JP2005289685A - レーザー照射で異質相が形成されてなる強化ガラス - Google Patents

Abstract

【課題】薄い板ガラスであっても機械的強度が向上された強化ガラスを提供することを課題とする。
【解決手段】超短パルスレーザー光の集光照射によって板ガラスの内部に異質相が、板ガラスの表面視において、点状、線状、又は網目状に形成された強化ガラスであり、該板ガラスが、重量％表示で、ＳｉＯ_２ ６９〜７３％、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ １２〜１６％、ＣａＯ ７〜１３％、ＭｇＯ ０．１〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３ ０．５〜３％、Ｆｅ_２Ｏ_３ ０〜０．５％の組成を有し、板ガラスの断面視において、最近接の異質相間の平均距離が５０μｍ以下の距離、異質相のガラス厚み方向の中心が板ガラス表面から８０μｍ〜２５０μｍの深さで形成させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、強化ガラス、特にレーザー照射で異質相が形成されてなる強化ガラスに関する。

板ガラスの機械的強度を大きくする強化ガラスの製造方法として、風冷強化法、化学強化法等が実施されており、当該方法で得られた強化ガラスは、各種製品でガラス部材として使用されている。

風冷強化法は、板ガラスを、ガラス軟化点温度付近の高温で加熱する必要があるため、板ガラスの形状制御が問題となる場合があり寸法精度の厳しい用途にはコストが高くなる、軟化点温度の高いガラス組成の場合、加熱温度を相当に高くする必要があり設備等にコストがかかる、さらに薄い厚み（例えば、２ｍｍ以下）のガラスの強度化が難しい等の問題があった。

化学強化法は、イオン交換処理が必要なため、板ガラスの組成が限定される、イオン交換を行うための薬液の管理にコストがかかる、部分的な強化が難しい等の問題があった。

最近、ガラス組成、ガラス厚み等に依存せず、ガラスを強化できる可能性のある手法が特許文献１によって提案された。当該手法は、超短パルスレーザー光の集光照射によって板ガラスの内部に異質相が点状、線状、又は網目状に形成するものである。特許文献１では、ソーダ石灰珪酸塩ガラスをレーザー処理することで、機械的強度が最高で１．５倍向上することが確認されている。
特開２００３−２８６０４８号公報

近年、各種製品は、軽量化の傾向にあり、当然ガラス部材も軽量化が必要となる。特にプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等のガラス部材が大部分を占める表示装置では、軽量化達成のためには、ガラス部材の軽量化は不可避である。ガラス部材の軽量化のためには、機械的強度を保持しつつガラス厚を薄くすることを満足させる必要がある。本発明は、薄い板ガラスであっても機械的強度が向上された強化ガラスを提供することを課題とする。

本発明者は、超短パルスレーザー光の集光照射によって板ガラスの内部に、板ガラスの平面視において異質相が点状、線状、又は網目状に形成された強化ガラスにおいて、機械的強度向上の効果の大きい異質相の分布及び形態とガラス組成を見出した。

本発明の強化ガラスは、超短パルスレーザー光の集光照射によって板ガラスの内部に異質相が、板ガラスの平面視において、点状、線状、又は網目状に形成された強化ガラス（以後、超短パルスレーザー光の集光照射によって板ガラスを強化する方法を「レーザー強化」、該方法で強化された板ガラスを「レーザー強化ガラス」とする）である。当該超短パルスレーザー光は、ピコ秒からフェムト秒のパルスレーザー光であることが好ましい。

そして、前記板ガラスが、該板ガラスが、重量％表示で、ＳｉＯ_２ ６９〜７３％、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ １２〜１６％、ＣａＯ ７〜１３％、ＭｇＯ ０．１〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３ ０．５〜３％、Ｆｅ_２Ｏ_３ ０〜０．５％の組成を有し、板ガラスの断面視において、最近接の異質相間の平均距離が５０μｍ以下の距離、異質相のガラス厚み方向の中心が板ガラス表面から垂直方向に８０μｍ〜２５０μｍの位置で形成されてなり、好ましくは、前記異質相のガラス厚み方向の長さが、１０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする。

本発明者らは、レーザー強化で、ガラスの機械的強度を向上させるにあたり、ガラス系と異質相との関係を鋭意検討した。レーザー照射によりガラスの機械的強度向上を図ることができるが、上記ガラス系においては、レーザー照射により形成される異質相のガラス厚み方向の中心位置を、板ガラス表面から垂直方向に８０μｍ〜２５０μｍの位置とし、板ガラスの断面視において、最近接の異質相間の平均距離が５０μｍ以下の距離とし、好ましくは異質相のガラス厚み方向の長さを１０〜１００μｍとすると、機械的強度向上に特に効果が高いことを見出した。

異質相のガラス厚み方向の中心位置が、ガラス表面から垂直方向に８０μｍ未満では、機械的強度の向上に効果が少なく、２５０μｍ超でも機械的強度向上に効果が少ない。特に該位置について、８０μｍ未満では、異質相のガラス厚み方向の長さを長いものとした場合に、ガラス表面が粗く研削される（ガラス表面のアブレーション）など大きなダメージを受けるため機械的強度の低下が起こる場合がある。そして、機械的強度向上の観点から、異質相のガラス厚み方向の中心位置を、板ガラス表面から垂直方向に、９０〜２１０μｍの位置に設定することが好ましい。

又、板ガラスの断面視において、最近接の異質相間の平均距離を５０μｍ以下の距離とすることにより板ガラスの機械的強度が向上する。この平均距離を５０μｍ以下とすることにより、板ガラス破壊時のクラック伝播方向を異質相によって変化させる効果が高くなり、板ガラスの機械的強度が向上するものと推察される。この平均距離を短くしていくと、機械的強度の向上に奏するが、強化ガラスの製造コストが高くなるので、この平均距離は、０．１μｍ以上とすることが好ましい。

尚、上記平均距離は次ぎの測定で得られたものとして定義される。板ガラスの断面を顕微鏡により１００〜５００倍で拡大して観察したときに像内の現れた異質相について、それぞれの最近接の異質相との距離を測定し得られた値を平均する。他の断面位置についても同様の測定を行い、少なくとも１０箇所の断面位置で得られたそれぞれの平均値を、さらに平均して得られたものを板ガラスの断面視における最近接の異質相間の平均距離とする。そして上記断面は、板ガラスを平面視したときの異質相が点状のパターンの場合は、隣接する異質相が含まれるように切断された面であり、線状及び網目状のパターンの場合は、線に対して垂直に切断された面である。

さらに、異質相のガラス厚み方向の長さが１０μｍ未満では、機械的強度の向上に効果が少なく、他方、１００μｍ超でも機械的強度向上に効果が少ない。又、異質相の深さ方向の長さが１００μｍを越える異質相を形成しようとすると、ガラスを変質する高いエネルギー密度をもったレーザー光が板ガラス表面に照射される場合があるので、ガラス表面のアブレーションが起こり、機械的強度の低下が生じやすくなる。そして、機械的強度向上の観点から、異質相のガラス厚み方向の長さを、３０〜８５μｍとすることが好ましい。

本発明のレーザー照射よって得られた強化ガラスは、機械的強度が向上され、薄い厚みガラスであっても機械的強度の向上が図られるので、ガラス部品の軽量化に貢献し、例えば、表示装置等の軽量化に奏功する。

本発明の強化ガラスは、超短パルスレーザー光の集光照射によって板ガラスの内部に異質相が点状、線状、又は網目状に形成されたレーザー強化ガラスである。当該レーザー強化ガラスは表面から目的とする深さに、レーザー光を集光させることで得られる。

レーザー光は例えばＮｄ−ＹＡＧレーザー励起のＴｉサファイアレーザーによる、ピコ秒からフェムト秒の超短パルスレーザー光であることが好ましい。パルスレーザー光のパルス幅は、好ましくは数百フェムト秒以下である。

レーザー光の波長は可視から近赤外の範囲で、板ガラスの吸収が少ない波長を用いることが望ましい。好ましくは４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲である。又、パルスレーザー光のエネルギーは、数ｎＪ〜１ｍＪであることが好ましく、板ガラスにアブレーションを生じさせない程度のエネルギーで、できるだけ高エネルギーにすることが望ましい。

レーザー光は、レンズ等により板ガラスの内部へ集光させる。レ−ザ−光の単位面積当たりのエネルギ−にもよるが、異質相を形成するためには、集光は、直径１００μｍ以下のスポット状とすることが好ましい。

レーザー光の集光点を板ガラスの内部で移動させることにより、板ガラスに異質相を連続的に形成する。又は、レーザー光の集光点を固定し、板ガラスを移動させて、板ガラスに異質相を形成する。

異質相は、点状、線状、又は網目状の形に板ガラスの内部に形成される。又、異質相は、３次元的に形成されてもよい。

本発明で検討された板ガラスは、汎用的に使用されているソーダライムガラスであり、車両用窓、建築物用窓、表示装置用の基板等に広く使用されているものである。該板ガラスは重量％表示で、ＳｉＯ_２ ６９〜７３％、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ １２〜１６％、ＣａＯ ７〜１３％、ＭｇＯ ０．１〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３ ０．５〜３％、Ｆｅ_２Ｏ_３ ０〜０．５％の組成を有するものである。

実施例１
板ガラスには、重量％で、ＳｉＯ_２が７２．０％、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏが１４．０％、ＣａＯが８．３％、ＭｇＯが３．６％、Ａｌ_２Ｏ_３が２．０％、Ｆｅ_２Ｏ_３が０．１％の組成を有し、１０ｍｍ×５０ｍｍ角で、２．８ｍｍ厚サイズのものを準備した。

超短パルスレーザー光は、Ｎｄ−ＹＡＧレーザー励起のＴｉサファイアレーザーから発振されたパルス幅１００フェムト秒、繰返し周期２５０ｋＨｚ、中心波長８００ｎｍのフェムト秒レーザー光を利用し、ＮＤフィルターを用いて焦点付近での出力を約９００ｍＷに調節した。

フェムト秒レーザー光の集光する位置をガラス表面から垂直方向に１００μｍ内部に固定し、超短パルスレーザー光を集光レンズ（ニコン製対物レンズ、倍率５０倍、開口数０．８０）で約５μｍφのスポット状に集光させた。

フェムト秒レーザー光の集光する位置をガラス表面から１００μｍ内部に固定し、自動ステージを用いて板ガラスを３０ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させることで、線状に異質相を形成した。線状の異質相は、中心位置がガラス表面から垂直方向に１００μｍの位置であり、直径２μｍ、ガラス厚み方向の長さは３２μｍであった。そして、線間隔が５０μｍとなるように線状の異質相を形成する作業を繰り返し、図１及び図２の図面代用写真に示すような、板ガラスの断面視において、間隔が平均５０μｍで形成されたレーザー強化ガラスを得た。

このレーザー強化ガラスについて、支点間距離３０ｍｍ、荷重点間距離１０ｍｍ、荷重速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件で４点曲げ強度試験を行い、破壊時の負荷荷重を測定した。

実施例２
異質相のガラス厚み方向の中心位置がガラス表面から垂直方向に２００μｍの位置となるように形成した以外は、実施例１と同様の手順にて、異質相の中心位置がガラス表面から２００μｍ内部であり、直径２μｍ、ガラス厚み方向の長さは３０μｍ、板ガラスの断面視において、間隔が平均５０μｍで形成されたレーザー強化ガラスを得た。このレーザー強化ガラスについて、実施例１と同様に４点曲げ強度試験を行い、破壊時の負荷荷重を測定した。

実施例３
板ガラスには、実施例１と同じものを用いた。そいて、超短パルスレーザー光は、Ｎｄ−ＹＡＧレーザー励起のＴｉサファイアレーザーから発振されたパルス幅１００フェムト秒、繰返し周期１ｋＨｚ、中心波長８００ｎｍのフェムト秒レーザー光を利用し、ＮＤフィルターを用いて焦点付近での出力を約９ｍＷに調節した。フェムト秒レーザー光の集光する位置をガラス表面から垂直方向に１００μｍ内部に固定し、超短パルスレーザー光を集光レンズ（オリンパス製対物レンズ、倍率４０倍、開口数０．５５）で約５μｍφのスポット状に集光させた。

フェムト秒レーザー光の集光する位置をガラス表面から１００μｍ内部に固定し、自動ステージを用いて板ガラスを２５ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させることで、円柱状の形状を有する点状の異質相を２５μｍ間隔で形成した。点状の異質相は、中心位置がガラス表面から垂直方向に１００μｍ内部であり、直径２μｍ、ガラス厚み方向の長さは８０μｍであった。そして、点状の異質相を形成する作業を繰り返し点状の異質相が、板ガラスの断面視において、平均で２５μｍの間隔で形成されたレーザー強化ガラスを得た。

このレーザー強化ガラスについて、実施例１と同様に４点曲げ強度試験を行い、破壊時の負荷荷重を測定した。

実施例４
異質相のガラス厚み方向の中心位置がガラス表面から垂直方向に２００μｍの位置になるように形成した以外は、実施例３と同様の手順にて、異質相の中心位置がガラス表面から垂直方向に２００μｍの位置となるように形成され、直径２μｍ、ガラス厚み方向の長さが７６μｍ、板ガラスの断面視において、間隔が平均５０μｍの異質相が形成されたレーザー強化ガラスを得た。このレーザー強化ガラスについて、実施例１と同様に４点曲げ強度試験を行い、破壊時の負荷荷重を測定した。

比較例１
異質相のガラス厚み方向の中心位置がガラス表面から垂直方向に５０μｍの位置となるように形成した以外は、実施例１と同様の手順にて、異質相の直径が２μｍ、ガラス厚み方向の長さが３２μｍ、板ガラスの断面視において、間隔が平均５０μｍの線状の異質相が形成されたレーザー強化ガラスを得た。このレーザー強化ガラスについて、実施例１と同様に４点曲げ強度試験を行い、破壊時の負荷荷重を測定した。

比較例２
異質相のガラス厚み方向の中心位置がガラス表面から垂直方向に３００μｍの位置となるように形成した以外は、実施例３と同様の手順にて、異質相の直径が２μｍ、ガラス厚み方向の長さが７４μｍ、板ガラスの断面視において、間隔が平均２５μｍの点状の異質相が形成されたレーザー強化ガラスを得た。このレーザー強化ガラスについて、実施例１と同様に４点曲げ強度試験を行い、破壊時の負荷荷重を測定した。

比較例３
異質相のガラス厚み方向の中心位置がガラス表面から垂直方向に６００μｍの位置となるようにした以外は、実施例３と同様の手順にて、異質相の直径が２μｍ、ガラス厚み方向の長さが７２μｍ、板ガラスの断面視において、間隔が平均２５μｍの点状の異質相が形成されたレーザー強化ガラスを得た。このレーザー強化ガラスについて、実施例１と同様に４点曲げ強度試験を行い、破壊時の負荷荷重を測定した。

比較例４
実施例１および実施例２と同じガラスに対してレーザー強化処理を施さず、未処理のまま、実施例１と同様に４点曲げ強度試験を行い、破壊時の負荷荷重を測定した。

［レーザー強化ガラスの機械的強度の評価結果］
実施例１乃至３、及び比較例１乃至４で得られたレーザー強化ガラス、又は、未処理ガラスについて、４点曲げ強度試験を行ったときの、破壊時の負荷荷重の測定結果を表１に示す。又、図３には、異質相のガラス厚み方向の中心のガラス表面から垂直方向の位置とレーザー強化ガラスの破壊荷重の関係を示す。

異質相のガラス厚み方向の中心位置を適切に設定することにより、破壊荷重が向上し、機械的強度が向上することが確認された。

本実施例１の強化ガラスの表面を反射微分干渉顕微鏡で２００倍に拡大して観察したときの図面代用の写真である。 本実施例１の強化ガラスの断面を反射微分干渉顕微鏡で２００倍に拡大して観察したときの図面代用の写真である。 異質相のガラス厚み方向の中心のガラス表面から垂直方向の位置とレーザー強化ガラスの破壊荷重の関係を示す図である。

Claims (5)

1. 超短パルスレーザー光の集光照射によって板ガラスの内部に異質相が、板ガラスの平面視において、点状、線状、又は網目状に形成された強化ガラスであり、該板ガラスが、重量％表示で、ＳｉＯ_２ ６９〜７３％、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ １２〜１６％、ＣａＯ ７〜１３％、ＭｇＯ ０．１〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３ ０．５〜３％、Ｆｅ_２Ｏ_３ ０〜０．５％の組成を有し、板ガラスの断面視において、最近接の異質相間の平均距離が５０μｍ以下の距離、異質相のガラス厚み方向の中心が板ガラス表面から垂直方向に８０μｍ〜２５０μｍの位置で形成されてなる強化ガラス。
2. 異質相のガラス厚み方向の中心が板ガラス表面から９０μｍ〜２１０μｍの位置で形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の強化ガラス。
3. 異質相のガラス厚み方向の長さが１０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の強化ガラス。
4. 異質相のガラス厚み方向の長さが３０μｍ〜８５μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の強化ガラス。
5. 超短パルスレーザー光がピコ秒からフェムト秒のパルスレーザー光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強化ガラス。