TWI534113B - 具有抗污跡表面之玻璃物品及其製造方法 - Google Patents

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TWI534113B TW099141316A TW99141316A TWI534113B TW I534113 B TWI534113 B TW I534113B TW 099141316 A TW099141316 A TW 099141316A TW 99141316 A TW99141316 A TW 99141316A TW I534113 B TWI534113 B TW I534113B
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Description

具有抗污跡表面之玻璃物品及其製造方法
本發明一般係關於處理玻璃物品表面之方法。特別是，本發明係關於塗覆抗污痕塗膜於玻璃表面之方法。
譬如手機或膝上型電腦等消費電子裝置的製造商一直傾向於使用玻璃當作裝置蓋板的材料。這些裝置蓋板由於正常的使用，一般會受到指紋和其他材料的污痕。因此，最好可以製造容易清潔的蓋板。製造容易清潔蓋板的一種方式是在製造蓋板的玻璃表面塗上氟矽烷化合物。氟矽烷化合物可減低玻璃的表面能量，造成玻璃上和譬如水和油很多材料的接觸角度增加。增加接觸角度意味著所處理的玻璃表面較容易清洗。
Dow Corning 2604和2634塗料(烷氧甲矽烷基全氟多醚加合物)是適合用作抗污痕塗膜的氟矽烷化合物的例子。HFE7200溶劑(乙基九氟丁醚)，其沸點約76℃，通常可用來和塗膜材料混合以形成塗覆溶液。Dow Corning公司推薦使用標準的浸漬處理或化學蒸氣沉積處理，在裸玻璃上塗上這些塗料。在玻璃表面上塗上適當的塗膜就可以達到較大的靜止接 觸角度(和去離子水>100度，和油酸>70度)，以及較低的滑落角度。而且，塗膜的效能甚至在表面擦拭10,000次後(Block,Steven等人之New Anti-Fingerprint Coatings Whitepaper,Dow Corning Corporation,2008)也不會降級。易清洗的表面塗膜不一定需要很厚；只需要在玻璃表面多塗一層材料(約2nm)以提供所需的效能。換句話說，較厚的多層塗料並不會增加清洗效能，而卻可能留下令人討厭的汙點。
標準的浸漬塗覆處理廣泛使用在塗膜表面。此種處理可以很容易進行，不需要複雜的處理設備。而且，可設計此種處理同時塗膜很多樣本，這對於生產量有正面的影響。然而，浸漬塗覆處理，有數項缺點。在浸漬塗覆處理期間，大量的塗料溶液暴露在週遭環境，由於蒸發的關係，會造成塗膜材料明顯的耗損。這使塗膜材料的使用較沒有效率，也會增加塗膜玻璃的成本。當每次執行浸漬塗膜時，浸漬塗膜池中的溶液容易遭受污染，有可能導致塗膜玻璃的污染。浸漬塗覆處理會產生比所需更厚(可能不均勻)的塗膜，玻璃上會有過多的塗層材料。這會產生玻璃表面令人討厭的汙點，因此必須移除。一般而言，這種塗膜的汙點可藉著在包含原始(或另一種氟碳化合物)溶劑的池中，清洗污染的玻璃。這種清洗池通常也暴露在環境中產生溶劑的蒸發，增加材料成本，並且會釋放揮發性的氟碳化合物到空氣中。此外，由於浸漬塗覆處理是在池中浸沒玻璃，因此浸漬塗覆處理通常會塗上玻璃所有的面，而不是只塗需要容易清洗的那個面。因此，必須移除玻璃其他面上的塗膜。這通常需要使用電漿或UV臭氧。這些額外的塗膜需要更多的處 理步驟(亦即移除玻璃不需要的面/區域的材料)，因而是更高的生產成本(亦即比需要用到更多的塗料)。
在本發明第一項中，製造抗污痕表面玻璃物品的方法包括(a)提供有目標表面的玻璃物品，(b)提供基本上由氟矽烷化合物以及可和氟矽烷化合物互溶的溶劑所構成的塗覆溶液，和(c)以塗覆溶液噴灑塗覆於目標表面，一方面控制噴灑塗料，在目標表面形成厚度範圍從1到20nm的塗膜。
在本發明第一項之實施例中，在步驟(a)提供的玻璃物品目標表面是裸露的或塗上抗反射材料。
在本發明第一項之實施例中，目標表面上的塗膜是單層的氟矽烷化合物。
在本發明第一項之實施例中，目標表面上的塗膜顯示和去離子水的接觸角度大於100度，和油酸的接觸角度大於70度。在表面擦拭10,000次後，前述的每種接觸角度不會改變超過5%。在10,000次擦拭後，和去離子水的接觸角度大於100度，和油酸的接觸角度大於70度。
在本發明第一項之實施例中，步驟(c)包括使塗覆溶液成霧狀，一方面噴灑塗覆溶液。在步驟(c)中，以10psi到70psi範圍的壓力注入氣體到塗覆溶液，使其成霧狀。
在本發明第一項之實施例中，在步驟(c)中，以0.861到8.61μl/cm2的流量噴灑塗覆溶液。在步驟(c)中，噴灑塗覆溶液的液體壓力是在0.5psi到5psi的範圍。
在本發明第一項之實施例中，步驟(c)包括使用噴嘴 來噴灑塗覆溶液，而從噴嘴出口到目標表面的距離是在0.5英吋到8英吋的範圍。
在本發明第一項之實施例中，步驟(c)包括使用噴嘴來噴灑塗覆溶液，而噴嘴的通過寬度是在0.5英吋到3英吋的範圍。
在本發明第一項之實施例中，在步驟(b)中，可和氟矽烷化合物互溶的溶劑是氟碳溶劑。
在本發明第一項之實施例中，在步驟(b)中，氟矽烷化合物是烷氧甲矽烷基全氟多醚加合物，前述的氟碳溶劑是九氟丁醚溶劑。
在本發明第二項中，本發明是關於抗污痕表面的玻璃物品。玻璃物品包括在玻璃物品目標表面上噴灑塗覆的抗污痕塗膜。抗污痕塗膜基本上是由氟矽烷化合物所構成，厚度是從1到20nm的範圍。抗污痕塗膜顯示和去離子水的接觸角度大於100度，和油酸的接觸角度大於70度。在表面擦拭10,000次後，和去離子水的接觸角度以及和油酸的接觸角度不會改變超過5%。
在本發明第二項之實施例中，氟矽烷化合物是烷氧甲矽烷基全氟多醚加合物。
本發明其他特性及優點揭示於下列說明，以及部份可由說明清楚瞭解，或藉由實施下列說明以及申請專利範圍以及附圖而明瞭。
1‧‧‧儲存槽
3‧‧‧噴灑塗覆溶液
5‧‧‧噴嘴
7‧‧‧玻璃表面
9‧‧‧平台
11‧‧‧玻璃物件
13‧‧‧噴嘴尖端
15‧‧‧霧狀氣體
17‧‧‧塗膜
底下為附圖之說明。附圖並不會需要按照比例，以及 附圖特定特徵以及特定觀點之比例可放大或為了清析而示意性地顯示出。
圖1示意性地顯示出噴灑塗覆玻璃表面之方法。
圖2顯示出去離子水之接觸角與空氣壓力之關係。
圖3A顯示出藉由噴灑塗覆將塗膜塗覆於玻璃表面之原子力顯微圖。
圖3B顯示出圖3A塗膜之厚度分析。
圖4為曲線圖，其顯示出利用氟矽烷化合物噴灑塗覆之玻璃表面沿著試樣長度與2μl尺寸之去離子水滴的接觸角度。
圖5為曲線圖，其顯示出利用氟矽烷化合物噴灑塗覆之玻璃表面沿著試樣寬度與2μl尺寸之去離子水滴的接觸角度。
圖6顯示出利用氟矽烷化合物噴灑塗覆之玻璃表面上去離子水滴的液滴尺寸與接觸角度的關係。
現在參考附圖詳細說明本發明。在詳細說明中，揭示出許多特定細節以提供作為完全瞭解本發明。不過，熟知此技術者能夠了解本發明能夠實施而並不需要一些或全部之細節。在其他情況中，熟知的特性及/或處理步驟可不詳細說明而不會模糊本發明。除此，儘可能地相同的參考數目表示相同的元件。
在本發明特定項目中，製造抗污痕表面玻璃物品的方法包括：提供有目標表面的玻璃物品。目標表面是以本發明 的方法要轉換成抗污痕表面的玻璃物品表面。在一項實施例中，目標表面是未塗膜或裸露的。在另一實施例中，目標表面是塗上抗反射材料或是抗反射的。玻璃物品可以是2D或3D的形狀。玻璃物品可以利用任何適合的處理和玻璃材料(玻璃，玻璃陶瓷，或玻璃疊層)製造。舉例而言，玻璃物品可以利用玻璃改造處理，從玻璃片製成。熱的玻璃改造處理是加熱玻璃片，然後鑄造或壓製玻璃片成3D的形狀。用來進行玻璃改造的玻璃片可使用任何適合的處理製成，譬如熔融處理或浮動處理。在本發明的某些實施例中，可藉由離子交換化學強化具有目標表面的玻璃物品。
在本發明特定項目中，製造抗污痕表面玻璃物品的方法進一步包括：利用噴灑塗料處理在玻璃物品的目標表面施加抗污痕塗料。在本發明的某些實施例中，抗污痕塗料是氟矽烷化合物。本發明可用的氟矽烷化合物範例，包括但不限定是Dow Corning 2604和Dow Corning 2634塗料(烷氧甲矽烷基全氟多醚加合物)。先準備氟矽烷化合物的噴灑塗覆溶液，在玻璃物品的目標表面上施加氟矽烷化合物。噴灑溶液基本上是由氟矽烷化合物以及可和氟矽烷化合物互溶的溶劑所構成。在一項實施範例，溶劑是氟碳溶劑。在其他實施例中，可使用可和氟矽烷化合物互溶的其他氟化和非氟化溶劑。在某些實施例中，噴灑溶液包含在HFE7200(九氟丁醚)溶劑中的0.1wt% Dow Corning 2604塗料或Dow Corning 2634(烷氧甲矽烷基全氟多醚加合物)塗料。
噴灑塗覆處理需要將噴灑塗覆溶液衝壓進一個噴 嘴。同一時間，將霧狀氣體(譬如空氣，氮或惰性氣體)在壓力下注入到噴嘴，以形成霧滴狀的噴灑塗覆溶液。將霧滴狀沉積在玻璃物品的目標表面，因而以噴灑塗覆溶液塗膜玻璃物品的目標表面。業界有一些機器可用於以溶液噴灑塗覆基板。一個適合的範例是使用Asymtek公司SC-300 SWIRL COATT M塗抹器的SELECT COAT SL-940E保角的塗料系統。圖1顯示的是如上所述，用來存放噴灑塗覆溶液的儲存槽1。可挑選適合的儲存槽1容量。應該要注意的是，由於本發明並不牽涉到機器，因此噴灑塗覆機器的細節並沒有顯示於圖1中。在儲存槽1的尾端提供，用來在玻璃表面7噴灑塗覆溶液3。在噴灑塗覆期間，儲存槽1(例如注射器或大型容器)可避免噴灑塗覆溶液3暴露到週遭環境。於是，可避免溶劑從噴灑塗覆溶液3蒸發，以及避免噴灑塗覆溶液3受到周圍環境的汙染。整個噴灑塗覆處理可以在被包圍住的室內進行。
可使用真空夾具(未顯示出)來固定玻璃物件11，以噴灑塗覆溶液3加以處理。在SELECT COAT SL-940E保角的塗料系統例子中，可以塗膜單元中運輸器系統的軌條固定真空夾具。或者，玻璃物件11可以直接放在噴灑噴嘴5下方的平台9。也可以在連續的噴灑處理中使用輸送帶。在噴灑塗料處理期間，將噴灑塗覆溶液3輸送到噴嘴5。同一時間，將譬如空氣的霧狀氣體15在壓力下注入到噴嘴，以使噴灑塗覆溶液3成霧狀，輸送到噴嘴5。噴嘴5在整個玻璃表面7來回移動，在玻璃表面7噴灑霧狀噴霧塗料。噴嘴5來回移動，直到玻璃表面7覆蓋住噴灑塗覆溶液3。或者，噴嘴5是靜止的，但玻璃表面7 在塗料處理期間一直移動。噴嘴尖端13從玻璃物品11的玻璃表面7一個角開始，在玻璃物品11的玻璃表面7的對角結束。為了確保覆蓋住整個玻璃表面7，噴嘴5可以從第一個角的稍微外面開始，在對角的稍微外面結束。
噴灑塗覆處理有幾項重要的參數，以確保均勻且薄的塗層：使噴灑塗覆溶液霧狀化的氣體壓力，噴灑塗覆溶液的液體壓力，噴灑塗覆溶液的流量(以測微計控制)，噴嘴尖端和玻璃表面間的距離(噴嘴高度)，噴嘴尖端上孔的大小(決定通過寬度)，和噴灑期間噴嘴的速度。一個設定的範例是：30psi氣體壓力，1psi液體壓力，1"噴嘴高度，0.007"測微計，和0.7"通過寬度。大致而言，氣體壓力的範圍可從10psi到70psi。通過寬度範圍可從0.5英吋到1英吋。噴嘴高度範圍可從0.5英吋到8英吋。由測微計控制的噴灑塗覆溶液流量範圍可從0.861到8.61μl/cm2，最好從0.861到1.29μl/cm2。
圖2顯示空氣壓力(用來霧化)和所產生和去離子(DI)水接觸角度之間的關係。圖2顯示空氣壓力的範圍從20psi到40psi，產生的接觸角度大於100度。一般而言，較高的空氣壓力在噴灑塗覆期間，對於噴灑溶液的霧化比較好。然而，這不是圖2所使用噴灑塗覆溶液的情況(亦即包含HFE7200溶劑中的0.1wt% Dow Corning 2604塗料或Dow Corning 2634塗料)。這有兩種可能的理由。一個理由是較高的空氣壓力(譬如>40psi)，液滴越小，在可到達玻璃表面前就很容易被帶走。因此，要使用較高的空氣壓力，就必須使用較高的流量，以符合接觸角度的需求，也會增加成本。另一個理由是較高的空氣壓力(譬 如>40psi)，大多數的溶劑在噴嘴和玻璃表面之間的路徑中就會蒸發掉(氟碳溶劑的沸點在相當低的76℃)。當塗膜材料的液滴到達表面時，不會留下太多的溶劑來幫助結合液滴，很難形成連續的塗膜膜。
在較低的空氣壓力(譬如10psi)，由於塗料液體不夠充分霧化，在玻璃表面可以看到液滴(污痕)。液體壓力和測微計控制流體流量。由於設定點低於0.004"，可能會有較大的誤差，設定點高於0.008"，流量可能太高，因此測微計設定點最好在0.004"到0.008"的範圍。如同測微計所控制的，流量最好在0.861到8.61μl/cm2的範圍。液體壓力最好在0.5psi到5psi的範圍。類似於測微計，設定點低於0.5psi，可能會有較大的誤差，而設定點高於5psi，可能會噴灑比所需更多的材料。噴嘴高度最好在0.5"到2"的範圍。通過寬度最好在0.5"到1"的範圍，以最大化每回的覆蓋範圍。利用上述的參數設定來控制噴灑塗覆處理過程，應該會在玻璃表面7上產生均勻且薄的氟矽烷化合物塗膜。在一項實施例中，薄的塗膜層之厚度在1至20nm範圍內。在一項實施例中，薄的塗膜層之厚度在1至10nm範圍內。在一項實施例中，薄的塗膜層之厚度在1至5nm範圍內。
圖3A顯示藉由上述的噴灑塗覆處理過程，在玻璃表面上形成塗膜17的原子力顯微術影像(AFM)。圖3B顯示的是圖3A塗膜的厚度分析。為了分析塗膜的厚度，塗膜被刮下的玻璃是在圖3A中標示為19的較暗區域。圖3B顯示沿著(圖3A)塗膜長度(水平方向)的高度輪廓圖。X-軸是沿著塗膜玻璃的距離。高度較低的部份是刮痕區(圖3A中標示為17)。Y- 軸是沿著塗膜玻璃的高度。0是塗膜表面，由於玻璃表面低於塗膜表面，因此是-1.66nm。圖3B顯示噴灑塗覆所覆蓋的塗膜是單層。因此，不需和浸漬塗膜的情況一樣，得要清洗塗料玻璃，以移除多餘的塗層材料。在圖3A的塗膜中，噴灑塗覆溶液是包含HFE7200溶劑中的0.1wt% Dow Corning 2604塗料或Dow Corning 2634塗料。
噴灑塗覆塗膜的效能和浸漬塗膜玻璃一樣。表1顯示噴灑塗覆的樣本在0和10,000次擦拭後，和去離子(DI)水以及油酸的接觸角度。液滴大小是10μL(除非特別註明，否則在本項說明中液滴大小都是10μL)。塗膜和去離子水的接觸角度大於100度。塗膜和油酸的接觸角度大於70度。經10,000次擦拭後不會降級的意思是指在10,000次擦拭後，接觸角度不會改變超過10,000次擦拭前的接觸角度的5%。如表1所示，在10,000次擦拭後，和去離子水的接觸角度仍然在100度以上，和油酸的接觸角度仍然在70度以上。此項測試是以摩擦脫色試驗機(crock meter)來執行。擦拭條件是在16-mm直徑的接觸區域，使用編織纖維布，以9N的力執行，這表示塗膜是相當耐用的。表1和接續的表中，噴灑塗覆溶液是包含在HFE7200溶劑中的0.1wt% Dow Corning 2604塗料或Dow Corning 2634塗料。
圖4和圖5顯示玻璃表面噴灑塗上氟矽烷化合物的樣本A,B和C，分別沿著長度(總長3英吋)和寬度(總長2英吋)，和2μL大小的去離子水接觸角度。圖6則顯示和去離子(DI)水的接觸角度以及噴灑塗上氟矽烷化合物的玻璃表面液滴大小之間的關係。如圖6所示，和2μL大小的去離子水接觸角度比10μL的約低10度。即使有這樣液滴大小的差異，沿著長度和寬度的接觸角度都在100度以上，而且相當均勻。這表示在整個表面的塗膜是均勻的。在圖4-6中，使用的噴灑塗覆包含在HFE7200溶劑中的0.1wt% Dow Corning 2604塗料或Dow Corning 2634塗料。
表2顯示噴灑塗覆樣本混濁度和光澤度的值。這些值和裸玻璃一樣，表示塗膜是看不到的，而且對於光學效能沒有影響。
表3列出在各種環境測試後的噴灑塗覆樣本接觸角度。結果顯示塗膜是相當耐用的。
表4顯示塗膜表面和化學物質之間經過24小時接觸後的接觸角度。結果顯示在此項測試後，和去離子水的接觸角度仍然在100度以上，進一步表示塗膜是相當耐用的。
如上所述，和浸漬塗膜相比，在目標玻璃表面上噴灑氟矽烷化合物塗料可提供數項優點。由於分配的材料需要接近理論上的最小值，以在玻璃表面形成單層的材料，因此會減少使用的材料。在噴灑塗覆處理期間，材料要儲存在密閉的儲存槽。由於蒸發的關係，會減少材料耗損。產生單層厚度1到20nm的塗膜，不必清洗多餘塗膜材料。另一項優點是簡化處 理過程。如之前提及的，不必清洗塗膜玻璃。或者，單層塗料可以不必從不需要的表面移除塗料。另一項優點是產品大小的彈性。噴灑塗覆處理過程可以很方便容納各種玻璃大小。較大的表面區域和較小的區域遵循著同樣的處理過程，只不過較大的產品需要較大的噴灑區域。噴灑塗覆不只可以塗在扁平的玻璃表面，也可以塗在有彎度的玻璃表面。另一項優點是耐用性。如以上所示，上述噴灑塗覆處理過程所形成的塗膜顯示，在10000次擦拭後，以及在各種溫度和相對濕度的條件下，接觸角度也不會降級。
雖然本發明的描述是針對特定數目的實施例中，但熟悉此項技術的人應該知道，只要不背離這裡說明的本發明範疇，也可以設計其他的實施例。據此，本發明的範疇應該不只限定在附加的申請專利範圍中。
1‧‧‧儲存槽
3‧‧‧噴灑塗覆溶液
5‧‧‧噴嘴
7‧‧‧玻璃表面
9‧‧‧平台
11‧‧‧玻璃物件
13‧‧‧噴嘴尖端
15‧‧‧霧狀氣體

Claims (10)

  1. 一種製造具有一抗污痕表面之一玻璃物品的方法，該方法包括：(a)提供有一目標表面的一玻璃物品；(b)提供基本上由氟矽烷化合物以及可和氟矽烷化合物互溶的溶劑所構成的一塗覆溶液；以及(c)將塗覆溶液噴霧化並以噴霧化之塗覆溶液噴灑塗覆於玻璃物品的目標表面，一方面控制噴灑塗覆，以在目標表面上形成由單層的氟矽烷化合物構成且厚度範圍從1到20nm的塗膜；其中將塗覆溶液噴霧化是藉由以10psi到70psi範圍的壓力將氣體注入到塗覆溶液，噴灑塗覆溶液是使用下列的至少一者：微米設定點是在0.004英吋到0.008英吋的範圍；液體壓力是在0.5psi到5psi的範圍；使用噴嘴，且從噴嘴出口到目標表面的距離是在0.5英吋到8英吋的範圍；以及噴嘴的通過寬度是在0.5英吋到3英吋的範圍。
  2. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中步驟(a)提供的玻璃物品的目標表面是裸露的或塗上抗反射材料。
  3. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中目標表面上的塗膜顯示和去離子水的接觸角度大於100度，和油酸的接觸角度大於 70度。
  4. 依據申請專利範圍第3項之方法，其中在使用編織纖維布且以9N的力於16-mm直徑的接觸區域執行表面擦拭10,000次後，和去離子水的接觸角度以及和油酸的接觸角度各不會改變超過5%。
  5. 依據申請專利範圍第3項之方法，其中在使用編織纖維布且以9N的力於16-mm直徑的接觸區域執行10,000次擦拭後，和去離子水的接觸角度大於100度，和油酸的接觸角度大於70度。
  6. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(c)中以0.861到8.61μl/cm2的流量噴灑塗覆溶液。
  7. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(b)中，可和氟矽烷化合物互溶的溶劑是氟碳溶劑。
  8. 依據申請專利範圍第7項之方法，其中在步驟(b)中氟矽烷化合物是烷氧甲矽烷基全氟多醚加合物，以及氟碳溶劑是九氟丁醚溶劑。
  9. 一種玻璃物品，其包括：噴灑塗覆在玻璃物品的目標表面上的一抗污痕塗膜，抗污痕塗膜基本上是由單層的氟矽烷化合物 所構成，厚度是從1到20nm，抗污痕塗膜顯示和去離子水的接觸角度大於100度，和油酸的接觸角度大於70度，在表面擦拭10,000次後，和去離子水的接觸角度以及和油酸的接觸角度各不會改變超過5%，其中抗污痕塗膜是藉由以下步驟來形成：提供有一目標表面的玻璃物品；(b)提供基本上由氟矽烷化合物以及可和氟矽烷化合物互溶的溶劑所構成的一塗覆溶液；以及(c)將塗覆溶液噴霧化並以噴霧化之塗覆溶液噴灑塗覆於玻璃物品的目標表面，一方面控制噴灑塗覆，以在目標表面上形成由單層的氟矽烷化合物構成且厚度範圍從1到20nm的塗膜；其中將塗覆溶液噴霧化是藉由以10psi到70psi範圍的壓力將氣體注入到塗覆溶液，噴灑塗覆溶液是使用下列的至少一者：微米設定點是在0.004英吋到0.008英吋的範圍；液體壓力是在0.5psi到5psi的範圍；使用噴嘴，且從噴嘴出口到目標表面的距離是在0.5英吋到8英吋的範圍；以及噴嘴的通過寬度是在0.5英吋到3英吋的範圍。
  10. 依據申請專利範圍第9項之玻璃物品，其中氟矽烷化合物是烷氧甲矽烷基全氟多醚加合物。
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