JP2001522470A - 偏光領域および非偏光領域を有するガラスの製造方法 - Google Patents

偏光領域および非偏光領域を有するガラスの製造方法

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Abstract

(57)【要約】 イオン交換かまたは光と熱への露出のいずれかにより、一体となった偏光領域および非偏光領域の両方を有するガラスを製造する方法が開示されている。得られたガラスの偏光領域は、光線を偏光するのに効果的である、すなわち、そのガラスは、永久的な二色挙動を示し、400から700nmの波長範囲において少なくともある程度の偏光効果を有する。基礎ガラス組成は、Cu、Agおよび得られた析出結晶相がハロゲン化物からなるように少なくとも一つのハロゲン化物を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 偏光領域および非偏光領域を有するガラスの製造方法 発明の背景 偏光ガラスを製造するいくつかの方法が知られている。例えば、偏光ガラスは 、ハロゲン化銀含有ガラスから、米国特許第3,540,793号(アロージョ等)に開 示された再延伸工程により、または米国特許第4,304,584号および同第4,479,819 号(ボレリ等)に開示されたように、伸張されたガラスを還元ガス雰囲気に曝す ことにより製造できることが示された。この再延伸工程において、分離可能な相 を含有するガラスが、軟化温度よりも高い温度で伸張または再延伸され、その工 程の最中にこの分離可能な相が引き伸ばされる。相分離が生じる熱処理は、この 再延伸工程の前に行われる。上述した工程のある様式において、分離相は最初に 、AgClBr、CuClBrまたは銅/カドミウムのハロゲン化物のようなス ペクトル非吸収材料であり、この材料は、その後、偏光効果に必要とされる所望 の二色特性を生じるように変更されなければならない。このような変更は、前記 伸張されたガラスを還元ガス(例えば、水素)雰囲気において高温で、スペクト ル非吸収材料のそれらの対応する金属への化学的還元を行うのに十分な時間に亘 り処理することにより行われる。この化学的還元工程は、そのガラス中の水素の 拡散、およびこの水素と前記ハロゲン化物相との化学反応の両方を含む組合せ工 程である。偏光挙動は、この還元された層から由来する。また、偏光ガラスが長 時間に亘り500℃の近傍まで加熱されると、引き伸ばされた粒子は、再球状化し 、偏光特性が失われてしまう。すなわち、その引き伸ばされた粒子が元の球状に 戻ってしまう。これは、ガラスがいったん十分に軟らかくなると、界面力が、再 延伸力が行ったことを取り消すように機能するという事実により説明される。 その組成が還元性イオンを含有するガラスの色を変化させる、高温での水素焼 成もまたよく知られている。この技術の注目すべき商業用途が、セレンゲティ( SERENGETI)およびCPFの登録商標で販売されているコーニング社の アイウェア製品に見出されている。誘発される色の変化は、そのガラス中の銀 の一部が原子状態に還元されることによるものである。この化学反応は、表面近 くの還元領域と、表面の下の非還元領域との間の境界が鮮明であるという条件が 必要となる水素拡散と比較して、非常に速く進行する。 ハロゲン化銀含有ガラスに加えて、米国特許第3,325,299号に開示された銅お よびカドミウムのハロゲン化物のフォトクロミックガラスも、暗色状態で偏光性 にできることも示されている。このガラスは、熱的に軟化され、伸張されるか、 もしくはその他の様式で引き伸ばされる。この作用は、ハロゲン化物結晶を引き 伸ばすものであり、米国特許第3,954,485号(セワードIII等)に詳しく説明され ている。 特開昭第4-179,337号には、ケイ酸塩、ホウ酸塩、またはホウケイ酸塩であっ てよく、かつ、そのガラス内にハロゲン化銅結晶が形成されてもよいガラスが開 示されている。この出願にはさらに、そのようなガラスが、通信用途のために赤 外線において偏光性にされてもよいことが開示されている。これは、上述したハ ロケン化銀結晶含有ガラスと同様の方法で行われる。すなわち、そのガラスは、 伸張されてそれら結晶を引き伸ばし、水素中で焼成されて、ハロゲン化銅を金属 の銅に少なくとも部分的に還元する。 米国特許第5,517,356号(アロージョ等)には、第一銅、カドミウムおよび混 合された第一銅−カドミウムのハロゲン化物から選択される析出結晶相を有する ガラス偏光子が開示されている。 ある用途にとっては、その偏光特性をガラスの局所的領域に制限することが望 ましい。そのような一体形の偏光/非偏光ガラスを形成する新たな改良された方 法が引き続き望まれている。 したがって、本発明は、一体形非偏光領域を有する偏光ガラスを形成する方法 も開示する。 発明の概要 手短に言うと、本発明は、a)相分離可能な、銅および銀含有ガラスを提供し 、ここで、このガラスは、ハロゲン化銀粒子の存在により相分離可能であり;b )これら粒子が応力の方向に引き伸ばされ、整列されるような応力下でこのガラ スを引き伸ばし;c)例えば、このガラスのある領域上にある材料層を施すこと に より、ガラスに保護領域と非保護領域のパターンを形成し;d)(i)このガラス をイオン交換浴に施して、ハロゲン化銀粒子を少なくとも部分的に還元し、それ によって、このガラスを非保護領域において偏光性にし;または(ii)このガラス を紫外線と熱に露出して、銅によりハロゲン化銀粒子を少なくとも部分的に還元 することにより、そのガラスの露出領域を偏光性にし;e)前記保護領域から材 料を除去して、その下にある非偏光ガラスを現す各工程により、偏光領域および 非偏光領域の両方がそこに一体となったガラスを製造する方法に関するものであ る。 ここに用いられているように、「本発明のガラス」は、偏光領域と非偏光領域 の両方がそこに一体となったガラスであって、その偏光領域が、イオン交換また は高温での光への露出により形成されたガラスを称する。 図面の簡単な説明 図1Aは、水素処理により作成された従来の偏光ガラスに関する、コントラス ト対波長のグラフであり、図1Bは、透過率対波長のグラフである。 図2Aは、本発明のイオン交換法により作成された偏光ガラスに関する、コン トラスト対波長のグラフであり、図2Bは、透過率対波長のグラフである。 図3Aは、本発明の光露出法により作成された偏光ガラスに関する、コントラ スト対波長のグラフであり、図3Bは、透過率対波長のグラフである。 図4は、イオン交換により偏光にされたガラスに対する、水素処理により形成 された偏光ガラスの誘発された平均吸収を比較するグラフである。 発明の詳細な説明 ハロゲン化粒子を含有するフォトクロミック偏光ガラスに関して、その偏光特 性は、引き伸ばされたハロゲン化粒子により与えられた異方性および化学線、通 常は紫外線の衝突によりハロゲン化銀の表面に生じた銀の金属粒子の吸収による ものであろうと仮定されている。紫外線により暗色化された状態において、伸張 方向に対して平行な吸収係数を、伸張方向に対して垂直な吸収係数で割った比率 として定義される、二色比の大きさは、通常、約2から3までの間で測定されて いる。 その中に、ハロゲン化銀粒子、すなわち、AgClBr、AgBrまたはAg Clの粒子、ハロゲン化銅粒子、すなわち、CuClBr、CuClまたはCu Br、および/またはCu−Cdハロゲン化物の粒子の存在により、分離可能な 相を有する銀含有ガラス、特にフォトクロミックガラスは、偏光挙動を示すよう に製造できることが認められている。本発明の方法によれば、このガラスは最初 に、ハロゲン化銀粒子が応力の方向に引き伸ばされ、整列されるような応力下で 伸張または引き伸ばされる。次いで、引き伸ばされた粒子を有する伸張ガラスは 、イオン交換浴に施されるか、または紫外線および熱に露出され、ハロゲン化銀 粒子の還元を行い、それによって、そのガラスを偏光性にする。 本発明にとって有用なハロゲン化銀含有組成物の非限定的例が、米国特許第3, 208,860号(フォトクロミックガラス製造の分野における基本特許)、同第3,548 ,060号、同第3,957,498号、同第4,190,451号、同第4,304,584号、および同第4,4 79,819号に見いだすことができる。これらの特許をここに引用する。同様に、有 用な第一銅および/またはカドミウムのハロゲン化物含有組成物の非限定的例が 、米国特許第3,325,299号、同第5,281,562号、および同第5,517,356号に開示さ れている。これらの特許をここに引用する。 本発明にとって一般的に有用なガラスは、銅を含むように改質された、米国特 許第3,208,860号に記載されているアルカリ金属アルミノホウケイ酸塩系内の基 礎組成を含む。その基礎組成は、重量%で表して、4-26%のAl23、4-26%の B23、40-76%のSiO2;2-8%のLiO2、4-15%のNa2O、6-20%のK2O 、8-25%のRb2Oおよび10-30%のCs2Oから選択される少なくとも一つのア ルカリ金属酸化物;0.2重量%の塩素、0.1重量%のBr、および0.08重量%のヨ ウ素の少なくとも一つの最小量のハロゲン;ハロゲンが塩素であるときに少なく とも0.2重量%の銀、ハロゲンが臭素であるときに0.05重量%の銀、そしてハロ ゲンがヨウ素であるときに0.03重量%の銀を実質的に含有する。 眼用用途に関して、米国特許第4,190,451号に記載された組成が、特有の速い 退色能力およびそのようなガラスにより示される温度変化に対する相対的独立性 のために好ましい。そのようなガラスの組成は実質的に、酸化物基準の重量パー セントで表して、8-20%のR2O、ここで、R2Oが0-2.5%のLi2O、0-9%の Na2O、0-17%のK2O、および0-6%のCs2Oからなり;14-23%のB23、5 -25%のAl23、0-25%のP25、20-65%のSiO2、0.004-0.02%のCuO 、0.15 -0.3%のAg、0.1-0.25%のCl、および0.1-0.2%のBrである。 有用な第一銅、カドミウムおよび混合された第一銅−カドミウムのハロゲン化 物組成物の例が米国特許第5,517,356号に記載されており、その組成は、酸化物 基準の重量%で表して、40-80%のSiO2、4-35%のB23、0-26%のAl23 、0-8%のLi2O、0-15%のNa2O、0-20%のK2O、2-20%の(Li2O+N a2O+K2O)、0-10%のCaO/BaO/SrO、0.2-2%のCu2O、0-2% のCdO、0-12%のZrO2、0-2.5%のSnO2、0-2%のAs23+Sb23、 0-2%のCl、0-2%のBr、0.25-2.0%のCl+Br、および0-2%のFを実質 的に含み、(M2O+2MO−Al23−ZrO2)/B23が0.15-0.45の範囲 にあり、ここで、M2Oがアルカリ金属酸化物を示し、MOがアルカリ土類金属 酸化物を示している。 そのガラスバッチは、砂、アルミナ、酸化物、炭酸塩およびハロゲン化物を含 む標準的なガラス製造材料を用いて配合することができる。このバッチをボール ミル粉砕して、確実に均質にし、蓋をしたるつぼ内で溶融する。次いで、その溶 融物から注型された棒に熱処理を施して、必要な分離可能な結晶相を形成する。 この結晶相の形成後、この棒を次いで、ガラス粘度力10-8から10-10ポアズの範 囲となるような温度まで加熱し、その温度において応力下で伸張して、前記粒子 をその応力の方向に引き伸ばし、整列させる。 本発明の方法を用いて、ガラスの基礎組成に関係なく、偏光および非偏光ガラ スのパターンを有するガラスを製造することができる。但し、そのガラスが、銅 、銀および少なくとも一つのハロゲン化物を含有するものとする。すなわち、伸 張されたガラスが、そのようなガラスがフォトクロミック特性を示すか否かに拘 わらず、銅、AgClおよび/またはAgBrを含有するものとする。好ましく は、そのようなガラス中の銅の量は、0.05-1%の範囲にあり、より好ましくは、 0.2-0.3%の範囲にある。 偏光領域および非偏光領域を有するガラスが、相分離可能な、銅および銀含有 ガラスを提供し、ここで、このガラスは、ハロゲン化銀粒子のその中の形成およ び存在により相分離可能であり;これら粒子が応力の方向に引き伸ばされ、整列 されるような応力下でこのガラスを引き伸ばし;例えば、このガラスのある領域 上にある材料層を施すことにより、ガラスに保護領域と非保護領域のパターンを 形成し;イオン交換工程により、またはこのガラスを紫外線と熱に露出すること により、このガラスを非保護領域を偏光性にし;この保護領域から材料を除去し て、その下にある非偏光ガラスを現す各工程により形成できることが示された。 本発明により意図されているように、本発明のガラスの偏光領域は、(i)この ガラスをイオン交換浴に施して、ハロゲン化銀粒子を少なくとも部分的に還元し 、それによって、このガラスを非保護領域において偏光性にするか;または(ii) このガラスを紫外線と熱に露出して、銅によりハロゲン化銀粒子を少なくとも部 分的に還元することにより、そのガラスの露出領域を偏光性にすることにより形 成することができる。 本発明の第一の方法によれば、引伸し工程後、引き伸ばされたハロゲン化銀お よびハロゲン化銅の粒子を含有する伸張ガラスを、次いで、その上にパターンを 形成し、250-450℃の範囲の温度で、溶融銀イオン含有浴、例えば、AgNO3/ NaNO3、AgNO3/KNO3のような銀含有硝酸塩、および硫酸塩に曝して 、銅により銀を部分的に還元する。この銀のイオン交換による還元の機構は以下 のとおりである: Ag++Cu+=Ag0+Cu++ 本発明の第二の方法によれば、引伸し工程後、引き伸ばされたハロゲン化銀お よびハロゲン化銅の粒子を含有する伸張ガラスを、次いで、その上にパターンを 形成し、約350℃の温度まで加熱しなから紫外線(約1000ワットのキセノンアー ク)に露出して、銅により銀を少なくとも部分的に還元し、それによって、露出 されたガラスを偏光性にする。この銀の光への露出による還元の機構は以下のと おりである: Cu+−−−−−−−−>Cu2++e e+Ag+−−−−−−−−−>Ag0 熱は、露出の最中に、どのような適切な機構を用いてそのガラスに施しても差し 支えない。これを実施するある実際的な方法は、熱板露出によるものであり、こ こでは、ガラスを、約2から3時間に亘り1000ワットのキセノンアークランプの 元にある熱板上に配置して、このガラスを300-400℃の範囲に温度にしている。 この実施の形態にとって有用なガラス組成物の非限定的例は、鉛を除去するよ うに改質された、米国特許第4,130,437号に開示されたガラスである。フッ素は 、この方法を用いてガラスに生じさせる色の色調を向上させるけれども、必要で はなく、0.25重量%までの量で加えてもよいことが分かった。同様に、塩素は、 ガラスの色調を向上させ、1重量%まで、好ましくは、約0.5重量%までの量で 存在してもよい。臭化物が存在しないと、得られたガラスは、熱処理されたとき に曇ってしまう。臭化物は、1重量%まで、好ましくは、0.1-0.3重量%の範囲 の量で存在してもよい。銀は、観察される色が銀の還元によるものであるので必 須である。しかしながら、あるレベルを越えると、それほど大きな効果が達成さ れないことが分かった。銀の量は、1重量%まで、好ましくは、0.1-0.5重量% の範囲で、より好ましくは、約0.2重量%であって差し支えない。約0.1重量%の 量の銅が、この実施の形態には最適であることが分かった。この実施の形態にと って特に有用な基礎ガラス組成物の例の一つは、酸化物基準の重量%で表して、 60.4%のSiO2、17.7%のB23、11.8%のAl23、2.1%のLi2O、5.9% のNa2ONおよび1.6%のK2Oである。これに、0-0.25%のF、0-1.0%のCl 、0-0.4%のBr、および0-0.5%のCuOが加えられた。この文節で論じられた 組成の限定は、本発明の第二の方法(光の露出)に特に適用されるけれども、こ れらの範囲は、イオン交換法にとっても有用である。 延伸ガラスへのパターンの形成は、ガラス上に保護領域および非保護領域のパ ターンの形成を含む。そのようなパターン形成は、どのような既知の方法により 行っても差し支えない。例えば、ガラスのある領域に保護材料の層を施すことに よりパターンを形成することができる。イオン交換法に関して、保護材料は、A gのガラス中へのイオン移動を妨げられる材料である。光露出法に関して、紫外 線を遮断できるどのような材料を用いても差し支えない。 図1から3は、(i)水素処理ガラス(図1Aおよび1B)、(ii)イオン交換ガ ラス(図2Aおよび2B)、および(iii)光露出ガラス(図3Aおよび3B)に 関する、コントラスト対波長、並びに透過率対波長のグラフである。 図4は、イオン交換により偏光性にされたガラス(線A)に対する、水素処理 により偏光性にされた伸張CuClBrガラス(線B)に関する、誘発平均吸収 ({α平行+α垂直}と定義される)を比較しているグラフである。この水素処 理は、3時間に亘り約385℃の温度で行われ、一方で、イオン交換処理は、16時 間に亘り400℃で1モル%の銀イオン含有浴中で行われた。両方の場合に、Cu ClBrガラスを用いた。線Aのガラスを、16時間に亘り、400℃で、銀イオン 含有浴(1モル%のAgNO3/99モル%のKNO3)に曝した。線Bのガラスを 、1時間に亘り、400℃で水素雰囲気に曝した。理論に結びつけることを意図す るものではなく、この図に見られる誘発吸収曲線において観察されたシフトは、 水素処理法においては、銀の還元が完全であり、一方で、イオン交換法では、銀 の部分的な還元しか行われないという事実によるものであると考えられる。達成 される銀の還元には最適レベルがあり、このレベルは、銀の量、浴の温度、また はバッチ中に存在する銅の量のような変数により増加されないことが分かった。 イオン交換法において、偏光工程の効率は、浴の温度に依存することが分かっ た。例えば、ある実験において、16時間に亘り、400℃での1モル%のAgNO3 /99モル%のKNO3の浴に曝されたガラスは、約65μmの深さの偏光層を示し 、一方で、360℃で同様の処理を行うと、たった約45μmの深さとなった。 イオン交換法によりガラスに一体となった偏光領域および非偏光領域のパター ンを有するガラスを製造するためには、ガラスの伸張後に、偏光性にすべきでは ないガラス領域に、そのような領域をイオン交換浴から保護し、それによって、 ガラス上に保護領域および非保護領域のパターンを形成するために、適切な保護 材料を選択的に施す。次いで、そのガラスを上述した塩浴に施して、ガラスの非 保護領域を偏光性にする。その後、前記材料を保護材料から除去して、偏光領域 および非偏光領域のパターンを有するガラスを現す。銀はこのイオン交換雰囲気 において急激に反応するために、浴中の銀の量を、レベルが高すぎると銀が過剰 に析出してしまうかもしれないので制御することが望ましい。一方で、浴中の銀 の量が低すぎると、その反応には、銀を還元する過剰な時間が必要とされるかも しれない。0.1-5モルパーセントのAg/NO3、および95-99.9モルパーセント のKNO3を含有する浴を本発明の方法に用いることができ、0.5-2モル%のAg /NO3が好ましく、約1モル%のAg/NO3がより好ましい。 銀のガラス中へのイオン移動を妨げ、それによって、ガラスの偏光を防ぐこと のできるどのような材料を保護材料として用いてもよい。但し、そのような材料 は、そのイオン交換浴の腐蝕特性に対して十分に抵抗性であるものとする。適切 な保護材料の非限定的例としては、Si、TiおよびそれほどではないがCrが 挙げられる。 この保護材料は、スパッタリング、熱蒸着、化学蒸着、噴付け等のようなどの ような適切な方法により施してもよい。この材料の厚さは、特に重要ではないが 、材料の施される特定の方法の実際的な制限により決定される。例えば、その材 料がスパッタリングにより施される場合、その厚さは、0.1から5μmの範囲と なる。その適用において記載したように、本発明の方法に適用できるかもしれな いガラス上に保護材料のパターンを形成する方法の一つは、その材料を、所望の パターンを有するシャドウマスクに通して施すことがある。 光露出法により偏光領域および非偏光領域のパターンを有するガラスを製造す るために、銅および銀含有ガラスを伸張して、相分離可能な引き伸ばされたハロ ゲン化銀粒子を形成した後、所望の孔のパターンを有するシャドウマスクをガラ ス上に配置する。次いで、このガラスを、光がマスクの孔を通してガラスに接触 して、銀を部分的に還元し、それによって、露出領域のガラスを偏光性にするよ うに、約350℃に加熱しながら、紫外線に曝す。この方法に関して、Cu濃度は 、著しいコントラストを得るために、0.05重量%ほど低くても差し支えない。こ のコントラストは、紫外線の露出の持続時間並びに露出が行われる温度に依存す る。 本発明の本質的な特徴は、上述したことから当業者により容易に確認すること ができ、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱せずに本発明に様々な変更 および改変を行うことができる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.(a)相分離可能な銅および銀含有ガラスを提供し、該ガラスがその中のハ ロゲン化物粒子の存在により相分離可能であり、 (b)該ガラスを、前記粒子が応力の方向に引き伸ばされ、整列されるような 応力で引き伸ばし、 (c)(i)該ガラスのある領域をイオン交換浴に曝すか、または(ii)該ガラスの ある領域を紫外線および熱に露出して、前記ハロゲン化銀粒子を少なくとも部 分的に還元し、それによって、該領域のガラスを偏光性にする、 各工程により、偏光領域および非偏光領域が一体となったガラスを製造する方 法。 2.前記イオン交換浴が銀イオンを含有する溶融浴であることを特徴とする請求 の範囲第1項記載の方法。 3.前記溶融浴が硝酸塩および硫酸塩を含むことを特徴とする請求の範囲第2項 記載の方法。 4.前記相分離可能なガラスが、xが0と1の間の値をとる、AgClxBr1-x 、CuClxBr1-x、およびCu/Cdハロゲン化物からなる群より選択され る還元性の引き伸ばされた層を含むことを特徴とする請求の範囲第1項記載の 方法。 5.a) 相分離可能な銅および銀含有ガラスを提供し、該ガラスがその中のハ ロゲン化物粒子の存在により相分離可能であり、 b) 該ガラスを、前記粒子が応力の方向に引き伸ばされ、整列されるよう な応力で引き伸ばし、 c) 該ガラスに保護領域および非保護領域のパターンを、保護すべきガラ スの前記領域上に材料の層を施すことにより形成し、該材料がAgの該ガラス 中へのイオン移動を妨げることができ、 d) 該ガラスを、銀を含有する溶融イオン交換浴に施して、前記ハロゲン 化銀粒子を銀に還元し、それによって、該ガラスを非保護領域において偏光性 にし、 e) 前記保護領域から前記材料を除去して、その下にある非偏光ガラスを 現す、 各工程により、偏光領域および非偏光領域が一体となったガラスを形成する方 法。 6.前記相分離可能なガラスが、xが0と1の間の値をとる、AgClxBr1-x 、CuClxBr1-x、およびCu/Cdハロゲン化物からなる群より選択され る還元性の引き伸ばされた層を含むことを特徴とする請求の範囲第5項記載の 方法。 7.前記材料の層が、TiおよびSiからなる群より選択されることを特徴とす る請求の範囲第5項記載の方法。 8.前記材料の層が、スパッタリング、熱蒸着、および化学蒸着からなる群より 選択される方法により形成されることを特徴とする請求の範囲第7項記載の方 法。 9.前記材料の層が、0.01から5μmの範囲の厚さを有することを特徴とする請 求の範囲第8項記載の方法。 10.前記ガラスが、250から450℃の範囲の温度で前記イオン交換浴に曝されるこ とを特徴とする請求の範囲第5項記載の方法。 11.a) 相分離可能な銅および銀含有ガラスを提供し、該ガラスがその中のハ ロゲン化物粒子の存在により相分離可能であり、 b) 該ガラスを、前記粒子が応力の方向に引き伸ばされ、整列されるよう な応力で引き伸ばし、 c) 孔により形成された所望のパターンを有するシャドウマスクを配置す ることにより、前記ガラスに保護領域および非保護領域のパターンを形成し、 d) 該ガラスの非保護領域に紫外線および熱を、前記孔を通して露出して 、前記ハロゲン化銀粒子を銀に還元し、それによって、該ガラスを前記非保護 領域において偏光性にする、 各工程により、偏光領域および非偏光領域が一体となったガラスを形成する方 法。
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