JP2012229154A - ディスプレイ用ガラス基板及びその製造方法並びにこれを用いたディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化、軽量化が可能で、機械的強度や透明性が高く、しかも短時間で製造可能なディスプレイ用ガラス基板及びその製造方法並びにこれを用いたディスプレイの提供。
【解決手段】ＳｉＯ_２を４０〜７０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３を０．１〜２０重量％、Ｎａ_２Ｏを０〜２０重量％、Ｌｉ_２Ｏを０〜１５重量％、ＺｒＯ_２を０．１〜９重量％含有し、Ｌｉ_２ＯとＮａ_２Ｏの合計含有量が３〜２０重量％であるガラス材料で形成されたガラス基板の表面に化学強化処理により深さ５０μｍ以上の圧縮応力層を形成する。
【選択図】なし

Description

本発明はディスプレイ用のガラス基板及びその製造方法並びにこれを用いたディスプレイに関する。

パーソナルコンピュータや携帯電話といった情報端末の表示装置としては液晶ディスプレイが用いられている。一般に、液晶ディスプレイは透明電極が形成された１対の基板間に液晶が封入された構造を有している。この基板としてはソーダライムガラスや無アルカリガラス等で形成されたガラス基板が用いられている。

ところで、携帯電話、モバイル型パーソナルコンピュータ、携帯型ＡＶ機器等の携帯型情報端末といった情報端末の小型化に伴い、情報端末で使用されるディスプレイ用のガラス基板の軽量化と省電力化が要望されている。例えば、バックライトを用いずに、画像を背面に配置された反射板で反射して表示する反射型液晶ディスプレイでは、ガラス基板が厚くなると視差が生じ、画像が２重にみえ、これによって２つの画像が色をうち消しあうため、画像の輝度が低下してしまう。従って、このような液晶ディスプレイに用いられるガラス基板は特に厚さを薄くすることが重要である。

一方、ガラス基板は厚さが薄くなると、ディスプレイの製造工程中あるいは使用中に割れやすくなるといった問題がある。この問題に対処するため、ディスプレイ用基板として、強化処理により強度が増大された強化ガラス基板を用いることが提案されている。例えば、特開昭５７−２０５３４３号や特開平９−２３６７９２号は強化処理により強度が強化された液晶ディスプレイ用のガラス基板が開示されている。

しかし、上述したガラス基板では携帯型情報端末で用いられる厚さに形成した場合、強度が十分でない場合がある。例えば、上述した反射型液晶ディスプレイでは、ディスプレイの輝度を維持するため、ガラス基板としては厚さが０．７ｍｍ以下、通常０．４ｍｍ程度のものを用いる必要がある。この場合、従来の強化ガラス基板では強化対象のガラス基板の厚さが薄いため、必要な強度を得ることが困難な場合がある。

また、従来の強化方法で必要な強度を持たせようとすると強化処理に長時間を要する場合がある。例えば、ソーダライムガラスで形成されたガラス基板に、厚さ５０μｍ以上の圧縮応力層を形成するためにはガラス基板を溶融塩中に１６時間以上浸漬する必要があり、たとえ必要な強度を得られたとしても製造の手間及びコストが増大してしまう。

また、強化処理に使用する処理塩によっては、ガラス基板が着色してしまったり、処理塩コストが高くなりすぎるといった問題もある。本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、薄型化、軽量化が可能で、機械的強度や透明性が高く、しかも短時間で製造可能なディスプレイ用ガラス基板及びその製造方法並びにこれを用いたディスプレイを提供することを目的とする。

本発明は、厚さが０．７ｍｍ以下で、表面に深さ５０μｍ以上の圧縮応力層を有するディスプレイ用ガラス基板である。本発明のディスプレイ用ガラス基板は厚さが０．７ｍｍ以下と薄いため、ディスプレイの薄型化及び軽量化を図ることができると共に、ディスプレイの輝度の低下を防止することができる。また、表面に深さ５０μｍ以上の圧縮応力層を有しているため、基板の厚さが０．７ｍｍ以下であっても充分な強度を有する。例えば、本発明のガラス基板の厚さが０．４ｍｍである場合、厚さが０．８ｍｍであって圧縮応力層が形成されていないガラス基板と同等の強度を有する。本発明のディスプレイ用ガラス基板の厚さは０．２〜０．５ｍｍが好ましく、０．２〜０．４５ｍｍがより好ましく、０．２〜０．４ｍｍが最も好ましい。また、圧縮応力層の深さは７０μｍ以上が好ましく、１００μｍ以上がより好ましい。本発明に係るガラス基板の圧縮応力層の深さの上限は基板の厚さ等の条件により異なるが、通常、基板の厚さの１／４倍程度とすることが好ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、厚さを薄くしても十分な強度を有するディスプレイ用ガラス基板が提供される。従って、このような基板を用いることにより、ディスプレイの薄型化及び軽量化を図ることができると共に、消費電力を増大させることなくディスプレイの輝度の低下を防止することが可能になる。

このような圧縮応力層はガラス基板に焼入れといった物理強化処理又はイオン交換といった化学強化処理を施すことにより形成することができる。本発明では、化学強化処理により機械的強度の高い圧縮応力層が得られること、厚さが０．７ｍｍ以下のガラス基板には物理強化処理は適さないことから化学強化処理を用いることが好ましい。

この化学強化処理は、ガラス基板の表面のイオン半径が小さいアルカリイオン（例えば、ナトリウムイオン）をイオン半径の大きなアルカリイオン（例えば、カリウムイオン）に置換すること、例えば、ナトリウムイオンを含有するガラス基板をカリウムイオンを含む溶融処理塩で処理することにより行うことができる。このようなイオン交換処理が行われることにより、ガラス基板表面の圧縮応力層の組成はイオン交換処理前の組成と若干異なるが、基板深層部の組成はイオン交換処理前の組成とほぼ同じである。

化学強化処理により圧縮応力層が形成されたかは、ガラス基板の表面付近に含まれる金属イオンの分布を調べることにより判定することができる。具体的には、イオン半径の大きなアルカリ金属イオンと、イオン半径の小さなアルカリ金属イオンの深さ分布を調べ、（イオン半径の大きな金属イオンの密度）／（イオン半径の小さな金属イオンの密度）が、ガラスの深層部（ガラスの厚みの半分の深さの部分）よりも表面に近い部分のほうが大きければ、イオン交換による化学強化が行なわれたものであることが判る。

また、圧縮応力層の深さは、精密歪み計を用いたバビネ補正法又は偏光顕微鏡を用いる方法などで求めることができる。精密歪み計を用いたバビネ補正法は市販の測定装置により行うことができる。偏光顕微鏡を用いる方法は、ガラス基板のイオン交換処理面を垂直に切断し、その断面を厚さ０．５ｍｍ以下となるよう薄く研磨した後、偏光顕微鏡にて研磨面に垂直に偏光を入射し直行ニコルにて観察することにより行うことができる。化学強化ガラスは、表面付近に圧縮応力層が形成されるため、表面から明るさや色の変化している部分の距離を測定することによって圧縮応力層の厚さが測定される。

このような化学強化処理が行われるガラス基板としては、イオン半径の小さなアルカリイオン（例えば、カリウム以下のアルカリ金属イオン）を含有するガラス基板が用いられる。また、圧縮応力層を形成するためには、ガラス基板が歪み点以下のときに溶融処理塩で処理する必要があるため、歪み点が一定温度以上のガラス基板が用いられる。

このようなガラス基板の組成は、耐久性、安定性、イオン交換効率、歪み点、透明性、溶解性、機械強度等を考慮して定めることができるが、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＺｒＯ_２を含むことが好ましい。上記成分の含有量については以下の点を考慮して決められる。

ＳｉＯ_２はガラス骨格を形成する必須成分であり、その含有量が４０重量％未満であると化学的耐久性が悪化し、逆に７０重量％を超えると溶融温度が高くなりすぎる。従って、ＳｉＯ_２の含有量は４０〜７０重量％とすることが好ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３はガラス表面のイオン交換性能を向上させる成分であり、その含有量が０．１重量％未満であるとその効果がなく、逆に２０重量％を超えると耐失透性が低下する。従って、Ａｌ_２Ｏ_３含有量は０．１〜２０重量％とすることが好ましい。

Ｎａ_２Ｏはイオン交換処理において主としてカリウムイオンと置換されることによってガラスを化学強化する成分であり、その含有量が２０重量％を越える化学的耐久性が低下する。従って、Ｎａ_２Ｏの含有量は０〜２０重量％とすることが好ましい。

Ｌｉ_２Ｏはイオン交換処理において主としてナトリウムイオンと置換されることによってガラスを化学強化する成分であり、Ｎａ_２Ｏよりもイオン交換速度が大きいため、短時間で深い圧縮応力層を形成するために用いられる。Ｌｉ_２Ｏの含量が１５重量％を超えると耐失透性と化学耐久性が低下すると共に、圧縮応力層の最表面のナトリウムイオンの濃度が高くなり、Ｎａ溶出量が増加する。従って、Ｌｉ_２Ｏの含有量は０〜１５重量％とすることが好ましい。

Ｌｉ_２ＯとＮａ_２Ｏの合計含有量が３重量％未満であると、イオン交換時の効率が低下し、充分な深さの圧縮応力層を形成することが難しくなる。一方、２０重量％を超えるとガラスの化学的耐久性、耐失透性がともに低下してしまう。従って、Ｌｉ_２ＯとＮａ_２Ｏの合計含有量は３〜２０重量％とすることが好ましい。

ＺｒＯ_２はイオン交換速度を向上させ、ガラスの化学的耐久性や硬さを向上させる成分であり、その含有量が９重量％を超えるとＺｒＯ_２の溶解度が過飽和になり、原料が溶けずに沈殿状態となりやすい。従って、ＺｒＯ_２の含有量は０．１〜９重量％であることが好ましい。

また、このガラス基板は、溶融性の向上、耐失透性の向上、ガラス粘度の調整、歪み点の調整、熱膨張特性の調整、ヤング率の向上、清澄等の目的のため、Ｋ_２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５、ＳｎＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＳＯ_３等を含有することができる。上記成分のうち、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３はヤング率を向上させる成分であり、適量含有させることによって曲げ変形に強いガラスが得られる。

従って、本発明で用いられるガラス基板としては、Ｓ_ｉＯ_２を４０〜７０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３を０．１〜２０重量％、Ｌｉ_２Ｏを０〜１５重量％、Ｎａ_２Ｏを０〜２０重量％、Ｌｉ_２ＯとＮａ_２Ｏの合計含有量が３〜２０重量％、ＺｒＯ_２を０．１〜９重量％を含むガラスで形成されていることが望ましい。

また、ＳｉＯ_２を４５〜６５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１〜２０重量％、Ｌｉ_２Ｏを３〜１０重量％、Ｎａ_２Ｏを３〜１５重量％、ＺｒＯ_２を３〜８重量％、Ｓｂ_２Ｏ_３を０〜１重量％含むガラスで形成されていることがより好ましい。上記の望ましい組成及びより好ましい組成において、上記成分の合計含有量が８０重量％以上であることが好ましく、９０重量％以上であることがより好ましく、９５重量％以上であることがさらに好ましい。

化学処理が施されるガラス基板として、上記組成のものが用いられる場合、化学強化処理を行うための処理塩としては、ナトリウムイオン及びカリウムイオンの少なくともいずれか一方を含む処理塩、例えば、ＮａＮＯ_３、ＫＮＯ_３又はこれらの混合物等を用いることができる。この場合、上記処理塩を３５０〜５５０℃程度に加熱して溶融塩とし、ガラス基板をこの溶融塩中に３０分〜６時間程度浸漬することによりイオン交換を行うことができる。これによって、ガラス基板に透明な圧縮応力層を形成することができる。

ガラス基板に上記の化学強化処理を施すことにより、ガラス基板中のアルカリ金属イオンの移動が抑制され、ガラス基板からのアルカリ金属の溶出量が低減される。従って、化学強化処理により液晶素子のアルカリ金属汚染を防止することも可能になる。ガラス基板からのアルカリ金属の溶出量を更に低減するためには、化学強化処理後に、ガラス基板を水又は酸水溶液で洗浄したり、ガラス基板を１２０℃以上好ましくは１５０℃以上に加熱してガラス基板表面のヒドロニウムイオンを除去したり、或いは、ガラス基板の表面にＳｉＯ_２をコーティングするようにしてもよい。

また、ガラス基板に化学強化処理を施すことによって、ガラス基板の加熱、冷却に伴う寸法変化を抑制することもできる。これによって、液晶ディスプレイの製造工程における温度変化によってガラス基板の寸法が変化しにくくなる。従って、ガラス基板に薄膜や配線を重ねていく液晶ディスプレイの製造工程において構成部品の位置ずれが少なくなり、高精度の液晶ディスプレイを製造することが可能になる。

化学強化処理が施されたガラス基板に微小な傷（マイクロクラック）といったクラックソースがあると、このクラックソースが成長してガラスの破壊を発生させる原因となる。クラックソースは、化学強化された主表面に存在する場合よりも端面に存在する場合のほうが基板強度に与える影響が大きい。従って、強化処理が施される前のガラス基板又は強化処理が施されたガラス基板のクラックソースを除去することによって強度を向上させることができる。特に、ガラス基板端面のクラックソースを除去することが望ましい。

クラックソースの除去方法には、エッチングによる方法、加熱軟化による方法等がある。エッチングによる方法では、ガラス基板を酸を含むエッチング液に浸漬し、マイクロクラックを除去し、クラックの先端を鈍化させることにより、基板強度を向上させる。このエッチング液としては、フッ酸を含有するもの、例えば、フッ酸と硫酸、塩酸、硝酸などとの混酸を用いることが好ましい。このような混酸、特にフッ酸を含む混酸を用いることによりガラス基板表面にエッチングによる副生成物が堆積せず、滑らかな面を形成することが可能になる。

このようなエッチング処理は、化学強化前のガラス基板に施すこともできるが、化学強化後に行うことにより圧縮応力層を緩和させることなくガラス基板表面のアルカリ金属を除去することができるので、化学強化後に施すことが望ましい。

加熱軟化による方法は、ガラスの端部をバーナーなどで加熱し、軟化させる。これによってマイクロクラックが塞がれ、端面が非接触の新たな非機械加工面になる。軟化によってガラス面の形状が変化した場合は、ガラス面のみを研磨することによってガラスの平坦性を確保することができる。加熱軟化による方法はガラスを軟化点以上に加熱しなければならないため、化学強化前に行なう必要がある。

上述した化学強化処理が施されたガラス基板を切断すると、切断した端面は圧縮応力層のない未強化ガラスとなり、強度が極端に低下してしまう。本発明者は、化学強化処理により、曲げ強度が４００ＭＰａとなったガラス基板を切断すると、曲げ強度が約１００ＭＰａに低下することを確認した。従って、本発明のガラス基板は、予め使用時の寸法に加工されたガラス基板に強化処理を施して形成されることが好ましい。

本発明のディスプレイ用ガラス基板は、圧縮応力層の厚さを越えない範囲で研磨を行なうことができる。本発明のガラス基板は、例えば、ＳＴＮ液晶ディスプレイ、ＴＦＴ液晶ディスプレイ、ＤＳＴＮ液晶ディスプレイ等の液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ、電界放出型ディスプレイ等に用いることができる。

特に、厚さを０．７ｍｍ以下としても、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ができる。本発明のガラス基板は、厚さを薄く形成することにより、反射型液晶ディスプレイ、透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイなどの液晶ディスプレイ等に用いることができる。

以下、実施例により本発明をさらに説明する。
（実施例１〜３、５〜７、参考例４）表１の組成のガラス原料を白金坩堝で１４００〜１５００℃に加熱、溶融して、清澄を行なった後、鋳型に流し込んでガラスを調製した。ガラスが固化した後、ガラスをガラスの徐冷点付近に加熱された電気炉に移し、室温まで除冷してガラスブロックを得た。このガラスブロックから、厚さ０．４ｍｍ、３５×３５ｍｍの両面が研磨されたガラス基板を製造した。

このガラス基板を所定温度に保持した溶融塩中に所定時間浸漬して化学強化処理を行い、両面に深さ５０μｍ以上の圧縮応力層を有する強化ガラス基板を得た。そして、得られた強化ガラス基板の未加傷曲げ強度及び加傷曲げ強度を測定した。未加傷曲げ強度はＪＩＳ−Ｒ１６０１の３点曲げ試験に準じて測定した。

加傷曲げ強度は♯１５０のサンドペーパーで強化ガラス基板の片面に均一に傷を付け、その面に引っ張り応力が働くようにして測定した。以上の結果、未加傷強度４００ＭＰａ以上、加傷曲げ強度２５０ＭＰａ以上の透明強化ガラス基板が得られた。

（実施例８）実施例１で得られた強化ガラス基板を５％希フッ酸と３０％硫酸の混合水溶液に室温で５分間浸漬してエッチング処理を行った。このようなエッチング処理が施された強化ガラス基板の未加傷曲げ強度は５５０ＭＰａであり、エッチングが施されていない実施例１の値と比較し、１０％程度向上させることができた。

（実施例９）実施例８で得られた強化ガラス基板（厚さ０．４ｍｍ、３５×３５ｍｍ）を用いて１．８インチの半透過型ＳＴＮ液晶ディスプレイを作製した。このディスプレイでは厚さ１ｍｍの強化ガラス基板を用いた液晶ディスプレイに比べた場合輝度を２０％程度向上させることができた。また、基板の厚みを０．７ｍｍとした場合には、従来品より輝度を１０％程度向上させることができた。

この強化ガラス基板は十分な加傷曲げ強度を有しているので、ディスプレイ製造過程で基板が損傷する可能性を低減し、しかも使用の際に予想される加傷に対して充分な耐久性を有するディスプレイを提供することができた。

（比較例１〜３）表２の組成のガラス原料を用い実施例１〜７と同一の方法でガラス基板を製造した。このガラス基板を所定温度に保持した処理塩中に所定時間浸漬して化学強化処理を行い、両主表面に圧縮応力層を有する強化ガラス基板を得た。そして、実施例１〜７と同様の方法で強化ガラス基板の未加傷曲げ強度及び加傷曲げ強度を測定した。

その結果、未加傷曲げ強度は１００〜４５０ＭＰａと充分なものもあったが、加傷曲げ強度は７０ＭＰａ以下であり、これでは基板の厚さを薄くして軽量化した場合、使用時に傷が付くと割れやすく、実用に耐え得るものではなかった。

Claims (10)

1. ガラス基板を含む携帯型液晶ディスプレイであって、前記ガラス基板は、
   厚さ０．７ｍｍ以下であり、表面に深さ５０μｍ以上で、ガラス基板の厚さの１／４倍以下の圧縮応力層を有し、かつ携帯型液晶ディスプレイに用いる寸法を有する携帯型液晶ディスプレイに用いるためのガラス基板であって、
   前記圧縮応力層以外のガラス基板は、少なくともＳｉＯ_２を４０〜７０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３を４〜２０重量％、Ｎａ_２Ｏを３〜２０重量％含有し、９重量％を超えるＺｒＯ_２を含有せず、Ｌｉ_２Ｏ及びＰｂＯを含有しないガラス材料で形成されたものであり、
   前記圧縮応力層は、ナトリウムイオンをカリウムイオンで交換する化学強化処理で形成されたものである、前記携帯型液晶ディスプレイ。
2. 前記ガラス基板は、ＺｎＯを含有しないガラス材料で形成されたものである請求項１に記載の携帯型液晶ディスプレイ。
3. 前記ガラス基板の端面は前記圧縮応力層が形成される前に、携帯型液晶ディスプレイに用いる寸法に切断された面である請求項１又は２に記載の携帯型液晶ディスプレイ。
4. 前記ガラス材料は、Ｋ_２Ｏ、ＭｇＯ及びＣａＯを含有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の携帯型液晶ディスプレイ。
5. 前記ガラス材料は、ＺｒＯ_２を０．１〜９重量％含有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の携帯型液晶ディスプレイ。
6. ガラス基板を含む携帯型液晶ディスプレイであって、前記ガラス基板は、
   少なくともＳｉＯ_２を４０〜７０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３を４〜２０重量％、Ｎａ_２Ｏを３〜２０重量％含有し、９重量％を超えるＺｒＯ_２を含有せず、Ｌｉ_２Ｏ及びＰｂＯを含有しないガラス材料で形成された、厚さ０．７ｍｍ以下であるガラス基板を準備する工程、及び
   前記ガラス基板を、ナトリウムイオンをカリウムイオンで交換する化学強化処理に付して前記ガラス基板の表面に深さ５０μｍ以上で、ガラス基板の厚さの１／４倍以下の圧縮応力層を形成する工程
   を実施して得られた、携帯型液晶ディスプレイに用いる寸法を有するガラス基板である前記携帯型液晶ディスプレイ。
7. 前記ガラス基板は、ＺｎＯを含有しないガラス材料で形成されたものである請求項６に記載の携帯型液晶ディスプレイ。
8. 前記化学強化処理の前に、前記工程で準備したガラス基板を、前記携帯型液晶ディスプレイに用いる寸法に切断し、切断されたガラス基板を化学強化処理に供する、請求項６又は７に記載の携帯型液晶ディスプレイ。
9. 基板端面を化学強化後にエッチングする請求項６〜８のいずれかに記載の携帯型液晶ディスプレイ。
10. 基板端面を化学強化前にエッチングする請求項６〜８のいずれかに記載の携帯型液晶ディスプレイ。