JP2016018333A - ペン入力装置用のカバーガラスおよびその製造方法 - Google Patents

ペン入力装置用のカバーガラスおよびその製造方法 Download PDF

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Kimisuke Takayama
公介 高山
海田 由里子
Yuriko Kaida
由里子 海田
加藤 敦士
Atsushi Kato
敦士 加藤
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Abstract

【課題】入力ペンによる筆記感(書き味)に加えて、指による操作感(指滑り性)にも優れるペン入力装置用のカバーガラスを提供する。
【解決手段】ペン入力装置用のカバーガラスであって、表面に複数の突起を有し、該突起は、相互に700nm以下のピッチで前記表面に二次元的に配置され、前記突起の前記表面と平行な方向における断面の断面積は、前記表面から高さ方向に沿って徐々に小さくなり、前記突起の先端は、平坦部を有さず、または最大幅が123nm以下の平坦部を有することを特徴とするカバーガラス。
【選択図】図6

Description

本発明は、ペン入力装置用のカバーガラスおよびその製造方法に関する。
ペン入力装置は、入力ペンを用いて、紙上に文字および図形等を描写する感覚で入力操作を行うことができるという特徴を有し、各種製品に幅広く使用されている。
このようなペン入力装置は、例えば液晶ディスプレイのようなディスプレイ装置の前面に、例えばカバーガラスやカバー樹脂のようなカバー部材を配置することにより構成される。このカバー部材に対して入力ペンを接触、移動させることにより、様々な入力操作を直感的に行うことができる。
特開2009−151476号公報
当然のことながら、従来のペン入力装置では、入力手段として入力ペンを使用することが想定されている。このため、カバー部材には、ユーザが入力ペンを使用した際に、適切な筆記感(「書き味」)が得られるような表面特性が求められ、そのような表面特性を有するカバー部材の開発が進められてきた。
しかしながら、最近の入力装置には、入力手段として、入力ペンと指の両方を使用するものが製品化され始めている。特に、最近のタブレット型携帯電話(スマートフォン)およびタブレット型携帯情報端末などの装置においては、むしろ指による入力の方が、入力ペンによる入力よりも主流になってきている。
しかしながら、これまでの入力装置用のカバー部材は、そのような入力ペンと指の両方による入力を十分に想定しているとは言い難く、このため、入力ペンによる筆記感(書き味)には優れても、指による操作感(指滑り性)が悪いという問題、あるいはその逆の問題が認められるようになってきている。
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、入力ペンによる筆記感(書き味)に加えて、指による操作感(指滑り性)にも優れるペン入力装置用のカバーガラスを提供することを目的とする。また、本発明では、そのようなペン入力装置用のカバーガラスの製造方法を提供することを目的とする。
本発明では、ペン入力装置用のカバーガラスであって、
表面に複数の突起を有し、
該突起は、相互に700nm以下のピッチで前記表面に二次元的に配置され、
前記突起の前記表面と平行な方向における断面の断面積は、前記表面から高さ方向に沿って徐々に小さくなり、
前記突起の先端は、平坦部を有さず、または最大幅が123nm以下の平坦部を有することを特徴とするカバーガラスが提供される。
また、本発明では、ペン入力装置用のカバーガラスの製造方法であって、
熱ナノインプリント法、ナノインプリントリソグラフィ法、およびフォトリソエッチング法のいずれかにより、ガラス基板の表面に、複数の突起を形成するステップを有し、
前記突起は、相互に700nm以下のピッチで前記ガラス基板の表面に配置され、
前記突起の前記表面と平行な方向における断面の断面積は、前記表面から高さ方向に沿って徐々に小さくなり、
前記突起の先端は、最大幅が123nm以下の平坦部を有することを特徴とするカバーガラスの製造方法が提供される。
本発明では、入力ペンによる筆記感(書き味)に加えて、指による操作感(指滑り性)にも優れるペン入力装置用のカバーガラスを提供することができる。また、本発明では、そのようなペン入力装置用のカバーガラスの製造方法を提供することができる。
一定荷重Pを受けた物体がある表面を一定の速度で移動する際の時間tと摩擦力F(動摩擦力)の関係を模式的に示した図である。 移動表面が第1の状態を有する場合の動摩擦力F(N)と時間tの関係を模式的に示した図である。 移動表面が第2の状態を有する場合の動摩擦力F(N)と時間tの関係を模式的に示した図である。 移動表面が第3の状態を有する場合の動摩擦力F(N)と時間tの関係を模式的に示した図である。 ペン入力装置用の第1のカバーガラスの構成を概略的に示した図である。 図5に示した第1のカバーガラスの部分拡大断面図である。 ペン入力装置用の第2のカバーガラスの構成を概略的に示した図である。 図7に示した第2のカバーガラスの部分拡大断面図である。 本発明の一実施形態によるカバーガラスの製造方法の概略的なフロー図である。 実施例3に係るカバーガラスの第1の表面に形成された突起の断面の走査型プローブ顕微鏡(SPM)像である。 実施例4に係るカバーガラスの第1の表面に形成された突起の断面の走査型プローブ顕微鏡(SPM)像である。 比較例3に係るカバーガラスの第1の表面に形成された突起の断面の走査型プローブ顕微鏡(SPM)像である。 実施例1に係るカバーガラスの第1の表面に形成された突起の上面の走査型プローブ顕微鏡(SPM)像である。 実施例1に係るカバーガラスにおける、突起の断面SEM像の一例である。 実施例2に係るカバーガラスにおける、突起の断面SEM像の一例である。 実施例3に係るカバーガラスにおける、突起の断面SEM像の一例である。 実施例4に係るカバーガラスにおける、突起の断面SEM像の一例である。 実施例5に係るカバーガラスにおける、突起の断面SEM像の一例である。 実施例6に係るカバーガラスにおける、突起の断面SEM像の一例である。 比較例2に係るカバーガラスにおける、突起の断面SEM像の一例である。 比較例3に係るカバーガラスにおける、突起の断面SEM像の一例である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
前述のように、従来のペン入力装置用のカバー部材は、入力ペンと指の両方による入力を十分に想定しているとは言い難く、このため、入力ペンによる書き味には優れても、指による操作感(指滑り性)が悪いという問題、あるいはその逆の問題が生じている。
これに対して、本発明では、ペン入力装置用のカバーガラスであって、
表面に複数の突起を有し、
該突起は、相互に700nm以下のピッチで前記表面に二次元的に配置され、
前記突起の前記表面と平行な方向における断面の断面積は、前記表面から高さ方向に沿って徐々に小さくなり、
前記突起の先端は、平坦部を有さず、または最大幅が123nm以下の平坦部を有することを特徴とするカバーガラスが提供される。
本願において、「ペン入力装置」とは、必ずしも、入力ペンによる入力に特化された装置を意味するものではないことに留意する必要がある。すなわち、本願において、「ペン入力装置」とは、入力ペンによる入力および/または指による入力が可能な装置の全体を意味し、「ペン入力装置」には、例えば、タブレット型携帯電話、タブレット型携帯情報端末、電子手帳、画像描画用ペンタブレット、およびタブレット型パーソナルコンピュータ等が含まれる。その意味では、本願の「ペン入力装置」は、「ペン入力可能装置」とも称することができる。
本発明によるペン入力装置用のカバーガラスは、表面に複数の突起を有し、該突起は、相互に700nm以下のピッチで前記表面に二次元的に配置され、前記突起の前記表面と平行な方向における断面の断面積は、前記表面から高さ方向に沿って小さくなり、前記突起の先端は、平坦部を有さず、または最大幅が123nm以下の平坦部を有するという特徴を有する。
後に詳しく示すように、カバーガラスの表面にこのような突起を形成した場合、入力ペンを使用した際に、良好な筆記感(書き味)が得られるとともに、指による入力の際の操作感(指滑り性)を向上させることができる。
従って、本発明では、入力ペンによる書き味に加えて、指滑り性に優れるカバーガラスを提供することができる。
(指滑り性および入力ペンの書き味について)
以下、図面を参照して、前述のような特徴を有する本発明によるペン入力装置用のカバーガラス(以下、単に「本発明のカバーガラス」と称する)によって得られる、入力ペンによる書き味、および指操作の際の指滑り性の両特性について、詳しく説明する。
図1には、一定荷重Pを受けた物体がある表面(以下、「移動表面」という)を一定の速度で移動する際の時間t(または移動距離)と摩擦力Fの関係を模式的に示す。
図1に示すように、一般に、物体が定常的に動き始めた以降(時間t=t以降)は、摩擦力F(動摩擦力F)と時間tの間には、近似的に直線的な関係が得られる。以下、このような関係が得られる領域を、「直線領域」と称する。特に、この直線領域では、動摩擦力Fは、時間によらず比較的一定の値となる場合がある。
また、一般に、直線領域では、動摩擦力F(N)と荷重P(N)の間には以下の関係が成り立つ:

=μ×P (1)式

ここで、μは動摩擦係数である。μは、移動表面の状態等によって変化する。
図2〜図4には、移動表面の状態が異なる場合の動摩擦力F(N)と時間tの関係を模式的に示す。
図2には、移動表面が極めて平滑な場合に得られる挙動を示す。このような移動表面では、動摩擦係数μが小さいため、動摩擦力Fも小さくなる傾向にある。
このような表面を有するカバーガラスに対して、例えば、入力ペンによる入力操作を実施した場合、入力ペンが滑りすぎて、意図した操作ができなくなるという問題が生じ得る。
次に、図3には、移動表面が激しい凹凸を有する場合に得られる挙動を示す。このような移動表面では、物体の移動中の動摩擦係数μの変動が大きくなり、従って、動摩擦力Fの変動も大きくなる。また、動摩擦力F(N)の標準偏差をσ(N)としたとき、σ/Fで表されるY値は、大きくなる。
このような表面を有するカバーガラスに対して、例えば、指による入力操作を実施した場合、指が「引っかかる」感覚を強く感じるようになり、使用者のストレスが高くなるという問題が生じ得る。
これに対して、移動表面が図2と図3の中間の状態を有する場合、動摩擦力F(N)と時間tの間には、例えば図4に示すような関係が得られる。
すなわち、そのような移動表面では、動摩擦係数μがある範囲内に制御される。また、動摩擦係数μの変動がある程度抑制され、これにより動摩擦力Fの変動も小さくなる。その結果、Y値(=σ/F)も小さくなる。
このような表面を有するカバーガラスに対して、例えば入力ペンによる入力操作を実施した場合、入力ペンの滑りすぎによる誤入力が有意に抑制される。また、入力ペンを移動する際に、「引っかかり」感を感じにくくなる。従って、このような表面では、入力ペンの書き味が向上する。
また、このような表面を有するカバーガラスに対して、例えば指による入力操作を実施した場合、指を移動する際に、「引っかかり」感を感じにくくなる。従って、このような表面では、指滑り性が向上する。
このように、動摩擦力F(N)と時間tの間に図4の関係が得られるように、移動表面を制御することにより、入力ペンの書き味と指滑り性の両方の特性を高めることが可能であることがわかる。
本発明では、カバーガラスの表面に、前述のような特徴を有する突起が形成されている。この場合、入力ペンによる入力、および指による操作のいずれに対しても、動摩擦力F(N)と時間tの間に、図4に示すような関係を得ることができる。
より具体的には、本発明では、カバーガラスの表面において、150gf(1.47N)の荷重を受けた入力ペンを、室温で1mm/秒の速度で一方向に移動させた際に、動摩擦力(Fkp(N)で表す)と時間tの関係が直線で近似される領域、すなわち直線領域における動摩擦係数(μkpで表す)が0.10以上となる。ここで、この特性は、入力ペンとして、ポリアセタール製のペン先を有するものを使用した場合の結果である。
特に、動摩擦係数μkpは、0.20以上であることが好ましい。
この場合、入力ペンによる操作時に適度の抵抗が発生する。従って、入力ペンに意図しない滑りが生じたり、入力ペンに「引っかかり」が生じたりすることが有意に抑制される。また、入力ペンの操作に対する違和感が少なくなり、入力ペンを意図した通りに移動させることができる。その結果、本発明によるカバーガラスでは、入力ペンによる書き味を有意に向上させることができる。
また、本発明では、カバーガラスの表面において、50gf(0.49N)の荷重を受けた合成皮革を、室温で1mm/秒の速度で一方向に移動させた際に、直線領域における前記動摩擦力(Fkg(N)で表す)の標準偏差をσ(N)としたとき、σ/Fkgで表されるY値が0.04以下になる。
特に、Y値は、0.035以下であることが好ましく、0.032以下であることがより好ましい。
この場合、指による入力時に、指に「引っかかり」が生じたりすることが有意に抑制される。その結果、本発明では、指での操作の際の指滑り性を高めることができる。
このような特徴により、本発明では、入力ペンによる書き味および指滑り性の両方に優れるカバーガラスを提供することができる。
(本発明の一実施形態によるペン入力装置用のカバーガラス)
次に、図5および図6を参照して、本発明の一実施形態によるペン入力装置用のカバーガラスの構成および特徴について説明する。
図5には、本発明の一実施形態によるペン入力装置用のカバーガラス(以下、単に「第1のカバーガラス」と称する)の構成を概略的に示す。また、図6には、図5に示した第1のカバーガラスの表面における部分拡大断面図を示す。
図5に示すように、第1のカバーガラス100は、第1の表面112および第2の表面114を有するガラス基板110を有する。
図6に示すように、少なくともガラス基板110の第1の表面112には、複数の突起120が縦横2次元的に配置されている。各突起120は、隣り合う突起同士の距離(PX)が一定となるように配置されている。
ピッチが極端に大きい場合には、強い回折光によって表示画面に着色を生じたり、光の屈折現象によって表示像が乱れるといった問題が生じるため、ピッチPXは、700nm以下である。ピッチPXは、600nm〜80nmの範囲であることが好ましく、400nm〜160nmの範囲であることがより好ましい。
各突起120は、根元部分132および先端134を有する。また、各突起120は、根元部分132から先端134に向かって、断面積(第1および第2の水平方向と平行な方向における断面の断面積。以下同じ)が徐々に減少する形状を有する。先端134は、実質的に尖った形状を有する。従って、突起120は、高さ方向に沿って直線的に変化する輪郭を有しており、図6の方向(Y方向)から見たとき、略三角形状の断面を有する。
なお、図6では例として直線的に変化する輪郭を有する略三角形状の断面を示したが、曲線的に変化する釣鐘型形状などの断面を有しても良い。
また、図6からは明確ではないが、突起120は、略円錐形状、略楕円錐形状および略角錐形状(例えば三角錐、四角錐、または多角錐)のいずれの形状を有しても良い。
突起120の高さhは、例えば、24nm〜1190nmの範囲であり、100nm〜500nmの範囲であっても良い。
また、突起120のアスペクト比、すなわち、根元部分132の最も寸法が大きな位置(底面)における最大長さaに対する突起120の高さhの比(h/a)は、0.3〜1.7の範囲である。アスペクト比は、0.5〜1.5の範囲であることが好ましい。
さらに、突起120同士の間のギャップ部分130の長さSXは、極端に大きくなると表面の反射を抑制する効果が低減するため、200nm以下であり、100nm以下が好ましく、50nm以下がより好ましい。ギャップ部分130の長さSXは、例えば、0(ゼロ)であっても良い。あるいは、突起120同士は、根元部分132の一部が相互に重なり合っていても良い。
各突起120は、ガラス基板110の第1の表面112自身をそのような形状に加工することによって構成される。
ガラス基板110の第1の表面112に、このような突起120の配列を形成した場合、入力ペンによる書き味に優れる上、指滑り性も良好な表面が得られる。従って、これにより、入力ペンによる書き味と指滑り性の両立が可能な、第1のカバーガラス100を得ることができる。
さらに、第1のカバーガラス100がこのような突起120を形成した場合、第1のカバーガラス100に、反射防止機能が発現される。従って、第1のカバーガラス100は、周囲が明るい環境下においても、表面での外光の反射を抑制し、ユーザの視認性を高めることができる。
(本発明の一実施形態によるペン入力装置用の別のカバーガラス)
次に、図7および図8を参照して、本発明の一実施形態によるペン入力装置用の別のカバーガラスについて説明する。
図7には、本発明の一実施形態によるペン入力装置用の別のカバーガラス(以下、単に「第2のカバーガラス」と称する)の構成を概略的に示す。また、図8には、図7に示した第2のカバーガラスの表面における部分拡大断面図を示す。
図7に示すように、第2のカバーガラス200は、第1のカバーガラス100と同様の構成を有し、すなわち第1の表面212および第2の表面214を有するガラス基板210を有する。ただし、第2のカバーガラス200は、ガラス基板210の第1の表面212に配置された突起の構成が、第1のカバーガラス100とは異なっている。
すなわち、図8に示すように、突起220は、第1の表面212に、縦横2次元的に配置されているものの、その構成は、図6に示した突起120とは異なっている。
より具体的には、第2のカバーガラス200において、各突起220は、根元部分232および先端234を有する。なお、各突起220は、第1の水平方向(X方向)に沿って、一定のピッチPXで配置されている。図8からは明確ではないが、各突起220は、第1の水平方向と直交する第2の水平方向(Y方向)においても、一定のピッチPYで配置されている。
ピッチPXは、700nm以下である。なお、突起220同士の間には、水平なギャップ部分230が存在しても良い。
ここで、突起220は、根元部分232から先端234に向かって、すなわち図8のZ方向に沿って、断面積が徐々に減少する形状を有する。また、突起220の先端234は、略水平な平坦部を有する。その結果、突起220は、図8の方向(Y方向)から見たとき、略台形状の断面を有する。
なお、図8からは明確ではないが、突起220は、略円錐台形状、略楕円錐台形状および略角錐台形状(例えば三角錐、四角錐、および多角錐から、頂点を共有し相似に縮小した錐体を取り除いた立体図形)のいずれの形状を有しても良い。
突起220の先端234において、平坦部の最大幅Wbは、123nm以下である。平坦部の最大幅Wbが123nmを超えると、指滑り性が低下する問題が生じるのみならず、ガラス表面の反射防止性能が低下する問題が生じる。
最大幅Wbは、100nm〜1nmの範囲であることが好ましく、50nm未満であることがより好ましい。最大幅Wbが実質的に0(ゼロ)〜20nnmの場合、先端234が尖った突起、すなわち、図6に示したような形状の突起120が得られる。
また、図8に示すように、この突起220は、ガラス基板210自身の一部ではなく、ガラス基板210の第1の表面212上に配置された、別の材料で構成される。従って、「第2のカバーガラス200の表面」は、ガラス基板210の第1の表面212と、突起220の配列とで構成される。
突起220を構成する材料は、無機材料であり、例えばシリカであっても良い。
一般に、ガラス基板の表面を高精度で微細加工するには、相応の技術およびコストが必要である。これに対して、ガラス基板の表面に別の無機材料層を配置した場合、この無機材料層に対しては、比較的簡単に低コストで、高精度な微細加工を行うことができる。従って、第2のカバーガラス200では、第1のカバーガラス100に比べて、突起220をより簡単に、効率的に形成することができるという利点が得られる。
なお、エネルギー線硬化性樹脂などの有機物を使用して、さらに安価にガラス基板表面に同様の構造を作製することも可能であるが、本使用目的のように、表面に指で接触したり入力ペンでなぞったりする用途に対しては、充分な擦り耐性強度が得られないため、突起220を構成する材料は、強度が確保できる無機材料が適切である。
このようなガラス基板210の第1の表面212においても、入力ペンによる書き味に優れ、指滑り性が良好な表面が得られる。従って、入力ペンによる書き味と指滑り性の両立が可能な、第2のカバーガラス200を得ることができる。
さらに、第2のカバーガラス200の突起220をこのように構成した場合、第2のカバーガラス200に、反射防止機能が発現される。従って、第2のカバーガラス200は、周囲が明るい環境下においても、表面での外光の反射を抑制し、視認性を高めることができる。
以上、第1のカバーガラス100および第2のカバーガラス200を例に、本発明の一実施形態によるペン入力装置用のカバーガラスの構成について説明した。
しかしながら、これらのカバーガラス100、200は、単なる一例であって、本発明によるペン入力装置用のカバーガラスは、他の構成を有しても良い。
例えば、図5および図6に示した第1のカバーガラス100では、突起120は、第1の水平方向(X方向)および第2の水平方向(Y方向)に、一定のピッチPX、PYで規則的に配置されている。しかしながら、各突起120は、第1の水平方向および/または第2の水平方向において、ランダムに配置されても良い。その場合、隣接する各突起120同士の最大距離が700nm以下となるようにして、各突起120が配置される。
また、第1のカバーガラス100では、突起120の根元部分132は、突起120の高さ方向に沿って、直線的に変化する輪郭を有する。しかしながら、突起120の根元部分132は、突起120の高さ方向に沿って、釣鐘形型等の曲線的に変化する輪郭を有しても良い。
第2のカバーガラス200においても、同様のことが言える。
また、第1および第2の表面112、212における、突起120および突起220の配列は、六方格子配列、四方格子配列、もしくはランダムに配置されても良い。
また、第1のカバーガラス100において、突起120は、ガラス基板110自身の一部ではなく、ガラス基板110の第1の表面112上に配置された、別の材料(無機材料)で構成されも良い。同様に、第2のカバーガラス200において、突起220は、ガラス基板210の第1の表面212自身をそのような形状に加工することにより、構成されても良い。
第1および第2のカバーガラス100、200において、この他にも各種変更が可能であることは、当業者には明らかである。
(カバーガラスの詳細仕様について)
次に、本発明の一実施態様によるペン入力装置用のカバーガラスの詳細な特徴について説明する。
なお、ここでは、図7および図8に示した第2のカバーガラス200を例に、その詳細構成について説明する。従って、以下の説明において、各部分を表す際には、図7および図8に示した参照符号を使用する。ただし、以下の説明が、図5および図6に示したような第1のカバーガラス100においても、そのまま、または部分的に修正して適用できることは、当業者には明らかである。
(ガラス基板210)
ガラス基板210の組成は、特に限られない。ガラス基板210は、例えば、ソーダライムシリケートガラス、アルミノシリケートガラス、および無アルカリガラス等で構成されても良い。
ガラス基板210の寸法は、第2のカバーガラス200が適用されるペン入力装置に依存する。ガラス基板210の厚さは、例えば0.2mm〜1.5mmの範囲であっても良い。
(突起220)
ガラス基板210の第1の表面212に配置される突起220は、前述のように、無機材料で構成される。無機材料としては、例えば、シリカが挙げられる。
無機材料製の突起220は、例えば、スパッタリング法およびゾルゲル法などを用いて、ガラス基板210に無機材料の層を成膜した後、この層をパターン化することにより形成することができる。
無機材料の層のパターン化処理には、例えば、ゾルゲル材料を用いたナノインプリント法または、後述の熱ナノインプリント法、ナノインプリントリソグラフィ法、フォトリソ/エッチング法、および干渉露光法等の技術が適用されても良い。
ちなみに、第1のカバーガラス100の突起120を形成する場合は、ガラス基板110の第1の表面112を加工することにより、突起120が形成される。この場合は、後述するように、熱ナノインプリント法、ナノインプリントリソグラフィ法、フォトリソ/エッチング法、および干渉露光法等の技術を適用することにより、ガラス基板110の第1の表面112に、複数の突起120が形成されても良い。
なお、突起220には、指紋付着防止材がコーティングされても良い。突起220に指紋付着防止材をコーティングすることにより、第1のカバーガラス100の表面に指紋や油脂などの汚れが付着することが防止される。また、そのような汚れの除去が容易になる。
(第2のカバーガラス200の他の特性)
次に、本発明の一実施態様によるペン入力装置用のカバーガラスの他の特性について説明する。
(反射率)
本発明の一実施態様によるペン入力装置用のカバーガラスは、有意に低い反射率を有する。
例えば、本カバーガラスは、波長400nmから700nmに範囲おける5°正反射率の平均値(以下、「平均5°正反射率」という)が、1.5%未満である。
平均5°正反射率が低いほど、カバーガラスにおける外光の映り込みが低減される。従って、平均5°正反射率は、1.0%未満であることが好ましく、0.5%未満であることがより好ましく、0.15%未満であることがさらに好ましい。
なお、平均5°正反射率は、以下のように測定することができる。カバーガラス供試体の裏面に黒色インクを塗り、この裏面での反射を抑制した状態で、供試体の表面方向から、表面に対する鉛直線に対して5°傾斜した角度で光を入射させ、分光光度計を用いて正反射光を測定する。この測定を、波長400nmから700nmの波長範囲で実施し、全波長に対する平均値を算出することで、平均5°正反射率が求められる。
(本発明の一実施形態によるカバーガラスの製造方法)
次に、前述のような特徴を有する本発明の一実施形態によるカバーガラスの製造方法について説明する。なお、ここでは、一例として、図5および図6に示したような構成を有する、第1のカバーガラスを例に、その製造方法について説明する。
図9には、本発明の一実施形態によるカバーガラスの製造方法(以下、「第1の製造方法」と称する)の概略的なフローを示す。図9に示すように、この第1の製造方法は、
(a)ガラス基板の第1の表面に、突起を形成するステップ(ステップS110)と、
(b)前記ガラス基板の第1の表面を化学強化処理するステップ(ステップS120)と、
(c)前記ガラス基板の第1の表面に、指紋付着防止材をコーティングするステップ(ステップS130)と、
を有する。ただし、ステップS120およびステップS130は、任意に実施されるステップであり、少なくとも一方は省略されても良い。また、ステップS110とステップS120は、逆の順番で実施されても良い。
以下、各工程について説明する。
(ステップS110)
まず、ガラス基板が準備される。
ガラス基板の種類は、特に限られない。例えば、ガラス基板は、ソーダライムシリケートガラス、アルミノシリケートガラス、または無アルカリガラスであっても良い。ただし、次工程(ステップS120)において化学強化処理を実施する場合、ガラス基板は、アルカリ金属元素を含む必要がある。
ガラス基板は、350nm〜800nmの波長領城に高い透過率、例えば80%以上の透過率を有することが好ましい。また、ガラス基板は、十分な絶縁性を有し、化学的物理的耐久性が高いことが望ましい。
ガラス基板の製造方法は、特に限られない。ガラス基板は、例えばフロート法で製造しても良い。
ガラス基板の厚さは、2mm以下であることが好ましく、例えば、0.2mm〜1.5mmの範囲であっても良い。ガラス基板の厚さは、0.65mm〜1.1mmの範囲であることがより好ましい。ガラス基板の厚さが2mm以上の場合、重量が上昇して軽量化が難しくなり、また原材料コストが上昇してしまう。
次に、ガラス基板の一方の表面(第1の表面)に、複数の突起が形成される。
突起の形成方法は、特に限られない。突起は、例えば、熱ナノインプリント法、ナノインプリントリソグラフィ法、フォトリソエッチング法、または干渉露光法を用いて、形成しても良い。
このうち、熱ナノインプリント法では、ガラス基板の表面を加熱した状態で、該表面に型を押し付け、熱変形により、表面に所望の突起を形成する。使用される型には、形成する突起に対応した反転形状の凹凸が設けられる。
また、ナノインプリントリソグラフィ法では、まず、ガラス基板の表面に、光硬化性の樹脂が塗布され、樹脂層が形成される。次に、この樹脂層に型を押し付けながら、光を照射することにより、樹脂層を硬化させる。型には、形成する突起に対応した形状の凹凸が設けられているため、型を取り除いた後には、樹脂製の凹凸パターンが形成される。次に、この樹脂製の凹凸パターンをマスク材として、ガラス基板の表面をエッチングすることにより、ガラス基板の表面に、突起の配列を形成することができる。
また、フォトリソ/エッチング法では、まずガラス基板の表面に、フォトレジストが塗布される。次に、フォトレジストの上部にマスクを配置した状態で、フォトレジストに光を照射して、フォトレジスト内で光反応を進行させる。その後、現像処理により、余分なフォトレジストを取り除き、フォトレジストパターンを得る。次に、このフォトレジストパターンをマスク材として、ガラス基板の表面をエッチングすることにより、ガラス基板の表面に突起の配列が形成される。
フォトリソ/エッチング法を使用する場合、特に、米国特許出願公開第2012/0282554号に開示されているローリングマスクリソグラフィ技術を使用しても良い。この技術では、円筒状のロールマスクを使用して、突起を形成することができる。この方法には、微細な突起を大面積にわたって簡便に形成できるという利点がある。
さらに、干渉露光法では、まずガラス基板の表面に、フォトレジストが塗布される。次に、フォトレジストに対して、2光束以上のレーザ光を同時に照射することにより、フォトレジスト内で光干渉を生じさせる。その後、現像処理により余分なフォトレジストを取り除き、フォトレジストパターンを形成する。次に、得られたフォトレジストパターンをマスクとして、ガラス基板の表面をエッチングすることにより、ガラス基板の表面に、突起を形成することができる。
なお、以上の方法は、単なる一例に過ぎず、突起は、その他の方法で形成しても良い。
(ステップS120)
次に、必要な場合、ステップS110のガラス基板に対して、化学強化処理が実施される。
ここで、「化学強化処理(法)」とは、アルカリ金属を含む溶融塩中にガラス基板を浸漬させ、ガラス基板の最表面に存在する原子径の小さなアルカリ金属(イオン)を、溶融塩中に存在する原子径の大きなアルカリ金属(イオン)と置換する技術の総称を言う。「化学強化処理(法)」では、処理されたガラス基板の表面には、処理前の元の原子よりも原子径の大きなアルカリ金属(イオン)が配置される。このため、ガラス基板の表面に圧縮応力層を形成することができ、これによりガラス基板の強度が向上する。
例えば、ガラス基板がナトリウム(Na)を含む場合、化学強化処理の際、このナトリウムは、溶融塩(例えば硝酸塩)中で、例えばカリウム(K)と置換される。あるいは、例えば、ガラス基板がリチウム(Li)を含む場合、化学強化処理の際、このリチウムは、溶融塩(例えば硝酸塩)中で、例えばナトリウム(Na)および/またはカリウム(K)と置換されても良い。
ガラス基板に対して実施される化学強化処理の条件は、特に限られない。
溶融塩の種類としては、例えば、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、塩化ナトリウム、および塩化カリウム等の、アルカリ金属硝酸塩、アルカリ金属硫酸塩、およびアルカリ金属塩化物塩などが挙げられる。これらの溶融塩は、単独で用いても、複数種を組み合わせて用いても良い。
処理温度(溶融塩の温度)は、使用される溶融塩の種類によっても異なるが、例えば、350℃〜550℃の範囲であっても良い。
化学強化処理は、例えば、350℃〜550℃の溶融硝酸カリウム塩中に、ガラス基板を2分〜20時間程度浸演することにより、実施しても良い。経済的かつ実用的な観点からは、350〜500℃、2〜10時間で実施されることが好ましい。
これにより、表面に圧縮応力層が形成されたガラス基板を得ることができる。
前述のように、このステップS120は、必須の工程ではない。しかしながら、ガラス基板に対して化学強化処理を実施することにより、ガラス基板の曲げ強度を高めることができる。この場合、入力ペンの当接に対するカバーガラスの耐破砕性が向上する。また、カバーガラス全体の強度が向上する。
(ステップS130)
次に、必要な場合、ガラス基板のエッチング処理表面に対して、指紋付着防止材がコーティングされる。この処理を、以下、「AFPコーティング処理」と称する。
ここで、AFPコーティング処理は、カバーガラスの表面に指紋や油脂などの汚れが付着することを防止したり、そのような汚れの除去を容易にするために実施される。
AFPコーティング処理は、ガラス基板と結合する官能基およびフッ素を含むフッ素系シランカップリング剤を用いて、ガラス表面を処理することにより実施される。
なお、指紋付着防止材は、ガラス基板の表面に存在するOH基とシランカップリング剤の縮合反応によりガラス表面に薄い膜を形成する。この縮合反応は、例えば、下記の反応に従って行われる:
ここで、Rは、C−C22のペルフルオロアルキル基または炭素原子間にエーテル性酸素原子を有するC−C22のペルフルオロアルキル基、好ましくはC−Cのペルフルオロアルキル基、さらに好ましくは炭素原子間にエーテル性酸素原子を有するC−C10のペルフルオロアルキル基であり、R基の中でSi原子と結合している部分は−CHCH−のハイドロカーボン構造の部位を有していても良く、nは1〜3の範囲の整数であり、Xはガラス表面に存在するシラノールのOH基と縮合反応が可能な加水分解性基である。
Xは、フッ素以外のハロゲンまたはアルコキシ基(−OR)であることが好ましく、ここで、Rは1〜6の炭素原子の直鎖または分岐鎖炭化水素であり、例えば、−CH、−C、−CH(CHの炭化水素が挙げられる。一部の実施の形態では、n=2または3である。好ましいハロゲン化シランは、トリクロロシランである。好ましいアルコキシシランは、トリメトキシシランである。
その他の指紋付着防止材としては、R−C(O)−Cl、R−C(O)−NHなどが挙げられる。
これらは、単独で使用しても、混合して使用しても良い。また、予め、酸またはアルカリなどで部分的に加水分解縮合物を作製してから、使用しても良い。
AFPコーティング処理は、乾式法で実施されても、湿式法で実施されても良い。
このうち乾式法では、蒸着法等の成膜プロセスにより、ガラス基板上にフッ素系シランカップリング剤が成膜される。この処理の前には、必要に応じて、ガラス基板に対して下地処理を実施しても良い。また、コーティングの密着力向上のため、加熱処理および加湿処理等を実施しても良い。
一方、湿式法では、フッ素系シランカップリング剤を含む溶液をガラス基板に塗布した後、ガラス基板を乾燥することにより、指紋付着防止材をコーティングすることができる。この処理の前には、必要に応じて、ガラス基板に対して下地処理を実施しても良い。また、コーティングの密着力向上のため、加熱処理および加湿処理等を実施しても良い。
なお、前述のように、このステップS130は、必須の工程ではない。
しかしながら、ガラス基板に対してAFPコーティング処理を実施することにより、カバーガラスの表面に指紋などの汚れが付着することを抑制したり、汚れの除去を容易化することができる。
また、ステップS130を実施することにより、前述の特徴、すなわち、カバーガラスの表面において、50gf(0.49N)の荷重を受けた合成皮革を、室温で1mm/秒の速度で一方向に移動させた際に、直線領域における前記動摩擦力Fkg(N)の標準偏差をσ(N)としたとき、σ/Fkgで表されるY値が0.04以下であるという特徴を有する表面を、比較的容易に得ることが可能になる。
以上の工程を経て、前述のような特徴を有する本発明の一実施例によるカバーガラスを製造することができる。
なお、上記の製造方法は、単なる一例であって、本発明の一実施例によるカバーガラスは、別の方法で製造されても良い。
例えば、図7および図8に示したような構造のカバーガラスを製造する場合、前述のステップS110において、ガラス基板の表面に、無機酸化物の層を形成するステップと、この無機酸化物の層をパターン化して、複数の突起を形成するステップが実施されても良い。
次に、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
以下の方法により、カバーガラスを製造した。また、得られたカバーガラスの特性を評価した。
まず、十分に洗浄したガラス基板を準備した。ガラス基板の厚さは、2.0mmである。次に、このガラス基板を、下地処理のため、1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザン(OAP;東京応化工業社製)とともに容器に入れて密封し、該容器を100℃に30分保持した。
次に、ガラス基板を容器から取り出し、このガラス基板の一方の表面(以下、「第1の表面」と称する)に、レジストを塗布した。
レジストには、ポジ型フォトレジスト(AZ−7904:AZエレクトロニクス社製)を使用し、スピンコーター(1H−DX2:ミカサ社製)を用いて、このレジストを、25℃で20秒間、ガラス基板上にスピンコートした。回転数は、3000rpmである。その後、ガラス基板をホットプレートの上に置き、90℃で180秒間、加熱した。これにより、ガラス基板の第1の表面に、厚さ430nmのフォトレジスト膜が形成された。
次に、フォトレジスト膜付きのガラス基板に対して、米国特許出願公開第2012/0282554号公報に開示されている、円筒状のロールマスクを使用したローリングマスクリソグラフィ法を使用して、露光を行なった。
露光後のガラス基板を現像液(AZ300MIF DEV.(2.38):AZエレクトロニクス社製)に30秒間漬け込み、現像を行った。その後、ガラス基板を純水でリンスし、エアガンでブローにより乾燥させた。これにより、フォトレジストパターン付きのガラス基板が得られた。
次に、得られたフォトレジストパターンにより、ガラス基板のエッチング処理を行なった。エッチング処理には、高密度プラズマエッチング装置(NLD−500:アルバック社製)を使用し、エッチングガスとして、Ar/SF混合ガスを使用した。Arガスの流量は、50sccmとし、SFガスの流量は、10sccmとした。RFパワーは、500Wとし、圧力は、100Paとした。また、処理時間は、90秒とした。
以下の表1には、実施例1におけるガラス基板のエッチング処理条件をまとめて示した。
これにより、ガラス基板の第1の表面に、突起の配列が形成された。
次に、ガラス基板を、室温のレジスト剥離液(剥離液106:東京応化製)に10分間浸漬させ、レジスト膜の剥離を行った。その後、ガラス基板を純水でリンスし、エアブローにより乾燥させた。
次に、室温でのディッピング法により、ガラス基板の第1の表面に指紋付着防止材(OPTOOL DSX:ダイキン工業社製)をコーティングした。
以上の工程により、第1の表面に突起を有するカバーガラス(以下、「実施例1に係るカバーガラス」という)を製造した。
(実施例2〜実施例6)
実施例1と同様の方法により、第1の表面に突起の配列を有するカバーガラスを製造した。
ただし、実施例2〜実施例6では、ガラス基板のエッチング処理の条件として、実施例1とは異なる条件を採用した。すなわち、高密度プラズマエッチング装置によるエッチング処理の際に、エッチングガスの種類(Ar/C/SF/Oのうち、2〜3種を混合したガス)、流量、RFパワー、およびエッチング時間等を変えることにより、ガラス基板の第1の表面に、形状の異なる突起の配列を形成した。
前述の表1には、実施例2〜6におけるガラス基板のエッチング処理条件をまとめて示した。
以下、実施例2〜実施例6で得られたカバーガラスを、それぞれ、「実施例2乃至実施例6に係るカバーガラス」と称する。
(比較例1)
実施例1において準備した、表面が平坦なガラス基板をそのまま、比較例1に係るカバーガラスとした。
(比較例2および比較例3)
実施例1と同様の方法により、第1の表面に突起を有するカバーガラスを製造した。
ただし、比較例2および比較例3では、ガラス基板のエッチング処理の条件として、実施例1とは異なる条件を採用した。すなわち、高密度プラズマエッチング装置によるエッチング処理の際に、エッチングガスの種類(Ar/C/SF/Oのうち、2〜3種を混合したガス)、流量、RFパワー、およびエッチング時間等を変えることにより、ガラス基板の第1の表面に、形状の異なる突起の配列を形成した。
前述の表1には、比較例2〜3におけるガラス基板のエッチング処理条件をまとめて示した。
以下、比較例2および比較例3で得られたカバーガラスを、それぞれ、「比較例2および比較例3に係るカバーガラス」と称する。
図10〜図12には、それぞれ、実施例3、実施例4、および比較例3に係るカバーガラスの第1の表面に形成された突起の断面図を模式的に示した。また、図13には、実施例1に係るカバーガラスの第1の表面に形成された突起の上面図を模式的に示した。
これらの断面形状は、走査型プローブ顕微鏡(SPM)(L−trace/Nanonavi:エスアイアイ・ナノテクノロジー社製)によって測定されたものである。測定は、各カバーガラスの表面における2μm四方の領域に対して、取得データ数1024×1024として実施した。測定には、Nanoworld社製のカンチレバー(製品名:Point Probe Plus−NCHR)を使用した。
(評価)
製造された各例に係るカバーガラスを用いて、以下の各特性を測定した。
(突起形状)
突起形状の測定は、製造された各例にかかるカバーガラスを25℃にて割断し、走査電子顕微鏡(SEM)(S4300:HITACHI社製)で断面観察を行ない、得られた像に対して測長を実施した。
突起の寸法として、突起の高さh、アスペクト比(=h/a:ここでaは根元部分の最大寸法)、先端の平坦幅Wb、およびWb/a(先端の平坦幅/根元部分の最大寸法)等を測定した。
(平均5°正反射率の測定)
平均5°正反射率の測定は、分光光度計(UV−3100PC/MPC−3100:島津製作所製)を使用して、以下のように実施した。
まず、各カバーガラスの第2の表面(突起を有さない表面)に、黒色インク(ヌーロブラック:株式会社カンペハピオ社製)を塗り、一晩乾燥させた。次に、各カバーガラスの第1の表面側から、該第1の表面に対する鉛直線に対して5°傾斜した角度で光を入射させ、分光光度計を用いて正反射光を測定した。測定波長範囲は400nm〜700nmとし、サンプリングピッチは1nmとした。
同じ測定を、測定系にカバーガラスを設置せずに実施した(ブランク測定)。また、各波長において、ブランク測定において得られた光量(100%)に対する、カバーガラスにおいて測定された反射光量の割合を求め、これをカバーガラスの反射率とした。さらに、得られた反射率から、波長400nm〜700nmにおける平均値を算出し、これを平均5°正反射率とした。
以下の表2には、各カバーガラスにおいて測定された突起の形状および寸法、ならびに平均5°正反射率をまとめて示す。なお、突起の最大ピッチは、突起を形成していない比較例1に係るカバーガラスを除き、いずれのカバーガラスにおいても、700nm以下であった。
また、図14〜図21には、それぞれ、実施例1〜実施例6、および比較例2〜比較例3に係るカバーガラスにおける、突起の断面SEM像の一例を示す。
これらの結果から、実施例1〜実施例5に係るカバーガラスでは、いずれも突起の先端が実質的に平坦部を有さないことがわかる。また、実施例6に係るカバーガラスでは、突起の先端に、平坦幅Wb=123nmの平坦部が形成されていることがわかる。
一方、比較例2および比較例3に係るカバーガラスの場合、突起の先端の平坦部の平坦幅Wbは、それぞれ、337nmおよび264nmであり、比較的大きな平坦部が形成されていることがわかる。
また、実施例1〜実施例6に係るカバーガラスでは、平均5゜反射率は、最大でも1.35%(実施例1)であり、表面に突起を有さない比較例1に係るカバーガラスに比べて、平均5゜反射率が有意に抑制されていることがわかった。
(摩擦挙動の評価)
(1.指滑り性に関する評価)
各カバーガラスの指滑り性を評価するため、以下の方法により、各例に係るカバーガラスの摩擦挙動を測定した。
まず、各カバーガラスの第1の表面に、ロードセル付きの平面型圧子を50gf(0.49N)の荷重で配置する。圧子の少なくともカバーガラスと接触する面(面積1cm)には、合成皮革(厚さ0.6mm、表面粗さRa=15μm)を配置した。ロードセルのデータの取り込み速度は100msに設定した。
次に、圧子を水平方向に一定の移動速度(1mm/秒)で移動させる。移動距離は、20mmである。そして、圧子の移動中に生じる動摩擦力Fkg(N)を、表面性試験機(トライポギア TYPE38:新東科学社製)を用いて測定した。
また、動摩擦力Fkg(N)と時間tの関係が直線で近似される領域(直線領域)において、以下の(2)式から、

kg=μkg×P (2)式

動摩擦係数μkgを算定した。ここで、Pは、荷重(N)である。
さらに、直線領域における動摩擦力Fkg(N)の標準偏差をσ(N)としたとき、σ/Fkgで表されるY値を求めた。
なお、この実験は、室温(25℃)で実施した。
(2.入力ペンでの入力に関する評価)
次に、各例に係るカバーガラスの入力ペンによる操作性を評価するため、1.と同様の測定装置を用いて、摩擦挙動測定を実施した。
ただし、ここでは、圧子のカバーガラスと接触する面には、合成皮革の代わりに、入力ペンを取り付けた。入力ペンには、ポリアセタール製のペン先を有する入力ペンを使用した(ACK−20001:ワコム社製)。また、荷重Pは、150gf(1.47N)に設定した。その他の条件は、1.の場合と同様である。
圧子の移動中に生じる動摩擦力Fkp(N)を、表面性試験機(トライポギア TYPE38:新東科学社製)を用いて測定した。また、動摩擦力Fkp(N)と時間tの関係が直線で近似される領域(直線領域)において、以下の(3)式から、

kp=μkp×P (3)式

動摩擦係数μkpを算定した。
摩擦挙動の評価試験結果を、以下の表3にまとめて示す。
この結果から、実施例1〜実施例6に係るカバーガラスでは、指滑り性に関する評価に関して、標準偏差σが有意に小さく抑制されており、その結果、Y値も有意に抑制されていることがわかる。Y値は、最大でも、0.0345であり(実施例6)、いずれも0.04以下であった。
これに対して、比較例1〜比較例3に係るカバーガラスでは、Y値は、0.04を超えることがわかった。
また、入力ペンでの入力に関する評価では、比較例1に係るカバーガラスを除き、いずれのカバーガラスにおいても、動摩擦係数μkpは0.10以上であった。特に、実施例1〜実施例6に係るカバーガラスでは、動摩擦係数μkpは、いずれも0.20以上であり、有意に大きな動摩擦係数μkpを有することがわかった。
(書き味および指滑り性の評価)
次に、各例に係るカバーガラスに対して、入力ペンによる書き味と、指滑り性の評価試験(官能試験)を実施した。
入力ペンによる書き味の試験では、入力ペンを使用して、実際にカバーガラス上に描画した際に、HBの鉛筆で普通紙に書いたときの感覚と極めて近いものを◎とし、HBの鉛筆で普通紙に書いたときの感覚に近いものを○とし、書きづらい場合を×として、書き味を判定した。
一方、指滑り性の試験では、石鹸で洗って乾燥させた指を使用して、実際にカバーガラス上で指を滑らせた際に、滑りが非常に滑らかなものを◎、引っかかりなく滑らせることができるものを○、引っかかりを感じるものを×として、指滑り性を判定した。
測定結果を、前述の表3の「官能試験」の欄にまとめて示す。
この結果から、実施例1〜実施例6に係るカバーガラスでは、いずれも指滑り性が良好であることが確認された。特に、実施例1〜実施例5に係るカバーガラスは、極めて良好な指滑り性を示した。これに対して、比較例1〜比較例3に係るカバーガラスでは、良好な指滑り性が得られないことがわかった。
また、入力ペンによる書き味に関しても、実施例1〜実施例6に係るカバーガラスでは、良好な書き味が得られることがわかった。
以上のように、実施例1〜実施例6に係るカバーガラスでは、入力ペンによる書き味と、指滑り性の両方に関して、良好な特性が得られることが確認された。
100 第1のカバーガラス
110 ガラス基板
112 第1の表面
114 第2の表面
120 突起
130 ギャップ部分
132 根元部分
134 先端
200 第2のカバーガラス
210 ガラス基板
212 第1の表面
214 第2の表面
220 突起
230 ギャップ部分
232 根元部分
234 先端

Claims (9)

  1. ペン入力装置用のカバーガラスであって、
    表面に複数の突起を有し、
    該突起は、相互に700nm以下のピッチで前記表面に二次元的に配置され、
    前記突起の前記表面と平行な方向における断面の断面積は、前記表面から高さ方向に沿って徐々に小さくなり、
    前記突起の先端は、平坦部を有さず、または最大幅が123nm以下の平坦部を有することを特徴とするカバーガラス。
  2. 前記突起には、指紋付着防止材がコーティングされている、請求項1に記載のカバーガラス。
  3. 前記突起は、当該カバーガラス自身とは別の無機酸化物によって形成される、請求項1または2に記載のカバーガラス。
  4. 400nmから700nmの波長範囲における5゜正反射率の平均値が、1.5%未満である、請求項1乃至3のいずれか一つに記載のカバーガラス。
  5. 前記突起は、0.3〜1.7の範囲のアスペクト比を有する、請求項1乃至4のいずれか一つに記載のカバーガラス。
  6. 前記突起は、前記表面に規則的に配列されている、請求項1乃至5のいずれか一つに記載のカバーガラス。
  7. 前記突起は、略円錐、略楕円錐、略角錐、略円錐台、略楕円錐台、および略角錐台からなる群から選定されたいずれか一つの形状を有する、請求項1乃至6のいずれか一つに記載のカバーガラス。
  8. ペン入力装置用のカバーガラスの製造方法であって、
    熱ナノインプリント法、ナノインプリントリソグラフィ法、およびフォトリソエッチング法のいずれかにより、ガラス基板の表面に、複数の突起を形成するステップを有し、
    前記突起は、相互に700nm以下のピッチで前記ガラス基板の表面に配置され、
    前記突起の前記表面と平行な方向における断面の断面積は、前記表面から高さ方向に沿って徐々に小さくなり、
    前記突起の先端は、最大幅が123nm以下の平坦部を有することを特徴とするカバーガラスの製造方法。
  9. さらに、前記突起に指紋付着防止材をコーティングするステップを有する、請求項8に記載のカバーガラスの製造方法。
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