可彎曲的玻璃堆疊件組裝件及其製備方法與流程
2023-10-19 22:26:32 3
本申請根據35U.S.C.§119要求2014年08月19日提交的美國臨時申請系列第62/039120號的優先權，本文以該申請的內容為基礎並通過參考將其完整地結合於此。
技術領域
本公開總體涉及玻璃堆疊件組裝件,元件和層和用於製備它們的各種方法。具體來說，本公開涉及這些組件的堆疊優化的、可彎曲的和耐刺穿的變體及其製備方法，以用於包括但不限於下述的應用：薄膜電晶體(TFT)背板、有機發光二極體(OLED)裝置、可貼合的顯示器堆疊件、大的曲面顯示器和後擋板。
背景
性質上傳統地為剛性的產品和組件的柔性變體正設想用於新的應用。例如，柔性電子裝置可提供薄的、輕量和柔性性質，其提供用於新應用的機會，例如曲面顯示器和可穿戴裝置。這些柔性電子裝置中的許多需要柔性基材來固定和安裝這些裝置的電子組件。金屬箔具有一些優勢，包括熱穩定性和化學耐久性，但不足之處在於高成本和缺少光學透明性。聚合物箔具有一些優勢，包括耐疲勞失效性，但不足之處在於臨界的光學透明性、缺少熱穩定性以及受限的氣密性。
這些電子裝置中的一些還可使用柔性顯示器。光學透明性和熱穩定性常常是柔性顯示器應用的重要的性質。此外，柔性顯示器應具有高疲勞和刺穿耐受性，包括在小彎曲半徑下的耐失效性，對於具有觸控螢幕功能和/或可摺疊的柔性顯示器而言尤其如此。
常規柔性玻璃材料提供許多柔性基材和/或顯示器應用所需的性質。例如，考慮到相對於金屬和聚合物替代物的透明度、化學穩定性和耐刮擦性，預期超薄玻璃(<200微米)在這些應用中具有重要作用。然而，到目前為止，將玻璃材料用於這些柔性應用的努力基本上是不成功的。通常，可將玻璃基材製造到非常低的厚度水平(150微米)可製造有更好的耐刺穿性，但這些基材缺少在彎曲時的合適的疲勞耐受性和機械可靠性。
例如，在與可摺疊的顯示器應用相關的彎曲條件下，這種薄的玻璃基材在與裝置的顯示器側(例如，彎曲過程中的凸面側)上的那些相反的主要表面上經歷最大拉伸彎曲應力。具體來說，在這種可摺疊的顯示器中的玻璃基材預期彎曲，從而將基材的顯示器側摺疊到彼此上(例如，作為錢包)，其中它們的內部表面(即，與顯示器側表面相反的表面)處於拉伸中。這種拉伸應力作為降低的彎曲半徑或曲率半徑函數而增加。在這些主要表面處，可存在瑕疵和其它缺陷。結果，從它們的應用環境施加到這種薄玻璃基材的彎曲力使得這些玻璃基材特別容易發生拉伸相關的和疲勞相關的失效，潛在地具有在這種瑕疵和缺陷處的裂紋引發。
因此，本領域需要用於柔性基材和/或顯示器應用和功能，特別是用於柔性電子裝置應用的可靠使用的玻璃材料、玻璃堆疊件組裝件、組件和其它相關的組裝件。此外，本領域需要材料設計和加工方法來開發這種柔性玻璃組裝件和組件，其考慮了在它們的應用環境中形成的應力。
概述
根據一方面,提供堆疊件組裝件，其包含玻璃元件，所述玻璃元件具有約25微米-約125微米的第一厚度，以及第一和第二主要表面。所述玻璃元件還包含(a)具有第一和第二主要表面的第一玻璃層,和(b)從玻璃層的第二主要表面延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域,所述區域通過在層的第二主要表面處的至少約100MPa的壓縮應力來限定。堆疊件組裝件還包含第二層，其連接到玻璃層的第二主要表面且具有第二厚度。在一些方面中,第二層的彈性模量低於玻璃層的彈性模量。所述玻璃元件通過下述來表徵：(a)當在約25℃和約50％相對溼度下，將元件在約3mm-約20mm的彎曲半徑下固定至少60分鐘時不存在失效,(b)當元件的第二主要表面通過(i)約25微米厚的具有小於約1GPa彈性模量的壓敏膠粘劑(PSA)和(ii)約50微米厚的具有小於約10GPa彈性模量的聚對苯二甲酸乙二酯層支撐，且元件的第一主要表面用具有含200微米直徑的平坦的底部的不鏽鋼銷釘裝載時,大於約1.5kgf的耐刺穿性，(c)大於或等於8H的鉛筆硬度,和(d)玻璃層之內的中性軸線，其位於第二主要表面和第一厚度的一半之間。
在一些實施方式中,玻璃元件還可包含一個或多個額外的玻璃層和分別設置在第一玻璃層下方的一個或多個壓縮應力區域。例如,玻璃元件可包含2個、3個、4個或更多個額外的玻璃層，其具有相應的在第一玻璃層下方的額外的壓縮應力區域。
根據一方面,提供玻璃製品，所述玻璃製品包含:具有約25微米-約125微米的第一厚度的玻璃層。所述層還包含(a)第一主要表面，(b)第二主要表面,和(c)從玻璃層的第二主要表面延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域,所述區域通過在層的第二主要表面處的至少約100MPa的壓縮應力來限定。所述玻璃製品還包含第二層，其連接到玻璃層的第二主要表面且具有第二厚度。根據一些方面,第二層的彈性模量低於玻璃層的彈性模量。所述玻璃層通過下述來表徵：(a)當在約25℃和約50％相對溼度下，將所述層在約3mm-約20mm的彎曲半徑下固定至少60分鐘時不存在失效,(b)當所述層的第二主要表面通過(i)約25微米厚的具有小於約1GPa彈性模量的壓敏膠粘劑和(ii)約50微米厚的具有小於約10GPa彈性模量的聚對苯二甲酸乙二酯層支撐，且所述層的第一主要表面用具有含200微米直徑的平坦的底部的不鏽鋼銷釘裝載時,大於約1.5kgf的耐刺穿性，(c)大於或等於8H的鉛筆硬度,和(d)玻璃層之內的中性軸線，其位於第二主要表面和第一厚度的一半之間。
在一些實施方式中,玻璃層包括不含鹼的或含鹼的鋁矽酸鹽,硼矽酸鹽,硼鋁矽酸鹽,或矽酸鹽玻璃組合物。玻璃層的厚度還可為約50微米-約100微米。根據一些方面，玻璃層的厚度可為60微米-約80微米。
在一些實施方式中,玻璃元件或玻璃層的彎曲半徑可為約3mm-約20mm。在其它方面中,彎曲半徑可為約3mm-約10mm。
根據一些方面,玻璃元件或玻璃層可包含具有低摩擦係數且設置在玻璃元件或層的第一主要表面上的第三層(例如,設置在堆疊件組裝件的顯示器側上)。根據一些方面,第三層可為塗層，所述塗層包含選自下組的氟碳材料：熱塑性塑料和無定形氟碳。第三層還可為塗層，所述塗層包含下述組中的一種或多種：矽酮、蠟、聚乙烯、高電位端(hot-end)、聚對二甲苯和類金剛石塗層製備。此外，第三層可為塗層，所述塗層包含選自下組的材料：氧化鋅、二硫化鉬、二硫化鎢、六方氮化硼和鋁鎂硼化物。根據一些實施方式，第三層可為塗層，所述塗層包含選自下組的添加劑：氧化鋅、二硫化鉬、二硫化鎢、六方氮化硼和鋁鎂硼化物。
在一些實施方式中，第二層可包含下述或單獨地由下述組成：聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和光學透明膠粘劑(OCA)的複合材料,膠粘劑連接到玻璃層或元件的第二主要表面。第二層也可包含下述或單獨地由下述組成：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和OCA的複合材料,膠粘劑連接到玻璃層或元件的第二主要表面。取決於堆疊件組裝件的特定應用，可將其它材料,材料組合和/或結構用作第二層結構,所述第二層結構具有比玻璃層或元件的彈性模量更低的彈性模量。在一些實施方式中,玻璃元件或層的厚度和彈性模量，以及第二層的那些厚度和彈性模量構造成使中性軸線在玻璃層或元件之內朝向玻璃層或元件的第二主要表面位移。
在一些方面中,第二主要表面處壓縮應力區域中的壓縮應力是約300MPa-1000MPa。在玻璃層的第二主要表面處，壓縮應力區域還可包含5微米或更小的最大瑕疵尺寸。在一些情況下，壓縮應力區域包含2.5微米或更小或者甚至低至0.4微米或更小的最大瑕疵尺寸。在一些實施方式中,還可在第一主要表面處包括第二壓縮應力區域。還可在玻璃層或元件的一個或多個邊緣處形成額外的壓縮區域。這些額外的壓縮應力區域可提供額外的益處：在其中施加-取向的拉伸應力無需最大的其它位置處,包括在裝置的顯示器側上，減緩或消除應力-誘導的與引入玻璃的表面瑕疵相關的裂紋化和擴展。
在其它方面中,壓縮應力區域包含多個可離子交換的金屬離子和多個離子交換的金屬離子,選定離子交換的金屬離子來形成壓縮應力。在一些方面中,離子交換的金屬離子的原子半徑大於可離子交換的金屬離子的原子半徑。根據另一方面,玻璃層還可包含芯體區域,以及設置在芯體區域上的第一和第二包覆區域,此外其中芯體區域的熱膨脹係數大於包覆區域的熱膨脹係數。
根據其它方面，提供一種製備堆疊件組裝件的方法，所述方法包括下述步驟:形成第一玻璃層，其具有第一和第二主要表面,從玻璃層的第二主要表面延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域,和最終厚度,其中所述區域通過層的第二主要表面處至少約100MPa的壓縮應力來限定；以及形成第二層，其具有第二厚度且連接到第一玻璃層的第二主要表面。在一些方面中,第二層的彈性模量低於玻璃層的彈性模量。所述方法還包括下述步驟：形成玻璃元件，其具有約25微米-約125微米的厚度,所述元件還包含第一和第二主要表面,和第一玻璃層。所述玻璃元件通過下述來表徵：(a)當在約25℃和約50％相對溼度下，將所述元件在約3mm-約20mm的彎曲半徑下固定至少60分鐘時不存在失效,(b)當所述元件的第二主要表面通過(i)約25微米厚的具有小於約1GPa彈性模量的壓敏膠粘劑和(ii)約50微米厚的具有小於約10GPa彈性模量的聚對苯二甲酸乙二酯層支撐，且所述元件的第一主要表面用具有含200微米直徑的平坦的底部的不鏽鋼銷釘裝載時,大於約1.5kgf的耐刺穿性，(c)大於或等於8H的鉛筆硬度,和(d)玻璃層之內的中性軸線，其位於第二主要表面和第一厚度的一半之間。
在所述方法的一些實施方式中,形成第一玻璃層的步驟可包括選自下組的形成方法：熔合法、狹縫拉製法、輥壓法、再拉製法和浮法，所述形成方法還構造成將玻璃層形成到最終厚度。取決於用於玻璃層和/或用於最終玻璃層的玻璃前體的中間尺寸的最終形狀因子，可使用其它形成方法。所述形成方法還可包括材料除去過程，其構造成從玻璃層除去材料以達到最終厚度。
根據所述方法的一些方面,形成從玻璃層的第二主要表面延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域的步驟包括：提供強化浴，所述強化浴包含具有原子半徑尺寸大於玻璃層中包含的多個可離子交換的金屬離子原子半徑的多個離子交換金屬離子；以及在強化浴中浸沒玻璃層，從而將玻璃層中多個可離子交換的金屬離子的一部分與強化浴中的多個離子交換金屬離子的一部分進行交換，從而形成從第二主要表面延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域。在一些情況下，浸沒步驟包括在約400℃-約450℃下，將玻璃層在強化浴中浸沒約15分鐘-約180分鐘。
在一些實施方式中,所述方法還可包括下述步驟：在形成壓縮應力區域之後，在第二主要表面處，從玻璃層的最終厚度除去約1微米-約5微米。可進行除去步驟，從而在玻璃層第二主要表面處，壓縮應力區域包含5微米或更小的最大瑕疵尺寸。還可進行除去步驟，從而在玻璃層第二主要表面處，壓縮應力區域包含2.5微米或更小、或者甚至低到0.4微米或更小的最大瑕疵尺寸。
在以下的詳細描述中提出了本發明的其他特徵和優點，其中的部分特徵和優點對本領域的技術人員而言，根據所作描述就容易看出，或者通過實施包括以下詳細描述、權利要求書以及附圖在內的本文所述的各種實施方式而被認識。各種方面可以任意和全部合適的組合來使用，例如：
根據第一方面,提供一種堆疊件組裝件,其包含:
玻璃元件，其具有約25微米-約125微米的第一厚度以及第一和第二主要表面,所述玻璃元件還包含:
具有第一和第二主要表面的第一玻璃層,以及
(b)從玻璃層的第二主要表面延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域,所述區域通過所述層的第二主要表面處至少約100MPa的壓縮應力來限定；以及
第二層，其連接到玻璃層的第二主要表面且具有第二厚度，
其中所述玻璃元件通過下述來表徵：
(a)當在約25℃和約50％相對溼度下，將元件在約3mm-約20mm的彎曲半徑下固定至少60分鐘時不存在失效,
(b)當元件的第二主要表面通過(i)約25微米厚的具有小於約1GPa彈性模量的壓敏膠粘劑和(ii)約50微米厚的具有小於約10GPa彈性模量的聚對苯二甲酸乙二酯層支撐，且元件的第一主要表面用具有含200微米直徑的平坦的底部的不鏽鋼銷釘裝載時,大於約1.5kgf的耐刺穿性，
(c)大於或等於8H的鉛筆硬度，以及
(d)玻璃層之內的中性軸線，其位於第二主要表面和第一厚度的一半之間。
根據第二方面,提供如方面1所述的組裝件，其中第一玻璃層包含不含鹼或者含鹼的鋁矽酸鹽,硼矽酸鹽,硼鋁矽酸鹽,或矽酸鹽玻璃組合物。
根據第三方面,提供如方面1或方面2所述的組裝件,其中元件的厚度是約50微米-約100微米。
根據第四方面,提供如方面1-3中任一項所述的組裝件,其中元件的彎曲半徑是約3mm-約10mm。
根據第五方面,提供如方面1-4中任一項所述的組裝件,其中在玻璃層的第二主要表面處的壓縮應力是約300MPa-1000MPa。
根據第六方面,提供如方面1-5中任一項所述的組裝件,其中第一深度設定為相距玻璃層第二主要表面約玻璃層厚度的三分之一或更小。
根據第七方面,提供如方面1-6中任一項所述的組裝件,其中壓縮應力區域包含多個可離子交換的金屬離子和多個離子交換的金屬離子,離子交換的金屬離子的原子半徑大於可離子交換的金屬離子的原子半徑。
根據第八方面,提供如方面1-7中任一項所述的組裝件,其中玻璃層還包含邊緣,且玻璃元件還包含從邊緣延伸到玻璃層中邊緣深度的邊緣壓縮應力區域,所述邊緣壓縮應力區域通過邊緣處至少約100MPa的壓縮應力來限定。
根據第九方面,提供如方面1-8中任一項所述的組裝件,其中第二層包含聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和光學透明膠粘劑(OCA)的複合材料,膠粘劑連接到玻璃層的第二主要表面。
根據第十方面,提供如方面1-9中任一項所述的組裝件,其中第二層包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和光學透明膠粘劑(OCA)的複合材料,膠粘劑連接到玻璃層的第二主要表面。
根據第十一方面,提供如方面9所述的組裝件,其中PET,OCA和玻璃層的厚度和彈性模量構造成使中性軸線基本上朝向玻璃層的第二主要表面位移。
根據第十二方面,提供如方面10所述的組裝件,其中PET,OCA和玻璃層的厚度和彈性模量構造成使中性軸線基本上朝向玻璃層的第二主要表面位移。
根據第十三方面,提供玻璃製品,其包含:
玻璃層，所述玻璃層具有約25微米-約125微米的第一厚度,所述層還包含:
(a)第一主要表面,
(b)第二主要表面,以及
(c)從玻璃層的第二主要表面延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域,所述區域通過所述層的第二主要表面處至少約100MPa的壓縮應力來限定；以及
第二層，其連接到玻璃層的第二主要表面且具有第二厚度，
其中所述玻璃層通過下述來表徵：
(a)當在約25℃和約50％相對溼度下，將所述層在約3mm-約20mm的彎曲半徑下固定至少60分鐘時不存在失效,
(b)當所述層的第二主要表面通過(i)約25微米厚的具有小於約1GPa彈性模量的壓敏膠粘劑和(ii)約50微米厚的具有小於約10GPa彈性模量的聚對苯二甲酸乙二酯層支撐，且所述層的第一主要表面用具有含200微米直徑的平坦的底部的不鏽鋼銷釘裝載時,大於約1.5kgf的耐刺穿性，
(c)大於或等於8H的鉛筆硬度，以及
(d)玻璃層之內的中性軸線，其位於第二主要表面和第一厚度的一半之間。
根據第十四方面,提供如方面13所述的製品，其中玻璃層包含不含鹼或者含鹼的鋁矽酸鹽,硼矽酸鹽,硼鋁矽酸鹽,或矽酸鹽玻璃組合物。
根據第十五方面,提供如方面13或方面14所述的製品,其中玻璃層的厚度是約50微米-約100微米。
根據第十六方面,提供如方面13-15中任一項所述的製品,其中玻璃層的彎曲半徑是約3mm-約10mm。
根據第十七方面,提供如方面13-16中任一項所述的製品,其中在玻璃層的第二主要表面處的壓縮應力是約300MPa-1000MPa。
根據第十八方面,提供如方面13-17中任一項所述的製品,其中第一深度設定為相距玻璃層第二主要表面約玻璃層厚度的三分之一或更小。
根據第十九方面,提供如方面13-18中任一項所述的製品,其中壓縮應力區域包含多個可離子交換的金屬離子和多個離子交換的金屬離子,離子交換的金屬離子的原子半徑大於可離子交換的金屬離子的原子半徑。
根據第二十方面,提供如方面13-19中任一項所述的製品,其中玻璃層還包含邊緣,以及從邊緣延伸到玻璃層中邊緣深度的邊緣壓縮應力區域,所述邊緣壓縮應力區域通過邊緣處至少約100MPa的壓縮應力來限定。
根據第二十一方面,提供如方面13-20中任一項所述的製品,其中第二層包含聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和光學透明膠粘劑(OCA)的複合材料,膠粘劑連接到玻璃層的第二主要表面。
根據第二十二方面,提供如方面13-20中任一項所述的製品,其中第二層包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和光學透明膠粘劑(OCA)的複合材料,膠粘劑連接到玻璃層的第二主要表面。
根據第二十三方面,提供如方面21所述的製品,其中PET,OCA和玻璃層的厚度和彈性模量構造成使中性軸線基本上朝向玻璃層的第二主要表面位移。
根據第二十四方面,提供如方面22所述的製品,其中PET,OCA和玻璃層的厚度和彈性模量構造成使中性軸線基本上朝向玻璃層的第二主要表面位移。
根據第二十五方面,提供一種製備堆疊件組裝件的方法，所述方法包括下述步驟：
形成第一玻璃層，其具有第一和第二主要表面,從玻璃層的第二主要表面延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域,以及最終厚度，其中所述區域通過在層的第二主要表面處的至少約100MPa的壓縮應力來限定。
形成第二層，其具有第二厚度且連接到第一玻璃層的第二主要表面；以及
形成玻璃元件，其具有約25微米-約125微米的厚度,所述元件還包含第一和第二主要表面,和第一玻璃層，
其中所述玻璃元件通過下述來表徵：
(a)當在約25℃和約50％相對溼度下，將元件在約3mm-約20mm的彎曲半徑下固定至少60分鐘時不存在失效,
(b)當元件的第二主要表面通過(i)約25微米厚的具有小於約1GPa彈性模量的壓敏膠粘劑和(ii)約50微米厚的具有小於約10GPa彈性模量的聚對苯二甲酸乙二酯層支撐，且元件的第一主要表面用具有含200微米直徑的平坦的底部的不鏽鋼銷釘裝載時,大於約1.5kgf的耐刺穿性，
(c)大於或等於8H的鉛筆硬度，以及
(d)玻璃層之內的中性軸線，其位於第二主要表面和第一厚度的一半之間。
根據第二十六方面,提供如方面25所述的方法,還包括下述步驟：
優化第一玻璃層和第二層的厚度和彈性模量，從而使中性軸線基本上朝向玻璃層的第二主要表面位移。
根據第二十七方面,提供如方面26所述的方法,其中第二層包含聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和光學透明膠粘劑(OCA)的複合材料,膠粘劑連接到玻璃層的第二主要表面。
根據第二十八方面,提供如方面26所述的方法,其中第二層包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和光學透明膠粘劑(OCA)的複合材料,膠粘劑連接到玻璃層的第二主要表面。
根據第二十九方面,提供如方面1-12中任一項所述的組裝件,其中第二層的彈性模量低於玻璃層的彈性模量。
根據第三十方面,提供如方面13-24中任一項所述的製品,其中第二層的彈性模量低於玻璃層的彈性模量。
根據第三十一方面,提供如方面25-28中任一項所述的方法,其中第二層的彈性模量低於玻璃層的彈性模量。
應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都僅僅是示例性的，用來提供理解權利要求的性質和特性的總體評述或框架。所附附圖提供了對本發明的進一步理解，附圖被結合在本說明書中並構成說明書的一部分。附圖說明了一個或多個實施方式，並與文字描述一起用來解釋各個實施方式的原理和操作。本文所用的方向術語，例如上、下、左、右、前、後、頂、底，僅僅是參照繪製的附圖而言，並不用來表示絕對的取向。
附圖簡要說明
圖1示意性地顯示使用中性軸線在約一半基材厚度處進行彎曲時的玻璃基材。
圖2示意性地顯示根據本公開的方面的堆疊件組裝件，其具有第一玻璃層和連接到玻璃層的第二層。
圖3是進行兩點彎曲測試構造的堆疊件組裝件的示意圖，其具有第一玻璃層和第二層。
圖4是根據本公開的方面的在添加和不添加OCA和PET層時在玻璃元件或層的主要表面處表觀的最大拉伸應力的示意圖。
圖5是根據本公開的其它方面的在添加和不添加OCA和PET層時在玻璃元件或層的主要表面處表觀的最大拉伸應力的示意圖。
圖6是根據本公開的另一方面的在添加和不添加OCA和PET層時在玻璃元件或層的主要表面處表觀的最大拉伸應力的示意圖。
圖7是根據本公開的其它方面的使用堆疊件組裝件的柔性後擋板的示意圖。
詳細描述
下面詳細參考本發明的優選實施方式，這些實施方式的例子在附圖中示出。只要有可能，在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相同或類似的部分。在此，範圍可以表示為從「約」一個具體值和/或到「約」另一個具體值的範圍。當表示這樣一個範圍的時候，另一個實施方式包括從一個特定值和/或到另一個特定值。類似地，當使用前綴「約」表示數值為近似值時，應理解，具體數值形成另一個實施方式。還應理解的是，每個範圍的端點值在與另一個端點值有關和與另一個端點值無關時，都是有意義的。
在其它特徵和益處中，本公開的堆疊件組裝件、玻璃元件和玻璃製品(以及它們的製造方法)提供在小彎曲半徑下的機械可靠性(例如，在靜態拉伸和疲勞中或通過當量數目的動態負載循環)以及高耐刺穿性。當將堆疊件組裝件、玻璃元件和/或玻璃製品用於可摺疊的顯示器時,小彎曲半徑和耐刺穿性是有益的，例如,其中顯示器的一部分摺疊在顯示器的另一部分頂部上的可摺疊顯示器。例如,堆疊件組裝件、玻璃元件和/或玻璃製品可用作下述中的一種或多種：可摺疊的顯示器的朝向用戶部分上的蓋板,其中耐刺穿性特別重要的位置；基材,該基材內部地設置在裝置之內，且在基材上設置電子組件；或者可摺疊的顯示器裝置的其它地方。或者,堆疊件組裝件,玻璃元件,和或玻璃製品,可用於不具有顯示器但其中將玻璃層用於其有益性質且以與可摺疊的顯示器相似的方式摺疊到緊彎曲半徑的裝置。當將堆疊件組裝件,玻璃元件,和/或玻璃製品用在其中用戶與其相互作用的外部裝置上時,耐刺穿性是特別有益的。
首先，本公開的可彎曲的玻璃堆疊件組裝件和元件以及它們的製備方法詳細地在分別於2014年01月29日提交的和2014年04月03日提交的美國臨時專利申請號61/932,924和61/974,732(統稱為「可彎曲的玻璃應用」)中描述，以上各文的全部內容通過引用納入本文。例如,可彎曲的玻璃應用中的堆疊件組裝件100,100a,100b,100c,100d和100e和它們相應的描述可用於或以其它方式包括在本公開的玻璃元件200(本文中也稱作「玻璃層200」)之內，例如如圖2所示，和如下文所更加詳細描述。
根據本公開的一些方面的堆疊件組裝件的另一益處和特徵在於它們不需要具有高量級壓縮應力的壓縮應力區域來抵銷與施加的彎曲相關的拉伸應力。結果，這些堆疊件組裝件可強化到更低的程度，這提供相對於非堆疊優化的、可彎曲的玻璃組裝件的工藝相關的成本節省。
參考圖1,示意圖顯示暴露的玻璃基材10(例如,不含任何其它層的玻璃基材)，其具有經受向上彎曲條件(即,將基材10彎曲成「u」形狀)的厚度12(h)。如圖所示,基材10的中性軸線500與玻璃基材主要表面之一相距距離12a。距離12a是約為玻璃層厚度的一半(h/2)。因此,沿著向上的移動彎曲玻璃基材10通常使基材10的上部表面處於壓縮中(例如,在「u」形狀內側)，且使下部表面處於拉伸中(例如,在「u」形狀的底部外側)。
由圖1的基材10的彎曲產生的拉伸應力可通過下述公式來計算或估算:
σ＝E*z/(1-v2)*R (1)
式中E是基材10的彈性模量,R是彎曲過程中基材10的曲率半徑,v是基材10的泊松比，且z是到達中性軸線500的距離。如圖1所示,z是基材10的距離12a,位於約h/2處。因此,可將h/2代入上述公式(1)，以估算在基材10底部表面處(即,在「u」的底部外側處)的最大拉伸應力。此外，顯然最大拉伸應力將隨著玻璃基材10厚度和/或彈性模量的增加而成比例地增加。
參考圖2,顯示根據本公開的方面的具有玻璃層200和第二層260的堆疊件組裝件300。應理解，玻璃層200可具有通過引用結合於此的可彎曲的玻璃應用中確定為100,100a,100b,100c,100d,和100e的堆疊件組裝件的任一種的形式。堆疊件組裝件300提供下述優勢：朝向玻璃層200的主要表面位移的中性軸線500，該玻璃層200的主要表面在向上的彎曲力時處於拉伸中(例如，如在朝向觀察者的「u」形狀中，其中在圖2中觀察者通過眼球來表示)。通過朝向處於拉伸中的玻璃層200表面位移中性軸線500(例如,主要表面206a),更少體積的玻璃層200經受拉伸應力,且在玻璃層拉伸表面(即,主要表面206a)處的最大拉伸應力也降低。還應理解，中性軸線500的位移的大小可通過控制或以其它方式調節玻璃層200和第二層260(以及第二層260之內存在的任何子層)的彈性模量和厚度來優化。通過這種堆疊優化，位於玻璃層拉伸表面處的壓縮應力區域中壓縮應力的大小(例如,如通過離子交換過程形成的)可降低，因為需要更低量的壓縮應力來抵銷或減緩在彎曲中產生的拉伸應力。例如,可在具有位移的中性軸線的堆疊件組裝件中進行更短時間和/或溫度的離子交換加工,因此提供加工相關的成本節省。
在圖2中,具有厚度262(h)的堆疊件組裝件300包含具有彈性模量Eg的玻璃層200。玻璃層200還分別通過厚度202,tg,和第一主要表面和第二主要表面206和206a來表徵。此外,玻璃層200具有中性軸線500,位於與第一主要表面206相距距離500a。
堆疊件組裝件300還包含具有兩個子層220和240的第二層260,其分別具有彈性模量Eo和Ep。在一些實施方式中,第二層260(以及子層220和240)的彈性模量低於Eg。此外，子層220和240是分別通過厚度222,to,和242,tp來表徵。如圖2所示,第二層260具有暴露的主要表面244,且連接到玻璃層200的第二主要表面260a。在一些實施方式中，將第二層260強力地粘合或以其它方式強力地連接到玻璃層200的第二主要表面206a是特別重要的，從而確保在將彎曲力施加到堆疊的組裝件300過程中如所預期地位移中性軸線。
在一些實施方式中，提供如圖2所示的堆疊件組裝件300，其包含分別具有約25微米-約125微米第一厚度202和第一和第二主要表面206和206a的玻璃元件200(例如,一個或多個玻璃層)。玻璃元件200還包含從玻璃元件200的第二主要表面206a延伸到玻璃元件200中第一深度的壓縮應力區域,所述區域通過元件200的第二主要表面206a處的至少約100MPa的壓縮應力來限定。在一些方面中,將玻璃元件或層200中的第一深度設定為約為玻璃層或元件200厚度262的三分之一,如從第二主要表面206a所測量。堆疊件組裝件300還包含第二層260，其連接到玻璃元件200的第二主要表面206a，且具有第二厚度(例如,當第二層260由子層220和240組成時，厚度222(to)和242(tp)之和)。在一些實施方式中,第二層260具有彈性模量(例如,平均Ep和Eo)，其低於玻璃元件200的彈性模量。
在這些實施方式中,玻璃元件200通過下述來表徵：(a)當在約25℃和約50％相對溼度下，將元件200在約3mm-約20mm的彎曲半徑下固定至少60分鐘時不存在失效,(b)當元件200的第二主要表面206a通過(i)約25微米厚具有小於約1GPa彈性模量的壓敏膠粘劑和(ii)約50微米厚具有小於約10GPa彈性模量的聚對苯二甲酸乙二酯層支撐，且元件200的第一主要表面206用具有含200微米直徑的平坦的底部的不鏽鋼銷釘裝載時,大於約1.5kgf的耐刺穿性，(c)大於或等於8H的鉛筆硬度,和(d)玻璃元件200之內的中性軸線500，其位於第二主要表面206a和第一厚度202的一半(tg/2)之間。
在一些實施方式中,玻璃元件或層200還可包含一個或多個額外的玻璃層和分別設置在第一玻璃層下方的一個或多個壓縮應力區域。例如,玻璃元件或層200可包含2個、3個、4個或更多個額外的玻璃層，其具有相應的在第一玻璃層下方的額外的壓縮應力區域。
在一些實施方式中,玻璃元件或層200包括不含鹼的或含鹼的鋁矽酸鹽,硼矽酸鹽,硼鋁矽酸鹽,或矽酸鹽玻璃組合物。玻璃元件或層200的厚度202(tg)還可為約50微米-約100微米。根據一些方面，玻璃層200的厚度202(tg)可為60微米-約80微米。
在一些實施方式中,玻璃元件或玻璃層200的彎曲半徑可為約3mm-約20mm。在其它方面中,彎曲半徑可為約3mm-約10mm。還應理解,在本公開的一個方面中，玻璃元件或層200的彎曲半徑可基於堆疊件組裝件300的預期應用來設定；且隨後可鑑於通過這種彎曲半徑產生的預期應力水平來進行堆疊優化，以優化或定製玻璃層200和第二層260的厚度和彈性模量。
根據一些方面,玻璃元件或玻璃層200可包含具有低摩擦係數且設置在玻璃元件或層200的第一主要表面206上的第三層(例如,設置在堆疊件組裝件的顯示器側上)，如圖2所示。根據一些方面,第三層可為塗層，所述塗層包含選自下組的氟碳材料：熱塑性塑料和無定形氟碳。第三層還可為塗層，所述塗層包含下述組中的一種或多種：矽酮、蠟、聚乙烯、高電位端(hot-end)、聚對二甲苯和類金剛石塗層製備。此外，第三層可為塗層，所述塗層包含選自下組的材料：氧化鋅、二硫化鉬、二硫化鎢、六方氮化硼和鋁鎂硼化物。根據一些實施方式，第三層可為塗層，所述塗層包含選自下組的添加劑：氧化鋅、二硫化鉬、二硫化鎢、六方氮化硼和鋁鎂硼化物。
在一些實施方式中，第二層260(參見圖2)可包含下述或單獨地由下述組成：聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和光學透明膠粘劑(OCA)的複合材料,膠粘劑連接到玻璃層或元件200的第二主要表面206a。第二層260也可包含下述或單獨地由下述組成：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和OCA的複合材料,膠粘劑連接到玻璃層或元件200的第二主要表面206a。取決於堆疊件組裝件300的特定應用，可將其它材料,材料組合和/或結構用作第二層260結構,在一些實施方式中,其具有比玻璃層或元件200的彈性模量更低的彈性模量。在一些實施方式中,玻璃元件或層200的厚度和彈性模量，以及第二層260的那些厚度和彈性模量構造成使中性軸線500在玻璃層或元件200之內朝向玻璃層或元件200的第二主要表面206a位移。
在一些方面中,第二主要表面206a處壓縮應力區域(未顯示)中的壓縮應力是約300MPa-1000MPa。在玻璃層的第二主要表面206a處，壓縮應力區域還可包含5微米或更小的最大瑕疵尺寸。在一些情況下，壓縮應力區域包含2.5微米或更小或者甚至低至0.4微米或更小的最大瑕疵尺寸。在一些實施方式中,還可在第一主要表面206處包括第二壓縮應力區域,優選地約300MPa-1000MPa。還可在玻璃層或元件的一個或多個邊緣處形成額外的壓縮區域,優選地通過在這種邊緣處至少100MPa的壓縮應力來限定。這些額外的壓縮應力區域(例如,在玻璃層或元件200的第一主要表面206和/或邊緣處)可有助於在其中堆疊件組裝件300中施加-取向的拉伸應力無需最大但瑕疵和缺陷數量潛在地普遍的位置處,包括在裝置的顯示器側上，減緩或消除應力-誘導的與引入玻璃的表面瑕疵相關的裂紋化和擴展。
在其它方面中,壓縮應力區域包含多個可離子交換的金屬離子和多個離子交換的金屬離子,選定離子交換的金屬離子來形成壓縮應力。在一些方面中,離子交換的金屬離子的原子半徑大於可離子交換的金屬離子的原子半徑。根據另一方面,玻璃層200還可包含芯體區域,以及設置在芯體區域上的第一和第二包覆區域,此外其中芯體區域的熱膨脹係數大於包覆區域的熱膨脹係數。
參考圖3,使具有第一玻璃層(例如,玻璃層200)和第二層(例如,第二層260)的堆疊件組裝件300經受兩點彎曲測試構造。在圖3中,使彎曲板320朝向彼此移動來彎曲堆疊件組裝件300。當彎曲板朝向彼此移動時，彎曲板320之間的距離330發生變化，由此降低與堆疊件組裝件300相關的彎曲半徑。
在圖3所示的彎曲測試構造中，可使用下述公式來估算玻璃片的最大彎曲應力隨彎曲板之間距離的變化:
式中E是玻璃片的彈性模量,h是玻璃片的厚度,且D是彎曲板之間的距離。公式(2)參見Matthewson,M.J.等,通過彎曲的光纖的強度測量,J.Am.Ceram.Soc.,卷號：69,815-21(Matthewson)。Matthewson由此通過引用結合於此，特別是其中涉及公式(2)的披露。
考慮到圖3中所示的堆疊件組裝件300是玻璃層200和第二層260的複合堆疊件,公式(2)可進行精解來考慮上文中結合圖2所述的中性軸線位移。換句話說，對於圖3所示的堆疊件組裝件300,玻璃層200上在第二主要表面206a處的最大拉伸應力通過下述公式來得到:
其中x是從第一主要表面206到中性軸線500的距離(即,距離500a),h是堆疊件組裝件300的總厚度(即,厚度262),tg是玻璃層200的厚度(即,厚度202),且Eg是玻璃層200的彈性模量。
關於公式(3)中的中性軸線500,x,其可基於下述公式來計算:
其中變量如上文結合圖2時結合堆疊件組裝件300的元件所述。通過使用上述公式(3)和(4),可改變玻璃層200和第二層260(例如,子層220和240)的彈性模量和厚度，以評估它們各自對堆疊件組裝件300的玻璃層200中最大拉伸應力的影響。
參考圖4，其提供根據本公開的方面的在添加和不添加OCA和PET層時在堆疊件組裝件300的玻璃元件或層200的主要表面處206a表觀的最大拉伸應力的示意圖。圖4中所示的結果通過上述公式(3)和公式(4)來建模。在這種評測中，假設堆疊件組裝件300包括具有70GPa彈性模量的玻璃層200；具有1MPa彈性模量的包含OCA的子層220；以及具有1660MPa彈性模量的包含PET材料的子層240。將5mm的彎曲半徑施加到堆疊件組裝件300，且假設板距離D是10mm。此外，固定玻璃層200(tg)的厚度恆定為75微米，且子層220和240的厚度(to和tp)分別從25到100微米以及從50到300微米變化。作為對比點，在圖4中，還對不含任何第二層或子層的堆疊件組裝件300的最大應力數值進行作圖。
還參考圖4,用於不含任何額外的層的堆疊件組裝件300的最大估算拉伸應力是634MPa。作為對比，用於除了玻璃層以外具有更低彈性模量子層的堆疊件組裝件300的最大估算的拉伸應力是230-620MPa。顯然，增加OCA和PET子層厚度可降低玻璃層200中觀察到的估算的最大拉伸應力。此外，在降低玻璃層200表面206a處的最大拉伸應力時，顯然增加PET層的厚度是更有效的。
參考圖5，其提供根據本公開的其它方面的在添加和不添加OCA和PET層時在堆疊件組裝件300的玻璃元件或層200的主要表面處206a表觀的最大拉伸應力的示意圖。圖5中所示的結果也通過使用上述公式(3)和公式(4)來建模。在這種評測中，假設堆疊件組裝件300包括具有70GPa彈性模量的玻璃層200；具有1MPa彈性模量的包含OCA的子層220；以及具有5000MPa彈性模量的包含PET材料的子層240。將5mm的彎曲半徑施加到堆疊件組裝件300，且假設板距離D是10mm。此外，固定玻璃層200(tg)的厚度恆定為75微米，且子層220和240的厚度(to和tp)分別從25到100微米以及從50到300微米變化。作為對比點，在圖5中，還對不含任何第二層或子層的堆疊件組裝件300的最大應力數值進行作圖。
比較圖4和5,建模的堆疊件組裝件300之間的主要差異是PET子層240的彈性模量。在圖5中,堆疊件組裝件300包括具有5000MPa的顯著更高彈性模量的PET子層240(即,與圖4中建模的堆疊件組裝件300中子層240的1660MPa相比)。還參考圖5,用於不含任何額外的層的堆疊件組裝件300的最大估算拉伸應力是634MPa。作為對比，用於除了玻璃層以外具有更低彈性模量子層的堆疊件組裝件300的最大估算的拉伸應力是-479到+574MPa。顯然，增加PET子層的模量可降低玻璃層200中在第二主要表面206a處觀察到的估算的最大拉伸應力。在一些情況下，在第二主要表面206a處觀察到的最大估算的應力是負的，這表明是壓縮應力，且玻璃具有高機械可靠性。類似地，具有在玻璃層200的主要表面206a處觀察到壓縮應力的這種堆疊件組裝件300可適用於許多柔性電子裝置應用，且無需形成或施加額外的壓縮應力區域(例如,通過化學離子交換過程，如在可彎曲的玻璃應用中所述)。
參考圖6，其提供根據本公開的其它方面的在添加和不添加OCA和PET層時在堆疊件組裝件300的玻璃元件或層200的主要表面處206a表觀的最大拉伸應力的示意圖。圖6中所示的結果也類似地通過使用上述公式(3)和公式(4)來建模。在這種評測中，假設堆疊件組裝件300包括具有70GPa彈性模量的玻璃層200；具有100MPa彈性模量的包含OCA的子層220；以及具有1660MPa彈性模量的包含PET材料的子層240。將5mm的彎曲半徑施加到堆疊件組裝件300，且假設板距離D是10mm。此外，固定玻璃層200(tg)的厚度恆定為75微米，且子層220和240的厚度(to和tp)分別從25到100微米以及從50到300微米變化。作為對比點，在圖6中，還對不含任何第二層或子層的堆疊件組裝件300的最大應力數值進行作圖。
比較圖4和6,建模的堆疊件組裝件300之間的主要差異是OCA子層220的彈性模量。在圖6中,堆疊件組裝件300包括具有100MPa的顯著更高彈性模量的OCA子層220(即,與圖4中建模的堆疊件組裝件300中子層220的1MPa相比)。還參考圖6,用於不含任何額外的層的堆疊件組裝件300的最大估算拉伸應力是634MPa。然而,如本文的圖所示，增加OCA子層220的模量提供更不顯著的幾MPa的在玻璃層200主要表面206a處的估算的最大拉伸應力的下降。
應理解，圖4-6中所示的結果和建模是用於形成根據本公開的方面的可彎曲的玻璃堆疊件組裝件(例如,堆疊件組裝件300)的示例性堆疊優化方法。公式(3)和(4)可用於優化這些可彎曲的玻璃堆疊件組裝件的中性軸線位置,包含堆疊件組裝件300,從而最小化或在一些情況下消除與施加-取向的彎曲構造相關的在玻璃層主要表面處觀察到的拉伸應力。
參考圖7,堆疊件組裝件300顯示為用於根據本公開的其它方面的柔性後擋板應用之內。如從圖7得知,堆疊件組裝件300經受壁400之間向上的彎曲，從而其第一主要表面206處於壓縮中(例如,凹面形狀的)，且第二層260的主要表面244處於拉伸中，玻璃層200的第二主要表面206a(未顯示)亦可如此。換句話說，堆疊件組裝件300之內的玻璃層200將朝向外，由此提供易清潔、耐刮擦和耐刺穿特徵。
根據本公開的其它方面，一種製備堆疊件組裝件300的方法包括下述步驟:形成第一玻璃層(例如,玻璃層200)，其具有第一和第二主要表面(例如,各主要表面206和206a),從玻璃層的第二主要表面延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域,和最終厚度(例如,厚度262),其中所述區域通過層的第二主要表面處至少約100MPa的壓縮應力來限定。所述方法還包括下述步驟：形成第二層(例如,第二層260)，其具有第二厚度(例如,厚度262)且連接到第一玻璃層的第二主要表面。在一些實施方式中,第二層的彈性模量低於玻璃層的彈性模量。所述方法還包括下述步驟：形成玻璃元件(例如,玻璃元件或層200)，其具有約25微米-約125微米的厚度,所述元件還包含第一和第二主要表面,和第一玻璃層。用這種方法形成的玻璃元件或層通過下述來表徵：(a)當在約25℃和約50％相對溼度下，將元件在約3mm-約20mm的彎曲半徑下固定至少60分鐘時不存在失效,(b)當元件的第二主要表面通過(i)約25微米厚的具有小於約1GPa彈性模量的壓敏膠粘劑和(ii)約50微米厚的具有小於約10GPa彈性模量的聚對苯二甲酸乙二酯層支撐，且元件的第一主要表面用具有含200微米直徑的平坦的底部的不鏽鋼銷釘裝載時,大於約1.5kgf的耐刺穿性，(c)大於或等於8H的鉛筆硬度,和(d)玻璃層或元件之內的中性軸線，其位於第二主要表面和第一厚度的一半之間。
在所述方法的一些實施方式中,形成第一玻璃層的步驟可包括選自下組的形成方法：熔合法、狹縫拉製法、輥壓法、再拉製法和浮法，所述形成方法還構造成將玻璃層形成到最終厚度。取決於用於玻璃層和/或用於最終玻璃層的玻璃前體的中間尺寸的最終形狀因子，可使用其它形成方法。所述形成方法還可包括材料除去過程，其構造成從玻璃層除去材料以達到最終厚度。
根據所述方法的一些方面,形成從玻璃層的第二主要表面(例如,第二主要表面206a)延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域的步驟包括：提供強化浴，所述強化浴包含具有原子半徑尺寸大於玻璃層中包含的多個可離子交換的金屬離子原子半徑的多個離子交換金屬離子；以及在強化浴中浸沒玻璃層，從而將玻璃層中多個可離子交換的金屬離子的一部分與強化浴中的多個離子交換金屬離子的一部分進行交換，從而形成從第二主要表面延伸到玻璃層中第一深度的壓縮應力區域。在一些情況下，浸沒步驟包括在約400℃-約450℃下，將玻璃層在強化浴中浸沒約15分鐘-約180分鐘。
在一些實施方式中,所述方法還可包括下述步驟：在形成壓縮應力區域之後，在第二主要表面(例如,第二主要表面206a)處，從玻璃層的最終厚度(例如,厚度262)除去約1微米-約5微米。可進行除去步驟，從而在玻璃層第二主要表面處，壓縮應力區域包含5微米或更小的最大瑕疵尺寸。還可進行除去步驟，從而在玻璃層第二主要表面處，壓縮應力區域包含2.5微米或更小、或者甚至低到0.4微米或更小的最大瑕疵尺寸。
在一些實施方式中，上述方法可包括下述步驟：優化玻璃層(例如,玻璃層或元件200)和第二層(例如,第二層260)的厚度和彈性模量，從而使堆疊件組裝件的中性軸線(例如,中性軸線500)朝向玻璃層的第二主要表面位移—即,朝向與堆疊件組裝件的顯示器-側相反的主要表面。
對本領域的技術人員而言，顯而易見的是可以在不背離權利要求書的精神或範圍的情況下作出各種修改和變動。具體來說，上文提供了具有可摺疊的裝置應用的堆疊優化的、可彎曲的玻璃組裝件，其目的在於說明這種組裝件和用於形成它們的方法的各種方面和細節。然而，應理解這些玻璃組裝件和相關的方法也可用於其它柔性裝置應用，其中相對於上文考慮的可摺疊的裝置應用所設想的那些在不同的方向和角度施加的彎曲力。例如，設想了這種堆疊-優化的組裝件可用於其中它們的第一主要表面通過討論中的應用處於拉伸中的情況。可將上述原理應用到這種堆疊-優化的組裝件以朝向它們的第一主要表面移動中性軸線，從而減少在這些位置處觀察到的拉伸應力的大小，例如通過將具有優化的彈性模量和/或厚度的額外的一個或多個層(在一些實施方式中，具有比玻璃層的彈性模量更低的彈性模量)連接到這種表面。