WO2009044037A1 - Substrat en verre a gradient d'indice de refraction et procede de fabrication - Google Patents

Substrat en verre a gradient d'indice de refraction et procede de fabrication Download PDF

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WO2009044037A1
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Julien Sellier
Jérôme LALANDE
René Gy
Didier Le Couviour
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Saint-Gobain Glass France
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Definitions

  • the present invention relates to the field of optical glasses. More specifically, it relates to glass substrates comprising at least one gradient-refractive index unit obtained by ion exchange.
  • the production of glass substrates comprising one or more refractive index gradient units integrated into the glass has been the subject of numerous developments, the purpose of which is in particular to increase miniaturization and to better control the optical performances.
  • the glass substrates comprising such units are generally obtained by a process combining an ion exchange (for obtaining the refractive index gradient) and photolithography (for producing a mask on the surface of the glass in the form of motifs).
  • Ion exchange has been used for many years to produce refractive index gradient patterns in glass articles. This is a technique based on the ability of some ions of different polarizabilities, particularly alkaline ions, to be able to exchange with one another and thus form an ionic pattern.
  • the ion exchange is carried out by treating the glass in a bath of molten salts of said ions at an elevated temperature, generally between 200 and 550 ° C., for a time sufficient to obtain the desired level of exchange.
  • An electric field can be applied to accelerate the ion exchange rate.
  • thallium is the most widespread ion for the implementation of ion exchange on glass.
  • the ion exchange with silver ions makes it possible to reach a level of refractive index comparable to that obtained with thallium, avoiding the associated risks of toxicity. Nevertheless, it is found that the sodium-calcium silicate glasses develop during the ion exchange an intense yellow coloration caused by the appearance of colloids resulting from the reduction of Ag + ions in Ag °, even when the amount of money is low. Such staining is not acceptable for optical glasses. Many solutions have been developed to overcome these disadvantages.
  • these solutions consisted in providing specific glass compositions suitable for ion exchange treatment, in particular alkaline silicate glass compositions (US-A-3,873,408 and US-A-4,952,037) and borosilicate type (US-A-3,880,630, US-A-4,952,037, US-A 5,958,810, US-A-6,066,273, US-A-2001/0003724, US-A-2003/0161048). and US-A-2005/0137075).
  • alkaline silicate glass compositions US-A-3,873,408 and US-A-4,952,03
  • borosilicate type US-A-3,880,630, US-A-4,952,037, US-A 5,958,810, US-A-6,066,273, US-A-2001/0003724, US-A-2003/0161048.
  • the object of the present invention is to provide a glass substrate capable of undergoing a treatment for exchanging the alkaline ions of the glass with silver ions from an external source which allows the formation of at least one ionic unit, said pattern ionic having a gradient of refractive index and an acceptable depth while having a yellow color as low as possible.
  • the invention aims to obtain a glass substrate comprising at least one ionic unit having a refractive index variation with respect to the glass located outside the pattern greater than or equal to 0.03, a depth greater than or equal to 100 microns and a light transmittance at 410 nm (TL410) greater than or equal to 60%.
  • Said specific glass composition described hereinafter is that of the front substrate the ion exchange and it corresponds to the composition of the glass located outside the silver pattern (s) after the ion exchange treatment.
  • the substrate consists of a glass having the following composition, in weight percent: SiO 2 67.0 - 73.0%, preferably 70.0 - 72.0%
  • Total iron (expressed as Fe 2 O 3 ) 0 - 0.03%, preferably 0.005 - 0.01% Redox (FeO / total iron) 0.02 - 0.4, preferably 0.02 - 0.2
  • the glass substrate according to this embodiment has, after the ion exchange with silver, at the level of the pattern or units, a variation of the refractive index greater than or equal to 0.05, preferably greater than or equal to 0 08.
  • the refractive index is identical over the entire thickness of the glass where the ion exchange has occurred.
  • the substrate consists of a glass having the following composition, in percentage by mass:
  • MgO 0 - 5% preferably 1.0 - 3.0%
  • BaO 0 - 5% preferably 0 - 1, 0% TiO 2 0 - 5%, preferably 0 - 3.0%
  • Total iron (expressed as Fe 2 O 3 ) 0 - 0.1%, preferably 0 - 0.08%
  • the sum of the Li 2 O, Na 2 O and K 2 O contents varies from 3 to 10%.
  • a total content of these oxides of less than 6% makes it possible to obtain a substrate having a low coefficient of thermal expansion 06 25 - 300 , in particular between 40 and 60 ⁇ 10 -7 K -1 , whereas a content greater than 6% has the effect of increasing the variation of the refractive index beyond 0.06.
  • the glass substrate according to this second embodiment has, after the silver ion exchange, a coefficient of thermal expansion OC 25 - 300 of less than 60 ⁇ 10 -7 K -1 , preferably of between 30 and 45 ⁇ 10 6 ⁇ 7 K "1 .
  • the substrate consists of a glass having the following composition, in percentage by mass:
  • Total iron (expressed as Fe 2 O 3 ) 0 - 0.1%, preferably 0 - 0.08%
  • the glass substrate according to this third embodiment has, after the silver ion exchange, a coefficient of thermal expansion OC 25 - 300 of less than 60 ⁇ 10 -7 K -1 , preferably of between 30 and 45 ⁇ 10 5 ⁇ 7 K "1 .
  • the glass substrate according to the invention has, at the level of the ionic unit (s), a light transmission coefficient TL410 greater than or equal to 80%, which corresponds to a weak yellow coloration.
  • the substrate according to the invention has an exchange depth of greater than or equal to 200 ⁇ m.
  • the method of manufacturing the glass substrate comprising one or more ionic units is also an object of the present invention.
  • This process comprises the steps of: a) contacting the glass substrate with an external source of silver ions b) subjecting the assembly to a temperature ranging from 200 to 400 ° C., preferably 250 to 350 ° C., in the presence of an electric field for a time sufficient to at least partially replace the alkaline ions with silver ions, c) optionally, subjecting the substrate to a heat treatment to diffuse the silver ions laterally into the glass.
  • the external source of silver ions may be a bath of one or more known molten silver salts, for example a chloride or a nitrate.
  • the silver ion source is applied to one side of the substrate in a pattern or pattern network of predefined shape.
  • the pattern can be obtained through the silver ion source, which then has a geometry to provide the desired pattern, or by forming on the surface of the glass a diffusion mask capable of withstanding the ion exchange treatment and having appropriate openings to obtain the shape of the pattern.
  • the mask may be, for example, a mechanical mask made according to known lithography and / or etching techniques, for example a dielectric, conductive or resin mask, or an ionic mask having a pattern complementary to the desired pattern (s) (s). ) formed by diffusion from an ionic species having a lower mobility than the mobility of the silver ions.
  • the face opposite to the first face of the substrate in contact with the silver ions is brought into contact with a bath of molten salts of a second ionic species which allows the diffusion of the alkaline ions coming from the glass, for example a sodium nitrate and or potassium nitrate.
  • a mixture of equal parts of sodium nitrate and potassium nitrate is used.
  • the external source of silver ions may also consist of a solid layer based on metallic silver (Ag °) or ionic (Ag + ) deposited on one side of the substrate according to the desired pattern or pattern of patterns.
  • the deposition of the solid layer can be carried out by known methods, for example by screen printing a paste based on metallic silver or a paste comprising a silver salt, in particular a chloride, a nitrate or a sulphate of silver, and a polymer, by cathodic sputtering of metallic silver or by depositing a solution comprising a silver salt, especially a silver chloride, nitrate or sulphate, and a polymer, followed by a treatment to evaporate the liquid phase.
  • the single silver pattern has a sufficient dimension or the silver patterns form a continuous network
  • said pattern or said network acts as an electrode and can thus be connected directly to the voltage generator so that the exchange Ionic ion can occur in the next step b).
  • This electrode may be solid or perforated and may have a shape and a variable dimension adapted to the pattern (s) to silver.
  • the face of the substrate opposite to the coated face of the silver pattern or units is provided with an electrode capable of accepting the alkaline ions extracted from the glass during the exchange.
  • step b) an electric field is applied between the baths or the electrodes in contact respectively with the first and second faces of the substrate, which makes it possible to increase the diffusion rate of the silver ions in the glass and thus to reduce the ion exchange time.
  • the electric field can vary to a large extent depending on the conductivity of the glass substrate used and its thickness, for example from 0.1 to 1000 V / mm glass thickness, preferably 1 to 200 V / mm.
  • step b) aims to reroute the ions in the ionic pattern in a plane parallel to the first face of the substrate.
  • This treatment is carried out under the known temperature conditions, for example 300 to 400 ° C.
  • the glass substrate according to the invention can be used in particular to form index gradient lenses.
  • the following examples illustrate the invention without limiting it.
  • a substrate is formed from the glass composition comprising the constituents below, in the following contents expressed in percentages by weight:
  • the substrate is a square 5 cm square and 2.1 mm thick.
  • the substrate is subjected to an ion exchange treatment in the device shown in Figure 1a (cross section) and 1b (longitudinal section along the axis AA).
  • the device comprises the substrate 1 provided with two compartments 2 and 3, forming reservoirs, applied facing one another.
  • the compartments 2 and 3 are attached to the substrate by means of an adhesive 4 which also acts as a seal with respect to the contents of the reservoir.
  • the compartments 2 and 3 are each provided with a platinum electrode 5 and 6 connected to a voltage generator 9.
  • the compartment 2 contains a bath 7 of AgNO 3 and the compartment 3 is filled with a mixture KNO 3: NaNO 3 (1: 1; mass: mass).
  • the ion exchange is carried out at a temperature of 300 ° C. for 4 hours by applying an electric field of 38.1 V / mm of glass thickness.
  • a substrate is formed under the conditions of Example 1 modified in that the glass composition has the composition given below, in weight percent, in that the substrate has a thickness equal to 3.9 mm and in that the applied electric field is equal to 2 V / mm of glass thickness.
  • the substrate has the following properties:
  • a substrate is formed under the conditions of Example 1 modified in that the glass composition has the composition given below, in mass percentage, in that the substrate has a thickness equal to 2 mm, in that the field applied electric is equal to 100 V / mm glass thickness and in that the duration of the ion exchange is equal to 6 hours.
  • the substrate has the following properties
  • a substrate is formed under the conditions of Example 1 modified in that the glass composition has the composition given below, in weight percent: SiO 2 71, 1%
  • the substrate has the following properties:
  • a substrate is formed under the conditions of Example 1 modified in that the glass composition has the composition given below, in mass percentage, in that the thickness of the glass is equal to 4 mm, the applied electric field is equal to 75 V / mm glass thickness and the duration of the ion exchange is 19 hours.
  • the substrate has the following properties:
  • the glass compositions of Examples 1, 2 and 3 according to the invention make it possible to have a variation of the refractive index of at least 0.038 over a depth of at least 140 ⁇ m without a significant reduction in the transmission. light measured at 410 nm, that is to say without the appearance of an undesirable yellow coloring.
  • Comparative Example 1 shows a high yellowness level resulting in a low TL410 value of 34.5%
  • Comparative Example 2 shows a small change in refractive index of 0.015. .
  • Substrates are formed under the conditions of Example 1 having the composition given in Table 1, expressed as a percentage by mass.
  • Example 4 and 5 are in accordance with the invention and Example 6 is a comparative example with a high total iron content.
  • the substrates have a thickness of 2 mm.
  • Example 7 AND 8 Substrates are formed under the conditions of Example 1 having the composition given in Table 2, expressed as a percentage by weight.
  • the substrates have a thickness of 2 mm.
  • a substrate is formed under the conditions of Example 1 modified in that the glass composition has the composition given below, in weight percentage, in that the substrate has a thickness equal to 2 mm, in that the applied electric field is equal to 60 V / mm glass thickness and in that the duration of the ion exchange is equal to 5 hours.
  • the substrate has the following properties:

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Abstract

La présente invention concerne un substrat en verre comprenant au moins un motif ionique obtenu par un traitement d' échange des ions alcalins du verre par des ions argent provenant d'une source extérieure, ledit substrat étant constitué d'un verre ayant une composition spécifique et ledit motif ionique présentant une variation de l'indice de réfraction supérieure ou égale à 0,03, une profondeur supérieure ou égale à 100 micromètres et un coefficient de transmission lumineuse à 410 nm (TL410) supérieur ou égal à 60%.

Description

SUBSTRAT EN VERRE A GRADIENT D'INDICE DE REFRACTION ET
PROCEDE DE FABRICATION
La présente invention se rapporte au domaine des verres optiques. Elle concerne plus précisément des substrats en verre comportant au moins un motif à gradient d'indice de réfraction obtenu par échange ionique.
La réalisation de substrats en verre comportant un ou plusieurs motifs à gradient d'indice de réfraction intégré dans le verre a fait l'objet de nombreux développements ayant pour but notamment d'accroître la miniaturisation et de mieux contrôler les performances optiques. Les substrats en verre comprenant de tels motifs sont généralement obtenus par un procédé combinant un échange ionique (pour l'obtention du gradient d'indice de réfraction) et la photolithographie (pour la réalisation d'un masque à la surface du verre à la forme des motifs).
L'échange ionique est utilisé depuis de nombreuses années pour produire des motifs à gradient d'indice de réfraction dans des articles en verre. Il s'agit d'une technique basée sur la capacité que présentent certains ions de polarisabilités différentes, en particulier les ions alcalins, de pouvoir s'échanger l'un avec l'autre et former ainsi un motif ionique. L'échange ionique est effectué en traitant le verre dans un bain de sels fondus desdits ions à une température élevée, généralement comprise entre 200 et 5500C, pendant une durée suffisante pour obtenir le niveau d'échange souhaité. Un champ électrique peut être appliqué pour accélérer la vitesse d'échange des ions.
Il est bien connu que les ions sodium d'un verre peuvent être remplacés par des ions potassium, cuivre et/ou lithium (voir US-A-3 524 737, US-A-3 615 322 et US-A-3 615 323). La variation de l'indice de réfraction dans le verre final reste toutefois modeste.
Il est également connu d'utiliser le thallium comme ion dopant permettant de créer des zones ayant un indice de réfraction plus élevé. Malgré son caractère toxique, le thallium est l'ion le plus largement répandu pour la mise en œuvre de l'échange ionique sur du verre.
L'échange ionique par des ions argent permet d'atteindre un niveau d'indice de réfraction comparable à celui qui est obtenu avec du thallium en évitant les risques de toxicité associés. Néanmoins, on constate que les verres silicates de type sodo-calcique développent au cours de l'échange ionique une intense coloration jaune provoquée par l'apparition de colloïdes résultant de la réduction des ions Ag+ en Ag°, même lorsque la quantité d'argent est faible. Une telle coloration n'est pas acceptable pour des verres optiques. De nombreuses solutions ont été développées pour pallier ces inconvénients. Pour l'essentiel, ces solutions ont consisté à proposer des compositions de verre spécifiques adaptées au traitement par échange ionique, notamment des compositions de verre du type silicate alcalin (US-A-3 873 408 et US-A-4 952 037) et du type borosilicate (US-A-3 880 630, US-A-4 952 037, US-A 5 958 810, US-A-6 066 273, US-A-2001 /0003724, US-A-2003/0161048 et US-A-2005/0137075).
Il a aussi été proposé un procédé d'échange ionique à basse température pour limiter le jaunissement d'un verre silico-sodo-calcique (EP-A- 0 380 468). Le but de la présente invention est de fournir un substrat en verre apte à subir un traitement d'échange des ions alcalins du verre par des ions argent provenant d'une source extérieure qui permet la formation d'au moins un motif ionique, ledit motif ionique présentant un gradient d'indice de réfraction et une profondeur acceptables tout en ayant une coloration jaune la plus faible possible.
Plus précisément, l'invention vise à obtenir un substrat en verre comprenant au moins un motif ionique présentant une variation d'indice de réfraction par rapport au verre situé en dehors du motif supérieure ou égale à 0,03, une profondeur supérieure ou égale à 100 μm et un coefficient de transmission lumineuse à 410 nm (TL410) supérieur ou égal à 60 %.
Ces buts sont atteints selon l'invention en choisissant le substrat parmi les substrats présentant une composition de verre spécifique. Ladite composition de verre spécifique décrite ci-après est celle du substrat avant l'échange ionique et elle correspond à la composition du verre situé en dehors du ou des motifs à l'argent après le traitement d'échange ionique.
Conformément à un premier mode de réalisation, le substrat est constitué d'un verre ayant la composition suivante, en pourcentage massique : SiO2 67,0 - 73,0 %, de préférence 70,0 - 72,0 %
AI2O3 0 - 3,0 %, de préférence 0,4 - 2,0 %
CaO 7,0 - 13,0 %, de préférence 8,0 - 11 ,0 %
MgO 0 - 6,0 %, de préférence 3,0 - 5,0 %
Na2O 12,0 - 16,0 %, de préférence 13,0 - 15,0 % K2O 0 - 4,0 %
TiO2 0 - 0,1 %
Fer total (exprimé en Fe2O3) 0 - 0,03 %, de préférence 0,005 - 0,01 % Redox (FeO/fer total) 0,02 - 0,4, de préférence 0,02 - 0,2
Sb2O3 0 - 0,3 % CeO2 0 -1.5 %
SO3 0 - 0,8 %, de préférence 0,2 - 0,6 %
Le substrat en verre selon ce mode de réalisation présente après l'échange ionique à l'argent, au niveau du ou des motifs, une variation de l'indice de réfraction supérieure ou égale à 0,05, de préférence supérieure ou égale à 0,08. L'indice de réfraction est identique sur toute l'épaisseur du verre où s'est produit l'échange ionique.
Conformément à un deuxième mode de réalisation, le substrat est constitué d'un verre ayant la composition suivante, en pourcentage massique :
SiO2 60,0 - 72,0 %, de préférence 64,0 - 70,0 % AI2O3 15,0 - 25,0 %, de préférence 18,0 - 21 ,0 %
CaO 0 - 5 %, de préférence 0 - 1 ,0 %
MgO 0 - 5 %, de préférence 1 ,0 - 3,0 %
ZnO 0 - 5 %, de préférence 1 ,0 - 3,0 %
BaO 0 - 5 %, de préférence 0 - 1 ,0 % TiO2 0 - 5 %, de préférence 0 - 3,0 %
ZrO2 0 - 5 %, de préférence 1 ,0 - 4,0 %
Li2O 2,0 - 8,0 %, de préférence 3,0 - 5,0 %
Na2O 0 - 6 %, de préférence 0 - 5,0 %, avantageusement 0 - 3,0 % K2O 0 - 5 %, de préférence 0 - 3,0 %
Fer total (exprimé en Fe2O3) 0 - 0,1 %, de préférence 0 - 0,08 %
Redox 0,02 - 0,6, de préférence 0,02 - 0,4
As2O3 0 - 1 ,0 %
ZnS 0 - 1 ,0 %
SnO2 0 - 1 ,0 % Impuretés (HfO2, Cr2O3 et/ou P2O3) < 0,5 %
De manière avantageuse, la somme des teneurs en Li2O, Na2O et K2O varie de 3 à 10 %. Une teneur totale en ces oxydes inférieure à 6 % permet d'obtenir un substrat ayant un bas coefficient d'expansion thermique 0625-300, notamment compris entre 40 et 60 x 10~7 K"1, alors qu'une teneur supérieure à 6 % a pour effet d'augmenter la variation de l'indice de réfraction au-delà de 0,06.
Le substrat en verre selon ce deuxième mode de réalisation possède après l'échange ionique à l'argent un coefficient d'expansion thermique OC25-300 inférieur à 60 x 10~7 K"1, de préférence compris entre 30 et 45 x 10~7 K"1.
Conformément à un troisième mode de réalisation, le substrat est constitué d'un verre ayant la composition suivante, en pourcentage massique :
SiO2 60,0 - 80,0 %, de préférence 66,0 - 80,0 %
AI2O3 0 - 8 %, de préférence 1 ,5 - 8 %
B2O3 6,0 - 16,0 %, de préférence 10,0 - 14,0 %
CaO 0 - 2,0 %, de préférence inférieur à 0,5 %
ZnO 0 - 1 %
BaO 0 - 4 %
MgO 0 - 2,0 %, de préférence inférieur à 0,5 %
Na2O 6,0 - 10,0 %, de préférence 6,0 - 8,0 %
K2O 0 - 4,0 %, de préférence 0 - 2,0 %
Li2O 0 - 1 ,0 %, de préférence 0 %
TiO2 0 - 2,0 %, de préférence inférieur à 0,5 %
Fer total (exprimé en Fe2O3) 0 - 0,1 %, de préférence 0 - 0,08 %
Redox (FeO/fer total) 0,02 - 0,6, de préférence 0,02 - 0,4
MnO 0 - 0,1 %, de préférence 0 - 0,05 %
SO3 inférieur à 0,2 % Le substrat en verre selon ce troisième mode de réalisation possède après l'échange ionique à l'argent un coefficient d'expansion thermique OC25-300 inférieur à 60 x 10~7 K"1, de préférence compris entre 30 et 45 x 10~7 K"1.
De manière avantageuse, le substrat en verre conforme à l'invention présente au niveau du ou des motifs ioniques un coefficient de transmission lumineuse TL410 supérieur ou égal à 80 %, ce qui correspond à une faible coloration jaune.
De préférence, le substrat selon l'invention présente une profondeur d'échange supérieure ou égale à 200 μm. Le procédé de fabrication du substrat en verre comprenant un ou plusieurs motifs ioniques constitue également un objet de la présente invention.
Ce procédé comprend les étapes consistant à : a) mettre en contact le substrat en verre avec une source extérieure d'ions argent b) soumettre l'ensemble à une température variant de 200 à 4000C, de préférence 250 à 3500C, en présence d'un champ électrique pendant un temps suffisant pour remplacer au moins partiellement les ions alcalins par les ions argent, c) éventuellement, soumettre le substrat à un traitement thermique pour faire diffuser les ions argent latéralement dans le verre.
Dans l'étape a) la source extérieure d'ions argent peut être un bain d'un ou plusieurs sels d'argent fondus connus, par exemple un chlorure ou un nitrate. La source d'ions argent est appliquée sur une face du substrat selon un motif ou un réseau de motifs de forme prédéfinie. Le motif peut être obtenu par le biais de la source d'ions argent, qui présente alors une géométrie propre à fournir le motif désiré, ou en formant à la surface du verre un masque de diffusion apte à résister au traitement par échange ionique et présentant des ouvertures appropriées pour obtenir la forme du motif. Le masque peut être par exemple un masque mécanique réalisé selon les techniques connues de lithographie et/ou de gravure, par exemple un masque diélectrique, conducteur ou de résine, ou encore un masque ionique présentant un motif complémentaire au motif(s) désiré(s) formé par diffusion à partir d'une espèce ionique ayant une mobilité plus faible que la mobilité des ions argent. La face opposée à la première face du substrat en contact avec les ions argent, est mise en contact avec un bain de sels fondus d'une deuxième espèce ionique qui autorise la diffusion des ions alcalins venant du verre, par exemple un nitrate de sodium et/ou un nitrate de potassium. De préférence, on utilise un mélange à parts égales de nitrate de sodium et de nitrate de potassium.
La source extérieure d'ions argent peut aussi être constituée d'une couche solide à base d'argent métallique (Ag°) ou ionique (Ag+) déposée sur une face du substrat selon le motif ou le réseau de motifs souhaité. Le dépôt de la couche solide peut être effectué par des méthodes connues, par exemple par sérigraphie d'une pâte à base d'argent métallique ou d'une pâte comprenant un sel d'argent, notamment un chlorure, un nitrate ou un sulfate d'argent, et un polymère, par pulvérisation cathodique d'argent métallique ou par dépôt d'une solution comprenant un sel d'argent, notamment un chlorure, un nitrate ou un sulfate d'argent, et un polymère, suivi d'un traitement visant à évaporer la phase liquide.
Lorsque le motif unique à l'argent a une dimension suffisante ou que les motifs à l'argent forment un réseau continu, ledit motif ou ledit réseau fait office d'électrode et peut ainsi être raccordé directement au générateur de tension afin que l'échange ionique puisse se produire au cours de l'étape suivante b).
Dans le cas contraire, à savoir lorsque le motif unique est de faible taille ou que les motifs sont discrets (c'est-à-dire non reliés les uns aux autres), il est nécessaire d'appliquer une électrode sur ledit (lesdits) motif(s). Cette électrode peut être pleine ou ajourée et peut avoir une forme et une dimension variables adaptées au(x) motif(s) à l'argent.
Dans l'un ou l'autre cas, la face du substrat opposée à la face revêtue du ou des motifs à l'argent est pourvue d'une électrode apte à accepter les ions alcalins extraits du verre lors de l'échange.
Dans l'étape b), on applique un champ électrique entre les bains ou les électrodes en contact respectivement avec les première et deuxième faces du substrat, ce qui permet d'augmenter la vitesse de diffusion des ions argent dans le verre et donc de diminuer le temps d'échange ionique. Le champ électrique peut varier dans une large mesure en fonction de la conductivité du substrat en verre utilisé et de son épaisseur, par exemple de 0,1 à 1000 V/mm d'épaisseur de verre, de préférence 1 à 200 V/mm.
Le traitement thermique supplémentaire appliqué le cas échéant à l'étape b) vise à faire rediffuser les ions dans le motif ionique dans un plan parallèle à la première face du substrat. Ce traitement est opéré dans les conditions de température connues, par exemple 300 à 4000C.
Le substrat en verre selon l'invention peut être utilisé notamment pour former des lentilles à gradient d'indice. Les exemples qui suivent permettent d'illustrer l'invention sans toutefois la limiter.
EXEMPLE 1
On forme un substrat à partir de la composition de verre comprenant les constituants ci-après, dans les teneurs suivantes exprimées en pourcentages massiques :
SiO2 71 ,6 %
AI2O3 0,8 %
CaO 8,8 %
MgO 3,8 % Na2O 14,0 %
Sb2O3 0,2 %
SO3 0,1 %
Fer total (exprimé en Fe2O3) 0,01 %
FeO/fer total 0,1 Le substrat est un carré de 5 cm de côté et 2,1 mm d'épaisseur.
Le substrat est soumis à un traitement d'échange ionique dans le dispositif représenté dans la figure 1a (coupe transversale) et 1 b (coupe longitudinale selon l'axe AA). Le dispositif comprend le substrat 1 muni de deux compartiments 2 et 3, formant des réservoirs, appliqués en regard l'un de l'autre. Les compartiments 2 et 3 sont fixés au substrat par l'intermédiaire d'un adhésif 4 qui joue également le rôle de joint d'étanchéité au regard du contenu du réservoir. Les compartiments 2 et 3 sont munis chacun d'une électrode en platine 5 et 6 reliées à un générateur de tension 9. Le compartiment 2 contient un bain 7 d'AgN03 et le compartiment 3 est rempli d'un mélange KNθ3 :NaNθ3 (1 :1 ; masse:masse). Lorsqu'un champ électrique est appliqué entre les électrodes 5 et 6, les ions alcalins du verre sont déplacés vers le bain 8 et sont remplacés progressivement par les ions Ag+ contenus dans le bain 7 (sens de migration indiqué par les flèches).
L'échange ionique est effectué à une température de 3000C pendant 4 heures en appliquant un champ électrique de 38,1 V/mm d'épaisseur de verre.
Sur le substrat, on mesure la profondeur de diffusion des ions Ag+ dans le verre au niveau de la zone d'échange, l'indice de réfraction à 500 nm (nsoo) et la transmission lumineuse à 410 nm (TL410), avant et après le traitement d'échange ionique.
Les valeurs sont les suivantes :
• profondeur de diffusion : 140 μm
• n5oo avant : 1 ,526 après : 1 ,630
Figure imgf000009_0001
avant : 90,5 % après : 81 ,0 % EXEMPLE 2
On forme un substrat dans les conditions de l'exemple 1 modifié en ce que la composition de verre a la composition donnée ci-après, en pourcentage massique, en ce que le substrat a une épaisseur égale à 3,9 mm et en ce que le champ électrique appliqué est égal à 2 V/mm d'épaisseur de verre.
SiO2 68,7 %
AI2O3 18,9 %
MgO 1 ,2 %
Li2O 3,4 %
Fer total (exprimé en Fe2O3) 0,07 %
TiO2 2,6 %
BaO 0,8 %
ZrO2 1 ,7 %
ZnO 1 ,6 %
Na2O 0,1 % K2O 0,1 %
As2O3 0,5 %
Le substrat présente les propriétés suivantes :
• Profondeur de diffusion : 220 μm • n5oo avant : 1 ,527 après : 1 ,565
• Tl_4io avant : 84,6 % après : 84,3 %
EXEMPLE 3
On forme un substrat dans les conditions de l'exemple 1 modifié en ce que la composition de verre a la composition donnée ci-après, en pourcentage massique, en ce que le substrat a une épaisseur égale à 2 mm, en ce que le champ électrique appliqué est égal à 100 V/mm d'épaisseur de verre et en ce que la durée de l'échange ionique est égal à 6 heures.
SiO2 78,00 %
AI2O3 2,00 %
B2O3 12,9 %
Na2O 6,7 %
CaO 0,1 %
TiO2 0,015 %
Fer total (exprimé en Fe2O3) 0,04 %
MnO 0,05 %
SO3 < 0,01 %
Le substrat présente les propriétés suivantes
• profondeur de diffusion : 220 μm
• n5oo avant : 1 ,489 après : 1 ,531
Figure imgf000010_0001
avant : 89,5 % après : 86,8 % EXEMPLE COMPARATIF 1
On forme un substrat dans les conditions de l'exemple 1 modifié en ce que la composition de verre a la composition donnée ci-après, en pourcentage massique : SiO2 71 ,1 %
AI2O3 0,6 %
Na2O 13,8 %
K2O 0,2 %
CaO 8,7 % MgO 4,0 %
Fer total (exprimé en Fe2O3) 0,08 %
FeO/fer total 0,25
Le substrat présente les propriétés suivantes :
• profondeur de diffusion : 130 μm • n5oo avant : 1 ,514 après : 1 ,619
• Tl_4io avant : 80,0 % après : 31 ,5 %
EXEMPLE COMPARATIF 2
On forme un substrat dans les conditions de l'exemple 1 modifié en ce que la composition de verre a la composition donnée ci-après, en pourcentage massique, en ce que l'épaisseur du verre est égale à 4 mm, le champ électrique appliqué est égal à 75 V/mm d'épaisseur de verre et la durée de l'échange ionique est égale à 19 heures.
SiO2 83 %
AI2O3 2 %
Na2O 4 % K2O 0,6 %
B2O3 12 %
Le substrat présente les propriétés suivantes :
• Profondeur de diffusion : 220 μm • n5oo avant : 1 ,480 après : 1 ,495
• Tl_4io avant : 90,0 % après : 86,5 %
On observe que les compositions de verre des exemples 1 , 2 et 3 selon l'invention permettent d'avoir une variation de l'indice de réfraction au moins égale à 0,038 sur une profondeur d'au moins 140 μm sans réduction significative de la transmission lumineuse mesurée à 410 nm, c'est-à-dire sans l'apparition d'une coloration jaune indésirable.
Au contraire, l'exemple comparatif 1 montre un niveau de jaunissement élevé se traduisant par une faible valeur de TL410, égale à 34,5 %, et l'exemple comparatif 2 présente une faible variation de l'indice de réfraction, égale à 0,015.
EXEMPLES 4 A 6
On forme des substrats dans les conditions de l'exemple 1 ayant la composition donnée dans le tableau 1 , exprimée en pourcentage massique.
Les exemples 4 et 5 sont conformes à l'invention et l'exemple 6 est un exemple comparatif à teneur élevée en fer total. Les substrats ont une épaisseur de 2 mm.
Les conditions d'échange ionique et les propriétés des substrats sont rassemblées dans le tableau 1.
EXEMPLES 7 ET 8 On forme des substrats dans les conditions de l'exemple 1 ayant la composition donnée dans le tableau 2, exprimée en pourcentage massique. Les substrats ont une épaisseur de 2 mm.
Les conditions d'échange ionique et les propriétés des substrats sont rassemblées dans le tableau 2. EXEMPLE 9
On forme un substrat dans les conditions de l'exemple 1 modifié en ce que la composition de verre a la composition donnée ci-après, en pourcentage massique, en ce que le substrat a une épaisseur égale à 2 mm, en ce que le champ électrique appliqué est égal à 60 V/mm d'épaisseur de verre et en ce que la durée de l'échange ionique est égal à 5 heures.
SiO2 78,5 %
AI2O3 2,1 %
B2O3 12,4 %
CaO 0,02 %
BaO 0,02 %
Na2O 6,5 %
K2O 0,01 %
Li2O 0,4 %
TiO2 0,03 %
Fer total (exprimé en Fe2O3) 0,02 %
FeO/fei r total 0,20
Le substrat présente les propriétés suivantes :
• profondeur de diffusion : 100 μm
Figure imgf000013_0001
avant : 1 ,485 après : 1 ,524
Figure imgf000013_0002
avant : 90,7 % après : 87,0 %
TABLEAU 1
Figure imgf000014_0001
TABLEAU 2
Figure imgf000015_0001

Claims

REVENDICATIONS
1. Substrat en verre comprenant au moins un motif ionique obtenu par un traitement d'échange des ions alcalins du verre par des ions argent provenant d'une source extérieure, caractérisé en ce que ledit substrat est constitué d'un verre ayant la composition suivante, en pourcentage massique : SiO2 67,0 - 73,0 %, de préférence 70,0 - 72,0 %
AI2O3 0 - 3,0 %, de préférence 0,4 - 2,0 %
CaO 7,0 - 13,0 %, de préférence 8,0 - 11 ,0 %
MgO 0 - 6,0 %, de préférence 3,0 - 5,0 % Na2O 12,0 - 16,0 %, de préférence 13,0 - 15,0 %
K2O 0 - 4,0 %
TiO2 0 - 0,1 %
Fer total (exprimé en Fe2O3) 0 - 0,03 %, de préférence 0,005 - 0,01 % Redox (FeO/fer total) 0,02 - 0,4, de préférence 0,02 - 0,2 Sb2O3 0 - 0,3 %
CeO2 0 -1.5 %
SO3 0 - 0,8 %, de préférence 0,2 - 0,6 % et en ce que ledit motif ionique présente une variation de l'indice de réfraction supérieure ou égale à 0,03, une profondeur supérieure ou égale à 100 μm et un coefficient de transmission lumineuse à 410 nm (TL410) supérieur ou égal à 60 %.
2. Substrat selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la variation de l'indice de réfraction est supérieure ou égale à 0,05, avantageusement supérieure ou égale à 0,08.
3. Substrat selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le coefficient de transmission lumineuse TL410 est supérieur ou égal à 80 %.
4. Substrat selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la profondeur est supérieure ou égale à 200 μm.
5. Substrat en verre comprenant au moins un motif ionique obtenu par un traitement d'échange des ions alcalins du verre par des ions argent provenant d'une source extérieure, caractérisé en ce que ledit substrat est constitué d'un verre ayant la composition suivante, en pourcentage massique : SiO2 60,0 - 72,0 %, de préférence 64,0 - 70,0 %
AI2O3 15,0 - 25,0 %, de préférence 18,0 - 21 ,0 % CaO 0 - 5 %, de préférence 0 - 1 ,0 %
MgO 0 - 5 %, de préférence 1 ,0 - 3,0 %
ZnO 0 - 5 %, de préférence 1 ,0 - 3,0 %
BaO 0 - 5 %, de préférence 0 - 1 ,0 %
TiO2 0 - 5 %, de préférence 0 - 3,0 %
ZrO2 0 - 5 %, de préférence 1 ,0 - 4,0 %
Li2O 2,0 - 8,0 %, de préférence 3,0 - 5,0 %
Na2O 0 - 6 %, de préférence 0 - 5,0 %, avantageusement 0 - 3,0 %
KK22OO 0 - 5 %, de préférence 0 - 3,0 %
Fer total (exprimé en Fe2U3) 0 - 0,1 %, de préférence 0 - 0,08 %
Redox 0,02 - 0,6, de préférence 0,02 - 0,4
As2O3 0 - 1 ,0 %
ZnS 0 - 1 ,0 %
SSnnOO22 0 - 1 ,0 %
Impuretés (HfO2, Cr2O3 et/ou P2O3) <0,5 % et en ce que ledit motif ionique présente une variation d'indice de réfraction supérieure ou égale à 0,03, une profondeur supérieure ou égale à 100 μm et un coefficient de transmission lumineuse à 410 nm (TL410) supérieur ou égal à 60 %.
6. Substrat en verre selon la revendication 5, caractérisé en ce que la somme des teneurs en Li2O, Na2O et K2O varie de 3 à 10 %.
7. Substrat selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il possède un coefficient d'expansion thermique OC25-300 inférieur à 60 x 10~7 K"1 et de préférence compris entre 30 et 45 x 10~7 K"1.
8. Substrat selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le coefficient de transmission lumineuse TL410 est supérieur ou égal à 80 %.
9. Substrat selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la profondeur est supérieure ou égale à 200 μm.
10. Substrat en verre comprenant au moins un motif ionique obtenu par un traitement d'échange des ions alcalins du verre par des ions argent provenant d'une source extérieure, caractérisé en ce que ledit substrat est constitué d'un verre ayant la composition suivante, en pourcentage massique : SiO2 60,0 - 80,0 %, de préférence 66,0 - 80,0 % AI2O3 0 - 8 %, de préférence 1 ,5 - 8 %
B2O3 6,0 - 16,0 %, de préférence 10,0 - 14,0 %
CaO 0 - 2,0 %, de préférence inférieur à 0,5 %
ZnO 0 - 1 % BaO 0 - 4 %
MgO 0 - 2,0 %, de préférence inférieur à 0,5 %
Na2O 6,0 - 10,0 %, de préférence 6,0 - 8,0 %
K2O 0 - 4,0 %, de préférence 0 - 2,0 %
Li2O 0 - 1 ,0 %, de préférence 0 % TiO2 0 - 2,0 %, de préférence inférieur à 0,5 %
Fer total (exprimé en Fe2O3) 0 - 0,1 %, de préférence 0 - 0,08 % Redox (FeO/fer total) 0,02 - 0,6, de préférence 0,02 - 0,4
MnO 0 - 0,1 %, de préférence 0 - 0,05 %
SO3 inférieur à 0,2 % et en ce que ledit motif ionique présente une variation d'indice de réfraction supérieure ou égale à 0,03, une profondeur supérieure ou égale à 100 μm et un coefficient de transmission lumineuse à 410 nm (TL410) supérieur ou égal à 60 %.
1 1 . Substrat selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il possède un coefficient d'expansion thermique OC25-300 inférieur à 60 x 10~7 K"1 et de préférence compris entre 30 et 45 x 10~7 K"1.
12. Substrat selon la revendication 10 ou 1 1 , caractérisé en ce que le coefficient de transmission lumineuse TL410 est supérieur ou égal à 80 %.
13. Substrat selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la profondeur est supérieure ou égale à 200 μm.
14. Procédé de fabrication du substrat en verre selon l'une des revendications 1 à 13, qui comprend les étapes consistant à : a) mettre en contact le substrat en verre avec une source extérieure d'ions argent b) soumettre l'ensemble à une température variant de 200 à 4000C, de préférence 250 à 3500C, en présence d'un champ électrique pendant un temps suffisant pour remplacer au moins partiellement les ions alcalins par les ions argent, c) éventuellement, soumettre le substrat à un traitement thermique pour faire diffuser les ions argent latéralement dans le verre.
15. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que le champ électrique varie de 0,1 à 1000 V/mm d'épaisseur de verre, de préférence 1 à 200 V/mm.
16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que la source extérieure d'ions argent est un bain d'un ou plusieurs sels d'argent fondus.
17. Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que la source d'ions argent est une couche solide à base d'argent métallique.
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