DE112018007900T5

DE112018007900T5 - Kristallisiertes glassubstrat

Info

Publication number: DE112018007900T5
Application number: DE112018007900.7T
Authority: DE
Inventors: Toshitaka Yagi; Kohei Ogasawara; Yuki Motoshima; Reika Kojima; Yutaka Yamashita; Naoyuki Goto
Original assignee: Ohara Inc
Current assignee: Ohara Inc
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2021-04-22
Also published as: US11577989B2; US11926554B2; TWI759530B; TW202017875A; US20210230048A1; US20230150865A1; KR20210042105A; CN112512985B; JPWO2020031338A1; CN112512985A; WO2020031338A1; JP7150852B2

Abstract

Ein kristallisiertes Glassubstrat bereitzustellen, welches eine Oberfläche mit einer Druckspannungsschicht umfasst, wobei eine Spannungstiefe DOLzeroder Druckspannungsschicht, bei welcher die Druckspannung 0 MPa ist, 45 bis 200 µm ist, wobei eine Druckspannung CS auf der äußersten Oberfläche der Druckspannungsschicht 400 bis 1400 MPa ist und eine zentrale Spannung CT, welche durch Verwendung von Kurvenanalyse bestimmt ist, 55 bis 300 MPa ist.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein kristallisiertes Glassubstrat, welches eine Oberfläche mit einer Druckspannungsschicht umfasst.
HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
Ein Schutzglas zum Schutz eines Displays wird in einem tragbaren elektronischen Gerät, wie zum Beispiel einem Smartphone oder einem Tablet-PC verwendet. Eine Schutzeinrichtung zum Schutz einer Linse wird auch in einem optischen Gerät im Fahrzeug verwendet. In den vergangenen Jahren gibt es eine Nachfrage zur Verwendung in einem Gehäuse oder ähnlichem, welches als ein Äußeres eines elektronischen Geräts dient. Es gibt eine ansteigende Nachfrage für ein hartes und beinahe unzerbrechliches Material, so dass diese Geräte einer rigoroseren Verwendung standhalten können.
Konventionell ist eine chemische Verfestigung als ein Verfahren zur Verfestigung eines Glassubstrats bekannt. Zum Beispiel offenbart Patentdokument 1 ein kristallisiertes Glassubstrat für ein Informationsaufzeichnungsmedium. Jedoch ist es nicht möglich einen ausreichenden Druckspannungswert zu erreichen, wenn dieses kristallisierte Glassubstrat chemisch verfestigt wird.
[Stand der Technikdocument]
[Patentdokument]
[Patentdokument 1] japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2014-114200
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf das obige Problem gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es ein hartes und beinahe unzerbrechliches kristallisiertes Glassubstrat zu erreichen.
Als ein Ergebnis intensiver Studien, um das obige Problem zu lösen, entdeckten die vorliegenden Erfinder, dass es möglich war, ein beinahe unzerbrechliches kristallisiertes Glassubstrat mit einer hohen Schlagfestigkeit zu erreichen, wenn eine Oberfläche des kristallisiertes Glassubstrats eine bestimmte Druckspannungsschicht umfasste und eine bestimmte zentrale Spannung aufwies, und führte zur Vervollständigung der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere stellt die vorliegende Offenbarung folgende Ausgestaltungen bereit.
(Ausgestaltung 1)
Kristallisiertes Glassubstrat, umfassend eine Oberfläche mit einer Druckspannungsschicht, wobei
eine Spannungstiefe DOL_zero der Druckspannungsschicht 45 bis 200 µm ist, wobei die Spannungstiefe DOL_zero eine Tiefe ist bei der die Druckspannung 0 MPa ist,
wobei eine Druckspannung CS auf der äußersten Oberfläche der Druckspannungsschicht 400 bis 1400 MPa ist, und
eine zentrale Spannung CT, welche durch Verwendung von Kurvenanalyse bestimmt ist, 55 bis 300 MPa ist.
(Ausgestaltung 2)
Kristallisiertes Glassubstrat gemäß Ausgestaltung 1, wobei eine Summe der Spannungstiefen von beiden Oberflächen des kristallisierten Glassubstrats,
2 x DOL_zero, 10 bis 80% einer Dicke T des kristallisierten Glassubstrats ist.
(Ausgestaltung 3)
Kristallisiertes Glassubstrat gemäß Ausgestaltung 1 oder 2, umfassend: in Gew.-% in Bezug auf Oxid,
40,0% bis 70,0% einer SiO₂-Komponente;
11,0% bis 25,0% einer Al₂O₃-Komponente;
5,0% bis 19,0% einer Na₂O-Komponente;
0% bis 9,0% einer K₂O-Komponente,
1,0% bis 18,0% einer oder mehrerer ausgewählt aus einer MgO-Komponente und einer ZnO-Komponente;
0% bis 3,0% einer CaO-Komponente; und
0,5% bis 12,0% einer TiO₂-Komponente.
(Ausgestaltung 4)
Kristallisiertes Glassubstrat gemäß einer der Ausgestaltungen 1 bis 3, wobei eine Dicke T des kristallisierten Glassubstrats 0,1 bis 1,0 mm ist.
(Ausgestaltung 5)
Kristallisiertes Glassubstrat gemäß einer der Ausgestaltungen 1 bis 4, wobei E/p, welches ein Verhältnis des Youngschen Moduls E (GPa) zu einem spezifischen Gewicht p ist, 31 oder mehr ist.
(Ausgestaltung 6)
Kristallisiertes Glassubstrat gemäß einer der Ausgestaltungen 1 bis 5, wobei eine Summe der Druckspannung CS auf der äußeren Oberfläche und der zentralen Spannung CT 600 bis 1400 MPa ist.
(Ausgestaltung 7)
Kristallisiertes Glassubstrat gemäß einer der Ausgestaltungen 1 bis 6, wobei die Spannungstiefe DOL_zero 70 bis 110 µm ist,
die Druckspannung CS auf der äußersten Oberfläche 550 bis 890 MPa ist,
die zentrale Spannung CT 100 bis 250 MPa ist, und
eine Summe der Druckspannung CS auf der äußersten Oberfläche und der
zentralen Spannung CT 800 bis 1200 MPa ist.
(Ausgestaltung 8)
Kristallisiertes Glassubstrat gemäß einer der Ausgestaltungen 1 bis 6,
wobei die Spannungstiefe DOL_zero 65 bis 85 µm ist,
die Druckspannung CS auf der äußersten Oberfläche 700 bis 860 MPa ist,
die zentrale Spannung CT 120 bis 240 MPa ist, und
die Dicke des kristallisierten Glassubstrats 0,15 bis 0,7 mm ist.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich ein hartes und beinahe unzerbrechliches kristallisiertes Glassubstrat zu erhalten.
Es ist möglich das kristallisierte Glassubstrat der vorliegenden Offenbarung für einen Display eines elektronischen Geräts, ein Linsenschutzglas, ein äußeres Rahmenelement oder ein Gehäuse, ein optisches Linsenmaterial und verschiedene Typen anderer Teile zu verwenden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Rahmens, welcher in einem Falltest in einem Beispiel verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen und Beispiele eines kristallisiertes Glassubstrats der vorliegenden Offenbarung werden unten im Detail beschrieben, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die folgenden Ausführungsformen und Beispiele beschränkt und kann mit geeigneten Änderungen innerhalb des Umfangs der Aufgabe der vorliegenden Offenbarung geändert werden.
[Kristallisiertes Glassubstrat]
Ein kristallisiertes Glassubstrat der vorliegenden Offenbarung verwendet kristallisiertes Glas als Basismaterial (auch bezeichnet als „kristallisiertes Glasbasismaterial“) und umfasst eine Oberfläche mit einer Druckspannungsschicht. Es ist möglich die Druckspannungsschicht durch Aussetzen des kristallisierten Glasbasismaterials einer Ionenaustauschbehandlung zu bilden. Die Druckspannungsschicht wird von einer äußersten Oberfläche des Substrats in Richtung nach innen mit einer bestimmten Dicke gebildet und eine Druckspannung ist auf der äußersten Oberfläche am höchsten und verringert sich in Richtung nach innen auf beinahe Nichtexistenz.
Die Druckspannung (auch bezeichnet als „äußerste Oberflächendruckspannung“) CS der äußersten Oberfläche der Druckspannungsschicht ist 400 bis 1400 MPa, und kann zum Beispiel 550 bis 1300 MPa, 600 bis 1200 MPa, 650 bis 1000 MPa, 700 bis 890 MPa, 700 bis 880 MPa oder 750 bis 860 MPa sein.
Als Tiefe DOL_zero (auch bezeichnet als „Spannungstiefe“) der Druckspannungsschicht, bei welcher die Druckspannung 0 MPa ist, ist 45 bis 200 µm, und kann zum Beispiel 50 bis 140 µm, 55 bis 120 µm, 65 bis 110 µm, 70 bis 100 µm oder 75 bis 85 µm sein.
Eine Summe der Spannungstiefe von beiden Oberflächen des kristallisierten Glassubstrats kann 10 bis 80% der Dicke der Druckspannungsschicht sein und kann 12 bis 60%, 15 bis 50% oder 20 bis 40% sein.
Eine zentrale Spannung CT ist 55 bis 300 MPa, und kann zum Beispiel 60 bis 250 MPa, 65 bis 240 MPa, 80 bis 230 MPa, 100 bis 200 MPa, 105 bis 180 MPa, oder 120 bis 150 MPa sein. Es wird angemerkt, dass in der vorliegenden Offenbarung die zentrale Spannung CT durch Verwendung von Kurvenanalyse bestimmt ist.
Eine Summe der äußersten Oberflächendruckspannung CS und der zentralen Spannung CT kann 600 bis 1400 MPa, 700 bis 1200 MPa, 750 bis 1100 MPa, oder 800 bis 1000 MPa sein.
Wenn die Druckspannungsschicht die oben erwähnte Spannungstiefe DOL_zero, die äußerste Oberflächendruckspannung CS und die zentrale Spannung CT aufweist, ist das Substrat im Wesentlichen unzerbrechlich. Es ist möglich die Spannungstiefe DOL_zero, die äußerste Oberflächendruckspannung CS und die zentrale Spannung CT durch Anpassung einer Zusammensetzung, einer Substratdicke und einer chemischen Verfestigungsbedingung anzupassen.
Eine untere Grenze der Dicke des kristallisierten Glassubstrats ist bevorzugt 0,15 mm oder mehr, bevorzugter 0,30 mm oder mehr, noch bevorzugter 0,40 mm oder mehr, immer noch bevorzugter 0,50 mm oder mehr, und eine obere Grenze der Dicke des kristallisierten Glassubstrats ist bevorzugt 1,00 mm oder weniger, bevorzugter 0,90 mm oder weniger, noch bevorzugter 0,70 mm oder weniger und immer noch bevorzugter 0,6 mm oder weniger.
E/p, das heißt ein Verhältnis des Youngschen Moduls E (GPa) in Bezug auf ein spezifisches Gewicht p des kristallisierten Glassubstrats, ist bevorzugt 31 oder mehr, bevorzugter 32 oder mehr, und noch bevorzugter 33 oder mehr.
Das kristallisierte Glas ist ein Material mit einer kristallinen Phase und einer Glasphase und wird unterschieden von einem amorphen Feststoff. Im Allgemeinen wird die kristalline Phase des kristallisierten Glases durch Verwendung eines Peakwinkels, welcher in einem Röntgenbeugungsmuster einer Röntgenbeugungsanalyse erscheint, und, falls nötig, durch Verwendung von TEMEDX bestimmt.
Als die kristalline Phase umfasst das kristalline Glas zum Beispiel eines oder mehrere ausgewählt aus MgAl₂O4, MgTi₂O₄, MgTi₂O₅, Mg₂TiO₄, Mg₂SiO₄, MgAl₂Si₂O₈, Mg₂Al₄Si₅O₁₈, Mg₂TiO₅, MgSiO₃, NaAlSiO₄, FeAl₂O₄ und feste Lösungen davon.
Ein durchschnittlicher Kristalldurchmesser des kristallisierten Glases ist zum Beispiel 4 bis 15 nm und kann 5 bis 13 nm oder 6 bis 10 nm sein. Wenn der durchschnittliche Kristalldurchmesser klein ist, kann eine Oberflächenrauigkeit Ra nach dem Polieren problemlos bis zu ungefähr mehreren Å Niveaus weiterverarbeitet werden. Zusätzlich erhöht sich eine Transmission.
Ein Zusammensetzungsbereich jeder Komponente, welche das kristalline Glas ausgestalten, ist unten beschrieben. Wie hier verwendet, wird ein Gehalt jeder Komponente in Gew.-% in Bezug auf Oxid ausgedrückt, falls nichts anderes angegeben ist. Hier bedeutet „in Bezug auf Oxid“, wenn angenommen wird, dass alle der Komponenten, welche in dem kristallisierten Glas enthalten sind, gelöst sind und in Oxide umgewandelt sind und ein Gesamtgewicht der Oxide 100 Gew.-% ist, dass eine Menge der Oxide in jeder der Komponenten, welche in dem kristallisierten Glas enthalten sind, in Gew.% ausgedrückt ist.
Das kristallisierte Glas, welches als ein Basismaterial dient, umfasst bevorzugt, in Gew.-% in Bezug auf Oxid,
40,0% bis 70,0% einer SiO₂-Komponente;
11,0% bis 25,0% einer Al₂O₃-Komponente;
5,0% bis 19,0% einer Na₂O-Komponente;
0% bis 9,0% einer K₂O-Komponente,
1,0% bis 18,0% einer oder mehrerer ausgewählt aus einer MgO-Komponente und einer ZnO-Komponente,
0% bis 3,0% einer CaO-Komponente; und
0,5% bis 12,0% einer TiO₂-Komponente.
Die SiO₂-Komponente ist bevorzugter in einer Menge von 45,0% bis 65,0%, und noch bevorzugter 50,0% bis 60,0%, enthalten.
Die Al₂O₃-Komponente ist bevorzugter in einer Menge von 13,0% bis 23,0% enthalten.
Die Na₂O-Komponente ist bevorzugter in einer Menge von 8,0% bis 16,0% enthalten. Die Na₂O-Komponente kann in einer Menge von 9,0% oder mehr oder 10,5% oder mehr enthalten sein.
Die K₂O-Komponente ist bevorzugter in einer Menge von 0,1% bis 7,0%, und noch bevorzugter 1,0% bis 5,0%, enthalten.
Die eine oder mehrere ausgewählt aus der MgO-Komponente und der ZnO-Komponente ist bevorzugter in einer Menge von 2,0% bis 15,0%, noch bevorzugter 3,0% bis 13,0%, und besonders bevorzugt 5,0 bis 11,0%, enthalten. Die eine oder mehrere ausgewählt aus der MgO-Komponente und der ZnO-Komponente kann die MgO-Komponente allein, die ZnO-Komponente allein, oder beide der Komponenten, aber bevorzugt die MgO-Komponente allein, sein.
The CaO-Komponente ist bevorzugter in einer Menge von 0,01% bis 3,0%, und noch bevorzugter 0,1% bis 2,0% enthalten.
Die TiO₂-Komponente ist bevorzugter in einer Menge von 1,0% bis 10,0%, und noch bevorzugter 2,0% bis 8,0% enthalten.
Das kristallisierte Glas kann 0,01% bis 3,0% (bevorzugt 0,1% bis 2,0%, bevorzugter 0,1% bis 1,0%) von einer oder mehreren ausgewählt aus der Sb₂O₃-Komponente, der SnO₂-Komponente, und der CeO₂-Komponente enthalten.
Die obigen Mischungsmengen können je nach Bedarf kombiniert werden.
Das kristallisierte Glas kann eine oder mehrere ausgewählt aus der SiO₂-Komponente, der Al₂O₃-Komponente, der Na₂O-Komponente, der MgO-Komponente, und der ZnO-Komponente; und die TiO₂-Komponente in einer Menge von 90% oder mehr, bevorzugt 95% oder mehr, bevorzugter 98% oder mehr, und noch bevorzugter 98,5% oder mehr, enthalten.
Das kristallisierte Glas kann eine oder mehrere ausgewählt aus der SiO₂-Komponente, der Al₂O₃-Komponente, der Na₂O-Komponente, der K₂O-Komponente, der MgO-Komponente und der ZnO-Komponente; die CaO-Komponente; die TiO₂-Komponente; und eine oder mehrere ausgewählt aus der Sb₂O₃-Komponente, die SnO₂-Komponente, die CeO₂-Komponente in einer Menge von 90%, bevorzugt 95% oder mehr, bevorzugter 98% oder mehr, und noch bevorzugter 99% oder mehr, enthalten. Das kristallisierte Glas kann nur aus diesen Komponenten bestehen.
Das kristallisierte Glas kann eine oder keine ZrO₂-Komponente enthalten, solange der Effekt der vorliegenden Offenbarung nicht beeinträchtigt wird. Die Mischungsmenge kann 0 bis 5,0%, 0 bis 3,0% oder 0 bis 2,0% sein.
Solange der Effekt der vorliegenden Offenbarung nicht beeinträchtig ist, kann das kristallisierte Glas oder kann nicht eine B₂O₃-Komponente, eine P₂O₅-Komponente, eine BaO-Komponente, eine FeO-Komponente, eine SnO₂-Komponente, eine Li₂O-Komponente, eine SrO-Komponente, eine La₂O₃ Komponente, eine Y₂O₃-Komponente, eine Nb₂O₅-Komponente, eine Ta₂O₅ Komponente, eine WO₃-Komponente, eine TeO₂-Komponente, und eine Bi₂O₃-Komponente enthalten. Die Mischungsmenge jeder der Komponenten kann 0 bis 2,0%, 0 oder mehr und weniger als 2,0%, oder 0 bis 1,0%, sein.
Das kristallisierte Glas der vorliegenden Offenbarung kann oder kann nicht, als ein Klärmittel, eine Sb₂O₃-Komponente, eine SnO₂-Komponente, eine CeO₂-Komponente, und eine AS₂O₃-Komponente, und zusätzlich eine oder zwei oder mehrere Arten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, NOx, und SOx, enthalten. Jedoch ist ein Gehalt des Klärmittels bevorzugt 5,0% oder weniger, bevorzugter 2,0% oder weniger, und am bevorzugsten 1,0% oder weniger.
Das kristallisierte Glas, welches als das Basismaterial dient, enthält bevorzugt, in Mol% in Bezug auf Oxid,
43,0 Mol% bis 73,0 Mol% einer SiO₂-Komponente;
4,0 Mol% bis 18,0 Mol% einer Al₂O₃-Komponente;
5,0 Mol% bis 19,0 Mol% einer Na₂O-Komponente;
0 Mol% bis 9,0 Mol% einer K₂O-Komponente;
2,0 Mol% bis 22,0 Mol% einer oder mehrere ausgewählt aus einer MgO-Komponente und einer ZnO-Komponente,
0 Mol% bis 3,0 Mol% einer CaO-Komponente; und
0,5 Mol% bis 11,0 Mol% einer TiO₂-Komponente.
Das kristallisierte Glas kann eine oder mehrere ausgewählt aus der SiO₂-Komponente, der Al₂O₃-Komponente, der Na₂O-Komponente, der MgO-Komponente, und der ZnO-Komponente; und der TiO₂-Komponente in einer Menge von 90 Mol% oder mehr, bevorzugt 95 Mol% der mehr, bevorzugter 98 Mol% oder mehr, und noch bevorzugter 99 Mol% oder mehr, enthalten.
Andere Komponenten, welche oben nicht beschrieben sind, können dem kristallisierten Glas der vorliegenden Offenbarung, falls nötig, zugefügt werden, solange die Eigenschaften des kristallisierten Glases der vorliegenden Offenbarung nicht beeinträchtigt werden. Das kristallisierte Glas (und das Substrat) der vorliegenden Offenbarung kann zum Beispiel farblos und transparent sein, aber das Glas kann gefärbt sein, solange die Eigenschaften des kristallisierten Glases nicht beeinträchtigt werden.
Es gibt eine Tendenz, dass eine Verwendung jeder der Komponenten von Pb, Th, Tl, Os, Be und Se, welche in den vergangenen Jahren als eine schädliche chemische Substanz angesehen wird, und vermieden wird, und daher ist es bevorzugt, dass die Komponente im Wesentlichen nicht enthalten ist.
In einem Falltest, welcher in den Beispielen durchgeführt wird, hat das kristallisierte Glassubstrat der vorliegenden Offenbarung bevorzugt eine Bruchhöhe von 60 cm oder mehr, 70 cm oder mehr, 80 cm oder mehr, 90 cm oder mehr, 100 cm oder mehr, oder 110 cm oder mehr.
[Herstellungsverfahren]
Es ist möglich das kristallisierte Glassubstrat der vorliegenden Offenbarung durch das folgende Verfahren herzustellen. Das heißt, das Ausgangsmaterial wird gleichmäßig gemischt und das gemischte Ausgangsmaterial wird geschmolzen und geformt, um das Rohglas herzustellen. Als nächstes wird das sich daraus ergebende Rohglas kristallisiert, um ein kristallisiertes Glasbasismaterial herzustellen. Ferner wird das kristallisierte Glasbasismaterial chemisch verfestigt.
Das Rohglas wird wärmbehandelt, um Kristalle in dem Glas auszufällen. Das Rohglas kann bei einer einschrittigen Temperatur oder einer zweischrittigen Temperatur wärmebehandelt werden.
Bei einer zweischrittigen Wärmebehandlung wird zuerst ein Keimbildungsschritt durch eine Wärmebehandlung bei einer ersten Temperatur durchgeführt, und nach dem Keimbildungsschritt wird ein Kristallwachstumsschritt durch eine Wärmebehandlung bei einer zweiten Temperatur höher als die in dem Keimbildungsschritt durchgeführt.
Bei einer einschrittigen Wärmebehandlung werden der Keimbildungsschritt und der Kristallwachstumsschritt kontinuierlich bei einer einschrittigen Temperatur durchgeführt. Typischerweise wird die Temperatur auf eine vorbestimmte Wärmebehandlungstemperatur erhöht, die Temperatur wird für eine bestimmte Zeitspanne nach dem Erreichen der Wärmebehandlungstemperatur beibehalten und anschließend wird die Temperatur gesenkt.
Eine erste Temperatur der zweischrittigen Wärmebehandlung ist bevorzugt 600°C bis 750°C. Eine Haltezeit bei der ersten Temperatur ist bevorzugt 30 Minuten bis 2000 Minuten, und bevorzugter 180 Minuten bis 1440 Minuten.
Eine zweite Temperatur der zweischrittigen Wärmebehandlung ist bevorzugt 650°C bis 850°C. Eine Haltezeit bei der zweiten Temperatur ist bevorzugt 30 Minuten bis 600 Minuten, und bevorzugter 60 Minuten bis 300 Minuten.
Wenn die Wärmebehandlung bei der einschrittigen Temperatur durchgeführt wird, ist die Wärmbehandlungstemperatur bevorzugt 600°C bis 800°C, und bevorzugter 630°C bis 770°C. Eine Haltezeit bei der Wärmebehandlungstemperatur ist bevorzugt 30 Minuten bis 500 Minuten, und bevorzugter 60 Minuten bis 300 Minuten.
Es ist möglich aus dem kristallisierten Glasbasismaterial ein dünnes plattenförmiges kristallisiertes Glasbasismaterial durch Verwendung von, zum Beispiel, Mal- und Poliermitteln herzustellen.
Danach wird eine Druckspannungsschicht auf dem kristallisierten Glasbasismaterial durch Ionenaustausch durch ein chemisches Verfestigungsverfahren gebildet.
Es ist möglich das kristallisierte Glassubstrat der vorliegenden Offenbarung durch chemisches Verfestigen des kristallisierten Glasbasismaterials bei einer bestimmten Temperatur und für eine bestimmte Zeit in einem geschmolzenen Kaliumsalz (einzelnes Bad) (umfassend eine oder mehrere Arten von Kaliumsalzen, wie zum Beispiel Kaliumnitrat (KNO₃), Kaliumcarbonat (K₂CO₃), und Kaliumsulfat (K₂SO₄)) zu erhalten, eher als ein gemischtes geschmolzenes Salz (gemischtes Bad), umfassend Kaliumsalz und Natriumsalz. Das kristallisierte Glasbasismaterial wird zum Beispiel kontaktiert mit oder eingetaucht in ein geschmolzenes Salz, welches, zum Beispiel, auf 450 bis 580°C (500 bis 550°C oder 520 bis 530°C), für 380 Minuten bis 630 Minuten, 400 Minuten bis 600 Minuten, 450 bis 550 Minuten, oder 480 bis 520 Minutenerhitzt wird. Durch solche chemische Verfestigung läuft eine Ionenaustauschreaktion zwischen einer Komponente, welche nahe der Oberfläche vorliegt, und einer Komponente, welche in dem geschmolzenen Salz enthalten ist, ab, und als ein Ergebnis wird die Druckspannungsschicht mit den obigen Eigenschaften auf der Oberfläche gebildet. Insbesondere wenn das kristallisierte Glasbasismaterial bei 500 bis 550°C für 480 bis 520 Minuten verfestigt wird, ist es wahrscheinlicher ein beinahe unzerbrechliches Substrat zu erhalten.
Beispiele
Beispiele 1 bis 11 und Vergleichsbeispiel 1
In den Beispielen 1 bis 11 werden Ausgangsmaterialien, wie zum Beispiel Oxide, Hydroxide, Carbonate, Nitrate, Fluoride, Chloride und Metaphosphatverbindungen, von denen jedes einem Ausgangsmaterial jeder Komponente des kristallisierten Glases entspricht, ausgewählt, und diese Ausgangsmaterialien werden gewogen und gleichmäßig gemischt, um die folgenden Zusammensetzungsverhältnisse aufzuweisen.
(Gew.-% in Bezug auf Oxid)
Eine SiO₂-Komponente ist 54%, eine Al₂O₃-Komponente ist 18%, eine Na₂O-Komponente ist 12%, eine K₂O-Komponente ist 2%, eine MgO-Komponente ist 8%, eine CaO-Komponente ist 1%, und eine TiO₂-Komponente ist 5%, und eine Sb₂O₃-Komponente ist 0,1%
Als nächstes wurden die gemischten Ausgangsmaterialien einem Platintiegel zugeführt und in diesem geschmolzen. Danach wurde das geschmolzene Glas gerührt und homogenisiert, in eine Form gegossen und langsam abgekühlt, um das Rohglas herzustellen.
Das erhaltene Rohglas wurde einer einschrittigen Wärmebehandlung (bei 650 bis 730°C, für fünf Stunden) zur Keimbildung und Kristallisation ausgesetzt, um kristallisiertes Glas herzustellen, welches als ein Basismaterial dient. Als ein Ergebnis des Analysierens des erhaltenen kristallisierten Glases mit einem 200 kV Feld Emissions-Transmissionselektronenmikroskop FE-TEM (JEM 2100 F hergestellt durch JEOL Ltd.), wurden ausgefällte Kristalle mit einem durchschnittlichen Kristalldurchmesser von 6 bis 9 nm beobachtet. Ferner wurde ein Gitterbild durch ein Elektronenbeugungsbild bestätigt und das erhaltene kristallisierte Glas wurde mittels EDX analysiert und Kristallphasen von MgAl₂O₄ und MgTi₂O₄ wurden bestätigt. Kristalldurchmesser der Kristallpartikel in einem Bereich von 180 × 180 nm² wurden durch Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops bestimmt, um einen durchschnittlichen Kristalldurchmesser zu berechnen.
Das hergestellte kristallisierte Glasbasismaterial wurde geschnitten und gemalen, um ein Form von 150 mm in Länge, 70 mm in Breite und 1,0 mm oder mehr in Dicke aufzuweisen, und die gegenüberliegenden Seiten des hergestellten kristallisierten Glasbasismaterials wurden poliert, um parallel zueinander zu sein. Das kristallisierte Glasbasismaterial war farblos und transparent.
Die gegenüberliegenden Seiten des hergestellten kristallisierten Glasbasismaterials, welche poliert wurden, um parallel zueinander zu sein, um die Dicke zu erhalten, welche in Tabelle 1 gezeigt ist, wurde chemisch verfestigt, um ein kristallisiertes Glassubstrat zu erhalten, welches eine Oberfläche mit einer Druckspannungsschicht umfasst. Insbesondere wurde das kristallisierte Glasbasismaterial in ein KNO₃ geschmolzenes Salz bei einer Salzbadtemperatur und bei einer Eintauchzeit, welche in Tabelle 1 gezeigt werden, getaucht.
Im Vergleichsbeispiel 1 wurde ein übliches chemisch verfestigtes Glassubstrat verwendet, welches die folgende Zusammensetzung aufweist. Es wird berücksichtigt, dass dieses Substrat in ein gemischtes Bad, welches KNO₃ und NaNO₃ umfasst, getaucht wurde und anschließend in ein einzelnes Bad, welches KNO₃ umfasst, getaucht wurde.
(Gew.-% in Bezug auf Oxid)
Eine SiO₂-Komponente ist 54%, eine Al₂O₃-Komponente ist 13%, eine Na₂O-Komponente ist 5%, eine K₂O-Komponente ist 17%, eine MgO-Komponente ist 5,5%, eine CaO-Komponente ist 0,5%, und eine B₂O₃-Komponente ist 3%, und eine ZrO₂-Komponente ist 2%
Ein Druckspannungswert (CS) (MPa) und eine Spannungstiefe (DOL_zero) (µm) auf der äußersten Oberfläche der Druckspannungsschicht des kristallisierten Glassubstrats wurde durch Verwendung eines Glasoberflächenspannungsmesser FSM-6000LE hergestellt durch Orihara Manufacturing Co., LTD. gemessen. Ein Berechnungsindex von 1,54 und eine optische elastische Konstante von 29.658 [(nm/cm)/MPa] wurden verwendet, um den Druckspannungswert (CS) (MPa) und die Spannungstiefe (DOL_zero) (µm) zu berechnen. Ein zentraler Spannungswert (CT) (MPa) wurde durch Verwendung von Kurvenanalyse bestimmt. Tabelle 1 zeigt auch eine Substratdicke (T) (mm), ein Verhältnis von DOL_zero (eine Summe von DOL_zero-Werten von beiden Seiten des Substrats) zu einer Substratdicke (T) (2DOL_zero/1000T × 100), und eine Summe eines äußerste Oberflächendruckspannungswerts und des zentralen Spannungswerts (CS + CT) (MPa).
Ein Stahlkugelfalltest wurde auf dem kristallisierten Glassubstrat durch das folgende Verfahren durchgeführt.
Ein Acrylrahmen 1 wurde verwendet und 1 veranschaulicht einen Abschnitt des Rahmens 1. Der Rahmen 1 umfasst einen rechteckigen äußeren Rahmen 10 und einen inneren Rahmen 20, welcher niedriger als der äußere Rahmen ist, wobei der äußere Rahmen und der innere Rahmen eine Stufe bilden, und das Innere des inneren Rahmens lehr ist. Eine innere Größe des äußeren Rahmen 10 ist 151 mm × 71 mm, und eine innere Größe des inneren Rahmens 20 ist 141 mm × 61 mm. Das kristallisierte Glassubstrat 30 wurde innerhalb des äußeren Rahmens und auf dem inneren Rahmen angeordnet. Eine 130 g rostfreie Stahlkugel wurde von einer Höhe von 10 cm weg von dem kristallisierten Glassubstrat fallengelassen. Wenn das Substrat nach dem Fall nicht brach, wurde die Höhe um 10 cm erhöht und der Test wurde auf dieselbe Weise fortgesetzt bis das Substrat gebrochen war. Bruchhöhen sind in Tabelle 1 gezeigt. Aus Tabelle 1 geht hervor, dass die Substrate in den Beispielen beinahe unzerbrechlich sind.

Ferner wurden der Youngscher Modul E (GPa) und ein spezifisches Gewicht p gemessen, und ein Verhältnis E/p dazwischen wurde bestimmt. Der Youngscher Modul wurde mittels eines Ultraschallverfahrens gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

Beispiel	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	Vergleichsbeispiel 1
Salzbadtemperatur (°C)	520	530	550	520	530	550	460	500	530	540	550	---
Eintauchzeit (Minuten)	500	500	500	500	500	500	500	500	500	500	500	---
Substratdicke T (mm)	0.5	0.5	0.5	0.7	0.7	0.7	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	0.65
CS (MPa)	813	754	598	852	785	647	1118	973	797	733	652	742
DOLzero (\|im)	74	79	92	81	88	106	47	70	90	98	107	63
DOLzero-Verhältnis (%)	30	31	37	23	25	30	12	18	23	24	27	19
CT (MPa)	181	190	225	125	135	162	63	94	116	123	134	53
CS+CT (MPa)	994	944	822	977	920	810	1180	1067	913	856	786	795
Falltesthöhe (cm)	150	120	100	110	70	90	100	100	90	100	60	50
Youngscher Modul E (Gpa)	86											73
Spezifisches Gewicht p	2.54											2.46
E/p	33.9											29.7

Obwohl einige Ausführungsformen und/oder Beispiele der vorliegenden Offenbarung oben im Detail beschrieben sind, können die Fachleute einfach viele Modifizierungen auf diese beispielhaften Ausführungsformen und/oder Beispiele anwenden, ohne substantiell von der neuen Lehre und den Effekten der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Daher sind viele dieser Modifizierungen im Umfang der Erfindung.
Alle Inhalte der in der Beschreibung beschriebenen Literatur sind hier enthalten.

Claims

Kristallisiertes Glassubstrat, umfassend eine Oberfläche mit einer Druckspannungsschicht, wobei eine Spannungstiefe DOL_zero der Druckspannungsschicht 45 bis 200 µm ist, wobei die Spannungstiefe DOL_zero eine Tiefe ist, bei der die Druckspannung 0 MPa ist, wobei eine Druckspannung CS auf der äußersten Oberfläche der Druckspannungsschicht 400 bis 1400 MPa ist, und eine zentrale Spannung CT, welche durch Verwendung von Kurvenanalyse bestimmt ist, 55 bis 300 MPa ist.
Kristallisiertes Glassubstrat nach Anspruch 1, wobei eine Summe der Spannungstiefen von beiden Oberflächen des kristallisierten Glassubstrats, 2 x DOL_zero, 10 bis 80% einer Dicke T des kristallisierten Glassubstrats ist.
Kristallisiertes Glassubstrat nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: in Gew.- % in Bezug auf Oxid, 40,0% bis 70,0% einer SiO₂-Komponente; 11,0% bis 25,0% einer Al₂O₃-Komponente; 5,0% bis 19,0% einer Na₂O-Komponente; 0% bis 9,0% einer K₂O-Komponente, 1,0% bis 18,0% einer oder mehrerer ausgewählt aus einer MgO-Komponente und einer ZnO-Komponente; 0% bis 3,0% einer CaO-Komponente; und 0,5% bis 12,0% einer TiO₂-Komponente.
Kristallisiertes Glassubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Dicke T des kristallisierten Glassubstrats 0,1 bis 1,0 mm ist.
Kristallisiertes Glassubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei E/p, welches ein Verhältnis des Youngschen Moduls E (GPa) zu einem spezifischen Gewicht p ist, 31 oder mehr ist.
Kristallisiertes Glassubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Summe der Druckspannung CS auf der äußeren Oberfläche und der zentralen Spannung CT 600 bis 1400 MPa ist.
Kristallisiertes Glassubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Spannungstiefe DOL_zero 70 bis 110 µm ist, die Druckspannung CS auf der äußersten Oberfläche 550 bis 890 MPa ist, die zentrale Spannung CT 100 bis 250 MPa ist, und eine Summe der Druckspannung CS auf der äußersten Oberfläche und der zentralen Spannung CT 800 bis 1200 MPa ist.
Kristallisiertes Glassubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Spannungstiefe DOL_zero 65 bis 85 µm ist, die Druckspannung CS auf der äußersten Oberfläche 700 bis 860 MPa ist, die zentrale Spannung CT 120 bis 240 MPa ist, und eine Dicke des kristallisierten Glassubstrats 0,15 bis 0,7 mm ist.