用于纹理化玻璃表面的热电方法
【专利说明】用于纹理化玻璃表面的热电方法
[0001]相关申请交叉参考
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 120，要求2012年10月25日提交的美国申请系列号13/660，702的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
[0003]背景
[0004]本发明总体涉及纹理化玻璃表面，具体来说，涉及在玻璃基片内选择性地诱导离子迀移以在基片上形成纹理化的表面的热电方法。
[0005]在玻璃表面中形成形貌特征的能力对于许多应用都有意义。例如，表面纹理化可用来改变玻璃基片的光学性质。玻璃表面中的形貌特征可用来形成减反射或防眩光表面，定制的图案例如衍射栅格可提供用于光捕获的光学散射。通过形成表面粗糙度或离散的表面特征，定制的表面形貌还可用于控制静电电荷和用于影响其它性质，例如润湿性能、粘附性和总体美学。
[0006]许多方法可用来形成纹理化的玻璃表面。例如，可用纹理化层涂覆玻璃基片。和这种表面涂覆相比，各种“直接书写”技术具有重大意义，其把牢固的、化学耐久的和强烈集成的图案直接结合进入玻璃自身的表面中。但是，大多数直接书写方法涉及(i)使用腐蚀性溶液或离子轰击的掩模和蚀刻方法来提供选择性的表面改性，或(ii)高温加工，其中通过把玻璃加热到高于玻璃的玻璃化转变温度(Tg)来压印玻璃。
[0007]鉴于上述，在玻璃表面中提供“直接书写”的纹理或图案，无需独立的蚀刻步骤以及在较低的加工温度下即低于玻璃的玻璃化转变温度是优选的。
[0008]概述
[0009]用于在玻璃基片表面中形成纹理的方法包括提供玻璃基片，其包括具有玻璃化转变温度的玻璃材料，使该玻璃基片的表面接触模板电极，加热玻璃表面到小于玻璃化转变温度的温度，和施加DC偏压到电极从而有效地在玻璃基片中传输离子并形成纹理化的玻璃表面。在加热和施加偏压的操作中，模板电极可与玻璃表面保持物理接触，例如，通过相对于玻璃基片移动和/或通过相对于模板电极移动玻璃基片。
[0010]在一些实施方式中，把玻璃表面加热到小于玻璃基片的玻璃化转变温度至少150°C的温度。例如，可把玻璃表面加热到100-300°C或300-600°C的温度范围。为了在玻璃基片内诱导正离子的迀移，施加电压从而模板电极相对于玻璃基片是正向偏压的。
[0011]所述方法可适用于具有各种玻璃组成的玻璃基片，包括这样的玻璃基片，即玻璃材料的本体组成包括小于I摩尔％碱金属氧化物或碱土金属金属氧化物(例如，小于I摩尔％碱金属氧化物)。在相关的实施方式中，可使用后续的HF-蚀刻步骤差异化蚀刻纹理化的表面，来增强/控制特征尺寸。
[0012]用于在玻璃基片表面中形成纹理的其它方法包括在20°C到小于基片的玻璃化转变温度下使玻璃基片的玻璃表面接触模板电极，和施加DC偏压到电极从而有效地在玻璃基片中传输尚子并形成纹理化的玻璃表面。在接触和施加偏压时，可主动加热或冷却玻璃基片，从而把接触表面保持在所需温度。
[0013]本发明还涉及制品，其具有用所述方法形成的玻璃表面。在这种制品中，玻璃表面包括具有本体组成的玻璃材料和在玻璃材料的表面中形成的纹理化区域。该纹理化区域包括多个升高的和降低的特征，升高的特征具有与本体组成基本上相同的组成，而降低的特征相对于本体组成缺少至少一种碱金属、碱土金属或过渡金属。例如，降低的特征中的至少一种碱金属、碱土金属或过渡金属的组成可小于本体组成的50% (例如，小于50，20或10% )。
[0014]在以下的详细描述中提出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，包括以下详细描述、权利要求书以及附图。
[0015]应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。
[0016]附图简要说明
[0017]图1示意性地显示所述热电玻璃-纹理化过程的一种实施方式；
[0018]图2A是模板电极的光学显微图像；
[0019]图2B是较高放大倍数的图像，显示图2A中的电极的模板形貌；
[0020]图3是硅铝酸钠玻璃基片中纹理化的表面的光学显微图像；
[0021]图4是钡硼铝硅酸盐玻璃基片中纹理化的表面的光学显微图像；
[0022]图5A是图3的硅铝酸钠玻璃基片在纹理化之前的光学轮廓仪高度图像；
[0023]图5B相同的玻璃基片在纹理化之后的相应的轮廓仪图像；
[0024]图6A是光学轮廓仪高度图像和相关的模板电极；
[0025]图6B是在使用图6A的模板电极纹理化之后，相应的高度图像和玻璃基片的迹线；
[0026]图7A-7C是根据各种实施方式的模板电极的光学轮廓仪高度图像；
[0027]图7D显示纹理化的玻璃基片中的高度分布柱状图；
[0028]图8A和8B是纹理化的玻璃基片的横截面SEM显微图像；
[0029]图SC是背散射图像，显示纹理化的玻璃基片中的起伏(rel ief)形貌；
[0030]图8D是纹理化的玻璃基片在任选地化学蚀刻之后的SEM显微图像；和
[0031]图9显示纹理化的玻璃基片的能量色散X射线图谱。
[0032]详细描述
[0033]批露了用于纹理化玻璃基片的表面的方法。所述方法利用模板电极，其提供待转移到玻璃的形貌特征。使模板电极接触玻璃表面以形成模板电极-玻璃基片组件，然后把玻璃基片加热到小于它的玻璃化转变温度的温度，同时穿过基片施加DC偏压。选择DC偏压，从而模板电极相对于玻璃是正向偏压的。在一种实施方式中，AC电压可与DC偏压叠加来取得所需效果。
[0034]作为电极，模板电极包括导电材料，其可适于提供与玻璃基片的电接触。有效的模板电极比玻璃更加导电，从而它可在纹理化区域提供所需水平的电场均匀性。模板电极可由金属、半导体、半金属或导电非金属形成。在一些实施方式中，模板电极材料在加工温度下具有足够高的粘度，从而在所需的加工时间段中保留电极形貌。
[0035]作为模板，模板电极包括具有形貌的表面，该形貌用于以负性方式传输到玻璃表面。没有限定形貌的尺寸和大小，且可包括长度尺度在纳米、微米或更大的特征。
[0036]加工时，电压和温度的组合诱导离子在玻璃中靠近玻璃与模板电极的界面迀移，净效果是使玻璃表面形貌半共形地适应模板形貌，这导致在玻璃表面中形成电极中形成的纹理的负性形貌图像。把电极图案结合进入玻璃基片之后，可冷却玻璃和把电极与玻璃分呙。
[0037]可在基片的部分或基本上全部的主表面上形成纹理化。纹理化可包括整齐或周期性图案或形状，例如线条、栅格、阵列、通道或其它形状。形状可同心地排布。纹理化的进一步的例子是随机的、伪随机或非周期的，可以包括各种长度尺度的凸起、断片(divot)、小丘、柱子、喷砂面以及包括粗糙度的光捕获或光散射纹理。具有纹理的表面可为加工的表面，例如显微镜头、菲涅耳透镜、荷叶、莫斯眼、波导或其他光导结构。单个纹理化的特征可包括各种横截面形状包括正方形、圆形、椭圆、三角形等。成形的特征可为凸面或凹面的，例如椭圆球体或卵形体。
[0038]施加的电压的大小可为100V-10，000V，例如可取决于玻璃基片的组成和纹理的几何形貌。例如，在低电阻率、高碱金属含量玻璃的情况下，可使用ιοον-ι，οοον的电压，而对于高电阻率、不含碱金属的玻璃的情况下，可使用1，000V-10, 000V,例如，2000-4000V
较高的电压。
[0039