JP2016000682A

JP2016000682A - 強化ガラス板及びその製造方法

Info

Publication number: JP2016000682A
Application number: JP2015081311A
Authority: JP
Inventors: 清貴木下; Kiyotaka Kinoshita; 睦深田; Mutsumi Fukada; 隼人奥; Hayato OKU
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2015-04-11
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2035-04-11
Also published as: JP6596894B2; TW201600475A; WO2015178175A1

Abstract

【課題】スマートフォンやタブレットパーソナルコンピュータ等のディスプレーの前面板に用いる耐衝撃性に優れ、引っ掻き等に対する加傷強度が高い強化ガラス板の提供。
【解決手段】強化ガラス板の厚み（ｔ）は、０．４ｍｍ以下である。強化ガラス板において、引張応力（ＣＴ）が、ＣＴ≦１９５０ｔ^２−１４７０ｔ＋３３６を満たす強化ガラス板。圧縮応力を有する表層の深さである圧縮応力深さが１０μｍ以上で、表層の圧縮応力が６００ＭＰａ以上である強化ガラス板。
【選択図】図３

Description

本発明は、強化ガラス板及びその製造方法に関する。

従来、スマートフォンやタブレットパーソナルコンピューター（タブレットＰＣ）等のディスプレイの前面板として、強化ガラス板が用いられている。ディスプレイの前面板として用いられる強化ガラス板には、強度が高いことが求められている。例えば、強化ガラス板の表層に設けられた圧縮応力層を貫通して内部の引張応力層に至るクラック（破壊起点）が形成されると、引張応力層の引張応力によってクラックが進展する。それによって強化ガラス板が破断する場合がある。これに鑑み、特許文献１では、サンドペーパー落球試験において、破壊時の平均落球高さが１７ｃｍ以上である強化ガラス板をカバーガラスとして用いることが提案されている。特許文献１に記載の強化ガラス板では、落下衝撃により発生するスロークラックに起因する破壊が生じにくい。

国際公開第２０１３／０５１５１４号公報

ディスプレイの前面板として用いられる強化ガラス板には、耐衝撃性が優れていることが好ましいのみならず、鋭利な部材により引っ掻かれたときの加傷強度が高いことがさらに好ましいことが分かった。

本発明の主な目的は、引っ掻き等に対する加傷強度が高い強化ガラス板を提供することにある。

本発明に係る強化ガラス板は、圧縮応力を有する表層と、引張応力を有する内層とを有する強化ガラス板である。本発明に係る強化ガラス板の厚み（ｔ）は、０．４ｍｍ以下である。本発明に係る強化ガラス板において、内層における引張応力（ＣＴ）が、ＣＴ≦１９５０ｔ^２−１４７０ｔ＋３３６を満たす。

本発明に係る強化ガラス板において、圧縮応力を有する表層の深さである圧縮応力深さ（ＤＯＬ）が１０μｍ以上であることが好ましい。この場合、尖鋭な突起物が強化ガラス板に食い込んだ場合においても、クラックが生じにくい。圧縮応力深さ（ＤＯＬ）は、３５μｍ以下であることが好ましい。

本発明に係る強化ガラス板において、表層の圧縮応力（ＣＳ）が６００ＭＰａ以上であることが好ましい。そうすることにより、強化ガラス板の曲げ強度を向上することができる。圧縮応力（ＣＳ）は、２０００ＭＰａ以下であることが好ましい。圧縮応力（ＣＳ）を２０００ＭＰａ以下にすることで、高い加傷強度を維持できる程度に引張応力（ＣＴ）を保ちつつ、最低限の圧縮応力深さ（ＤＯＬ）を確保することができる。

本発明に係る強化ガラス板において、厚み（ｔ）が０．２ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明に係る強化ガラス板は、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２を５０％〜８０％、Ａｌ_２Ｏ_３を５％〜３５％、Ｂａ_２Ｏ_３を０％〜１５％、Ｎａ_２Ｏを１％〜２０％、Ｋ_２Ｏを０％〜１０％及びＭｇＯを０％〜１０％含有することが好ましい。

本発明に係る強化ガラス板の製造方法は、厚み（ｔ）が０．４ｍｍ以下のガラス板を化学強化処理して表層に圧縮応力付与する一方、内層に引張応力を付与する強化ガラス板の製造方法である。本発明に係る強化ガラス板の製造方法では、内層における引張応力（ＣＴ）が、ＣＴ≦１９５０ｔ^２−１４７０ｔ＋３３６を満たすように化学強化処理を行う。

本発明によれば、引っ掻き等に対する加傷強度が高い強化ガラス板を提供することができる。

サンプル１〜１０における引張応力（ＣＴ）と限界荷重（ＬＬ）との関係を表すグラフである。サンプル１〜１０のそれぞれの引張応力（ＣＴ）に対する限界荷重（ＬＬ）の傾き（α）と、サンプル１〜１０の厚み（ｔ）との関係を表すグラフである。限界荷重（ＬＬ）が６Ｎとなるときの強化ガラス板の厚み（ｔ）と引張応力（ＣＴ）との関係を表すグラフである。クラックレジスタンス（ＣＲ）を表す模式図である。実験例２における圧縮応力深さ（ＤＯＬ）とクラックレジスタンス（ＣＲ）との関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

本実施形態の強化ガラス板は、例えば、スマートフォンやタブレットパーソナルコンピューター（タブレットＰＣ）、ノート型パソコン等のディスプレイの前面板として好適に用いられる。

本実施形態の強化ガラス板は、少なくとも一方の主面に、圧縮応力層を有している。本実施形態の強化ガラス板は、両方の主面に、圧縮応力層を有していることが好ましい。

圧縮応力層は、例えば、イオン交換による化学強化により形成されたものであってもよいし、風冷等により急冷することにより形成されたものであってもよい。本実施形態では、圧縮応力層が、イオン交換による化学強化により形成されたものである例について説明する。

本実施形態に係る強化ガラス板は、例えば、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２を５０％〜８０％、Ａｌ_２Ｏ_３を５％〜３５％、Ｂ_２Ｏ_３０〜１５％、Ｎａ_２Ｏを１％〜２０％、Ｋ_２Ｏを０％〜１０％及びＭｇＯを０％〜１０％を含有することが好ましい。このような組成を有する強化ガラス板であれば、化学強化処理によってディスプレイ用途等に好適な強化特性を容易に得られる。なお、上記組成は、一例であり、任意の組成のガラス板を用いて本発明の強化ガラス板を構成してよい。

本実施形態の強化ガラス板の厚み（ｔ）は、０．４ｍｍ以下である。そして、本実施形態の強化ガラス板においては、引張応力（ＣＴ）が、ＣＴ≦１９５０ｔ^２−１４７０ｔ＋３３６を満たしている。このため、本実施形態の強化ガラス板は、引っ掻き等に対する高い加傷強度を有する。

引張応力（ＣＴ）は、公知の応力測定装置を用いて測定した値でも良いし、圧縮応力ＣＳ（ＭＰａ）、圧縮応力深さＤＯＬ（ｍｍ）およびガラス板の厚みｔ（ｍｍ）を用いて下式（１）に基づき算出した値でも良い。なお、圧縮応力ＣＳ（ＭＰａ）、圧縮応力深さＤＯＬ（ｍｍ）は、公知の応力測定装置を用いて測定して良い。

ＣＴ＝（ＣＳ×ＤＯＬ）／（ｔ−ＤＯＬ） …（１）

強化ガラス板の圧縮応力ＣＳは、好ましくは６００ＭＰａ〜２０００ＭＰａ、より好ましくは８００ＭＰａ〜１４００ＭＰａ、さらに好ましくは９００ＭＰａ〜１３００ＭＰａ、もっとも好ましくは９５０ＭＰａ〜１１００ＭＰａである。強化ガラス板の引張応力ＣＴは、好ましくは２５ＭＰａ〜３００ＭＰａ、より好ましくは４０ＭＰａ〜２００ＭＰａ、さらに好ましくは６０ＭＰａ〜１５０ＭＰａ、もっとも好ましくは７０ＭＰａ〜１００ＭＰａである。

上述した本発明の強化ガラス板は、例えば、以下のようにして得られる。まず、上述したガラス組成となるようにガラス原料を計量及び調合し、溶融窯で溶融して溶融ガラスを得る。次いで、溶融ガラスをオーバーフローダウンドロー法やフロート法などの成形方法を用いてガラス板に成形する。次いで、得られたガラス板の表面に強化液を接触させてイオン交換を行うことにより化学強化処理して強化ガラス板を得る。具体的には、３００℃〜６００℃の硝酸カリウム溶液などの強化液に満たされた強化槽にガラス板を０．５時間〜８時間浸漬させることにより化学強化処理を行う。この際、得られる強化ガラス板の引張応力（ＣＴ）がＣＴ≦１９５０ｔ^２−１４７０ｔ＋３３６を満たすように処理時間や強化液の温度、強化液の濃度等を調整する。

以下、本発明の強化ガラス板の特性について、具体的な実験例に基づいてより具体的に説明する。

（実験例１）
先ず、表１に記載の特性を有する強化ガラス板のサンプルを用意した。具体的にはガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２を６６％、Ａｌ_２Ｏ_３を１４．２％、Ｎａ_２Ｏを１３．４％、Ｋ_２Ｏを０．６％、Ｌｉ_２Ｏを０．１％、Ｂ_２Ｏ_３を２．３％、ＭｇＯを３．０％及びＳｎＯ_２を０．４％含有する組成の複数の板ガラスを表１に記載の厚み（ｔ）となるように研磨した。その後、得られたガラス板を、表１に記載の強化温度の硝酸カリウム溶液に表１に記載の強化時間浸漬することによりサンプルを作製した。

次に、ヌープ硬度の測定に用いられるダイヤモンド製ヌープ圧子を所定の荷重でサンプル１〜１０のそれぞれに押し込んだ後に、０．５ｍｍ／秒の速度で５ｍｍヌープ圧子をサンプルの主面と平行に走査させる加傷試験を、各５枚のサンプル１〜１０に対して行った。その結果、５枚の全てが２枚以上に分断されたときのヌープ圧子の荷重を、限界荷重（ＬＬ）として求めた。結果を図１に示す。なお、図１の縦軸は、限界荷重（ＬＬ）を示す。図１の横軸は、強化ガラス板の内層における引張応力（ＣＴ）を示す。図１には、厚み（ｔ）が０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ及び０．７ｍｍのそれぞれのデータの近似直線を示している。

図１に示す結果から、サンプルの厚み（ｔ）が大きいほど、引張応力（ＣＴ）と限界荷重（ＬＬ）との相関を示すグラフの傾き（α）が大きくなり、逆に、サンプルの厚み（ｔ）が小さいほど、傾き（α）が小さくなる傾向にあることが分かる。すなわち、強化ガラス板の厚み（ｔ）が薄いほど、引張応力（ＣＴ）が高くなっても、加傷強度が低下しにくい。換言すれば、強化ガラス板の厚み（ｔ）が厚いほど、引張応力（ＣＴ）が高くなった際に、加傷強度が低下しやすい。

図２は、図１に示した各グラフの傾き（α）を縦軸に、板厚を横軸にとってプロットしたグラフである。図２に示す結果から、強化ガラス板のサンプルの厚み（ｔ）が０．４ｍｍ以下の場合には、０．４ｍｍより大きな場合と比較して、傾き（α）が小さくなることが分かる。このことから、強化ガラス板の厚み（ｔ）が０．４ｍｍ以下と薄い場合と、強化ガラス板の厚み（ｔ）が０．４ｍｍより大きい場合とでは、引張応力（ＣＴ）と加傷強度との関係が大きく異なることが分かる。特に０．４ｍｍ以下の厚み（ｔ）の強化ガラス板において引張応力（ＣＴ）が高くても、高い加傷強度を維持しやすいことが分かる。

図３は、限界荷重（ＬＬ）が６Ｎとなるときの強化ガラス板の厚み（ｔ）と引張応力（ＣＴ）との関係を表すグラフである。図３の縦軸は引張応力（ＣＴ）を示す。図３の横軸は、限界荷重（ＬＬ）が６Ｎとなるときの強化ガラス板の厚み（ｔ）を示す。図３に示す結果から、強化ガラス板の厚み（ｔ）が０．４ｍｍ以下の場合は、ＣＴ≦１９５０ｔ^２−１４７０ｔ＋３３６とすることにより、６Ｎの引っ掻き等に耐え得る強化ガラス板を実現し得ることが分かる。

なお、上述した強化ガラス板の組成は一例である。ＳｉＯ_２を６１．５％、Ａｌ_２Ｏ_３を１８．０％、Ｎａ_２Ｏを１４．５％、Ｋ_２Ｏを２．０％、Ｌｉ_２Ｏを０．１％、Ｂ_２Ｏ_３を０．５％、ＭｇＯを３．０％及びＳｎＯ_２を０．４％含有する組成の強化ガラス板においても同様の試験を行ったところ、同様の傾向が観察された。また、ＳｉＯ_２を６１．２％、Ａｌ_２Ｏ_３を２０．１％、Ｎａ_２Ｏを１５．９％、ＭｇＯを２．６％及びＳｎＯ_２を０．２％含有する組成の強化ガラス板においても同様の試験を行ったところ、同様の傾向が観察された。

（実験例２）
表２に示す特性を有する強化ガラス板を６枚用意した。

そのサンプルの主面に、先端角度が１１５°のダイヤモンド製ビッカース圧子を一定の荷重で押し込んだ。その後、ビッカース圧子を取り除き、圧痕を顕微鏡を用いて観察した。その結果、図４に示すように、圧痕１０には、
圧痕１０の４つの角部のいずれからもクラック１１が延びていない場合（クラック発生率：０％）、
圧痕１０の４つの角部のひとつのみからクラック１１が延びている場合（クラック発生率：２５％）、
圧痕１０の４つの角部の２つのみからクラック１１が延びている場合（クラック発生率：５０％）、
圧痕１０の４つの角部の３つのみからクラック１１が延びている場合（クラック発生率：７５％）、
圧痕１０の４つの角部の全てからクラック１１が延びている場合（クラック発生率：１００％）、
が存在する。

なお、当該試験においては、角部のみならず圧痕１０の周囲全体から微小クラックが多数進展して、全体的に破砕されたような状態になる場合があり、このような場合も（クラック発生率：１００％）とした。

上記のような圧痕試験で、徐々に圧子を押し込む荷重を増大させて、クラック発生率が５０％以上となったときのビッカース圧子の荷重をクラックレジスタンス（ＣＲ）として評価した。クラックレジスタンス（ＣＲ）の値が大きいほど、クラックが発生しがたく、高い耐加傷性を有する強化ガラス板であるといえる。上記の評価結果を、図５に示す。図５の縦軸は、クラック発生率が５０％以上となったときのビッカース圧子の荷重であるクラックレジスタンス（ＣＲ）を示す。図５の横軸は、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）を示す。また、図５に示す曲線は、データの近似曲線である。

図５に示すように、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）が１０μｍとなるまでは、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）が大きくなるほど、クラックレジスタンス（ＣＲ）が大幅に増加する。換言すれば、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）が１０μｍ以下である場合、クラックレジスタンス（ＣＲ）は、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）が小さくなるほど、対数関数的に低下する。従って、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）を１０μｍ以上とすることにより、良好なクラックレジスタンス（ＣＲ）を得られることが分かる。

Claims

圧縮応力を有する表層と、引張応力を有する内層とを有する強化ガラス板であって、厚み（ｔ）が０．４ｍｍ以下であり、
前記内層における引張応力（ＣＴ）が、
ＣＴ≦１９５０ｔ^２−１４７０ｔ＋３３６
を満たす、強化ガラス板。
前記圧縮応力を有する表層の深さである圧縮応力深さ（ＤＯＬ）が１０μｍ以上である、請求項１に記載の強化ガラス板。
前記表層の圧縮応力（ＣＳ）が６００ＭＰａ以上である、請求項１又は２に記載の強化ガラス板。
厚み（ｔ）が０．２ｍｍ以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の強化ガラス板。
ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２を５０％〜８０％、Ａｌ_２Ｏ_３を５％〜３５％、Ｂａ_２Ｏ_３を０％〜１５％、Ｎａ_２Ｏを１％〜２０％、Ｋ_２Ｏを０％〜１０％及びＭｇＯを０％〜１０％含有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の強化ガラス板。
厚み（ｔ）が０．４ｍｍ以下のガラス板を化学強化処理して表層に圧縮応力付与する一方、内層に引張応力を付与する強化ガラス板の製造方法であって、
前記内層における引張応力（ＣＴ）が、
ＣＴ≦１９５０ｔ^２−１４７０ｔ＋３３６
を満たすように前記化学強化処理を行う、強化ガラス板の製造方法。