TWI540109B - 具有抗反射層的玻璃構件和製造方法 - Google Patents
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Description
本申請案依據專利法主張享有2011年5月2號提出申請之美國專利臨時申請案第61/481,429號之優先權,本案係仰賴該案內容,且該案內容以引用方式全文併入本案。
本案揭示內容係關於一種抗反射層。更明確言之,本案揭示內容係關於一種具有抗反射層的玻璃基板。
抗反射塗層一般施用於諸如通訊裝置或娛樂裝置等各種電子裝置之顯示器螢幕或視窗。此等抗反射表面採用可貼附在螢幕或視窗上的黏貼膜形式。此等黏貼膜有時塗有多層可防止螢幕或視窗反射的附加多重係數干涉塗層(multiple index interference coating)。在黏貼過程中,有時會有空氣陷在顯示器和黏貼膜之間,從而產生空氣氣囊而中斷觀看螢幕。此外,在使用期間此等膜容易受到刮傷且不具備承受長期使用所需要的耐久性。
本發明提供耐久性抗反射塗層及具有此類塗層之玻璃
構件。該等抗反射塗層具有一層在形式或實質上呈六角形排列之奈米粒子,該等奈米粒子係配置在該玻璃構件之表面上或至少部分嵌入該玻璃構件之表面中(例如,藉由使該等奈米粒子在加熱期間沉入該玻璃表面或提供黏結劑以將該等奈米粒子固定於該玻璃表面,其中該等奈米粒子有至少一部分未包含在該黏結劑中)。本發明亦提供製造該等抗反射塗層或抗反射層及具有此等抗反射層之玻璃構件的方法。
一種透明玻璃構件包含玻璃基板及設置在該玻璃基板之表面上的抗反射層,該抗反射層在介於約450奈米(nm)至約1000奈米之波長範圍間具有小於約2%的總反射率。該抗反射層可包含複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子,該等奈米粒子在該玻璃基板之表面上配置成單層(monolayer),使得該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子中的至少一部分奈米粒子彼此之間藉由一間隙而隔開。該總反射率為該抗反射層本身的總反射率,且任何由該玻璃基板貢獻的反射作用皆不包含在內。
在此種透明玻璃構件的某些實施例中,該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子中的至少一部分奈米粒子(即,部分或全部的奈米粒子)係部分嵌入該玻璃基板之表面內。該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子中之至少一部分奈米粒子的每個奈米粒子係嵌入該玻璃基板之表面內達一深度,且該深度小於約該粒子之直徑的一半。
在此種透明玻璃構件之其它實施例中,該透明玻璃構件可進一步包含配置在該玻璃基板之表面上的無機及/或有機含矽黏結劑(organo silicon binder),使得該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子中的至少一部分奈米粒子係部分嵌入在該無機及/或有機含矽黏結劑中。該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子中之至少一部分奈米粒子的每個奈米粒子可嵌入該無機及/或有機含矽黏結劑中達一深度,且該深度小於約該粒子直徑的一半。該無機及/或有機含矽黏結劑可選自倍半矽氧烷(silsesquioxanes)、甲基矽氧烷(methyl siloxanes)、甲基苯基矽氧烷(methyl phenyl siloxanes)、苯基矽氧烷、鹼金屬矽酸鹽、鹼金屬硼酸鹽或上述化合物之組合中。
在某些此種透明玻璃構件中,該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子具有介於約80奈米至約20奈米之平均直徑。
不同的此類型之透明玻璃構件可能展現不同的物理性質。例如,該抗反射層可具有小於約1%的透射霾度(transmission haze)。同樣地,可藉由離子交換法造成該表面具有處於壓縮應力下且從該表面延伸至該玻璃內部達一深度的壓縮層,而使該玻璃基板經化學強化,其中該壓縮應力為至少350百萬巴斯卡(MPa)且該壓縮層之層深度為至少20微米(μm)。該壓縮應力和壓縮層深度可能分別達到至少500MPa和至少60微米。又,當該透明玻璃構件放置在含有複數個像素之顯示器前方時,該透
明玻璃構件不會顯現耀光。此外,該抗反射層在擦拭5000次後所具有之反射率與擦拭前所測得該抗反射層之初始反射率之間的變化可小於20%。又進一步者,該抗反射層可具有從HB至高達約9H範圍間的硬度,此硬度範圍將界定如下。在某些情況下,該透明玻璃構件可展現超過一種以上的上述物理性質。
一種可配置在玻璃基板表面上的抗反射層可包含黏結劑和嵌入該黏結劑中的複數個奈米粒子。該複數個奈米粒子可在該玻璃基板之表面上以形式上呈六角形狀地排列成單層,使得相鄰奈米粒子彼此之間藉由一間隙而隔開。該抗反射層本身在介於約450奈米至約1000奈米之波長範圍間具有小於約2%的總反射率。
在此種抗反射層的某些實施例中,該複數個奈米粒子之每個粒子可具有一直徑,且該複數個奈米粒子之每個粒子嵌入該黏結劑中的深度可小於約該直徑的一半。該複數個奈米粒子之每個粒子亦可能呈球形、非球形、橢圓形或多角形。在某些情況下,該複數個奈米粒子之每個粒子可具有範圍介於約80奈米至約200奈米間的直徑。
不同的此類型之抗反射層可展現不同的物理性質。例如,該抗反射層可具有小於約1%的透射霾度。又,當該抗反射層放置在含有複數個像素之顯示器前方時,該抗反射層不會顯現耀光。此外,該抗反射層在擦拭5000次後所具有之反射率與擦拭前所測得該抗反射層之初始反
射率之間的變化可小於20%。又進一步者,該抗反射層可具有從HB至高達約9H範圍間的硬度,此硬度範圍將界定如下。在某些情況下,該抗反射層可展現超過一種以上的上述物理性質。
一種在玻璃基板上製造抗反射層的方法可包含使複數個奈米粒子在該玻璃基板之表面上自我組合而成為形式上呈六角形排列之單層,其中該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子中的至少第一部分奈米粒子彼此之間藉由一間隙而隔開。此方法亦包含使該複數個奈米粒子中之至少第二部分奈米粒子部分嵌入該玻璃基板之該表面內或部分嵌入黏結劑內而形成該抗反射層,其中該黏結劑係無機及/或有機含矽黏結劑,及其中該抗反射層在介於約450奈米至約1000奈米之波長範圍間具有小於約2%的反射率。
在此種方法之某些實施例中,使該複數個奈米粒子自我組合的步驟可能需要利用旋塗法、浸塗法、凹版印刷法、刮刀塗佈法、噴塗法、狹縫模具式塗佈法或上述方法之組合而將含有該複數個奈米粒子之分散液塗覆在該玻璃基板之表面上。
在此種方法之某些實施例中,使該複數個奈米粒子中之至少第二部分奈米粒子部分嵌入該玻璃基板之表面內的步驟包含以高於該玻璃基板退火點(anneal point)的溫度加熱該玻璃基板及/或加熱該複數個奈米粒子中之該至少第二部分奈米粒子,而使該複數個奈米粒子之該至
少第二部分奈米粒子中的粒子部分沉入該玻璃表面。在此種方法之其他實施例中,使該複數個奈米粒子中之至少第二部分奈米粒子部分嵌入無機及/或有機含矽黏結劑內的步驟包含將該無機及/或有機含矽黏結劑置於該玻璃基板之表面上和置入該複數個奈米粒子之該至少第二部分奈米粒子中介於該等粒子之間的間隙內。在後者實施例中,該複數個奈米粒子之該至少第二部分奈米粒子中的每個奈米粒子可嵌入該無機及/或有機含矽黏結劑中達一深度,且該深度小於約該粒子直徑的一半。
此種方法可進一步包含對該玻璃基板進行離子交換,而使該玻璃基板之表面具有處於壓縮應力下且從該表面延伸至該玻璃基板內部達一深度的壓縮層,其中該壓縮應力為至少350MPa,且該壓縮層之層深度為至少20微米。離子交換使該壓縮應力和壓縮層深度可能分別達到至少500MPa和至少60微米。在某些情況下,在使該複數個奈米粒子中之該至少第二部分奈米粒子部分嵌入該玻璃基板之表面內或部分嵌入該黏結劑內之後,執行該離子交換步驟。
此種方法可亦包含涉及蝕刻該玻璃基板表面的步驟,該蝕刻步驟可安排在該自我組合步驟之前或之後。
此種在玻璃基板上製造抗反射層的方法可製造出展現不同物理性質的透明玻璃構件。例如,該抗反射層可具有小於約1%的透射霾度。又,當該透明玻璃構件放置在含有複數個像素之顯示器前方時,該透明玻璃構件不會
顯現耀光。此外,該抗反射層在擦拭5000次後所具有之反射率與擦拭前所測得該抗反射層之初始反射率之間的變化可小於20%。又進一步者,該抗反射層可具有從HB至高達約9H範圍間的硬度,此硬度範圍將界定如下。在某些情況下,此種方法可製造出展現超過一種以上之上述物理性質的透明玻璃構件。
另一種在玻璃基板上製造抗反射層的方法可包含使複數個奈米粒子在該玻璃基板之表面上自我組合成為形式上呈六角形排列之單層,使得相鄰奈米粒子彼此之間藉由一間隙而隔開,且使該複數個奈米粒子部分嵌入該表面內而形成該抗反射層,其中該抗反射層本身在介於約450奈米至約1000奈米之波長範圍間具有小於約2%的總反射率。
又另一種在玻璃基板上製造抗反射層的方法可包含使複數個奈米粒子在該玻璃基板之表面上自我組合成為形式上呈六角形排列之單層,使得相鄰奈米粒子彼此之間藉由一間隙而隔開,且使該複數個奈米粒子部分嵌入位於該表面上的無機及/或有機含矽黏結劑內而形成該抗反射層,其中該抗反射層在介於約450奈米至約1000奈米之波長範圍間具有小於約2%的總反射率。
藉由以下實施方式、附圖及後附請求項將可明白上述及其他的態樣、優點和顯著特徵結構。
在以下描述中,以相同元件符號標示所有圖式所示之數個視圖中的相同或相應部位。亦應瞭解,除非另有說明,否則諸如「頂部」、「底部」、「外側」、「內側」等用語係為便於解說之用字且不應作為限制性用語。此外,每當描述一個群組包含一群元素中之至少一個元素及該等元素之組合時,可理解該群組可能包含該等所述元素中之任意數目的元素、主要由該等所述元素中之任意數目的元素所構成,或由該等所述元素中之任意數目的元素所構成,且該等元素可各自獨立使用或彼此組合使用。同樣地,每當描述一個群組是由一群元素中之至少一個元素或該等元素之組合所構成時,可理解該群組可能由該等所述元素中之任意數目的元素所構成,且該等元素可各自獨立使用或彼此組合使用。除非另有說明,否則當文中描述一數值範圍時,該數值範圍包含該範圍的上下限值和介於上下限值之間的任何範圍。除非另有說明,否則於本文中使用不定冠詞「一」、「一個」及相應之定冠詞「該」時,意指「至少一個」或「一或多個」。
參閱附圖,將可理解該等例示圖係用以說明特定實施例,且不應用於侷限本發明或後附申請專利範圍。該等圖式未必按比例繪製,且該等圖式之某些特徵結構和某些視點可能按比例或概要地誇大繪製,以求清晰簡明。
如上述,本發明提供抗反射層及在玻璃基板之表面(即,至少一表面)上配置有抗反射層的透明玻璃構件。當於本案中,該用語「抗反射性」或「抗反射」通常是
指該層或該構件對所關注之特定光譜光線照射在該層或該構件上所產生之鏡面反射作用的抵抗能力。
雖然該等抗反射層可配置在玻璃基板或玻璃構件之一個以上的表面上,但為求方便(且為了不對該等抗反射層做出任何限制),以下所提供之本發明圖式和說明將涉及在單個表面上配置有抗反射層的玻璃構件。
第1a圖圖示具有抗反射層110之玻璃構件或玻璃基板100的概要俯視圖,同時第1b圖和第1c圖係具有抗反射層110之玻璃構件100的側剖圖。複數個奈米粒子112配置在玻璃構件100之表面105上或至少部分嵌入該表面105中。在某些態樣中,奈米粒子112在表面105上以實質上或形式上呈六角形排列的幾何結構或陣列(見第1a圖)而配置成單層。當用於本案中,「實質上呈六角形排列(substantially hexagonally packed)」或「形式上呈六角形排列(nominally hexagonally packed)」等用詞意指該等奈米粒子在玻璃基板之表面上的排列配置。在此等配置中,該表面上絕大多數的奈米粒子將配置成所謂的「六角形封閉排列」圖案(即,一指定粒子具有六個相鄰粒子,且該六個相鄰粒子環繞該指定粒子而排列成六角形)。在某些實施例中,該等奈米粒子中將有至少80%的粒子配置成六角形封閉排列圖案。在其他情況中,該等奈米粒子中將有至少90%的粒子配置成六角形封閉排列圖案。
相鄰奈米粒子(例如,第1a圖至第1c圖中的112a、112b)
彼此之間可藉由間隙117而隔開。當用於本案中,「間隙(gap)」意指相鄰奈米粒子之間距或間隔,且可用個別奈米粒子112之平均直徑(d)之間的平均間距來表示。當用於本案中,「直徑」一詞的標準意義不僅限於完美球形粒子的直徑,還可指利用所屬技術領域中已知的尺寸測量技術所測得之奈米粒子的平均粒子大小、非球形奈米粒子之主軸或主要尺寸及包括或包含非球形粒子在內的最小球粒直徑。
可使用含有奈米粒子112的分散液藉由自我組合技術(例如用旋塗法、浸塗法或諸如此類方法)將奈米粒子112配置在表面105上。在某些實施例中,該抗反射層110具有小於約1%的反射率,且在某些實施例中對具有介於約450奈米至約700奈米間之波長λ的輻射而言,抗反射層110具有小於約1.5%的反射率。在此波長範圍內具有低反射率特別適合用於顯示器應用。在其他實施例中,對介於約450奈米至約1000奈米間的波長λ而言,抗反射層110具有小於約2%的反射率。在450奈米至約1000奈米波長範圍內具有低反射率特別適合用於光伏打應用。
奈米粒子112很耐用、抗磨擦且具有低反射係數(此反射係數可近似玻璃基板105之反射係數)。在某些實施例中,奈米粒子112包括聚合物粒子、無機氧化物或無機氟化物(例如,鈰、鋯、鋁、鈦、鎂、矽或諸如此類元素之無機氧化物或無機氟化物)或諸如此類者、上述粒子之
組合物或混合物。奈米粒子112之形狀可主要為球形(例如奈米粒子112可能為完美球形、近似球形、兩軸長彼此大約相等的橢圓形或多角形,只要整體形狀大致呈球形即可)。在其他實施例中,奈米粒子112之形狀可為圓錐形或大致呈圓錐形。奈米粒子112可具有範圍介於約80奈米至約200奈米間之直徑,且在某些實施例中,具有範圍介於約80奈米至約180奈米間之直徑。
在某些實施例中,奈米粒子112部分嵌入表面105中,而使奈米粒子112固定、接合或黏著於表面105及玻璃構件100,因而提供具有耐久性和刮傷抗性的抗反射層110。在某些實施例中,如第1b圖概要所示般,可藉由將玻璃構件或玻璃基板100加熱至高於下方玻璃之退火點的溫度,造成玻璃構件100之表面105軟化並容許奈米粒子112部分下沉並嵌入玻璃構件100的表面105中,而使奈米粒子112部分嵌入表面105。第2圖係俯視玻璃構件100之表面的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像,在影像中,已藉由加熱玻璃構件100至高於該玻璃退火點之溫度以容許奈米粒子112沉入玻璃構件100之表面105中,而使奈米粒子112嵌入該玻璃構件100之表面105內。如SEM影像中所見,奈米粒子112已自我組合成形式上呈現六角形排列的幾何結構或陣列115。
在某些實施例中,可藉由嵌入奈米粒子112達到該等粒子之「赤道位置(equator)」處(即,嵌入相當於該等奈米粒子直徑之一半的深度)抗反射層,且隨後去除該等奈
米粒子的未嵌入部分(例如利用蝕刻製程),可形成抗反射層110。可利用有效反射率法(effective index method)計算出此抗反射層之反射率,並以從該玻璃構件之抗反射層所反射出之光線的比例(fraction)表示該反射率,第3圖中係以此抗反射層之反射率對波長作圖。
在其他實施例中,奈米粒子112部分嵌入黏結劑120中,該黏結劑120本身配置在玻璃構件100之表面105上(見第1c圖)。可利用旋塗法、浸塗法、凹版印刷法、刮刀塗佈法、噴塗法、狹縫模具式塗佈法或諸如此類方法將黏結劑120塗覆於表面105而至少部分填入間隙117,並得到類似於第1a圖和第2圖中所示結構般的形式上呈六角形排列之幾何結構或陣列115。黏結劑120係用以將奈米粒子112固定、黏著或接合至表面105,該黏結劑120可包括無機黏結劑及/或有機含矽黏結劑。例示性之無機黏結劑包括鹼金屬矽酸鹽(例如,矽酸鈉)、鹼金屬硼酸鹽或諸如此類者。例示性之有機含矽黏結劑包括倍半矽氧烷(silsesquioxane,即,具有實驗化學式RSiO1.5之化合物,其中R為氫或烷基、烯基、芳基或伸芳基(arylene)之任一者)、矽氧烷(例如,甲基矽氧烷類、甲基苯基矽氧烷類、苯基矽氧烷類)或諸如此類化合物。
重要的是請注意,由於有機黏結劑(特別是聚合物黏結劑)對於後續製程中該等構件和塗層所接觸之製程條件的耐久性/安定性低,且對於該等條件之相容性低,故此
等黏結劑(特別是聚合物黏結劑)不能作為本發明所述之構件和抗反射塗層的黏結劑。例如,純有機黏結劑將無法承受玻璃基板之化學強化製程(離子交換製程)中的相關溫度及/或化學藥品;大多數的純有機黏結劑亦不容許進行離子交換製程(即,許多有機黏結劑將不允許離子遷移或擴散穿過該等黏結劑)。基於至少這些原因,本發明所述之該等抗反射塗層和玻璃構件不考慮採用純有機黏結劑。
相鄰奈米粒子之間存在間隙117提供抗反射層110且從而提供玻璃構件100抗反射性質。間隙117可部分填充黏結劑120、部分填充空氣,或填充黏結劑120且搭配填充空氣。為了達成期望的反射程度,應使表面105上無粒子或不含粒子的區域減至最少,此做法允許光線穿過抗反射層110和玻璃構件100。因此,間隙117之標準偏差應約小於奈米粒子112之直徑的兩倍。在某些實施例中,間隙117小於或等於約300奈米(即,當以奈米粒子直徑之間的距離表示時,奈米粒子之間的平均間隙小於或等於約300奈米),且在其他實施例中,間隙117小於或等於約100奈米。在某些實施例中,相鄰奈米粒子彼此間直接接觸且粒子間之間距或間隙117為0。
該複數個奈米粒子112之每個粒子嵌入玻璃構件100之表面105或嵌入黏結劑120中的深度d1亦影響抗反射層110的反射率。在某些實施例中,該深度d1小於約奈米粒子112之直徑或主要尺寸d的一半(即,小於約
50%)。在其他實施例中,該深度d1小於約奈米粒子112之直徑d的八分之三(即,小於約37.5%),且在又另一些實施例中,該深度d1小於約該直徑d的四分之一(即,小於約25%)。
發生最小反射率的波長係取決於粒子尺寸、黏結劑深度d1及粒子間之間距(即,間隙117)而定。計算出使用有機黏結劑將奈米粒子黏著在玻璃構件100之表面105上之抗反射表面的反射率計算值,且在第4a圖至第4c圖中係繪示波長λ對該反射率計算值作圖之曲線,其中該反射率係以從該玻璃構件之抗反射表面所反射出之光線的比例(fraction)表示該反射率。反射率曲線係使用有效反射率法(effective index method)計算而得,其中係以光線傳送進入和離開該塗有抗反射層之表面的穿透深度之函數來計算有效反射係數。一旦界定該係數函數,使用遞迴公式(recursive formula)計算該反射率。第4a圖圖示粒子間之間距或間隔對於含有直徑150奈米之奈米粒子的抗反射層的影響。該等奈米粒子嵌入該黏結劑中達到奈米粒子直徑d之四分之一(25%)的深度d1,即d/4。計算當間隙117為奈米粒子112之直徑的0%(即,相鄰奈米粒子彼此互相接觸,如第4a圖之曲線a所示)、5%(如第4a圖之曲線b所示)和10%(如第4a圖之曲線c所示)之情況下的反射率。如第4a圖中所見,反射率隨著間隔增加而減少。此外,可得到最小反射率之波長會隨著間隔減少而增大。
第4b圖係針對含有150奈米之奈米粒子且該等奈米粒子彼此接觸(即,間隙117為0)的抗反射表面,圖示該黏結劑深度(即,奈米粒子嵌入該黏結劑中的深度)對反射率的影響。計算該黏結劑深度為奈米粒子112之直徑的一半(見第4b圖之曲線d)、八分之三(見第4b圖之曲線e)及四分之一(見第4b圖之曲線f)時的反射率。如第4b圖中所見者,反射率隨著黏結劑深度減小而下降。
第5圖係針對單面上具有抗反射層之表面及對照組樣本以波長對實驗獲得之反射率作圖而得的曲線,其中該反射率表示成以從該抗反射表面所反射出之光線的百分比。該對照組樣本(見第5圖中之曲線1)係不具有抗反射層且具有約8%反射率之玻璃基板。曲線a-d所示之抗反射層各自含有100奈米之奈米粒子。曲線a係得自不含黏結劑之抗反射層。曲線b-d含有不同量的矽酸鈉黏結劑。該抗反射層中的矽酸鈉黏結劑含量從曲線b至曲線d呈連續性遞增。曲線a-d之反射率值包含由該基板不具抗反射層之背面或反面所貢獻的4%反射率。因此,將第5圖中所圖示之值減去4%可估算出該抗反射層獨自的反射率。第5圖中圖示之資料顯示該反射值隨著黏結劑深度增加而提高。又,當該黏結劑深度增加時,可獲得最小反射率的波長會偏移至較低波長,且因此與上述之理論計算結果一致。
第4c圖圖示奈米粒子尺寸對於反射率的影響。針對層中奈米粒子彼此接觸且黏結劑深度為該等奈米粒子直徑
之1/4的抗反射層或抗反射表面計算出第4c圖中之資料。計算100奈米(見第4c圖中之曲線g)、125奈米(見第4c圖中之曲線h)及150奈米(見第4c圖中之曲線i)之奈米粒子尺寸/直徑的反射率。如第4c圖中所見,發生最小反射率之波長隨著奈米粒子尺寸增大而增大,然而該最小反射率之值本質上不會因為奈米粒子之尺寸而改變。
第6a圖和第6b圖中係針對單面上具有抗反射層之表面及對照組樣本以波長對實驗獲得之反射率作圖而得的曲線,其中係以從具有該抗反射層之表面所反射出之光線的百分比表示反射率。該對照組樣本(見第6b圖中之曲線1)係不具有抗反射層且具有約8%反射率之玻璃基板。該等抗反射層包含具有120奈米(見第6a圖和第6b圖中標示為A群之曲線)或150奈米(見第6a圖和第6b圖中標示為B群之曲線)任一平均直徑之奈米粒子及不同深度之有機黏結劑。第6a圖和第6b圖中之反射率包含由該基板不具抗反射層之背面或反面所貢獻的4%反射率。因此,將第6a圖和第6b圖中所圖示之值減去4%可估算出該抗反射層獨自的反射率。第6a圖中圖示之資料顯示,當該抗反射表面包含直徑為150奈米之奈米粒子時,在550奈米波長下所獲得之反射率小於或等於約1%。
塗層耐久性(亦稱為磨擦抗性,Crock Resistance)意指該抗反射塗層110承受布料反覆磨擦的能力。該磨擦抗
性測驗的目的在於模擬衣物或織物與觸控螢幕裝置之間的實體接觸並測量該配置在表面上之塗層經過此處理後的耐久性。
磨擦抗性測定儀(crockmeter)是一用來測量表面對此種磨擦之磨擦抗性的標準儀器。該磨擦抗性測定儀使玻璃片與安裝在負重臂之末端上的磨擦尖端(rubbing tip)或「磨擦指(finger)」直接接觸。該磨擦抗性測定儀配備的標準磨擦指為直徑15毫米(mm)之硬質丙烯酸系桿狀物(solid acrylic rod)。將清潔的標準磨擦布片安裝於此丙烯酸系磨擦指。隨後以900克的壓力將該等磨擦指放置於該樣本上,且使該臂在該樣本上機械性地來回移動,藉以觀察該耐久性/磨擦抗性的變化。在本案所述之檢驗中使用的磨擦抗性測定儀為可提供每分鐘60次循環的均勻衝程速率的電動型測定儀。在標題為「測量商用影印產品所產生影像之磨損和髒污抗性的標準檢驗法(Standard Test Method for Determination of Abrasion and Smudge Resistance of Images Produced from Business Copy Products)」之ASTM檢驗程序F1319-94中描述了該磨損抗性測定儀檢驗法,該ASTM檢驗程序內容以引用方式全文併入本案。
使本發明所述之該等塗層、表面和基板經指定次數之擦拭後,如ASTM檢驗程序F1319-94所界定般藉由光學(例如,反射率、霾度或透射率)測量法而測得該等塗層、
表面和基板之磨損抗性或耐久性。「擦拭(wipe)」一詞係界定為該磨擦尖端或磨擦指的兩次衝程(two strokes)或一次循環(one cycle)。在一實施例中,經擦拭100次之後,本案所述玻璃構件100之抗反射層110的反射率與擦拭前所測得之初始反射率值之間的變化小於約20%。在某些實施例中,經過擦拭1000次之後該抗反射層110之反射率與該初始反射率值之間的變化小於約20%,在其他實施例中,經擦拭5000次之後該抗反射層110之反射率與該初始反射率值之間的變化小於約20%。
在某些實施例中,當利用ASTM檢驗程序D3363-05進行界定時,該抗反射層具有從HB至高達9H範圍間的刮傷抗性或硬度。
在某些實施例中,當本發明上述玻璃構件和抗反射層放置在含有複數個像素之像素化顯示器前方時,該玻璃構件和抗反射層不會出現耀光。顯示器「耀光(sparkle)」或「眩光(dazzle)」通常是不受歡迎的副作用,當在像素化顯示系統(舉例言之,例如液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體(OLED)顯示器、觸控螢幕或諸如此類)中引入光散射性表面時便可能發生此種副作用,且在投影系統或雷射系統中觀察和鑑別該種「耀光」或「光斑(speckle)」之種類與來源的差異。光斑係與該顯示器出現極細糙粒狀影像(grainy appearance)有關,且光斑似乎可使該等糙粒之圖案隨著改變顯示器之視角而變化。顯示器耀光可能約以像素級規模大小而以亮點及暗點或彩點的形式呈
現。
藉由玻璃構件及抗反射層展現的透射霾度可鑑定耀光度。當用於本案中,「霾度(haze)」一詞係指依照ASTM D1003測得散射至約±2.5°角錐體外部之穿透光的百分比。因此,在某些實施例中,該反射層具有小於約1%的透射霾度。
表1列出如上述配置在鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃基板單一表面上之抗反射層的硬度、透射率、霾度和反射率之值。該等抗反射層包含120奈米或150奈米其中一種直徑之二氧化矽奈米粒子和有機或無機任一種之含矽黏結劑。首先以旋塗方式於該玻璃基板之表面塗覆含有1重量%-5重量%二氧化矽奈米粒子之水性分散液的主要層。藉由改變該分散液中的奈米粒子濃度、升速(ramp speed)、轉速或諸如此類變數而達成該等奈米粒子之單層塗層。
待該主要層乾燥後,於該玻璃基板之表面以浸塗法塗覆含有該黏結劑之第二層。在某些樣本中,該有機含矽黏結劑包括在甲基異丁酮(methylisobutylketone,MIBK)中溶有25重量%含氫倍半矽氧烷(Dow Corning所供應之FOX-14)所形成之溶液。在其他樣本中,該有機含矽黏結劑包括在異丙醇中加入25重量%-50重量%之甲基矽氧烷黏結劑原液所形成的溶液。此等黏結劑之非限制性實例包括由ACCUGLASS®111、211、311、512B甲基矽氧烷旋塗聚合物(由Honeywell International公司所製造)或諸如此類者。藉由改變黏結劑濃度、浸塗物抽離速度和
塗佈時間可改變該第二黏結劑層的厚度。在塗佈該第二層之後,將該等樣本加熱到介於300℃至315℃間之溫度且持續約1小時。或者,可將塗有該有機含矽黏結劑之樣本加熱至高於或等於約500℃且持續1小時,藉以去除該黏結劑層的任何有機官能性。在加熱處理之後,對該等玻璃樣本中的某些樣本進行離子交換處理,此將參照製造此等構件之方法說明如下。
表1還包含:具有抗反射層的樣本(表1中之樣本A),其中該抗反射層係藉由將該玻璃基板和直徑100奈米之奈米粒子加熱至高於該玻璃退火點的溫度並使該等奈米粒子下沉且嵌入該玻璃之表面中;具有市售DNP抗反射膜的第一對照組樣本(表1中之樣本B);及未經塗覆的第二對照組樣本(表1中之樣本C)。
表1列出的反射率值包含由該玻璃基板不具抗反射層之背面或反面所貢獻的4%反射率。因此,將表1中所列之值減去4%可估算出該抗反射層獨自的反射率。
2含Fox-14之MIBK溶液=將含氫倍半矽氧烷Fox-14溶於甲基異丁酮中。
在各種實施例中,本發明所述之透明玻璃構件可包含鈉鈣玻璃(soda lime glass)、硼矽酸鹽玻璃(borosilicate glass)、鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃(alkali aluminosilicate glass)或鹼金屬鋁硼矽酸鹽玻璃(alkali aluminoborosilicate glass)。在一實施例中,該透明玻璃構件包含鹼金屬鋁硼矽酸鹽玻璃,該鹼金屬鋁硼矽酸鹽玻璃含有二氧化鋁(alumina)、至少一種鹼金屬且在某些實施例中含有超過50莫耳%之SiO2,在其他實施例中含有至少58莫耳%之SiO2,及在又一些其他實施例中,含有至少60莫耳%之
SiO2,其中該比值,其中該等改
質劑為鹼金屬氧化物。在特定實施例中,此玻璃含有下述組成、主要由下述組成構成或由下述組成所構成:約58莫耳%至約72莫耳%之SiO2;約9莫耳%至約17莫耳%之Al2O3;約2莫耳%至約12莫耳%之B2O3;約8莫耳%至約16莫耳%之Na2O;及約0莫耳%至約4莫耳%
之K2O,其中該比值,其中該等改質劑為鹼金屬氧化物。
在另一實施例中,該透明玻璃構件包含鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃,該鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃含有下述組成、主要由下述組成構成或由下述組成所構成:約61莫耳%至約75
莫耳%之SiO2;約7莫耳%至約15莫耳%之Al2O3;0莫耳%至約12莫耳%之B2O3;約9莫耳%至約21莫耳%之Na2O;0莫耳%至約4莫耳%之K2O;0莫耳%至約7莫耳%之MgO;及0莫耳%至約3莫耳%之CaO。
在又另一實施例中,該透明玻璃構件包含鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃,該鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃含有下述組成、主要由下述組成構成或由下述組成所構成:約60莫耳%至約70莫耳%之SiO2;約6莫耳%至約14莫耳%之Al2O3;0莫耳%至約15莫耳%之B2O3;0莫耳%至約15莫耳%之Li2O;0莫耳%至約20莫耳%之Na2O;0莫耳%至約10莫耳%之K2O;0莫耳%至約8莫耳%之MgO;0莫耳%至約10莫耳%之CaO;0莫耳%至約5莫耳%之ZrO2;0莫耳%至約1莫耳%之SnO2;0莫耳%至約1莫耳%之CeO2;低於約50ppm之As2O3;及低於約50ppm之Sb2O3,其中:12莫耳%≦Li2O+Na2O+K2O≦20莫耳%;及0莫耳%≦MgO+CaO≦10莫耳%。
在又另一實施例中,該透明玻璃構件包含鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃,該鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃含有下述組成、主要由下述組成構成或由下述組成所構成:約64莫耳%至約68莫耳%之SiO2;約12莫耳%至約16莫耳%之Na2O;約8莫耳%至約12莫耳%之Al2O3;約0莫耳%至約3莫耳%之B2O3;約2莫耳%至約5莫耳%之K2O;約4莫耳%至約6莫耳%之MgO;和約0莫耳%至約5莫耳%之CaO,其中:66莫耳%≦SiO2+B2O3+CaO≦69莫耳%;
Na2O+K2O+B2O3+MgO+CaO+SrO>10莫耳%;5莫耳%≦MgO+CaO+SrO≦8莫耳%;(Na2O+B2O3)-Al2O3 2莫耳%;2莫耳%≦Na2O-Al2O3≦6莫耳%;及4莫耳%≦(Na2O+K2O)-Al2O3≦10莫耳%。
在其他實施例中,該透明玻璃構件包含SiO2、Al2O3、P2O5和至少一種鹼金屬氧化物(R2O),其中0.75≦[(P2O5(莫耳%)+R2O(莫耳%))/M2O3(莫耳%)]≦1.2,其中M2O3=Al2O3+B2O3。在某些實施例中,[(P2O5(莫耳%)+R2O(莫耳%))/M2O3(莫耳%)]=1,即在某些實施例中,該玻璃不含B2O3,且M2O3=Al2O3。在某些實施例中,該玻璃包含:約40莫耳%至約70莫耳%之SiO2;約0莫耳%至約28莫耳%之B2O3;約0莫耳%至約28莫耳%之Al2O3;約1莫耳%至約14莫耳%之P2O5;和約12莫耳%至約16莫耳%之R2O。在某些實施例中,該玻璃包含:約40莫耳%至約64莫耳%之SiO2;0莫耳%至約8莫耳%之B2O3;約16莫耳%至約28莫耳%之Al2O3;約2莫耳%至約12莫耳%之P2O5;和約12莫耳%至約16莫耳%之R2O。該玻璃可進一步包含至少一種鹼土金屬氧化物,例如,但不限於MgO或CaO。
在一些實施例中,該透明玻璃構件不含鋰(即,該玻璃不含刻意添加的Li2O,雖然玻璃中可能出現微量的鋰雜質)。在某些實施例中,該玻璃包含少於1莫耳%(mol%)的Li2O,且在其他實施例中,可能包含少於0.1莫耳%的Li2O。在某些實施例中,此等玻璃不含砷、銻及鋇之
至少其中一者(即,該玻璃不含刻意添加的As2O3、Sb2O3和BaO,雖然玻璃中可能出現微量的砷、銻及鋇雜質)。
在某些實施例中,該透明玻璃構件包含玻璃基板,且該玻璃基板可藉由所屬技術領域中已知的化學或熱任一方法加以強化。在一實施例中,該透明玻璃基板為藉由離子交換法而經化學強化的離子交換玻璃。在此製程中,係將位於玻璃表面或接近玻璃表面的金屬離子換成具有相同價數的較大金屬離子而作為該玻璃中的金屬離子。通常藉由使該玻璃與一離子交換介質接觸而進行該交換作用,舉例而言,該離子交換介質可例如是含有較大金屬離子的熔融鹽浴。該等金屬離子通常為單價金屬離子,舉例而言,例如鹼金屬離子。在一非限制性實例中,可藉由將含鈉離子之玻璃基板浸泡在含有熔融鉀鹽(例如硝酸鉀KNO3)或諸如此類鹽的離子交換鹽浴中而達成該玻璃基板之化學強化。
在離子交換製程中以較大金屬離子取代小金屬離子在該玻璃基板中建立從表面開始延伸一深度(又稱為「層深度」)且處於壓縮應力下的區域。位於該透明玻璃基板之表面處的此壓縮應力與該玻璃基板內部的拉伸應力(亦稱為「內部張力」)達成平衡。在某些實施例中,當藉由離子交換法強化本發明所述透明玻璃基板表面後,該透明玻璃基板之表面具有至少350 MPa之壓縮應力,且該處於壓縮應力下的區域延伸至該表面下方達至少15微米之層深度。
在另一態樣中,亦提供製造該抗反射層和具有該抗反射層之玻璃構件的方法,該抗反射層和具有該抗反射層之玻璃構件兩者皆已說明如上。第7圖所示之流程圖說明製造具有該抗反射層之玻璃構件的方法700。在該方法700之選用性的第一步驟710中,首先係提供透明玻璃基板。在各種不同實施例中,該玻璃基板包括如前述之鈉鈣玻璃、硼矽酸鹽玻璃、鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃或鹼金屬鋁硼矽酸鹽玻璃。可藉由所屬技術領域中已知的方法形成該玻璃基板,該等已知方法包括,但不限於,浮式技術(float techniques)、模鑄法(molding)、澆注法(casting)及下拉法,例如,流孔拉引法(slot draw)、熔融拉引法(fusion draw)或諸如此類者。
在步驟720中,使複數個奈米粒子在玻璃基板之表面上自我組合成形式上呈六角形排列的單層。如前述,該等奈米粒子可包括聚合物粒子、無機氧化物或無機氟化物(例如,鈰、鋯、鋁、鈦、鎂、矽或諸如此類元素之無機氧化物或無機氟化物)或諸如此類者、上述粒子之組合物或混合物,且該等奈米粒子之形狀可主要為球形、近似球形、橢圓形、多角形或圓錐形。該複數個奈米粒子具有範圍介於約80奈米至約200奈米間之平均直徑,且在某些實施例中,具有範圍介於約80奈米至約180奈米間之平均直徑。如前述,相鄰奈米粒子彼此之間可藉由一間隙而隔開或彼此相互接觸。在某些實施例中,可使用例如,但不限於旋塗法、浸塗法、凹版印刷法、刮刀
塗佈法、噴塗法、狹縫模具式塗佈法或諸如此類方法將含有該等奈米粒子之分散液塗覆於該玻璃基板之表面以進行自我組合。例如,可使用含有1重量%至5重量%二氧化矽(silica)奈米粒子/水分散液或異丙醇分散液藉由浸塗法或旋塗法將之塗覆於該基板上且隨後進行乾燥而形成主要的二氧化矽奈米粒子層。可藉由改變該分散液中的奈米粒子濃度、基板的抽離速度、旋轉速度及諸如此類因素而獲得多種單層塗層。在乾燥該主要層之後,可藉由浸塗法將該黏結劑層塗覆於該等表面上。
隨後對該已自我組合之奈米粒子進行嵌入步驟(步驟730)以形成該抗反射層(步驟740)。在一方案中,該嵌入步驟(步驟730)涉及使該等已自我組合之奈米粒子部分嵌入該玻璃基板本身的表面內。例如,將該玻璃基板與該等奈米粒子加熱至高於該玻璃基板退火點的溫度,並使該等奈米粒子之一部分沉入該基板內。雖然在某些情況下該等奈米粒子可藉由粒子本身的重量沉入該表面中,然而可對該玻璃基板或該等奈米粒子施力以使該等奈米粒子嵌入該玻璃基板中。
在該嵌入步驟(步驟730)的另一種方案中,使該等奈米粒子部分嵌入黏結劑內。此等黏結劑包括該等前述之無機及/或有機含矽黏結劑,且可藉由旋塗法、浸塗法、凹版印刷法、刮刀塗佈法、噴塗法、狹縫模具式塗佈法或諸如此類方法將該等黏結劑塗覆於該玻璃基板之表面。
在某些實施例中,該無機黏結劑是可溶性矽酸鹽(即,
含有鹼金屬和二氧化矽SiO2的水溶性玻璃)。此等可溶性玻璃之非限制性實例包括矽酸鈉(其中SiO2:Na2O的比例介於約2.00至約3.22之範圍間),該矽酸鈉之SiO2/Na2O比值大於或等於約2.5且提供較佳之奈米粒子對基板表面的黏著力。
在步驟730中,該等奈米粒子部分嵌入該玻璃基板之表面內或嵌入該黏結劑內達一深度,且該深度小於約該等奈米粒子之直徑或主要尺寸的一半(即,小於約50%)。在其他實施例中,該深度小於約該等奈米粒子之直徑的八分之三(即,小於約37.5%),且在另一些其他實施例中,該深度小於約該直徑的四分之一(即,小於約25%)。
如上述,所產生之抗反射表面(步驟740)在介於約450奈米至約1000奈米的波長範圍間具有小於約2%的反射率,且在某些實施例中,對於具有介在約450奈米至約700奈米間之波長λ的輻射而言,該抗反射表面具有小於約1.5%的反射率。此外,該抗反射層可具有小於約1%的透射霾度,且當該抗反射層放置在像素化顯示器前方時不會出現耀光。
在某些實施例中,如先前所述般,方法700可選用性地包含對該玻璃基板進行離子交換(步驟712、712a)。在該等複數個奈米粒子嵌入有機黏結劑內的實例中,係於該等奈米粒子自我組合(步驟720)之前,對該玻璃基板進行離子交換。在該等複數個奈米粒子嵌入無機黏結劑內的實例中,可於該等奈米粒子自我組合(步驟720)之前對
該玻璃基板進行離子交換(步驟712),或在將該等奈米粒子嵌入該黏合劑中的步驟(步驟730)之後對該玻璃基板進行離子交換(步驟712a)。在如上述般將該等奈米粒子直接嵌入該玻璃基板內的實施例中,係在將該等奈米粒子嵌入該玻璃基板之表面內的步驟(步驟730)之後對該玻璃基板進行離子交換(步驟712a)。
在某些實施例中,方法700進一步包含蝕刻該玻璃基板之表面(步驟715)。執行此蝕刻步驟係用以增進該玻璃構件或玻璃基板對衝擊損傷的抗性,且在使該等奈米粒子自我組合之前執行此蝕刻步驟。在某些實施例中,該蝕刻步驟(步驟715)可接續在離子交換步驟(步驟712)之後。在一實施例中,使用由5%HF和5%H2SO4組成的溶液蝕刻該玻璃基板之表面。在James J.Price等人於2011年1月7日申請且發明名稱為「耐衝擊損傷之玻璃板(Impact-Damage-Resistant Glass Sheet)」之美國專利申請案第12/986,424號中描述此蝕刻步驟,該案主張享有2010年1月7日所申請之美國專利臨時申請案第61/293,032號的優先權,且該案內容以引用方式全文併入本案。在某些實施例中,蝕刻步驟715接續在離子交換步驟712之後。
本發明亦提供一種在玻璃基板上製造抗反射層之方法。該方法包含使複數個奈米粒子自我組合成為形式上呈六角形排列之單層,且使該等已自我組合之奈米粒子部分嵌入基板表面內或部分嵌入配置在該基板表面上的
黏結劑內而形成該抗反射層。該自我組合步驟及使該複數個奈米粒子嵌入表面內的步驟已於前述內容中加以說明。
雖然已舉出數個典型實施例作為實例說明之用,然而不應將上述說明內容視為對本發明或後附請求項範圍的限制。因此,所屬技術領域中熟悉該項技藝者可在不偏離本發明或後附請求項之精神與範圍下做出各種修飾、調整和替代態樣。
100‧‧‧玻璃構件/玻璃基板
105‧‧‧表面
110‧‧‧抗反射層
112、112a、112b‧‧‧奈米粒子
115‧‧‧六角形排列之幾何結構或陣列
117‧‧‧間隙
120‧‧‧黏結劑
700‧‧‧方法
710、712、712a、715‧‧‧步驟
720、730、740‧‧‧步驟
d‧‧‧平均直徑
d1‧‧‧深度
第1a圖係具有抗反射層之玻璃構件的概要圖。
第1b圖係具有抗反射層之玻璃構件的概要圖。
第1c圖係具有另一抗反射層之玻璃構件的第二概要圖。
第2圖係俯視玻璃構件之表面的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像,在影像中,奈米粒子嵌入該玻璃構件之表面內。
第3圖係針對在玻璃構件表面內埋有奈米粒子的玻璃構件,圖示該玻璃構件之反射率計算值隨入射輻射波長變化的曲線圖。
第4a圖係針對具有不同粒子間間距之抗反射層,圖示抗反射層之反射率計算值隨入射輻射波長變化的曲線圖。
第4b圖係針對具有不同黏結劑深度之抗反射層,圖示抗反射層之反射率計算值隨入射輻射波長變化的曲線圖。
第4c圖係針對含有不同尺寸之奈米粒子的抗反射層,圖示抗反射層之反射率計算值隨入射輻射波長變化的曲線圖。
第5圖係針對對照組樣本和多種在單面上具有抗反射層之表面,圖示經實驗獲得之總反射率及漫反射率隨波長變化的曲線圖。
第6a圖係針對含有平均直徑為120奈米或150奈米之奈米粒子的抗反射層,圖示經實驗獲得之總反射率及漫反射率隨波長變化的第一曲線圖。
第6b圖係針對含有平均直徑為120奈米或150奈米之奈米粒子的抗反射層,圖示經實驗獲得之總反射率及漫反射率隨波長變化的第二曲線圖。
第7圖係說明具有抗反射層之玻璃構件製造方法的流程圖。
100‧‧‧玻璃構件/玻璃基板
105‧‧‧表面
110‧‧‧抗反射層
112、112a、112b‧‧‧奈米粒子
115‧‧‧六角形排列之幾何結構或陣列
117‧‧‧間隙
Claims (10)
- 一種透明玻璃構件,該構件包含:一玻璃基板;及一設置在該玻璃基板之一表面上的抗反射層,該抗反射層在介於約450奈米至約1000奈米之波長範圍間具有小於約2%的總反射率;其中該抗反射層包含複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子,且該等奈米粒子在該玻璃基板之該表面上配置成一單層,其中該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子中的至少一部分奈米粒子彼此之間係藉由一間隙而隔開。
- 如請求項1之透明玻璃構件,其中該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子中的至少一部分奈米粒子係部分嵌入該玻璃基板之該表面內。
- 如請求項1之透明玻璃構件,進一步包含一配置在該玻璃基板之該表面上的無機及/或有機含矽黏結劑,其中該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子中的至少一部分奈米粒子係部分嵌入該無機及/或有機含矽黏結劑內。
- 如請求項2或3任一項之透明玻璃構件,其中該複數個形式上呈六角形排列之奈米粒子中之至少一部分奈米 粒子的每個奈米粒子係嵌入該玻璃基板之該表面中或嵌入該無機及/或有機含矽黏結劑中達一深度,且該深度小於約該粒子之直徑的一半。
- 如請求項1、2或3任一項之透明玻璃構件,其中該抗反射層具有小於約1%的透射霾度,在擦拭5000次後所具有之反射率與擦拭前所測得該抗反射層之初始反射率之間的變化小於20%,及/或具有介於HB至約9H範圍間的硬度。
- 如請求項1、2或3任一項之透明玻璃構件,其中藉由離子交換造成該表面具有一處於壓縮應力下且從該表面延伸至該玻璃內部達一深度的壓縮層,而使該玻璃基板經化學強化,其中該壓縮應力為至少350MPa且該壓縮層之層深度為至少20微米。
- 如請求項1、2或3任一項之透明玻璃構件,其中該透明玻璃構件放置在一含有複數個像素之顯示器前方時,該透明玻璃構件不會顯現耀光。
- 一種在一玻璃基板上製造一抗反射層的方法,該方法包含以下步驟:使複數個奈米粒子在該玻璃基板之一表面上自我組合成為一形式上呈六角形排列之單層,其中該複數個形 式上呈六角形排列之奈米粒子中的至少一第一部分奈米粒子彼此之間藉由一間隙而隔開;及使該複數個奈米粒子中之至少一第二部分奈米粒子部分嵌入該玻璃基板之該表面內或部分嵌入一黏結劑內而形成該抗反射層,其中該黏結劑係一無機及/或有機含矽黏結劑,及其中該抗反射層在介於約450奈米至約1000奈米之波長範圍間具有小於約2%的反射率。
- 如請求項8之方法,該方法進一步包含對該玻璃基板進行離子交換,而使該玻璃基板之該表面具有一處於壓縮應力下且從該表面延伸至該玻璃基板內部達一深度的壓縮層,其中該壓縮應力為至少350MPa且該壓縮層之層深度為至少20微米。
- 如請求項9之方法,其中在使該複數個奈米粒子中之該至少第二部分奈米粒子部分嵌入該玻璃基板之該表面內或部分嵌入該黏結劑內之後,執行該離子交換步驟。
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