JP2014516021A - イオン交換可能なアルカリアルミノケイ酸塩ガラス物品 - Google Patents

Abstract

イオン交換可能なガラス物品が開示されている。１つの実施の形態において、ガラス物品は、Ｇａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅およびその様々な組合せを含んでよいアルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成される。このガラス物品は、概して、約Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃および約Ｚモル％のＡｌ₂Ｏ₃を含み、ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５である。このガラス物品は、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏも含んでよい。ＳｉＯ₂は、約４０モル％から約７０モル％の量で存在してもよい。このガラス物品は、Ｙモル％のＢ₂Ｏ₃をさらに含んでよく、ここで、Ｙは０から約１０である。このガラス物品は、（１０−Ｙ）モル％のＰ₂Ｏ₅をさらに含んでもよい。本発明により形成されるガラス物品は、イオン交換により強化されてもよい。その上、このガラス物品は、該ガラス物品を複雑な形状に容易に形成できるようにする低い液体ＣＴＥを有してよい。

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が依拠され、ここに全て引用される、２０１１年５月３１日に出願された米国特許出願第１３／１１８８５９号の米国法典第３５編第１２０条の下で優先権の恩恵を主張するものである。

本明細書は、概して、ガラス物品に関し、より詳しくは、イオン交換可能なガラス物品に関する。

電子用途、自動車用途、さらには建築用途などの多種多様な消費財用途や商業用途に、ガラス物品が一般に利用されている。例えば、携帯電話、コンピュータ・モニタ、ＧＰＳ装置、テレビなどの家電装置には一般に、ディスプレイの部品としてガラス基板が組み込まれている。これらの装置のいくつかで、ガラス基板は、ディスプレイがタッチスクリーンである場合などで、タッチ機能を可能にするためにも利用されている。これらの装置の多くは持ち運びでき、それゆえ、その内に組み込まれるガラス物品は、使用中と持ち運び中の両方で、かき傷などの、衝撃および／または破損に耐えるほど十分に頑丈である必要がある。

電子装置の外観デザインおよび機能性の両方が発達し続けるのに連れて、益々複雑な形状のガラス物品がそのような装置に組み込まれている。そのような複雑な形状には、ガラス物品が非平面である場合などの湾曲と輪郭が含まれるであろう。しかしながら、そのようなガラス物品を製造するために使用される現行のガラス組成物は、多くの場合、高い軟化温度および高い液体の熱膨張係数を有し、これにより、ガラス組成物を複雑な形状に成形することが難しくなっている。

さらに、そのようなガラス基板は、電子装置に組み込むための薄いガラス基板を製造するために、今日一般に使用されているダウンドロー法やスロットドロー法などの大規模板ガラス製造方法に適合する必要がある。

１つの実施の形態によれば、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品は、Ｇａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅およびその様々な組合せを含む。このガラス物品は、約Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃を含んでよく、ここで、０≦Ｘ≦２０である。このガラス物品は、約Ｚモル％のＡｌ₂Ｏ₃を含み、ここで、０≦Ｚ≦２５である。ＸおよびＺの合計は、１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５となるようなものであってよい。このガラス物品は、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏおよび約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂をさらに含んでもよい。このガラス物品は、Ｙモル％のＢ₂Ｏ₃および（１０−Ｙ）モル％のＰ₂Ｏ₅をさらに含んでもよく、Ｙは０から約１０である。

別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品は、Ｇａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、およびその様々な組合せを含み、Ｐ₂Ｏ₅は含まない。このガラス物品は、約Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃を含んでよく、ここで、０≦Ｘ≦２０である。このガラス物品は、約Ｚモル％のＡｌ₂Ｏ₃を含み、ここで、０≦Ｚ≦２５である。ＸおよびＺの合計は、１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５となるようなものであってよい。このガラス物品は、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏおよび約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂をさらに含んでもよい。このガラス物品は、約１モル％から約１０モル％のＢ₂Ｏ₃をさらに含んでもよい。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、８７５℃以下の軟化点を有してもよい。

別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品は、Ｇａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、ＳｉＯ₂、Ｐ₂Ｏ₅、およびその様々な組合せを含み、Ｂ₂Ｏ₃は含まない。このガラス物品は、約Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃を含んでよく、ここで、０≦Ｘ≦２０である。このガラス物品は、約Ｚモル％のＡｌ₂Ｏ₃を含み、ここで、０≦Ｚ≦２５である。ＸおよびＺの合計は、１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５となるようなものであってよい。このガラス物品は、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏおよび約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂をさらに含んでもよい。このガラス物品は、約１モル％から約１０モル％のＰ₂Ｏ₅をさらに含んでもよい。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、９７５℃以下の軟化点を有してもよい。

さらに別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品は、約１０モル％から約２０モル％のＡｌ₂Ｏ₃、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂、および約１０モル％から約２０モル％のＮａ₂Ｏを含む。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、Ｙモル％のＢ₂Ｏ₃および（５−Ｙ）モル％のＰ₂Ｏ₅をさらに含んでもよく、Ｙは０から約５である。このガラスは、約１モル％から約６モル％のフッ素も含んでよい。

前記ガラス物品およびガラス組成物の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には容易に明白になるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付図面を含む、ここに記載された実施の形態を実施することによって認識されるであろう。

先の一般的な説明および以下の詳細な説明は両方とも、様々な実施の形態を記載しており、請求項に記載された主題の性質および特徴を理解するための概要または骨子を提供することが意図されている。添付図面は、様々な実施の形態をさらに理解するために含まれており、本明細書に包含され、その一部を構成する。それらの図面は、ここに記載された様々な実施の形態を図解しており、説明と共に、請求項に記載された主題の原理および動作を説明する働きをする。

ここに示され記載された１つ以上の実施の形態によるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されたガラス物品の説明図 Ｇａ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、およびＡｌ₂Ｏ₃を添加した結果としてのアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中に存在する網目構造元素のいくつかを示す説明図 Ｐ₂Ｏ₅を添加した結果としてのアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中に存在する網目構造元素のいくつかを示す説明図 Ｇａ₂Ｏ₃の濃度の関数としてのアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の軟化点を示すグラフ ５モル％のＧａ₂Ｏ₃および０モル％のＧａ₂Ｏ₃を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物に関する、Ｂ₂Ｏ₃の濃度の関数としての軟化点を示すグラフ ５モル％のＧａ₂Ｏ₃および０モル％のＧａ₂Ｏ₃を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物に関する、Ｂ₂Ｏ₃の濃度の関数としての層の深さおよび圧縮応力を示すグラフ アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物に関する、フッ素の濃度の関数としての軟化点を示すグラフ 異なる濃度のＢ₂Ｏ₃を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関する、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比の関数としての圧縮応力を示すグラフ 異なる濃度のＢ₂Ｏ₃を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関する、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比の関数としての層の深さを示すグラフ 異なる濃度のＢ₂Ｏ₃を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関する、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比の関数としてのアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの圧縮応力を示すグラフ 異なる濃度のＢ₂Ｏ₃を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関する、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比の関数としてのアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの圧縮応力を示すグラフ

ここで、ガラス物品の形成に使用できるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの実施の形態を詳しく参照する。アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されたガラス物品の１つの実施の形態が、図１に概略的に示されている。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、概して、Ｇａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、またはその様々な組合せを含む。ここに記載されたいくつかの実施の形態において、このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、イオン交換可能であり、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスを複雑な形状に容易に成形できるような比較的低い液体の熱膨張係数（液体ＣＴＥ）を有する。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスおよびそのアルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されたガラス物品を、ここにより詳しく説明する。

アルカリアルミノケイ酸塩ガラスを説明するために、以下の用語が使用される：
ここに用いた「軟化点」という用語は、ガラスの粘度が１×１０^7.6ポアズである温度を称する。

ここに用いた「徐冷点」という用語は、ガラスの粘度が１×１０¹³ポアズである温度を称する。

ここに用いた「融点」という用語は、ガラスの粘度が２００ポアズである温度を称する。

ここに用いた「歪み点」という用語は、ガラスの粘度が３×１０¹⁴ポアズである温度を称する。

軟化点、徐冷点、融点および歪み点に関する上述した値は、約２．５ｇ／ｃｍ³の密度および３００ダイン／ｃｍ（０．３Ｎ／ｍ）の表面張力を有するガラスに関する。

ここに別記しない限り、値の範囲は、その範囲の上限と下限の両方を含む。例えば、１〜モル％の範囲は、１モル％および１０モル％の値を含む。

図１を参照すると、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物から形成されたガラス物品１００が示されている。このガラス物品１００は、デジタル・ミュージック・プレーヤー、スマートフォンなどの携帯用電子装置のためのカバーガラスとして使用してよい。あるいは、このガラス物品１００は、ＬＣＤテレビ、ＬＣＤコンピュータ・モニタ、および類似のディスプレイ装置などのディスプレイ装置に使用してよい。そのようなガラス物品は、自動車用途およびさらには建築用途に利用してもよい。このガラス物品１００を形成するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、イオン交換により強化されてもよく、このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品を複雑な形状に成形できるほど、十分に低い軟化点および十分に低い熱膨張係数を有する。

ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、特に、約１０μｍ以上の層の深さおよび少なくとも５００ＭＰａの圧縮応力を達成するようにイオン交換により強化してもよい。

ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、概して、Ｇａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、およびＰ₂Ｏ₅の組合せを含み、これにより、ガラスを複雑な形状に容易に成形できるほど、十分に低い軟化点および十分に低い熱膨張係数を有するイオン交換可能なガラスの形成が可能になる。他の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、Ｇａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、ＳｉＯ₂、およびＰ₂Ｏ₅の組合せ、またはＧａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、ＳｉＯ₂、およびＢ₂Ｏ₃の組合せを含む。さらに他の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、およびフッ素の組合せを含む。

ここに記載したアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の実施の形態において、Ｎａ⁺と相互作用し、結果として得られたガラスの性質を変える、荷電種をガラスの網目構造中に形成するために、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃、およびフッ素の添加が利用される。図２および３は、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、およびＡｌ₂Ｏ₃を添加した結果としてのこれらのガラス組成物中に存在する網目構造元素のいくつかを示している。

詳しくは、図２を参照すると、構造（Ａ）はＧａＯ₄ ^-四面体を示し、構造（Ｂ）はＡｌＯ₄ ^-四面体を示し、構造（Ｃ）は三角形ＢＯ₃を示し、構造（Ｄ）は四面体ＢＯ₃ ^-を示し、構造（Ｅ）は非対称三角形ＢＯ₃ ^-を示す。構造（Ａ）、（Ｂ）および（Ｄ）の全ては、四面体に非局在化された負の電荷を有する。構造（Ｃ）は、中性であり、Ｎａ⁺の電荷を平衡化させる役割に寄与しない。構造（Ｅ）は、特定のケイ酸塩におけるケイ素上の非架橋酸素に似た、非結合酸素をホウ素上に１つ有する。

Ｎａ⁺とこれらの種との間の相互作用は、電荷の局在性（すなわち、四面体要素上の負の電荷の広がり、または非架橋酸素での高度に局在化した電荷）、並びに中央の陽イオンの電気陰性度によってある程度制御される、２つの荷電種の間のイオン相互作用の程度に基づいて、異なる。例えば、構造（Ａ）、（Ｂ）および（Ｄ）における金属中心は、全て異なり、それゆえ、これらの一価に帯電した四面体とＮａ⁺との間の相互作用は、わずかに異なる。ガラス組成物をこれらの種により変えて、Ｎａ⁺との相互作用のために好ましい環境を形成することによって、ガラス組成物のイオン交換性能を改善することができる。

図３を参照すると、同様の様式で、Ｐ₂Ｏ₅の導入によって、Ｎａ⁺の追加の電荷を平衡化させる役割が作り出される。詳しくは、リン酸基のいくつかは、高く荷電されており、ガラスの網目構造中の適切な電荷の平衡化のために２以上のＮａ⁺イオンを必要とする。Ｐ₂Ｏ₅を含有する、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物において、リンの添加により、図３のＰ⁽⁰⁾基およびＰ⁽¹⁾基などの高荷電リン含有基が形成される。これらの基の高度の解重合により、ガラスの網目構造中に三価または二価に帯電した四面体が提供され、その両方とも、Ｎａ⁺との相互作用のための高電荷密度の部位として働く。これらの高荷電種（ＡｌＯ₄ ^-、ＢＯ₄ ^-、またはさらにはＳｉ上の非架橋酸素に対して）は、Ｎａ⁺と異なって相互作用し、イオン交換ダイナミクスが改善される。

さらに、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物のいくつかの実施の形態においてフッ素を添加すると、末端フッ素基によって、ガラスの網目構造中にＡｌ−Ｆ環境が形成される。これらの環境により、網目構造の解重合の機構が形成され、アルカリ（すなわち、Ｎａ⁺）および他の改質陽イオンとの相互作用のための部位がより多く提供される。フッ素の添加によっても、Ｎａ⁺（または交換された陽イオン）との電荷の平衡化を必要とするＡｌ−Ｆ環境も形成されるであろうし、これにより、イオン交換プロセスの速度論が変わる。

ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の実施の形態において、ＳｉＯ₂は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の最も多い成分であり、それゆえ、ガラスマトリクスを形成する。ＳｉＯ₂は、一般に、ガラスの成形性を促進させ、かつガラスに化学的耐久性を与える増粘剤として働く。ＳｉＯ₂は、一般に、ここに記載されたガラス組成物中に、約４０モル％から約７０モル％に及ぶ濃度で存在する。ＳｉＯ₂の濃度が約７０モル％を超えると、そのガラスの溶融温度が非常に高くなってしまう。いくつかの実施の形態において、ＳｉＯ₂は、約５０モル％から約６５モル％、またはさらには約５０モル％から約５５モル％に及ぶ濃度で存在するであろう。

ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物はＡｌ₂Ｏ₃をさらに含んでよい。Ａｌ₂Ｏ₃はＺモル％の濃度を有してよく、ここで、Ｚは約０から約２５である。いくつかの実施の形態において、Ａｌ₂Ｏ₃は、約５モル％から約１５モル％までの濃度でガラス中に存在してよい（すなわち、Ｚは約５から１５である）。さらに他の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中のＡｌ₂Ｏ₃の濃度は、約１０モル％から約２０モル％であってよい（すなわち、Ｚは約１０から約２０である）。

ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物のいくつかは、Ｇａ₂Ｏ₃をさらに含んでよい。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中のＡｌ₂Ｏ₃の全てまたは一部をＧａ₂Ｏ₃と置換すると、ガラスの軟化点が、Ｇａ₂Ｏ₃の１モル％当たり約５．５℃から約１２℃減少し、それによって、ガラスの粘度を減少させることによりガラスの成形性が改善されることが判明した。ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の実施の形態において、ガラスの軟化点は、一般に、８６５℃以下であり、かつ約４５０℃超である。Ｇａ₂Ｏ₃は、このアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中にＸモル％の濃度で存在してよく、ここで、Ｘは、約０から約２０、またはさらには約１から約２０である。いくつかの実施の形態において、Ｘは、約０から約１５、またはさらには約１から約１５であってよい。他のいくつかの実施の形態において、Ｘは、約１から約１２、またはさらには約２から約１０であってよい。

上述したように、Ｇａ₂Ｏ₃は、Ａｌ₂Ｏ₃の置換の際に加えてよい。したがって、前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物のいくつかにおいて、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度とＧａ₂Ｏ₃の濃度は、Ｘ＋Ｚが約１０から約２５であるようなものであってよい。他の実施の形態において、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度とＧａ₂Ｏ₃の濃度は、ガラスの軟化点の所望の減少を促進し、それによって、ガラスの成形性を改善するために、Ｘ＋Ｚが約１７から約２４であるようなものであってよい。

前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の特定の実施の形態は、Ｇａ₂Ｏ₃を含むものとしてここに記載されているが、ガラスの軟化点を低下させるために、他の成分材料が利用される場合などの、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の他の実施の形態は、Ｇａ₂Ｏ₃を添加せずに形成してもよいことを理解すべきである。

例えば、フュージョン・ダウンドローガラス成形プロセスやスロットドローガラス成形プロセスなどの、連続製造プロセスに適したガラス溶融温度を得るために、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物に融剤が加えられる。ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物はＮａ₂Ｏを含み、これは融剤として働く。詳しくは、Ｎａ₂Ｏを添加して、ガラス組成物の溶融温度を減少させ、ガラス組成物の液相線温度を減少させる。その両方により、ガラス製造がより容易になる。Ｎａ₂Ｏを添加することにより、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物のイオン交換も可能になり、それによって、成形後のイオン交換によって、ガラスの強化が促進される。

ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の実施の形態において、Ｎａ₂Ｏは、ガラス組成物中に約５モル％から約３５モル％の濃度で存在してよい。いくつかの実施の形態において、Ｎａ₂Ｏの濃度は約１５モル％から約２５モル％であってよい。一般に、Ｎａ₂Ｏの総濃度は、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂の濃度の合計以下である（すなわち、Ｎａ₂Ｏのモル％≦（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｇａ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）のモル％）。いくつかの実施の形態において、Ｎａ₂Ｏのモル％／（Ａｌ₂Ｏ₃のモル％＋Ｇａ₂Ｏ₃のモル％）のモル％≒１である。

ここに記載されたいくつかの実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは組成成分としてＢ₂Ｏ₃も含んでよい。Ｇａ₂Ｏ₃のように、Ｂ₂Ｏ₃は、ガラスの軟化点を低下させるためにガラスに加えてよい。いくつかの実施の形態において、Ｂ₂Ｏ₃は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中にＹモル％の濃度で存在し、ここで、Ｙは約０から約１０である。他のいくつかの実施の形態において、Ｙは約０から約５であってよい。他の実施の形態において、Ｙは、約１から約１０、またはさらには約１から約５であってよい。

ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、Ｐ₂Ｏ₅も含んでよい。Ｐ₂Ｏ₅は、ガラスのイオン交換性能を改善するためにガラス組成物中に加えられる。詳しくは、イオン交換プロセスにおける所定の塩浴温度について、ガラス組成物にＰ₂Ｏ₅を添加すると、対応する層の深さを著しく減少させずに、目的の圧縮応力を得るのに必要な時間が著しく短縮されることが分かった。あるいは、所定の塩浴温度について、ガラス組成物にＰ₂Ｏ₅を添加すると、同じ処理時間で、Ｐ₂Ｏ₅を含まないガラス組成物に対して達成される層の深さが著しく増加する。

ここに記載されたいくつかの実施の形態において、Ｐ₂Ｏ₅は、Ｂ₂Ｏ₃の一部、またはＢ₂Ｏ₃の全ての置換の際に、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物に加えてよい。例えば、ガラス組成物中のＢ₂Ｏ₃の濃度がＹモル％であり、Ｙが約０から約１０である実施の形態において、Ｐ₂Ｏ₅は、ガラス組成物中に（１０−Ｙ）モル％の濃度で存在してよい。あるいは、ガラス組成物中のＢ₂Ｏ₃の濃度がＹモル％であり、Ｙが約０から約５である実施の形態において、Ｐ₂Ｏ₅は、ガラス組成物中に（５−Ｙ）モル％の濃度で存在してよい。したがって、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物において、Ｂ₂Ｏ₃の全てまたは一部がＰ₂Ｏ₅と置換されている実施の形態において、Ｐ₂Ｏ₅の濃度は、約０モル％から約１０モル％、またはさらには約０モル％から約５モル％であってよい。

他のいくつかの実施の形態において、Ｐ₂Ｏ₅は、Ｂ₂Ｏ₃が存在しない（すなわち、Ｂ₂Ｏ₃の濃度は０モル％である）アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中に含まれてもよい。そのような実施の形態において、ガラス中のＰ₂Ｏ₅の濃度は、約１モル％から約１０モル％、またはさらには約１モル％から約５モル％であってよい。

アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、およびＰ₂Ｏ₅の組合せから形成されている（すなわち、Ｇａ₂Ｏ₃が存在しないガラス）実施の形態において、このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスはフッ素も含んでよい。フッ素は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスの軟化点を減少させる軟化剤としてこれらのガラス組成物に加えられる。アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物にフッ素が加えられる実施の形態において、フッ素は約１モル％から約６モル％の量で存在してよい。いくつかの実施の形態において、フッ素の濃度は約２．５モル％から約６モル％であってよい。一般に、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物にフッ素を添加すると、そのガラス組成物の軟化点が、フッ素の１モル％当たり２０℃、減少するであろう。

上述したことに基づいて、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の成分材料は、そのガラス組成物から形成されるガラス物品を複雑な形状に容易に成形できるようにする、より低い軟化点および減少した液体の熱膨張係数を有するガラスを製造するために変えられてよいことを理解すべきである。これらの同じ組成物は、比較的大きい層の深さおよび比較的大きい残留圧縮応力を達成するために、イオン交換により強化してもよい。ここで、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスの特定の例示の組成物を説明する。

ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの実施の形態は、ＳｉＯ₂およびＮａ₂Ｏを含む。ここに記載された例示のアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物において、ＳｉＯ₂はガラス組成物中に約４０モル％から約７０モル％の濃度で存在する。Ｎａ₂Ｏは、これらの例示のガラス組成物中に約５モル％から約３５モル％、または約１０モル％から約２０モル％の濃度で存在する。しかしながら、ガラス組成物は、上述したように、他の濃度でＳｉＯ₂およびＮａ₂Ｏを含んでもよいことを理解すべきである。

第１の例示の組成物において、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃およびＺモル％のＡｌ₂Ｏ₃をさらに含み、ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５である。１つの特別な実施の形態において、１７≦（Ｘ＋Ｚ）≦２４である。この例示の組成物は、Ｙモル％のＢ₂Ｏ₃および（１０−Ｙ）モル％のＰ₂Ｏ₅をさらに含んでよく、ここで、Ｙは約０から約１０である。

１つの特別な実施の形態において、Ｐ₂Ｏ₅の濃度に対するＢ₂Ｏ₃の濃度の比は、Ｙ／（１０−Ｙ）が１．６以下となるようなものである。この比を満たすガラス組成物は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスを複雑な形状に成形することを可能にする十分に低い軟化点を有する。別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中のＢ₂Ｏ₃の濃度は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、そのアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを複雑な形状に成形できるほど十分に低い軟化点を有するように、約６．２モル％未満である。一般に、この例示の組成物におけるガラスの軟化点は、約９００℃未満、またはさらには約８７０℃未満である。同様に、この例示の組成物におけるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスのガラス転移温度より高い温度で約３０ｐｐｍ／℃以下の液体の熱膨張係数を有する。この比較的低い液体ＣＴＥは、低い軟化点と関連して、この例示の組成物におけるガラスを複雑な形状に成形できるようにする。この例示のガラス組成物により記載されるガラスは、一般に、１０５０℃以下、１０００℃以下、またはさらには９８０℃以下の液相線温度を有する。

さらに、この例示の組成物により記載されるガラスは、イオン交換により強化してもよい。例えば、いくつかの実施の形態において、この例示のガラス組成物から形成されたガラス物品を、約６２５ＭＰａ超の圧縮応力および約３０μｍ超の層の深さを有するように、イオン交換により強化してもよい。他の実施の形態において、圧縮応力は約７００ＭＰａ超であってよい。さらに他の実施の形態において、層の深さは約４５μｍ超であってよい。

この例示のアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の１つの特別な実施の形態において、このガラス組成物はＧａ₂Ｏ₃を含有しない（すなわち、Ｘ＝０）。この実施の形態において、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比は、約１．５以上、またはさらには約２．０超であってよい。さらに、この実施の形態において、前記ガラス組成物は、Ｙ／（１０−Ｙ）が、ガラス組成物から形成される物品を、８０μｍ超、またはさらには１００μｍ超の層の深さまでイオン交換により強化できるようにする約０．２から約３．０であるような、十分な量のＢ₂Ｏ₃およびＰ₂Ｏ₅を含んでよい。いくつかの実施の形態において、前記ガラス組成物から形成された物品を１１０μｍ以上の層の深さまでイオン交換により強化してもよい。Ｇａ₂Ｏ₃を含有しないガラス組成物のいくつかの実施の形態において、そのガラス組成物から形成された物品は、約１０μｍ超の層の深さおよび約５００ＭＰａ超の圧縮応力を達成するようにイオン交換により強化してもよい。

第２の例示の組成物において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、上述したように、約４０モル％から約７０モル％の濃度のＳｉＯ₂、および少なくとも５モル％から約３５モル％の濃度のＮａ₂Ｏを含む。いくつかの実施の形態において、ＳｉＯ₂の濃度は約５０モル％から約６５モル％であってよい。他の実施の形態において、Ｎａ₂Ｏの濃度は約１５モル％から約２５モル％であってよい。この例示の組成物のアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、上述したように、Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃およびＺモル％のＡｌ₂Ｏ₃も含み、ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５である。１つの特別な実施の形態において、Ａｌ₂Ｏ₃とＧａ₂Ｏ₃の濃度の合計に対するＮａ₂Ｏの濃度の比（すなわち、Ｎａ₂Ｏのモル％／（Ａｌ₂Ｏ₃のモル％＋Ｇａ₂Ｏ₃のモル％））は、ガラスの軟化点が十分に低くなるように約１である。この例示のガラス組成物は、約１モル％から約１０モル％のＢ₂Ｏ₃も含む。しかしながら、この例示の組成物のガラスは、Ｐ₂Ｏ₅を含まずに形成される。

これらの実施の形態において、前記ガラスは、そのガラスが９００℃以下、またはさらには８７５℃以下の軟化点を有するように十分な量のＢ₂Ｏ₃およびＧａ₂Ｏ₃を含有する。いくつかの実施の形態において、このガラスの軟化点は８５０℃以下であってよい。

さらに、この例示のガラス組成物から形成されたガラス物品は、そのガラス物品が３０μｍ以上、またはさらには３５μｍ以上の層の深さを有するように、イオン交換により強化してもよい。いくつかの実施の形態において、この層の深さは４０μｍ以上であってよい。さらに、この例示のガラス組成物から形成されたガラス物品は、そのガラス物品が７５０ＭＰａ以上、またはさらには８００ＭＰａ以上の圧縮応力を有するように、イオン交換により強化してもよい。いくつかの実施の形態において、この圧縮応力は８５０ＭＰａ以上である。

この例示のガラス組成物のいくつかの実施の形態において、この例示のアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物から形成されたガラスの液体の熱膨張係数は、３０ｐｐｍ／℃以下、またはさらには２８ｐｐｍ／℃以下である。いくつかの実施の形態において、この液体の熱膨張係数は２６ｐｐｍ／℃以下である。

この例示のガラス組成物のいくつかの実施の形態において、Ｇａ₂Ｏ₃の濃度は、１≦Ｘ≦１２となるようなものであってよい。この例示のガラス組成物のいくつかの実施の形態において、Ｇａ₂Ｏ₃の濃度はＸ≧４となるようなものであってよく、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度はＺ≧７となるようなものであってよい。

第３の例示の組成物において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、上述したように、約４０モル％から約７０モル％の濃度のＳｉＯ₂、および少なくとも約５モル％から約３５モル％の濃度のＮａ₂Ｏを含む。いくつかの実施の形態において、ＳｉＯ₂の濃度は約５０モル％から約６５モル％であってよい。他の実施の形態において、Ｎａ₂Ｏの濃度は約１５モル％から約２５モル％であってよい。この例示の組成物のガラスは、上述したように、Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃およびＺモル％のＡｌ₂Ｏ₃も含み、ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５である。この例示のガラス組成物は、約１モル％から約１０モル％のＰ₂Ｏ₅、またはさらには約１モル％から約１０モル％のＰ₂Ｏ₅も含む。しかしながら、この例示の組成物のガラスは、Ｂ₂Ｏ₃を含まずに形成される。これらの実施の形態において、前記ガラスは、そのガラスが９７５℃以下、またはさらには８５０℃以下の軟化点を有するように十分な量のＧａ₂Ｏ₃を含有する。いくつかの実施の形態において、このガラスの軟化点は９００℃以下であってよい。

この例示の組成物のいくつかの実施の形態において、Ｐ₂Ｏ₅は約４モル％以上の量で存在してもよい。この例示のガラス組成物の他の実施の形態において、Ｇａ₂Ｏ₃の濃度はＸ≧２となるようなものであってよく、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度はＺ≧１０となるようなものであってよい。この例示のガラス組成物の他のいくつかの実施の形態において、Ｇａ₂Ｏ₃の濃度はＸ≦１０となるようなものであってよく、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度はＺ≦１８となるようなものであってよい。

さらに、この例示のガラス組成物から形成されたガラス物品をイオン交換により強化してもよい。いくつかの実施の形態において、ガラスを４１０℃の温度で４時間に亘りＫＮＯ₃浴中でイオン交換した後、そのガラス物品は５５μｍ以上、またはさらには６０μｍ以上の層の深さを有する。いくつかの実施の形態において、層の深さは、上述した条件下での４時間に亘るイオン交換による強化後、６５μｍ以上であってよい。さらに、この例示のガラス組成物から形成されたガラス物品は、そのガラス物品が７５０ＭＰａ以上、またはさらには８００ＭＰａ以上の圧縮応力を有するように、上述した条件下でイオン交換により強化してもよい。いくつかの実施の形態において、この圧縮応力は８５０ＭＰａ以上、またはさらには９００ＭＰａ以上であってよい。

この例示のガラス組成物のいくつかの実施の形態において、この例示のアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物から形成されたガラスの液体の熱膨張係数は、２５ｐｐｍ／℃以下、またはさらには２３ｐｐｍ／℃以下である。いくつかの実施の形態において、この液体の熱膨張係数は２０ｐｐｍ／℃以下である。

第４の例示の組成物において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、約４０モル％から約７０モル％の濃度のＳｉＯ₂、および少なくとも約１０モル％から約２０モル％の濃度のＮａ₂Ｏを含む。この例示の組成物のガラスは、約１０モル％から約２０モル％の濃度のＡｌ₂Ｏ₃も含む。この例示の組成物は、約Ｙモル％のＢ₂Ｏ₃および（５−Ｙ）モル％のＰ₂Ｏ₅をさらに含んでよく、ここで、Ｙは約０から約５である。この例示の組成物は、軟化剤として機能するフッ素も含む。フッ素は、この組成物中に、約１モル％から約６モル％、またはさらには約２．５モル％から約６モル％の量で存在する。この例示の組成物において、Ｂ₂Ｏ₃およびフッ素は、このガラス組成物中に、ガラスの軟化点を約９３５℃以下、またはさらには約９００℃以下に低下させるほど十分な量で存在してよい。いくつかの実施の形態において、この組成物から形成されたガラスの軟化点は、８９０℃以下、またはさらには約８５０℃以下である。さらに、この例示の組成物から形成されたガラス物品は、約４０μｍの層の深さおよび約１０００ＭＰａの圧縮応力に、イオン交換により強化してもよい。

再び図１を参照すると、フュージョン・ダウンドロープロセス、スロットドロープロセスまたはガラス原材料のバッチからガラス基板を形成するために使用される任意の他の適切なプロセスを使用して、電子装置のためのカバーガラスなどの、ガラス物品１００を形成するために、ここに記載されたガラス組成物を使用してよい。例えば、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物を、フュージョン・ダウンドロープロセスを使用してガラス基板に成形してもよい。このフュージョン・ダウンドロープロセスでは、溶融ガラス原材料を受け入れるための通路を有する延伸タンクを利用する。この通路は、通路の両側に通路の長手方向に沿って上部で開いた堰を有する。通路が溶融ガラスで満たされたときに、溶融ガラスが堰から溢れて、重力のために、その溶融ガラスが延伸タンクの外面を流下する。これらの外面は、延伸タンクの下の縁で接合するように、下方かつ内向きに延在している。流動する２つのガラス表面はその縁で接合し、融合して、溶融ガラスの１枚の流動する板を形成し、この板は所望の厚さまでさらに延伸される。このフュージョン・ドロー法により、結果として形成されるガラス板のどの表面も溶融装置のどの部分とも接触しないので、非常に均一で平滑な表面を有するガラス板が製造される。

あるいは、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、フュージョン・ダウンドロープロセスとは異なるスロットドロープロセスを使用して形成してもよい。スロットドロープロセスにおいて、溶融ガラスが延伸タンクに供給される。この延伸タンクの底にはスロットが開いており、このスロットは、スロットの長手方向に延在するノズルを有する。溶融ガラスは、スロット／ノズルを通って流れ、連続板として徐冷領域へと下方に延伸される。

いくつかの実施の形態において、ガラス基板が形成された後、そのガラス基板は、例えば、凹面形状、凸面形状または別の所望の形状(geometry)などの複雑な三次元形状にさらに加工し、成形してもよい。上述した複雑な形状を有するガラス物品へのガラス基板の成形は、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の比較的低い軟化点および低い液体の熱膨張係数によって可能になる。

さらに、ガラス基板および／または成形ガラス物品などの、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物から形成されたガラス物品は、イオン交換により強化してもよい。ここに用いたように、「イオン交換により強化される」という用語は、ガラスが、ガラス製造の当該技術分野に公知のイオン交換プロセスによって強化されることを意味する。そのようなイオン交換プロセスは、以下に限られないが、ガラス表面に存在するイオンよりもイオン半径が大きいイオンを含有する加熱溶液でアルカリアルミノケイ酸塩ガラス物品を処理し、それゆえ、より小さいイオンをより大きいイオンと置き換える各工程を含む。例えば、カリウムイオンが、ガラス中のナトリウムイオンを置き換えることができる。あるいは、ルビジウムやセシウムなどの、原子半径がより大きい他のアルカリ金属イオンが、ガラス中のより小さいアルカリ金属イオンを置き換えることができる。同様に、以下に限られないが、硫酸塩、ハロゲン化物などの他のアルカリ金属塩をイオン交換プロセスに使用してもよい。１つの実施の形態において、ガラスは、そのガラスを、イオン交換を行うための所定の期間に亘り、ＫＮＯ₃を含む溶融塩浴中に配置することによって、化学強化される。１つの実施の形態において、溶融塩浴の温度は約４３０℃であるが、他の温度を使用してもよい（すなわち、４１０℃、４２０℃など）。溶融塩浴中のガラス物品の滞在時間は、残留圧縮応力および層の深さの所望の大きさに応じて、様々であろう。

上述したアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の組成および性質を、以下の実施例を参照してさらに明白にする。

以下の実施例に記載されたガラスにおいて、Ｓｉは砂として、Ａｌはアルミナとして、Ｂａはソーダ灰および硝酸ナトリウムの両方として、Ｂはホウ酸として、Ｐはメタリン酸アルミニウムとして、Ｇａは酸化ガリウムとして、Ｆはフッ化アルミニウムとして、バッチ配合した。これらのバッチ材料を４時間に亘り１６００℃で溶融し、次いで、注ぎ、５５０℃と６５０℃の間で徐冷した。各組成物中の成分材料のモル％を決定するために、誘導結合プラズマおよび／または原子吸光技法によって、ガラス組成物を分析した。次いで、軟化点、徐冷点、歪み点、液体ＣＴＥおよび密度などの物理的性質を測定した。ガラスは、４００℃と４３０℃の間の温度で８から１６時間に亘りＫＮＯ₃塩浴中でイオン交換により強化した。次いで、層の深さおよぴ圧縮応力を決定した。層の深さ（ＤＯＬ）および圧縮応力（ＣＳ）の値は、それぞれ、μｍおよびＭＰａで報告されている。

下記の表１は、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＡｌ₂Ｏ₃をＧａ₂Ｏ₃で置き換えたときの軟化点の減少を示すデータを含んでいる。この例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、上述したように、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏ、Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃およびＺモル％のＡｌ₂Ｏ₃（ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５）、および約１モル％から約１０モル％のＢ₂Ｏ₃を含む組成を有した。ガラスの特定の組成特徴が表１に列挙されている。

表１に列挙された例示の組成に関する軟化点のデータが、図４にＧａ₂Ｏ₃の濃度の関数としてプロットされている。図４に示されるように、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中でＡｌ₂Ｏ₃をＧａ₂Ｏ₃で置き換えると、一般に、Ｇａ₂Ｏ₃の１モル％当たり約５．５℃、ガラスの軟化点が減少する。

下記の表２は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＰ₂Ｏ₅をＢ₂Ｏ₃で置き換えたときの、軟化点の減少を示すデータを含んでいる。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏ、Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃およびＺモル％のＡｌ₂Ｏ₃（ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５）、およびＹモル％のＢ₂Ｏ₃および（１０−Ｙ）モル％のＰ₂Ｏ₅（ここで、Ｙは約０から約１０である）を含む組成を有した。

図５は、５モル％（実線）および０モル％（点線）のＧａ₂Ｏ₃濃度に関する、Ｐ₂Ｏ₅をＢ₂Ｏ₃で置き換えたときの、Ｂ₂Ｏ₃の濃度の関数としてプロットされた軟化点をグラフで示している。図５に示されるように、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の軟化点は、５モル％および０モル％のＧａ₂Ｏ₃濃度に関して、Ｐ₂Ｏ₅をＢ₂Ｏ₃で置き換えるにつれて、一般に減少する。垂線は、Ｇａ₂Ｏ₃も含有するガラス組成物のほうが、軟化点が一般により低い組成を線引きしている。この領域（すなわち、この垂線の左側の領域）において、Ｐ₂Ｏ₅の濃度に対するＢ₂Ｏ₃の濃度の比（すなわち、Ｙ／（１０−Ｙ））は、一般に、１．６未満である。同様に、この領域におけるＢ₂Ｏ₃の濃度は６．２モル％未満である。

下記の表３は、上記の表２に列挙された組成を有するガラスに関するイオン交換後の層の深さおよび圧縮応力に関するデータを含んでいる。各ガラス組成のサンプルを、４、６、８および１６時間に亘り４１０℃で１００％のＫＮＯ₃浴中でイオン交換により強化した。各サンプルをイオン交換により強化して、４０μｍ以上の層の深さおよび８００ＭＰａ以上の圧縮応力を生じるであろう最短かつ最も低い温度の条件を決定した。従来の（すなわち、本発明ではない）アルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、少なくとも４０μｍの層の深さおよび８００ＭＰａ以上の圧縮応力を達成するために、これらの条件下で８時間に亘りイオン交換で強化される。

図６は、５モル％および０モル％のガリウム濃度に関するＢ₂Ｏ₃の濃度の関数として、ガラスサンプル中に生じた層の深さおよび圧縮応力（ｙ軸）をグラフで表している。圧縮応力に関する値は、各組成の応力光学係数（ＳＯＣ）を説明するように補正されている。図６に示されるように、層の深さおよび圧縮応力は、一般に逆の関係を有する。すなわち、層の深さが増加すると、圧縮応力は減少する。圧縮応力は、層の深さを対応して減少させずに、Ｇａ₂Ｏ₃を含まないガラスに関するよりも、Ｇａ₂Ｏ₃を含有するガラスのほうが著しく高い。例えば、サンプルＪは、５モル％のＧａ₂Ｏ₃、および８時間に亘りイオン交換による強化後に、９０１ＭＰａの対応する圧縮応力および４５μｍの層の深さを有した。その一方、サンプルＯは、０モル％のＧａ₂Ｏ₃、および同じイオン交換条件下での、７４７ＭＰａの対応する圧縮応力および５１μｍの層の深さを有した。一般に、表３に提示されたデータは、ここに記載されたＧａ₂Ｏ₃を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、従来のアルカリアルミノケイ酸塩ガラスと比べて、４０μｍ超の層の深さおよび／または８００ＭＰａ超の残留圧縮応力を達成するためにより急激にイオン交換されるであろう。

表４は、上記の表２に列挙されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の液相線温度および高温ＣＴＥに関するデータを含んでいる。

表４に含まれたデータは、Ｇａ₂Ｏ₃を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、一般に、Ｇａ₂Ｏ₃を含まない組成施物よりも低い液相線温度を有することを示している。全ての場合、ガラス組成物の液相線温度は、フュージョン・ダウンドロープロセスおよびスロットドロープロセスなどのダウンドロープロセスを使用して、ガラス組成物を成形できるように十分に低かった。

さらに、表４のデータは、ガラス転移温度より高い温度でのガラス組成物の液体ＣＴＥは、一般に３０ｐｐｍ／℃未満であり、Ｇａ₂Ｏ₃を含有するガラスは、Ｇａ₂Ｏ₃を含まないガラスよりも低い値を一般に有したことも示している。これらの液体ＣＴＥ値は、このガラス組成物は、より低い液体ＣＴＥが望ましい三次元成形プロセスに使用するのにうまく適しているであろうことを示している。

表５は、フッ素を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の組成および性質に関するデータを含んでいる。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、上述したように、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂、約１０モル％から約２０モル％のＮａ₂Ｏ、約１０モル％から約２０モル％のＡｌ₂Ｏ₃、Ｙモル％のＢ₂Ｏ₃および（５−Ｙ）モル％のＰ₂Ｏ₅（ここで、０≦Ｙ≦５）、並びに約１モル％から約６モル％のフッ素を含む組成を有した。

図７は、表５に列挙されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関するフッ素の濃度の関数としてプロットされた軟化点をグラフで表している。図７に示されるように、ガラスの軟化点は、一般に、フッ素の１モル％当たり約２０℃、減少する。さらに、表５のデータは、フッ素の添加は、ガラスに与えられる圧縮応力の大きさに非常にわずかしか影響を与えず、得られた層の深さをわずかしか減少させないことも示している。

表６は、Ｂ₂Ｏ₃を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の性質に関するデータを含んでいる。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏ、約１０モル％から約２０モル％のＡｌ₂Ｏ₃、および約２モル％から約５％のＢ₂Ｏ₃を含む組成を有した。Ｎａ₂ＯおよびＡｌ₂Ｏ₃の量は、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比が約０．５から約２．６までであるように変えられた。

図８を参照すると、異なるイオン交換条件（すなわち、時間と温度）の結果としてガラスに導入される圧縮応力の量が、表６のガラス組成物に関するＡｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比の関数としてグラフで示されている。図８に示されるように、圧縮応力は、その比が約１であるときに最大である。

対照として図９を参照すると、同じイオン交換条件（すなわち、時間と温度）の結果としてガラスの層の深さが、表６のガラス組成物に関するＡｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比の関数としてグラフで示されている。図９に示されるように、層の深さは、その比が、概して、１０μｍ超の層の深さおよび５００ＭＰａ超の圧縮応力（図８）に相当する約１．５以上であるときに増加する。

表７は、Ｂ₂Ｏ₃を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の性質に関するデータを含んでいる。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏ、約１０モル％から約２５モル％のＡｌ₂Ｏ₃、および約８モル％から約１０％のＢ₂Ｏ₃を含む組成を有した。Ｎａ₂ＯおよびＡｌ₂Ｏ₃の量は、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比が約０．５から約３．５までであるように変えられた。

図１０を参照すると、異なるイオン交換条件（すなわち、時間と温度）の結果としてガラスに導入される圧縮応力の量が、表７のガラス組成物に関するＡｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比の関数としてグラフで示されている。図１０に示されるように、圧縮応力は、表６に記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物と同様に、その比が約１であるときに最大である。

対照として図１１を参照すると、同じイオン交換条件（すなわち、時間と温度）の結果としてガラスの層の深さが、表７のガラス組成物に関するＡｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比の関数としてグラフで示されている。図１１に示されるように、層の深さは、その比が、概して、５０μｍ超の層の深さおよび８００ＭＰａ超の圧縮応力（図１０）に相当する約１．５であるときに最大である。しかしながら、１．５超の比について、層の深さは次第に減少する。

表８は、Ｂ₂Ｏ₃およびＰ₂Ｏ₅を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の性質に関するデータを含んでいる。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏ、約１０モル％のＡｌ₂Ｏ₃、Ｙモル％のＢ₂Ｏ₃および（１０−Ｙ）モル％のＰ₂Ｏ₅（ここで、Ｙは約０から約１０である）を含む組成を有した。Ｐ₂Ｏ₅の濃度に対するＢ₂Ｏ₃の濃度の比は、約０．３から約２．２まで変えられた。同様に、Ｎａ₂ＯおよびＡｌ₂Ｏ₃の量は、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度に対するＮａ₂Ｏの濃度の比が約０．５から約３．５までであるように変えられた。表８のデータは、Ｐ₂Ｏ₅の添加により、１６時間に亘る４１０℃でのイオン交換による強化後の層の深さが著しく増加することを示している。

表９は、Ｂ₂Ｏ₃を含まずに、Ｐ₂Ｏ₅を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の性質に関するデータを含んでいる。いくつかの組成物において、Ａｌ₂Ｏ₃がＧａ₂Ｏ₃によって置き換えられていた。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏ、Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃、約Ｚモル％のＡｌ₂Ｏ₃（ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５）、および約１モル％から約１０モル％のＰ₂Ｏ₅を含む組成を有した。表９のデータは、概して、Ｐ₂Ｏ₅の添加により、全てのイオン交換条件について、イオン交換による強化によって得られる層の深さが著しく増加することを示している。

表１０は、Ｐ₂Ｏ₅を含まずに、Ｂ₂Ｏ₃を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の性質に関するデータを含んでいる。いくつかの組成物において、Ａｌ₂Ｏ₃がＧａ₂Ｏ₃によって置き換えられていた。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂、約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏ、Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃、約Ｚモル％のＡｌ₂Ｏ₃（ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５）、および約１モル％から約１０モル％のＢ₂Ｏ₃を含む組成を有した。表１０のデータは、概して、Ｂ₂Ｏ₃の添加により、ガラスの軟化点が８７５℃未満に減少することを示している。

上述したことに基づいて、今では、ここに記載された実施の形態は、イオン交換により強化できるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されたガラス物品に関することを理解すべきである。いくつかの実施の形態において、ここに記載されたガラス物品は、比較的低い軟化温度、比較的低い液相線温度、およびガラス転移温度より高い温度での比較的低いＣＴＥを有し、その全てのために、ガラスを、ダウンドロープロセスにより容易に形成でき、複雑な形状に成形できる。特に、Ｇａ₂Ｏ₃を含有する、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、概して、Ｇａ₂Ｏ₃を含有しないそれらのガラス組成物よりも低い、軟化温度、液相線温度およびＣＴＥを有し、それゆえ、これらのガラスは、ガラスを複雑な三次元形状に成形する必要のある用途およびダウンドロープロセスに使用するのに特に適している。さらに、ここに記載されたガラス組成物にＢ₂Ｏ₃および／またはフッ素を添加することによって、ガラスの軟化点が低下し、それによって、ガラスを複雑な三次元形状に成形する能力が改善される。

ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、層の深さを著しく損なわずに、高い圧縮応力を達成するために、イオン交換により強化することができる。特に、Ｐ₂Ｏ₅を添加すると、一般に、イオン交換による強化で得られる層の深さが増加する。さらに、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、従来のアルカリアルミノケイ酸塩ガラスと比べて、目的の層の深さおよび圧縮応力の値に到達するために、ずっと迅速にイオン交換でき、それによって、加工時間と加工費を減少させることができる。

請求項に記載された主題の精神および範囲から逸脱せずに、ここに記載された実施の形態に様々な改変および変更を行って差し支えないことが、当業者には明白となる。それゆえ、本明細書は、ここに記載された様々な実施の形態の改変および変更を、そのような改変および変更が付随の特許請求の範囲およびその同等物の範囲に入るという条件で、含むことが意図されている。

１００ ガラス物品

Claims (10)

1. アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品において、該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、
   約Ｘモル％のＧａ₂Ｏ₃、ここで、０≦Ｘ≦２０である、
   約Ｚモル％のＡｌ₂Ｏ₃、ここで、０≦Ｚ≦２５であり、１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５となる、
   約５モル％から約３５モル％のＮａ₂Ｏ、
   約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ₂、
   Ｙモル％のＢ₂Ｏ₃、ここで、Ｙは０から約１０である、および
   （１０−Ｙ）モル％のＰ₂Ｏ₅、
   を含む、ガラス物品。
2. １７≦（Ｘ＋Ｚ）≦２４である、請求項１記載のガラス物品。
3. Ｙ／（１０−Ｙ）＜１．６、またはＹ＜６．２である、請求項１記載のガラス物品。
4. 前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスの軟化点が約８７０℃未満である、請求項１から３いずれか１項記載のガラス物品。
5. 前記ガラス物品が約６２５ＭＰａ超の圧縮応力および約３０μｍ超の層の深さを有するように、該ガラス物品がイオン交換により強化されている、請求項１から４いずれか１項記載のガラス物品。
6. 前記層の深さが約４５μｍ超である、請求項５記載のガラス物品。
7. 前記圧縮応力が約７００ＭＰａ超である、請求項５または６記載のガラス物品。
8. 前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスのガラス転移温度より高い温度で３０ｐｐｍ／℃未満の液体ＣＴＥを有する、請求項１から７いずれか１項記載のガラス物品。
9. Ｘ＝０およびＡｌ₂Ｏ₃の濃度（モル％）に対するＮａ₂Ｏの濃度（モル％）の比が１．５以上である、請求項１から８いずれか１項記載のガラス物品。
10. Ｙ／（１０−Ｙ）が約０．２から約３．０であり、前記ガラス物品が約５００ＭＰａ超の圧縮応力および約１０μｍ超の層の深さを有するように、該ガラス物品がイオン交換により強化されている、請求項９記載のガラス物品。

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