JP2018111629A

JP2018111629A - ガラス部材及びその製造方法

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Publication number: JP2018111629A
Application number: JP2017002328A
Authority: JP
Inventors: 克岩尾; Katsu Iwao
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-01-11
Also published as: JP6955190B2

Abstract

【課題】内部が多孔質相であって、表層部が緻密質相である軽量なガラス部材及びその製造方法の提供。【解決手段】ガラス母材１を熱処理し、２相に分相させる工程、一方の相を酸またはアルカリで除去することにより多孔質体を得る工程、前記多孔質体の表面を熱処理して緻密質相３を形成する工程により、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下、多孔質相２における孔４の孔径が１００ｎｍ以下であり、緻密質相３の厚みが０．１〜１００μｍとする、ガラス部材１、及びその製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス部材及びその製造方法に関する。

近年、携帯電話、自動車等の窓、車載用ディスプレイ等に使用されるガラス部材の軽量化が求められている。このような要求に対し、一般的にガラスの薄肉化が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５６３３７１８号

しかしながら、一般的なガラスは密度が大きいため、ガラス部材の軽量化には限界があった。

以上に鑑み、本発明は、軽量なガラス部材を提供することを目的とする。

本発明のガラス部材は、内部が多孔質相であって、表層部が緻密質相であることを特徴とする。このようにすれば、ガラス部材を軽量化することができる。

本発明のガラス部材は、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、表面の光散乱が小さくなりやすく、ガラス部材の可視光域における光透過率が高くなりやすい。

本発明のガラス部材は、多孔質相における孔の孔径が１００ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、孔の孔径が可視光波長よりも十分に小さいため、ガラス部材の可視光域における光透過率が高くなりやすい。

本発明のガラス部材は、緻密質相の厚みが０．１〜１００μｍであることが好ましい。

本発明のガラス部材は、多孔質相の孔にガスを含む、または多孔質相の孔内が減圧状態であることが好ましい。このようにすれば、さらなる軽量化が可能となる。なお、ここでいう「ガス」とは、室温において気体となるもの、「減圧」とは大気圧より低い圧力を示す。

本発明のガラス部材は、密度が２．２ｇ／ｃｍ^３未満であることが好ましい。

本発明のガラス部材は、可視光域においてヘイズ率が１０％以下であることが好ましい。

本発明のガラス部材の製造方法は、ガラス母材を熱処理し、２相に分相させる工程、一方の相を酸またはアルカリで除去することにより多孔質体を得る工程、前記多孔質体の表面を熱処理して緻密質相を形成する工程を含むことを特徴とする。当該方法によれば、ガラス部材を容易に作製することが可能となる。

本発明のガラス部材の製造方法は、ガラス母材を熱処理し、２相に分相させる工程、一方の相を酸またはアルカリで除去することにより多孔質体を得る工程、及び、前記多孔質体の表面にガラス板を貼り合せることにより緻密質相を形成する工程を含むことを特徴とする。当該方法によれば、ガラス部材を容易に作製することが可能となる。

本発明によれば、軽量なガラス部材を提供することが可能となる。

本発明のガラス部材の一例を示す模式的断面図である。本発明のガラス部材の他の例を示す模式的断面図である。本発明のガラス部材の製造方法の第１の実施形態を示す模式的断面図である。本発明のガラス部材の製造方法の第２の実施形態を示す模式的断面図である。

以下に、本発明のガラス部材の実施形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明のガラス部材の一例を示す模式的断面図である。

本発明のガラス部材１は内部が多孔質相２であって、表層部が緻密質相３であることを特徴とする。内部が多孔質相２から構成されているため、ガラス部材１を軽量化することができる。また、表層部が緻密質相３から構成されているため、孔４へのガス、水分等の侵入が生じにくくガラス部材１の劣化や質量変化を防止することができる。なお、「緻密質相」とは、孔径１ｎｍ以上の孔が形成されていない相を意味する。

なお、ガラス部材１の形状は特に限定されないが、通常は板状である。そのほか、棒状、管状、レンズ状、ファイバー状、ブロック状と一般的なガラスの形状を有することができる。

ガラス部材１の表面粗さＲａは、１００ｎｍ以下、９０ｎｍ以下、特に８０ｎｍ以下であることが好ましい。Ｒａが大きすぎると、表面の光散乱が大きくなりやすいため、ガラス部材１の可視域における光透過率が低下しやすくなる。Ｒａの下限は特に限定されないが、現実的には０．０５ｎｍ以上である。

多孔質相２における孔４の孔径は、１００ｎｍ以下、９０ｎｍ以下、特に８０ｎｍ以下であることが好ましい。孔４の孔径が大きすぎると、光が散乱しやすくなり、ガラス部材１の可視光域における光透過率が低くなりやすい。孔４の孔径の下限は特に限定されないが、現実的には１０ｎｍ以上である。

多孔質相２の孔４は、ガスを含むことが好ましい。ガスは、空気、窒素、酸素、水素、アルゴン等の希ガス、混合ガス等であることが好ましい。孔４にガスを含むことで、ガラス部材１を軽量化しやすくなる。ガラス部材１をより軽量化するためには、ガスが空気より軽い水素または窒素であることが特に好ましい。また、孔４が減圧状態であってもよい。

緻密質相３の厚みは、０．１〜１００μｍ、０．５〜９０μｍ、特に１〜８０μｍであることが好ましい。緻密質相３の厚みが小さすぎると、ガラス部材１が割れやすくなる。一方、緻密質相３の厚みが大きすぎると、ガラス部材１を軽量化しにくくなる。

上記のような構成のガラス部材１の密度は、２．２ｇ/ｃｍ^３未満、２．１ｇ/ｃｍ^３以下、特に２ｇ/ｃｍ^３以下になりやすい。ちなみに、密度と誘電率には正の相関があることが一般的に知られている。密度が小さいと誘電率も小さくなるため、本発明のガラス部材は、携帯電話、タブレットＰＣ等の低誘電率が求められる基板材料としての利用も可能である。

また、可視光域においてヘイズ率が１０％以下、９％以下、特に８％以下になりやすい。ヘイズ率が大きすぎると、ガラス部材１の透明性が損なわれるため、携帯電話等のディスプレイに使用しにくくなる。ヘイズ率の下限は特に限定されないが、現実的には、０．１％以上である。

なお、孔４は、真球状、略楕円体、チューブ状等の様々な形状を有する。

図２は、本発明のガラス部材の他の例を示す模式的断面図である。図２において、孔４は、表面から内部まで連結した貫通孔である。

次に、本発明のガラス部材の製造方法について説明する。

（第１の実施形態）
図３は、本発明のガラス部材の製造方法の第１の実施形態を示す模式的断面図である。

まず、次に述べるようなガラス組成になるように、ガラス原料を調合する。

ガラス組成としては、後述するように、熱処理すると分相しやすいホウケイ酸ガラスであることが好ましい。

ホウケイ酸ガラスとしては、質量％で、ＳｉＯ_２５０〜８０％、Ｂ_２Ｏ_３１〜４０％、Ｒ_２Ｏ（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋから選択されるすくなくともいずれか１種）０〜２０％、Ｒ’Ｏ（Ｒ’はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから選択される少なくとも１種）０〜２０％、Ａｌ_２Ｏ_３０〜１０％、Ｐ_２Ｏ_５０〜１０％、ＺｎＯ０〜１０％を含有するものであることが好ましい。以下に、各成分の含有量を上記のように特定した理由を説明する。なお、特に断りがない場合、以下の成分含有量に関する説明において、「％」は「質量％」を意味する。

ＳｉＯ_２はガラスネットワークを形成する成分である。ＳｉＯ_２の含有量は５０〜８０％、特に５０〜７５％であることが好ましい。ＳｉＯ_２の含有量が少なすぎると、耐候性や機械的強度が低下する傾向がある。一方、ＳｉＯ_２の含有量が多すぎると、溶融温度が高くなる傾向がある。

Ｂ_２Ｏ_３はガラスネットワークを形成し、分相を促進する成分である。Ｂ_２Ｏ_３の含有量は１〜４０％、２〜３８％、２〜３５％であることが好ましい。Ｂ_２Ｏ_３の含有量が少なすぎると、上記効果が得にくい。一方、Ｂ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、耐候性が低下しやすくなる。

Ｒ_２Ｏ（ＲはＬｉ、Ｎａ及びＫから選択される少なくとも１種）は溶融温度を低下させて溶融性を改善する成分であるとともに分相を促進させる成分である。Ｒ_２Ｏの含有量は０〜２０％、特に０．１〜１８％であることが好ましい。Ｒ_２Ｏの含有量が多すぎると、耐候性が低下する傾向がある。なお、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏの含有量は各々０〜２０％、特に０．１〜１８％であることが好ましい。

Ｒ’Ｏ（Ｒ’はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから選択される少なくとも１種）は溶融温度を低下させて溶融性を改善する成分である。Ｒ’Ｏの含有量は０〜２０％、特に０．１〜１８％であることが好ましい。Ｒ’Ｏの含有量が多すぎると、耐候性が低下する傾向がある。なお、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの含有量は各々０〜２０％、特に０．１〜１８％であることが好ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３は耐候性や機械的強度を向上させる成分である。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は０〜１０％、０〜８％であることが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、溶融性が低下する傾向がある。

Ｐ_２Ｏ_５は溶融温度を低下させてかつ分相を促進させる成分である。Ｐ_２Ｏ_５の含有量は０〜１０％、特に０．１〜８％であることが好ましい。ＺｎＯの含有量が多すぎると、耐候性が低下する傾向がある。

ＺｎＯは溶融温度を低下させて溶融性を改善する成分である。ＺｎＯの含有量は０〜１０％、特に０．１〜８％であることが好ましい。ＺｎＯの含有量が多すぎると、耐候性が低下する傾向がある。

上記成分以外にも、本発明の効果を損なわない範囲で種々の成分を含有させることができる。例えば、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｅＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｐ_２Ｏ_５、Ｂｉ_２Ｏ_３及びＺｎＯ等をそれぞれ１５％以下、さらには１０％以下、特に５％以下、合量で３０％以下の範囲で含有させてもよい。

次に、調合したガラスバッチを白金坩堝に入れた後、１４００〜１６００℃で２〜４８時間溶融する。次いで、溶融ガラスをカーボン板上に流し出して、板状に成形した後、３００〜６００℃で１０分〜１０時間徐冷を行いガラス母材５を得る。なお、得られたガラス母材５を所望の形状にするために、切削、研磨等の加工を施しても構わない。

得られたガラス母材５を熱処理し、２相（ガラス相６、ガラス相７）に分相させる。熱処理温度は、４００〜８００℃、４５０〜７５０℃、特に５００〜７００℃であることが好ましい。熱処理温度が高すぎると、ガラス母材５が軟化し、所望の形状を得にくくなる。一方、熱処理温度が低すぎると、ガラス母材５を分相させにくくなる。熱処理時間は、１０分以上、１時間以上、特に３時間以上であることが好ましい。熱処理時間が短すぎると、ガラス母材５を分相させにくくなる。熱処理時間の上限は特に限定されないが、現実的には、１８０時間以下である。

次に、２相に分相させたガラス母材５を酸またはアルカリに浸漬させ、ガラス相７を除去し、孔を有する多孔質体８を得る。酸としては、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸を用いることができる。なお、これらの酸を混合して用いてもよい。アルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムの水溶液を用いることができる。なお、これらのアルカリを混合して用いてもよい。酸やアルカリ水溶液の浸漬時間は１時間以上、１０時間以上、特に２０時間以上であることが好ましい。浸漬時間が短すぎると、多孔質体８を得にくくなる。浸漬時間の上限は特に限定されないが、現実的には、１００時間以下である。浸漬温度は２０℃以上、２５℃以上、特に３０℃以上であることが好ましい。浸漬温度が低すぎると、多孔質体８を得にくくなる。浸漬温度の上限は特に限定されないが、現実的には、９５℃以下である。

次に、多孔質体８を熱処理して緻密質相を形成することにより、多孔質体８の表面の孔を封孔する。このようにして、内部が多孔質相２であって、表層部が緻密質相３であるガラス部材１を得る。熱処理する方法としては、ガスバーナー、電気炉による熱処理が挙げられる。ガスバーナー、電気炉により多孔質体８の表面を熱処理し、多孔質体８の表面のみを軟化変形、緻密化させることにより、多孔質体８の表面の孔を封孔することが出来る。なお、電気炉による熱処理温度は、４００〜８００℃、４５０〜７５０℃、特に５００〜７００℃であることが好ましい。熱処理温度が高すぎると、多孔質体８の表面のみでなく内部までも軟化変形させてしまいやすくなる。一方、熱処理温度が低すぎると、多孔質体８の表面を軟化変形させにくく表面の孔を封孔させにくくなる。熱処理時間は、５分〜１０時間、１０分〜８時間、特に２０分〜６時間であることが好ましい。熱処理時間が長すぎると、多孔質体８の表面のみでなく内部までも軟化変形させやすくなる。一方、熱処理時間が短すぎると、多孔質体８の表面を軟化変形させにくく表面の孔を封孔させにくくなる。

得られたガラス部材１の組成は、質量％で、ＳｉＯ_２６０〜９９．５％、Ｂ_２Ｏ_３０〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３０〜５％、Ｒ_２Ｏ（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋから選択されるすくなくともいずれか１種）０〜５％、Ｒ’Ｏ（Ｒ’はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから選択される少なくとも１種）０〜５％になりやすい。

（第２の実施形態）
図４は、本発明のガラス部材の製造方法の第２の実施形態を示す模式的断面図である。

多孔質体８の表面の孔を封孔する工程以外は、第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態では、多孔質体８の表面に、ガラス板９を貼り合せることにより緻密質相を形成し、表面の孔を封孔させ、ガラス部材１を得る。

多孔質体８とガラス板９の貼り合せ方法としては、熱処理し多孔質体８とガラス板９を融着させる方法、ガラスフリットまたは樹脂による接合、原子拡散接合、表面活性化接合、陽極接合等を用いることが出来る。

ガラス板９の厚みは、１〜１００μｍ、５〜９０μｍ、特に１０〜８０μｍであることが好ましい。ガラス板９の厚みが小さすぎると、貼り合せの際に破損する恐れがある。ガラス板９の厚みが大きすぎると、軽量なガラスが得にくくなる。

多孔質体８とガラス板９の熱膨張係数（３０〜３００℃）の差は、１０ｐｐｍ／℃以下、８ｐｐｍ／℃以下、特に５ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。熱膨張係数の差が大きすぎると、多孔質体８、ガラス板９に応力がかかり剥離等の破損が生じやすくなる。

以下、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、質量％で、ＳｉＯ_２６３％、Ａｌ_２Ｏ_３３％、Ｂ_２Ｏ_３２７％、Ｎａ_２Ｏ７％のガラス組成になるように、ガラス原料を調合したガラスバッチを白金坩堝に入れた後、１５５０℃で２４時間溶融した。ガラスバッチの溶融に際しては、白金スターラーを用いて攪拌し、均質化を行った。次いで、溶融ガラスをカーボン板上に流し出して、板状に成形した後、５００℃で３０分間徐冷した。得られた試料を、切削、研磨し、２０×２０ｍｍ×０．５ｍｍ（厚み）のガラス母材を得た。

得られたガラス母材を電気炉にて５４０℃で７２時間熱処理し、分相させた。分相後のガラス母材を１規定の硫酸（９０℃）中に５０時間浸漬した後、純水で洗浄し、多孔質体を得た。

得られた多孔質体の表面をガスバーナーで熱処理し、表面の孔を封孔しガラス部材を得た。

得られたガラス部材の断面を光学顕微鏡で観察したところ、ガラス部材の内部は多孔質であり、表層部が緻密質であった。また、得られたガラス部材の組成、ヘイズ率、内部の細口分布のピーク、表面粗さＲａ、密度を測定した。ガラス部材の組成は、質量％でＳｉＯ_２９６％、Ｂ_２Ｏ_３３％、Ｎａ_２Ｏ１％であった。ヘイズ率は２．５％、内部の細孔分布のピークは４ｎｍ、表面粗さＲａは１２ｎｍ、密度は２．０ｇ／ｃｍ^３であった。

（実施例２）
実施例１で作製した多孔質体の全面に、厚み３０μｍの超薄板ガラス（日本電気硝子社製Ｇ−Ｌｅａｆ）を、電気炉にて７５０℃で３時間熱処理し貼り合せることにより、ガラス部材を得た。

得られたガラス部材の断面を光学顕微鏡で観察したところガラス部材の内部は多孔質であり、表層部が緻密質であった。また、得られたガラス部材のヘイズ率、内部の細口径分布のピーク、表面粗さＲａ、密度を測定した。ヘイズ率は２．５％、内部の細孔径分布のピークは４ｎｍ、表面粗さＲａは９ｎｍ、密度は２．１ｇ／ｃｍ^３であった。

なお、組成は、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（堀場製作所社製ＥＸ−２５０）により測定した。

ヘイズ率は、紫外可視近赤外分析光度計（島津製作所社製ＵＶ−３１００ＰＣ）を用い、ＪＩＳＫ７３６１−１−１９９７に基づいて測定した。

内部の細孔分布のピークは、細孔分布測定装置（カンタクローム社製ＱＵＡＤＲＡＳＯＲＢｅｖｏ）により測定した。

表面粗さＲａは、表面粗さ測定器（小坂研究所社製ＳＥ７００）により測定した。

密度は、アルキメデス法により測定した。

本発明のガラス部材は、自動車等の移動体用の軽量窓、テレビ等の軽量表示デバイス、電子配線基板の低誘電率基材として好適である。

１ガラス部材
２多孔質相
３緻密質相
４孔
５ガラス母材
６ガラス相
７ガラス相
８多孔質体
９ガラス板

Claims

内部が多孔質相であって、表層部が緻密質相であることを特徴とするガラス部材。
表面粗さＲａが１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のガラス部材。
多孔質相における孔の孔径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス機材。
緻密質相の厚みが０．１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガラス部材。
多孔質相の孔にガスを含む、または多孔質相の孔内が減圧状態であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガラス部材
密度が２．２ｇ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガラス部材。
可視光域においてヘイズ率が１０％以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のガラス部材。
ガラス母材を熱処理し、２相に分相させる工程、一方の相を酸またはアルカリで除去することにより多孔質体を得る工程、前記多孔質体の表面を熱処理して緻密質相を形成する工程を含むことを特徴とするガラス部材の製造方法。
ガラス母材を熱処理し、２相に分相させる工程、一方の相を酸またはアルカリで除去することにより多孔質体を得る工程、及び、前記多孔質体の表面にガラス板を貼り合せることにより緻密質相を形成する工程を含むことを特徴とするガラス部材の製造方法。