JP2017512145A - 基材・セラミックス積層体 - Google Patents

Abstract

本発明は、基材・セラミックス積層体に関する。本発明は、殊にセラミックス層が機能層である基材・セラミックス積層体に関する。

Description

本発明は、基材・セラミックス積層体に関する。本発明は、殊にセラミックス層が機能層である基材・セラミックス積層体に関する。

本発明の範囲において「機能層」とは、部材全体及び／又は基材と機能層とから構成される積層体に関わる機能を有するセラミックス、殊に多結晶セラミックスを含む層として理解される。前記機能は実質的に担持機能又は安定化機能ではない。これらの機能は、例えば機械的なもの（例えば耐ひっかき性）、化学的なもの（例えば耐薬品性）、又は熱的なもの（例えば耐熱性）、又は光学的なもの（例えばフィルタ作用）であってよい。この列挙は完全なものではなく、本発明をより詳細に説明するために用いるにすぎない。

基本的に問題となるのは、機械的、化学的、又は熱的に耐性もしくは抵抗性のある機能面の形成である。その際、基材にセラミックスを含む層（以下では単に「セラミックス層」とも称する）を施与し、ここでセラミックス層は、基材とセラミックス含有層とから構成される積層体が使用される部材に関して、又は積層体そのものに関して、特別な機能を有する。その際、セラミックス含有層は比較的薄いので、担持基材原料は有効な補強部として使用される。

従来技術から複数の代替的な解決手段が公知である。これらの解決手段とは、単結晶から製造された、化学的、及び熱的に硬化させた薄板ガラス又はサファイヤガラス（ここでサファイヤ単結晶又は単にサファイヤという言葉も同義として使用する）である。非常に薄いサファイヤ単結晶層をガラス基材に施与すること、つまりガラス上のサファイヤ積層体（ＳＯＧ＝ｓａｐｐｈｉｒｅ ｏｎ ｇｌａｓｓ）を製造することは比較的新しい開発である。さらなる変法は、特に硬い層、例えばＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層などを基材に施与することである。

しかしながら、殊に基材を機能層で被覆する場合、例えばＰＶＣ（物理蒸着）、ＣＶＤ被覆（化学蒸着）、ゾルゲル法による被覆などを用いて被覆する場合、個々の層及び層集合体の厚さにおいて被覆が制限されているという問題が生じる。層の厚さが比較的大きい場合、幾つかの適用について、基材と層の接着性がもはや十分ではなくなり、被覆は容易に剥落してしまう。前記層は、おそらく強度が低いこともあって、特に被覆と基材の接着維持力に関して、また耐ひっかき性に関しても敏感である。

硬化ガラスからの変法、例えばＣｏｒｎｉｎｇ社製の「Ｇｏｒｉｌｌａ Ｇｌａｓｓ」又はＳｃｈｏｔｔのＸｅｎｓａｔｉｏｎは、通常は５００ＭＰａ超という高い強度を有するが、耐ひっかき性、及び／又は耐薬品性及び耐熱性が十分ではないという欠点を有する。

サファイヤは光学的に複屈折性であるため、幾つかの光学的適用の際に欠点を有する。サファイヤは機械的安定性及び熱的安定性に関して異方性である。応力が高い場合は、サファイヤ単結晶の最適な「面」又は、結晶面を最大負荷方向に曝すためには特別な設計が必要となる。これは、断片を「正しい方向」で製造可能にするために、非常に大きな単結晶を成長させなくてはならないということになり得る。この理由からもサファイヤは非常に高価である。

さらに、サファイヤのモース硬さは９であり、よって加工が非常に困難である。切断、研削又は研磨はダイヤモンド工具によってのみ可能である。従って、サファイヤ基材を複雑な形状に加工すること、及び／又は複雑な形状のサファイヤを製造することは困難でもあり、コストもかかる。

ＳＯＧ積層体（たいていは厚さ３〜６ｍｍの化学的に硬化させたガラス上の厚さ０．５６ｍｍのサファイヤ単結晶層）によって、より低コストで、透明な耐摩耗層を作製することが可能になる。しかしながら、それでも製造費用は非常に高い。さらに、加工の困難性と同様に、複屈折特性という問題が依然として残る。サファイヤガラスは一般に、比較的大きな塊からダイヤモンドソーを用いて切り出され、両面を研磨しなくてはならない。この研磨は手間がかかるので、その適用について同様に高い費用につながる。

本発明の課題は、従来技術から公知の対応する部材よりも低コストで製造可能な、機能表面を有する部材を提供することである。さらに、部材が少なくとも部分的に透明であることも好ましい。

前記課題は、請求項１の対象によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

従って、本発明による対象は機能表面を有する部材を含む。特に好ましくは、前記部材が基材及び多結晶機能層を有し、ここで前記機能層は機能表面を有するか、又は機能表面である。

機能層がセラミックス、特に好ましくは多結晶セラミックスを含む本発明の一実施形態が好ましい。

本発明による部材の使用目的に応じて、基材のために様々な原料を使用することができる。例えば、プラスチック、ガラス、ガラスセラミックス又はセラミックスを使用することができ、あるいはまた複合材料及び可撓性原料を使用してもよいが、このような選択によっていかなる制限も課されるべきではない。透明な部材を前提とする適用については、基材原料として殊にガラスが適当であるが、プラスチックも適当である。透明であることが所望されていない、又は必要とされていない適用については当然、基材のために半透明または不透明な原料を使用してもよい。

本発明の意味において、透明セラミックスとは、光の波長が３００ｎｍ、６００ｎｍ及び／又は１５００ｎｍである場合、ＲＩＴ（Ｒｅａｌ Ｉｎ−Ｌｉｎｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）が少なくとも４０％、好ましくは少なくとも６０％であるセラミックスと理解される。

測定から分散光を排除するために、約０．５°という非常に狭い開口角で原料の透過性を測定し、この測定値を前記原料に関する理論上最大の透過性に対する比率に当てはめる。そこから特定のＲＩＴが算出される。

純粋に理論的には、完全な材料が存在し、かつそこから完全なセラミックスが製造された場合、透明性は厚さと無関係である。しかしながらセラミックスは気孔などを含むとすぐに、気孔の相境界における分散効果が表れ、その効果はセラミックスの厚さが大きくなるほど強くなる。この効果は透明性の低下をもたらす。よって、本発明の範囲において、「透明性」及び「ＲＩＴ」という言葉は５０μｍから１００ｍｍの厚さを有するセラミックスに関係する。

適用によっては、機能層も透明、半透明又は不透明セラミックスを含有することができる。透明セラミックスは、ガラスとセラミックスの重要な利点を互いに結びつけているので、機能層として特に好ましい。原則的には、あらゆる透明セラミックスを使用することができるが、殊にスピネル、及び好ましくはＡｌ−Ｍｇスピネルセラミックス、ＺｒＯ_２セラミックス、ＡｌＯＮセラミックス、ＳｉＡｌＯＮセラミックス、Ａｌ_２Ｏ_３セラミックス、又はＹ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｏ系からの混合酸化物セラミックスを使用することができる。同様に透明な基材との関連で、これらの部材は非常に高価なサファイヤ単結晶の適用に対する変法として使用することができる。サファイヤに比べて、セラミックスから構成される機能層は多様な利点を提供する。

サファイヤガラスはその単結晶構造ゆえに、光学的、機械的及び化学的に異方性である、つまりサファイヤガラスは光学的に複屈折性であり、及び他の全ての特性に関して優先配向を有する。多結晶セラミックスは、その不規則な組織ゆえに、実質的に等方性である。これは、光学的観点からも、その無機物が立方晶系である透明セラミックスの場合に該当する、つまり複屈折が存在しない。非立方晶系の透明セラミックスにおいては、複屈折は存在するものの、透明性をうみ出す無機物の粒度が１００ｎｍ未満でなくてはならないので、これらの多結晶原料における複屈折の効果は一般的には無視される。

セラミックス、殊にスピネルセラミックスのさらなる利点は、サファイヤガラスと同等の硬度での優れた加工性である。例えば、厚さ０．５〜２ｍｍの透明セラミックス（スピネル）層を機能層として使用する場合、ＳＯＧ結合の場合と同等の耐ひっかき性のある、化学的及び熱的に耐性のある層を作製することができる。スピネルセラミックスの加工時間（所定の表面品質への研磨）は、サファイヤガラスに同じ加工をするために必要な時間の約１／４の時間しか必要としないので、工程時間は実質的に短縮されて、コストの大幅な減少に繋がる。

（スピネル）セラミックスとサファイヤガラスはいずれも同じモース硬さを有しているにもかかわらず、（スピネル）セラミックスの方がサファイヤガラスよりも明らかに良好に加工できるという驚くべき結論は、おそらくセラミックスの多結晶構造に起因している。加工によりセラミックスの構造が破壊され、ここから個々の結晶が出てくることが推測される。結晶の取り出しは、結晶構造をそのまま加工するよりも容易に可能であると思われる。

セラミックス、殊にスピネルセラミックスのさらなる利点は、同じ強度のサファイヤガラスに比べてより高い「微小欠陥許容性」である（図１を参照）。この図は、左の写真で透明スピネルセラミックス、右の写真でサファイヤガラスを示す。両方の原料に欠陥を引き起こすビッカース硬さの試験を行った。スピネルセラミックスにおける欠陥は、実質的にビッカース圧子の圧痕に対応し、一方でサファイヤガラスにおける欠陥は剥落によってさらに周囲に広がった。

さらに、多結晶セラミックスはサファイヤガラスよりも良好にドープできる。ドープは、光学的バンドパスフィルタ及び着色剤を作製するために、特に透明な機能層において行うことができる。ドープは出発物質の５質量％までであってよい。ドーパント元素として、ランタノイド、アクチノイドの列からの元素、並びにＦｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕなどの公知のドーパント元素が対象となる。

本発明による機能層によって製造可能なさらなる機能は、一般的に、機械的、化学的、若しくは熱的な耐性、又は先ほどすでに記載した光学的機能である。殊に反射防止効果、耐ひっかき効果、及び／又は防曇効果を達成することができ、ここで、原料によっては、同じ原料によって複数の機能を達成することができる。

本発明の特に好ましい実施形態によると、基材及び機能層は接着促進剤を用いて互いに結合されており、ここで接着促進剤は殊に接着剤であってよい。

部材が透明であることが所望される場合、例えば、透明な接着剤（その屈折率が基材の屈折率と機能層の屈折率の間に介在する）を接着促進剤として使用してよい。

基材と機能層の間で接着促進剤を使用する場合のさらなる利点は、対応する屈折率を有する接着促進剤を選択した場合、機能層を上面だけ研磨すればよい、つまり機能層の、基材とは反対側だけしか研磨する必要がないことにある。この場合、接着促進剤の屈折率は機能層の屈折率に非常に近いものであるべきであり、その結果、意図した使用について知覚可能な相の移行部、又は知覚可能な境界面は存在しない。

コストを削減するため、及び様々な材料の有利な特性を組み合わせるために、非常に薄いセラミックス層（２ｍｍ未満、より良好には０.５ｍｍ未満、特に好ましくは１００μｍ）をその他の透明な材料、殊にガラスと積層させることができる。

機能層は、１００μｍ未満の厚さを有している場合、可撓性である。これは、屈曲した基材に問題なくそのような機能層を設けることができるという利点を有する。というのも基材の屈曲した形状に機能層を適合させることができるからである。これは、例えば車のフロントガラス又は時計用ガラス、又はありとあらゆる平らではない基材において有利である。当然、この機能層をプラスチックのような可撓性原料にも設けることができる。

さらに、屈折率の点で適合させた接着促進剤を使用する場合には、ガラス基材もしくは接着促進剤と接触しているセラミックス層側を研磨することなく、例えば化学的に硬化させたガラス基材に極めて薄い（５００μｍ未満又は１００μｍ未満でもある）厚さの透明セラミックス層を施与することができる。接着促進剤、例えば接着剤は、実質的にセラミックスと同じ屈折率を有するので、光学的に表面の凹凸を均一化する。引き続き、部材全体の表面だけをさらに研磨すればよい。そのようにして非常に薄い層（例えば、厚さ１００μｍ未満）を研磨することができる。

こうしてセラミックスの研磨は、部材の表面側のみで必要である。これは、とりわけ二つの面の研磨を省略するので、より低コストである。サファイヤガラスに比べて、例えばスピネルセラミックスは１／４の時間で同じ表面品質に研磨できる。さらに両面ではなく、機能層の片面のみで研磨が必要である場合、同等のサファイヤ機能層の表面品質を製造するために必要であろう時間の３／４を削減することができる。

部材が透明である必要がない場合、当然のことながら、同様に機能層の片面だけが研磨されていればよいか、又はそもそも機能層は研磨されていなくてよい。この場合、屈折率を適合させた接着剤を使用することは、当然不要である。

本発明による部材についての具体的な適用は、例えばスキャナ対応レジのスキャナ表面、ブラストキャビネットの表面、並びに、例えば床張り、階段又は時計用ガラスのような摩耗負荷がかかる全ての透明な面である。

非常に薄い、化学的に硬化させたガラス（例えば、厚さ０．３〜５ｍｍ）と、それより薄い多結晶透明セラミックス（例えば、厚さ０．０２〜０．８ｍｍ）とを組み合わせることで、非常に負荷に強く、薄い光学的部材を作製することができ、この部材は例えば、一般的には携帯電話用ディスプレイ、タブレット用ディスプレイ、コンピューター用ディスプレイなどに好適である。著しく薄いセラミックス層によって、セラミックスの耐ひっかき性、並びに他の記載した特性を利用でき、部材の厚さが低下すると強度も低下する（例えば、２００〜３００ＭＰａ）というセラミックスの最大の欠点は、化学的に硬化させたガラスによって解消できる。この系はＳＯＧ積層体よりも明らかに低コストであるという特別な利点も有する。

本発明のさらなる態様は、比較的大きな、殊に透明な平面を形成する可能性である。屈折率を適合させた接着促進剤を使用することで、例えば接着促進剤に一緒に埋め込まれている多くの小さなタイル（マルチタイル）から大きな平面を形成することができる。そのようにして、サファイヤガラスでは単結晶による制限ゆえに製造できない、例えば大型テレビ用の平面型ディスプレイを生産することができる。

図１は、透明スピネルセラミックス（左の写真）、サファイヤガラス（右の写真）を示す。

よって、本発明は殊に以下の構成を有する：
・機能表面を有する部材。
・前記部材が基材及び多結晶機能層を有し、前記機能層が前記機能表面を有する前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記多結晶機能層がセラミックスを含有する前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記基材が、プラスチック、ガラス、ガラスセラミックス又はセラミックス又は複合材料又は可撓性原料を含有する前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記機能層が、２ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍ未満、及び特に好ましくは１００μｍ未満の厚さを有する前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記基材及び/又は前記機能層が透明である前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記機能層が、機械的、及び/又は、化学的、及び/又は熱的に安定である前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記機能層が、光学的機能、殊に反射防止効果、及び/又はフィルタ効果を有する前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記機能層が、耐ひっかき効果、及び/又は防曇効果を有する前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記基材及び前記機能層が接着促進剤により互いに結合している前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記接着促進剤が透明であり、かつ前記基材の屈折率と前記機能層の屈折率の間に介在する屈折率を有する、又は透明な接着促進剤が前記機能層と同じ屈折率を有する前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記機能層が、基材とは反対側でのみ研磨されている前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記機能層が、透明セラミックス、殊にＡｌ−Ｍｇスピネルセラミックス、Ａｌ_２Ｏ_３セラミックス、ＡｌＯＮセラミックス、ＳｉＡｌＯＮセラミックス、ＺｒＯ_２セラミックス、又はＹ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｏ系からの混合酸化物セラミックスを含有し、ここで５質量％までのドーパント元素が含まれていてよい前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記基材及び前記機能層が接着促進剤により互いに結合している前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記接着促進剤が接着剤である前記部材。
・前述の構成のいずれか構成による部材であって、前記接着促進剤が透明な接着剤である前記部材。
・前述の構成のいずれかによる部材であって、前記接着促進剤が、前記基材の屈折率及び前記機能層の屈折率の間に介在する屈折率を有する透明な接着剤である前記部材。
・前述の構成のいずれか構成による部材であって、接着促進剤が、前記機能層の屈折率に非常に類似している屈折率を有する透明な接着剤であり、これにより、意図した使用について知覚可能な相の移行部、又は知覚可能な境界面が生じない前記部材。

本発明はさらに以下の構成を有する：
・前述の構成のいずれかによる部材の使用であって、摩耗負荷のかかる、殊に透明な表面、例えば、レジシステムのスキャナ表面、ブラストキャビンの表面、床張りの表面、時計用ガラスの表面又は階段の表面としての前記使用。
・前述の構成のいずれかによる部材の使用であって、光学的部材における、殊に一般的には携帯電話用ディスプレイ、タブレット用ディスプレイ又はコンピューター用ディスプレイのための前記使用。

Claims (20)

1. 機能表面を有する部材。
2. 請求項１に記載の部材において、前記部材が基材及び多結晶機能層を有し、ここで前記機能層が前記機能表面を含むことを特徴とする前記部材。
3. 請求項２に記載の部材において、前記多結晶機能層がセラミックスを含むことを特徴とする前記部材。
4. 請求項２又は３に記載の部材において、前記基材が、プラスチック、ガラス、ガラスセラミックス又はセラミックス又は複合材料又は可撓性原料を含むことを特徴とする前記部材。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の部材において、前記機能層が、２ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍ未満、及び特に好ましくは１００μｍ未満の厚さを有することを特徴とする前記部材。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の部材において、前記基材及び/又は前記機能層が透明であることを特徴とする前記部材。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の部材において、前記機能層が機械的、及び/又は化学的、及び/又は熱的に安定であることを特徴とする前記部材。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の部材において、前記機能層が光学的機能、殊に反射防止効果及び/又はフィルタ効果を有することを特徴とする前記部材。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の部材において、前記機能層が耐ひっかき効果及び/又は防曇効果を有することを特徴とする前記部材。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の部材において、前記基材及び前記機能層が接着促進剤により互いに結合されていることを特徴とする前記方法。
11. 請求項１０に記載の部材において、前記接着促進剤が透明であり、かつ前記基材の屈折率と前記機能層の屈折率の間に介在する屈折率を有する、又は透明な接着促進剤が前記機能層と同一の屈折率を有することを特徴とする前記部材。
12. 請求項１から１１までのいずれか一項に記載の部材において、前記機能層が基材とは反対側でのみ研磨されていることを特徴とする前記部材。
13. 請求項１から１２までのいずれか一項に記載の部材において、前記機能層が透明なセラミックス、殊にＡｌ−Ｍｇスピネルセラミックス、Ａｌ_２Ｏ_３セラミックス、ＡｌＯＮセラミックス、ＳｉＡｌＯＮセラミックス、ＺｒＯ_２セラミックス又はＹ−Ａｌ―Ｍｇ―Ｏ系からの混合酸化物セラミックスを含有し、ここで５質量％までのドープ元素が含まれていてよいことを特徴とする前記部材。
14. 請求項１から１３までのいずれか一項に記載の部材において、前記基材及び前記機能層が接着促進剤により互いに結合されていることを特徴とする前記部材。
15. 請求項１から１４までのいずれか一項に記載の部材において、前記接着促進剤が接着剤であることを特徴とする前記部材。
16. 請求項１から１５までのいずれか一項に記載の部材において、前記接着促進剤が透明な接着剤であることを特徴とする前記部材。
17. 請求項１から１６までのいずれか一項に記載の部材において、前記接着促進剤が、前記基材の屈折率及び前記機能層の屈折率の間に介在する屈折率を有する透明な接着剤であることを特徴とする前記部材。
18. 請求項１から１７までのいずれか一項に記載の部材において、前記接着促進剤が、前記機能層の屈折率に非常に類似している屈折率を有する透明な接着剤であり、これにより、意図した使用について、知覚可能な相の移行部、又は知覚可能な境界面が生じないことを特徴とする前記部材。
19. 請求項１から１８までのいずれか一項に記載の部材の使用であって、摩耗負荷のかかる、殊に透明な表面、例えば、レジシステムのスキャナ表面、ブラストキャビンの表面、床張りの表面、時計用ガラスの表面又は階段の表面としての前記使用。
20. 請求項１から１８までのいずれか一項に記載の使用であって、光学的部材における、殊に携帯電話のディスプレイ、タブレットのディスプレイ、又はコンピューターのディスプレイ一般のための前記使用。

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