JP2014091675A - ガラス化学強化装置およびこれを利用した化学強化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ガラス化学強化装置およびこれを利用した化学強化方法に関し、より詳細には、イオン交換を通じてガラス表面に圧縮応力を形成して、ガラス面を強化することができるガラス化学強化装置およびこれを利用した化学強化方法に関する。
【解決手段】本発明は、連続的に移送されるガラスを化学強化するガラス化学強化装置であって、ガラスを化学強化する化学強化槽；前記化学強化槽の上流から前記化学強化槽を経て下流へガラスを移送する移送部；および、前記化学強化槽上部に配置されて、前記ガラスにマイクロ波を照射するマイクロ波発生器を含むことを特徴とするガラス化学強化装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス化学強化装置およびこれを利用した化学強化方法に関し、より詳細には、イオン交換を通じてガラス表面に圧縮応力を形成して、ガラス面を強化することができるガラス化学強化装置、およびこれを利用した化学強化方法に関する。

ガラス素材は、太陽電池のカバー、薄膜液晶表示装置（ＴＦＴ‐ＬＣＤ）、プラズマディスプレイパネル、有機ＥＬ等といった平板ディスプレイ、各種モバイル電子機器のカバー等、多様な産業分野における使用が急増しており、これに伴い、ガラス素材の軽量化および薄型化が要求されている。

しかし、ガラス素材の特性である大きな脆性により、ガラスの軽量化および薄型化に伴う安定性の確保が問題とされ、これにより、ガラスの安定性を確保するために、多様な強化方法が研究されている。

ガラスの強化方法としては、熱強化法と化学強化法が使用されている。

熱強化とは、ガラスの表面を高温で加熱した後に急冷させることにより、ガラスの表面に圧縮応力を発生させてガラスを強化する方法である。しかし、このような熱強化は、ガラスの急速な加熱によってガラスの全面積にわたって均一な熱が伝達されないという問題が発生し、これにより、局部的に強化強度が異なるという短所がある。また、強化後にガラスの屈曲度および光透過率が低下し、屈折率が不均一になる等の短所を有する。さらに、熱強化は、２．５ｍｍ以下の薄板ガラスは適用が不可能であるという問題点を有する。

化学強化とは、ガラス内部に存在するイオン半径の小さいアルカリイオン（主に、Ｎａイオン）をイオン半径の大きいアルカリイオン（主に、Ｋイオン）へと交換して、ガラス表面に圧縮応力を発生せることによりガラスを強化する方法である。このような化学強化は、形状が複雑なガラスや、厚さが２ｍｍ以下の薄板ガラスに有用に適用することができる方法である。

しかし、このような化学強化法は、イオン交換効率、イオン交換時間、および強化費用等の問題により、実際に大量生産工程には適用できていない。

本発明は、上述したところのような従来技術の問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、ガラスの化学強化効率を向上させることができるガラス化学強化装置およびこれを利用した化学強化方法を提供することである。

このために、本発明は、連続的に移送されるガラスを化学強化するガラス化学強化装置であって、ガラスを化学強化する化学強化槽；前記化学強化槽の上流から前記化学強化槽を経て下流へガラスを移送する移送部；および、前記化学強化槽上部に配置されて、前記ガラスにマイクロ波を照射するマイクロ波発生器を含むことを特徴とするガラス化学強化装置を提供する。

また、本発明は、化学強化槽およびマイクロ波発生器を含むガラス化学強化装置によってガラスを化学強化するガラスの化学強化方法であって、化学強化槽の上流から化学強化槽を経て下流へガラスを連続的に移送するガラス移送ステップ；および、前記マイクロ波発生器が前記化学強化槽へ移送されたガラスにマイクロ波を照射し、ガラスを化学強化する化学強化ステップを含むことを特徴とするガラスの化学強化方法を提供する。

本発明によれば、マイクロ波発生器がガラスのイオン交換速度を増加させて、ガラスの化学強化効率を向上させることができる。

また、本発明によれば、ガラスのイオン交換の深さを増加させて、強化強度を向上させることができ、カタストロフィック破壊に対する信頼性も向上させることができる。

また、反射部が、ガラスの全領域にわたって均一な電界が形成されるようすることにより、ガラスの全領域において均質なイオン交換反応が起こるようにすることができる。

また、反射部が各マイクロ波発生器から照射されるマイクロ波間の干渉を抑制することにより、ガラスへの局部的な電界集中を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施例に係るガラス化学強化装置の断面を概念的に図示した概念図である。 図２は、マイクロ波の出力による硝酸カリウム溶液の昇温速度を示したグラフである。 図３は、マイクロ波がイオン交換の深さに及ぼす影響を示したグラフである。 図４は、本発明の一実施例に係るガラス化学強化装置の概念的な平面図である。 図５は、本発明の一実施例に係るガラス化学強化装置の概念的な断面図である。 図６は、第４反射部の概略的な概念図である。 図７は、１列に配置されたマイクロ波発生器の４つの側面に沿って反射部を配置した場合における、マイクロ波の照射によりガラスに加えられる電界分布および温度分布をシミュレートして測定した電界分布分析写真（ａ）および温度分布解析写真（ｂ）である。 図８は、２列に配置されたマイクロ波発生器の４つの側面および列間に反射部を配置した場合における、マイクロ波の照射によりガラスに加えられる電界分布および温度分布をシミュレートして測定した電界分布分析写真（ａ）および温度分布分析写真（ｂ）である。 図９は、本発明の他の実施例によるガラスの化学強化方法を概略的に示すフローチャートである。

以下においては、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施例に係るガラスの化学強化装置およびこれを利用したガラスの化学強化方法について詳細に説明する。

なお、本発明を説明するにあたり、関連した既知の機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に不明確にし得ると判断される場合、その詳細な説明は省略する。

また、以下において、前後方向は基板の移送方向と定義し、左右方向は基板の移送方向を横切る方向と定義する。

図１は、本発明の一実施例に係るガラスの化学強化装置の断面を概念的に図示した概念図である。

図１を参照すると、本発明に係る連続的に投入されるガラスを化学強化するガラス化学強化装置は、化学強化槽１００、移送部２００、マイクロ波発生器３００を備えていてよい。

化学強化槽１００は、ガラスが化学強化される反応が起こる反応槽である。好ましくは、強化するガラスを硝酸カリウム溶液に浸漬させて、ガラスのナトリウムイオンを硝酸カリウム溶液のカリウムイオンで置換する化学強化反応が進行する反応槽であってよい。化学強化槽１００は、加熱部（図示せず）によって加熱されて、ガラスが化学強化されている間、均一な温度を維持してよい。

移送部２００は、化学強化槽１００の上流から化学強化槽１００を経て、下流へとガラスを移送する。

移送部２００がガラスを化学強化槽１００に連続的に移送することにより、化学強化の生産性を向上させることができる。

マイクロ波発生器３００は、化学強化槽１００の上部に配置されて、ガラスにマイクロ波を供給する。

マイクロ波発生器３００は、０．９８ＧＨｚ〜６．０ＧＨｚのマイクロ波を発生させてよく、好ましくは、２．４ＧＨｚまたは５．８ＧＨｚのマイクロ波を発生させてよい。

マイクロ波発生器３００を介してガラスへマイクロ波を照射すると、ガラスの構成成分のうちアルカリイオン成分（Ｎａ‐Ｏ）がマイクロ波に反応して振動するようになり、これにより、ガラスの分子間結合の構造が多少緩み、振動による熱が発生することになる。また、ガラスが硝酸カリウム溶液によって化学強化される場合、硝酸カリウム溶液のアルカリイオン（Ｋ^＋）がマイクロ波に反応して振動するようになり、これにより、硝酸カリウム溶液のイオン活動度が増加し、振動による熱が発生することになる。このような現象により、ガラスのイオン交換反応が促進されて、ガラスの化学強化時間が短縮される。

図２は、マイクロ波の出力による硝酸カリウム溶液の昇温速度を示したグラフであり、図２を参照すると、マイクロ波の出力に比例してイオン交換塩である硝酸カリウム溶液の昇温速度が増加することが分かる。すなわち、硝酸カリウム溶液にマイクロ波を加えると、硝酸カリウム溶液のイオン活動度を増加させることが分かる。

また、マイクロ波の照射によって、ガラスのイオン交換の深さを向上させることができる。一例として、ソーダ‐石灰ケイ酸塩ガラスを５００℃の硝酸カリウム溶液に浸漬した後に３０分間マイクロ波照射した場合、４００ＭＰａの圧縮応力と９．８〜１０．５μｍのイオン強化の深さを有し、アルカリ‐アルミノシリケートガラスを５００℃の硝酸カリウム溶液に浸漬した後に３０分間マイクロ波照射した場合、７１０ＭＰａの圧縮応力と３０．６〜３３．８μｍのイオン強化の深さを有するようになるが、このようなイオン強化の深さは、従来のマイクロ波を照射していない場合に比べて約２０％向上した数値である。このことは、マイクロ波がイオン交換の深さに及ぼす影響を示したグラフである図３からも分かる。

本発明に係るマイクロ波発生器３００とガラス間の間隔（〔1〕）は、ｎλであってよい。ここで、ｎは整数であり、λはマイクロ波発生器３００が発生させるマイクロ波の波長である。好ましくは、ｎは１〜２０の範囲内の整数であってよい。このように、マイクロ波発生器３００とガラス間の間隔がｎλを有することにより、マイクロ波によるガラスのイオン交換効率を極大化することができる。

図４および図５は、本発明の一実施例に係るガラスの化学強化装置の概念的な平面図および断面図である。

図４および図５を参照すると、本発明に係るガラスの化学強化装置は、マイクロ波発生器３００で発生したマイクロ波をガラスに反射させる反射部４００をさらに備えてよい。

反射部４００は、マイクロ波発生器３００から発生したマイクロ波をガラスに反射して、マイクロ波を多重散乱させる。これにより、ガラスの全領域にわたって均一な電界が形成されるようにすることにより、ガラスの全領域において均質なイオン交換反応が起こるようにする。また、マイクロ波発生器３００から発生したマイクロ波がガラスに影響を与えずに化学強化槽に吸収されることを防止して、マイクロ波発生器３００のエネルギー効率を向上させることができる。反射部４００は、マイクロ波を反射することができる伝導性金属（ステンレスなど）からなっていてよい。

本発明に係るガラス化学強化装置は、マイクロ波発生器３００を複数個具備する場合、反射部４００は、複数のマイクロ波発生器３００を少なくとも一つずつ区画してよい。

反射部４００は、ガラス上部に配置されて前後方向に相互離隔されたマイクロ波発生器３１１，３２１，３３１の間を区画する第１反射部４１１，４１２を備えてよい。

この場合、各マイクロ波発生器３１１，３２１，３３１で発生したマイクロ波間の干渉を効率的に遮断するために、各マイクロ波発生器３１１，３２１，３３１と第１反射部４１１，４１２との間の間隔（〔2〕）は、２λであることが好ましい。

第１反射部４１１，４１２は、左右方向に延成されてよい。

また、第１反射部４１１，４１２は、マイクロ波発生器が複数列に配置される場合、マイクロ波発生器の列間を区画してよい。ここで、マイクロ波発生器の列とは、左右方向に沿って形成されたものをいう。このように、マイクロ波発生器の各列間に形成された第１反射部４１１，４１２は、各列において照射されるマイクロ波が相互干渉することを防止して、ガラスの局部的な部分に電界が集中することを防止する。

また、反射部４００は、左右方向に相互離隔されたマイクロ波発生器３１１，３１２，３１３，３１４の間を区画する第２反射部４２１，４２２を備えてよい。

そして、マイクロ波発生器３００を少なくとも１つの列に配置する場合、第２反射部４２１，４２２は、マイクロ波発生器３００の列の左側および右側のうち少なくとも１ヶ所に配置してよく、このとき、マイクロ波発生器３１１，３１４と第２反射部４２１，４２２との間の間隔（〔3〕）は、２λ以下となることが好ましい。また、各列に配置されたマイクロ波発生器３１１，３１２，３１３，３１４の間の間隔（〔4〕）は、２λであることが好ましい。

第２反射部４２１，４２２は、前後方向に沿って延成されてよい。

また、反射部４００は、ガラスの上部および下部のうち少なくともいずれかに１ヶ所に配置されるが、その主平面がガラスの主平面と対向するように形成される第３反射部４３１，４３２をさらに備えてよい。このように、第３反射部４３１，４３２がガラス上部および下部のうち少なくともいずれか１ヶ所に配置されることにより、マイクロ波発生器３００から照射されたマイクロ波をより効率的にガラスへ反射することができる。

第３反射部４３１，４３２がガラス下部に配置される場合、ガラスと第３反射部４３１，４３２との間の間隔（〔5〕）は、λであることが好ましい。

また、反射部４００は、ガラス下部の第１反射部４１１，４１２と対応する位置に配置される第４反射部４４１，４４２をさらに備えてよい。

第４反射部４４１，４４２は、ガラスの化学強化のための溶液、好ましくは硝酸ガリウム溶液中に配置され、第４反射部４４１，４４２のそれぞれは、溶液の対流を円滑にするために、多数の孔が形成されてよい。孔径は、３ｍｍ以下であることが好ましい。図６は、第４反射部の概略的な概念図である。

図７は、１列に配置されたマイクロ波発生器３００の４つの側面に沿って反射部４００を配置した場合における、マイクロ波の照射によりガラスに加えられる電界分布と温度分布をシミュレートして測定した電界分布分析写真（ａ）および温度分布分析写真（ｂ）である。図７に示されるように、マイクロ波発生器３００の４つの側面に沿って反射部４００を配置する場合、角部を含むガラスの全領域にわたって均一な電界が形成され、これにより、ガラスの全領域が均質に加熱されることが分かる。これは、マイクロ波発生器から照射されたマイクロ波が反射部によって多重散乱されることに伴う効果である。

図８は、２列に配置されたマイクロ波発生器３００の４つの側面および列間に反射部４００を配置した場合における、マイクロ波の照射によりガラスに加えられる電界分布と温度分布をシミュレートして測定した電界分布分析写真（ａ）および温度分布分析写真（ｂ）である。図８に示されるように、２列に配置されたマイクロ波発生器３００がガラスにマイクロ波を照射する場合にも、反射部４００が各列のマイクロ波発生器から照射されたマイクロ波間の干渉を遮断することにより、１列に配置されたマイクロ波発生器の場合と同様の電界分布および温度分布を有することが分かる。

図９は、本発明の他の実施例に係るガラスの化学強化方法を概略的に示したフローチャートである。

図９を参照すると、本発明は、化学強化槽およびマイクロ波発生器を含むガラスの化学強化装置によってガラスを化学強化するガラスの化学強化方法であって、ガラスを化学強化するために、化学強化槽の上流から化学強化槽を経て下流へガラスを連続的に移送する移送ステップ（Ｓ１００）、および、マイクロ波発生器が化学強化槽へ移送されたガラスにマイクロ波を照射し、ガラスを化学強化する化学強化ステップ（Ｓ２００）を含んでよい。

このとき、マイクロ波発生器と化学強化されるガラスとの間の間隔は、ｎλであることが好ましい。

また、化学強化装置は、反射部をさらに備えてよく、このとき、反射部は、化学強化ステップ（Ｓ２００）において、マイクロ波発生器により照射されるマイクロ波を化学強化されるガラスへと反射する。

一方、ガラスの化学強化装置が複数個のマイクロ波発生器を具備する場合、反射部は、化学強化されるガラスの上部に配置されて、前後方向に相互離隔されたマイクロ波発生器の間を区画する第１反射部を備えてよく、このとき、第１反射部は、化学強化ステップ（Ｓ２００）で前後方向に相互離隔されたマイクロ波発生器から照射されるマイクロ波間の干渉を抑制する。好ましくは、マイクロ波発生器と第１反射部との間の間隔は、２λであってよい。

また、ガラスの化学強化装置が複数個のマイクロ波発生器を具備する場合、反射部は、左右方向に相互離隔されたマイクロ波発生器の間を区画する第２反射部を備えてよく、このとき、第２反射部は、化学強化ステップ（Ｓ２００）において左右方向に相互離隔されたマイクロ波発生器から放射されるマイクロ波間の干渉を抑制する。特に、マイクロ波発生器が少なくとも１つの列に配置される場合、第２反射部は、マイクロ波発生器の列の左側および右側のうち少なくとも１ヶ所に配置されて、化学強化装置の側面で吸収されるマイクロ波を反射してマイクロ波発生器のエネルギー効率を高めることができる。このとき、マイクロ波発生器と第２反射部との間の間隔は、２λ以下であることが好ましく、各列に配置されたマイクロ波発生器間の間隔は、２λであることが好ましい。

そして、反射部は、化学強化されるガラスの上部および下部のうち少なくとも１ヶ所に配置されるが、主平面がガラス主平面と対向するように形成された第３反射部を備えてよく、このとき、第３反射部は、化学強化ステップ（Ｓ２００）においてマイクロ波発生器から照射されたマイクロ波を化学強化されるガラスの上面および下面のうち少なくとも１つの面で反射する。好ましくは、第３反射部は、化学強化されるガラスの下部に配置され、化学強化されるガラスと第３反射部との間の間隔は、λであってよい。

また、反射部は、第１反射部と対応されるようにガラス下部に配置される第４反射部をさらに備えてよく、このとき、第４反射部は、化学強化ステップ（Ｓ２００）において前後方向に相互離隔されたマイクロ波発生器から照射されるマイクロ波間の干渉を抑制する。

以上のように、本発明は限定された実施例と図面によって説明されたが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、これらの記載から多様な修正および変形が可能である。

それゆえ、本発明の範囲は、説明された実施例に限定されて解釈されてはならず、後述する特許請求の範囲のみならず、特許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。

１００：化学強化槽
２００：移送部
３００：マイクロ波発生器

Claims (17)

1. 連続的に移送されるガラスを化学強化するガラス化学強化装置であって、
   ガラスを化学強化する化学強化槽と；
   前記化学強化槽の上流から前記化学強化槽を経て前記化学強化槽の下流へガラスを移送する移送部と；
   前記化学強化槽上部に配置されて、前記ガラスにマイクロ波を照射するマイクロ波発生器
   とを含むことを特徴とするガラス化学強化装置。
2. 前記化学強化されるガラスと前記マイクロ波発生器との間の間隔は、ｎλであることを特徴とする、請求項１に記載のガラス化学強化装置。
   （ここで、ｎは整数であり、λはマイクロ波発生器が発生させるマイクロ波の波長である）
3. 前記ガラス化学強化装置は、
   前記マイクロ波発生器により照射されたマイクロ波を前記化学強化されるガラスに反射させる反射部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のガラス化学強化装置。
4. 化学強化槽およびマイクロ波発生器を含むガラス化学強化装置によってガラスを化学強化するガラスの化学強化方法であって、
   前記化学強化槽の上流から前記化学強化槽を経て前記化学強化槽の下流へガラスを連続的に移送するガラス移送ステップと；
   前記マイクロ波発生器が前記化学強化槽へ移送されたガラスにマイクロ波を照射し、ガラスを化学強化する化学強化ステップ
   とを含むことを特徴とするガラスの化学強化方法。
5. 前記化学強化ステップにおいて、前記マイクロ波発生器と化学強化されるガラスとの間の間隔は、ｎλであることを特徴とする、請求項４に記載のガラスの化学強化方法。
   （ここで、ｎは整数であり、λはマイクロ波発生器が発生させるマイクロ波の波長である）
6. 前記ガラス化学強化装置は、反射部をさらに含み、
   前記化学強化ステップにおいて、前記反射部は、前記マイクロ波発生器により照射されるマイクロ波を前記化学強化されるガラスに反射することを特徴とする、請求項５に記載のガラスの化学強化方法。
7. 前記ガラス化学強化装置は、複数個のマイクロ波発生器を具備し、
   前記反射部は、前記化学強化されるガラス上部に配置されて、前後方向に相互離隔されたマイクロ波発生器の間を区画する第１反射部を含み、
   前記化学強化ステップにおいて、前記第１反射部は、前記前後方向に相互離隔されたマイクロ波発生器から照射されるマイクロ波間の干渉を抑制することを特徴とする、請求項６に記載のガラスの化学強化方法。
   （ここで、前記前後方向は、前記ガラスの移送方向である）
8. 前記複数個のマイクロ波発生器は、複数の列に配置され、
   前記第１反射部は、前記マイクロ波発生器の列間を区画することを特徴とする、請求項７に記載のガラスの化学強化方法。
9. 前記マイクロ波発生器と前記第１反射部との間の間隔は、２λであることを特徴とする、請求項７に記載のガラスの化学強化方法。
10. 前記ガラス化学強化装置は、複数個のマイクロ波発生器を具備し、
    前記反射部は、左右方向に相互離隔されたマイクロ波発生器の間を区画する第２反射部を含み、
    前記化学強化ステップにおいて、前記第２反射部は、前記左右方向に相互離隔されたマイクロ波発生器から照射されるマイクロ波間の干渉を抑制することを特徴とする、請求項６に記載のガラスの化学強化方法。
    （ここで、左右方向は、前記ガラスの移送方向を横切る方向である）
11. 前記ガラス化学強化装置は、複数個のマイクロ波発生器を具備し、
    前記マイクロ波発生器は、少なくとも一つの列に配置され、
    前記反射部は、前記マイクロ波発生器の列の左側および右側のうち少なくとも１ヶ所に配置される第２反射部を含むことを特徴とする、請求項６に記載のガラスの化学強化方法。
12. 前記マイクロ波発生器と前記第２反射部との間の間隔は、２λ以下であることを特徴とする、請求項１１に記載のガラスの化学強化方法。
13. 各列に配置されたマイクロ波発生器間の間隔は、２λであることを特徴とする、請求項１１に記載のガラスの化学強化方法。
14. 前記反射部は、前記化学強化されるガラスの上部および下部のうち少なくとも１ヶ所に配置され、主平面が前記ガラスの主平面と対向するように形成される第３反射部を含み、
    前記化学強化ステップにおいて、前記第３反射部は、前記マイクロ波発生器から照射されたマイクロ波を前記化学強化されるガラスの上面および下面のうち少なくとも１つの面に反射することを特徴とする、請求項６に記載のガラスの化学強化方法。
15. 前記第３反射部は、前記化学強化されるガラスの下部に配置され、前記化学強化されるガラスと前記第３反射部との間の間隔は、λであることを特徴とする、請求項１４に記載のガラスの化学強化方法。
16. 前記反射部は、前記化学強化されるガラスの下部に配置される第４反射部を含み、
    前記化学強化ステップにおいて、前記第４反射部は、前記前後方向に相互離隔されたマイクロ波発生器から照射されるマイクロ波の間の干渉を抑制することを特徴とする、請求項７に記載のガラスの化学強化方法。
17. 前記第４反射部に多数の孔が形成されることを特徴とする、請求項１６に記載のガラスの化学強化方法。