JP2019052050A - ガラス部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面にシャープな像が設置されたガラス部材およびその製造方法。【解決手段】ガラス基板を有するガラス部材であって、前記ガラス基板は、第１の表面を有し、該第１の表面には、少なくとも一部にインクが設置されており、前記第１の表面は、最大高さ粗さＲｚが５０ｎｍ以上であり、算術平均粗さＲａが１ｎｍ以上である、ガラス部材。【選択図】図１

Description

本発明は、表面に像が配置されたガラス部材およびその製造方法に関する。

装飾および案内掲示等の目的のため、しばしば、ガラス基板の表面に、インクで構成された文字および記号、イラスト、ならびに図等の像を配置することが要望される場合がある。

しかしながら、通常のガラス基板の表面にそのような像を配置した場合、インクが滲んだり、ぼやけたりして、シャープで鮮明な像が得られないことがしばしば認められる。そのため、表面に像が配置されたガラス部材の実際の適用例は、鮮明な像が要求されない、一部の分野に制限されている。ガラス部材の表面に、シャープで鮮明な像を容易に配置することができれば、そのようなガラス部材の適用範囲は、飛躍的に広がることが予想される。

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、表面にシャープな像が設置されたガラス部材を提供することを目的とする。また、本発明では、そのようなガラス部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明では、ガラス基板を有するガラス部材であって、
前記ガラス基板は、第１の表面を有し、該第１の表面には、少なくとも一部にインクが設置されており、
前記第１の表面は、最大高さ粗さＲｚが５０ｎｍ以上であり、算術平均粗さＲａが１ｎｍ以上である、ガラス部材が提供される。

また、本発明では、ガラス基板を有するガラス部材の製造方法であって、
（１）第１の表面を有するガラス基板を準備する工程と、
（２）５０ｎｍ以上の最大高さ粗さＲｚ、および１ｎｍ以上の算術平均粗さＲａが得られるように、前記ガラス基板の前記第１の表面を処理する工程と、
（３）前記表面を処理されたガラス基板の前記第１の表面にインクを設置する工程と、
を有する、製造方法が提供される。

本発明では、表面にシャープな像が設置されたガラス部材を提供することができる。また、本発明では、そのようなガラス部材の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態によるガラス部材の模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態によるガラス部材に適用されるガラス基板の断面の一例を模式的に示した拡大図である。 第１のガラス部材の製造方法の一例を模式的に示したフロー図である。 例１に係るガラス部材サンプルの写真である。 例２に係るガラス部材サンプルの写真である。 例３に係るガラス部材サンプルの写真である。 例４に係るガラス部材サンプルの写真である。

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。

（本発明の一実施形態によるガラス部材）
図１には、本発明の一実施形態によるガラス部材の模式的な斜視図を示す。

図１に示すように、本発明の一実施形態によるガラス部材（以下、「第１のガラス部材」と称する）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。ガラス基板１１０の第１の表面１１２には、インクを印刷することにより形成された像１６０が配置されている。

なお、図１に示した例では、ガラス基板１１０は、略矩形状である。しかしながら、これは単なる一例であって、ガラス基板１１０の形態は、特に限られない。

また、図１に示した例では、ガラス基板１１０の第１の表面１１２に配置された像１６０は、黒色の一つの文字「Ａ」である。しかしながら、これは単なる一例であって、像１６０は、一文字に限られず、複数の文字であっても良い。さらに、像１６０は、文字の他、記号、デザイン柄、イラスト、および図等、ならびにこれらの組み合わせであっても良い。また、像１６０は、単色であっても、複数の色で構成されてもよい。

通常、ガラス基板の表面にインクを設置すると、像が滲んだり、ぼやけたりするため、鮮明な像を配置することは難しい。

これに対して、第１のガラス部材１００では、ガラス基板１１０の第１の表面１１２は、ナノメートルオーダの多数の凹凸を有する。特に、ガラス基板１１０の第１の表面１１２は、最大高さ粗さＲｚが５０ｎｍ以上となり、算術平均粗さＲａが１ｎｍ以上となるように調製されている。

ここで、本願において、表面の最大高さ粗さＲｚおよび算術平均粗さＲａは、２００１ ＪＩＳ Ｂ０６０１に基づいて測定された値を意味する。

このようなナノメートルオーダの凹凸形態のため、第１の表面１１２上にインクを設置した場合、ガラス基板１１０の第１の表面１１２の所定の位置に、インクを留めることが可能になる。従って、この場合、インクで構成された像１６０が第１の表面１１２上で、不本意に広がったり、ずれたりする現象を有意に抑制することができる。

その結果、第１のガラス部材１００では、ガラス基板１１０の第１の表面１１２上に、像１６０をシャープな輪郭かつ鮮明な状態で設置することができる。換言すれば、第１のガラス部材１００は、ガラス基板１１０の第１の表面１１２上に、シャープな輪郭で配置された鮮明な像を有する。

なお、ガラス基板１１０の第１の表面１１２は、「特異凸状部」を有しても良い。

以下、図２を参照して、より詳しく説明する。

図２には、第１のガラス部材１００に適用されるガラス基板１１０の断面の一例を模式的に示す。

図２に示すように、このガラス基板１１０は、ナノメートルオーダーの多数の凸状部１５０を有する第１の表面１１２を有する。そして、これらの凸状部１５０の中には、「特異凸状部」が含まれても良い。「特異凸状部」とは、凸状部１５０のうち、根元部分の少なくとも一部が、先端部分に比べて内方にくびれている形状を意味する。

例えば、図２に示した例では、２つの特異凸状部１５１、１５２が認められる。このうち特異凸状部１５１は、根元部分の一方の側（右側）が内方にくびれている。一方、特異凸状部１５２は、根元部分の両方の側が内方にくびれており、いわゆるネック部１５３を有する。ネック部１５３とは、第１の表面１１２に形成された凸状部１５０において、上部に比べて断面が小さくなっている下側部分、いわゆる狭窄部を意味する。

このような特異凸状部１５１、１５２を有する第１の表面１１２は、例えば、ガラス基板１０を高温のフッ化水素（ＨＦ）ガスでエッチング処理することにより、形成することができる。

このような特異凸状部１５１、１５２を有する第１の表面１１２上にインクを設置した場合、アンカー効果により、ガラス基板１１０の第１の表面１１２の所定の位置に、インクをより確実に保持することが可能になる。従って、この場合、第１の表面１１２に、よりいっそう鮮明な像１６０を得ることができる。

以上説明したように、第１のガラス部材１００では、ガラス基板１１０の第１の表面１１２上に、シャープな輪郭で鮮明な像を設置することができる。

従って、第１のガラス部材１００は、表面に、文字および記号、デザイン柄、イラスト、および図などを自由に配置して、利用することが可能になる。特に、第１のガラス部材１００では、像１６０が高精細なものであっても、ガラス基板１１０の第１の表面１１２に、イメージ通りの像１６０を配置することができる。

（ガラス部材の各構成要素）
次に、図１に示したような第１のガラス部材１００を構成する各要素について、詳しく説明する。

（ガラス基板１１０）
前述のように、ガラス基板１１０の形状は、特に限られない。ガラス基板１１０は、例えば、矩形状、ディスク状、ブロック状、およびロッド状等であっても良い。

ガラス基板１１０の寸法および組成等は、特に限られない。ガラス基板１１０は、例えば、０．０５ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有しても良い。

また、ガラス基板１１０は、例えば、ソーダライムガラス、アルミノシリケートガラス、ホウケイ酸ガラス、および無アルカリガラス等で構成されても良い。

前述のように、ガラス基板１１０の第１の表面１１２は、多数の微細な凹凸を有する。より具体的には、ガラス基板１１０の第１の表面１１２において、最大高さ粗さＲｚは５０ｎｍ以上である。例えば、最大高さ粗さＲｚは、５０ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲であり、例えば、６０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲であっても良い。

また、算術平均粗さＲａは、５ｎｍ以上であることが好ましい。例えば、算術平均粗さＲａは、５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であり、５ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲であっても良い。

また、前述のように、ガラス基板１１０の第１の表面１１２は、特異凸状部１５１、１５２を有しても良い。

このような第１の表面１１２を有するガラス基板１１０は、例えば、高温のガラス基板１１０の第１の表面１１２を、フッ化水素（ＨＦ）ガスでエッチング処理することにより製造することができる。エッチング処理に用いるＨＦガスは、窒素ガスやアルゴンガスで希釈してもよい。また、反応性を制御する目的で水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を加えてもよい。

なお、ガラス基板１１０をＨＦガスでエッチング処理した際に、第１の表面１１２に結晶物が生成される場合がある。

なお、ガラス基板１１０は、表面に圧縮応力層を有するガラス、例えば化学強化されたガラスでもよい。通常の場合、化学強化処理は、ガラス基板１１０に、前述のような特徴を有する第１の表面１１２を形成した後に実施されることが好ましい。

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。

また、ガラス基板１１０の表面にインクが設置されていない領域は、１％以下のヘイズ、例えば、０．９％以下のヘイズを有しても良い。この場合、第１のガラス部材１００のインクが設置されていない領域の透明性が向上し、ガラス部材１００の外観（質感）が良好になる。

（像１６０）
ガラス基板１１０の第１の表面１１２に配置される像１６０は、インクで構成される。像１６０は、例えば、インクペンを用いてフリーハンドで像を描くことにより設置されても良い。あるいは、像１６０は、例えば、インクを印刷することにより設置されても良い。

インクの印刷方法は、特に限られない。インクは、例えば、インクジェット印刷法およびスクリーン印刷法等を用いて印刷されても良い。微細な像を形成しやすい点では、インクジェット法が好ましい。

インクの種類は、特に限られない。インクは、例えば、染料系インク、顔料系インク、ＵＶ硬化インクなどが適宜使用できる。インクに含まれる色材は染料でも顔料でもよく、分散性向上等の目的で表面処理されたものでもよい。インクに含まれる分散媒としては、水、有機溶媒、油、樹脂などが適宜選択できる。さらに必要に応じて界面活性剤、ｐＨ調整剤、重合開始剤、導電性化合物等を含んでも良い。

インクの厚さは、特に限られない。インクの厚さは、例えば、０．５μｍ〜１００μｍの範囲であっても良い。ここで、厚さは基板表面の凹部を基準とする。

なお、前述のように、像１６０の形態は、特に限られない。像１６０は、例えば、１または２以上の文字および記号、デザイン柄、イラスト、および図等、ならびにこれらの組み合わせ等であっても良い。また、像１６０は、黒色であっても、その他の色であっても良く、複数の色で構成されても良い。

（本発明の一実施形態によるガラス部材の製造方法）
次に、本発明の一実施形態によるガラス部材の製造方法の一例について説明する。なお、ここでは、一例として、図１に示したような第１のガラス部材１００を例に、その製造方法について説明する。従って、各素子および部分を参照する際には、図１および図２に示した参照符号を使用する。

図３には、本発明の一実施形態によるガラス部材の製造方法（以下、「第１の製造方法」と称する）のフローを模式的に示す。

図３に示すように、第１の製造方法は、
（１）第１の表面を有するガラス基板を準備するステップ（ステップＳ１１０）と、
（２）５０ｎｍ以上の最大高さ粗さＲｚ、および１ｎｍ以上の算術平均粗さＲａが得られるように、前記ガラス基板の前記第１の表面を処理するステップ（ステップＳ１２０）と、
（３）前記ガラス基板を化学強化処理するステップ（ステップＳ１３０）と、
（４）前記ガラス基板の前記第１の表面に、インクを設置するステップ（Ｓ１４０）と、
を有する。

なお、ステップＳ１３０は、必須の工程ではなく、省略しても良い。

以下、各工程について説明する。

（ステップＳ１１０）
まず、第１のガラス部材１００の元となるガラス基板１１０が準備される。

前述のように、ガラス基板１１０の組成は、特に限られない。また、ガラス基板１１０の寸法および形状は、特に限られない。例えば、ガラス基板１１０は、矩形状であり、ガラス基板１１０の厚さは、０．０５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であっても良い。

（ステップＳ１２０）
次に、ステップＳ１１０で準備したガラス基板１１０の第１の表面１１２が処理され、該表面１１２に、ナノオーダーの微細な凹凸が形成される。より具体的には、第１の表面１１２は、５０ｎｍ以上の最大高さ粗さＲｚ、および１ｎｍ以上の算術平均粗さＲａが得られるように処理される。

前述のように、第１の表面１１２は、特異凸状部１５１、１５２を有するように処理されてもよい。

第１の表面１１２の処理方法は、特に限られない。例えば、ガラス基板１１０を高温のＨＦガスでエッチング処理することにより、前述のような特徴を有する第１の表面１１２を形成しても良い。

特に、ＨＦガスによるエッチング処理の場合、例えば、ＨＦガス濃度（例えば０．１ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％）、エッチング時のガラス基板１１０の温度（以下、エッチング温度と称する）（例えば４００℃〜８００℃）、およびエッチング時間（例えば１秒〜数分）などのエッチング条件を変化させることにより、ナノメートルオーダーの凹凸の寸法および形態などを制御することが可能になる。

（ステップＳ１３０）
次に、ガラス基板１１０が化学強化処理される。これにより、ガラス基板１１０の強度が向上する。ただし、この工程は、必須の工程ではなく、省略しても良い。また、この工程は、ステップＳ１２０の前に実施しても良い。

化学強化処理の条件は、特に限られず、一般的な化学強化処理条件を適用しても良い。

化学強化処理に使用される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。

化学強化処理温度（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１１０を２分〜２０時間程度浸漬することにより、実施しても良い。経済的かつ実用的な観点からは、３５０〜５００℃、１〜１０時間で実施されることが好ましい。

（ステップＳ１４０）
次に、ガラス基板１１０の第１の表面１１２に、像１６０用のインクが設置される。

インクの設置方法は、特に限られない。インクは、インクペンを用いて人の手書きにより設置されても良い。あるいは、インクは、インクジェットプリンタのような印刷機を使用してインクを印刷することにより、設置されても良い。

インクの種類は特に限られない。

以上の工程により、図１に示したような第１のガラス部材１００を製造することができる。

このような第１の製造方法では、従来のような、インクが滲んだりぼやけたりすることが有意に抑制され、ガラス基板１１０の第１の表面１１２に、シャープな輪郭の鮮明な像１６０を設置することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。例４は比較例である。

（例１）
以下の方法により、ガラス基板の表面にインクが設置されたガラス部材を作製した。

ガラス基板としては、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板を使用した。

このガラス基板の一方の主表面（第１の表面）に対して、高温のＨＦガスによるエッチング処理を行った。エッチング処理の温度は、５８０℃とし、エッチングガスとして、窒素＋１．９ｖｏｌ％ＨＦの混合ガスを使用した。エッチング時間は、１０秒とした。

これにより、第１の表面がエッチング処理されたガラス基板（以下、「凹凸基板Ａ」という）が得られた。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて凹凸基板Ａの第１の表面を観察したところ、凹凸基板Ａの第１の表面には、多数の微細な凹凸が形成されていた。

得られた凹凸基板Ａにおいて、第１の表面の表面粗さ（算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚ）を測定した。表面粗さＲａおよびＲｚの測定には、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＩ３８００Ｎ：エスアイアイ・ナノテクノロジー社製）を使用し、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１年）に基づいて実施した。測定の結果、算術平均粗さＲａは９ｎｍであり、最大高さ粗さＲｚは７７ｎｍであった。

ヘイズメータ（ＨＺ−２：スガ試験機社製）を用いて、凹凸基板Ａのヘイズ（濁り度）を測定した。ヘイズの測定は、ＪＩＳ Ｋ７３６１−１に基づいて実施した。光源には、Ｃ光源を使用した。測定の結果、凹凸基板Ａにおけるヘイズは、０．２％であった。

次に、凹凸基板Ａの第１の表面に、インクを印刷した。インクの印刷には、インクジェットプリンタ（ＰＸ−７Ｖ：エプソン社製）を使用した。インクには、顔料系黒色インク（ＩＣＢＫ６６）を使用した。印刷する像は、アルファベットの文字「Ｃ」とした。

これにより、表面に文字が印刷されたガラス部材（以下、「サンプルＡ」と称する）が得られた。

図４には、サンプルＡの形態を撮影した写真を示す。

図４に示すように、サンプルＡでは、表面にシャープで鮮明な印刷像（文字Ｃ）が得られていることがわかる。

（例２）
例１の場合と同様の方法により、表面に文字が印刷されたガラス部材（以下、「サンプルＢ」と称する）を作製した。

ただし、この例２では、エッチングガスとして、窒素＋２．９ｖｏｌ％ＨＦの混合ガスを使用した。

これにより、第１の表面がエッチング処理されたガラス基板（以下、「凹凸基板Ｂ」という）が得られた。

表面粗さの測定の結果、凹凸基板Ｂの第１の表面における算術平均粗さＲａは、２４ｎｍであり、最大高さ粗さＲｚは、１０５ｎｍであった。

また、ヘイズメータによる測定の結果、サンプルＢのヘイズは、０．２％であった。

図５には、サンプルＢの形態を撮影した写真を示す。

図５に示すように、サンプルＢでは、表面にシャープで鮮明な印刷像（文字Ｃ）が得られていることがわかる。

（例３）
例１の場合と同様の方法により、表面に文字が印刷されたガラス部材（以下、「サンプルＣ」と称する）を作製した。

ただし、この例３では、エッチングガスとして、窒素＋７．０ｖｏｌ％ＨＦの混合ガスを使用し、エッチング時間は２０秒とした。

これにより、第１の表面がエッチング処理されたガラス基板（以下、「凹凸基板Ｃ」という）が得られた。

表面粗さの測定の結果、凹凸基板Ｃの第１の表面における算術平均粗さＲａは、１０３ｎｍであり、最大高さ粗さＲｚは、１００８ｎｍであった。

また、ヘイズメータによる測定の結果、サンプルＣのヘイズは、０．９％であった。

図６には、サンプルＣの形態を撮影した写真を示す。

図６に示すように、サンプルＣでは、表面にシャープで鮮明な印刷像（文字Ｃ）が得られていることがわかる。

（例４）
例１の場合と同様の方法により、表面に文字が印刷されたガラス部材（以下、「サンプルＤ」と称する）を作製した。

ただし、この例４では、ガラス基板に対してエッチング処理を実施せず、ガラス基板の上に、そのままインクを印刷した。

表面粗さの測定の結果、ガラス基板の第１の表面（インクが印刷される表面）における算術平均粗さＲａは、０．２ｎｍであり、最大高さ粗さＲｚは、３ｎｍであった。

また、ヘイズメータによる測定の結果、サンプルＤのヘイズは、０．２％であった。

図７には、サンプルＤの形態を撮影した写真を示す。

図７に示すように、サンプルＤでは、文字Ｃの輪郭が滲んでおり、像が不鮮明となっていることがわかる。このように、サンプルＤでは、表面にシャープで鮮明な印刷像（文字Ｃ）を得ることはできなかった。

１００ 第１のガラス部材
１１０ ガラス基板
１１２ 第１の表面
１１４ 第２の表面
１５０ 凸状部
１５１ 特異凸状部
１５２ 特異凸状部
１５３ ネック部
１６０ 像

Claims (8)

1. ガラス基板を有するガラス部材であって、
   前記ガラス基板は、第１の表面を有し、該第１の表面には、少なくとも一部にインクが設置されており、
   前記第１の表面は、最大高さ粗さＲｚが５０ｎｍ以上であり、算術平均粗さＲａが１ｎｍ以上である、ガラス部材。
2. 前記ガラス基板は、前記第１の表面におけるインクが設置されていない領域のヘイズ値が１％以下である、請求項１に記載のガラス部材。
3. 前記第１の表面は、根元部分の少なくとも一部が先端部分に比べて内方にくびれた凸状部を有する、請求項１または２に記載のガラス部材。
4. 前記インクは、印刷により設置されたものである、請求項１乃至３のいずれか一つに記載のガラス部材。
5. ガラス基板を有するガラス部材の製造方法であって、
   （１）第１の表面を有するガラス基板を準備する工程と、
   （２）５０ｎｍ以上の最大高さ粗さＲｚ、および１ｎｍ以上の算術平均粗さＲａが得られるように、前記ガラス基板の前記第１の表面を処理する工程と、
   （３）前記表面を処理されたガラス基板の前記第１の表面にインクを設置する工程と、
   を有する、製造方法。
6. 前記表面を処理されたガラス基板のヘイズ値が１％以下である、請求項５に記載の製造方法。
7. 前記インクは、インクジェットプリンタにより、前記ガラス基板の前記第１の表面に設置される、請求項６に記載の製造方法。
8. 前記（２）の工程は、前記第１の表面に、根元部分の少なくとも一部が先端部分に比べて内方にくびれた凸状部が得られるように実施される、請求項５乃至７のいずれか一つに記載の製造方法。