提供具有彈性模量梯度的涂層的基材的方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】提供具有彈性模量梯度的涂層的基材的方法和設(shè)備
[0001] 相關(guān)申請的交叉參考
[0002] 本申請根據(jù)35U.S.C. §119,要求2013年8月1日提交的美國臨時申請系列第61/ 861，121號的優(yōu)先權(quán)，本文W該申請為基礎(chǔ)并將其全文通過引用結(jié)合于此。 技術(shù)背景
[0003] 本發(fā)明設(shè)及在基材上實現(xiàn)功能涂層的方法和設(shè)備，其中，涂層展現(xiàn)出通過其厚度 的彈性模量梯度。
[0004] 許多消費者產(chǎn)品和商用產(chǎn)品采用高質(zhì)量的覆蓋玻璃的片材從而例如保護產(chǎn)品內(nèi) 的關(guān)鍵器件，為輸入和/或顯示器提供用戶界面和/或提供許多其他功能。例如，移動裝置， 如智能電話、mp3播放器和平板電腦等，通常在產(chǎn)品上采用一塊或多塊高強度玻璃片，來同 時保護產(chǎn)品并實現(xiàn)前述用戶界面。在此類應用W及其他應用中，玻璃可W是耐用的（例如， 耐劃痕和抗碎裂）、透明的和/或抗反射的。事實上，在智能電話和/或平板應用中，覆蓋玻璃 通常是用戶輸入和顯示的主要界面，運意味著覆蓋玻璃會展現(xiàn)出高耐用性和高光學性能特 性。
[0005] 有證據(jù)表明，產(chǎn)品上的覆蓋玻璃可能顯著暴露于苛刻操作條件，劃痕可能是最常 見的。此類證據(jù)暗示鋒利接觸、單次損壞事件是移動產(chǎn)品中的覆蓋玻璃上的可見劃痕的主 要來源。一旦在用戶輸入/顯示元件的覆蓋玻璃上劃傷了明顯劃痕，產(chǎn)品的外觀下降，由此 引起的光散射的增加可能導致顯示器的亮度、透明度和圖像對比度的明顯下降。明顯劃痕 還會影響觸摸感應顯示器的精度和可靠性。由于單次嚴重劃痕和/或多次中等程度劃痕都 是不可見的，并且都會明顯影響產(chǎn)品性能，它們常常導致消費者的抱怨，特別是對于諸如智 能手機和/.或平板之類的移動裝置而言。
[0006] 因此，本領(lǐng)域需要新的方法和設(shè)備從而在基材，特別是玻璃基材上實現(xiàn)功能涂層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 通過向基材施涂涂層，從而使得基材(例如玻璃基材)具有任意數(shù)量的功能性可能 是有利的。涂層在基材上形成層(或多層），在本文中可W將此類基材稱作經(jīng)涂覆的基材。雖 然通過向基材添加層所實現(xiàn)的有利功能性有許多，但是一個此類功能性質(zhì)是耐劃痕性。通 常來說，相比于較軟的表面（即，硬度降低的表面），較硬的表面展現(xiàn)出更好的耐劃痕性。但 是，用于為特定應用實現(xiàn)某些強度和光學性質(zhì)的給定基材組合物可能無法展現(xiàn)出所需的硬 度水平，因此無法展現(xiàn)出所需的耐劃痕性水平。
[000引例如，購自康寧有限公司（Corning Incorporated)的氧化物玻璃（例如Gorilla?. 玻璃），已經(jīng)被廣泛地用于消費者電子產(chǎn)品。此類玻璃被用于常規(guī)玻璃的強度不足W實現(xiàn)所 需性能水平的應用中。通過化學強化（例如，經(jīng)由離子交換過程）制造強化玻璃（例如， Gorilla"玻璃），從而實現(xiàn)高水平的強度，同時維持所需的光學性質(zhì)（例如，高透過性、低反 射率W及合適的折射率）。經(jīng)由離子交換（IX)技術(shù)的強化玻璃可W在經(jīng)過處理的玻璃中產(chǎn) 生高水平的壓縮應力，例如，在表面處高至約400-1000MPa。此外，離子交換層深度(或者玻 璃中發(fā)生離子交換的深度)可W約為15-100微米。當被賦予耐劃痕性時，考慮耐劃痕性應用 的Gor川a愈玻璃所需的硬度和彈性模量的組合約為15G化和更高硬度和/或約80G化或更高 彈性模量。
[0009] 出于本文的目的，術(shù)語"硬度"指的是布氏硬度測試，其測量單位是GPa，并且采用 了用于測試材料的壓痕硬度的納米壓頭尖端。此外，處于本文的目的，術(shù)語"彈性模量"指的 是楊氏模量，其測量單位也是GPa。
[0010] 無論是玻璃或者任意其他情況，向給定基材賦予一種或多種功能性質(zhì)的一種方式 是向基材施加涂層，W產(chǎn)生展現(xiàn)出此類一種或多種功能性質(zhì)的復合結(jié)構(gòu)。當需要耐劃痕性 時，基材可W結(jié)合具有所需硬度的層。例如，假定不考慮成本因素的話，可W向基材施涂鉆 石狀碳涂層，W改善復合結(jié)構(gòu)的硬度特性。事實上，鉆碾現(xiàn)出100G化的硬度。雖然在基材 頂部添加涂層可W克服給定基材材料的固有限制，但是涂層會劣化基材的其他特性，例如 基材的斷裂強度和/或其光學特性。
[0011] 通過涂層的彈性模量的某些參數(shù)的恰當考慮，可W實現(xiàn)具有一種或多種所需功能 性質(zhì)的非常滿意的外表面，而不造成玻璃基材的斷裂強度的明顯下降。例如，一個或多個方 面可W設(shè)及在基材上提供具有所需硬度的耐劃痕涂層，其中，涂層展現(xiàn)出彈性模量梯度 (即，涂層的彈性性質(zhì)在涂層的厚度上發(fā)生變化）。在此類方面，涂層賦予了所需的功能性質(zhì) (即，耐劃痕性)而不造成下方基材的強度下降。通常來說，涂層的外表面的彈性模量高于玻 璃基材。涂層的彈性模量從外表面處的水平經(jīng)過涂層厚度降低至界面處的值，其低于基材 的彈性模量。W運種方式，涂層的較外部分(包括外表面)是硬的（即，展現(xiàn)出高彈性模量）， 而界面處的低彈性模量抑制了任意驅(qū)動力引起裂紋從涂層滲透進入基材。因此，維持了基 材的斷裂強度同時改善其耐劃痕性。類似地，當需要其他功能性質(zhì)時，可W施涂展現(xiàn)此類功 能性質(zhì)的涂層，并且可W如上文所述具有彈性模量梯度。
[0012] 如上文所述，可W通過在基材上施涂硬涂層，從而向基材賦予耐劃痕性的功能性 質(zhì)。類似地，可W向基材施涂具有其他屬性的涂層，從而賦予其他功能性質(zhì)，如上文所述。例 如，可W同樣地施涂氧化銅錫ΓΙΤ0")或者其他透明傳導性氧化物(例如，侶和嫁滲雜的氧 化鋒、氣滲雜的氧化錫等)層，從而向基材賦予其他功能性質(zhì)。例如，傳導性氧化物層可W用 于生產(chǎn)觸摸屏顯示器?？蒞通過施涂其他材料的涂層，在基材上布置IR或UV反射層、傳導或 者半導體層、電子器件層、薄膜晶體管層或者減反射（"AR")層(例如，Si〇2和Ti化的層結(jié)構(gòu)）， 從而向基材賦予其他功能性質(zhì)。
[0013] 本領(lǐng)域技術(shù)人員在結(jié)合附圖閱讀本文所述之后，將清楚地了解其他方面、特征、優(yōu) 點等。
【附圖說明】
[0014] 出于示意性目的，在附圖中顯示一個或多個實施方式，但是，應理解的是，本文所 掲示和所述的實施方式不限于所示的精確配置和手段。
[0015] 圖1是涂覆有材料層的玻璃基材的示意圖；
[0016] 圖2所示是對于各涂覆基材，標準化能量釋放速率與標準化裂紋深度的關(guān)系的多 條曲線的圖；
[0017] 圖3是圖1的經(jīng)涂覆的玻璃基材沿截面線2-2的示意性側(cè)視圖；
[0018] 圖4是經(jīng)過涂覆過程從而在其上形成至少一層的玻璃基材的示意圖；
[0019] 圖5是圖1的經(jīng)涂覆的玻璃基材沿截面線2-2的替代實施方式的示意性側(cè)視圖；W 及
[0020] 圖6表示經(jīng)過涂覆和未經(jīng)過涂覆運兩種情況下，多炔基材的斷裂強度，其顯示了此 類涂層的效果。
【具體實施方式】
[0021] 本文所掲示的各種實施方式設(shè)及通過在基材上施涂一層或多層涂層，從而改善基 材(例如玻璃基材）的一種或多種功能性質(zhì)（例如，耐劃痕性和/或其他耐久特性，例如硬度 等）。為了提供對于如何實現(xiàn)本發(fā)明進而所預期的實施方式的寬范圍的更深入理解，下面將 提供對于某些實驗和/或理論的討論。但是，應注意的是，本文的實施方式不必受限于任意 此類實驗和/或理論。
[0022] -般結(jié)構(gòu)和考慮
[0023] 參見圖1，結(jié)構(gòu)100可包括基材102,其是與新型工藝和結(jié)構(gòu)的發(fā)展相關(guān)的感興趣的 基材，從而改善基材102的機械性質(zhì)。例如，基材102的材料可W是玻璃、強化玻璃，例如特別 是購自康寧有限公司的Gorilla電玻璃，其是離子交換玻璃，通常是堿性侶娃酸鹽玻璃或者 堿性侶棚娃酸鹽玻璃。本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解的是，具體基材材料不限于特定的玻璃、強化 玻璃或者Gorilla?玻璃，但是，選擇此類材料來進行實驗和舉例。Gorilla⑥玻璃的裸基材 102可展現(xiàn)出約為70GPa的彈性模量和約為7GPa的硬度。所需的耐劃痕性特性(和/或其他應 用)約為至少約80G化的彈性模量和/或至少約13G化的硬度。
[0024] 如上文所述，在基材102上添加硬涂層可W改善結(jié)構(gòu)100的耐劃痕性;但是，涂層也 降低了基材102的斷裂強度。斷裂強度下降的一個原因可歸因于涂層的某些機械性質(zhì)與基 材102的某些機械性質(zhì)的差異。例如，在負載情況下，硬的脆性涂層(例如，氧化銅錫（IT0)) 會建立通過涂層的裂紋，例如，當在結(jié)構(gòu)100的環(huán)上環(huán)斷裂測試期間當涂層彎曲時。運些裂 紋建立之后，玻璃基材102中的任意瑕疵開始發(fā)展成裂紋。隨著負載持續(xù)增加，涂層的脆性 特性導致儲存的能量W能量釋放速率發(fā)生釋放，所述能量釋放速率與涂層材料的機械性質(zhì) 和基材102材料的機械性質(zhì)相關(guān)。
[0025] 圖2所示是多條曲線，分別代表對于各結(jié)構(gòu)100,根據(jù)涂層的彈性模量與基材102的 彈性模量之間的具體差異的標準化能量釋放速率。文獻中已經(jīng)考慮了此類影響，參見例如， Beuth,J. (1992)/'Cracking of thin bonded films in residual tension(殘留拉伸下 的薄粘結(jié)膜的開裂r，Int J.Solid Structures(固體結(jié)構(gòu)期刊），29，No. 13,第1657-1675 頁。圖的縱坐標(Υ軸)是標準化的能量釋放速率，而圖的橫坐標(X軸)是涂層中的標準化裂 紋深度。每幅圖的數(shù)字標記(α)可W