JP2007156401A - 偏光ガラスおよび偏光ガラスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可視光領域内での透過率特性およびコントラスト比に優れた偏光ガラスを提供する。
【解決手段】ガラス中に分散し配向した延伸金属粒子を含む偏光ガラスの製造方法において、金属イオンを含む母材ガラスを準備する準備工程と、母材ガラスを、ガラス転移点温度を超えない温度に加熱し、金属イオンの少なくとも一部を金属粒子にするのに十分な時間還元する還元工程と、還元工程後の母材ガラスを、ガラス転移点温度より高い温度で熱処理することにより金属粒子を析出する析出工程と、析出工程後の母材ガラスを加熱しながら延伸する延伸工程とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶テレビ、液晶プロジェクター等の映像機器に用いることのできる偏光ガラスおよびその製造方法に関する。

偏光子は、液晶テレビ、液晶プロジェクター等の映像機器用途をはじめ、光通信分野など広く用いられている。偏光子には、有機および無機異種相による吸収型偏光子、結晶系複屈折偏光子、無機多層薄膜系偏光子があり、それぞれに特徴がある。

中でも、有機および無機系吸収型偏光子は、ＴＥ波（Ｓ波）あるいはＴＭ波（Ｐ波）の一方を吸収し偏光を得ることができるために扱いやすい。また、薄板状に加工することができるので、組み込む機器の設計の自由度が高い。これらのことから、特に軽薄短小化を要求される映像機器用途、および光通信分野に主に用いられている。

また、無機多層薄膜系偏光子は、上記の有機および無機系吸収型偏光子と同様に軽薄短小化することができるが、ＴＥ波あるいはＴＭ波の一方を反射させることで偏光を得るので、これら反射光の処理が困難という課題が挙げられる。一方、有機系吸収型偏光子では、光源からの有害光を吸収することによる光熱的劣化が起こり易いので、高い耐久性が要求されるような用途では扱いにくいという課題がある。したがって、無機系吸収型偏光子の利用が期待されている。

図１は、無機系吸収型偏光子の一例である偏光ガラスの従来の製造方法（以下、「従来製法」と略称する）における、各工程でのガラスの性状を示す。偏光ガラスの従来製法は、主として、析出（または熱処理）工程、延伸工程、および還元工程から成る。より詳しくは、まず、ガラスにハロゲン化金属を溶融して母材ガラス１１を形成してから、析出工程において母材ガラス１１内にハロゲン化金属粒子１３を析出させる（図１（Ａ））。次に、この母材ガラス１１をガラスプリフォームに加工した後、延伸工程においてハロゲン化金属粒子１３を含むガラスプリフォームを引き伸ばしてガラスシート４１に加工する（図１（Ｂ））。さらに、引き伸ばしたガラスシート４１を研磨した後、還元工程においてガラスシート４１内の延伸された延伸ハロゲン化金属粒子１５を、例えば水素などの還元雰囲気中で還元処理して延伸金属粒子１９とする（図１（Ｃ））。上記従来製法は、例えば、特許文献１に開示されている。
特開２００５−４９５２９号公報

例えば特許文献１に開示されている従来の偏光ガラスは、その製造方法上、内部に比較的大きな延伸ハロゲン化金属粒子等が存在するので、光の散乱および吸収によって特に可視域の透過率が減少してしまうという課題があった。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、ガラス中に分散し配向した延伸金属粒子を含む偏光ガラスの製造方法において、金属イオンを含む母材ガラスを準備する準備工程と、母材ガラスを、ガラス転移点温度を超えない温度に加熱し、金属イオンの少なくとも一部を金属粒子にするのに十分な時間還元する還元工程と、還元工程後の母材ガラスを、ガラス転移点温度より高い温度で熱処理することにより金属粒子を析出する析出工程と、析出工程後の母材ガラスを加熱しながら延伸する延伸工程とを備える。

上記偏光ガラスの製造方法において、準備工程は、ガラス、金属イオン、および、ハロゲンイオンを溶融する溶融工程を有してもよい。

上記偏光ガラスの製造方法において、準備工程は、金属イオンをイオン交換によりガラスに注入するイオン交換工程を有してもよい。

上記偏光ガラスの製造方法において、還元工程において、母材ガラスを、歪点温度より高い温度に加熱してもよい。

上記還元工程において、母材ガラスの表面から、５０μｍから２００μｍまでの厚さまでの金属イオンを還元してもよい。

上記偏光ガラスの製造方法における析出工程において、母材ガラスを、軟化点温度を超えない温度に加熱してもよい。

上記析出工程において、２０ｎｍから１５０ｎｍの粒径を有する金属粒子を析出してもよい。

本発明の第２の形態によれば、ガラス中に分散し配向した延伸金属粒子を含む偏光ガラスであって、波長が５００ｎｍ以上の入射光に対する透過率が７０％以上である偏光ガラスが提供される。

上記偏光ガラスは、可視光領域内において、コントラスト比（ＴＥ波（Ｓ波）：ＴＭ波（Ｐ波））が１００：１以上となる波長幅が２００ｎｍ以上であることが好ましい。

上記偏光ガラスは、波長が５２０ｎｍ以上の入射光に対する透過率が８０％以上であることが好ましい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、還元工程において、母材ガラスをガラス転移点温度以下の温度に加熱して還元処理することで、母材ガラスの内部においてハロゲン化金属の結晶化および結晶の成長を抑えつつ、母材ガラスの表面部に含まれる金属イオンを還元することができる。よって、偏光ガラスの透過率を向上させることができる。また、上記還元工程において、母材ガラスの表面からの、金属イオンが還元される部分の厚さは、５０μｍから２００μｍまでの間で最適に制御することができる。さらに、析出工程において、析出する金属粒子の粒径を２０ｎｍから１５０ｎｍまでの間で最適に制御することができる。よって、可視光領域内において、波長が５２０ｎｍ以上の入射光に対する透過率が８０％以上であり、コントラスト比（ＴＥ波（Ｓ波）：ＴＭ波（Ｐ波））が１００：１以上となる波長幅が２００ｎｍ以上である偏光ガラスを得ることができる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本実施形態に係る偏光ガラスの製造方法（以下、「本製法」と略称する）は、少なくとも金属イオンを含む母材ガラスを準備する準備工程、母材ガラスをガラスプリフォームに加工する加工工程、ガラスプリフォームを還元する還元工程、ガラスプリフォームを熱処理して金属粒子を析出および成長させる析出工程、および、金属粒子を含むガラスプリフォームを引き伸ばす延伸工程、などの工程を備える。図２の（Ａ）から（Ｄ）は、上記製造方法における加工工程、還元工程、析出工程、および延伸工程の各工程を終えた段階での、ガラスプリフォーム２０およびガラスシート４０の平面および断面の概略図である。また、図２の（Ａ）から（Ｄ）におけるそれぞれの右側の図は断面の概略図であり、左側の図は平面の概略図である。図２の（Ａ）から（Ｄ）それぞれの断面の概略図は、各図の右側および左側で連続的に繋がっているガラスプリフォーム２０またはガラスシート４０の一部分を示す。

準備工程では、例えば、ガラス原料とハロゲン化金属原料とを溶融混合した後に固化して母材ガラスとする。この場合において、ガラス原料としてアルミノホウケイ酸ガラスを、ハロゲン化金属原料として塩化銀（ＡｇＣｌ）および臭化銀（ＡｇＢｒ）を用いる。

また、上記ガラス原料に含まれるナトリウムを、銀イオンなどの１価の金属イオン（例えば、アルカリ金属イオン）とイオン交換することより、当該金属イオンを注入して、母材ガラスとしてもよい。イオン交換の方法としては、母材ガラスを溶融塩に浸漬する方法が挙げられる。浸漬に用いる塩としては、銀イオンなど注入したい金属イオンを含む適当な混合塩を選ぶことができる。例えば、硝酸銀とアルカリ金属硝酸塩との混合物等が挙げられる。また、イオン交換の他の方法としては、銀などを母材ガラスに蒸着し、この蒸着膜に電圧を印加してイオン交換する方法も挙げられる。

加工工程では、母材ガラスを板状もしくはブロック状に成形してガラスプリフォーム２０を切り出す（図２（Ａ））。なお、図２の（Ａ）から（Ｃ）に示すガラスプリフォーム２０の支持具取付穴２２は、後述する延伸工程において延伸装置１００のガラス支持具１１５に固定するために空けられた穴である。

還元工程では、ガラスプリフォーム２０に含まれる金属イオンの少なくとも一部を還元する（図２（Ｂ））。具体的には、例えば水素雰囲気である還元炉内にガラスプリフォーム２０を載置して加熱することによって、ガラスプリフォーム２０の表面から所望の厚さに含まれる金属イオンを還元する。この厚さは、還元温度（還元炉内の雰囲気温度）または還元時間によって制御することができる。

本製法の還元温度は、ガラスプリフォーム２０の歪点温度以上で、ガラス転移点温度以下であることが好ましい。還元温度がガラス転移点温度以下で比較的低いので、ガラスプリフォーム２０内で未還元の金属イオンとハロゲンイオンがハロゲン化金属粒子１３となって析出するのを抑えることができる。このハロゲン化金属粒子１３は、後工程である析出工程および延伸工程などを経て延伸ハロゲン化金属粒子１５となって偏光ガラス内部に数多く存在すると、偏光ガラスの透過率低下の原因となる。したがって、還元工程において、ハロゲン化金属粒子１３の析出を抑えることで、偏光ガラスの透過率を向上させることができる。

また、本製法の還元時間は、例えば、ガラスプリフォーム２０内の還元された金属イオンの少なくとも一部が金属粒子１７として析出するのに十分で、ガラスプリフォーム２０の表面から約２００μｍまでの厚さに含まれる金属イオンが還元される程度の時間でよい。これにより、後工程を経た偏光ガラスは、その表層に十分な厚さの延伸金属粒子１９が含まれる層を持つので、優れた偏光特性を示す。

析出工程では、例えば耐熱容器内などでガラスプリフォーム２０を熱処理して、上記還元工程においてガラスプリフォーム２０の表層に析出した金属粒子１７を成長させるとともに、新たなハロゲン化金属粒子１３が析出する（図２（Ｃ））。加熱処理の温度および時間は、ガラスプリフォーム２０の形状などによって異なるが、ガラスプリフォーム２０のガラス転移点温度より高く軟化点温度より低い温度で少なくとも１時間熱処理する。これにより、ガラスプリフォーム２０の表層の金属粒子１７を、粒径がおよそ２０ｎｍ〜２００ｎｍ（より好ましくはおよそ５０ｎｍ〜１００ｎｍ）の大きさに成長させる。

図３は、本製法に供される母材ガラスと同じ組成である母材ガラスについて、熱処理を施していないもの（図３中のグラフ「Ｘ」）、本製法の析出工程として６２０℃で４時間熱処理したもの（図３中のグラフ「Ｙ」）、および、従来製法の析出工程として６２０℃で１時間、さらに連続して７３０℃で４時間熱処理したもの（図３中のグラフ「Ｚ」）、の３種類のガラスそれぞれについて、主に可視光領域での透過率特性を示す。図３に示すように、熱処理を施していないガラスと比べて、従来製法の析出工程を経たガラスは、主に可視光領域での透過率が大きく低下しているのに対して、本製法の析出工程を経たガラスは、このような透過率の低下が非常に小さい。

これは、本製法の析出工程である図３「Ｙ」が、図３「Ｘ」と比べて、吸収端が長波長側に移動していることから、ガラスプリフォーム２０の内部でハロゲン化銀粒子１３が析出していると考えられる。したがって、本製法の還元工程（４９５℃で２４時間、大気圧の水素雰囲気中で還元処理する工程）に続く本製法の析出工程において、ガラスプリフォーム２０の表層において金属粒子１７が成長するとともに、ガラスプリフォーム２０の内部でハロゲン化金属粒子１３が析出すると考えられる。しかしながら、上記還元工程は処理温度がガラス転移点温度以下であるので、ガラスプリフォーム２０の内部でのハロゲン化金属粒子１３はほとんど生成せず（結晶核がない）、析出工程においてガラス転移点温度以上で処理してガラスプリフォーム２０の内部でハロゲン化金属粒子１３が析出した場合でも結晶核程度の大きさと考えられるので、その粒径は金属粒子１７と比べて小さい。したがって、偏光ガラスの透過率の低下を小さくすることができる。

延伸工程では、ガラスプリフォーム２０を所定温度に加熱延伸して延伸金属粒子１９を有するガラスシート４０を形成する。図４は、本実施形態の延伸工程に用いる延伸装置１００の構成を示す。図５は、延伸装置１００における引張手段１５０の構成を示す。

図４に示すように、延伸装置１００は、電気炉１１７と、電気炉１１７の内部に設けられたガラス支持具１１５と、同じく電気炉１１７の内部に設けられたメインヒータ１３０、サブヒータ１３２、１３４、１３６、およびサイドヒータ１３８と、ガラスプリフォーム２０の長手方向に関して上記の各種ヒータより下方に設けられた引張手段１５０とを備える。

延伸装置１００は、ガラスプリフォーム２０の周囲に配した各種ヒータでガラスプリフォーム２０を加熱しながら延伸する。これにより、ガラスプリフォーム２０内に含む金属粒子１７およびハロゲン化金属粒子１３が引き伸ばされ、内部に延伸金属粒子１９および延伸ハロゲン化金属粒子１５を含んだガラスシート４０が生成される（図２（Ｄ））。より具体的には、短冊形状に加工されたガラスプリフォーム２０は、支持具取付穴２２でガラス支持具１１５に固定され、メインヒータ１３０、サブヒータ１３２、１３４、１３６、およびサイドヒータ１３８で加熱しながら、ヒータの下方に設けられた引張手段１５０によって長手方向に引き取られる。

ガラスプリフォーム２０は、ガラスプリフォーム２０の幅方向の収縮が生じる延伸部２５における短冊形状の正面から、延伸部２５の幅方向の中心付近を加熱するメインヒータ１３０と、延伸部２５における短冊形状の側方から、延伸部２５の側面を加熱するサイドヒータ１３８と、メインヒータ１３０の上方に所定の間隔で配されるサブヒータ１３２、１３４、および１３６で加熱される。ここで、メインヒータ１３０、サブヒータ１３２、１３４、１３６、およびサイドヒータ１３８の出力は、それぞれ独立して制御される。これにより、ガラスプリフォーム２０は、延伸に適した温度分布として、例えば１×１０^７ポイズから１×１０^９ポイズになる温度分布に加熱されて延伸される。故に、ガラスプリフォーム２０内部の金属粒子１７を適当な楕円形状の延伸金属粒子１９に延伸することができるので、後工程において研磨することなく、可視光領域における透過率の高い偏光ガラスを製造することができる。

図５に示すように、引張手段１５０は、ガラスシート４０の表裏面を挟む一対のローラ１５２、１５４と、これら一対のローラ１５２、１５４のそれぞれと一体的に回転する従動軸１５３、１５５と、これら従動軸１５３、１５５を機械的に同期して回転させる駆動軸１５６と、この駆動軸１５６に回転駆動力を与えるモータ１５７とを有する。従動軸１５３、１５５には互いにピッチの等しいねじり歯車が形成されており、これらのねじり歯車に噛み合う歯車が駆動軸１５６に形成されている。

本製法の延伸工程において、延伸時に曲がりが発生しないように、ガラスプリフォーム２０の延伸される部分の特定形状における断面二次モーメントが、少なくとも１３ｍｍ^４となるように、ガラスプリフォーム２０に形状を選定することで、延伸後のガラスシート４０の反りを抑えることができる。したがって、上記で説明した偏光ガラスの従来製法では、延伸後のガラスシート４１を研磨して厚みを一定にしていたが、本実施形態では、延伸後のガラスシート４０は、未研磨でも厚み精度が±１０μｍであり、研磨工程を省くことができるので、研磨コストを抑えることができる。

以下、偏光ガラスの従来製法および本製法の効果をそれぞれ確認した実験例について説明する。

重量％で、Ｌｉ_２Ｏ：１．８ｗｔ％、Ｎａ_２Ｏ：５．５ｗｔ％、Ｋ_２Ｏ：５．７ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３：１８．２ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３：６．２ｗｔ％、ＳｉＯ_２：５６．３ｗｔ％、Ａｇ：０．２４ｗｔ％、Ｃｌ：０．１６ｗｔ％、Ｂｒ：０．１６ｗｔ％、ＣｕＯ：０．０１ｗｔ％、ＺｒＯ_２：５．０ｗｔ％、ＴｉＯ_２：２．３ｗｔ％を有するガラス原料を白金るつぼに入れて約１３５０℃でプリメルトを行った。プリメルトで得られたガラスをキャンディ大に砕いてカレットとして、再び白金るつぼに入れて約１４５０℃で本メルトを行い、グラファイトの型に流し込んで成型し、徐冷炉に入れてアニールを行った後、取り出し母材ガラスとした。表１に、この母材ガラスの熱物性を示す。ただし、表１において、温度の誤差は±１０℃程度である。

上記母材ガラスから７０×２５０×３ｍｍ（幅×長さ×厚さ：断面二次モーメント２２ｍｍ^４）の平板上に切り出してガラスプリフォームに加工した後、４９５℃で２４時間、大気圧の水素雰囲気中で還元処理した。さらに、このガラスプリフォームを６２０℃で４時間熱処理して金属粒子を析出させた。図７は、熱処理時における母材ガラスの温度と時間の関係を示す。熱処理後のガラスプリフォームを約１×１０^１０ポイズ〜１×１０^１１ポイズになる温度でこのガラスプリフォームを約７００ｋｇ／ｃｍ^２〜８００ｋｇ／ｃｍ^２の応力で延伸してガラスシートとした。このガラスシートに仕上げ加工等を施して偏光ガラスとした。

図８は、実施例１および下記比較例１で得られた偏光ガラスのＴＥ波の透過率特性を示す。図８に示すように、実施例１で得られた偏光ガラスは、可視光の内、ＴＥ波の透過率は５２０ｎｍ以上（緑〜赤色域）で８０％以上であった。また、図９に示すように、実施例１で得られた偏光ガラスにおける５６０ｎｍ以上の帯域でのコントラスト比（ＴＥ波（Ｓ波）：ＴＭ波（Ｐ波））は、１００：１以上であった。一方、実施例１で得られた偏光ガラスの厚さの精度は±１０μｍであった。

＜比較例１＞
上記母材ガラスを６１０℃で１時間、さらに７４０℃で４時間熱処理してハロゲン化金属粒子を析出させた。図６は、熱処理時における母材ガラスの温度と時間の関係を示す。熱処理後の母材ガラス中に析出したハロゲン化金属粒子の粒径を測定したところ、およそ７０〜１５０ｎｍであった。この母材ガラスから７０×２５０×２ｍｍ（幅×長さ×厚さ：断面二次モーメント７ｍｍ^４）の平板上に切り出してガラスプリフォームに加工した後、約１×１０^７ポイズ〜１×１０^９ポイズになる温度でこのガラスプリフォームを約４００ｋｇ／ｃｍ^２の応力で延伸してガラスシートとした。このガラスシートを４７０℃で４時間、大気圧の水素雰囲気中で還元処理して、仕上げ加工等を施して偏光ガラスとした。

図８に示すように、比較例１により得られた偏光ガラスは、可視光の内、ＴＥ波の透過率は５２０ｎｍで６５％であった。また、比較例１の偏光ガラスにおける５６０ｎｍ以上の帯域でのコントラスト比（ＴＥ波（Ｓ波）：ＴＭ波（Ｐ波））は、およそ９０：１であった。一方、比較例１の偏光ガラスの厚さの精度は±８０μｍであった。

以上、本実施形態によれば、還元工程において、母材ガラスをガラス転移点温度以下の温度に加熱して還元処理することで、母材ガラスの内部においてハロゲン化金属の結晶化および結晶の成長を抑えつつ、母材ガラスの表面部に含まれる金属イオンを還元することができる。よって、偏光ガラスの透過率を大幅に向上させることができる。また、可視光領域内において、波長が５２０ｎｍ以上の入射光に対する透過率が８０％以上であり、コントラスト比（ＴＥ波（Ｓ波）：ＴＭ波（Ｐ波））が１００：１以上となる波長幅が２００ｎｍ以上である偏光ガラスを得ることができる。さらに、延伸後のガラスシートは、未研磨の状態でも十分に平滑であることから、従来製法と比べて、研磨コストを削減することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることができることは当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

従来の偏光ガラスの製造方法における、各工程でのガラスの性状を示す。 ガラスプリフォーム２０およびガラスシート４０の平面および断面の概略図である。 熱処理条件と透過率特性の関係を示す。 本実施形態の延伸工程に用いる延伸装置１００の構成を示す。 延伸装置１００における引張手段１５０の構成を示す。 従来製法の熱処理時における母材ガラスの温度と時間の関係を示す。 本製法の熱処理時における母材ガラスの温度と時間の関係を示す。 実施例１および比較例１で得られた偏光ガラスのＴＥ波の透過率特性を示す。 実施例１によって得られた偏光ガラスの透過率特性を示す。

符号の説明

１１ 母材ガラス、１３ ハロゲン化金属粒子、１５ 延伸ハロゲン化金属粒子、１７ 金属粒子、１９ 延伸金属粒子、２０ ガラスプリフォーム、２２ 支持具取付穴、２５ 延伸部、４０、４１ ガラスシート、１００ 延伸装置、１１５ ガラス支持具、１１７ 電気炉、１３０ メインヒータ、１３２、１３４、１３６ サブヒータ、１３８ サイドヒータ、１５０ 引張手段、１５２ ローラ、１５３ 従動軸、１５４ ローラ、１５５ 従動軸、１５６ 駆動軸、１５７ モータ

Claims (10)

1. ガラス中に分散し配向した延伸金属粒子を含む偏光ガラスの製造方法において、
   金属イオンを含む母材ガラスを準備する準備工程と、
   前記母材ガラスを、ガラス転移点温度を超えない温度に加熱し、前記金属イオンの少なくとも一部を金属粒子にするのに十分な時間還元する還元工程と、
   前記還元工程後の前記母材ガラスを、前記ガラス転移点温度より高い温度で熱処理することにより前記金属粒子を析出する析出工程と、
   前記析出工程後の前記母材ガラスを加熱しながら延伸する延伸工程と
   を備える偏光ガラスの製造方法。
2. 前記準備工程は、前記ガラス、前記金属イオン、および、ハロゲンイオンを溶融する溶融工程を有する請求項１に記載の偏光ガラスの製造方法。
3. 前記準備工程は、前記金属イオンをイオン交換により前記ガラスに注入するイオン交換工程を有する請求項１に記載の偏光ガラスの製造方法。
4. 前記還元工程において、前記母材ガラスを、歪点温度より高い温度に加熱する請求項１に記載の偏光ガラスの製造方法。
5. 前記還元工程において、母材ガラスの表面から、５０μｍから２００μｍまでの厚さの金属イオンを還元する請求項４に記載の偏光ガラスの製造方法。
6. 前記析出工程において、前記母材ガラスを、軟化点温度を超えない温度に加熱する請求項１に記載の偏光ガラスの製造方法。
7. 前記析出工程において、２０ｎｍから１５０ｎｍの粒径を有する前記金属粒子を析出する請求項６に記載の偏光ガラスの製造方法。
8. ガラス中に分散し配向した延伸金属粒子を含む偏光ガラスであって、波長が５００ｎｍ以上の入射光に対する透過率が７０％以上である偏光ガラス。
9. 可視光領域内において、コントラスト比が１００：１以上となる波長幅が２００ｎｍ以上である請求項８に記載の偏光ガラス。
10. 波長が５２０ｎｍ以上の入射光に対する透過率が８０％以上である請求項８に記載の偏光ガラス。

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