一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法

1.本发明涉及玻璃新材料的技术领域，具体涉及一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法。


背景技术：

2.近年来，电子产业发展迅速，各类电子产品层出不穷，人们对电子产品的要求趋向于便携化和功能多样化，折叠显示技术的出现引起了的社会的广泛关注。随着电子显示技术的不断发展，显示器件各项性能要求相应提升，柔性和可折叠成为显示产业发展的重要方向。
3.玻璃材料具有良好的化学稳定性、透光性和生物相容性等，广泛应用于半导体、传感器、生物医学、化学、光通信及光存储设备等领域的关键部件制造。但因其脆性，采用常规的机械或者化学加工方法进行刻蚀、制孔和焊接等加工过程时容易产生裂纹破损和各种缺陷，造成加工效率低下。而一种新型特种加工方法——激光技术的出现，可以将高能脉冲精准地聚焦到待加工玻璃材料的表面或者内部，瞬间使材料熔化或者气化，实现非接触加工。和常规的加工方式相比，激光技术可以实现非接触，并且加工效率、精度和柔性都更高，在玻璃加工领域将得到广泛应用。
4.随着人们对玻璃可折叠性需求的增大，如何在玻璃材料上高精度、高速度、高质量实现稳定可折叠性成为当下制约集成玻璃盖板发展的重要问题。目前现有的折叠玻璃都是通过将玻璃材料不断减薄，使玻璃弯曲时受的应力不足以造成硅酸盐骨架的断裂而形成永久形变，从而使玻璃在宏观上实现反复弯折。
5.专利cn112309266a公开了一种用于电子产品的超薄柔性玻璃单向折叠屏，通过在玻璃本体的上表面设置向下的凹型部，凹型部的下方形成折叠部，实现玻璃本体的折叠。
6.三星公司通过将超薄柔性玻璃utg(ultra thin glass)采用强化工艺处理，增强30μm超薄玻璃的柔韧性和耐用性。在处理过程中，通过在超薄玻璃中注入特殊材料，确保其均匀的柔韧度。
7.上述实现玻璃可折叠性的前提均是在超薄柔性玻璃的基础上进行，而玻璃通过减薄实现可折叠性难度较大，需要耗费大量的人力物力资源和时间成本，并且在后续切割、加工等处理过程中会产生一系列问题。因此亟需发明一种工艺简单、操作简便、稳定性更好的折叠玻璃加工方法。


技术实现要素：

8.本发明的目的之一在于提供一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法，实现玻璃表面的高强压应力及微纳结构部位的高强应力，以保证玻璃折叠强度，及折叠稳定性，工艺简单，易操作，节约成本，可实现量产。
9.本发明实现目的所采用的方案是：一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法，包括以下步骤：
10.(1)选取待加工的玻璃并清洁；
11.(2)采用激光对玻璃的待加工位置按照预设加工路径进行激光刻蚀，形成微纳米结构；
12.(3)将激光加工过的玻璃预热后，放入熔融且含有钾离子的熔盐中，在一定温度下保温，使玻璃表面及激光加工界面处产生应力层及离子交换层；
13.(4)将玻璃从熔盐中取出，冷却并清洗后即可得到可折叠玻璃。
14.优选地，所述步骤(1)中，待加工的玻璃为硅酸盐玻璃、钠钙硅玻璃、锂铝硅玻璃、硼硅酸盐玻璃、钠硼硅玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃中的任意一种。
15.优选地，所述步骤(1)中，待加工的玻璃的厚度为小于等于2mm。
16.优选地，所述步骤(2)中，采用的激光为连续激光或脉冲激光，波长为172-4400nm，脉冲激光的脉宽为微秒级、纳秒级、皮秒级和飞秒级中的任意一种，脉冲激光的单脉冲能量为1nj-100mj，连续激光的功率为0.1mw-1000w。
17.优选地，所述步骤(2)中，微纳米结构中激光刻蚀产生的裂纹宽度为10nm-10μm；激光加工区域的宽度为1μm-5mm。
18.优选地，所述步骤(2)中，加工过程中，激光和待加工的玻璃的相对移动速度为0.5μm/s-5mm/s，激光与待加工的玻璃在单点上的作用时间为100ns-2s。
19.优选地，所述步骤(2)中，微纳米结构的形状为矩形，圆形，三角形，卡扣形，条形，不规则形状中的至少一种。
20.优选地，所述步骤(3)中，含有钾离子的熔盐为kno3熔盐、nano3/kno3混合熔盐，lino3/kno3混合熔盐，rbno3/kno3混合熔盐，csno3/kno3混合熔盐中的任意一种，预热温度为200-300℃，保温温度为380-500℃，保温时间为30分钟-10小时。
21.优选地，所述步骤(4)中，可折叠玻璃以微纳米结构为折叠转轴可以在0-180
°
正向或者反向任意旋转并在任意角度悬停，折叠处的弯曲半径为0.1mm-10mm。
22.优选地，所述步骤(4)中，制备的可折叠玻璃微纳米结构区域在可见光波段的透过率为40％-95％，未加工处玻璃在可见光波段透过率可为60％-95％。
23.本发明具有以下优点和有益效果：
24.本发明的制备方法首先通过激光加工玻璃，利用高能量激光与玻璃相互作用产生的瞬间高温，在玻璃中产生微纳米裂纹结构，进而形成折叠转轴。再将经过激光加工后的玻璃进行离子交换化学增强，在玻璃中产生压应力层及离子交换层，实现玻璃表面的高强压应力及微纳结构部位的高强应力，以保证玻璃折叠强度，及折叠稳定性，利用na
-k

离子交换产生的微膨胀降低裂纹间距，产生转轴应力，以使玻璃能在0-180
°
任意角度转动，悬停。由于转轴处的结构为微纳结构，对玻璃在转轴处的透过率产生较小影响。所制造的可折叠玻璃进行离子强化后的表面cs值为300-1500mpa，离子交换层深度为5-150μm。
25.本发明的制备方法制备的可折叠玻璃，可以用于电视，显示器，手机，智能穿戴设备等各类折叠电子设备中。
附图说明
26.图1为本发明的方法的加工示意图；
27.图2为本发明的方法加工的可折叠玻璃大折叠半径(外向折叠与内向折叠)(a)和小折叠半径(内向折叠)(b)示意图；
28.图3为本发明的方法制备的可折叠玻璃的微纳米结构的形状示意图；
29.图4为微纳米结构中尺寸定义示意图；
30.图5为激光微纳加工可折叠玻璃用于可折叠显示器件的示意图。
具体实施方式
31.为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
32.实施例1：
33.一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法，如图1所示，为激光微纳加工可折叠玻璃过程示意图，按以下步骤制备：
34.(1)选取待加工的硼硅酸盐玻璃，其组成为75％sio2、10％b2o3、6％na2o、5％al2o3、2％bao、2％cao，尺寸为300mm
×
600mm，厚度为1mm，对玻璃进行完全清洁；
35.(2)将玻璃置于三维样品台；
36.(3)加工玻璃的紫外激光波长为365nm，调整激光脉冲宽度100ps、脉冲功率10μj、调整物镜，目镜，使激光聚焦于玻璃底部起始位置；
37.(4)在控制电脑中设计出“矩形”激光加工路径(图3，a)及时间，并定位激光加工初始及结束位置；
38.(5)打开激光挡板，使激光聚焦于玻璃，并按照设置的参数对玻璃进行自动加工，直至结束；
39.(6)取下玻璃，并将玻璃在300℃预热后，置于kno3熔盐中，在400℃保持2小时，使玻璃表面及激光加工界面处产生应力层及离子交换层；
40.(7)将玻璃从熔盐中取出，缓慢冷却并清洗后即可得到可折叠玻璃。
41.表1实施例1制备的可折叠玻璃的主要性能参数
[0042][0043]
实施例2：
[0044]
一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法，如图1所示，为激光微纳加工可折叠玻璃过程示意图，按以下步骤制备：
[0045]
(1)选取待加工的锗酸盐玻璃，其组成为15％na2o、85％geo2，尺寸为325mm
×
525mm，厚度为2mm，对玻璃进行完全清洁；
[0046]
(2)将玻璃置于三维样品台；
[0047]
(3)加工玻璃可见激光波长为532nm、连续激光，输出功率为5w，调整物镜，目镜，使激光聚焦于玻璃底部起始位置；
[0048]
(4)在控制电脑中设计出“圆形”激光加工路径(图3，b)及时间，并定位激光加工初始及结束位置；
[0049]
(5)打开激光挡板，使激光聚焦于玻璃，并按照设置的参数对玻璃进行自动加工，直至结束；
[0050]
(6)取下玻璃，并将玻璃在200℃预热后，置于50：50nano
3-kno3混合熔盐中，在420℃温度保持5小时，使玻璃表面及激光加工界面处产生应力层及离子交换层；
[0051]
(7)将玻璃从熔盐中取出，缓慢冷却并清洗后即可得到可折叠玻璃。
[0052]
表2实施例2制备的可折叠玻璃的主要性能参数
[0053][0054]
实施例3
[0055]
一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法，如图1所示，为激光微纳加工可折叠玻璃过程示意图，按以下步骤制备：
[0056]
(1)选取待加工的碲酸盐玻璃，其组成为75％teo2、10％na2o、8％pbf2、7％bi2o3，尺寸为275mm
×
325mm、厚度为0.2mm，对玻璃进行完全清洁；
[0057]
(2)将玻璃置于三维样品台；
[0058]
(3)加工玻璃近红外激光波长为1064nm、调整激光脉冲宽度150fs、脉冲功率25μj、调整物镜，目镜，使激光聚焦于玻璃底部起始位置；
[0059]
(4)在控制电脑中设计出“三角形”激光加工路径(图3，c)及时间，并定位激光加工初始及结束位置；
[0060]
(5)打开激光挡板，使激光聚焦于玻璃，并按照设置的参数对玻璃进行自动加工，直至结束；
[0061]
(6)取下玻璃，并将玻璃在250℃预热后，置于30：70 csno
3-kno3混合熔盐中，在450℃温度保持5小时，使玻璃表面及激光加工界面处产生应力层及离子交换层；
[0062]
(7)将玻璃从熔盐中取出，缓慢冷却并清洗后即可得到可折叠玻璃。
[0063]
表3实施例3制备的可折叠玻璃的主要性能参数
[0064][0065]
实施例4
[0066]
一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法，如图1所示，为激光微纳加工可折叠玻璃过程示意图，按以下步骤制备：
[0067]
(1)选取待加工的硼硅酸盐玻璃，其组成为：66.4％sio2，12.3％b2o3，0.4％pbo，
0.4％zno，8.0％na2o，12.5％k2o，尺寸为275mm
×
325mm、厚度为0.2mm，对玻璃进行完全清洁；
[0068]
(2)将玻璃置于三维样品台；
[0069]
(3)加工玻璃近红外激光波长为1064nm、调整激光脉冲宽度120fs、脉冲功率10μj、调整物镜，目镜，使激光聚焦于玻璃底部起始位置；；
[0070]
(4)在控制电脑中设计出“卡扣形”激光加工路径(图3，d)及时间，并定位激光加工初始及结束位置；
[0071]
(5)打开激光挡板，使激光聚焦于玻璃，并按照设置的参数对玻璃进行自动加工，直至结束；
[0072]
(6)取下玻璃，并将玻璃在300℃预热后，放入熔融kno3熔盐中，在450℃温度保持3小时，使玻璃表面及激光加工界面处产生应力层及离子交换层；
[0073]
(7)将玻璃从熔盐中取出，缓慢冷却并清洗后即可得到可折叠玻璃。
[0074]
表4实施例4制备的可折叠玻璃的主要性能参数
[0075][0076]
实施例5
[0077]
一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法，如图1所示，为激光微纳加工可折叠玻璃过程示意图，按以下步骤制备：
[0078]
(1)选取待加工的硅酸盐超薄玻璃，其组成为75％sio2、10％b2o3、6％na2o、5％al2o3、2％bao、2％cao，尺寸为275mm
×
325mm、厚度为0.03mm，对玻璃进行完全清洁；
[0079]
(2)将玻璃置于三维样品台；
[0080]
(3)加工玻璃近红外激光波长为1064nm、调整激光脉冲宽度100fs、脉冲功率10μj、调整物镜，目镜，使激光聚焦于玻璃底部起始位置；；
[0081]
(4)在控制电脑中设计出“条形”激光加工路径(图3，e)及时间，并定位激光加工初始及结束位置；
[0082]
(5)打开激光挡板，使激光聚焦于玻璃，并按照设置的参数对玻璃进行自动加工，直至结束；
[0083]
(6)取下玻璃，并将玻璃在220℃预热后，放入熔融kno3熔盐中，在420℃温度保持3小时，使玻璃表面及激光加工界面处产生应力层及离子交换层；
[0084]
(7)将玻璃从熔盐中取出，缓慢冷却并清洗后即可得到可折叠玻璃。
[0085]
表5实施例5制备的可折叠玻璃的性能参数
[0086][0087]
实施例6：
[0088]
一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法，如图1所示，为激光微纳加工可折叠玻璃过程示意图，按以下步骤制备：
[0089]
(1)选取待加工的锂铝硅玻璃，其组成为68％sio2、10％al2o3、10％li2o、1％na2o、5％zro2、3％p2o5、2％sb2o3、0.5％cao、0.1％k2o、0.2％mgo、0.2％zno，尺寸为300mm
×
500mm，厚度为1mm，对玻璃进行完全清洁；
[0090]
(2)将玻璃置于三维样品台；
[0091]
(3)加工玻璃的可见激光波长为480nm、连续激光，输出功率为5w，调整物镜，目镜，使激光聚焦于玻璃底部起始位置；
[0092]
(4)在控制电脑中设计出“矩形”激光加工路径(图3，a)及时间，并定位激光加工初始及结束位置；
[0093]
(5)打开激光挡板，使激光聚焦于玻璃，并按照设置的参数对玻璃进行自动加工，直至结束；
[0094]
(6)取下玻璃，并将玻璃在300℃预热后，置于40：60nano
3-kno3混合熔盐中，在400℃保持2小时，使玻璃表面及激光加工界面处产生应力层及离子交换层；
[0095]
(7)将玻璃从熔盐中取出，缓慢冷却并清洗后即可得到可折叠玻璃。
[0096]
表6实施例6制备的可折叠玻璃的主要性能参数
[0097][0098]
实施例7
[0099]
一种激光直写微纳结构制造可折叠玻璃的方法，如图1所示，为激光微纳加工可折叠玻璃过程示意图，按以下步骤制备：
[0100]
(1)选取待加工的磷酸盐玻璃，其组成为71％sio2、8％al2o3、8％li2o、6％p2o5、2％sb2o3、1.8％na2o、1.2％tio2、1％zro2、0.5％cao、0.5％k2o，尺寸为250mm
×
300mm、厚度为0.05mm，对玻璃进行完全清洁；
[0101]
(2)将玻璃置于三维样品台；
[0102]
(3)加工玻璃近红外激光波长为800nm、调整激光脉冲宽度100fs、脉冲功率5μj、调整物镜，目镜，使激光聚焦于玻璃底部起始位置；
[0103]
(4)在控制电脑中设计出“三角形”激光加工路径(图3，c)及时间，并定位激光加工
初始及结束位置；
[0104]
(5)打开激光挡板，使激光聚焦于玻璃，并按照设置的参数对玻璃进行自动加工，直至结束；
[0105]
(6)取下玻璃，并将玻璃在300℃预热后，置于30：70nano
3-kno3混合熔盐中，在400℃温度保持4小时，使玻璃表面及激光加工界面处产生应力层及离子交换层；
[0106]
(7)将玻璃从熔盐中取出，缓慢冷却并清洗后即可得到可折叠玻璃。
[0107]
表7实施例7制备的可折叠玻璃的主要性能参数
[0108][0109]
如图2所示，为本发明的方法加工的可折叠玻璃大折叠半径(外向折叠与内向折叠)(a)和小折叠半径(内向折叠)(b)示意图；其中内向折叠即为微纳米结构位于折叠后玻璃的内侧，外向折叠为微纳米结构位于折叠后玻璃的外侧；
[0110]
如图4所示，为微纳米结构中尺寸定义示意图；
[0111]
本发明制备的可折叠玻璃可以用于电视，显示器，手机，智能穿戴设备等各类折叠电子设备中，如图5所示，为激光微纳加工可折叠玻璃用于可折叠显示器件的示意图。
[0112]
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。