TW201920039A - 用於經塗覆玻璃中之強度及/或應力損失減緩之方法及設備 - Google Patents

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Abstract

方法和設備提供：玻璃基板，具有第一失效應變特性、第一彈性模數特性和抗彎強度；及塗層，施用於玻璃基板上面而製造複合結構，以提高硬度，其中塗層具有第二失效應變特性和第二彈性模數特性，其中第一失效應變特性大於第二失效應變特性，且為下列之一：(i)第一彈性模數特性大於最小預定閥值，藉以減緩施用塗層造成玻璃基板的任何抗彎強度減小；及(ii)第一彈性模數特性小於最大預定閥值，藉以減緩施用塗層造成玻璃基板的任何失效應變減小。

Description

用於經塗覆玻璃中之強度及/或應力損失減緩之方法及設備
本發明係關於用於使塗覆玻璃基板結構保有高強度及/或應力的方法和設備。
許多消耗品和商品採用高品質的蓋玻璃片，以保護產品內的關鍵裝置、提供輸入及/或顯示用使用者介面及/或許多其他功能。例如，諸如智慧型手機、mp3播放器、平板電腦等行動裝置常常在產品上使用一或更多高強度玻璃片，以保護產品及實現上述使用者介面。在此類和其他應用中，玻璃較佳為耐用（例如耐刮和抗斷）、透明及/或抗反射。事實上，在智慧型手機及/或平板電腦應用中，蓋玻璃通常係供使用者輸入及顯示的主要介面，此意味著蓋玻璃較佳為展現高耐用性和高光學性能特性。
要證明產品上的蓋玻璃暴露於惡劣的操作條件，斷裂（例如裂痕）和刮痕可能是最常見的證據。此證據指出尖銳接觸、單事件損壞係造成行動產品的蓋玻璃上產生肉眼可見的裂痕（及/或刮痕）的主要來源。一旦明顯裂痕或刮痕損壞使用者輸入/顯示元件的蓋玻璃，將損及產品外觀，造成光散射增加，導致顯示器性能顯著降低。明顯裂痕及/或刮痕亦會影響觸敏顯示器的準確度和可靠度。單一嚴重裂痕及/或刮痕及/或一些中度裂痕及/或刮痕既難看，又會顯著影響產品性能，此往往係消費者的主要客訴，對行動裝置而言尤其如是，例如智慧型手機及/或平板電腦。
為降低刮傷產品的蓋玻璃的可能性，乃提出將蓋玻璃硬度提高至約15吉帕（GPa）或以上。提高特定玻璃基板硬度的方式為施用膜塗層或層至玻璃基板而製造複合結構，複合結構的硬度比裸玻璃基板高。例如，類鑽石碳塗層可施用於玻璃基板，以改善複合結構的硬度特性。事實上，鑽石具有100吉帕的硬度；然此材料成本太高而很少使用。
雖然增加塗層至玻璃基板頂部可增進結構硬度，從而改善蓋玻璃的耐刮性，但塗層會損及基板的其他特性，例如基板的抗彎強度及/或基板的失效應變。玻璃基板的強度及/或失效應變減小將表現在更易破裂，特別係深裂痕。
因此，此領域需要在玻璃基板上完成高硬度塗層的新方法和設備。
有一些原因可能施用塗層至玻璃基板上面，例如達成一定電性、光學性質、半導體特性等。通常，硬表面的耐刮性比軟表面佳。然用於在特定應用中達成一定強度及/或失效應變特性的特定基板組成不具預定表面硬度層級和預定耐刮性層級。故塗層可施用於玻璃基板，以解決表面硬度問題。
例如，氧化物玻璃（例如取自Corning公司的Gorilla®玻璃）已廣泛用於消費性電子產品。此玻璃係用於習知玻璃強度及/或失效應變不足以達到預定性能層級的應用。Gorilla®玻璃由化學強化（離子交換）製造，以達到高強度層級，同時維持預定光學特性（例如高穿透率、低反射率和適當折射率）。適用離子交換的玻璃組成包括鹼鋁矽酸鹽玻璃或鹼鋁硼矽酸鹽玻璃，但也可為其他玻璃組成。離子交換（IX）技術可於處理玻璃中產生高壓縮應力層級，且適合薄玻璃基板。
在測定抗彎強度方面，可採行環對環測試，此係已知在周圍溫度下測試先進陶磁的單調等軸抗彎強度的方法（例如參見ASTM C1499-09）。環對環測試方法包含在周圍溫度下，利用同心環構造及單調單軸負載下測定先進脆性材料的等軸強度。此測試已廣為接受及用於評估玻璃基板的表面強度。至於環對環實驗進行所述實施例方面，直徑1吋的支撐環和直徑0.5吋的負載環用於尺寸約2吋×2吋的試樣。環的接觸半徑為約1.6毫米（mm），前端速度為約1.2毫米/分鐘。在塗覆玻璃物件中，除了其他類似方法，例如球對環，還可利用環對環方法測量表面抗彎強度或表面失效應變。當塗層受到張力時，通常會引起塗層相關的強度降低，在該等測試中，此意指物件的塗覆表面係在內部（負載）環或球的相對表面（例如塗覆表面係在物件受負載下構成的「碗狀外側」）。特徵強度通常以已知統計方法描述，例如統計平均或韋伯（Weibull）特徵強度。通常係引用一組樣品的韋伯特徵強度或韋伯特徵失效應變值，其中測試時，每組有至少10個公稱相同樣品。
雖然Gorilla®玻璃具有非常理想的強度性質，但此玻璃的硬度為約6至10吉帕。如上所述，許多應用更期硬度為約15吉帕以上。注意在此所用「硬度」一詞擬指Berkovich硬度測試，硬度測量單位為吉帕，並採用奈米壓頭尖端來測試材料的壓痕硬度。尖端係幾何形狀自相似的三角錐且具相當平坦的輪廓，總夾角為142.3度，半角為65.35度（從主軸測到錐面之一）。或可採行其他硬度測試。
如上所述，提高特定玻璃基板硬度的方式為施用膜塗層或層而製造複合結構，複合結構的硬度比裸玻璃基板高。亦如上所述，塗層會降低玻璃基板的強度及/或失效應變。
例如，用於增進玻璃基板硬度的塗層的彈性模數（Ec）通常大於玻璃基板的彈性模數（Es），例如Ec為大於或等於約100吉帕，Es為約70吉帕。另外，因塗層內應力大於玻璃內應力，故裂痕動力通常源自塗層，當塗層牢牢黏附於玻璃基板時，此可由塗層與玻璃的等應力達成。裂痕動力可進一步由裂痕特性化，裂痕穿透玻璃基板、克服玻璃基板受到負載的壓縮應力（CS）及最終因持續負載而綿延通過玻璃基板。
塗覆玻璃基板的複合結構的抗彎強度損失可以下列斷裂機制架構機械表述。若eM 為施予塗層與玻璃基板且平行表面的雙軸施加巨觀應力，則作用在未破裂塗層（sc ）和未破裂玻璃基板（ss ）的淨應力如下：（方程式1）（方程式2） 其中和係塗層與玻璃基板內的殘餘應力，係面內模數，係指施加巨觀應力。
為估計塗層致使玻璃基板的抗彎強度降低多寡，需有參考狀態（即對照組），此圖示於第1圖。對照組樣品係具預存玻璃裂縫10的離子交換（強化）玻璃基板102。透過分析對照組樣品的強度分布，可估計預存玻璃裂縫（裂痕）尺寸。因玻璃裂縫尺寸通常為次微米或微米範疇，故殘餘應力假定為均勻遍及裂痕。塗覆玻璃基板做為比較，如第2圖所示，塗覆玻璃基板包括玻璃基板102和具塗層裂痕的塗層104，塗層裂痕連接至玻璃基板102的預存玻璃裂縫。此情況發生在當玻璃基板102的預存玻璃裂縫10於塗層104內造成沉積缺陷或應力集中時。在此情況下，，第1圖裂痕尖端的模式I應力強度因子可表述如下：（方程式3） 其中，若，則（方程式4），及（方程式5）。
然適當考量玻璃基板102及/或塗層104的某些特性，可減緩玻璃基板102經塗佈後的抗彎強度及/或失效應變減小。例如，方法和設備可包括：提供玻璃基板102，玻璃基板具有第一失效應變特性、第一彈性模數特性和抗彎強度；施用塗層104至玻璃基板102上面而製造複合結構，以提高基板硬度，其中塗層104具有第二失效應變特性和第二彈性模數特性，其中第一失效應變特性大於第二失效應變特性；及選擇第一彈性模數特性，以達下列之一：(i)第一彈性模數特性大於最小預定閥值，藉以減緩施用塗層造成玻璃基板的任何抗彎強度減小；及(ii)第一彈性模數特性小於最大預定閥值，藉以減緩施用塗層造成玻璃基板的任何失效應變減小。
熟諳此技術者在配合參閱實施方式說明與附圖後，將清楚明白其他態樣、特徵和優點。
所述各種實施例係針對藉由施用塗層104（可為一或多層）至基板上而增進基板硬度，例如玻璃基板102。塗層104可提高玻璃基板102表面的硬度（和耐刮性）。為充分理解本文如何實現和所含實施例的廣泛範圍，將論及一些實驗與理論。參照第3圖，一些預定玻璃基板102（由所示基板代表）用於評估及開發新穎製程和結構，以改善原始（或裸）玻璃基板102的機械與光學性質。選用基板材料包括取自Corning公司的Gorilla®玻璃，此係離子交換玻璃且通常為鹼鋁矽酸鹽玻璃或鹼鋁硼矽酸鹽玻璃，但也可為其他玻璃組成。選用基板材料亦包括非離子交換玻璃（例如硼鋁矽酸鹽玻璃，此亦取自Corning公司）。
舉例來說，原始Gorilla®玻璃基板102的硬度通常為約7吉帕，然許多應用更期硬度為至少約10吉帕或至少15吉帕以上。如上所述，施用塗層104至原始玻璃基板102，可獲得高硬度。
在一些例子中，可施用因高硬度而未使用的塗層，但該等塗層仍具高模數及/或低失效應變，致使塗覆玻璃物件的強度或失效應變比塗覆玻璃小。該等塗層可包括電氣塗層、光學塗層、摩擦改質塗層、耐磨塗層、自清潔塗層、抗反射塗層、觸感塗層、半導體塗層、透明導電塗層等。塗層材料實例可包括TiO2 、Nb2 O5 、Ta2 O5 、HFO2 、氧化銦錫（ITO）、氧化鋁鋅、SiO2 、Al2 O3 、氟化氧化錫、矽、氧化銦鎵鋅和此領域已知其他材料。
參照第4圖，進行一些基準線測量，以評估施用2微米（mm）厚氮化鋁（AlN）塗層104至原始玻璃基板102的一些樣品來製造複合結構100的機械影響。特定言之，第4圖係裸玻璃基板102經塗佈處理而形成至少一AlN層104於上的示意圖，此將改變基板102的硬度（提高硬度）。為更充分理解涉及機制，一些原始玻璃基板102經離子交換，其他原始玻璃基板102則非離子交換（例如取自Corning公司的硼鋁矽酸鹽玻璃）。
玻璃基板102樣品（離子交換與非離子交換）經預處理而接收塗層104，例如利用酸拋光或其他方式處理基板102，以去除或減低表面裂縫的不當影響。清洗或預處理基板102，以促進施用塗層104的黏附性。塗層104可以氣相沈積技術施用於原始基板102，氣相沈積技術包括濺射、電漿加強化學氣相沈積（PECVD）或電子（電子束）蒸鍍技術。塗層104的典型厚度為約2 mm，然也可以約0.03 mm至2 mm的塗層厚度進行研究。然熟諳此技術者將明白施用塗層104的特定機制非僅限於上述技術，技術人員當可選擇以滿足特定產品應用或製造目標的迫切要求。
在特性化所得複合結構100的機械性質方面，參照第5圖，第5圖係曲線圖，該圖含有對照組原始玻璃基板102和複合結構100的一些失效機率（測量單位：百分比；縱軸，Y軸）對ROR失效負載（測量單位：公斤力（kgf）；橫軸，X軸）作圖。未塗覆原始對照組玻璃基板102的作圖標為302（非離子交換玻璃基板）和304（離子交換玻璃基板）。塗覆複合結構100（採用離子交換玻璃基板102）的作圖標為306，塗覆複合結構100（採用非離子交換玻璃基板102）的作圖標為308。
從作圖302、304、306、308清楚可見，無論玻璃是否為離子交換類型，施用硬AlN塗層都會降低玻璃基板102的強度。然相較於非離子交換複合結構100，採用離子交換玻璃基板102的複合結構100保有高強度。事實上，施用硬塗層（例如ITO、AlN、AlON等）於玻璃基板102將大幅降低玻璃強度，此極可能係因為塗層失效應變比某些強玻璃基板小，又因塗層104與玻璃基板102的模數失配而惡化。塗層104的模數遠大於玻璃基板102的模數，故當裂痕源自高模數塗層104時，由於應力大於玻璃基板102，裂痕將具高驅動力而穿透玻璃基板102。在離子交換玻璃基板的例子中，裂痕受到負載會克服壓縮應力層深度，及最終因持續負載而綿延通過玻璃基板102。
仔細考量玻璃基板102和塗層104的各種特性，可改善所得複合結構100的抗彎強度及/或失效應變。例如，為觀測強度及/或失效應變降低現象，玻璃基板102的失效應變須比塗層104的破裂開始應力高，當然塗層104與玻璃基板102間需無分層。換言之，玻璃基板102（未塗覆）將具第一失效應變特性、第一彈性模數特性和抗彎強度。塗層104將具第二失效應變特性和第二彈性模數特性。第一失效應變特較佳為大於第二失效應變特性。例如，第一失效應變特性可大於約1%，第二失效應變特性可小於約1%。或者，第一失效應變特性可大於約0.5%，第二失效應變特性可小於約0.5%。在其他例子中，第一失效應變特性可高達1.5%、2.0%或3.0%，且在各例中，第二失效應變特性小於第一失效應變特性。
為解決塗覆玻璃基板複合結構100的強度及/或失效應變降低，玻璃基板102的第一彈性模數特性乃選擇使上述特性間呈特定關係。例如，為解決強度降低，第一彈性模數特性乃選擇為大於最小預定閥值，藉以減緩施用塗層104造成玻璃基板102的任何抗彎強度減小。此實施例較佳用於需有高應力或承載力的最終應用，例如某些觸控顯示裝置、某些汽車及/或某些建築應用。
或者，為解決失效應變降低，第一彈性模數特性乃選擇為小於最大預定閥值，藉以減緩施用塗層104造成玻璃基板102的任何失效應變減小。此實施例較佳用於需有高應力容限的最終應用，例如某些觸控顯示裝置或某些可撓顯示裝置。
現參照第6圖，第6圖係含有一些失效機率（測量單位：百分比；Y軸）對失效強度（測量單位：兆帕；X軸）作圖的計算曲線圖，此可表示物件受到負載，致使塗層遭受來自測試的拉伸負載時的環對環或球對環測試結果。可以上述理論斷裂機制架構計算作圖，並使用離子交換玻璃102的假定對照組樣品（未塗覆，標為602）和具30 nm氧化銦錫（ITO）塗層104的離子交換玻璃102的樣品，ITO的楊氏模數為140吉帕。第一組複合結構100包括模數約120吉帕的玻璃基板102（標為604）。第二組複合結構100包括模數約72吉帕的玻璃基板102（標為606）。第三組複合結構100包括模數約37吉帕的玻璃基板102（標為608）。第6圖圖示計算玻璃模數對塗佈處理後的強度保持的影響。計算作圖時，假設：(i)所有模數玻璃採用相同初始表面強度，即同樣的初始裂縫群；(ii)所有玻璃的斷裂韌度為0.7兆帕．公尺1/2 ；(iii)ITO性質一樣且 EITO 的楊氏模數=140吉帕；及(iv)玻璃基板的殘餘表面壓縮為856兆帕。顯然根據理論分析，若從類似的表面強度開始，則高模數玻璃可減緩強度降低。
又如上所述，為解決強度降低，第一彈性模數特性乃選擇為大於最小預定閥值，以減緩玻璃基板102的任何抗彎強度減小。例如，玻璃基板102的第一彈性模數特性的最小預定閥值可為至少約70吉帕。或者，最小預定閥值可為至少約75吉帕、至少約80吉帕及/或至少約85吉帕。控制及/或選擇玻璃基板102的第一彈性模數特性的預定閥值較佳可使複合結構100的抗彎強度在施用塗層104後達下列至少一者：至少200兆帕、至少250兆帕、至少300兆帕、至少350兆帕及/或至少400兆帕。
現參照第7圖，第7圖係根據所述一或更多實施例的計算曲線圖，該圖含有在塗佈製程前後，就一些玻璃基板樣品的一些失效機率（測量單位：百分比；Y軸）對失效應變（測量單位：百分比；X軸）作圖。類似上述第6圖，失效應變值可表示物件受到負載，致使塗層遭受來自測試的拉伸負載時的環對環或球對環測試結果。離子交換玻璃102的樣品假定具有30 nm氧化銦錫（ITO）塗層104，ITO的楊氏模數亦為140吉帕。第一組複合結構100包括模數約37吉帕的玻璃基板102（標為702）。第二組複合結構100包括模數約72吉帕的玻璃基板102（標為704）。第三組複合結構100包括模數約120吉帕的玻璃基板102（標為706）。第7圖圖示玻璃模數對失效應變的影響。計算作圖時，假設：(i)所有模數玻璃採用相同初始表面強度，即同樣的初始裂縫群；(ii)所有玻璃的斷裂韌度為0.7兆帕ž公尺1/2 ；(iii)ITO性質一樣且 EITO 的楊氏模數=140吉帕；及(iv)玻璃基板的殘餘表面壓縮為856兆帕。顯然根據理論分析，若從類似的表面強度開始，則即使施用硬脆塗層，低模數玻璃仍可殘留較大失效應變。
又如上所述，為解決失效應變降低，第一彈性模數特性乃選擇為小於最大預定閥值，以減緩玻璃基板102的任何失效應變減小。例如，玻璃基板102的第一彈性模數特性的最大預定閥值可為不大於約65吉帕、不大於約60吉帕、不大於約55吉帕及/或不大於約50吉帕。
為充分瞭解所述實施例的優點，以下將詳述玻璃基板102的材料選擇。關於玻璃基板102的選擇，所述實例迄今係聚焦在實質平面結構，但其他實施例當可採用彎曲或其他形狀或造形的玻璃基板102。此外或或者，基於美觀及/或功能考量，可改變玻璃基板102的厚度，例如玻璃基板102的邊緣可比中心區域厚。
玻璃基板102可由非離子交換玻璃或離子交換玻璃形成。
在由非離子交換玻璃形成的玻璃基板102方面，可看成此基板由可離子交換玻璃形成，特定言之為習知以化學強化（離子交換；IX）增強的玻璃材料。在此所用「可離子交換」一詞意指玻璃能交換位於玻璃表面或附近的陽離子與較大或較小的同價陽離子。如上所述，此一可離子交換玻璃為取自Corning公司的Corning Gorilla®玻璃。
任何數量的特定玻璃組成可用於提供原始玻璃基板102。例如，適用所述實施例的可離子交換玻璃包括鹼鋁矽酸鹽玻璃或鹼鋁硼矽酸鹽玻璃，然也可為其他玻璃組成。
例如，適合玻璃組成包含SiO2 、B2 O3 和Na2 O，其中(SiO2 +B2 O3 )≥66莫耳%，Na2 O≥9莫耳%。在一實施例中，玻璃片包括至少6莫耳%的氧化鋁。在另一實施例中，玻璃片包括一或更多鹼土金屬氧化物，使鹼土金屬氧化物含量為為至少5莫耳%。在一些實施例中，適合玻璃組成進一步包含K2 O、MgO和CaO的至少一者。在一特定實施例中，玻璃包含61-75莫耳%的SiO2 、7-15莫耳%的Al2 O3 、0-12莫耳%的B2 O3 、9-21莫耳%的Na2 O、0-4莫耳%的K2 O、0-7莫耳%的MgO和0-3莫耳%的CaO。
適於形成混成玻璃疊層的另一示例性玻璃組成包含：60-70莫耳%的SiO2 、6-14莫耳%的Al2 O3 、0-15莫耳%的B2 O3 、0-15莫耳%的Li2 O、0-20莫耳%的Na2 O、0-10莫耳%的K2 O、0-8莫耳%的MgO、0-10莫耳%的CaO、0-5莫耳%的ZrO2 、0-1莫耳%的SnO2 、0-1莫耳%的CeO2 、少於50 ppm的As2 O3 和少於50 ppm的Sb2 O3 ，其中12莫耳%£(Li2 O+Na2 O+K2 O)£20莫耳%，0莫耳%　£(MgO+CaO)£10莫耳%。
又一示例性玻璃組成包含：63.5-66.5莫耳%的SiO2 、8-12莫耳%的Al2 O3 、0-3莫耳%的B2 O3 、0-5莫耳%的Li2 O、8-18莫耳%的Na2 O、0-5莫耳%的K2 O、1-7莫耳%的MgO、0-2.5莫耳%的CaO、0-3莫耳%的ZrO2 、0.05-0.25莫耳%的SnO2 、0.05-0.5莫耳%的CeO2 、少於50 ppm的As2 O3 和少於50 ppm的Sb2 O3 ，其中14莫耳%£(Li2 O+Na2 O+K2 O)£18莫耳%，2莫耳%£(MgO+CaO)£7莫耳%。
在另一實施例中，鹼鋁矽酸鹽玻璃包含、本質由或由下列組成：61-75莫耳%的SiO2 、7-15莫耳%的Al2 O3 、0-12莫耳%的B2 O3 、9-21莫耳%的Na2 O、0-4莫耳%的K2 O、0-7莫耳%的MgO和0-3莫耳%的CaO。
在一特定實施例中，鹼鋁矽酸鹽玻璃包含氧化鋁、至少一鹼金屬，及在一些實施例中為大於50莫耳%的SiO2 、在其他實施例中為至少58莫耳%的SiO2 、在又一些其他實施例中為至少60莫耳%的SiO2 ，其中的比率＞1，在該比率中，組分單位為莫耳%，改質劑為鹼金屬氧化物。在特定實施例中，此玻璃包含、本質由或由下列組成：58-72莫耳%的SiO2 、9-17莫耳%的Al2 O3 、2-12莫耳%的B2 O3 、8-16莫耳%的Na2 O和0-4莫耳%的K2 O，其中的比率＞1。
在又一實施例中，鹼鋁矽酸鹽玻璃基板包含、本質由或由下列組成：60-70莫耳%的SiO2 、6-14莫耳%的Al2 O3 、0-15莫耳%的B2 O3 、0-15莫耳%的Li2 O、0-20莫耳%的Na2 O、0-10莫耳%的K2 O、0-8莫耳%的MgO、0-10莫耳%的CaO、0-5莫耳%的ZrO2 、0-1莫耳%的SnO2 、0-1莫耳%的CeO2 、少於50 ppm的As2 O3 和少於50 ppm的Sb2 O3 ，其中12莫耳%£　Li2 O+Na2 O+K2 O£20莫耳%，0莫耳%£MgO+CaO£10莫耳%。
在再一實施例中，鹼鋁矽酸鹽玻璃包含、本質由或由下列組成：64-68莫耳%的SiO2 、12-16莫耳%的Na2 O、8-12莫耳%的Al2 O3 、0-3莫耳%的B2 O3 、2-5莫耳%的K2 O、4-6莫耳%的MgO和0-5莫耳%的CaO，其中66莫耳%£SiO2 +B2 O3 +CaO£69莫耳%，Na2 O+K2 O+B2 O3 +MgO+CaO+SrO＞10莫耳%，5莫耳%£MgO+CaO+SrO£8莫耳%，(Na2 O+B2 O3 )£Al2 O3 £2莫耳%，2莫耳%£Na2 O£Al2 O3 £6莫耳%，及4莫耳%£(Na2 O+K2 O)£Al2 O3 £10莫耳%。
至於在原始玻璃基板102的表面交換離子的特定製程，離子交換的施行係把原始玻璃基板102浸入熔融鹽浴一段預定時間，使原始玻璃基板102的表面或附近的離子與如鹽浴中的較大金屬離子交換。原始玻璃基板可在約400℃至500℃下浸入熔融鹽浴，計約4-24小時，較佳為4-10小時。將較大離子併入玻璃可在附近表面區域產生壓縮應力而強化離子交換玻璃基板102’。離子交換玻璃基板102’的中心區域內則引發對應的拉伸應力，以平衡壓縮應力。假設使用鈉系玻璃組成和硝酸鉀（KNO3 ）鹽浴，則原始玻璃基板102內的鈉離子會被熔融鹽浴中的較大鉀離子取代而製造離子交換玻璃基板102’。
較大離子在低於玻璃網狀物的鬆弛溫度下取代較小離子將產生離子分布遍及離子交換玻璃基板102’的表面而造成上述應力輪廓。體積較大的進入離子於表面產生壓縮應力（CS），並於離子交換玻璃基板102’的中心區域產生張力（中心張力或CT）。壓縮應力與中心張力的關係可以下式表示：
其中t係玻璃基板102的總體厚度，DOL係離子交換層深度，DOL亦稱作壓縮層深度。在一些情況下，壓縮層深度為大於約15微米，在一些情況下則為大於約20微米。
關於可用於離子交換製程的特定陽離子，技術人員有許多選擇。例如，鹼金屬為可用於離子交換製程的陽離子源。鹼金屬係週期表第1族的化學元素，特定言之包括：鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb）、銫（Cs）和鍅（Fr）。雖然技術上不為鹼金屬，但鉈（Tl）係另一可用於離子交換製程的陽離子源。鉈易氧化成離子鹽般的+3和+1氧化態，+3態類似硼、鋁、鎵和銦。然鉈的+1氧化態會引動鹼金屬的化學性質。
複合結構100的機械特性（例如硬度、耐刮性、強度等）會受塗層104的組成、厚度及/或硬度影響。事實上，仔細選擇塗層104的特定材料及/或化學組成，可使複合結構100具預定高硬度和低總反射率等特性。
如上所述，塗層104包括第二彈性模數特性（相較於玻璃基板102的模數）。例如，塗層104的第二彈性模數特性可為下列至少一者：至少40吉帕、至少45吉帕、至少50吉帕、至少55吉帕及至少60吉帕。
又例如，塗層104的材料可取自氮化矽、二氧化矽、碳氧化矽、氮氧化鋁、碳氧化鋁、氧化物（例如Mg2 AlO4 ）、類鑽石碳膜、超奈米晶鑽石或其他材料。用於塗層104的其他材料實例包括一或更多的MgAl2 O4 、CaAl2 O4 、MgAl2 O4-x 、MgAl2 O4-x 、Mg(1-y) Al(2+y) O4-x 的近似組成，及/或Ca(1-y) Al(2+y) O4-x 、SiOx Cy 、SiOx Cy Nz 、Al、AlN、AlNx Oy 、Al2 O3 、Al2 O3 /SiO2 、BC、BN、DLC、石墨烯、SiCNx 、SiNx 、SiO2 、SiC、SnO2 、SnO2 /SiO2 、Ta3 N5 、TiC、TiN、TiO2 及/或ZrO2 。
在塗層104的厚度方面，可利用一層或多層，使厚度達下列之一：(i)約1-5微米厚；(ii)約1-4微米厚；(iii)約2-3微米厚；及(iv)約2微米。通常，期有較大厚度以得較高硬度特性，然此會增加製造成本。咸信厚度約2微米係權衡對複合結構100的整體硬度（和耐刮性）有顯著影響、同時可維持合理製造成本/複雜度的適當厚度。事實上，當尖銳物體施用於複合結構100時（例如施以Berkovich測試），尖銳物體產生的應力場會延伸越過複合結構100的表面約物體半徑的100倍。從衝擊看來，應力場很容易達到1000微米或以上。故可選擇具有效厚度（1-5微米）的塗層104，以解決及抵消如此深遠的應力場，並改善整體複合結構的耐刮性。
就其他應用而言，例如光學塗層或電氣塗層應用，塗層104的厚度並無特殊限制，例如約10奈米至約100奈米或約10奈米至約1000奈米。
至於塗層104的硬度，就期具硬度的應用而言，硬度可為下列之一：(i)至少10吉帕、(ii)至少15吉帕、(iii)至少18吉帕和(iv)至少20吉帕。在塗層104的厚度特性方面，可選擇有效硬度層級來具體解決及抵消施用尖銳物體引起的應力場，從而改善耐刮性。
更進一步的實施例可採用一或更多中間塗層置於玻璃基板102與塗層104之間，以製造複合結構100。
雖然本發明已參照特定實施例敘述，然應理解該等實施例僅為說明實施例的原理和應用。故應明白在不脫離本發明的精神和範圍內，當可對所述實施例作各種更動與潤飾及策劃其他配置方式。
10‧‧‧裂縫
100‧‧‧複合結構
102‧‧‧玻璃基板
104‧‧‧塗層
302、304、306、308、602、604、606、608、702、704、706‧‧‧作圖
為加以說明，圖式乃呈現較佳形式，然應理解本文所示及所述實施例不限於圖示確切配置和機構。
第1圖係玻璃基板示意圖，且在塗佈製程前，基板表面具有初始裂縫；
第2圖係第1圖的塗覆玻璃基板示意圖，其中塗層的裂縫對準玻璃基板表面的初始裂縫；
第3圖係未塗覆玻璃基板示意圖，基板準備接受塗層，以增進基板硬度；
第4圖係玻璃基板示意圖，基板經塗佈處理，以形成至少一層於上及改變玻璃基板硬度；
第5圖係曲線圖，該圖含有在塗佈製程前後，就一些玻璃基板樣品的一些失效機率（Y軸）對ROR失效負載（X軸）作圖，用以說明改良可能；
第6圖係根據所述一或更多實施例（及根據某些註記假設）的計算曲線圖，該圖含有在塗佈製程前後，就一些玻璃基板樣品的一些失效機率（Y軸）對ROR失效負載、抗彎強度（X軸）作圖；及
第7圖係根據所述一或更多實施例（及根據某些註記假設）的計算曲線圖，該圖含有在塗佈製程前後，就一些玻璃基板樣品的一些失效機率（Y軸）對失效應變（X軸）作圖。
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Claims (15)

  1. 一種用於減緩經塗覆玻璃中之失效應變損失之方法，包含： 提供一玻璃基板，該玻璃基板具有一第一失效應變特性、一第一彈性模數特性和一抗彎強度，其中該第一彈性模數特性不大於約65吉帕；施用一塗層至該玻璃基板上面，以製造一複合結構，其中該塗層具有一第二失效應變特性和一第二彈性模數特性，其中該第一失效應變特性大於該第二失效應變特性；其中該塗層包括下列的一者或多者：氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、碳氧化矽、氮化鋁、氮氧化鋁（AlON）、碳化鋁、碳氧化鋁、氧化鋁、類鑽石碳、奈米晶鑽石、氧化物和氧化銦錫（ITO）。
  2. 如請求項1所述之方法，其中， 該第一失效應變特性大於約1%，而該第二失效應變特性小於約1%。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該塗層的該第二彈性模數特性為至少40吉帕。
  4. 如請求項1所述之方法，其中施用該塗層後，該複合結構的一抗彎強度為至少200兆帕。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該玻璃基板係一非離子交換玻璃。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該玻璃基板係一離子交換玻璃。
  7. 如請求項1所述之方法，進一步包含在施用該塗層至該玻璃基板上面以製造該複合結構前，施用一中間塗層至該玻璃基板。
  8. 一種用於減緩經塗覆玻璃中之失效應變損失之設備，包含： 一玻璃基板，具有一第一失效應變特性、一第一彈性模數特性和一抗彎強度，其中該第一彈性模數特性不大於約65吉帕；及 一塗層，施用於該玻璃基板上面，以製造一複合結構，其中該塗層具有一第二失效應變特性和一第二彈性模數特性，其中該第一失效應變特性大於該第二失效應變特性， 其中該塗層包括下列的一者或多者：氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、碳氧化矽、氮化鋁、氮氧化鋁（AlON）、碳化鋁、碳氧化鋁、氧化鋁、類鑽石碳、奈米晶鑽石、氧化物和氧化銦錫（ITO）。
  9. 如請求項8所述之設備，其中， 該第一失效應變特性大於約1%，而該第二失效應變特性小於約1%。
  10. 如請求項8所述之設備，其中該塗層的該第二彈性模數特性為至少40吉帕。
  11. 如請求項8所述之設備，其中施用該塗層後，該複合結構的一抗彎強度為至少200兆帕。
  12. 如請求項8所述之設備，其中該玻璃基板係一非離子交換玻璃。
  13. 如請求項8所述之設備，其中該玻璃基板係一離子交換玻璃。
  14. 如請求項8所述之設備，進一步包含一中間塗層，位於該玻璃基板與該塗層之間，以製造該複合結構。
  15. 一種用於減緩經塗覆玻璃中之失效應變損失之設備，包含： 一玻璃基板，該玻璃基板的一彈性模數小於約65吉帕；及 一塗層，置於該玻璃基板上，該塗層具有一失效應變，該失效應變小於該玻璃基板的一失效應變，其中該塗層包括下列的一者或多者：氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、碳氧化矽、氮化鋁、氮氧化鋁（AlON）、碳化鋁、碳氧化鋁、氧化鋁、類鑽石碳、奈米晶鑽石、氧化物和氧化銦錫（ITO）， 其中該玻璃基板結合該塗層的一特徵失效應變為至少0.5%。
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