被驅趕出來，而取代離子填充鈉離子留下之空間。於一些情況下，該取代離 子最好是大於鈉離子(如，引起壓縮應力，以強化玻璃基板)和/或可比鈉離子較不具反應性，如此該取代離子較不會與鈉離子一樣，易於與玻璃基板之表面/近表面區域中之濕氣等等反應。
離子交換可藉由施予可變電場來進行，如在一些情況下，不對稱的足以產生淨電場從約20至數百V/mm(或甚至更高)。例如，淨電場可從約20至500V/mm(2×104至5×105V/m)，更佳地從約50至300V/mm(5×104至3×105V/m)，最佳地從約100至200V/mm(1×105至2×105V/m)。
於某些範例具體例中，該淨電場可產生幾個微安培。於一些情況下，此可驅趕離子從薄膜和/或鞘層進入玻璃中。在離子交換後，仍留在玻璃表面上之殘餘離子可藉由如清洗移除。於某些範例具體例中，諸如銀之其它離子可用於調變玻璃基板之折射指數。在不同範例具體例中，在電漿中可使用其它離子。
在某些範例具體例中，當使用交流電(AC)時，AC可被電漿中之電子中和。於此等範例中，電場使離子保持移動進入玻璃中，接著幫助防止離子減少和/或在玻璃的表面上形成奈米結晶。在某些範例中，淨電場可預防凝集以及霧化。於一些情況下，鈉亦可能與陰性種類反應，而在電漿中被濾出。
在另外的範例中，在各自的電極(如，AC電極)之每一個半周期期間，在玻璃基板的主要表面附近之電漿 中的正離子，可經電場之電力方式驅趕而進入玻璃基板之表面中。換句話說，於某些範例具體例中，使用介電質屏蔽放電之輝光放電(如，在大氣壓下)，可能會引起液流。另外，於一些情況下(如，當使用AC時)，在電驅動操作之二個半周期中，可能會有二個過程。於某些範例中，此可能與較快的電子以及較慢(正)離子間不同的移動性以及致動器絕緣體與電極之幾何構形有關。
於某些範例具體例中，第一半周期之特徵為在玻璃基板(如，作為絕緣體之玻璃基板)之第一主要表面上沈積較慢的離子種類(如，K+、Li+、Mg2+等等)。第二半周期之特徵為以較快的速率沈積電子。一旦欲被交換之能量(正)離子落在玻璃表面上時，其等可經鞘層中之電場，以高漂移速度被驅趕進入玻璃表面中。於某些範例具體例中，該漂移速度係約略為10m/s。依照不同的範例具體例，該漂移速度可為至少約1m/s，更佳地至少約5m/s，甚至更佳地至少約10m/s，最佳地至少約25m/s。在一些情況下，在玻璃上可觀察到電壓與所產生之力之冪次定律相關性。在某些範例中，此可能指出，增加振幅可產生較大的力。
在其它範例具體例中，可使用許多技術提升致動器之效率。提升致動器之效率之第一個方法係增加週期力產生之尖峰值。提升效率之第二個方法係增加電壓半周期間之對稱性。於某些情況下，可使用此等技術中之一和/或二者。於某些範例具體例中，用於提升致動器之效率之第一範例方法(增加週期力產生之尖峰值)，可包含增加下電極 32之大小、增加所施予之電壓和/或增加介電常數。在其它具體例中，用於提升致動器之效率之第二範例方法(增加電壓半周期間之對稱性)，可包含減少施予之電壓之頻率。然而，以上因子間之複雜的相互影響可決定致動器在驅趕離子在玻璃表面上/進入玻璃表面之性能。於某些範例具體例中，可製造鈉空間，然後用取代離子(如，K+、Li+、Mg+2等等)填塞此等空間。
下列方程式描述欲被驅趕進入玻璃基板之表面中之離子之某些特性。例如，有關邊際情況之方程式，如介面處(如，玻璃基板與電漿之間)之電流連續性可為：
在此ε代表電容率(氣體，然後是玻璃)，而E代表電場(在氣體中，然後在玻璃中)，e係歐拉數(Euler’s number)，εo係有關電荷之單元對機械數量(諸如長度以及力)之電常數，ni係離子之密度，ne係電子之密度，vi係離子之速率，以及ve係電子之速率。
於某些範例具體例中，一旦取代離子(如，K+、Li+、Mg2+等等)到達玻璃表面，則其等可在電漿鞘層中，梯度函數(Grad function)中漂移項引起之連續半周期下，被驅趕進入玻璃中。可製造更多鈉空間，其之後可由正取代離子充填之電場E之能量函數述於下。
一些能量函數E：f→E(f)
於某些範例具體例中，梯度流可能減低熵。針對奈米多孔介質(如，具鈉空間之玻璃)產生公式可為：
於某些範例具體例中，離子可被驅趕進入玻璃基板中至從約1至1,000微米之深度，較佳地至少約5微米，更佳地該離子被植入至少約7至15微米之深度，甚至更佳地從約30至900微米，最佳地從約50至200微米。然而，在一些情況下，在離子僅被植入至約5至15微米(如7)時，即可達到所欲的強度。於某些範例具體例中，玻璃基板之厚度可能與欲達特定強度所需植入深度有關。
離子被驅趕進入玻璃基板之深度，可在從半周期而來之第一“脈衝”上達到，或可為多重脈衝之結果，如，各脈衝驅趕離子越來越進入玻璃基板。於某些範例具體例中，電極30以及32可交替作動，如，如此越來越多的離子會比其等可能逃脫更快之速度被填塞入基板中。於某些範例具體例中，植入的離子可具有實質上常規高斯分佈、Poisson或其它分佈。
圖4例示說明依照某些範例具體例之以化學方式強化的玻璃基板之放大橫截面圖。在以化學方式強化的基板1’之表面和/或近表面區域中之取代離子10，已經至少一些鈉離子11取代。取代離子10可包括鉀、鋰、鎂、其它鹼金屬離子、銀、氬和/或相似物。至少一些鈉離子11仍留在 內部101’中。然而，於某些範例具體例中，其等與該玻璃基板之距離夠遠，如此其等對玻璃基板之強度和/或耐久性存在較少的威脅。
於某些範例具體例中，依照在此所述之範例具體例之化學強化，可使玻璃之強度增強至至少約200MPa，更佳地至少約400MPa以及最佳地至少約600MPa。在其它範例具體例中，利用電漿以化學方式鋼化之玻璃基板所產的強度，可具有強度從約200至800MPa，更佳地從約400至600MPa，以及最佳地強度為至少約400MPa。
此強度之增加可在從約30秒至30分鐘完成，更佳地約1至20分鐘，最佳地約2至10分鐘，範例時間為約5鐘，但可能甚至更少。然而，依照不同的範例具體例，玻璃之強化可歷時更多或更少之時間。
在一些情況下，鹵化物為主的鹽類可能在玻璃表面產生起霧。然而，鹵化物鹽類可用於某些範例具體例。例如，在某些具體例之電漿中，可使用二價和/或多價鹵化物鹽類。在一些情況下，二元以及三元硫酸鹽類可有利地產生β石英固溶體之清澈結晶表面層。在某些範例中亦可使用硫酸之鹽類(如，K2SO4、Li2SO4等等)和/或MgSO4、硝酸鹽、鹵素(鹵化物)和/或其它包括鉀、鋰和/或鎂之前趨物。在其它具體例中可使用其它鹼金屬。前趨物材料和/或取代離子不受此之限制，在不同範例具體例中可使用其它材料。
圖5幫助例示說明依照某些範例具體例，當以化 學方式強化玻璃基板時，如何使用一或多種電漿供給取代離子。圖5範例具體例與圖4範例具體例有點相似。在圖5中，電漿炬(如，具電弧噴射)作為電漿來源。圖5中，電漿炬/來源以簡圖表示，編號為60’以及60”。範例電漿炬述於美國專利號第5,998,757號以及第6,329,628號中，其等在此併入本案以為參考。然而，不同範例具體例可使用任何電漿炬和/或電漿電弧噴射。
於某些範例具體例中，諸如圖5，化學強化系統可在玻璃之一側或二側上包括電極。圖5說明玻璃基板之第一表面上之第一後電極300以及第一前電極302。第二後電極304以及第二前電極306在圖5範例具體例之玻璃基板之相反的主要表面上。然而，在其它範例具體例中，在基板之一或二側上可使用更多或更少的電極。圖5亦說明可噴灑在玻璃基板1之主要表面附近之電漿前趨物62與62’以及電漿64與64’。
於某些範例具體例中，淨電場可從約20至500V/mm(2×104至5×105V/m)，更佳地從約50至300V/mm(5×104至3×105V/m)，最佳地從約100至200V/mm(1×105至2×105V/m)。在某些範例中，於不同的範例具體例中所使用之電漿炬之壓力可為大氣壓力、約大氣壓力之程度和/或次大氣壓力。在圖5範例具體例或與其相似之具體例中，亦可使用範例氣壓和/或以上確認的壓力。
於某些範例具體例中，當玻璃基板移動通過電極間之開口時，從電漿而來之離子可被驅趕進入玻璃基板之 各主要表面之表面區域中。於某些範例具體例中，可在欲以化學方式鋼化之玻璃物件之各側上提供電漿炬(如，每一側上有一個和/或超過一個)。在其它範例具體例中，可僅在玻璃基板之一側上提供電漿來源(如，電漿炬)。於某些範例具體例中，可將硫酸、硝酸、鹵素(鹵化物)和/或其它包括鉀、鋰和/或鎂之前趨物之鹽類，噴灑進入電漿炬之注射台中。然而，在其它具體例中可使用其它鹼金屬。在此具體例中使用於電漿和/或取代離子之前趨物材料可與該等在此所述之其它具體例所使用的材料相同。此外，空氣中可進一步包含氬氣或其它適合的惰性氣體。
於某些範例具體例中，一旦蒸發，離子可被二個電極間施予的電場加速通過電漿炬之噴嘴。於某些範例具體例中，該炬之高溫可使材料蒸發，且將其噴灑至玻璃上。在一些情況下，高電場可容許離子在約5分鐘或更少之時間內，被驅趕進入玻璃表面約100微米之程度。
例如，離子可被驅趕進入玻璃基板至從約1至1,000微米之深度，較佳地至少約5微米，更佳地該離子被植入至少約7至15微米之深度，甚至更佳地從約30至900微米，最佳地從約50至200微米，範例深度在玻璃基板之表面下約100微米。然而，在一些情況下，所欲的強度可在離子植入至深度僅約5至15(如，7)微米時達到。離子被驅趕進入玻璃基板至此深度，可在半周期之第一“脈衝”達到，或為多脈衝之結果，如各脈衝驅趕離子越來越進入玻璃基板。在包括二或多種電漿炬之具體例中，該電漿炬可一起 (如，同時或實質上同時)、以交替之方式，或以一些其它電腦控制的形式作動。
於某些範例具體例中，此電漿炬具體例可能涉及或不涉及離子植入，所涉及之電壓之振幅可能夠高或可能不夠高至將離子植入至至少約100微米之深度，此在某些範例具體例中，當意圖強化玻璃時需要此深度。於某些情況下(如，植入離子係不可行或不可能時)，在正脈衝下，波形可用於累進地將離子推入玻璃中，如此在各脈衝下，離子被驅趕更進入該玻璃基板，直至其等到達可接受的深度(如，至少約100微米)。於一些情況下，負脈衝可進行矯正動作，以便幫助確定玻璃之表面不會充電至電漿電位或更高。然而，於一些情況下，植入深度從約5至15微米即可達到可接受之強度。
於某些範例具體例中，依照在此所述之範例具體例之化學強化，可增加所產生之玻璃基板的強度至至少約200MPa，更佳地至少約400MPa，以及最佳地至少約600MPa。在其它範例具體例中，使用電漿以化學方式鋼化所產生之玻璃基板之強度，在不同的範例具體例中可具有強度從約200至800MPa，更佳地從約400至600MPa，以及，最佳地強度為至少約400MPa。
此強度之增加可在從約30秒至30分鐘內完成，更佳地約1至20分鐘，最佳地在約2至10分鐘內，範例時間為約5分鐘。然而，依照不同的範例具體例，可在更多或更少之時間內強化玻璃。
在一些範例中，可藉由基板之線性速度調整動態注量或通量。
在其它範例具體例中，電漿炬可用於在玻璃基板之表面區域製造梯度。於一些情況下，藉由改變注射進入電漿炬中之離子的類型(如，藉由改變鹽、硫酸鹽或其它前趨物等等之類型)，或藉由交替具不同前趨物之電漿炬，處理在第一深度處之玻璃基板之表面區域，以便包括特別類型的取代離子，之後用另一炬和/或前趨物類型處理，以便在第二較淺深度包括不同類型之取代離子，等等。具此類型之梯度之玻璃基板例示於圖6中。
圖6顯示依照某些範例具體例中產生之以化學方式強化的玻璃基板1”之橫截面圖。在圖6中，基板1”之內部101”仍包括鈉離子11。然而表面和/或近表面區域100”包括取代離子10，其可包括第一取代離子3以及第二取代離子19。從圖6中可見，第一取代離子3(其可為Li+、K+、Mg2+和/或相似物)先被驅趕進入基板1”之表面區域，且取代一些鈉離子。之後，在第一取代離子被驅趕進入表面區域後，將第二取代離子19驅趕進入表面區域。因此，基板1”具有相關的取代離子之梯度。此梯度可含有許多依照不同範例具體例所欲之中間“次層”。此外，僅可在玻璃基板之一個主要表面區域上製造梯度。此外，於一些具體例中，中間次層之數目以及該等次層之組成，可隨著該基板之不同表面而不同。於某些例示性具體例中，以化學方式強化玻璃基板以致包括梯度，對於曲線基板特別有利。然而，在實 質上平的基板中包括梯度亦很適合。於某些範例具體例中，梯度可為粒徑朝基板之中心減少之梯度，或反之亦然。在其它情況下，該梯度可以其它方式改變，如從大至小至大(等等)，或反之亦然。
以化學方式強化玻璃基板之另一範例具體例，涉及從熔融鈉玻璃浮法生產中取出和/或排除鈉。圖7說明此方法之例子，其中玻璃帶己經改變，以致於當其通過(如，越過)錫浴時，從鈉鈣矽浮法玻璃(如，熔融)中取出和/或排除鈉。在圖7具體例中，從玻璃取出和/或排除之鈉離子沒有被其它離子取代。在一些情況下，相反地該離子僅被移除。鈉被迫使離開浮法玻璃/熔融物，且被錫浴中之錫吸收。此優點可產生含有比一般鈉鈣矽玻璃少的鈉之矽酸鹽玻璃。於某些範例具體例中，所形成之矽酸玻璃可實質上不含鈉(如，可包含小於20重量%之Na2O，更佳地小於15重量%之Na2O，又更佳地小於10重量%之Na2O，可能為1-5重量%之Na2O)。在一些具體例中，在浮法浴之空氣中存在之氬氣和/或其它氣體可殘留在玻璃基板中。然而，在某些情況下，此不會影響玻璃之強度和/或其它特性；特別是當氣體係惰性時。
圖7顯示依照某些範例具體例之浮法生產中之錫浴部分。於某些範例具體例中，介電質屏蔽放電(DBD)電漿可設定在該浮法生產之錫浴部分中之熔融浮法玻璃之上方(如，在玻璃帶和/或熔融物上方)。在一些情況下，空氣中可具有或包括惰性氣體。在某些例示性範例中，電場可設 定通過該浮法玻璃。在諸如此類之情況下，電極可為該電漿以及該錫浴。在某些範例中，可在玻璃帶中設定高電場(如，至少約1000V/m，更佳地至少約2000V/m，以及最佳地至少約5000或甚至10,000V/m)。此可在第二電子從玻璃中排出時，驅趕鈉離子進入錫中。正性電漿離子亦可併入該帶中，用以取代鈉。在某些情況下，此可產生富含類石英材料之玻璃。
更明確地，圖7說明浮法生產線500中作為電極之錫浴312，以及可作為另一電極之電漿63。於某些範例具體例中，該錫浴可為陰極，而該電漿可為陽極310本身，或位於陽極附近。在一些情況下，將電漿打在浮法生產線中，在該錫浴上方。於某些範例具體例中，當熔融玻璃帶1000移動通過該錫浴時，該錫作為陰極，而該電漿作為陽極。在某些情況下，鈉離子被迫離開玻璃帶。此鈉離子可被該錫浴中之熔融錫吸收。於一些情況下，可以實質上均一和/或隨機之方式，迫使鈉離子離開玻璃帶。在其它情況下，玻璃之一側具有比另一側高的鈉離子濃度。“單側產品(sided product)”可，例如，適於某些後塗覆應用。
在另外的範例具體例中，亦可使用該錫浴電漿，在玻璃基板上塗覆其它層。例如，除了強化之外，浮法玻璃亦可塗上層，以便提高環境保護力和/或其它光學特性。
於某些範例具體例中，電場可為DC，而不是RF和/或AC，該錫浴可仍為陰極，而該電漿可仍為陽極。然而在其它範例具體例中，可能為其它配置。
於某些範例具體例中，只要該錫浴和/或浮法生產線包含封閉槽，以致含有氬氣(和/或電漿中之其它離子)時，壓力可不必在真空之位準。在一些情況下，壓力可與在浮法生產線和/或錫浴中典型使用之壓力相似(如，在或接近大氣壓下)。在其它具體例中，壓力稍微較低。在另外的情況下，可能必須或需要控制氬氣和/或電漿中之其它取代離子之分壓。
於某些範例具體例中，該電漿可包含諸如氬之原子。當鈉離子從玻璃帶中被驅趕出時，氬原子65可取代鈉離子11。於某些範例具體例中，所產生的玻璃可為矽酸玻璃，如包含二氧化矽基質(等)之玻璃。於一些情況下，該玻璃(如，二氧化矽基質)可包括氬。然而，氬為惰性的，因此，應該不會顯著地影響玻璃基板之特性。於某些範例具體例中，在此方法中形成之矽酸玻璃可具有強度至少約400MPa，更佳地至少約600MPa，甚至更佳地至少約800MPa，且在某些例示性具體例中，所產生的玻璃可具有強度為至少約(或甚至大於)1000MPa。
於某些範例具體例中，強度提升之位準為未強化的玻璃之強度之約5至500倍，有時為未強化的玻璃之強度之約7至250倍。典型地，與未強化的玻璃相比，亦可能強度增加至少約10至100倍。到達該等強化位準所需之處理時間可從約1秒至1200秒，更佳地從約10至600秒，最佳地從約10至300秒。然而，依照不同的範例具體例，玻璃強化所需之時間可更長或更短。
於某些範例具體例中，該玻璃轉移溫度，Tg(如，玻璃可逆地從熔融狀態轉移成硬和/或易碎狀態之溫度)可能隨著鈉取出而慢慢地增加。在一些情況下，此可能引起帶快速的固化。於某些範例具體例中，雖然快速固化係有利的，但需注意，在某些實施中，可能需要額外地增加用於浮法浴和/或帶之能量，以便幫助提高該浮法浴和/或帶之溫度。另外，當拉製該帶時，可控制加熱以及冷卻。在另外範例具體例中，可使用富含氧化鋁之玻璃。使用富含氧化鋁之玻璃亦可有利地抵銷玻璃熔融之Tg的提高。即，某些範例具體例之電漿為主的強化技術可用於製造富含氧化鋁之玻璃(當提供包含Al之材料於/至該電漿時)。使用在此揭露之電漿為主的技術產生之富含Al之玻璃(如，用垂直拉伸技術製得者)，可具有與該等在Gorilla玻璃(其為Corning販售之玻璃)中找到相似之特性和/或特徵。使用在此揭露之電漿為主的技術產生之富含Al之玻璃(如用浮法製得者)，額外地或任擇地具有與該等可在Dragontail玻璃(其為Asahi販售之玻璃)中找到相似之特性和/或特徵。在某些範例實施中，此玻璃可用於電子類型之應用。
在其它範例具體例中，該電漿可包含諸如鹼金屬(如，Li+、K+、Mg2+等等)之取代離子。當鈉從玻璃帶中被驅趕出時，電漿中之取代離子可取代鈉離子。所產生的玻璃基板具有與在此所述之其它離子交換方法製得之玻璃基板相似的強度。此外，於某些範例具體例中，因為此發生在浮法生產線上，所以大量的鈉離子被取代離子取代。 換句話說，用此方法強化之玻璃基板可在其整個厚度上均包含取代離子，不是僅在表面區域包含取代離子。
圖8說明電極電壓對時間之圖表，其可用於在此所述之一些具體例。特別係針對AC和/或RF電極，圖8說明範例電極隨著時間進行之電壓。於某些範例具體例中，電極之大小可從約10至10,000V，更佳地從約50至5,000V，最佳地從約100至1,000 V。在另外的範例中，依照不同的範例具體例，對應的頻率可從約0.25KHz至約500KHz，更佳地從約0.5KHz至約100KHz，最佳地從約1KHz至50KHz。
在一些範例具體例中，電壓可為脈衝式的。然而，在其它範例具體例中，該電壓可為恆定的或具有其它特徵/特性。當使用脈衝式電壓時，鞘層可能會在施予脈衝時擴張。在某些範例中，具較大鞘層可能係有利的，因為可包含更多取代離子。圖9說明該脈衝。圖表9繪出電壓對時間之圖表，且顯示電壓對時間之大小。在相對於9a之點，沒有施予電壓，在玻璃周圍沒有鞘層，可在對應的玻璃基板9a中看到。在點9b處，當已經施予一些電壓時，對應基板9b之鞘層10b的位置非常接近玻璃基板9b。然而，當電壓增加時，如在點9c處所示，對應的玻璃基板9c具有鞘層10c，其又大於鞘層10b。於某些範例具體例中，其具有諸如10c之較大的鞘層係有利的。在另外的範例中，事實上鞘層會改變大小可能係有利的。
已發現之優點係，因為在此建議之生產方法係可行的，因此該生產方法可適用於主要的浮法玻璃製造方法。
於某些範例具體例中，在此所述之玻璃基板在強化之前，可先經過清洗和/或拋光。
雖然描述的是，電極和/或電漿“在”或“支撐在”玻璃基板上，但熟悉此技藝之人士應能了解到，此意指直接和/或間接地“在”或“支撐在”上面。雖然電極和/或電漿可直接接觸玻璃基板，但在不同具體例中，其等亦可與玻璃基板隔一段距離。
在此揭露之技術可用於強化諸如玻璃片之玻璃基板，但亦可用於強化其它玻璃物件(如，纖維、桿、條、方塊等等)。在此描述之玻璃基板之厚度可從約0.01至數公分，最佳地從約0.01至10mm，最佳地厚度小於約2mm。
在此所述之範例具體例可用於強化任何類型的玻璃基板。例如，可使用任一種所揭露之範例方法，強化富含氧化鋁之玻璃。特別地，可依照在此揭露之範例具體中任一種之方法，強化用垂直拉伸方法和/或浮法生產線方法製得之富含氧化鋁之玻璃。於某些範例具體例中，富含氧化鋁之玻璃基板適合用於電子應用。特別是，富含氧化鋁之電漿強化的玻璃特別適合用於需要增加耐久性以及減少厚度之電子應用。
此外，雖然所揭露之方法中，一些係有關藉由移除和/或取代存在玻璃中之鈉離子來強化鈉鈣矽玻璃，但熟悉此技藝之人士應可認知到，於某些範例具體例中，可使用電漿作為電極和/或取代離子來源，移除和/或取代存在玻璃基板和/或熔融玻璃帶中不想要的離子。
雖然係以目前被認為最佳實施以及最佳具體例來說明本發明，但應了解，本發明並不限於所揭露之具體例，相反地，意圖涵蓋在所附之申請專利範圍之思想以及範疇內所包括之各種修飾物以及相等的排列。
1、1’、1”‧‧‧玻璃基板
3‧‧‧第一取代離子
9a、9b、9c‧‧‧點
10‧‧‧取代離子
10b、10c‧‧‧鞘層
11‧‧‧鈉離子
15‧‧‧空缺
19‧‧‧鉀離子、第二取代離子
30‧‧‧上電極
32‧‧‧下電極
50‧‧‧槽
60‧‧‧電漿來源
60’、60”‧‧‧電漿炬/來源
62、62’‧‧‧電漿前趨物
63、64、64’‧‧‧電漿
65‧‧‧氬原子
100(a)‧‧‧表面和/或近表面部分
101(a)、101(b)、101’、101”‧‧‧內部
100(b)‧‧‧表面上/附近之區域
100”‧‧‧表面和/或近表面區域
300‧‧‧第一後電極
302‧‧‧第一前電極
304‧‧‧第二後電極
306‧‧‧第二前電極
310‧‧‧陽極
312‧‧‧錫浴
500‧‧‧浮法生產線
1000‧‧‧熔融玻璃帶
圖1(a)-(b)分別顯示機械(如，熱)強化以及化學鋼化的玻璃基板之範例應力量變曲線；圖2(a)-(b)幫助說明某些化學鋼化的原理；圖3幫助說明依照某些範例具體例，如何使用電漿(作為電極)以及取代離子來源，以化學方式強化玻璃基板；圖4說明根據某些範例具體例之化學強化的玻璃基板之放大橫截面圖；圖5幫助說明依照某些範例具體例，當以化學方法強化玻璃基板時，如何使用一或多種電漿供給取代離子；圖6說明根據某些範例具體例之化學強化的玻璃基板之放大橫截面圖，包括離子梯度；圖7幫助說明依照某些範例具體例，如何使用電漿以及浮法生產線，以化學方式強化玻璃基板；圖8係範例電極之電壓對時間之圖表，其可依照某些範例具體例使用；以及圖9說明根據某些範例具體例之玻璃基板四周之電壓對時間之圖表，以及在鞘層上之相應的作用。
1‧‧‧玻璃基板
30‧‧‧上電極
32‧‧‧下電極
50‧‧‧槽
60‧‧‧電漿來源
62‧‧‧電漿前趨物
64‧‧‧電漿

Claims (20)

  1. 一種增加玻璃基板之強度之方法，其包含：在鄰近該玻璃基板之至少第一主要表面處，提供至少一種電漿炬，其包含至少第一以及第二電極；以及透過在該二個電極間施與的電場，通過該電漿炬之噴嘴，噴灑出包含取代離子之電漿，如此該電漿被噴灑在該玻璃基板之該第一主要表面附近；其中將該取代離子驅趕進入該玻璃基板之至少一個主要表面中，以便增加該玻璃基板之強度。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含：在鄰近該玻璃基板之第二主要表面處，放置第二電漿炬，其包含第三以及第四電極；以及透過在該二個電極間施與的電場，通過該第二電漿炬之噴嘴，噴灑出包含取代離子之電漿，如此該電漿被噴灑在該玻璃基板之該第二主要表面附近，其中將該取代離子驅趕進入該玻璃基板之第一以及第二主要表面中，以便增加該玻璃基板之強度。
  3. 如申請專利範圍第1-2項中任一項之方法，其中該取代離子係二價的。
  4. 如申請專利範圍第1-3項中任一項之方法，其中該取代離子係多價的。
  5. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之方法，其中該離子被驅趕進入該玻璃基板之第一主要表面中至少約100微米之深度。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該離子在約10分鐘或更少的時間內被驅趕至該深度。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該離子在約5分鐘或更少的時間內被驅趕至該深度。
  8. 如申請專利範圍第1-7項中任一項之方法，其中該玻璃基板具有至少約400MPa之強度。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該玻璃基板之該強度在約10分鐘或更少的時間內達到。
  10. 如申請專利範圍第1-9項中任一項之方法，其中該玻璃基板具有至少約600MPa之強度。
  11. 如申請專利範圍第1-10項中任一項之方法，其中該玻璃基板包含鈉鈣矽玻璃。
  12. 一種用於強化鈉鈣矽玻璃基板之方法，其包含：在鄰近該玻璃基板之相對的主要表面處，放置第一以及第二電漿炬或電弧噴射；透過各電漿炬或電弧噴射，將包含取代離子之電漿噴灑於該玻璃基板之該相對的主要表面上；藉由各電漿炬或電弧噴射之第一以及第二電極間之電場，將該取代離子驅趕進入該玻璃基板之第一以及第二主要表面中，以便增加該玻璃基板之強度。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該電場具有至少約50V/mm之大小。
  14. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該電場具有至少約100V/mm之大小。
  15. 如申請專利範圍第12-14項中任一項之方法，其中該取代離子包含Li+、K+以及Mg2+中之至少一種。
  16. 如申請專利範圍第12-15項中任一項之方法，其中該取代離子被驅趕進入該玻璃基板之表面區域中至少100微米。
  17. 如申請專利範圍第12-16項中任一項之方法，其中在該玻璃基板之該表面與進入該玻璃基板100微米深之間的至少一些鈉離子，被該取代離子取代。
  18. 如申請專利範圍第12-17項中任一項之方法，其中該取代離子係二價和/或多價的。
  19. 如申請專利範圍第12-18項中任一項之方法，其中該玻璃基板在約5分鐘或更少的時間內，具有至少約400MPa之強度。
  20. 一種製造玻璃基板之方法，該方法包含：使鈉鈣矽玻璃基板之相對的主要表面曝露於含有離子之電漿中，該鈉鈣矽玻璃基板起初至少包括10-20重量%之Na2O；以及選擇性地活化與該電漿結合之電極，以便直接或間接地驅趕該離子進入該玻璃基板之表面區域，以及迫使鈉離子離開該表面區域，而減少該玻璃基板之Na2O含量至低於10重量%。
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