JP2004352535A

JP2004352535A - 化学強化ガラス

Info

Publication number: JP2004352535A
Application number: JP2003150000A
Authority: JP
Inventors: Mizuki Nishi; 瑞樹西; Shinichi Araya; 眞一荒谷
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: CN100465119C; JP4535692B2; CN1759074A

Abstract

【課題】所定の強度をもつ切断可能の化学強化ガラスが期待されている。
【解決手段】イオン交換することによりガラス表層に圧縮応力層を形成させた化学強化ガラスにおいて、ガラス表面に近い方の圧縮応力パターンＡとガラス内層側の圧縮応力パターンＢの２種類を圧縮応力層の中に有す化学強化ガラス。応力パターンＢは応力パターンＡの傾きとは異なり、応力パターンＡは応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインよりも低圧縮応力側にある特徴を有す。さらに、圧縮応力パターンＡから求められる表面応力値と、ガラス内層側の圧縮応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値との比が０．８以上０．９５以下、又は応力パターンＡによる圧縮応力層厚が２μｍ以上１５μｍ以下の化学強化ガラス。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学強化ガラス、特にタッチパネル等に使用される電子材料分野、自動車用および建築用などの分野に有用な化学強化ガラスおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
省資源・省エネルギーの観点あるいは社会的なニーズの変化から、強化ガラスの薄板化や強化度アップが進んでいる。一般的に用いられている風冷強化法では、３ｍｍ以下、特に２ｍｍ以下の板厚をもったガラスの生産が難しいことから、２ｍｍ以下のガラスでは、化学強化法が多く用いられている。また、化学強化ガラスは一般的に風冷法による強化ガラスよりも高い強度を得ることができるというメリットもある。
【０００３】
化学強化ガラスが市場に多く受け入れられている理由として、前述した薄板ガラスでの強化性や高強度化に加え、一定の条件下では強化ガラスでも切断可能であることがあげられる。風冷強化ガラスでは、切断しようとしてクラックを導入すると、粉々割れてしまうので、切断はできない。
【０００４】
これは、例えば図５（非特許文献１参照）に示すように、化学強化ガラスと風冷強化（物理強化）ガラスでは、ガラス内部に形成される応力パターンが大きく異なっているためである。風冷強化ガラスはガラス表層と内層の温度差及び粘性流動を利用するため、その応力パターンの概要は例えば２次曲線で近似される形状となる。これに対し、化学強化ガラスは例えば表層でのイオン交換を利用しているので、厳密にはＦｉｃｋの拡散則に依存するが、大きくは直線で近似されることが多い。風冷強化ガラスで所定の表面圧縮応力値を得ようとすると、必然的に内層にある引張応力が大きくなる。ガラスの破壊はこの内層の引張応力に依存するため、大きな引張応力下では細片化現象につながる。一方、化学強化ガラスの場合、圧縮応力値を大きくしても、通常の条件下では、内層の引張応力値はあまり大きくなることはない。化学強化ガラスの引張応力値は、大きくは表面圧縮応力値と圧縮応力層厚の関数となる。
【０００５】
すなわち、風冷強化ガラスも化学強化ガラスも、ガラスとしての破壊強度は大きい。一方、風冷強化ガラスの場合には切断が不可能であり、化学強化ガラスの場合には切断可能性はあっても切断しにくいという問題を併せ持っていた。
【０００６】
なお、化学強化ガラスの製造方法としては、種々の方法が考えられている。例えば、小さなイオン半径の原子を大きなイオン半径の原子に置き換える方法、ガラスの粘性流動を利用して大きなイオン半径の原子を小さなイオン半径の原子に置き換える方法、熱膨張率の差を利用する方法、結晶を晶出させる方法、上述の方法を組み合わせる方法など、多くの方法がある。一般に、ソーダ・ライム系ガラスでは小さなイオン半径の原子を大きなイオン半径の原子に置き換える方法が数多く用いられ、その中でも、多くの化学強化ガラスは化学強化処理槽中に浸漬する、いわゆる浸漬法で製造されている。すなわち、ガラスを高温の化学強化処理液、例えば硝酸カリウム溶液中に浸積し、ガラス中のナトリウムイオンを硝酸カリウム中のカリウムイオンと置換することにより、表層に圧縮応力層を形成する。また、ガラス中にリチウムを含む場合の化学強化処理液としては、硝酸ナトリウム、または硝酸ナトリウムと硝酸カリウムの混合塩が多用される。
【０００７】
公知技術をみれば、例えば、切断したガラスを化学強化として使用することが（例えば、特許文献１参照）が、切断条件の重要な因子である表面応力の測定技術（例えば、特許文献２参照）が開示されている。また、ハードディスクドライブの化学強化に関する工程
１）予備加熱槽での予備加熱（０．５〜２時間程度かけて３８０〜５００℃に昇温）
２）硝酸カリウム又は硝酸ナトリウムの溶融塩溶液での化学強化処理（０．５〜６時間程度）
３）送風冷却槽での冷却（５〜２５ｍ^３／分の冷却風で面内温度差が５℃以内で溶融塩溶液の融点以下たる室温まで強制冷却）
が詳細に述べられている例（例えば、特許文献３参照）もある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１６０９３２号公報
【特許文献２】
特公昭５９−３７４５１号公報
【特許文献３】
特開２０００−３４４５５０号公報
【非特許文献１】
Ｈ．Ｍ．Ｇａｒｆｉｎｋｅｌ他，ＴｈｅＧｌａｓｓＩｎｄｕｓｔｒｙ，５０（１９６９），ｐ．７６．
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
化学強化ガラスは切断可能とされている。しかし、切断可能といっても、この切断は非常に難しい技術であり、生産時の歩留低下の主因となっているし、製品となった後も切断不良による破壊の問題などが発生している。
【００１０】
例えば、タッチパネル等に使用される化学強化した薄板ガラスにおいて、大板の化学強化ガラスから複数枚採りを行うことにより生産性アップを試みている。しかし、ホイールチップ方式の切断機でスクライブするとき、分断時にスクライブ線に沿って分割されず、スクライブ線から外れて分割されるという問題が数多く生じている。このため、複数採りのメリットが当初の予定とは異なった結果となっている場合が多い。また、スクライブされた化学強化ガラスを使ったパネルが、市場に出した後に想定荷重よりも小さな値でも破壊するという問題も発生している。
【００１１】
このように、現実的には、化学強化ガラスの切断については、技術的に確立されているとは言えない状況にある。
【００１２】
すなわち、特開２００２−１６０９３２号公報の中で切断したガラスを化学強化として使用することが述べられているが、化学強化ガラスの切断方法を述べているわけではない。また、特公昭５９−３７４５１号公報の手法は表面応力の測定技術については知ることはできても、ガラスの切断につながる技術については示されていない。さらに、特開２０００−３４４５５０号公報で示された化学強化方法は、直径６０〜１００ｍｍのハードディスクドライブを化学強化する場合であり、切断性などについては述べられていない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、イオン交換することによりガラス表層に圧縮応力層を形成させた化学強化ガラスにおいて、ガラス表面に近い方の圧縮応力パターンＡとガラス内層側の圧縮応力パターンＢの２種類を圧縮応力層の中に有す化学強化ガラスである。また、応力パターンＡ及び応力パターンＢをそれぞれ１次関数で近似する場合において、応力パターンＡと応力パターンＢは別の傾きをもつ上記の化学強化ガラスである。
【００１４】
さらに、応力パターンＡから求められる表面応力値は、応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値よりも小さな値となる上記の化学強化ガラスである。
【００１５】
さらにまた、応力パターンＡから求められる表面応力値と、圧縮応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値との比が０．８以上０．９５以下である上記の化学強化ガラスである。
【００１６】
さらにまた、応力パターンＡによる圧縮応力層厚が２μｍ以上１５μｍ以下の上記の化学強化ガラスである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、イオン交換することによりガラス表層に圧縮応力層を形成させた化学強化ガラスにおいて、ガラス表面に近い方の圧縮応力パターンＡとガラス内層側の圧縮応力パターンＢの２種類を圧縮応力層の中に有す化学強化ガラスである。ガラスの切断性を改善するためには、ガラス中の応力パターンを２種類もつことが有用となる。応力パターンを２種類もつことにより、所定の圧縮応力層厚をもちながら、切断しやすい化学強化ガラスとすることができる。別の言い方をするならば、従来のＦｉｃｋの法則に依存した応力パターンの化学強化ガラスではなく、Ｆｉｃｋの法則のみには依存しない、特に表層近傍での発生応力は別の関数形で表される化学強化ガラスである。
【００１８】
また、応力パターンＡ及び応力パターンＢをそれぞれ１次関数で近似する場合において、応力パターンＡと応力パターンＢは別の傾きをもつ上記の化学強化ガラスである。別の応力パターンを持たない、すなわち１種類のみの従来の化学強化ガラスは、破壊強度は大きな値をもつが、切断しにくいという問題点がある。一方、切断しやすくしようとすると、破壊強度は小さくなる。
【００１９】
さらに、応力パターンＡから求められる表面応力値は、応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値よりも小さな値となる化学強化ガラスである。もしも、大きな値となる場合は、切断しにくくなる。
【００２０】
さらにまた、応力パターンＡから求められる表面応力値と、圧縮応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値との比が０．８以上０．９５以下である上記の化学強化ガラスである。応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値との比が０．８以上０．９５以下である。０．８未満であると表面圧縮応力が小さくなり、ガラスの強度が事実上低下する。また、０．９５を越えると、切断性が下がる。望ましくは、０．８５以上０．９３以下である。
【００２１】
この場合、条件によっては、図６に示すように応力パターンＡの傾きは、応力パターンＢと反対となることがある。すなわち、従来の化学強化ガラスでは表面圧縮応力が内層の応力値よりも常に大きいが、本発明の化学強化ガラスでは表面圧縮応力の値よりも少し内層に入った部分の応力値の方が大きい値を示すこともある。このような応力パターンをもった化学強化ガラスも当然ながら、本発明の範疇に入る。
【００２２】
さらにまた、応力パターンＡによる圧縮応力層厚が２μｍ以上１５μｍ以下である。応力パターンＡによる圧縮応力層厚が２μｍよりも小さいとその切断性に対する効果が小さくなり、応力パターンＡによる圧縮応力層厚が１５μｍを越えると化学強化ガラスの性質上破壊強度が実質的に小さくなるためである。３μｍ以上９μｍ以下が好ましい。
【００２３】
なお、化学強化ガラスの生産管理を簡単に行うべく、化学強化ガラス内の応力パターンを１次近似して説明してきた。しかし厳密に述べると、応力パターンを１次関数で近似することができない場合も当然ながらでてくる。これは、前述したようにイオン交換は基本的にはＦｉｃｋの拡散法則に従い、拡散法則は１次関数ではないので、厳密には近似した直線から外れることが必然となるためである。また、ガラス内の応力生成は、イオン交換の他、温度分布、変形、板厚等多くの因子の影響も受ける。このように直線近似ができない場合又は近似しにくい場合、発生した応力パターンが１つの関数で表すことができるか、２つ以上の関数を必要とするのかの原則に戻るべきである。ここで、近似には３次以上の多次関数を用いない。近似には、極点を１つ有す又は極点を有しない関数を用いる。このような関数を用いて近似したとき、１つの関数で表すことができる場合は、従来の化学強化ガラスである。一方、２つ以上の関数を用いる必要がある場合は、本発明の化学強化ガラスとなる。また、関数近似を考える領域としては、圧縮応力領域とすべきである。ガラスの切断性及び破壊強度は圧縮応力値に依存すること、及び引張応力が一定値となり始める領域ではその応力生成が不安定になることがあり、その判定に誤りを発生させる恐れがあるからである。
【００２４】
化学強化ガラスの圧縮応力層の厚さおよび圧縮応力の値は、化学強化時の処理温度と処理時間、さらには処理液の選択およびその活性特性に大きく影響されるので、単純ではない。また、ガラス内のイオン交換状況や結晶化状況によっても異なる。しかし、破壊強度を実用レベルに保ち、かつ切断性を向上した化学強化ガラスを得ることは可能である。以下、実施例に基づき、具体的に説明する。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
厚さ０．７ｍｍのソーダ石灰系フロートガラスを４６０℃の硝酸カリウム溶融塩の中に１０時間浸漬してイオン交換処理後、５１０℃に設定した冷却槽に化学強化ガラスを移動し、さらにその中で６０分間保持した。その後は、通常に行われている冷却速度（約１０℃／ｍｉｎ）で冷却し、所定の化学強化ガラスを得た。このガラスの応力パターンを図１に示す。図中のＣは圧縮応力、Ｔは引張応力を示している。このように、ガラス表面に近い方の圧縮応力パターンＡとガラス内層側の圧縮応力パターンＢの２種類を圧縮応力層の中にもつ特徴を有す化学強化ガラスである。なお、この応力パターンは化学強化ガラスを切り出して研磨し、バビネの補償板と光学顕微鏡を用いて観察した結果を示したものである。応力パターンＡから求められる表面応力値と、圧縮応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値との比は０．９３であった。また、応力パターンＡによる圧縮応力層厚は４μｍであった。
【００２６】
この化学強化ガラスを市販の超硬製ホイールチップを用い、一般の切断作業に準ずるスクライブ（負荷重量：２ｋｇ）および分断テストを行ったところ、問題なく切断することができた。
【００２７】
（実施例２）
厚さ０．５５ｍｍのソーダ石灰系フロートガラスを４７０℃の硝酸カリウム溶融塩中で４時間浸漬して第１のイオン交換処理を行った後、５１０℃で２０分間浸漬し第２のイオン交換処理を行い、その後は、通常に行われている冷却速度（約１０℃／ｍｉｎ）で冷却し、所定の化学強化ガラスを得た。このガラスの応力パターンを図２に示す。応力パターンＡから求められる表面応力値と、圧縮応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値との比は０．８９であった。また、応力パターンＡによる圧縮応力層厚は５μｍであった。
【００２８】
この化学強化ガラスを市販の超硬製ホイールチップを用い、一般の切断作業に準ずるスクライブ（負荷重量：２ｋｇ）および分断テストを行ったところ、問題なく切断することができた。
【００２９】
（比較例１）
厚さ０．７ｍｍのソーダ石灰系フロートガラスを４６０℃の硝酸カリウム溶融塩の中に１０時間浸漬してイオン交換処理後、３８０℃に設定した冷却槽に化学強化ガラスを移動し、通常に行われている冷却速度（約１０℃／ｍｉｎ）で冷却し、所定の化学強化ガラス製品を得た。このガラスの応力パターンを図３に示す。このように、１種類の応力パターンを有している。応力パターンＡから求められる表面応力値と、圧縮応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値との比は当然ながら１．０であった。また、圧縮応力層厚（応力パターンＡ及びＢ）は３３μｍであった。
【００３０】
この化学強化ガラスを市販の超硬製ホイールチップを用い、一般の切断作業に準ずるスクライブ（負荷重量：２ｋｇ）および分断テストを行ったところ、スリップが顕著であった。そこで、切断圧を強くして（最終的な負荷重量：７ｋｇ）検討したところ、スクライブ線から線状の多くのガラス粉が発生し、化学強化ガラス製品として使用することはできなかった。また、スクライブ線に沿って分断できないところ、すなわち切断線からはずれていたところもあった。
【００３１】
（比較例２）
厚さ０．７ｍｍのソーダ石灰系フロートガラスを４６０℃の硝酸カリウム溶融塩の中に１０時間浸漬してイオン交換処理後、５１０℃に設定した冷却槽に化学強化ガラスを移動し、さらにその中で６０分間保持した。その後は、通常に行われている冷却速度（約１０℃／ｍｉｎ）で冷却し、所定の化学強化ガラスを得た。このガラスの応力パターンを図４に示す。応力パターンＡから求められる表面応力値と、圧縮応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値との比は０．７であった。また、応力パターンＡによる圧縮応力層厚は１７μｍであった。
【００３２】
この化学強化ガラスを市販の超硬製ホイールチップを用い、一般の切断作業に準ずるスクライブ（負荷重量：２ｋｇ）および分断テストを行ったところ、スリップが顕著であった。そこで、負荷重量を５ｋｇとして検討したところ、この化学強化ガラスは破壊してしまった。
【００３３】
以上の結果から示されるように、本発明の工程をイオン交換工程後に付加することにより、切断しやすい化学強化ガラスを得ることができた。
【００３４】
【発明の効果】
これまで、困難とされてきた化学強化ガラスの切断が安定してできるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に示す応力パターンの概略図である。
【図２】実施例２に示す応力パターンの概略図である。
【図３】比較例１に示す応力パターンの概略図である。
【図４】比較例２に示す応力パターンの概略図である。
【図５】化学強化ガラスと風冷（物理）強化ガラスの応力パターンを示す概略図である。
【図６】応力パターンＡの特殊な例を示す概略図である。
【符号の説明】
１化学強化ガラスの表面
２応力パターンＢ
３応力パターンＡ
４応力パターンＢの延長線
ｄ表面圧縮応力層厚
σ 表面圧縮応力値
σ_Ｂ応力パターンＢから推定される表面圧縮応力値
Ｃ圧縮応力
Ｔ引張応力

Claims

イオン交換することによりガラス表層に圧縮応力層を形成させた化学強化ガラスにおいて、ガラス表面に近い方の応力パターンＡとガラス内層側の応力パターンＢとの２種類の応力パターンを圧縮応力層の中に有すことを特徴とする化学強化ガラス。
応力パターンＡ及び応力パターンＢをそれぞれ１次関数で近似する場合において、応力パターンＡと応力パターンＢは別の傾きをもつことを特徴とする請求項１に記載の化学強化ガラス。
応力パターンＡから求められる表面応力値は、応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値よりも小さな値となることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の化学強化ガラス。
応力パターンＡから求められる表面応力値と、圧縮応力パターンＢをガラス表面まで延長させたラインから求められる仮の表面応力値との比が０．８以上０．９５以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の化学強化ガラス。
応力パターンＡによる圧縮応力層厚が２μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の化学強化ガラス。