JP2012232882A - 化学強化ガラスの製造方法および化学強化用ガラス - Google Patents

化学強化ガラスの製造方法および化学強化用ガラス Download PDF

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Abstract

【課題】低温かつ短時間で化学強化できる化学強化ガラスの製造方法の提供。
【解決手段】下記酸化物基準のモル百分率表示で、ＳｉＯ２を６０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を５〜１５％、ＭｇＯを１〜１２％、ＣａＯを０〜３％、ＺｒＯ２を０〜３％、Ｌｉ２Ｏを１０〜２０％、Ｎａ２Ｏを０〜８％、Ｋ２Ｏを０〜５％含有し、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計Ｒ２Ｏが２５％以下、Ｌｉ２Ｏの含有量とＲ２Ｏの比Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．５〜１．０である化学強化用ガラスを化学強化することを特徴とする化学強化ガラスの製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）などのモバイル機器、タッチパネル、大型液晶テレビなどの大型薄型テレビ、等のディスプレイ装置、ディスプレイ装置のカバーガラスなどに好適なディスプレイ装置用ガラス板、そのようなガラス板に好適な化学強化ガラス板等の化学強化ガラスおよびその製造方法ならびに化学強化用ガラスに関する。
近年、携帯電話、ＰＤＡ等のモバイル機器やタッチパネル、液晶テレビなどのディスプレイ装置に対しては、ディスプレイの保護ならびに美観を高めるためのカバーガラス（保護ガラス）が用いられることが多くなっている。
一方、このような携帯情報機器に対しては、軽量・薄型化が要求されている。そのため、ディスプレイ保護用に使用されるカバーガラスも薄くすることが要求されている。しかし、カバーガラスの厚さを薄くしていくと強度が低下し、携帯中に携帯機器を落としたり、使用中に何かを携帯機器にぶつけたりすることによりカバーガラス自身が割れてしまうことがあり、ディスプレイ装置を保護するという本来の役割を果たすことができなくなる問題があった。
また、大型薄型テレビではカバーガラス自体が大きくなるので破壊する確率が高くなり、また、軽量化のためにカバーガラスを薄くすることが求められており、この点からもカバーガラス破壊のおそれが大きくなっている。
上記問題を解決するためには、カバーガラスの強度を高めることが考えられ、その方法としてガラス表面に圧縮応力層を形成させる手法が一般的に知られている。
ガラス表面に圧縮応力層を形成させる手法としては、軟化点付近まで加熱したガラス板表面を風冷などにより急速に冷却する風冷強化法（物理強化法）と、ガラス転移点（Ｔｇ）以下の温度でイオン交換によりガラス板表面のイオン半径が小さなアルカリ金属イオン（典型的にはＬｉイオン、Ｎａイオン）をイオン半径のより大きいアルカリイオン（典型的にはＫイオン）に交換する化学強化法が代表的である。
前述したようにカバーガラスの厚さは薄いことが要求されている。薄いガラス板に対して風冷強化法を適用すると、表面と内部の温度差がつきにくいために圧縮応力層を形成することが困難であり、目的の高強度という特性を得ることができない。そのため、後者の化学強化法によって強化されたカバーガラスが提案されている（特許文献１〜３参照）。
特開２００５−３２０２３４号公報 米国特許出願公開第２００９／２９８６６９号明細書 国際公開第２００８／１４３９９９号パンフレット
特許文献１〜３に記載されている実施例を見ると、いずれも４５０℃を超える高温での化学強化処理または４時間を超える長時間の化学強化処理が必要となっている。
化学強化にはナトリウムやカリウムの硝酸塩が代表的に用いられるが、いずれも４５０℃を超えると蒸気圧が高くなり、非常に揮散しやすくなる。このような揮散が起こると、化学強化をしたガラスの品質が安定しなくなると同時に、揮散物を回収するための付帯設備も必要となり、品質およびコスト面で問題が生じる。また、長時間の化学強化処理はコスト増に直結するため好ましくない。
本発明は、低温かつ短時間の化学強化によっても十分な強度を得ることが可能である化学強化用ガラスおよびそのような化学強化用ガラスを用いる化学強化ガラスの製造方法の提供を目的とする。
本発明は以下のようなものである。
（１） 下記酸化物基準のモル百分率表示で、ＳｉＯ２を６０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を５〜１５％、ＭｇＯを１〜１２％、ＣａＯを０〜３％、ＺｒＯ２を０〜３％、Ｌｉ２Ｏを１０〜２０％、Ｎａ２Ｏを０〜８％、Ｋ２Ｏを０〜５％含有し、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計Ｒ２Ｏが２５％以下、Ｌｉ２Ｏの含有量とＲ２Ｏの比Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．５〜１．０である化学強化用ガラス（以下、本発明のガラスという。）。なお、本明細書でたとえば「Ｎａ２Ｏを０〜８％含有する」とは、Ｎａ２Ｏは必須ではないが８％までの範囲で含有してもよい、の意である。
（２） ＭｇＯが７％以下である（１）の化学強化用ガラス。
（３） 下記酸化物基準のモル百分率表示で、ＳｉＯ２を６６〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を５％以上９％未満、ＭｇＯを１〜７％、ＣａＯを０〜３％、ＺｒＯ２を０〜３％、Ｌｉ２Ｏを１０〜２０％、Ｎａ２Ｏを０〜６％、Ｋ２Ｏを０〜５％含有し、Ｒ２Ｏが２５％以下、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．６〜１．０である化学強化用ガラス（以下、本発明のガラスＡという。）。
（４） Ａｌ２Ｏ３含有量が８％未満である（３）の化学強化用ガラス。
（５） Ｒ２Ｏが２０％以下である（３）または（４）の化学強化用ガラス。
（６） Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが０〜６％である（３）、（４）または（５）の化学強化用ガラス。
（７） Ｌｉ２Ｏ含有量から、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏを減じた差Ｌｉ２Ｏ−（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）が８〜１７％である（３）〜（６）のいずれかの化学強化用ガラス。
（８） 下記酸化物基準のモル百分率表示で、ＳｉＯ２を６０〜７３％、Ａｌ２Ｏ３を８〜１５％、ＭｇＯを１〜７％、ＣａＯを０〜３％、ＺｒＯ２を０〜３％、Ｌｉ２Ｏを１０〜２０％、Ｎａ２Ｏを１〜８％、Ｋ２Ｏを０〜５％含有し、Ｒ２Ｏが２５％以下、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが２．５〜１０％、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．５〜１．０である化学強化用ガラス（以下、本発明のガラスＢという。）。
（９） Ａｌ２Ｏ３が９％以上である（８）の化学強化用ガラス。
（１０） ＳｉＯ２が６２％以上、Ａｌ２Ｏ３が９〜１４％、Ｒ２Ｏが２２％以下、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが３〜８％、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．６以上である（８）の化学強化用ガラス。
（１１） Ｌｉ２Ｏ−（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）が４〜１７．５％である（８）、（９）または（１０）の化学強化用ガラス。
（１２） ＭｇＯが７％超である（１）の化学強化用ガラス。
（１３） ＳｉＯ２が６８％以下、Ａｌ２Ｏ３が１３％以下、Ｌｉ２Ｏが１７％以下、Ｎａ２Ｏが０〜５％、Ｋ２Ｏが０〜３％、Ｒ２Ｏが１８％以下、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．７以上である（１２）の化学強化用ガラス。
（１４） Ａｌ２Ｏ３が９％未満である（１２）または（１３）の化学強化用ガラス。
（１５） Ｌｉ２Ｏが１２％以上である（１２）、（１３）または（１４）の化学強化用ガラス。
（１６） （１）〜（１５）のいずれかの化学強化用ガラスであって、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏの各成分の含有量を用いて下記式で算出されるＸが４０モル％以上である化学強化用ガラス。
Ｘ＝２×（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２＋Ｌｉ２Ｏ）＋ＭｇＯ−Ｎａ２Ｏ−Ｋ２Ｏ。
（１７） Ｂ２Ｏ３を実質的に含有しない（１）〜（１６）のいずれかの化学強化用ガラス。
（１８） （１）〜（１７）のいずれかの化学強化用ガラスからなる化学強化用ガラス板。
（１９） フロート法またはフュージョン法によって製造された（１８）の化学強化用ガラス板。
（２０） （１８）または（１９）の化学強化用ガラス板を化学強化処理して得られた化学強化ガラス板（以下、本発明のガラス板という。）。
（２１） （１）〜（１８）のいずれかの化学強化用ガラスを溶融塩に浸漬して化学強化処理を行う化学強化ガラスの製造方法であって、溶融塩がＮａＮＯ３およびＫＮＯ３の少なくともいずれか一方を含有するものであり、化学強化処理が溶融塩の温度を４２５℃以下、浸漬時間を２時間以下にして行うものである化学強化ガラスの製造方法。
（２２） （１８）または（１９）の化学強化用ガラス板を化学強化処理して得られたディスプレイ装置用ガラス板。
（２３） （２０）の化学強化ガラス板を備えたディスプレイ装置。
（２４） （２０）の化学強化ガラス板を備えたタッチパネル。
（２５） （２０）の化学強化ガラス板を備えた携帯機器。
（２６） カバーガラスを有するディスプレイ装置であって、当該カバーガラスが（２０）の化学強化ガラス板であるディスプレイ装置。
（２７） （２６）のディスプレイ装置を備えたテレビ。
（２８） （２６）のディスプレイ装置を備えた携帯機器。
（２９） （２６）のディスプレイ装置を備えたタッチパネル。
（３０） 下記酸化物基準のモル百分率表示で、ＳｉＯ２を６０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を５〜１５％、ＭｇＯを１〜１２％、ＣａＯを０〜３％、ＺｒＯ２を０〜３％、Ｌｉ２Ｏを１０〜２０％、Ｎａ２Ｏを０〜８％、Ｋ２Ｏを０〜５％含有し、Ｒ２Ｏが２５％以下、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．５〜１．０である化学強化用ガラスを化学強化することを特徴とする化学強化ガラスの製造方法。
（３１） 化学強化用ガラスが、ＳｉＯ２を７３％以下、Ａｌ２Ｏ３を８％以上、ＭｇＯを７％以下、Ｎａ２Ｏを１％以上含有し、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが２．５〜１０％であるものである（３０）の化学強化ガラスの製造方法。
（３２） 化学強化用ガラスがＡｌ２Ｏ３を９％以上含有するものである（３０）または（３１）の化学強化ガラスの製造方法。
（３３） 化学強化用ガラスが、ＳｉＯ２を６２％以上、Ａｌ２Ｏ３を９〜１４％含有し、Ｒ２Ｏが２２％以下、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが３〜８％、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．６以上であるものである（３１）または（３２）の化学強化ガラスの製造方法。
（３４） 化学強化用ガラスが、Ｌｉ２Ｏ−（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）が４〜１７．５％であるものである（３１）、（３２）または（３４）の化学強化ガラスの製造方法。
（３５） 化学強化用ガラスが、ＳｉＯ２を６２％以上、Ａｌ２Ｏ３を９％未満、Ｎａ２Ｏを６％以下含有し、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．６以上であるものである（３０）の化学強化ガラス。
（３６） 化学強化用ガラスが、ＳｉＯ２を６６％以上、Ａｌ２Ｏ３を８％未満、ＭｇＯを７％以下含有するものである（３５）の化学強化ガラスの製造方法。
（３７） 化学強化用ガラスが、Ｒ２Ｏが２０％以下、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが０〜６％であるものである（３５）または（３６）の化学強化ガラスの製造方法。
（３８） 化学強化用ガラスが、Ｌｉ２Ｏ−（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）が８〜１７％であるものである（３０）〜（３７）のいずれかの化学強化ガラスの製造方法。
（３９） 化学強化用ガラスが、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏの各成分の含有量を用いて下記式で算出されるＸが４０モル％以上であるものである（３０）〜（３８）のいずれかの化学強化ガラスの製造方法。
Ｘ＝２×（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２＋Ｌｉ２Ｏ）＋ＭｇＯ−Ｎａ２Ｏ−Ｋ２Ｏ。
（４０） 化学強化用ガラスが、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．８超であるものである（３０）〜（３９）のいずれかの化学強化ガラスの製造方法。
（４１） 化学強化用ガラスが、Ｂ２Ｏ３を実質的に含有しないものである（３０）〜（４０）のいずれかの化学強化ガラスの製造方法。
（４２） （３０）〜（４１）のいずれかの化学強化ガラスの製造方法であって、化学強化用ガラスの化学強化を、ＮａＮＯ３およびＫＮＯ３の少なくともいずれか一方を含有する４２５℃以下の溶融塩に２時間以下浸漬して行う化学強化ガラスの製造方法。
（４３） 化学強化用ガラスがガラス板である（３０）〜（４２）のいずれかの化学強化ガラスの製造方法。
（４４） ガラス板がフロート法またはフュージョン法によって製造されたものである（４３）の化学強化ガラスの製造方法。
（４５） 化学強化ガラス板を備えたディスプレイ装置の製造方法であって、化学強化ガラス板を（４３）または（４４）の化学強化ガラスの製造方法によって製造することを特徴とするディスプレイ装置の製造方法。
（４６） 化学強化ガラス板を備えたタッチパネルの製造方法であって、化学強化ガラス板を（４３）または（４４）の化学強化ガラスの製造方法によって製造することを特徴とするタッチパネルの製造方法。
（４７） 化学強化ガラス板を備えた携帯機器の製造方法であって、化学強化ガラス板を（４３）または（４４）の化学強化ガラスの製造方法によって製造することを特徴とする携帯機器の製造方法。
（４８） （１８）または（１９）の化学強化用ガラス板を溶融塩に浸漬して化学強化処理を行う化学強化ガラス板の製造方法であって、溶融塩がＮａＮＯ３およびＫＮＯ３の少なくともいずれか一方を含有するものであり、化学強化処理が溶融塩の温度を４２５℃以下、浸漬時間を２時間以下にして行うものである化学強化ガラス板の製造方法。
本発明者は低温かつ短時間の化学強化でも十分な強度を得られるようにするにはＡｌ２Ｏ３含有量およびＬｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏ比率を最適化することが有効であることを見出し、本発明に至った。また、低温かつ短時間の化学強化によっても十分な強度を得るには、溶融塩中にＮａＮＯ３が含まれていることが有効であることを見出し、本発明に至った。
本発明によれば、低温かつ短時間の化学強化処理でもディスプレイ装置用ガラス板の強度を十分なものとすることが可能になる。
また、特許文献１のガラスにはイオン交換特性の促進のためにＡｌ２Ｏ３を多く含有されているが、Ａｌ２Ｏ３の含有量が多くなると耐失透性が悪くなり、生産性の低下や設備への負荷が増える。これに対し、本発明の好ましい一態様によればＡｌ２Ｏ３の含有量が低くされているので生産性を高めることが可能である。
後述する例１〜４５について、横軸をＸ＝２×（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２＋Ｌｉ２Ｏ）＋ＭｇＯ−Ｎａ２Ｏ−Ｋ２Ｏ（単位：モル％）とし、縦軸を表面圧縮応力Ｓ（単位：ＭＰａ）としてプロットした図である。ＸとＳには正の相関関係があることがわかる。なお、図中の点線は最小二乗法によりフィッティングした直線である。
本発明の化学強化用ガラス板の厚みは典型的には０．３〜１．５ｍｍである。０．３ｍｍ未満では実用強度の観点から問題が起こるおそれがある。より好ましくは０．５ｍｍ以上、特に好ましくは０．７ｍｍ超である。
本発明のガラス板の表面圧縮応力層厚みｔは２５μｍ超であることが好ましい。２５μｍ以下では割れやすくなるおそれがある。より好ましくは３０μｍ以上、特に好ましくは４０μｍ以上、典型的には４５μｍ以上または５０μｍ以上である。なお、破壊時のガラスの微細化を避けたい場合には５０μｍ未満が好ましい。
本発明のガラス板の表面圧縮応力Ｓは典型的には２００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ未満である。２００ＭＰａ未満では割れやすくなるおそれがある。より好ましくは２５０ＭＰａ以上、さらに好ましくは３００ＭＰａ以上である。本発明のガラス板をモバイル機器用のカバーガラスに用いる場合などにはＳは４００ＭＰａ以上であることが好ましく、より好ましくは４３０ＭＰａ以上である。
本発明のガラスの比重は２．６以下であることが好ましい。２．６未満ではモバイル機器などに使用する場合モバイル機器が重くなり持ち運びしにくくなるおそれがある。好ましくは２．５以下である。
５０〜３５０℃における平均線膨張係数は５０×１０−７／℃〜１００×１０−７／℃であることが好ましい。１００×１０−７／℃超では自動車内に放置した時などに生じる温度変化による歪が発生しやすくなる。より好ましくは９５×１０−７／℃以下、典型的には９０×１０−７／℃以下である。また、典型的には６０×１０−７／℃以上である。
本発明のガラスのヤング率は７５〜９５ＧＰａであることが好ましい。７５ＧＰａ未満では機械的強度が不十分になるおそれがある。より好ましくは７８ＧＰａ以上、典型的には８０ＧＰａ以上である。９５ＧＰａ超ではガラスを研磨する場合に研磨レートが低下するおそれがある。より好ましくは９０ＧＰａ以下である。
本発明のガラスの失透温度は１２００℃以下であることが好ましい。１２００℃超では、製造歩留まりが悪くなる、また成形時の温度が高くなることにより設備ni
負担がかかる。より好ましくは１２００℃未満。より好ましくは１１５０℃以下、特に好ましくは１１００℃以下である。
本発明のガラス板は本発明の化学強化用ガラスからなるガラス板を化学強化して得られる。また、本発明の化学強化ガラスの製造方法であって化学強化用ガラスがガラス板であるものによって製造された化学強化ガラス板は本発明のガラス板である。
本発明の化学強化用ガラスからなるガラス板の製造方法は特に限定されないが、たとえば種々の原料を適量調合し、約１４００〜１６００℃に加熱し溶融した後、脱泡、攪拌などにより均質化し、周知のフロート法、ダウンドロー法（フュージョン法など）、プレス法などによって板状に成形し、徐冷後所望のサイズに切断、研磨加工を施して製造される。
化学強化の方法としては、ガラス板などガラス表層のＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏと溶融塩中のＮａ２Ｏ、Ｋ２Ｏとをイオン交換できるものであれば特に限定されないが、たとえば加熱された硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）溶融塩、硝酸カリウム（ＫＮＯ３）溶融塩、およびこれらの混合溶融塩にガラス板を浸漬する方法が挙げられる。また、始めにＮａＮＯ３を含む硝酸塩に浸漬した後に、ＫＮＯ３を含む硝酸塩に浸漬するなどしてもよい。
溶融塩中の硝酸ナトリウム含有割合は低温かつ短時間の化学強化のため１０質量％以上であることが好ましい。１０質量％未満では表面圧縮応力または表面圧縮応力層厚みが小さくなる。好ましくは２０質量％以上、より好ましくは４０質量％以上、特に好ましくは６０質量％以上である。
溶融塩中に硝酸カリウムを含有させることは必須ではないが、化学強化特性制御のため９０質量％まで含有してもよい。９０質量％超では表面圧縮応力または表面圧縮応力層厚みが小さくなるおそれがある。好ましくは８０質量％以下、より好ましくは６０質量％以下、特に好ましくは４０質量％以下である。
溶融塩中に硝酸リチウムを含有させることは必須ではないが、化学強化特性の制御や化学強化後の反り性状等を改善するため７質量％まで含有してもよい。７質量％超では表面圧縮応力が小さくなるおそれがある。好ましくは６質量％以下、より好ましくは４質量％以下、特に好ましくは２質量％以下である。
ガラス板に所望の表面圧縮応力を有する化学強化層（表面圧縮応力層）を形成するための条件はガラス板の厚さによっても異なるが、３００〜４５０℃の硝酸アルカリ溶融塩
に１０分〜４時間ガラス基板を浸漬させることが典型的である。経済的な観点からは３００〜４２５℃、１０分〜２時間の条件で浸漬させることが好ましい。
次に、本発明のガラスの組成について、特に断らない限りモル百分率表示含有量を用いて説明する。
ＳｉＯ２はガラスの骨格を構成する成分であり必須である。６０％未満ではガラスとしての安定性が低下する、または脆くなる。好ましくは６２％以上、より好ましくは６３％以上である。Ａｌ２Ｏ３が８％以下もしくは８％未満である場合、ＳｉＯ２は６６％以上であることが好ましく、より好ましくは６７％以上、典型的には６８％以上である。本発明のガラスＡ、特にＡｌ２Ｏ３が８％以下であるものにおいては、ＳｉＯ２はガラスとしての安定性が低下しないように６６％以上とされ、好ましくは６７％以上、より好ましくは６８％以上である。
ＳｉＯ２が７５％超ではガラスの粘性が増大し溶融性が著しく低下する。好ましくは７３％以下、より好ましくは７２％以下である。Ａｌ２Ｏ３が８％以上である場合ＳｉＯ２は７３％以下であることが好ましい。本発明のガラスＢにおいてはＳｉＯ２は７３％以下とされ、好ましくは７０％以下、より好ましくは６７％以下である。
Ａｌ２Ｏ３はイオン交換速度を向上させる成分であり必須である。５％未満では表面圧縮応力が不十分になる。好ましくは５．５％以上である。イオン交換速度をより向上させたい、または表面圧縮応力をより大きくしたい場合Ａｌ２Ｏ３は８％以上であることが好ましく、特に好ましくは９％以上、典型的には１０％以上である。本発明のガラスＢにおいてはイオン交換速度をより向上させるべくＡｌ２Ｏ３は８％以上とされ、好ましくは９％以上、より好ましくは１０％以上である。
Ａｌ２Ｏ３が１５％超ではガラスの粘性が高くなり均質な溶融が困難になる、または化学強化後に表面荒れが発生しやすくなる。好ましくは１４％以下である。失透をしにくくしたい場合すなわち耐失透特性を向上させたい場合にはＡｌ２Ｏ３は９％未満であることが好ましく、８％以下または８％未満であることがより好ましく、典型的には７．５％以下である。
本発明のガラスＡにおいてはＡｌ２Ｏ３は９％未満とされる。９％以上では耐失透特性が悪くなって製造歩留まりが悪くなる、または成形時の温度が高くなることにより設備に負担がかかる。そのため、Ａｌ２Ｏ３の含有量は好ましくは８％以下または８％未満、より好ましくは７％以下、典型的には６％以下である。
ＭｇＯはガラスの溶融性またはヤング率を向上させるために必須である。１％未満では、ヤング率向上の効果が小さい。好ましくは１．５％以上であり、本発明のガラスＢにおいては典型的には２％以上である。
ＭｇＯが１２％超では耐失透性が悪くなる。イオン交換速度をより高くしたい場合にはＭｇＯは好ましくは７％以下、より好ましくは６％以下、典型的には４％以下である。本発明のガラスＡ、特にＡｌ２Ｏ３が８％以下であるもの、および本発明のガラスＢにおいては、イオン交換速度を高くするためにＭｇＯは７％以下とされ、好ましくは６％以下、より好ましくは４％以下である。
ＣａＯは必須ではないが、ガラスの溶融性を向上させる等のため、３％まで含有してもよい。３％超ではイオン交換を阻害し所望の表面圧縮応力層を形成できなくなる、またはガラスが傷つきやすくなる。好ましくは２％以下であり、より短時間で強化したい場合などにはＣａＯは含有しないことが好ましい。
ＺｒＯ２は必須ではないが、ガラスの耐候性および溶解性を向上させる等のため、３％まで含有してもよい。３％超ではガラスが傷つきやすくなる、または分相現象が起りやすくなるおそれがある。好ましくは２．５％以下、より好ましくは２％以下である。
Ｌｉ２Ｏはイオン交換により表面圧縮応力層を形成させ、またガラスの溶融性を向上させる成分であり、必須である。１０％未満ではイオン交換により所望の表面圧縮応力層を形成することが困難となる。好ましくは１２％以上、より好ましくは１４％以上である。Ｌｉ２Ｏが２０％超では耐候性が低下する。好ましくは１８％以下、より好ましくは１７％以下である。
Ｎａ２Ｏは必須ではないが、イオン交換により表面圧縮応力層を形成させ、またガラスの溶融性を向上させる成分であり、８％まで含有させてもよい。Ｎａ２Ｏが８％超では表面圧縮応力が低下する。好ましくは６％以下、より好ましくは５％以下である。Ｎａ２Ｏを含有する場合、イオン交換により所望の表面圧縮応力層を形成させるためにはその含有量は１％以上とすることが好ましい。より好ましくは２％以上である。
本発明のガラスＡ、特にＡｌ２Ｏ３が８％以下であるものにおいてはＮａ２Ｏを含有する場合であってもその含有量は６％以下とされ、好ましくは５％以下である。
本発明のガラスＢにおいてはＮａ２Ｏは必須とされる。Ｎａ２Ｏが１％未満ではイオン交換により所望の表面圧縮応力層を形成することが困難となり、好ましくは２％以上である。
Ｋ２Ｏは必須ではないが、溶融性を向上させる等のために５％まで含有させてもよい。Ｋ２Ｏが５％超では表面圧縮応力が低下する。好ましくは４％以下、より好ましくは２％以下であり、耐加傷強度を高めたい場合などにはＫ２Ｏは含有しないことが好ましい。
Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏは１０％以下であることが好ましい。１０％超では表面圧縮応力が低下するおそれがある。Ｎａ２ＯまたはＫ２Ｏを含有する場合、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏは典型的には１％以上である。
本発明のガラスＡ、特にＡｌ２Ｏ３が８％以下であるものにおいてはＮａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏは６％以下が好ましく、より好ましくは５％以下である。本発明のガラスＢにおいてはＮａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏは２．５〜１０％とされ、典型的には３〜８％である。
表面圧縮応力をより大きくするためにはＬｉ２Ｏ−（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）は４〜１７．５％であることが好ましい。４％未満では表面圧縮応力が十分大きくならないおそれがある。より好ましくは６％以上、特に好ましくは８％以上である。１７．５％超では耐候性が低下するおそれがある。より好ましくは１７％以下、典型的には１５％以下である。
本発明のガラスＡ、特にＡｌ２Ｏ３が８％以下であるものにおいては表面圧縮応力をより大きくするためには、Ｌｉ２Ｏ−（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）は８％以上であることが好ましい。より好ましくは１０％以上である。１７％超では耐候性が低下するおそれがある。より好ましくは１５％以下である。
Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計Ｒ２Ｏが２５％超ではガラスの耐候性をはじめとする化学的耐久性が低くなる。好ましくは２３％以下、より好ましくは２１％以下である。Ｒ２Ｏは好ましくは１４％以上である。１４％未満では所望のイオン交換特性を得ることができなくなるおそれがある。より好ましくは１６％以上である。
低温または短時間の化学強化によって十分な強度を示すためには、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．５〜１．０の範囲にあることが必要である。好ましくは０．６〜１．０、より好ましくは０．６〜０．９である。
本発明のガラスＡ、特にＡｌ２Ｏ３が８％以下であるものにおいてはＬｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏは０．６〜１．０とされ、好ましくは０．７以上、典型的には０．８以上または０．８超であり、また、典型的には０．９５以下または０．９以下である。本発明のガラスＢにおいてはＬｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏは好ましくは０．６〜０．９であり、表面圧縮応力を大きくしたい場合には０．７以上が好ましく、典型的には０．８以上である。
低温または短時間の化学強化によって３００ＭＰａ以上の表面圧縮応力を得るためには、２×（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２＋Ｌｉ２Ｏ）＋ＭｇＯ−Ｎａ２Ｏ−Ｋ２Ｏが４０％以上であることが好ましい。より好ましくは４２％以上、特に好ましくは４５％以上、さらに好ましくは５０％以上である。
本発明のガラスは本質的に以上で説明した成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。そのような成分を含有する場合、それら成分の含有量の合計は１０％以下であることが好ましく、典型的には５％以下である。以下、上記その他成分について例示的に説明する。
ＳｒＯおよびＢａＯはいずれもイオン交換速度を低下させる効果が大きいため、含有しないこととするか、含有する場合であってもその含有量の合計は１％未満とすることが好ましい。
ガラスの溶融の際の清澄剤として、ＳＯ３、塩化物、フッ化物などを適宜含有してもよい。ただし、ディスプレイ装置の視認性を上げるため、可視域に吸収をもつＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯ、Ｃｒ２Ｏ３など原料中の不純物として混入するような成分はできるだけ減らすことが好ましく、各々質量百分率表示で０．１５％以下であることが好ましく、より好ましくは０．０５％以下である。
また、Ｂ２Ｏ３を含有すると均質なガラスを得にくくなり、ガラスの成型が困難になるおそれがあるので、そのような観点からはＢ２Ｏ３は実質的に含有しないことが好ましい。
本発明のディスプレイ装置としては、携帯機器であれば携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、スマートフォン、ネットブック、車載ナビなどが典型的であり、持ち運びを想定しないものであれば液晶テレビ、プラズマテレビなどの薄型テレビ（３Ｄテレビも含む）やデスクトップ・パーソナルコンピュータなどのディスプレイやモニター用ディスプレイが例示される。また、違う観点からはタッチパネルも挙げられる。
表１〜５の例１〜４５についてＳｉＯ２からＫ２Ｏまでの欄にモル百分率表示で示す組成になるように、ガラス原料を適宜選択し、ガラスとして３５０ｇとなるように秤量した。この秤量したものにその質量の０．２％に相当する質量の硫酸ナトリウムを添加したものについて混合した。ついで、白金製るつぼに混合した原料を入れ、１６００℃の抵抗加熱式電気炉に投入し、３時間溶融し、脱泡、均質化した。得られた溶融ガラスを型材に流し込み、Ｔｇ＋２０℃の温度で１時間保持した後、１℃／分の速度で室温まで冷却し、ガラスブロックを得た。このガラスブロックを切断、研削し、最後に両面を鏡面に加工して、厚みが１．０ｍｍである板状ガラスを得た。
なお、これら表中のＸは２×（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２＋Ｌｉ２Ｏ）＋ＭｇＯ−Ｎａ２Ｏ−Ｋ２Ｏである。
例１〜４２は実施例、例４３、４４は比較例、例４５は参考例である。
これらガラスのガラス転移点Ｔｇ（単位：℃）、比重ｄ、５０〜３５０℃における平均線膨張係数α（単位：１０−７／℃）、ヤング率Ｅ（単位：ＧＰａ）、結晶が析出する失透温度Ｔｘ（単位：℃）を表に示す。表中の「−」は測定していないことを示す。
Ｔｘは次のようにして測定した。すなわち、約０．５ｃｍ３のガラスをのせた白金皿を、予め所定の温度に設定した電気炉の中に投入する。この温度に１７時間保持後この白金皿を取り出して、大気中で放冷する。得られたガラスを１００倍の光学顕微鏡で観察し結晶の有無を観察し、結晶が観測された温度を失透温度Ｔｘとする。なお、表中でたとえばＴｘが１１７５−１２００とされているのはＴｘが１１７５℃以上１２００℃未満の範囲にある、の意である。
Ｔｘは１２００℃未満であることが好ましい。
Ｔｘの測定結果について例１６を例に説明する。例１６のガラスについては１１７５℃の電気炉に投入したときは結晶が観測され、１２００℃の電気炉に投入したときは結晶が観測されなかったので例１６のＴｘは１１７５℃以上１２００℃未満の範囲にあることがわかる。
例５と、例５のＺｒＯ２をＡｌ２Ｏ３に一部置換した例３のガラスに、温度が２３〜２５℃、湿度が４０〜６０％の条件でビッカース圧子を打ち込んだ時のクラック発生率が５０％となる加重を測定した。例５では１．０〜２．０ｋｇ、例３では０．５〜１．０ｋｇであり、ＺｒＯ２量を増やすとクラックが発生しやすくなることがわかった。
次に、例１〜４５の板状ガラスについて次のような化学強化処理を行った。すなわち、これらガラスを４００℃のＮａＮＯ３溶融塩にそれぞれ１時間浸漬し、化学強化処理を行った。
化学強化処理を行ったガラス板について、表面圧縮応力Ｓ（単位：ＭＰａ）および圧縮応力層の厚みｔ（単位：μｍ）を東京インスツルメンツ社製複屈折イメージングシステムＡｂｒｉｏ（商品名）によりそれぞれ測定した。なお、前記Ｓとｔの測定に際してはサイズが２０ｍｍ×１０ｍｍ、厚みが１．０ｍｍのガラス板を、対向する２０ｍｍ×１．０ｍｍの２面を両側から鏡面研磨して幅を０．２ｍｍとしたものを測定サンプルとした。結果を表の該当欄に示す。なお、例３８のＳは組成から推定したものである。
Figure 2012232882
Figure 2012232882
Figure 2012232882
Figure 2012232882
Figure 2012232882
これからわかるように本発明の実施例のガラスの化学強化処理後のＳは３００ＭＰａ以上、ｔは５０μｍ以上であり、１時間という短時間の化学強化処理によって所望の圧縮応力層が得られる。
比較例である例４３、４４はＳが２００ＭＰａ以下と十分な圧縮応力が得られなかった。例４５はＢ２Ｏ３を３．９％と多く含有するのでガラス溶解窯のレンガを浸蝕しやすくなるおそれがあり、また、Ｂ２Ｏ３の揮散により溶融ガラス中に異質素地が混ざるおそれがある。
また、アルカリ金属酸化物の含有量以外は同じ含有量である例１と例３を比較すると、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．６０である例１のＳは４４１ＭＰａであり、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．８０である例３のＳは５２８ＭＰａであり、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏ比が大きくなるとＳが高くなることがわかる。同様に、アルカリ金属酸化物の含有量以外は同じ含有量である例３７、例３９、例４０を比較すると、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．７６である例３７のＳは４２６ＭＰａであり、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．８８である例３９のＳは４８４ＭＰａ、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．９４である例４０のＳは５１２ＭＰａであり、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏ比が大きくなるとＳが高くなることがわかる。
また、例５と例１９の板状ガラスについては、ＮａＮＯ３とＫＮＯ３とを表６の該当欄に質量％で示す割合で含有する４００℃の溶融塩に１時間浸漬する化学強化処理を行った。得られた化学強化ガラスのＳおよびｔを同表に示すが、ＮａＮＯ３の含有割合が大きいほどＳが大きくなることがわかる。
Figure 2012232882
ディスプレイ装置のカバーガラスなどに利用できる。また、太陽電池基板や航空機用窓ガラスなどにも利用することができる。

Claims (35)

  1. 下記酸化物基準のモル百分率表示で、ＳｉＯ２を６０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を５〜１５％、ＭｇＯを１〜１２％、ＣａＯを０〜３％、ＺｒＯ２を０〜３％、Ｌｉ２Ｏを１０〜２０％、Ｎａ２Ｏを０〜８％、Ｋ２Ｏを０〜５％含有し、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計Ｒ２Ｏが２５％以下、Ｌｉ２Ｏの含有量とＲ２Ｏの比Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．５〜１．０である化学強化用ガラスを化学強化することを特徴とする化学強化ガラスの製造方法。
  2. 化学強化用ガラスが、ＳｉＯ２を７３％以下、Ａｌ２Ｏ３を８％以上、ＭｇＯを７％以下、Ｎａ２Ｏを１％以上含有し、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが２．５〜１０％であるものである請求項１の化学強化ガラスの製造方法。
  3. 化学強化用ガラスがＡｌ２Ｏ３を９％以上含有するものである請求項１または２の化学強化ガラスの製造方法。
  4. 化学強化用ガラスが、ＳｉＯ２を６２％以上、Ａｌ２Ｏ３を９〜１４％含有し、Ｒ２Ｏが２２％以下、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが３〜８％、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．６以上であるものである請求項２または３の化学強化ガラスの製造方法。
  5. 化学強化用ガラスが、Ｌｉ２Ｏ含有量からＮａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏを減じた差が４〜１７．５％であるものである請求項２、３または４の化学強化ガラスの製造方法。
  6. 化学強化用ガラスが、ＳｉＯ２を６２％以上、Ａｌ２Ｏ３を９％未満、Ｎａ２Ｏを６％以下含有し、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．６以上であるものである請求項１の化学強化ガラス。
  7. 化学強化用ガラスが、ＳｉＯ２を６６％以上、Ａｌ２Ｏ３を８％未満、ＭｇＯを７％以下含有するものである請求項６の化学強化ガラスの製造方法。
  8. 化学強化用ガラスが、Ｒ２Ｏが２０％以下、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが０〜６％であるものである請求項６または７の化学強化ガラスの製造方法。
  9. 化学強化用ガラスが、Ｌｉ２Ｏ含有量からＮａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏを減じた差が８〜１７％であるものである請求項１〜８のいずれかの化学強化ガラスの製造方法。
  10. 化学強化用ガラスが、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏの各成分の含有量を用いて下記式で算出されるＸが４０モル％以上であるものである請求項１〜９のいずれかの化学強化ガラスの製造方法。
    Ｘ＝２×（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２＋Ｌｉ２Ｏ）＋ＭｇＯ−Ｎａ２Ｏ−Ｋ２Ｏ
  11. 化学強化用ガラスが、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．８超であるものである請求項１〜１０のいずれかの化学強化ガラスの製造方法。
  12. 化学強化用ガラスが、Ｂ２Ｏ３を実質的に含有しないものである請求項１〜１１のいずれかの化学強化ガラスの製造方法。
  13. 請求項１〜１２のいずれかの化学強化ガラスの製造方法であって、化学強化用ガラスの化学強化を、ＮａＮＯ３およびＫＮＯ３の少なくともいずれか一方を含有する４２５℃以下の溶融塩に２時間以下浸漬して行う化学強化ガラスの製造方法。
  14. 化学強化用ガラスがガラス板である請求項１〜１３のいずれかの化学強化ガラスの製造方法。
  15. ガラス板がフロート法またはフュージョン法によって製造されたものである請求項１４の化学強化ガラスの製造方法。
  16. 化学強化ガラス板を備えたディスプレイ装置の製造方法であって、化学強化ガラス板を請求項１４または１５の化学強化ガラスの製造方法によって製造することを特徴とするディスプレイ装置の製造方法。
  17. 化学強化ガラス板を備えたタッチパネルの製造方法であって、化学強化ガラス板を請求項１４または１５の化学強化ガラスの製造方法によって製造することを特徴とするタッチパネルの製造方法。
  18. 化学強化ガラス板を備えた携帯機器の製造方法であって、化学強化ガラス板を請求項１４または１５の化学強化ガラスの製造方法によって製造することを特徴とする携帯機器の製造方法。
  19. 下記酸化物基準のモル百分率表示で、ＳｉＯ２を６０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を５〜１５％、ＭｇＯを７％超１２％以下、ＣａＯを０〜３％、ＺｒＯ２を０〜３％、Ｌｉ２Ｏを１０〜２０％、Ｎａ２Ｏを０〜８％、Ｋ２Ｏを０〜５％含有し、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計Ｒ２Ｏが２５％以下、Ｌｉ２Ｏ含有量とＲ２Ｏの比Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．５〜１．０である化学強化用ガラス。
  20. ＳｉＯ２が６８％以下、Ａｌ２Ｏ３が１３％以下、Ｌｉ２Ｏが１７％以下、Ｎａ２Ｏが０〜５％、Ｋ２Ｏが０〜３％、Ｒ２Ｏが１８％以下、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．７以上である請求項１９の化学強化用ガラス。
  21. Ａｌ２Ｏ３が９％未満である請求項１９または２０の化学強化用ガラス。
  22. Ｌｉ２Ｏが１２％以上である請求項１９、２０または２１の化学強化用ガラス。
  23. 下記酸化物基準のモル百分率表示で、ＳｉＯ２を６６〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を５％以上８％未満、ＭｇＯを１〜７％、ＣａＯを０〜３％、ＺｒＯ２を０〜３％、Ｌｉ２Ｏを１０〜２０％、Ｎａ２Ｏを０〜６％、Ｋ２Ｏを０〜５％含有し、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計Ｒ２Ｏが２５％以下、Ｌｉ２Ｏ含有量とＲ２Ｏの比Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏが０．６〜１．０である化学強化用ガラス。
  24. Ｒ２Ｏが２０％以下である請求項２３の化学強化用ガラス。
  25. Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが０〜６％である請求項１９〜２４のいずれかの化学強化用ガラス。
  26. Ｌｉ２Ｏ含有量から、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏを減じた差が８〜１７％である請求項１９〜２５のいずれかの化学強化用ガラス。
  27. 請求項１９〜２６のいずれかの化学強化用ガラスであって、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏの各成分の含有量を用いて下記式で算出されるＸが４０モル％以上である化学強化用ガラス。
    Ｘ＝２×（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２＋Ｌｉ２Ｏ）＋ＭｇＯ−Ｎａ２Ｏ−Ｋ２Ｏ
  28. Ｂ２Ｏ３を実質的に含有しない請求項１９〜２７のいずれかの化学強化用ガラス。
  29. 請求項１９〜２８のいずれかの化学強化用ガラスからなる化学強化用ガラス板。
  30. フロート法またはフュージョン法によって製造された請求項２９の化学強化用ガラス板。
  31. 請求項２９または３０の化学強化用ガラス板を化学強化処理して得られた化学強化ガラス板。
  32. 請求項２９または３０の化学強化用ガラス板を溶融塩に浸漬して化学強化処理を行う化学強化ガラス板の製造方法であって、溶融塩がＮａＮＯ３およびＫＮＯ３の少なくともいずれか一方を含有するものであり、化学強化処理が溶融塩の温度を４２５℃以下、浸漬時間を２時間以下にして行うものである化学強化ガラス板の製造方法。
  33. 請求項３１の化学強化ガラス板を備えたディスプレイ装置。
  34. 請求項３１の化学強化ガラス板を備えたタッチパネル。
  35. 請求項３１の化学強化ガラス板を備えた携帯機器。
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