JP2008007384A - ガラス基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、エッジ及び面内（中央部）からの割れが生じにくいガラス基板の製造方法を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明に係るガラス基板の製造方法は、マザーガラス基板に化学強化処理を施す工程と、化学強化処理が施されたマザーガラス基板にホイールカッター３を回転させてスクライブ線を形成する工程とを備える。そして、スクライブ線に沿って、マザーガラス基板を切断し、ガラス基板を製造する。また、ホイールカッター３は、化学強化処理が施されたマザーガラス基板にかかる圧力を変化させて切断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、化学強化処理が施されたガラス基板の製造方法に関する。

化学強化ガラスは、薄くても充分な強度を保つことができるため、フラットパネルディスプレイ、タッチパネル等に使用される電子材料分野に用いられている。また、携帯電話や時計などのカバーガラスとしても用いられている。

例えば、フラットパネルディスプレイは、基板として、透明性、絶縁性、耐水性を持つガラスを用いることが多い。ガラスは本来、理論的にはかなりの強度を有するものである。しかし、実用的には、いとも簡単に脆性破壊を起こしてしまう。その原因として挙げられているのは、ガラス表面には引っ張り応力が存在することである。そのため、表面に何らかの形の欠陥が分布していると、その欠陥に応力が集中してしまい、そこが破壊開始点となり理論強度よりもかなり低い力で壊れてしまう。また、フラットパネルディスプレイは外部から圧力を受けることも多く、さらに、軽量薄型化が進み、それに伴い割れやすくなっている。従って、通常使用下においても、印加され得る引っ張り応力に対して充分に耐え得る割れ強度が要求されている。このため、液晶表示装置等のフラットパネルディスプレイのガラス基板に化学強化処理を施した化学強化ガラスを用いる提案がなされている（特許文献１）。

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る。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（ＫＮＯ_３）溶液中に浸積する方法である。これにより、ガラス中のナトリウムイオン（Ｎａ⁺）を硝酸カリウム中のカリウムイオン（Ｋ⁺）と置換し、表層に圧縮応力層を形成する。これが、化学強化層である。また、ガラス中にリチウム（Ｌｉ）を含む場合の化学強化処理液としては、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ_３）、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。

しかし、化学強化ガラスは、切断性が悪いという問題がある。例えば、フラットパネルディスプレイを製造する際、多数の表示装置のセルが作り込まれたマザーガラス基板から個々の表示装置セルに切断分離する必要がある。これは、タッチパネル等においても同様である。この切断には、ホイールカッター等が用いられる。ホイールカッターは、ガラス基板上に圧接状態にして、転動させることで、スクライブ線を刻む。このガラス基板に接する部分、つまりホイールの外円周部が切断部である。また、転動する軸心を貫通する取り付け孔がシャフト部である。従来のホイールカッターは、ホイール形状の切断部又はシャフト部が円形であるホイールを用いて切断する。従って、ホイールカッターに一定の圧力をかけて切断すれば、ガラス基板にかかる圧力も一定である。このホイールカッターによって、ガラス表面を引きかき、内部にクラック（割れ目）をつくる。そのクラックに沿って曲げモーメントや衝撃力、または熱応力などを作用させてクラックを成長させ分断する。ホイールカッターによりクラックを発生させた場合、垂直クラックと八の字型の水平クラックが形成される。また、きれいな切断面を得るためには水平クラックをできるだけ少なくし、垂直クラックをスムーズに成長させるような応力を与えることが必要である。

しかし、ガラスを化学強化処理後に切断する場合、ガラス表面の化学強化層の影響で切断のための垂直クラックが内部に伝搬しにくい。このため、化学強化層の硬い表面を破って切断しなければならない。ここで、従来のホイールカッターを用いて切断する場合、高い圧力をかける必要がある。このように、高い圧力をかけて切断すると、水平クラックが増加する。つまり、切断面にクラックソースが存在し、エッジから割れやすくなる。また、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も生じる。

このように、化学強化ガラスは切断分離することは難しく、分離されたセル端面（切断面）が直線にならない。すなわち、水平クラックの増加に伴う傷、欠けが多発する。これにより、静的な曲げによる割れ強度が、化学強化処理前のガラスよりも低くなる。つまり、化学強化処理を施すことにより、逆に割れ易くなってしまう。最初に商品サイズにガラスを切断した後に、化学強化処理を施すことにより、このような問題が生じないが、生産性が低下してしまう。このように、化学強化処理を施すことによる切断性の低下は、生産時の歩留低下の主因となり、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。
特開２００１−１９２２４０号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、エッジ及び面内（中央部）からの割れが生じにくいガラス基板の製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係るガラス基板の製造方法は、マザーガラス基板に化学強化処理を施す工程と、前記化学強化処理が施されたマザーガラス基板にホイールカッターを回転させてスクライブ線を形成する工程と、前記スクライブ線に沿って、前記マザーガラス基板を切断する工程とを備え、前記ホイールカッターは、前記化学強化処理が施されたマザーガラス基板にかかる圧力を変化させて切断するものである。これにより、エッジ及び面内（中央部）からの割れが生じにくいガラス基板を得ることができる。

また、前記ホイールカッターが、外円周部に突起を有するホイールカッターであってもよい。

そして、前記ホイールカッターは、軸心を貫通する取り付け孔が円形と異なり、回転時に振動が発生するホイールカッターであってもよい。

本発明によれば、化学強化処理を施しても、エッジ及び面内（中央部）からの割れが生じにくいガラス基板の製造方法を得ることを目的とする。

本実施の形態に係るガラス基板は、マザーガラス基板に化学強化処理を施した後に、切断されることにより製造される。最初に、本実施の形態に係るガラス基板の製造方法について説明する。

まず、マザーガラス基板に、化学強化処理を施す。これは、マザーガラス基板を割れにくくするためである。本実施の形態では、マザーガラス基板として、ソーダガラス（旭硝子社製ＡＳ）を用いる。ガラスは、特に引っ張り応力に対して脆弱であり、外部から圧力がかかると割れてしまうことが多い。ここで、ガラスに化学強化処理を施すと、ガラス表面の圧縮応力が増加する。これにより、引っ張り応力に対して逆向きの力をかかり、破壊に対する強度が向上する。

次に化学強化処理の方法について説明する。小さいイオン半径のアルカリイオン（リチウムイオンやナトリウムイオン）を含んだガラスを、そのガラス転移点以下の温度域（例えば４００℃）で大きなイオン半径のアルカリ溶融塩に浸漬する。これにより、ガラス表面で両者のイオン交換を行わせる。この結果、ガラス表面層では容積が増大し冷却後、圧縮応力が存在する状態となる。このように、ガラスに含まれるリチウムイオン（Ｌｉ⁺）やナトリウムイオン（Ｎａ⁺）よりもイオン半径が大きい陽イオンを持つ塩の溶液、もしくは溶融液にガラスを浸漬する工程を加えるだけで良く、非常に簡便である。さらにこの方法によれば、化学強化層の厚みは浸漬時間等の調整で簡便に行うことができる。また、ガラスの厚みが薄くても強化可能であり、異形や曲げガラスも強化可能である。なお、浸漬法以外の方法でも、化学強化処理を施すことができる。

本実施の形態では、まず、ソーダガラスを４００℃以上の硝酸カリウム溶液中に１０時間浸漬させる。これにより、ソーダガラスの表面層のＮａ⁺がカリウムイオン（Ｋ⁺）に置換される。イオン半径はＮａ⁺よりＫ⁺の方が大きいので、ガラス表面には圧縮応力が存在する。また、化学強化層の厚みは１０μｍ〜２０μｍである。マザーガラス基板は、以上のように化学強化処理が施されている。

次に、マザーガラス基板の切断方法について説明する。まず、本実施の形態にかかるホイールカッターについて図１を用いて説明する。図１は、ホイールカッターの形状を示す正面図である。

これは、切断部１の円周方向に凹凸又は鋸状を有するホイールカッター３である。つまり、外円周部に突起を有し、円周方向に凹部と凸部が交互に形成されている。また、シャフト部２は、従来と同様、円形の取り付け孔である。このホイールカッター３は、ホイールに設けた突起により、転動時に、ガラスに打点衝撃を与える。そして、突起がガラスに食い込み、垂直クラックが生じる。このように、凸部がガラスに接触するときに、瞬間的に強い圧力がかかり、ガラスにスクライブ線を入れる。つまり、ホイールに一定の圧力をかけて切断しても、凹部と凸部とで、ガラスにかかる圧力に変動が生じる。このようなホイールカッター３は、弱い圧力をかけて転動させても、化学強化層を破って切断することができる。従来のホイールカッター３で化学強化ガラスを切断する場合、常時高い圧力をかける必要があり、水平クラックの増加の原因となっていた。しかし、本実施の形態では、そのような高い圧力をかける必要なく、水平クラックを減らすことができる。従って、小片にしたガラス基板の切断面は、従来のホイールカッター３を用いて切断したときに比べてきれいになる。そして、小片にしたガラス基板のエッジ近傍でのクラックが低減する。つまり、切断後に、エッジから割れることを抑えることができる。本実施の形態では、例えば三星ダイヤモンド工業製のペネット（登録商標）を用いて、マザーガラス基板を切断することができる。

また、図１に示すホイールカッター３の代わりに、他のホイールカッター３である振動ホイールを用いてもよい。図２は、振動ホイールの形状を示す正面図である。これは、軸心に設けられたシャフト部２が円形と異なるホイールカッター３である。例えば、図２に示すように、シャフト部２の円周方向に凹凸又は鋸状を有するものである。また、切断部１は円形である。これにより、ホイールが転動する時に、振動が生じる。このように、回転と同時に振動が発生し、この振動によって、瞬間的に強い圧力がかかり、ガラスに食い込む。つまり、ホイールに一定の圧力をかけて切断しても、ガラスにかかる圧力に変動が生じる。従って、上述のように、切断後にエッジから割れることを抑えることができる。このように、本実施の形態では、ガラス基板にかかる圧力を変化させて切断する。そして、瞬間的に圧力を強くすることにより、切断面がきれいな小片にしたガラス基板が得られる。

次に、このようなホイールカッター３が取り付けられるガラススクライバーについて図３を用いて説明する。図３は、ガラススクライバーの構成を示す正面図である。上述のようなホイールカッター３は、ガラススクライバーのカッターヘッド等に回転自在に軸着して用いられる。

ガラススクライバーは、テーブル１１上にＹ軸方向へ移動するよう配置したＸ軸ガイド１２を有する。Ｘ軸ガイド１２にカッターヘッド１３をＸ軸方向に移動するよう取り付け、カッターヘッド１３の下部に上下動するように、ホルダー１４を設ける。そして、ホルダー１４の下部に、ホイールカッター３のシャフト部２を貫通するシャフト１５を設け、回転自在の構造となっている。また、振動ホイールを用いる場合、シャフト部２とシャフト１５は、異なる形状を有し、シャフト１５の外径は、シャフト部２の最少内径に対して遊嵌する程度に設定されている。テーブル１１上に載置したマザーガラス基板１６にホイールカッター３を所定の圧力で押し当て、Ｘ軸ガイド１２とカッターヘッド１３を平行移動させる。そして、ホイールカッター３を回転移動させ、マザーガラス基板１６に切れ目（スクライブ線）を入れていく。そして、マザーガラス基板１６に切れ目を入れたあと、この切れ目に沿って応力を加えて、マザーガラス基板１６を切断する。また、ガラススクライバーは、このような構成に限られるものではない。

次に、小片にしたガラス基板の割れ強度を比較する。また、割れ強度の測定には、静的加重と動的加重を用いることができる。また、静的加重には、一点押し付け法、三点曲げ法、四点曲げ法が挙げられる。ここで、それぞれの測定について説明する。一点押し付け法は、ガラス基板を台によって、四辺で支える。そして、ガラス基板の上から一点で加重を加え、ガラス基板が割れる時に加えた力を測定する方法である。三点曲げ法は、ガラス基板を二辺で支えて、ガラス基板の上から一辺で加重を加える。そして、ガラス基板が割れる時に加えた力を測定する方法である。四点曲げ法は、ガラス基板を二辺で支えて、ガラス基板の上から二辺で加重を加える。そして、ガラス基板が割れる時に加えた力を測定する方法である。動的加重は、ガラス基板を台によって、四辺で支える。そして、ガラス基板の上から、金属球を落下させ、ガラス基板が割れる時に加えた力を測定する方法である。それぞれの方法における主な割れの起点、割れやすさ等を表１にまとめる。

一点押し付け法は、一点での押し付けによりガラス割れが生じるため、面内（中央部）のストレスを起点に割れる。このため、化学強化処理を施すと割れに対して高い強度を保つことができる。また、主な割れの起点は、エッジ又は中央である。動的加重は、一点への衝撃によりガラス割れが生じるため、主な割れの起点は、ガラス基板の中央からである。このため、化学強化処理を施すとこれも割れに対して高い強度を保つことができる。また、主な割れの起点は、ガラス基板の中央からなので、化学強化処理を施すことにより、これらの方法の中で、最も割れにくくなる。三点曲げ法、四点曲げ法は、曲げによりガラス割れが生じるため、主な割れの起点は、ガラス基板のエッジからである。このため、これらの方法の中で、最も割れやすくなる。

今回は、三点曲げ法により割れ強度を比較した。表２は、小片にしたガラス基板の割れ強度を比較したものである。表２では、化学強化処理なしのマザーガラス基板１６を切断したガラス基板と、化学強化処理を施したマザーガラス基板１６を切断したガラス基板と、マザーガラス基板１６を切断した後に化学強化を施したガラス基板（化学強化ガラスと称することがある）と、本実施の形態に係るガラス基板とを比較している。また、本実施の形態に係るガラス基板以外のガラス基板は、従来のホイールカッター３によって切断されたものである。なお、従来のホイールカッター３として、三星ダイヤモンド工業製の超硬ホイールカッターを用いた。ここでは、化学強化処理なしのマザーガラス基板１６を切断したガラス基板を化学強化なしガラス、化学強化処理を施したマザーガラス基板１６を切断したガラス基板を従来のガラス、マザーガラス基板１６を切断した後に化学強化を施したガラス基板を化学強化ガラスとする。また、従来のガラス、本実施の形態は、３００×４００×０．７ｍｍのソーダガラス（旭硝子社製ＡＳ）を上述のように化学強化処理を施し、５０×８０×０．７ｍｍのサイズに切断した。なお、化学強化処理なしガラス、化学強化ガラスも同様のサイズに切断した。これらの小片にしたガラス基板を、８０ｍｍの辺を横にセットした。そして、それぞれ約３０枚用いて、ガラス基板に割れが生じる加重（割れ強度）の平均値、最小値を測定した。

割れ強度を測定した結果、割れ強度の最小値は、化学強化なしガラス、従来のガラスでは、２５Ｎという低い値であった。これは、製造工程において、いくつかのガラスが切断よりもひどいダメージを受けたことによる。これにより、２５Ｎという低い値でも割れが生じたと考えられる。しかし、本実施の形態では、最小値５０Ｎとなり、このようなダメージが生じても、割れにくくなった。割れモードには、エッジからの割れ（エッジ割れ）と面内からの割れ（面内割れ）の２つに分けられる。割れ強度が低い値だと、エッジ割れが生じている。また、割れ強度が約５０Ｎ以上になると、エッジ割れではなく、面内割れが生じている。つまり、本実施の形態では、ガラスの両面の全体に化学強化処理が施されていることにより、エッジ割れが生じにくくなっている。

次に、割れ強度の平均値について比較する。本実施の形態では、割れ強度の平均が１００Ｎなので、化学強化なしガラスの割れ強度の平均５０Ｎと比較すると、面内割れの強度が上がっている。上述の結果と合わせて考えると、最小値及び平均値が、化学強化なしガラスと比較して、共に２倍に上昇した。つまり、化学強化処理を施したことにより、ガラスの割れ強度が上がった。また、従来のガラスは、割れ強度の平均が３０Ｎであった。これは、エッジ割れの割合が多いためである。また、この値は、化学強化なしガラスの割れ強度の平均５０Ｎよりも低い値である。つまり、化学強化なしガラスよりもエッジ割れが多いことが分かる。このように、本実施の形態と異なり、化学強化処理を施す前よりも、逆に割れやすくなっている。これは、化学強化処理を施された部分を従来のホイールカッター３によって切断するため、上述のように水平クラックが増大し、切断面にクラックソースが生じているためである。

また、小片にした後に化学強化処理を施した化学強化ガラスの割れ強度の最小値及び平均値は、これらのガラスの中で最も高い値となり、最も割れにくかった。これは、本実施の形態のようにガラスの両面全体に化学強化処理が施されていることに加えて、切断面にも化学強化処理が施されているためである。しかし、本実施の形態も化学強化ガラスの最小値及び平均値と近い値になっている。つまり、エッジ及び面内からの割れが生じにくい小片のガラス基板が得られる。化学強化ガラスは、最も強度が上がると考えられるので、本実施の形態もかなり強度が上がっていることが分かる。

本実施の形態に係るマザーガラス基板１６によれば、切断性もよく、切断面がきれいな小片のガラス基板を得られる。このため、フラットパネルディスプレイ、タッチパネルのようなマザーガラス基板１６から複数枚採りを行う場合においても、切断性がよいため歩留低下等の問題が起こらない。また、切断面もきれいなので、製品となった後も、想定加重よりも小さな値でエッジから破壊することもない。

また、ガラスの厚さを薄くしても十分な強度を有しているので、モバイル型パーソナルコンピュータ、携帯電話、小型液晶テレビの表示装置といった携帯型ディスプレイに用いることもできる。この場合でも、本実施の形態のように、化学強化処理が施されたマザーガラス基板１６にかかる圧力を変化させて切断することにより、複数枚採りが可能になり、生産性が上がる。ここで、フラットパネルディスプレイとは、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等の平面型表示装置のことである。

また、本実施の形態に係るガラス基板の製造方法は、複数枚採りをする場合に限られるわけではない。単に化学強化ガラスを切断する場合でも、本実施の形態と同様の方法で切断することができる。

実施の形態１にかかるホイールカッターの形状を示す正面図である。 実施の形態１にかかる振動ホイールカッターの形状を示す正面図である。 実施の形態１にかかるガラススクライバーの構成を示す正面図である。

符号の説明

１ 振動部、２ シャフト部、３ ホイールカッター
１１ テーブル、１２ Ｘ軸ガイド、１３ カッターヘッド、１４ ホルダー、
１５ シャフト、１６ マザーガラス基板

Claims (3)

1. マザーガラス基板に化学強化処理を施す工程と、
   前記化学強化処理が施されたマザーガラス基板にホイールカッターを回転させてスクライブ線を形成する工程と、
   前記スクライブ線に沿って、前記マザーガラス基板を切断する工程とを備え、
   前記ホイールカッターは、前記化学強化処理が施されたマザーガラス基板にかかる圧力を変化させて切断するガラス基板の製造方法。
2. 前記ホイールカッターが、外円周部に突起を有するホイールカッターである請求項１に記載のガラス基板の製造方法。
3. 前記ホイールカッターは、軸心を貫通する取り付け孔が円形と異なり、
   回転時に振動が発生するホイールカッターである請求項１に記載のガラス基板の製造方法。

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