TWI609849B - 觸控保護玻璃之組成 - Google Patents

Description

觸控保護玻璃之組成

本發明係關於一種高強度、耐磨損及抗刮傷的觸控保護玻璃(cover glass)之組成，其中不含氧化鉛、氧化砷或氧化銻等對環境有害的成份，於生產、製造的過程中得以安全使用，而不危害環境。

一般在移動式電子設備(例如手機、平板或筆記型電腦)的觸控螢幕和液晶顯示器上所使用之觸控保護玻璃(或稱保護玻璃，cover glass)，均屬一種鋁矽酸玻璃，經由離子交換處理過程加以強化後所形成，此種玻璃組成中僅含極微量之鹼金屬氧化物成份，可利用浮式法或下拉法等成型法，製作成玻璃。

習知玻璃組成分中的氧化砷(As₂O₃)及氧化銻(Sb₂O₃)會對人體及環境造成傷害，例如中華民國公告第I252844號專利案所揭示的玻璃成份，其中含有對人體有害的氧化砷及氧化銻；然而，若以不同成分替代玻璃中的氧化砷及氧化銻，必定會改變玻璃原有的光學與物理特性，故必須對玻璃之組成成份及其重量百分比進行廣泛的研發與變化，方能克服上述的問題。

在成型製程中，熔融態玻璃液溫度降低時， 極易引發玻璃產生結晶現象而失透(即因玻璃析出結晶而失去透明性)，而定義玻璃開始失透或產生結晶之最高溫度，即玻璃液相溫度(LT，Liquidus Temperature)，為避免產生失透現象，從而影響到玻璃之外觀品質，玻璃之液相溫度(LT)要求越低越好，因此，作業溫度高於玻璃液相溫度時，即使經長時間之熱處理，也不致產生失透或結晶現象，反之則容易產生結晶失透的問題，導致玻璃表面或內部產生雜質，如此將改變玻璃內部的應力分佈，降低了玻璃硬度及強度，導致產品良率下降，舉例而言，中華民國公告第I305768號專利案所揭示之玻璃，由於其液相溫度大於1000℃，故其玻璃穩定性較差。

此外，成型製程中原料之熔解溫度亦要求越低越好，以降低能源消耗並提高爐體壽命。在中華民國公開第200637800號專利案所揭示的玻璃中，其組成成份必須要達1600℃以上的高溫才能進行熔解，因此會消耗能量較高，不利於降低生產成本。

經由上述可知，本發明之改良方向，即為如何設計出一種創新的觸控保護玻璃之組成，能藉由添加及改變組成分比例的方式來取代氧化砷或氧化銻等對環境有害的成份，進而生產出具有耐失透性的觸控保護玻璃，以解決習知玻璃不符合環保標準，導致玻璃於熔解過程中產生有害氣體排放，且玻璃成品含有害物質。

有鑑於上述的需求，本發明人係依據多年來從事相關行業及實驗設計的經驗，針對玻璃組成物進行研究及分析，期能設計出較佳的觸控保護玻璃；緣此，本發明之主要目的在於藉由添加及改變組成分比例的方式來取代氧化鉛、氧化砷或氧化銻等對環境有害的成份，進而生產出具有耐失透性的觸控保護玻璃，以解決習知玻璃於熔解過程中產生有害氣體排放，且玻璃成品含有害物質的問題。

為達上述的目的，本發明主要係藉由添加及改變玻璃組成物中組成成分之重量百分比例的方式來強化結構，進而生產出具有耐失透性的觸控保護玻璃，所述觸控保護玻璃之組成成份之重量百分比分別為64%至69%之氧化矽(SiO₂)、7%至11.5%之氧化鋁(Al₂O₃)、1.5%至2.5%之氧化硼(B₂O₃)、4.5%至7.5%之氧化鎂(MgO)、大於0%至2.5%之氧化鈣(CaO)、大於0%至2%之氧化鋅(ZnO)、大於0%至0.2%之氧化鋯(ZrO₂)、大於0%至1%之氧化鈦(TiO₂)、14.5%至16.5%之氧化鈉(Na₂O)、1%至4%之氧化鉀(K₂O)及大於0%至0.4%之氧化錫(SnO₂)，其中氧化鈣及氧化鎂之總含量，以在4.5%至10%間為最佳，且氧化鈉及氧化鉀之總含量，以在15.5%至20.5%間為最佳，如此，即可將前述組成材料熔融形成具有較佳耐失透性的觸控保護玻璃，且可藉氧化矽在玻璃中形成網絡結構，並藉氧化鋁使玻璃生成堅韌之表面，進而增加玻璃耐熱性與抗失透性，減少玻璃膨脹率，且藉氧化硼、氧化鎂及氧化鈣降低玻璃的黏度及膨脹係數，同 時藉由氧化鋅增加玻璃的耐蝕性與熔融性，並藉由氧化鋯增加玻璃的耐化學性、耐熱性與熔融性，且藉由氧化鈦降低玻璃原料之熔解溫度，同時藉由氧化鈉使玻璃易於成形，並藉由氧化鉀可增加玻璃黏度，使玻璃硬而有光澤，且藉由氧化錫取代氧化鉛、氧化砷或氧化銻等成分，作為玻璃熔解時的澄清劑或除泡劑，如此，即能解決習知玻璃因含氧化砷或氧化銻等對環境有害的成份，以致於熔解過程中產生有害氣體排放，且玻璃成品含有害物質的問題。

為使 貴審查委員得以清楚了解本發明之結構、組成及其實施後之功效，茲以下列說明搭配表格進行說明，敬請參閱。

本發明主要提供一種觸控保護玻璃之組成，該觸控保護玻璃係由下列材料，依一定之重量百分比，組合而成：(1)重量百分比64%至69%之氧化矽(SiO₂)；(2)重量百分比7%至11.5%之氧化鋁(Al₂O₃)；(3)重量百分比1.5%至2.5%之氧化硼(B₂O₃)；(4)重量百分比4.5%至7.5%之氧化鎂(MgO)；(5)重量百分比大於0%至2.5%之氧化鈣(CaO)；(6)重量百分比大於0%至2%之氧化鋅(ZnO)；(7)重量百分比大於0%至0.2%之氧化鋯(ZrO2)；(8)重量百分比大於0%至1%之氧化鈦(TiO2)；(9)重量百分比14.5%至16.5%之氧化鈉(Na2O)；(10)重量百分比1%至4%之氧化鉀(K2O)；(11)重量百分比大於0%至0.4%之氧化錫(SnO₂)；及(12)其中氧化鈣及氧化鎂之總重量百分比，係介於4.5%至10%之間，且氧化鈉及氧化鉀之總重量百分比，係介於15.5%至20.5%之間。

在本發明中，由於各組成分之重量百分比，將依其物理特性，對玻璃之特性、結構及製作等方面，造成不同程度之影響，故各組成分在重量百分比上必須有所限制，以下詳細說明觸控保護玻璃各組成分之選擇及其重量百分比限定於一定範圍內的理由：氧化矽(SiO₂)是構成玻璃網絡結構形成的主要成份，對提高化學耐久性、增加黏性及降低液相溫度 有很好的效果，其較佳之重量百分比含量為64%至69%，若氧化矽(SiO₂)含量少於64%，所製作出之玻璃將容易失透，另一方面，若氧化矽含量多於69%，將導致玻璃之熔解溫度太高，所製成之玻璃也容易失透。

氧化鋁(Al₂O₃)係用以提高玻璃結構之強度，使玻璃生成堅韌之表面，進而增加玻璃耐熱性與抗失透性，減少玻璃膨脹率，對提高化學耐久性及增加黏性有很好的效果，其較佳之重量百分比含量係在7%至11.5%間，若氧化鋁(Al₂O₃)含量少於7%，玻璃將容易失透，也容易受到外界水氣或化學試劑之侵蝕，另若氧化鋁(Al₂O₃)含量多於11.5%，亦將導致玻璃之熔解溫度太高，而不利於以一般熔解爐製造。

氧化硼(B₂O₃)之作用係作為助熔劑，主要係用以降低熔製玻璃時玻璃之黏度，對玻璃之均質化、降低熔解溫度有很好的效果，其較佳之重量百分比含量為1.5%至2.5%，若氧化硼含量少於1.5%，其助熔劑效果即無法充分發揮，容易使玻璃產生失透，若氧化硼含量多於2.5%，將大幅降低玻璃之應變點，不利於後續製程之應用。

氧化鎂(MgO)用以降低熔製玻璃時玻璃之黏度及膨脹係數，以減少其中之氣泡或不純物之含量，同時降低液相溫度、增加耐失透性，為調整光學常數之有效成份，其較佳之重量百分比含量係介於4.5%至7.5% 間，但若氧化鎂(MgO)含量多於7.5%，玻璃將容易失透，化學耐久性也會變差。

氧化鈣(CaO)之作用係促進玻璃之熔解，可降低玻璃液相溫度並提升其耐失透性，其較佳之重量百分比含量係在大於0%至2.5%間，若氧化鈣含量為0%，將無法有效降低玻璃之黏度及液相溫度，若氧化鈣含量多於2.5%，玻璃的耐失透性及化學耐久性將會變差，且熱膨脹係數會大幅提高，不利於後續製程之應用。

氧化鋅(ZnO)可增加玻璃之耐蝕性與熔解性，有改善化學耐久性之效果及降低液相溫度的效果，其較佳之重量百分比含量係在大於0%至2%之間，若氧化鋅含量為0%，上述效果會變得不明顯，若氧化鋅含量多於2%，則玻璃耐失透性會變差。

氧化鋯(ZrO2)可增加耐化學性、耐熱性與熔融性，且有增加耐失透性及化學耐久性之效果，其較佳之重量百分比含量係在大於0%至0.2%之間，若氧化鋯含量為0%，上述效果會變得不明顯，若氧化鋯含量多於0.2%，則玻璃耐失透性會變差，不利於產品之應用；氧化鈦(TiO₂)可降低玻璃原料之熔解溫度，其較佳之重量百分比含量係在大於0%至1%之間。

經由本發明之組成形成的觸控保護玻璃必須再浸泡於高溫硝酸鉀溶液，以化學強化(chemical strengthening)的方式將觸控保護玻璃表層的鈉離子(體積較小)替換為鉀離子(體積較大)，進而形成高強度、耐磨損及抗刮傷(Scratch)的觸控保護玻璃，因此觸控保護玻璃中必須含有一定量之鈉離子，故在本發明之組成中添加氧化鈉(Na₂O)，藉以提供足量的鈉離子；另，氧化鈉(Na₂O)可降低玻璃熔解溫度及液相溫度，使玻璃易於成形，其較佳之重量百分比含量係在14.5%至16.5%之間，若氧化鈉含量多於16.5%，則玻璃耐失透性會惡化；氧化鉀(K₂O)可降低熔解溫度及液相溫度，其較佳之重量百分比含量係在1%至4%之間，若氧化鉀含量多於4%，玻璃將容易失透。

氧化錫(SnO₂)之作用主要在於取代氧化鉛、氧化砷或氧化銻等成分，作為玻璃熔解時的澄清劑或除泡劑，其較佳之重量百分比含量係在大於0%至0.4%之間，若氧化錫含量為0%，上述效果會變得不明顯，若氧化錫含量多於0.4%，不但玻璃耐失透性會變差，不利於產品之應用，且容易在玻璃降溫的過程中，凝結於白金系統之上部低溫處，並掉回玻璃液中，導致瑕疵產生，使良率降低。

在此尤須特別注意者，乃前述氧化鈣及氧化鎂等成份雖係用以促進玻璃之熔解度，及調整玻璃之熱膨脹係數，但氧化鈣及氧化鎂之總重量百分比含量，以在4.5%至10%之間為最佳，若氧化鈣及氧化鎂之總含量少於4.5%，玻璃之熔解溫度將會太高，反之，若氧化鈣 及氧化鎂之總含量多於10%，則玻璃將容易失透，且玻璃的熱膨脹係數會太高；另，氧化鈉及氧化鉀之總重量百分比含量，以在15.5%至20.5%之間為最佳，若氧化鈉及氧化鉀之總含量少於15.5%，玻璃之熔解溫度及液相溫度將會太高，反之，若氧化鈉及氧化鉀等成份之總含量多於20.5%，則玻璃耐失透性會惡化。

本發明在實施時，係先將前述組成物，均勻混合後，再將混合原料導入一玻璃熔解槽，俟混合原料熔解成玻璃液後，將其溫度降低到成型所需之溫度範圍，再以下拉成型法，製作出預定厚度之玻璃板。

以下謹就本發明前述之各組成物，以不同之重量百分比，加以混合，再依前述程序製作出不同之玻璃樣品，並以該等玻璃樣品為例，列表說明其熱膨脹係數、應變點、密度及玻璃液相溫度等特性值間之差異：

在表一(例1)顯示本發明所製成玻璃樣品的組成及特性，即本發明的實施例。在表一的玻璃樣品，係以如下方法製造；各組成成份係取常用原料，依對應之重量百分比加以均勻混合，再以1650℃之溫度，於熔爐中熔解，再於白金加熱系統內攪拌均勻，然後將呈熔融態的玻璃液以下拉成形法冷卻成型為片狀。此時，針對玻璃樣品進行檢測，可分別得到熱膨脹係數、應變點、密度及玻璃液相溫度等特性值，並表列在表一之對應欄位上。

本發明在檢測各玻璃樣品之各特性值時，主要係依下列方法進行檢測：

(1)熱膨脹係數(單位：10^-7/℃)之檢測：以機械推桿式熱膨脹儀，加熱並量測玻璃樣品之伸長量，溫度範圍自室溫量到玻璃不再伸長，甚至因軟化而收縮為止之溫度。

(2)應變點(單位：℃)之檢測：加熱並量測玻璃樣品之變形率與溫度之關係，以特定變形率所對應之溫度作為應變點。

(3)密度(單位：g/cm3)之檢測：取約2公克重不含氣泡之塊狀玻璃，以玻璃樣品在比重液中浮沉之情形量測其密度。

(4)玻璃液相溫度(單位：℃)之檢測：將小於850μm之玻璃屑放入白金皿中，置於梯度爐24小時後，以顯微鏡測量玻璃之結晶情形，判定其液相溫度而得。

由表一所示例1(即本發明)中之各檢測數據，可清楚觀察出，依本發明之組成分所製成之觸控保護玻璃，具有低於73.2之熱膨脹係數(10^-7/℃)，且其應變點高於565℃，密度小於2.40g/cm³等特性值，與一般液晶顯示器用之基板玻璃極為相近，故適於作為一般液晶顯示器用玻璃基板之材料。

綜上所述可知，本發明主要係藉由氧化矽在玻璃中形成網絡結構，並藉氧化鋁使玻璃生成堅韌之表面，進而增加玻璃耐熱性與抗失透性，減少玻璃膨脹率，且藉氧化硼、氧化鎂及氧化鈣降低玻璃的黏度及膨脹係數，同時藉由氧化鋅增加玻璃的耐蝕性與熔融性，並藉由氧化鋯增加玻璃的耐化學性、耐熱性與熔融性，且藉由氧化鈦降低玻璃原料之熔解溫度，同時藉由氧化鈉使玻璃易於成形，並藉由氧化鉀可增加玻璃黏度，使 玻璃硬而有光澤，且藉由氧化錫取代氧化鉛、氧化砷或氧化銻等成分，作為玻璃熔解時的澄清劑或除泡劑，據此，藉由添加及改變組成分比例的方式來強化結構，本發明其據以實施後，確實可以達到提供一種具有耐失透性且不含氧化鉛、氧化砷或氧化銻等有害成份的觸控保護玻璃之目的，如此，即能將前述組成材料熔融後所形成的觸控保護玻璃浸泡於高溫硝酸鉀溶液，以化學強化(chemical strengthening)的方式將觸控保護玻璃表層的鈉離子(體積較小)替換為鉀離子(體積較大)，進而形成高強度、耐磨損及抗刮傷(Scratch)的觸控保護玻璃。

唯，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

綜上所述，本發明之功效，係符合申請專利要件之「實用性」、「新穎性」與「進步性」；申請人爰依專利法之規定，向 鈞局提起發明專利之申請。

Claims (1)

1. 一種觸控保護玻璃之組成，包括：重量百分比為64%至69%之氧化矽；重量百分比為7%至11.5%之氧化鋁；重量百分比為1.5%至2.5%之氧化硼；重量百分比為4.5%至7.5%之氧化鎂；重量百分比為大於0%至2.5%之氧化鈣；重量百分比為大於0%至2%之氧化鋅；重量百分比為大於0%至0.2%之氧化鋯；重量百分比為大於0%至1%之氧化鈦；重量百分比為14.5%至16.5%之氧化鈉；重量百分比為1%至4%之氧化鉀；以及重量百分比為大於0%至0.4%之氧化錫。