CN101679105B - 强化玻璃基板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种强化玻璃基板，通过兼顾玻璃的离子交换性能和耐失透性，而得到机械强度高的玻璃基板。本发明的强化玻璃基板，其表面具有压缩应力层，其特征为，作为玻璃组分，以质量％计，含有SiO2 40～70％、Al2O3 12～25％、B2O3 0～10％、Li2O 0～8％、Na2O6～15％、K2O 0～10％、Li2O+Na2O+K2O 13～20％、MgO 0～3.9％、CaO 0～5％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～6％、SrO+BaO 0～5％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.45。上述强化玻璃可通过如下方法制作：将调合成为规定的玻璃组分的玻璃原料溶融，通过溢出下拉法成形为板状，之后，进行离子交换处理，在玻璃板表面形成压缩应力层。

Description

强化玻璃基板及其制造方法
技术领域
本发明涉及强化玻璃基板，尤其是涉及适合于手机、数码相机、PDA(便携终端)、太阳能电池的保护玻璃或触摸面板显示器的被化学强化的强化玻璃基板。
背景技术
手机、数码相机、PDA或触摸面板显示器这样的装置及太阳能电池有越来越普及的倾向。
目前，在这些用途中，使用丙烯等树脂作为用于保护显示器的保护部件。但是，丙烯树脂的杨氏模量低，因此，有时用手指等按压显示器时，丙烯树脂基板弯曲，与显示器接触而产生显示不良。另外，存在容易损伤、识别性容易恶化的问题。解决这些问题的一种方法为，使用玻璃基板作为保护部件的方法。用于这些保护部件的玻璃基板要求：(1)具有高的机械强度、(2)高杨氏模量、(3)低密度、(4)能够廉价且大量地供给、(5)气泡品质优异。为满足(1)的要求，目前使用以离子交换等进行强化的玻璃基板(所谓强化玻璃基板)(参照：专利文献1、非专利文献1)。
专利文献1：日本公开特许：特开2006-83045号公报
非专利文献1：泉谷撤朗等、“新玻璃及其物理性质”、初版、株式会社经营系统研究所、1984年8月20日、p.451-498
根据非专利文献1，记载有，增加玻璃组分中的Al2O3含量时，玻璃的离子交换性能提高，能够提高玻璃基板的机械强度。
但是，增加玻璃组分中的Al2O3含量时，玻璃的耐失透性恶化，在成形中玻璃容易失透，玻璃基板的制造效率、品质等恶化。另外，玻璃的耐失透性恶化时，用轧辊成形等方法只能成形，不能得到表面精度高的玻璃板。因此，在玻璃板成形后必须进行另外的研磨工序。研磨玻璃基板时，在玻璃基板的表面容易发生微小的缺陷，且难以维持玻璃基板的机械强度。
由于这种情况，难以兼顾玻璃的离子交换性能和耐失透性，显著提高玻璃基板的机械强度是困难的。另外，为实现器件的轻量化，用于触摸面板显示器等器件的玻璃基板逐年薄型化。由于薄板的玻璃基板容易破损，因此，提高玻璃基板的机械强度的技术越发重要。
发明内容
于是，本发明的技术课题是通过兼顾玻璃的离子交换性能和耐失透性，得到机械强度高的玻璃基板。
本发明人进行各种研究的结果发现，提高Al2O3含量，并且，含有由MgO、ZrO2、ZnO构成的组中的至少一种以上的成分，另外，按质量比适当地规定(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值，由此，能够兼顾高的离子交换性能和耐失透性。另外，发现通过在碱土类中限制SrO和BaO的含量，容易促进离子交换，至此，提出了本发明。
即，本发明的强化玻璃基板，其表面具有压缩应力层，其特征为，作为玻璃组分，以质量％计，含有SiO2 40～70％、Al2O3 12～25％、B2O3 0～10％、Li2O 0～8％、Na2O 6～15％、K2O 0～10％、Li2O+Na2O+K2O 13～20％、MgO 0～3.9％、CaO 0～5％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～6％、SrO+BaO 0～5％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值在0.25～0.45的范围内。另外，如没有特别的限制，在以下的说明中，“％”意思是质量％。
第二，本发明的强化玻璃基板，在表面具有压缩应力层，其特征为，作为玻璃组分，以质量％计，含有SiO2 40～70％、Al2O3 12～25％、B2O3 0～10％、Li2O 0～8％、Na2O 6～15％、K2O 0～10％、Li2O+Na2O+K2O 13～20％、MgO 0～3.9％、CaO 0～5％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～5.5％、SrO+BaO 0～5％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.45。
第三，本发明的强化玻璃基板，其特征为，通过化学方式强化而成。
第四，本发明的强化玻璃基板，其特征为，表面的压缩应力为100MPa以上，且压缩应力层的厚度为1μm以上。在此，“表面的压缩应力”及“压缩应力层的厚度”是指在用表面应力计(株式会社东芝制FSM-6000)观察试样时，从观察的干涉条纹的条数和其间隔算出的值。
第五，本发明的强化玻璃基板，其特征为，具有未研磨的表面。在此，所谓“未研磨的表面”是指玻璃的主表面(上面及下面)不被研磨。换言之，意思是上面及下面是锻造面，表面的平均表面粗糙度(Ra)通过以SEMI D7-97“FPD玻璃基板的表面粗糙度的测定方法”为基准的方法测定时，平均表面粗糙度(Ra)为10以下，优选5以下，更优选2以下。另外，对于端面部也可以进行倒角等研磨处理。
第六，本发明的强化玻璃基板，其特征为，液相温度为1050℃以下。在此，所谓“液相温度”是指：粉碎玻璃、将通过标准筛30网眼(筛孔500μm)、在50网眼(筛孔300μm)中剩余的玻璃粉末放入白金干锅，且在温度梯度炉中保持24小时后，结晶析出的温度。
第七，本发明的强化玻璃基板，其特征为，液相粘度为104.0dPa·s以上。在此，所谓“液相粘度”是指液相温度的玻璃粘度。另外，液相粘度高、液相温度低时，玻璃的耐失透性优异，并且，玻璃基板的成形性也优异。
第八，本发明的强化玻璃基板，其特征为，能够用于触摸面板显示器。
第九，本发明的强化玻璃基板，其特征为，能够用于手机的保护玻璃。
第十，本发明的强化玻璃基板，其特征为，能够用于太阳电池的保护玻璃。
第十一，本发明的强化玻璃基板，其特征为，能够作为显示器的保护部件使用。
第十二，本发明的玻璃，其特征在于，作为玻璃组分，以质量％计，含有SiO2 40～70％、Al2O3 12～25％、B2O3 0～10％、Li2O 0～8％、Na2O 6～15％、K2O 0～10％、Li2O+Na2O+K2O 13～20％、MgO0～3.9％、CaO 0～5％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～6％、SrO+BaO 0～5％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.45。
第十三，本发明的强化玻璃基板的制造方法，其特征在于，将调制成具有下述玻璃组分的玻璃原料熔融，成形为板状，之后，进行离子交换处理，在玻璃表面形成压缩应力层，所述玻璃组分为：以质量％计，含有SiO2 40～70％、Al2O3 12～25％、B2O3 0～10％、Li2O 0～8％、Na2O 6～15％、K2O 0～10％、Li2O+Na2O+K2O 13～20％、MgO0～3.9％、CaO 0～5％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～6％、SrO+BaO 0～5％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值在0.25～0.45的范围内。
十四，本发明的强化玻璃的制造方法，其特征为，通过下拉法成形为板状。
十五，本发明的强化玻璃基板的制造方法，其特征为，通过溢出下拉法成形为板状。
本发明的强化玻璃基板由Al2O3含量高且离子交换性能高的玻璃制作。另外，由耐失透性优异的玻璃制作，因此，可以采用溢出下拉法等。因此，不需要成形后的研磨，没有因研磨而产生的微小缺陷。因此，有提高机械强度的效果。
另外，不进行研磨工序而能够制作，因此，能够降低制造成本，能够便宜地供给。
因此，本发明的强化玻璃基板能够很好地使用于触摸面板显示器、手机的保护玻璃、太阳能电池的保护玻璃、显示器的保护部件等。另外，触摸面板显示器可以装载于手机、数码相机、PDA等。在移动办公用途的触摸面板显示器中，轻量化、薄型化、高强度化的要求强烈，且要求薄型、机械强度高的玻璃基板。这一点上，本发明的强化玻璃基板即使减薄板厚，实际上也具有足够的机械强度，因此，可以合适地使用于本用途。
另外，本发明的玻璃中，Al2O3含量高且离子交换性能高。而且，耐失透性优异，因此，可以用溢出下拉法等成形。
因此，若使用本发明的玻璃，就能够便宜地制造机械强度高的强化玻璃基板。
另外，本发明的强化玻璃的制造方法使用离子交换性能高，且耐失透性优异的玻璃，因此，能够便宜地制造机械强度高的强化玻璃基板。
具体实施方式
本发明的强化玻璃基板在其表面具有压缩应力层。在玻璃基板的表面形成压缩应力层的方法有物理强化法和化学强化法。本发明的强化玻璃基板优选用化学强化法形成压缩应力层。化学强化法是在玻璃的应变点以下的温度通过离子交换向玻璃基板的表面导入离子半径大的碱离子的方法。若用化学强化法形成压缩应力层，则即使玻璃基板的板厚薄也能够实施良好的强化处理，能够得到所希望的机械强度。另外，在玻璃基板上形成压缩应力层后，即使切断玻璃基板，也不会像用风冷强化法等物理强化法强化的玻璃基板那样容易破裂。
离子交换的条件没有特别的限定，可以考虑玻璃的粘度特性等来决定。尤其是，将KNO3溶融盐中的K离子与玻璃基板中的Li、Na成分进行离子交换时，在玻璃基板的表面能够高效良好地形成压缩应力层。
下面，说明在本发明的强化玻璃基板中将玻璃组分限定为上述范围的理由。另外，以下的％表示，除特别指定的情况之外，指质量％。
SiO2是形成玻璃的网络的成分，其含量为40～70％，优选50～70％，55～65％，特别优选58～65％。SiO2的含量过多时，玻璃的溶融、成形困难，热膨胀系数过小，周边材料和热膨胀系数匹配困难。另一方面，SiO2的含量过少时，玻璃化困难。另外，玻璃的热膨胀系数变大，玻璃的耐热冲击性容易降低。
Al2O3是提高离子交换性能的成分。另外，也有提高玻璃的耐热性及杨氏模量的效果，其含量为12～25％。Al2O3的含量过多时，在玻璃中容易析出失透结晶，且难以用溢出下拉法等成形。另外，玻璃的热膨胀系数过小，且周边材料和热膨胀系数匹配困难，或玻璃的高温粘性变高且溶融困难。Al2O3含量过少时，有可能不能发挥充分的离子交换性能。从上述观点考虑，Al2O3的合适的范围为上限20％以下，19％以下，18％以下，17％以下，16.8％以下，特别是15％以下。
B2O3成分具有降低玻璃的液相温度、高温粘度及密度的效果，并且，具有提高玻璃的离子交换性能的效果，其含量为0～10％，优选0～6％，进一步优选0～5％，更优选0～3％，最优选0～1％。另一方面，B2O3含量过多时，通过离子交换有可能在表面发生伤，或玻璃的耐水性恶化，或液相粘度降低。
Li2O是离子交换成分，并且是降低玻璃的高温粘度并提高溶融性及成形性的有效成分。另外，Li2O成分具有使玻璃的杨氏模量提高的效果，并且有使裂纹发生率降低的效果。另外，Li2O具有很高的在碱金属氧化物中提高压缩应力值的效果。Li2O的含量为0～8％，但是，为实现杨氏模量提高、裂纹发生率降低、提高压缩应力值的目的，可以将下限设定为0.1％以上，0.5％以上，尤其是1％以上。另外，从耐失透性的观点考虑，也可以将其上限设定为7％以下，6％以下，5％以下，尤其是4％以下。Li2O含量过多时，液相粘度降低且玻璃容易失透。另外，玻璃的热膨胀系数过大时，玻璃的耐热冲击性降低，或周边材料和热膨胀系数匹配困难。另外，低温粘度过于降低而容易引起应力松弛时，反而有时压缩应力值降低。
Na2O是离子交换成分，并且是具有使玻璃的高温粘度降低且使溶融性及成形性提高、使裂纹发生率降低的功能的成分。另外，Na2O也是改善玻璃的耐失透性的成分。Na2O的含量为6～15％，更佳含量为6～13％、6～12.6％、6～12％，尤其是6～10％。Na2O的含量过多时，则玻璃的热膨胀系数过大，玻璃的耐热冲击性降低，周边材料和热膨胀系数匹配困难。另外，玻璃的组分不平衡，反而会造成玻璃的耐失透性有恶化的傾向。另一方面，Na2O的含量少时，溶融性恶化，热膨胀系数过度变小，离子交换性能恶化。
K2O有促进离子交换的效果，并且在碱金属氧化物中，加深压缩应力层的深度的效果高。另外，该成分有使玻璃的高温粘度降低并使溶融性及成形性提高、使裂纹发生率降低的效果。另外，K2O也是改善耐失透性的成分。K2O的含量为0～10％。尤其是，以进一步深化设计压缩应力层的深度为目的，将下限设定为0.1％以上、0.5％以上、1％以上、2％以上，更优选设定为3％以上。另一方面，K2O的含量过多时，玻璃的热膨胀系数变大，玻璃的耐热冲击性降低，周边材料和热膨胀系数匹配困难。另外，玻璃的组分不平衡，反而会造成玻璃的耐失透性有恶化的傾向，因此优选将上限设定为6％以下，5.5％以下。
碱金属成分R2O(R为选自Li、Na、K的1种以上)的合计量过多时，不仅玻璃容易失透，而且玻璃的热膨胀系数过大，玻璃的耐热冲击性降低，或周边材料和热膨胀系数匹配困难。另外，碱金属成分R2O的合计量过多时，有时玻璃的应变点过度降低，难以得到高压缩应力值。另外，有时液相温度附近的粘性降低，难以确保高的液相粘度。因此，R2O的合计量优选20％以下，特别优选18％以下。另一方面，R2O的合计量过少时，有时玻璃的离子交换性能及溶融性恶化，裂纹发生率提高。因此，R2O的合计量设定为13％以上。
MgO、ZrO2、ZnO成分有显著提高离子交换性能的效果。另外，该成分有降低玻璃的高温粘度、提高应变点及杨氏模量的效果。MgO的含量为0～3.9％，优选0～3％，更优选0～2％。MgO的含量过多时，有时玻璃的耐失透性恶化，容易分相。ZrO2的含量为0～6％，优选0～5.5％，更优选0～5％，进一步优选0～3％。ZrO2的含量过多时，有时耐失透性极端恶化。ZnO的含量为0～5％，优选0～4％。ZnO的含量过多时，有时玻璃的耐失透性恶化，容易分相。在本发明中，从离子交换性能提高的观点考虑，作为必需成分含有这些成分中的至少一种。
另外，MgO+ZrO2+ZnO的合计量优选0.01～9％，特别优选0.5～7.7％。这些成分的合计量过多时，有玻璃的密度及热膨胀系数过大、玻璃的耐失透性恶化的倾向。另一方面，这些成分的合计量过少时，难以得到上述效果。
在本发明中，通过严格规定质量分率(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)，能够兼顾可实行溢出下拉法的液相粘度、和高的离子交换性能。按质量分率(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.45，优选0.25～0.4。只要将该值设定为0.25以上，就能够提高玻璃的离子交换性能。另一方面，该值比0.45大时，玻璃组分不平衡，玻璃的耐失透性恶化，不能采用溢出下拉法。另外，玻璃的粘性过低，难以维持高的液相粘度，仍然难以采用溢出下拉法。
除MgO之外的碱土类金属成分R’O(R’是选自Ca、Sr、Ba的一种以上)是以各种目的可添加的成分。但是，碱土类金属成分R’O变多时，有玻璃的密度及热膨胀系数增高，或耐失透性恶化，而且，裂纹发生率提高，或离子交换性能恶化的倾向。因此，碱土类金属成分R’O的合计量优选0～9.9％、0～8％、0～5％，特别优选是0～3％。
CaO是使玻璃的高温粘度降低且使溶融性及成形性提高、使应变点及杨氏模量提高的成分，其含量为0～5％。但是，CaO的含量过多时，有玻璃的密度、热膨胀系数及裂纹发生率提高，玻璃容易失透，离子交换性能进一步恶化的倾向。因此，其含量希望在4％以下、1％以下、0.8％以下、尤其是0.5％以下，实质上理想的是希望不含有该成分。在此，所谓“实质上不含有CaO”是指玻璃组分中的CaO含量为0.2％以下的情况。
SrO及BaO是使玻璃的高温粘度降低并使溶融性及成形性提高、应变点及杨氏模量提高的成分，其含量分别优选0～2.9％。但是，SrO及BaO的含量多时，有离子交换性能恶化的倾向。另外，玻璃的密度、热膨胀系数及裂纹发生率提高，或玻璃容易失透。SrO含量希望为2％以下，1.5％以下，1％以下，0.5％以下，尤其是希望在0.2％以下。另外，BaO含量希望为2.5％以下，2％以下，1％以下，0.8％以下，0.5％以下，尤其是希望为0.2％以下。
在本发明中，通过将SrO+BaO的合计量限定为0～5％，由此，能够更有效地提高离子交换性能。即，SrO和BaO如上所述，有阻碍离子交换反应的作用，因此，大量含有这些成分时，不利于得到机械强度高的强化玻璃。SrO+BaO优选的范围为0～3％、0～2.5％、0～2％、0～1％，尤其是0～02％。
另外，用R2O的合计量除R’O的合计量的值变大时，裂纹发生率提高，并且，玻璃的耐失透性出现恶化的倾向。因此，用质量分率将R’O/R2O的值限制为0.5以下，0.4以下，0.3以下，尤其是希望限制为0.1％以下。
在本发明的强化玻璃基板中，作为玻璃组分，也可以只由上述成分构成，但是，在不大损害玻璃的特性的范围内也可以添加其他的成分。
例如，可以添加TiO2、P2O5等成分。
TiO2是提高玻璃的离子交换性能的成分，可以将其含量设定为0～5％。但是，TiO2的含量变多时，玻璃着色，或耐失透性恶化，因此，其含量优选5％以下，4％以下，2％以下，尤其是优选1％以下。
P2O5是提高玻璃的离子交换性能的成分，尤其是增厚压缩应力厚度的效果大，因此，可以将其含量设定为0～8％。但是，P2O5的含量多时，玻璃分相，或耐水性恶化，因此，其含量优选5％以下，4％以下，尤其是优选3％以下。
另外，作为清澄剂也可以含有0～3％的选自As2O3、Sb2O3、CeO2、SnO2、F、Cl、SO3的组中的一种或两种以上。但是，从As2O3、Sb2O3、SO3及F，尤其是As2O3及Sb2O3对环境的影响方面考虑，其使用应该极力控制，将各种含量控制在低于0.1％。因此，本发明中清澄剂及其含量为SnO2+CeO2+Cl为0.001～1％，优选0.01～0.5％，更优选0.05～0.4％。
另外，Nb2O5及La2O3等稀土类氧化物是提高玻璃的杨氏模量的成分。但是，原料本身的成本高，另外，大量含有时耐失透性恶化。因此，它们的含量优选限制为3％以下，2％以下，1％以下，0.5％以下，特别优选限制为0.1％以下。
另外，在本发明中，对玻璃强烈着色的Co、Ni等过渡金属元素使玻璃基板的透过率降低，因此不优选。尤其是，用于触摸面板显示器用途时，过渡金属元素的含量多时，损害触摸面板显示器的识别性。具体而言，理想的是以0.5％以下，0.1％以下，尤其是0.05％以下的方式调整原料或碎玻璃的使用量。
可以适当选择各成分的合适的含量范围，优选设定玻璃的组分范围。其中，更适合的玻璃组分范围的例如下。
(1)一种玻璃，作为玻璃的组分，以质量％计，含有SiO2 40～70％、Al2O3 12～25％、B2O3 0～10％、Li2O 0～8％、Na2O 6～15％、K2O 0～10％、Li2O+Na2O+K2O 13～20％、MgO 0～3.9％、CaO 0～5％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～5.5％、SrO+BaO 0～5％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.45。
(2)一种玻璃，作为玻璃组分，以质量％计，含有SiO2 50～70％、Al2O3 12～20％、B2O3 0～6％、Li2O 0～8％、Na2O 6～15％、K2O0～6％、Li2O+Na2O+K2O 13～20％、MgO 0～3.9％、CaO 0～5％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～5％、SrO+BaO 0～3％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.45，实质上不含有As2O3和Sb2O3。
(3)一种玻璃，作为玻璃组分，以质量％计，含有SiO2 50～70％、Al2O3 12～19％、B2O3 0～5％、Li2O 0～8％、Na2O 6～15％、K2O0.5～6％、Li2O+Na2O+K2O 13～20％、MgO 0～3.9％、CaO 0～4％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～5％、SrO+BaO 0～3％，As2O3 0～不足0.1％、Sb2O3 0～不足0.1％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.45。
(4)一种玻璃，作为玻璃组分，以质量％计，含有：SiO2 55～65％、Al2O3 12～16.8％、B2O3 0～3％、Li2O 1～7％、Na2O 6～12.6％、K2O 1～6％、Li2O+Na2O+K2O 13～20％、MgO 0～3.9％、CaO 0～4％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～6％、SrO+BaO 0～2％，As2O3 0～不足0.1％、Sb2O3 0～不足0.1％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.4。
(5)一种玻璃，作为玻璃组分，以质量％计，含有：SiO2 55～65％、Al2O3 12～15％、B2O3 0～1％、Li2O 1～7％、Na2O 6～10％、K2O1～6％、Li2O+Na2O+K2O 13～18％、MgO 0～3.9％、CaO 0～4％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～5％、SrO+BaO 0～2％、TiO2 0～1％，As2O3 0～不足0.1％、Sb2O3 0～不足0.1％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.4。
本发明的强化玻璃板优选满足下述特性。
本发明的强化玻璃基板具有上述玻璃组分，并且，在玻璃表面具有压缩应力层。压缩应力层的压缩应力优选100Mpa以上，进一步优选300Mpa以上，更优选400Mpa以上，更优选500Mpa以上，特别优选600Mpa以上，最优选700Mpa以上。随着压缩应力的增大，玻璃基板的机械强度提高。另一方面，在玻璃基板表面形成极端大的压缩应力时，在基板表面发生微裂纹，反而会降低玻璃强度，因此，压缩应力层的压缩应力的大小优选设定为2000Mpa以下。另外，按照压缩应力变大的方式进行设定时，只要使Al2O3、MgO、ZnO、ZrO2、Li2O的含量增加，SrO、BaO的含量降低即可。另外，只要缩短离子交换需要的时间、降低离子交换溶液的温度即可。
压缩应力层的厚度优选1μm以上，进一步优选3μm以上，更优选5μm以上，特别优选10μm以上，最优选15μm以上。压缩应力层的厚度越大，在玻璃基板上即使划有深的伤痕，玻璃基板也难以割裂。另一方面，为了使玻璃基板难以切断，压缩应力层的厚度优选设定为500μm以下。另外，压缩应力层的厚度变大时，只要增加K2O、P2O5的含量，或减少SrO、BaO的含量即可。另外，只要延长离子交换需要的时间、或提高离子交换溶液的温度即可。
另外，“表面的压缩应力”及“压缩应力层的厚度”是指用表面应力计(株式会社东芝制FSM-6000)观察试样时，从被观察的干涉条纹的条数和其间隔算出的值。
本发明的强化玻璃基板优选板厚为1.5mm以下，0.7mm以下，0.5mm以下，特别优选0.3mm以下。玻璃基板的板厚薄时，能够使玻璃基板轻量化。另外，本发明的强化玻璃基板具有的优点为，即使减薄板厚，玻璃基板也难以破裂。另外，其优点为，在用溢出下拉法进行玻璃的成形时，不进行研磨等而能够实现玻璃的薄壁化。
本发明的强化玻璃基板优选具有未研磨的表面，未研磨的表面的平均表面粗糙度(Ra)为10以下，优选5以下，进一步优选2以下。另外，表面的平均表面粗糙度(Ra)利用以SEMI D7-97“FPD玻璃基板的表面粗糙度的测定方法”为基准的方法测定即可。玻璃的理论强度本来非常高，但是，多数时侯即使是远低于理论强度的应力也会达到破坏的程度。这是因为，在玻璃成形后的工序例如研磨工序等中会在玻璃基板的表面产生称为格里菲斯裂纹的小缺陷。因此，若未研磨强化玻璃基板的表面，则难以损害本来的玻璃基板的机械强度，玻璃基板难以破坏。另外，若未研磨玻璃基板的表面，则在玻璃基板的制造工序中就能够省略研磨工序，因此，能够降低玻璃基板的制造成本。在本发明的强化玻璃基板中，若未研磨玻璃基板的两面整体，则玻璃基板就更难以破坏。另外，在本发明的强化玻璃基板中，为了防止从玻璃基板的切断面发生破坏，也可以在玻璃基板的切断面上实施倒角加工等。另外，要得到未研磨的表面，只要用溢出下拉法进行玻璃的成形即可。
本发明的强化玻璃基板，玻璃的液相温度优选1050℃以下，特别是优选1000℃以下，特别优选950℃以下。在此，所谓“液相温度”是指：粉碎玻璃、将通过标准筛30网眼(筛孔500μm)、在50网眼(筛孔300μm)中剩余的玻璃粉末放入白金干锅，且在温度梯度炉中保持24小时后，结晶析出的温度。另外，要使液相温度降低，只要增加Na2O、K2O、B2O3的含量，降低Al2O3、Li2O、MgO、ZnO、ZrO2的含量即可。
本发明的强化玻璃基板，玻璃的液相粘度优选104.0dPa·s以上，进一步优选104.3dPa·s以上，更优选104.5dPa·s以上，特别优选105.0dPa·s以上，最优选105.5dPa·s以上。在此，所谓的液相粘度是指在液相温度的玻璃的粘度。另外，要使液相粘度上升，只要增加Na2O、K2O的含量，或降低Al2O3、Li2O、MgO、ZnO、ZrO2的含量即可。
另外，液相粘度越高且液相温度越低，则玻璃的耐失透性越优异，并且，玻璃基板的成形性优异。而且，只要玻璃的液相温度为1050℃以下，玻璃的液相粘度为104.0dPa·s以上，就可以用溢出下拉法成形。
本发明的强化玻璃基板，玻璃的密度优选2.8g/cm3以下，更优选2.7g/cm3以下，特别优选2.6g/cm3以下，最优选2.55g/cm3以下。玻璃的密度越小，越能够实现玻璃基板的轻量化。在此，所谓“密度”是指用众所周知的阿基米德法测定的值。另外，要使玻璃的密度降低，只要增加SiO2、P2O5、B2O3的含量，或降低碱金属氧化物、碱土类金属氧化物、ZnO、ZrO2、TiO2的含量即可。
本发明的强化玻璃基板，30～380℃的玻璃的热膨胀系数优选70～95×10-7/℃，进一步优选75～95×10-7/℃，更优选80～95×10-7/℃，特别优选85～95×10-7/℃，若将玻璃的热膨胀系数设定为上述范围，则金属、有机系粘结剂等部件和热膨胀系数容易整合，能够防止金属、有机系粘结剂等部件的剥离。在此，所谓“热膨胀系数”是指用膨胀计测定的30～380℃的平均热膨胀系数。另外，要使热膨胀系数上升，只要增加碱金属氧化物、碱土类金属氧化物的含量即可，相反，要使热膨胀系数降低，只要降低碱金属氧化物、碱土类金属氧化物的含量即可。
本发明的强化玻璃基板，优选与玻璃的高温粘度102.5dPa·s相当的温度为1600℃以下，进一步优选1550℃以下，更优选1530℃以下，特别优选1500℃以下。与玻璃的高温粘度102.5dPa·s相当的温度越低，溶融炉等玻璃的制造设备的负担越小，并且，能够提高玻璃基板的气泡品质。即，与玻璃的高温粘度102.5dPa·s相当的温度越低，越能够廉价地制造玻璃基板。另外，与玻璃的高温粘度102.5dPa·s相当的温度与玻璃的溶融温度相当，与玻璃的高温粘度102.5dPa·s相当的温度越低，越能够在低温下溶融玻璃。另外，要使与102.5dPa·s相当的温度降低，只要增加碱金属氧化物、碱土类金属氧化物、ZnO、B2O3、TiO2的含量，或降低SiO2、Al2O3的含量即可。在此，与玻璃的粘度相当的温度是指用白金球拉伸法测定的值。
本发明的强化玻璃基板，玻璃的杨氏模量优选70Gpa以上，进一步优选71Gpa以上，更优选73Gpa以上。玻璃的杨氏模量越高，玻璃基板越难以弯曲，其结果，在触摸面板显示器等装置中，用笔等按压显示器时，难以压迫器件内部的液晶元件等，难以发生显示器的显示不良。在此，所谓“杨氏模量”是指利用共振法测定的值。另外，要提高杨氏模量，只要增加Al2O3、Li2O、ZnO、MgO、ZrO2的含量、或减少B2O3的含量即可。
本发明的强化玻璃基板，玻璃的相对杨氏模量优选27GPa/(g/cm3)以上，进一步优选28GPa/(g/cm3)以上，更优选29GPa/(g/cm3)以上，特别优选30GPa/(g/cm3)以上。玻璃的相对杨氏模量越高，自重带来的玻璃基板的弯曲越低。其结果是，在制造工序中，将玻璃基板收容于盒等中时，能够减小基板彼此的间隙而收容，因此，能够提高生产性。
本发明的强化玻璃基板，玻璃的裂纹发生率优选70％以下，进一步优选50％以下，更优选40％以下，特别优选30％以下，最优选20％以下。玻璃的裂纹发生率越小，在玻璃基板上越难以发生裂纹。在此，所谓“裂纹发生率”是指按如下方式测定的值。首先，在保持于湿度30％、温度25℃的恒温恒湿槽内，将设定为500g负荷的维氏压头压入玻璃表面(光学研磨面)15秒的时间，在15秒后，从压痕的4个角计数发生的裂纹的数量(对于一个压痕而言设定为最大4)。这样压入压头20次，求总裂纹发生数，之后，由(总裂纹发生数/80)×100求出。另外，要降低裂纹发生率时，只要增加Li2O、Al2O3的含量，或减少CaO、SrO、BaO、ZnO的含量即可。
本发明的玻璃，其特征为，作为玻璃的组分，以质量％计，含有SiO2 40～70％、Al2O3 12～25％、B2O3 0～10％、Li2O 0～8％、Na2O 6～15％、K2O 0～10％、Li2O+Na2O+K2O 13～20％、MgO 0～3.9％、CaO0～5％、ZnO 0～5％、ZrO2 0～6％、SrO+BaO 0～5％，且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.45。在本发明的玻璃中，将玻璃组分限定为上述范围的理由及优选的范围和已经叙述的强化玻璃基板相同，因此，在此省略其叙述。另外，本发明的玻璃当然能够兼有已经叙述的强化玻璃基板的特性、效果。
本发明的玻璃在430℃的KNO3溶融盐中离子交换4个小时时，优选表面的压缩应力为300MPa以上，且压缩应力层的厚度为3μm以上。本发明的玻璃将玻璃组分限制为上述范围，因此，离子交换性能良好，可以容易地将表面的压缩应力设定为300MPa以上，且将压缩应力层的厚度设定为3μm以上。
本发明的玻璃可以通过如下方式制造：将调合成为上述组分范围内的组分的玻璃原料投入连续溶融炉，在1500～1600℃加热溶融玻璃原料，澄清后供给成形装置，并将溶融玻璃成形为板状，再缓慢冷却。
成形优选采用溢出下拉法。若用溢出下拉法成形玻璃基板，就能够制造未研磨且表面品质良好的玻璃基板。其理由为，用溢出下拉法时，用于成为玻璃基板的表面的面不与桶状耐火物接触，而以自由表面的状态成形，由此，能够成形无研磨且表面品质良好的玻璃基板。在此，溢出下拉法是将溶融状态的玻璃从耐热性的桶状结构物的两侧溢出，使溢出的溶融玻璃在桶状结构物的下端一边合流，一边向下方延伸成形从而制造玻璃基板的方法。关于桶状结构物的结构及材质，只要将玻璃基板的尺寸及表面精度制成所希望的状态，能够实现在玻璃基板中能够使用的品质，就没有特别的限定。另外，相对于用于进行向下方的延伸成形的玻璃基板用任何方法施加力都可以。例如，也可以采用使具有充分大的宽度的耐热性轧辊在与玻璃基板接触的状态旋转延伸的方法，也可以采用使成为多对的耐热性轧辊与玻璃基板的端面附近接触而延伸的方法。本发明的玻璃在耐失透性方面优异，并且具有适合于成形的粘度特性，因此，用溢出下拉法能够高精度地进行成形。另外，只要液相温度为1050℃以下，液相粘度为104.0dPa·s以上，就能够用溢出下拉法制造玻璃基板。
另外，除溢出下拉法以外，也可以采用各种方法。例如，可以采用下拉法(槽拉伸法、多级拉伸法等)、浮动法、转出法、挤压法等各种成形方法。例如，若用挤压法成形玻璃，能够高效制造小型的玻璃基板。
在制造本发明的强化玻璃基板时，首先准备上述玻璃。其次，实施强化处理。将玻璃基板切断成规定的尺寸也可以在强化处理前进行，但是，在强化处理后进行能够降低制造成本，因此优选。关于强化处理，理想的是通过离子交换处理进行。离子交换处理可以通过例如在400～550℃的硝酸钾溶液中浸渍玻璃板1～8个小时来进行。关于离子交换条件，只要考虑玻璃的粘度特性等选择最适当的条件即可。
实施例
下面，根据实施例说明本发明。
表1～3表示本发明的实施例(试样No.5～9)及比较例(试样No.1～4及10)。另外，表中的(MgZrZn)/(MgZrZnAl)表示的意思是(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)。
[表1]
  No.1   No.2   No.3   No.4
  SiO2Al2O3ZnONa2OLi2OK2OSb2O3ZrO2TiO2B2O3MgOBaOP2O5   71.99.47.21.75.40.53.9   70.59.23.97.01.75.30.51.9   70.89.37.11.75.40.53.31.9   70.29.22.67.01.75.30.52.21.3
  密度(g/cm3)   2.40   2.45   2.40   2.43
  Ps(℃)Ta(℃)Ts(℃)104(℃)103(℃)102.5(℃)   478526771119514171559   474522764118114031549   474516729114113741530   473517737115413861538
  α(×10-7/℃)   80   81   77   78
  液相温度(℃)   ＜800   ＜800   ＜800   ＜800
  液相粘度logηTL(dPa·s)   ＞7.2   ＞7.2   ＞6.7   ＞6.7
  杨氏模量(Gpa)   74   74   75   75
  相对杨氏模量[GPa/(g/cm3)]   30.8   30.2   31.3   30.8
  裂纹发生率(％)   13   5   20   8
  压缩应力值(MPa)   570   590   560   570
  应力层厚度(μm)   21   21   18   19
[表2]
  No.5   No.6   No.7   No.8
  SiO2Al2O3ZnONa2OLi2OK2OSb2O3TiO2MgOSnO2   64.713.71.98.41.95.53.80.1   62.913.63.98.31.95.53.80.1   63.813.71.98.41.95.50.9380.1   62.113.63.88.31.95.50.93.80.1
  密度(g/cm3)   2.46   2.50   2.47   2.51
  Ps(℃)Ta(℃)Ts(℃)104(℃)103(℃)102.5(℃)   493538768115613631493   495540762113813381466   496540761114013441473   498541755112713251451
  α(×10-7/℃)   88   89   89   89
  液相温度(℃)   1008   1038   1009   1032
  液相粘度logηTL(dpa·s)   5.0   4.7   4.9   4.6
  杨氏模量(Gpa)   77   77   77   78
  相对杨氏模量[GPa/(g/cm3)]   31.2   31.0   31.1   31.2
  裂纹发生率(％)   未测定   未测定   未测定   未测定
  压缩应力值(MPa)   830   900   840   900
  应力层厚度(μm)   17   15   17   15
[表3]
  No.9   No.10
  SiO2Al2O3ZnONa2OLi2OK2OZrO2TiO2MgOSnO2   58.316.812.64.91.55.80.1   57.813.35.08.13.33.95.70.91.90.1
  (MgZrZn)/(MgZrZnAl)   0.26   0.49
  密度(g/cm3)   2.53   2.61
  Ps(℃)Ta(℃)Ts(℃)104(℃)103(℃)102.5(℃)   470510704104012181334   505547751108112541367
  α(×10-7/℃)   未测定   88
  液相温度(℃)   855   ＞1050
  液相粘度logηTL(dpa·s)   5.6   ＜4.2
  杨氏模量(Gpa)   未测定   未测定
  相对杨氏模量[GPa/(g/cm3)]   未测定   未测定
  裂纹发生率(％)   未测定   未测定
  压缩应力值(MPa)   822   1220
  应力层厚度(μm)   13   10
各试样按如下的方式制作。首先，按照成为表1～3的玻璃组分的方式调合玻璃原料，用白金干锅以1600℃溶融8小时。之后，使溶融玻璃流至碳板上，成形为板状。对得到的玻璃基板评价各种特性。
密度是通过众所周知的阿基米德法来测定。
应变点Ps、缓冷点Ta是根据ASTM C336方法来测定。
软化点Ts是根据ASTM C338方法来测定。
与玻璃的粘度104.0dPa·s、103.0dPa·s、102.5dPa·s相当的温度用白金球拉伸法进行测定。
热膨胀系数α是用膨胀计测定30～380℃的平均热膨胀系数。
液相温度为粉碎玻璃、将通过标准筛30网眼(筛孔500μm)、在50网眼(筛孔300μm)中剩余的玻璃粉末放入白金干锅，且在温度梯度炉中保持24小时后，测定的结晶析出的温度。
液相粘度表示在液相温度的各玻璃的粘度。
杨氏模量通过共振法测定。
裂纹发生率按如下所述测定。首先，在保持于湿度30％、温度25℃的恒温恒湿槽内，将设定为500g负荷的维氏压头压入玻璃表面(光学研磨面)15秒的时间，在15秒后，从压痕的4个角计数发生的裂纹的数量(对于一个压痕而言设定为最大4)。这样压入压头20次，求总裂纹发生数，之后，由(总裂纹发生数/80)×100求出。
其结果是，得到的本发明的实施例即玻璃基板密度为2.53g/cm3以下，热膨胀系数为88～89×10-7/℃，杨氏模量为77GPa以上，适合作为强化玻璃原料。另外，认为液相粘度在104.6dPa·s以上时为高，可以溢出下拉法成形，而且，102.5dPa·s的温度为1493℃以下时为低，因此，生产性提高，且能够便宜地供给大量的玻璃基板。另外，在本实施例中，裂纹发生率未测定，但是，认为良好。另外，未强化玻璃基板和强化玻璃基板尽管在玻璃基板的表层微观的玻璃组分不同，但是，作为玻璃基板整体，玻璃组分实质是相同的。因此，对于密度、粘度、杨氏模量等特性值，未强化玻璃基板和强化玻璃基板的上述特性实质是相同的。另外，裂纹发生率受玻璃表层组分的影响，因此，在未强化玻璃基板和强化玻璃基板中有时特性值不同，但是，在强化玻璃基板中裂纹发生率有进一步降低的倾向，因此，在本发明中不成为使强度降低的因素。
接着，对试样No.1～10各玻璃基板的两表面实施光学研磨后，进行离子交换处理。离子交换通过在430℃的KNO3溶融盐中浸渍各试样4小时来进行。结束处理的各试样洗净表面后，从用表面应力计(株式会社东芝制FSM-6000)观察的干涉条纹的条数和其间隔算出表面的压缩应力值和压缩应力层的厚度。
其结果是，本发明的实施例即No.5～9的各玻璃基板在其表面发生822MPa以上的压缩应力，且其厚度为13μm以上。
另外，上述实施例为了便于说明本发明，在溶融玻璃、通过流出进行成形后，在离子交换处理前进行光学研磨。以工业规模化实施的情况下，理想是用溢出下拉法等成形玻璃基板，在玻璃基板的两表面未研磨的状态进行离子交换处理。
参照特定的形态对本发明进行了详细地说明，但是，对于本领域的一般技术人员而言，很显然不脱离本发明的精神和范围而可进行各种变更及修正。
另外，本发明根据2007年6月7日申请的日本特许出愿(特愿2007-151136)，其整体通过引用而被援引。
再者，在这里被引用的全部参照内容作为总体被采用。
产业上的可利用性
本发明的强化玻璃基板适合作为手机、数码相机、PDA等保护玻璃或触摸面板显示器等玻璃基板。另外，本发明的强化玻璃基板除了这些用途以外，也可以期待用于要求高机械强度的用途，例如，应用于窗玻璃、磁盘用基板、平板显示器用基板、太阳电池用保护玻璃、固体摄像元件用保护玻璃、食品器械。

Claims (20)

1.一种强化玻璃基板，其表面具有压缩应力层，其特征在于，所述强化玻璃基板具有未研磨的表面，用于保护用玻璃，作为玻璃组分，以质量％计，含有SiO240～70％、Al2O312～25％、B2O30～10％、Li2O0～1.9％、Na2O6～15％、K2O0～10％、Li2O+Na2O+K2O13～20％、MgO0～3.9％、CaO0～5％、ZnO0～5％、ZrO20～6％、SrO+BaO0～5％，并且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.45。
2.如权利要求1所述的强化玻璃基板，其表面具有压缩应力层，其特征在于，作为玻璃组分，以质量％计，含有SiO240～70％、Al2O312～25％、B2O30～10％、Li2O0～1.9％、Na2O6～15％、K2O0～10％、Li2O+Na2O+K2O13～20％、MgO0～3.9％、CaO0～5％、ZnO0～5％、ZrO20～5.5％、SrO+BaO0～5％，并且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值为0.25～0.45。
3.如权利要求1或2所述的强化玻璃基板，其特征在于，该强化玻璃基板通过化学方式强化而成。
4.如权利要求1或2所述的强化玻璃基板，其特征在于，所述K2O的含量为0.1～10质量％。
5.如权利要求1所述的强化玻璃基板，其特征在于，所述压缩应力层的厚度为1μm以上。
6.如权利要求1所述的强化玻璃基板，其特征在于，所述强化玻璃基板的两侧表面均为未研磨的表面。
7.如权利要求1所述的强化玻璃基板，其特征在于，该强化玻璃基板由液相温度为1050℃以下的玻璃构成。
8.如权利要求1所述的强化玻璃基板，其特征在于，该强化玻璃基板由液相粘度为105.0dPa·s以上的玻璃构成。
9.如权利要求6所述的强化玻璃基板，其特征在于，该强化玻璃基板由液相粘度为104.0dPa·s以上的玻璃构成。
10.如权利要求1所述的强化玻璃基板，其特征在于，该强化玻璃基板用于触摸面板显示器。
11.如权利要求1所述的强化玻璃基板，其特征在于，该强化玻璃基板用于手机的保护玻璃。
12.如权利要求8所述的强化玻璃基板，其特征在于，该强化玻璃基板用于手机的保护玻璃。
13.如权利要求1所述的强化玻璃基板，其特征在于，该强化玻璃基板用于太阳电池的保护玻璃。
14.如权利要求8所述的强化玻璃基板，其特征在于，该强化玻璃基板用于太阳电池的保护玻璃。
15.如权利要求1所述的强化玻璃基板，其特征在于，该强化玻璃基板作为显示器的保护部件使用。
16.一种强化玻璃基板的制造方法，其特征在于，将调制成具有下述范围的玻璃组分的玻璃原料熔融，成形为板状，之后，进行离子交换处理，在玻璃表面形成压缩应力层，所述玻璃组分为：以质量％计，含有SiO240～70％、Al2O312～25％、B2O30～10％、Li2O0～1.9％、Na2O6～15％、K2O0～10％、Li2O+Na2O+K2O13～20％、MgO0～3.9％、CaO0～5％、ZnO0～5％、ZrO20～6％、SrO+BaO0～5％，并且以质量分率计，(MgO+ZrO2+ZnO)/(MgO+ZrO2+ZnO+Al2O3)的值在0.25～0.45的范围内，
所述强化玻璃基板具有未研磨的表面，所述强化玻璃基板用于保护用玻璃。
17.如权利要求16所述的强化玻璃基板的制造方法，其特征在于，所述K2O的含量为0.1～10质量％。
18.如权利要求16所述的强化玻璃基板的制造方法，其特征在于，两个表面均为未研磨表面。
19.如权利要求16所述的强化玻璃基板的制造方法，其特征在于，在离子交换处理后，将玻璃基板切断成规定的尺寸。
20.如权利要求16或19所述的强化玻璃基板的制造方法，其特征在于，通过溢出下拉法成形为板状。
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