JP2013520385A - ３次元精密成形用薄リチウムアルミノケイ酸ガラス - Google Patents
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Abstract
３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラスが提供される。本発明ガラスは、５０ＭＰａ以下の中心引っ張り応力、６００〜１２００ＭＰａの表面圧縮応力、最大で５００ＭＰａまで達する曲げ強度、及び５５０℃以下のガラス転移温度を有する。
Description
本発明はアルミノケイ酸ガラス、より詳細には、高強度、高スクラッチ耐性及び高破砕耐性であり、かつ低温３Ｄ成形及び急速イオン交換特性を有するアルミノケイ酸ガラスに関する。本発明はさらに詳細には、高強度、高スクラッチ耐性及び高破砕耐性であり、低温３Ｄ成形及び急速イオン交換特性を有し、かつ平面及び非平面電子製品用のスクリーン保護材として用いられるアルミノケイ酸ガラスに関する。本発明は猶さらに詳細には、高強度、高スクラッチ耐性及び高破砕耐性であり、低温３Ｄ成形及び急速イオン交換特性を有し、かつ平面及び非平面タッチスクリーン用の保護ガラスとして用いられるアルミノケイ酸ガラスに関する。さらに、本発明は、アルミノケイ酸ガラスの化学的強化方法にも関する。
いくつかの電子装置では、デザイン上及び技術的理由から、湾曲面及び折り畳み縁などの非平面スクリーン及び３Ｄ形状化されたスクリーンが必要とされている。電子装置の保護ガラスの強度を向上させるため、ガラスには、通常ガラス中のイオン半径の小さいアルカリ金属イオンをイオン半径の長いアルカリ金属イオンで交換することによって行われるイオン交換を経て為される強化処理が必要とされる。イオン交換処理中、より半径の大きいアルカリ金属イオンが、より小さい半径をもつアルカリ金属イオンが存在した箇所に拘束されるため、ガラスの表面層中に圧縮応力が生成される。通常、イオン交換を行う場合、ガラスはＫＮＯ３等の溶融金属塩中へ浸され、この方法は化学的強化と称される。化学的強化を行うときの温度はＫＮＯ３の融点である３２８℃より高い温度でなければならない。
電子装置あるいはタッチスクリーンの保護ガラスのガラス転移温度（Ｔｇ）は一般的に高い。ソーダ石灰ガラスのＴｇは一般的に５３０〜５６０℃の範囲内である。化学的強化に適する市場で入手可能なガラスには通常一定量のＡｌ２Ｏ３が含まれ、このＡｌ２Ｏ３によってイオン交換を容易化し、及びイオン交換をスピードアップさせるガラスの網目構造が形成される。しかしながら、この種のガラスのＴｇは一般的におよそ６００℃以下である。Ａｌ２Ｏ３は耐火性酸化物であり、その融点はＳｉＯ２の融点よりも高く、また極めて高いＡｌ−Ｏ結合エネルギーを有する。ガラスの融点は、Ａｌ２Ｏ３がガラス中に存在する場合は、それに対応して上昇する。ガラス中におけるアルカリ金属イオンに対するアルミナのモル比はガラスの特性を決める主要要因となる。この比が１未満である場合は、アルミナがガラスの網目構造中へ入り込んで非架橋酸素と置き換わる傾向が高まり、融点の上昇及びガラス粘度の増加が生ずる。
タッチデバイス保護のために用いられるガラスは一般的に高Ｔｇを有し、かつイオン交換速度が速いナトリウムアルミノケイ酸ガラスである。このガラスは、適したイオン交換処理を経ることにより、極めて高い破砕耐力及び通常約５８０℃以上となるＴｇを有する。
全く平面である保護ガラスの製造には、ナトリウムアルミノケイ酸ガラスを用いることが経済的である。しかしながら、３Ｄ形状をもつ保護ガラスが要求される場合には、そのＴｇが高過ぎることが欠点となる。ガラスの変形温度がＴｇよりも高い場合、Ｔｇの高いガラスを成形によって形状化することはその経済性から不可能である。ナトリウムアルミノケイ酸ガラスの変形温度は通常６００℃以上であるため、型自体及び型コーティングの寿命が大幅に短縮される。当該技術分野においては、Ｔｇが５５０℃以下であって、化学的強化後に極めて高強度を有するガラスが期待されている。Ｔｇがより低いガラスは、ナトリウムアルミノケイ酸ガラス中のナトリウムの一部をリチウムで置き換えることによって得ることが可能である。かかるガラスの強度は化学的強化を行うことにより大きく高めることが可能であり、また同時に極めて高い表面硬度を得ることも可能である。Ｌｉ２Ｏを含むケイ酸ガラスの粘度は、アルカリ金属を同含量含む場合において、Ｎａ２Ｏを含むガラスの粘度よりも低い。従って、リチウムアルミノケイ酸ガラスは成形温度をより低くすることができるため、安価な型及びコーティング材料を用いることが可能となる。
リチウムアルミノケイ酸ガラスのＴｇを、その成分を選択することによって５５０℃よりもずっと低くなるように制御することも可能であり、従って、このガラスをニッケル合金コーティングが施されたスチール製型あるいはアルミニウム製型を用いて成形することが可能である。他方において、Ｔｇの高いナトリウムアルミノケイ酸ガラスの場合は、炭化タングステン型等の金属炭化物あるいは金属窒化物から成る高価な型を用いなければならない。
他方、適切な化学的強化処理後のリチウムアルミノケイ酸ガラスの強度は、強化処理されたナトリウムアルミノケイ酸ガラスの強度と同等である。リチウムイオンの拡散速度はナトリウムイオンの拡散速度よりも速いため、リチウムアルミノケイ酸ガラスの強化時間はナトリウムアルミノケイ酸ガラスの強化処理時間よりも短い。リチウムアルミノケイ酸ガラスはナトリウム塩またはカリ塩を用いて化学的に強化可能である。このように強化処理に柔軟性があるため、リチウムアルミノケイ酸ガラスに対する強化処理条件の選択範囲及び可能性がより拡大され、他の特性及び加工要求に適合させることも可能となる。
ガラス中において温度が均等分布されていない場合、ガラスの熱膨張の値が極めて重要となる。高い熱膨張率を有するガラスは、より速い冷却速度を要する用途には不適であり、また成形後においても高温であるガラスは周辺大気に晒されると容易にひび割れを生ずる。Ｌｉ２Ｏを含むガラスの熱膨張率はＮａ２Ｏを含むガラスに比べて低いので、より速い成形速度が要求される場合に適する。
成形による製造においては、成形材料及びコーティングのコスト及び寿命が全製造コストに対して重要要素となる。一般的な成形型に用いられる材料は炭化タングステンであるが、成形温度が低い場合はスチール製型、ニッケル製型、あるいはスチール／ニッケル合金製型等の金属型を用いることも可能である。一般的コーティング材料は、白金あるいはイリジウム等の貴金属から成るが、特定条件下において、希土類金属コーティング、ＤＣＬコーティング、あるいはゾルゲルコーティングを用いることも可能である。
本発明は、化学的強化処理が可能であり、５５０℃以下のＴｇを有し、及び３Ｄ形状化可能なガラスを提供することを目的とする。一実施態様において、本発明に係るガラスは、リチウムアルミノケイ酸ガラス、ナトリウムアルミノケイ酸ガラス、及びリチウムナトリウムアルミノケイ酸ガラスを含むアルミノケイ酸ガラス等のケイ酸ガラスまたはリン酸ガラスである。
第一に、本発明によれば、温度５００〜７００℃において３Ｄ形状ガラスへの成形が可能であり、かつＴｇが５５０℃以下であるガラスが提供される。一実施態様において、本発明ガラスのＴｇは５３０℃以下である。別の実施態様において、本発明ガラスのＴｇは５２０℃以下である。さらに別の実施態様において、本発明ガラスのＴｇは５１０℃以下である。
一実施例において、成形温度は５００〜６５０℃の範囲内である。別の実施例において、成形温度は５００〜６３０℃の範囲内である。さらに別の実施例において、成形温度は５００〜６００℃の範囲内である。
一実施例において、本発明に係るガラスは厚さ０．４〜２．０ｍｍの平板ガラスである。
本発明は、化学的強化処理に適するガラスを提供することも目的とする。一実施態様において、本発明ガラスは強化処理に適するアルカリケイ酸ガラスまたはアルカリリン酸ガラスである。別の実施例において、本発明ガラスはリチウムアルミノケイ酸ガラスである。
一実施例において、本発明ガラスは、溶融ＮａＮＯ３中において強化処理を受け、少なくとも５００〜８００ＭＰａの表面応力を有し、及び５０μｍの表面応力層を有する。
一実施例において、本発明ガラスは溶融ＫＮＯ３中において強化処理を受け、少なくとも８００〜１２００ＭＰａの表面応力を有し、及び１０μｍの表面応力層を有する。
一実施例において、本発明ガラスはＮａＮＯ３及びＫＮＯ３の混合溶融塩中において強化処理を受け、少なくとも６００〜１０００ＭＰａの表面応力を有し、及び５０μｍの表面応力層を有する。
一実施例において本発明ガラスは最大で５００ＭＰａまでの曲げ強度を有し、さらに別の実施例において本発明ガラスは最大で６００ＭＰａまでの曲げ強度を有する。
ソーダ石灰ガラスは、ＫＮＯ３等の塩浴中におけるイオン交換を経て化学的強化処理を受け、その後にディスプレイ装置の保護ガラスとして利用可能である。一般的に、このようなガラスは数１００ＭＰａｓの表面応力を有するが、ひび割れの拡がりを抑制するための表面応力層の厚さはもっと限られている。ソーダ石灰ガラスの欠点はＡｌ２Ｏ３の含量が少なく、そのため迅速なイオン交換速度が得られないことである。長時間に亘るイオン交換処理の後であっても表面応力層の厚さは通常１０μｍ前後しかない。
ＵＳ２００８／０２８６５４８、ＣＮ２００８１０１４７４４２．３、ＣＮ２００９１０３０１２４０．４に開示されているような新たに開発されたガラスはより良好な化学的強化特性及び強度を有する。しかしながら、これらのガラスは、高い温度で形状化しなければならないため、その結果製造コストが高くなり、また生産性が低下し、低温３Ｄ形状化の要求、例えばタッチスクリーンの保護ガラスに対する要求を満たすことができない。
アルミノケイ酸ガラスのＴｇを５５０℃以下まで下げた場合は、ガラスの結晶化傾向が高まるため、ガラスの溶融がより困難となる。そのため、結晶化傾向を低下させるためにＺｒＯ２等の酸化物の添加が必須となる。さらに、アルカリ金属が高含量含まれるアルミノケイ酸ガラスは溶融中にガラス炉をかなり腐食させるため、ガラス炉の材料には適切な耐火性材料が選択されなければならない。
ＺｒＯ２及びＺｎＯを添加することによりガラスの耐水性を向上させることが可能である。
ガラスの透過率はディスプレイ装置の保護において最も重要な性能である。化学的強化処理後に、不純物によってガラスの透過率に影響が及ぶ可能性がある。透過率の低下は主としてＦｅ２＋、Ｆｅ３＋等の多価イオンによって引き起こされる。それゆえ、不純物の含量は１０００ｐｐｍ以下、好ましくは５００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１００ｐｐｍ以下とされなければならない。
一実施態様において、低温成形に使用可能なガラスは下記組成から構成される。
ＳｉＯ２ ５８〜６５重量％
Ｌｉ２Ｏ ４．６〜５．４重量％
Ｎａ２Ｏ ８．１〜９．７重量％
Ｋ２Ｏ ０．０１〜１．０重量％
Ａｌ２Ｏ３ １６〜２０重量％
Ｂ２Ｏ３ ０．１〜１．０重量％
ＭｇＯ ０〜０．１重量％
ＳｒＯ ０〜０．２重量％
ＺｎＯ ０〜０．５重量％
ＣａＯ ０．２〜２．０重量％
ＺｒＯ２ ２．５〜５．０重量％
Ｐ２Ｏ５ ０〜１重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．００８〜０．２重量％
ＳｎＯ２ ０．０５〜０．６重量％
ＣｅＯ２ ０．０１〜０．３重量％
また、同時に下記式が満たされる。
（Ｌｉ２Ｏ＋Ａｌ２Ｏ３）／（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）＞２．０
ＳｎＯ２＋ＣｅＯ２＋Ｆｅ２Ｏ３＞０．１重量％
０．８重量％＜ＣａＯ＋ＺｎＯ＋Ｐ２Ｏ５＋Ｂ２Ｏ３＋ＣｅＯ２＋Ｆｅ２Ｏ３＜２．０重量％
なお、ＳｉＯ２はガラス形成剤である。
ＳｉＯ２ ５８〜６５重量％
Ｌｉ２Ｏ ４．６〜５．４重量％
Ｎａ２Ｏ ８．１〜９．７重量％
Ｋ２Ｏ ０．０１〜１．０重量％
Ａｌ２Ｏ３ １６〜２０重量％
Ｂ２Ｏ３ ０．１〜１．０重量％
ＭｇＯ ０〜０．１重量％
ＳｒＯ ０〜０．２重量％
ＺｎＯ ０〜０．５重量％
ＣａＯ ０．２〜２．０重量％
ＺｒＯ２ ２．５〜５．０重量％
Ｐ２Ｏ５ ０〜１重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．００８〜０．２重量％
ＳｎＯ２ ０．０５〜０．６重量％
ＣｅＯ２ ０．０１〜０．３重量％
また、同時に下記式が満たされる。
（Ｌｉ２Ｏ＋Ａｌ２Ｏ３）／（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）＞２．０
ＳｎＯ２＋ＣｅＯ２＋Ｆｅ２Ｏ３＞０．１重量％
０．８重量％＜ＣａＯ＋ＺｎＯ＋Ｐ２Ｏ５＋Ｂ２Ｏ３＋ＣｅＯ２＋Ｆｅ２Ｏ３＜２．０重量％
なお、ＳｉＯ２はガラス形成剤である。
Ａｌ２Ｏ３は、高強度及び高硬度なガラスを作製するために最も重要な成分である。Ｎａ＋−Ｋ＋イオン交換速度を高めるためにより速い拡散速度を達成しようとする目的において、ガラス中のＡｌ２Ｏ３の含量は、Ａｌ３＋がガラス中に通常みられる［ＳｉＯ４］四面体よりもずっと多い容積で［ＡｌＯ４］四面体を形成し易いこと、それゆえにイオン交換のためのチャネルとしての空間をより多く占める理由から、高くなければならない。しかしながら、Ａｌ２Ｏ３の含量が２０重量％以上となることは避けなければならない。含量がそれ以上になれば、結果としてガラスの失透傾向及び粘度が増大するからである。従って、Ａｌ２Ｏ３の含量は１６〜２０重量％、好ましくは１７〜１９重量％、さらに好ましくは１７．５〜１８．５重量％の範囲内とされる。
ガラスへＬｉ２Ｏを添加することによりガラスの融点を下げ、次いでガラス転移温度を下げることが可能である。さらに重要なこととして、塩浴中、特にＮａＮＯ３の塩浴中においてリチウムイオンに関してイオン交換を行うことが可能であり、Ｌｉ＋−Ｎａ＋間のイオン交換が極めて速いことから、非常に深い表面応力層が生ずる。Ｌｉ２Ｏは速いイオン交換のため、また成形のため低いＴｇをもつガラスにとって必要とされる。しかしながら、Ｌｉ２Ｏの含量が多過ぎると失透を起こす傾向が高まり、また製造中に炉本体を甚大に腐食させる可能性がある。本発明において、Ｌｉ２Ｏの含量は４．６〜５．４重量％、好ましくは４．８〜５．２重量％の範囲内とされる。
Ｎａ２Ｏはガラスの融点降下に働く。ガラスがＮａＮＯ３中において化学的強化処理される際、一定量のＮａ＋によってＬｉ＋とＮａ＋間のイオン交換が速められる。Ｎａ２Ｏを含むガラスはＫ＋によっても交換され、それによって高い表面応力が得られ、従ってさらに有効な交換効果が得られる。原則的にはＮａ２Ｏの含量は可能な限り高くされるが、Ｎａ２Ｏ含量が過剰になるとガラス転移温度が大きく下がり、ガラスに失透が生ずる傾向が強くなる。本発明において、Ｎａ２Ｏの含量は８．１〜９．７重量％、好ましくは８．４〜９．６重量％、さらに好ましくは８．６〜９．５重量％の範囲内とされる。
Ｋ２Ｏもガラスの融点降下に働く。しかしながら、Ｋ２Ｏ含量が過剰であるとイオン交換処理に悪影響が及ぶ。従ってＫ２Ｏの含量は、１．０重量％以下、好ましくは０．５重量％以下、さらに好ましくは０．３重量％以下とされる。
ＭｇＯは溶融中におけるガラス溶融物の均質性を高める。本発明においてＭｇＯは不純物としてのみ存在し、その含量は０．１重量％以下である。
ＳｒＯは不純物として存在し、その含量は０．２重量％以下である。
ＺｎＯ、ＣａＯ、及びＰ２Ｏ５のいずれもガラス融点の降下に働くが、本発明においてこれら酸化物は低含量で存在する。本発明において、ＺｎＯの含量は０．５重量％以下、好ましくは０．４重量％以下、さらに好ましくは０．３重量％以下である。ＣａＯの含量は２．０重量％以下、好ましくは１．５重量％以下、さらに好ましくは１．０重量％以下である。また、Ｐ２Ｏ５の含量は１．０重量％以下、好ましくは０．５重量％以下、さらに好ましくは０．２重量％以下である。
Ｌｉ２Ｏ及びＡｌ２Ｏ３の含量は、より速いイオン交換速度が得られるように、また式（Ｌｉ２Ｏ＋Ａｌ２Ｏ３）／（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）＞２．０の条件が満たされるように、十分に高くなければならない。ＳｎＯ２はフロート法によって製造されるガラスにおいては不可欠な成分であり、Ｆｅ２Ｏ３はガラス溶融出発原料中の不純物である。少量のＣｅＯ２によってガラスの太陽光耐久性及び色発現性の改善が促進される。これら３種酸化物の含量は０．１重量％以上とされる。ＣａＯ、ＺｎＯ、Ｐ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３はガラス溶融のための出発原料中の不純物であり、これらの含量は、ガラスの安定品質を確保するため一定レベル以下でなければならない。しかしながら、出発原料の純度を厳しく要求すれば製造コストが大幅に高くなる。本発明において、ＣａＯ＋ＺｎＯ＋Ｐ２Ｏ５＋Ｂ２Ｏ３＋ＣｅＯ２＋Ｆｅ２Ｏ３の総含量は０．８重量％より多く、かつ２．０重量％未満とされる。
ガラスへＺｒＯ２を添加することによってガラスの化学的安定性及び硬度が改善される。しかしながら、ＺｒＯ２の含量が５．０重量％より高くなると重大な失透を生ずる畏れがある。そのため、本発明においては、ＺｒＯ２の含量は５．０重量％以下、好ましくは４．５重量％以下、さらに好ましくは４．０重量％以下とされる。
ＺｎＯ及びＺｒＯ２は、ガラスの化学的安定性を改善させ、及びガラス中のＬｉ等の揮発性元素の揮発を減ずるために使用することがきる。
Ｂ２Ｏ３もガラス形成剤である。ガラスへＢ２Ｏ３を添加することによりガラスの粘度を下げることが可能である。しかしながら、Ｂ２Ｏ３が過剰であるとガラス転移温度が低くなり過ぎる可能性があり、それによってＡｌ２Ｏ３を高含量で含むガラスの溶融に不利となる。他方において、Ｂ２Ｏ３含量が過剰であると、イオン交換速度が減じられる。本発明におけるガラス中のＢ２Ｏ３含量は１．０重量％以下、好ましくは０．８重量％以下、さらに好ましくは０．６重量％以下である。
ＣｅＯ２の添加により、ガラスの太陽光耐久性及び色発現性が増強される。このような効果を得るためには、少量のＣｅＯ２を添加するだけで十分であり、その含量は０．０１〜０．３重量％。好ましくは０．０３〜０．２５重量％、さらに好ましくは０．０５〜０．２重量％の範囲内とすることができる。
フロート法による製造においては、ＳｎＯ２はガラス中への不可欠成分である。本発明においてガラス中のＳｎＯ２含量は０．６重量％以下、好ましくは０．５重量％以下、さらに好ましくは０．４重量％以下とされる。ＳｎＯ２含量が過剰であるとガラスの透過率が減じられる可能性がある。
一実施態様において、タッチスクリーン用の保護ガラスとして用いられるガラスは、厚さ０．４〜２ｍｍの薄ガラスである。
薄ガラスは、下方引き出し(down-drawn)、オバーフロー溶融(over flow fusion)、フロート、上方引き出し(up-drawn)などの工程を経て製造可能である。下方引き出し工程及びオバーフロー溶融工程はディスプレイ用ガラスの製造に一般的に用いられる。Ａｌ２Ｏ３を高含量で含むガラスを製造する場合、ガラスからの泡の除去工程が課題となる。それゆえ、ガラス溶融物の清澄及び均質化を補助するため、溶融中にＡｓ２Ｏ３及びＳｂ２Ｏ３がしばしば投入される。今日、家電分野においては「グリーン化（地球にやさしい）」がより重要視されている。Ａｓ２Ｏ３及びＳｂ２Ｏ３は「非グリーンな」成分であるため、成分の含量の調整においては、ガラスへの添加は禁じられるべきである。
本発明の一実施態様では、ガラスはフロート法によって製造される。フロート法において用いられる錫浴中においてＳｎＯ２が生成されるため、ガラス溶融工程においてＡｓ２Ｏ３やＳｂ２Ｏ３を添加する必要性は全くない。従って、製造されるガラスは有害成分を含まない「グリーンな」ガラスである。
一実施態様において、タッチ制御用の保護ガラスとして用いるために、ガラスは湾曲面あるいは折り畳み縁をもつようにデザインされる。このような形状は精密成形によってのみ得ることができる。精密成形は、低Ｔｇ光学ガラスを用いた非球面レンズの製造において広く利用されている。ガラスは縁部が折り畳まれるように形状化され、また完全な平面の他、中心部が平面な湾曲面にも形状化され、また他の部分では特定のデザインに形状化される。
精密成形に用いられる温度は通常５００〜７００℃である。従って、５５０℃以下のＴｇをもつガラスが精密成形に適する。成形工程は、底型中へ原料ガラスシートを置く工程、型内部を真空にする工程、及び窒素ガスまたは他の不活性ガス下で充填する工程、底型と原料ガラスシートを加熱する工程、プレス型を用いて加圧する工程、成形工程、冷却工程、及びプレスされたガラスを取り出す工程から構成される。
ガラス材料のＴｇは成形温度に影響を与える主要要因である。低温成形の目的を果たすためには、Ｔｇは５５０℃以下、好ましくは５３０℃以下、さらに好ましくは５２０℃以下、最も好ましくは５１０℃以下でなければならない。種々ガラスの異なるＴｇに従って成形温度は異なるが、成形温度は一般的には５００〜７００℃、好ましくは５００〜６５０℃、さらに好ましくは５００〜６３０℃、最も好ましくは５００〜６００℃である。
タッチスクリーン用の保護ガラスとして利用されるためには、湾曲ガラスに対して化学的強化処理を行うことが必要である。化学的強化処理によってガラスが強化され、及びガラスのスクラッチ耐久性及び耐衝撃性が改善され、ひび割れが防止される。化学的強化は、ガラス中のより小さなアルカリ金属イオンを塩浴中のより大きなアルカリ金属イオンに交換する処理である。例えば、ガラス中のＮａ＋及びＬｉ＋をＫＮＯ３塩浴中においてＫ＋に交換することが可能である。イオン交換後、ガラスの表面層中に圧縮応力が生成され、それによってガラスの強度が増大される。ガラスの表面層において圧縮応力との平衡を保つため、ガラスの中心部に引っ張り応力が生成される。引っ張りと応力が過剰であるとガラスが破損されるリスクが増大する。湾曲ガラス部分は外部応力下における中心部での引っ張り応力に対してさらに敏感である。それゆえ、中心部における引っ張り応力は５０ＭＰａ以下でなければならず、好ましくは３０ＭＰａ以下、さらに好ましくは２０ＭＰａ以下、最も好ましくは１５ＭＰａ以下になるように設計される。前記表面応力は６００ＭＰａ、好ましくは７００ＭＰａ以上、最も好ましくは８００ＭＰａ以上でなければならず、同時に概して１，２００ＭＰａ以上とならないように設計される。
前記表面応力層の厚さは引っ掻き傷に対する強化ガラスの許容度に反映される。表面応力層が厚ければ厚いほど引っ掻き傷に対するガラスの許容度はより大きくなる。しかしながら、表面応力層の厚さを可能な限り厚くすることは、中心部における引っ張り応力も大きくなることから妥当とはいえない。一実施例において、ガラスの厚さが０．７ｍｍである場合、表面圧力層の厚さは６０μｍ未満であり、好ましくは５０μｍ未満、さらに好ましくは４０μｍ未満となるように設計される。
ソーダ石灰ガラス及びナトリウムアルミノケイ酸ガラスには、精密成形に適する特性、及びガラス表面品質が大きく低下しない特性のいずれの特性もないが、これらの特性はしばしば要求される。ガラスの付着及び熱衝撃特性は、特にガラスシートを３ｍｍより薄く、好ましくは２ｍｍより薄く、さらに好ましくは１ｍｍより薄くプレスする場合においては、急速成形加工に求められる要求を満たせるものでなければならない。一実施例において、厚さ０．７ｍｍ未満及び０．５ｍｍ未満のガラスをプレス成形することも可能である。
ガラス表面の特殊な構造もプレス工程において作出あるいは保持することが可能である。該表面構造に装飾効果、及びレンズ、ライトガイド等の光学的機能（屈折、回析、反射）を与えることも可能である。また、該表面構造に機械的機能やタッチ機能を含めることも可能である。薄ガラス上へ空洞を直接プレスすることも可能である。
実施例
以下において、実施例を用いて本発明の特徴について説明する。但し、本発明は下記実施例に限定されない。
以下において、実施例を用いて本発明の特徴について説明する。但し、本発明は下記実施例に限定されない。
本発明に係るガラスは、主要成分としてのＳｉＯ２ ６２．２１％、Ａｌ２Ｏ３１７．９９％、Ｎａ２Ｏ 9.５４％、Ｌｉ２Ｏ ５．０８％、ＺｒＯ２ ３．６１％から成り、その他残余分としてＢ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＺｎＯ、ＣｅＯ２、Ｆｅ２Ｏ３及びＳｎＯ２を含む。
表１の実施例ごとに与えられた成分に従った対応出発材料を処方し、白金るつぼ中において温度１６００〜１６４０°下で溶融し、該温度を５〜１５時間維持した後、温度１６４０〜１６６０℃で清澄し、次いで約１６００℃まで冷却した。高温炉から白金るつぼを取り出し、ガラス溶融物を冷ステンレススチール製型中へ注入してサイズ１００×８０×４０ｍｍのガラスブランクを得た。次いで、ガラスをステンレススチール製型と共に温度約６００℃に加温された焼鈍し炉中へ置いて約２〜８時間焼鈍しを行った。
焼鈍しを行ったガラスを切断し、縁取りを行い、所望のサイズである８０×６０×０．７ｍｍになるまで精密研磨した。研磨後の表面粗さは１ナノメーター未満であった。
以下に述べる方法によって膨張計上において熱膨張係数及び転移点を測定した。サンプルを直径５ｍｍの円筒体に加工した。２０℃と３００℃における長さの変化を記録して線膨張率を算出した。ガラスの転移点前後において明瞭かつ急激な線膨張率の変化が起こることから、外挿法を経てガラスの転移点が得られた。
得られたガラスについて測定した結果、Ｔｇは５０５℃であり、線膨張率は８．５×１０−６／℃であった。
アルキメデスの原理を用いてガラス密度を測定した。水を含んだ容器中へガラスサンプルを浸し、容器中の水の変位量を正確に測定してサンプルの容積を得た。サンプルの重量を正確に測定してその容積で割算してガラス密度データを得た。
ガラス密度は２．４９ｇ／ｃｍ３であった。
次いで、このガラスを成形型中へ供し、約５７５℃での曲げ及び形状化を経て所望形状を得た。
サンプルに対して化学的強化処理を行った。該強化処理は実験室スケールの小さな塩浴炉（直径２５０×２５０ｍｍ、高さ４００ｍｍ）中において実施した。サンプルを特殊な耐腐食性ステンレススチール製サンプルサポート上へ置いた。温度４００℃のＫＮＯ３塩浴中における６時間に亘るイオン交換処理後において測定されたガラスの表面圧縮応力は８１０ＭＰａ、中心引っ張り応力は３１ＭＰａ、及び圧縮応力層の深さは２５μｍであった。
ガラスの応力及びガラスの応力層の深さをＦＳＭ６０００及び偏光顕微鏡を用いて測定した。
サンプルの破損強度を４点曲げ強度試験機において測定した。化学的強化処理されたガラスの破損強度は６００ＭＰａにまで達していた。
比較例サンプルの成分は表２の比較例に示した通りであり、Ｌｉ２Ｏが含まれず、Ｎａ２Ｏ含量が高い。十分な化学的強度を持っていたけれども、比較例サンプルはＴｇが高いため、低温での３Ｄ形状化には適さなかった。
Claims (49)
- ３次元精密成形に用いられ、強化処理に適し、強化処理後における中心引っ張り応力が５０ＭＰａより小さく、表面圧縮応力が５００〜１２００ＭＰａであり、曲げ強度が最大で５００ＭＰａであり、及び転移点が５５０℃であることを特徴とする薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- 強化処理後における中心引っ張り応力が３０ＭＰａより小さいことを特徴とする請求項１項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- 強化処理後における中心引っ張り応力が２０ＭＰａより小さいことを特徴とする請求項２項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- 強化処理後における表面圧縮応力が７００〜１２００ＭＰａであることを特徴とする請求項１項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- 強化処理後における表面圧縮応力が８００〜１２００ＭＰａであることを特徴とする請求項４項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- 強化処理後において曲げ強度が最大６００ＭＰａであることを特徴とする請求項１項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラス転移点が５３０℃以下であることを特徴とする請求項１項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラス転移点が５２０℃以下であることを特徴とする請求項７項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラス転移点が５１０℃以下であることを特徴とする請求項８項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラス組成全重量に対する重量％で下記成分から成ることを特徴とする請求項１項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス：
ＳｉＯ２ ５８〜６５重量％
Ｌｉ２Ｏ ４．６〜５．４重量％
Ｎａ２Ｏ ８．１〜９．７重量％
Ｋ２Ｏ ０．０１〜１．０重量％
Ａｌ２Ｏ３ １６〜２０重量％
Ｂ２Ｏ３ ０．１〜１．０重量％
ＭｇＯ ０〜０．１重量％
ＳｒＯ ０〜０．２重量％
ＺｎＯ ０〜０．５重量％
ＣａＯ ０．２〜２．０重量％
ＺｒＯ２ ２．５〜５．０重量％
Ｐ２Ｏ５ ０〜１重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．００８〜０．２重量％
ＳｎＯ２ ０．０５〜０．６重量％
ＣｅＯ２ ０．０１〜０．３重量％
ここで、（Ｌｉ２Ｏ＋Ａｌ２Ｏ３）／（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）＞２．０
ＳｎＯ２＋ＣｅＯ２＋Ｆｅ２Ｏ３＞０．１重量％
０．８重量％＜ＣａＯ＋ＺｎＯ＋Ｐ２Ｏ５＋Ｂ２Ｏ３＋ＣｅＯ２＋Ｆｅ２Ｏ３＜２．０重量％ - Ｋ２Ｏ含量が０．５重量％未満であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- Ｋ２Ｏ含量が０．３量％未満であることを特徴とする請求項１１項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ＺｎＯ含量が０．４重量％未満であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ＺｎＯ含量が０．３重量％未満であることを特徴とする請求項１３項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ＣａＯ含量が１．５重量％未満であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ＣａＯ含量が１．０重量％未満であることを特徴とする請求項１５項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- Ｐ２Ｏ５含量が０．５重量％未満であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- Ｐ２Ｏ５含量が０．２重量％未満であることを特徴とする請求項１７項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- Ｂ２Ｏ３含量が０．８重量％未満であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- Ｂ２Ｏ３含量が０．６重量％未満であることを特徴とする請求項１９項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ＺｒＯ２含量が４．５重量％未満であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ＺｒＯ２含量が４．０重量％未満であることを特徴とする請求項２１項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ＳｎＯ２含量が０．５重量％未満であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ＳｎＯ２含量が０．４重量％未満であることを特徴とする請求項２３項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- Ａｌ２Ｏ３含量が１７〜１９重量％であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- Ａｌ２Ｏ３含量が１７．５〜１８．５重量％であることを特徴とする請求項２５項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- Ｌｉ２Ｏ含量が４．８〜５．２重量％であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- Ｎａ２Ｏ含量が８．４〜９．６重量％であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- Ｎａ２Ｏ含量が８．６〜９．５重量％であることを特徴とする請求項２８項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ＣｅＯ２含量が０．０３〜０．２５重量％であることを特徴とする請求項１０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ＣｅＯ２含量が０．０５〜０．２重量％であることを特徴とする請求項３０項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスにＡＳ２Ｏ３及びＳｂ２Ｏ３が含まれないことを特徴とする請求項１〜３１のいずれかに記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが温度５００〜７００℃の範囲内で３Ｄ形状に成形され、及びガラスのＴｇが５５０℃以下であることを特徴とする請求項１〜３２のいずれかに記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが温度５００〜６５０℃の範囲内で３Ｄ形状に成形され、及びガラスのＴｇが５３０℃以下であることを特徴とする請求項３３項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが温度５００〜６３０℃の範囲内で３Ｄ形状に成形され、及びガラスのＴｇが５２０℃以下であることを特徴とする請求項３４項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが温度５００〜６００℃の範囲内で３Ｄ形状に成形され、及びガラスのＴｇが５１０℃以下であることを特徴とする請求項３５項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが厚さ０．４〜２．０ｍｍの平板ガラスであることを特徴とする請求項１〜３６のいずれかに記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが溶融ＫＮＯ３中、あるいは溶融ＮａＮＯ３中、あるいは溶融ＮａＮＯ３と溶融ＫＮＯ３の混合塩中において強化処理されることを特徴とする請求項１〜３７のいずれかに記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが溶融ＫＮＯ３中において強化処理を受け、及びガラスの表面応力が８００〜１２００ＭＰａであることを特徴とする請求項３８項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが溶融ＫＮＯ３中において強化処理を受け、及びガラスの表面応力層が少なくとも１０μｍであることを特徴とする請求項３８項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが溶融ＮａＮＯ３中において強化処理を受け、及びガラスの表面応力が５００〜８００ＭＰａであることを特徴とする請求項３８項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが溶融ＮａＮＯ３中において強化処理を受け、及びガラスの表面応力層が少なくとも５０μｍであることを特徴とする請求項３８項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスがＫＮＯ３及びＮａＮＯ３の混合溶融液中において強化処理を受け、及びガラスの表面応力が６００〜１０００ＭＰａであることを特徴とする請求項３８項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスがＫＮＯ３及びＮａＮＯ３の混合溶融液中において強化処理を受け、及びガラスの表面応力層が少なくとも５０μｍであることを特徴とする請求項３８項記載の３次元精密成形に用いられ、かつ強化処理に適する薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスの厚さが０．４〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４４のいずれかに記載の薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスの厚さが０．４〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４５のいずれかに記載の薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスの厚さが０．４〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４６のいずれかに記載の薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- タッチパッドの保護ガラスとして用いられることを特徴とする請求項１〜４７のいずれかに記載の薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
- ガラスが、光学、機械、タッチ、装飾等の機能を持つ表面構造を有することを特徴とする請求項１〜４８のいずれかに記載の薄リチウムアルミノケイ酸ガラス。
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