JP2020520886A - アルミノケイ酸ガラス、化学強化ガラス及び用途 - Google Patents
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Abstract
アルミノケイ酸ガラス、化学強化ガラス及び用途が提供される。アルミノケイ酸ガラスが化学的に強化された後、優れた機械的強度及び高い化学的安定性を特徴とするガラス基板が得られ得、それによって、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たす。アルミノケイ酸ガラスは、Ｂ元素及びＰ元素を含まず、少なくとも酸化ケイ素、酸化アルミニウム、アルカリ金属酸化物及び酸化ガリウムを含む。アルカリ金属酸化物は、酸化リチウム及び酸化ナトリウムの内の少なくとも１つである。ガラスは、カバーガラスの製造のために用いられる。
Description
本出願は、ディスプレイスクリーン技術の分野、特に、アルミノケイ酸ガラス、化学強化ガラス及び用途に関する。
近年、モバイルデバイスの発展によって、カバーガラスの出荷率がより高くなっている。特に、近代的なディスプレイ及びタッチスクリーン技術の発展によって、フラットパネルディスプレイを備えた、携帯電話、液晶ディスプレイテレビ、液晶ディスプレイ、現金自動預け払い機及び印刷広告メディア機等の、高度なインテリジェント製品が際限なく登場する。多くの機能及びトランザクションは、指又はペンを用いることによってディスプレイスクリーンをタッチすることによって完了される。これは、タッチスクリーンカバーガラスに、より高い要件を課す。具体的には、タッチスクリーンカバーガラスは、高い機械的強度、高いヤング率、低い密度、低コスト、優れたバブル品質等を特徴とすることが要求される。
カバーガラス製造業者は、ガラス組成を改善することによってカバーガラス性能を絶えず改善している。いくつかの製造業者は、カバーガラスの性能要件を満たすために、アルミノケイ酸ガラスへホウ素元素又はリン元素を追加する。しかしながら、ホウ素元素及びリン元素は比較的活性であるので、それらがカバーガラスへ適用されるとき、化学的安定性は低くなり、低い機械的強度等の問題が依然として存在し、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たすことが困難である。
本出願は、アルミノケイ酸ガラスを提供する。アルミノケイ酸ガラスが化学的に強化された後、優れた機械的強度及び高い化学的安定性を特徴とするガラス基板が得られ得、それによって、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たす。
前述の目的を達成するために、以下の技術的解決法が本出願において用いられる。
第１の態様によると、本出願は、アルミノケイ酸ガラスを提供し、アルミノケイ酸ガラスが、Ｂ元素及びＰ元素を含まず、少なくとも酸化ケイ素、酸化アルミニウム、アルカリ金属酸化物及び酸化ガリウムを含み、アルカリ金属酸化物が、酸化リチウム及び酸化ナトリウムの内の少なくとも１つである。酸化ケイ素及び酸化アルミニウムは、アルミノケイ酸ガラスネットワーク構造の本体を共同で形成して、ガラス基板は、より安定し得、外部によって容易に腐食されず、ガラスの硬度及び機械的強度が確保されるようになる。アルカリ金属酸化物は、ガラス融解温度、粘度、及びガラス融解のために必要とされるエネルギーの減少を助ける。粘度の減少は、気泡の排除、並びにガラス融解及び清澄時間の短縮を助ける。さらに、アルミノケイ酸ガラスがカバーガラスを製造するために用いられるとき、ガラス表面層上のアルカリ金属酸化物は、高い温度で比較的大きい原子半径を有するアルカリ金属イオン（例えば、カリウムイオン）によって交換され得、化学的強化に関して適切である。追加された酸化ガリウムによって、アルミノケイ酸ガラスは、ホウ素元素及びリン元素を含まない。中間イオン（例えば、Ａｌ３＋又はＧａ３＋）の量が修飾イオン（例えば、Ｌｉ＋）のそれ未満であるとき、ガラスにおける中間イオンの役割は、ガラス形成体イオンであり、つまり、４配位［ＡｌＯ４］又は［ＧａＯ４］が形成される。したがって、電荷バランスのために元々用いられた非架橋酸素結合を有するリチウムイオンは、［ＡｌＯ４］又は［ＧａＯ４］の電荷バランスのために用いられる。ガラスにおける非架橋酸素結合は、架橋酸素結合に変換される。［ＧａＯ４］の添加は、アルミノケイ酸ガラスネットワーク構造を強化する。３配位ホウ素元素及びリン元素を含むガラスと比較すると、言及したアルミノケイ酸ガラスネットワーク構造のネットワークサイズはより大きく、言及したアルミノケイ酸ガラスネットワーク構造の剛構造はより良く、言及したアルミノケイ酸ガラスネットワーク構造の化学的安定性はより高い。加えて、機械的強度及びガラス転移温度等の、ガラスの特性が改善される。結果として、本出願において提供されるアルミノケイ酸ガラスは化学的強化に関して適しており、化学的強化の後、優れた機械的強度及び高い化学的安定性を特徴とするガラス基板が得られ得、それによって、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たす。
第１の態様の第１の可能な実装では、酸化ガリウムの質量百分率が、０より大きく５％以下である。前述の範囲内になるように酸化ガリウムの質量百分率を制御することによって、優れた耐化学性、低い密度、適切な膨張係数、及び高いヤング率を特徴とするカバーガラスが得られ得る。
第１の態様の第２の可能な実装では、酸化ケイ素の質量百分率が、４５％から７５％までの範囲であり、酸化アルミニウムの質量百分率が、１３％から２５％までの範囲である。酸化ケイ素は、ガラスの機械的性能及び化学的安定性に有益であるが、融解に有益ではない。酸化アルミニウムは、ガラスの歪み点及び曲げ強度の増加を助けるが、成形に有益ではない。酸化ケイ素及び酸化アルミニウムの質量百分率は、前述の範囲内になるように制御されて、ガラスの安定性、耐候性、融解性、及び成形性の改善を助ける。
第１の態様の第３の可能な実装では、アルカリ金属酸化物の質量百分率が、３％から２５％までの範囲である。前述の範囲内になるようにアルカリ金属酸化物の質量百分率を制御することは、ガラス融解温度、粘度、及びガラス融解のために必要とされるエネルギーを効果的に減少させ得る。粘度の減少は、気泡の排除、並びにガラス融解及び清澄時間の短縮を助ける。加えて、アルカリ金属酸化物におけるアルカリ金属イオンと比較的大きい原子半径を有するアルカリ金属イオンとの間のイオン交換が効果的に促進され得て、化学的強化効果を強化し、理想的な強化性能を有するカバーガラスを得る。
第１の態様の第４の可能な実装では、アルミノケイ酸ガラスは、清澄剤をさらに含む。清澄剤は、ガラス融解プロセスにおいてガスを生成する又はガラス液体の粘度を減少するための熱分解（ガス化）が可能であり、それによってガラス液体における気泡の排除を促進する。
第１の態様の第５の可能な実装では、清澄剤が、酸化スズ、酸化硫黄、フッ化物及び酸化セリウムの内の何れか１つである。
第１の態様の第６の可能な実装では、清澄剤が酸化スズであるとき、酸化スズの質量百分率が、アルミノケイ酸ガラスにおいて０．２％以下である；清澄剤が酸化硫黄であるとき、酸化硫黄の質量百分率が、アルミノケイ酸ガラスにおいて０．２％以下である；清澄剤がフッ化物であるとき、フッ化物の質量百分率が、アルミノケイ酸ガラスにおいて０．５％以下である；又は、清澄剤が酸化セリウムであるとき、酸化セリウムの質量百分率が、アルミノケイ酸ガラスにおいて０．５％以下である。
第１の態様の第７の可能な実装では、アルミノケイ酸ガラスは、オーバーフローダウンドロー法又はフロート法を用いることによって形成される。比較的薄いカバーガラスが製造され得る。
第２の態様によると、本出願は、前述のアルミノケイ酸ガラスを化学的に強化することによって得られる、化学強化ガラスを提供する。アルミノケイ酸ガラスがアルカリ金属酸化物を含み、化学的強化のためのイオン交換を行い得るので、得られた化学強化ガラスは、アルミノケイ酸ガラスの物理化学的性能を有し、高い機械的強度、優れた化学的安定性、低い粘度、低い密度、適切な膨張係数、及び高いヤング率を特徴とするカバーガラスが、化学的強化後に得られ得る。これは、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
第２の態様の第１の可能な実装では、化学強化ガラスの圧縮応力が、７００ＭＰａ以上である。化学的強化後に得られた化学強化ガラスは、比較的大きい圧縮応力及び比較的高い機械的強度を特徴とし、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
第２の態様の第２の可能な実装では、化学強化ガラスの圧縮応力層の厚さが、４０μｍから１００μｍの範囲である。化学的強化後に得られた化学強化ガラスは、比較的大きい厚さの圧縮応力層及び比較的高い機械的強度を特徴とし、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
第２の態様の第３の可能な実装では、化学強化ガラスのヤング率が、７０ＧＰａ以上である。この範囲におけるヤング率は、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
第２の態様の第４の可能な実装では、化学強化ガラスの密度が、２．５２ｇ／ｃｍ３以下である。化学強化ガラスは比較的低い密度を特徴とし、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
第２の態様の第５の可能な実装では、アルミノケイ酸ガラスは、イオン交換を通して化学的に強化される。
第２の態様の第６の可能な実装では、アルミノケイ酸ガラスは、溶融カリウム塩によってイオン交換される。圧縮応力層は、アルミノケイ酸ガラスの表面上で形成され得る。
第２の態様の第７の可能な実装では、イオン交換の時間が、５時間から７時間までの範囲である。
第３の態様によると、前述の化学強化ガラスがディスプレイスクリーンタッチデバイス上のカバーガラスとして用いられる用途が提供される。
本出願は、タッチスクリーンカバーガラスのための市場の要件に応じるためのアルミノケイ酸ガラスを提供する。アルミノケイ酸ガラスが化学的に強化された後、優れた機械的強度及び高い化学的安定性を特徴とするガラス基板が得られ得、それによって、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たす。
以下では、添付の図面への参照によって本出願の実施形態を詳細に説明する。
第１の態様によると、本出願は、アルミノケイ酸ガラスを提供し、アルミノケイ酸ガラスが、Ｂ元素及びＰ元素を含まず、少なくとも酸化ケイ素、酸化アルミニウム、アルカリ金属酸化物及び酸化ガリウムを含み、アルカリ金属酸化物が、酸化リチウム及び酸化ナトリウムの内の少なくとも１つである。
アルミノケイ酸ガラスは、その主成分が二酸化ケイ素及び酸化アルミニウムであるガラスであり、酸化アルミニウム含量は少なくとも２０％に達し得る。アルミノケイ酸ガラスでは、酸化ケイ素及び酸化アルミニウムは、アルミノケイ酸ガラスネットワーク構造の本体を共同で形成して、ガラス基板は、より安定し得、外部によって容易に腐食されず、ガラスの硬度及び機械的強度が確保されるようになる。
アルカリ金属酸化物は、ガラス融解温度、粘度、及びガラス融解のために必要とされるエネルギーの減少を助ける。粘度の減少は、気泡の排除、並びにガラス融解及び清澄時間の短縮を助ける。さらに、要件を満たすカバーガラスを製造するために、イオン交換が、アルカリ金属酸化物を含むアルミノケイ酸ガラス上で行われ得て、ガラス表面層上のアルカリ金属酸化物が、高い温度で比較的大きい原子半径を有するアルカリ金属イオン（例えば、カリウムイオン）によって交換され得、圧縮応力層が、アルミノケイ酸の表面上で形成されて化学的強化を実装し、カバーガラスの性能要件をさらに満たすようになる。
ここで、アルカリ金属酸化物が酸化リチウム及び酸化ナトリウムの内の少なくとも１つであることは、アルカリ金属酸化物が酸化リチウム又は酸化ナトリウムのみを含み得る、又は酸化リチウム及び酸化ナトリウムの両方を含み得ることを意味する。
アルミノケイ酸ガラスがＢ元素及びＰ元素を含まないことは、Ｂ元素及びＰ元素の質量百分率が厳密な意味で０であることを意味せず、Ｂ元素及びＰ元素が不可避の不純物を除いて含まれないことを意味する。従って、Ｂ元素及びＰ元素の質量百分率が許容可能な不純物範囲内である任意のアルミノケイ酸ガラスは、本出願の保護範囲内に入る。
加えて、本出願で言及されるＢ元素及びＰ元素は、主に酸化物Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５である。
追加された酸化ガリウムによって、アルミノケイ酸ガラスは、ホウ素元素及びリン元素を含まない。これは、アルミノケイ酸ガラスの化学的安定性を改善するのみでなく、アルミノケイ酸ガラスの機械的強度及びガラス転移温度も増加させる。
具体的に、図１を参照すると、（Ｒ２Ｏによって表される）アルカリ金属酸化物が石英ガラスに添加されるとき、元々の［ＳｉＯ４］系３次元空間ネットワークが単量体に分解され、ケイ素原子に結合された非架橋酸素が現れる。アルカリ金属イオン（Ｒ＋）が非架橋酸素に近いインクセルにあり、過剰な電荷を中和する。アルカリ金属酸化物Ｒ２Ｏの添加は、ケイ素に対する酸素の比率における増加を引き起こす。架橋酸素は、ガラスネットワークにおいて２つのネットワーク化された多面体によって共有される頂角として機能する酸素イオン、つまり、「架橋」としての役割を果たす酸素イオンである。逆に、１つのネットワーク化されたイオンにのみ結合され且つ２つのネットワーク化された多面体によって共有されていない酸素イオンは、非架橋酸素である。中間イオン（例えば、Ａｌ３＋又はＧａ３＋）の量が修飾イオン（例えば、Ｌｉ＋）のそれ未満であるとき、図２を参照すると、ガラスにおける中間イオンの役割は、ガラス形成体イオンであり、つまり、４配位［ＡｌＯ４］又は［ＧａＯ４］が形成される。したがって、電荷バランスのために元々用いられた非架橋酸素結合を有するＬｉイオンは、［ＡｌＯ４］又は［ＧａＯ４］の電荷バランスのために用いられる。ガラスにおける非架橋酸素結合は、架橋酸素結合に変換される。アルミノケイ酸ガラスネットワーク構造が強化され、機械的強度及びガラス転移温度等の、ガラスの特性が改善される。加えて、４配位［ＧａＯ４］の追加に起因して、ネットワーク構造の膨張空間がより大きい。これは、ネットワークにおけるアルカリ金属酸化物がイオン交換を行うことを助け、イオン交換の時間を短くし得且つ圧縮応力層の圧縮応力及び厚さを増加し得て、化学的強化後に得られたガラスが、高い機械的強度及び低い密度を特徴とし且つガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得るようになる。
結果として、本出願は、アルミノケイ酸ガラスを提供する。アルミノケイ酸ガラスが化学的に強化された後、優れた機械的強度及び高い化学的安定性を特徴とするガラス基板が得られ得、それによって、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たす。
第１の態様の可能な実装では、酸化ガリウムの質量百分率が、０より大きく５％以下である。前述の範囲内になるように酸化ガリウムの質量百分率を制御することによって、優れた耐化学性、低い密度、適切な膨張係数、及び高いヤング率を特徴とするカバーガラスが得られ得ることが、多量の実験から学ばれ得る。
第１の態様の他の１つの可能な実装では、酸化ケイ素の質量百分率が、４５％から７５％までの範囲であり、酸化アルミニウムの質量百分率が、１３％から２５％までの範囲である。酸化ケイ素は、ガラスの機械的性能及び化学的安定性に有益であるが、融解に有益ではない。酸化アルミニウムは、ガラスの歪み点及び曲げ強度の増加を助けるが、成形に有益ではない。酸化ケイ素及び酸化アルミニウムの質量百分率は、前述の範囲内になるように制御されて、ガラスの安定性、耐候性、融解性、及び成形性の改善を助ける。
第１の態様のさらに他の１つの可能な実装では、アルカリ金属の質量百分率が、３％から２５％までの範囲である。前述の範囲内になるようにアルカリ金属酸化物の質量百分率を制御することは、ガラス融解温度、粘度、及びガラス融解のために必要とされるエネルギーを効果的に減少させ得る。粘度の減少は、気泡の排除、並びにガラス融解及び清澄時間の短縮を助ける。加えて、アルカリ金属酸化物におけるアルカリ金属イオンと比較的大きい原子半径を有するアルカリ金属イオンとの間のイオン交換が効果的に促進され得て、化学的強化効果を強化し、理想的な強化性能を有するカバーガラスを得る。
さらに、アルカリ金属酸化物が酸化リチウム及び酸化ナトリウムを含むとき、酸化ナトリウムに対する酸化リチウムの質量比率は、１：４から４：１までの範囲である。ここで、アルミノケイ酸ガラスが化学的に強化されるとき、アルカリ金属酸化物におけるアルカリ金属イオンは、イオン交換媒体（例えば、溶融塩浴）において比較的大きいアルカリイオン（例えば、Ｋ＋）によって交換される。イオン交換の３つのタイプが行われ得る：Ｎａ＋はＬｉ＋によって交換され、Ｋ＋はＬｉ＋によって交換され、及び／又はＫ＋はＮａ＋によって交換される。Ｌｉ＋によってＮａ＋を交換することは、比較的大きい表面圧縮応力層厚さにつながるが、低い圧縮応力につながる。Ｌｉ＋によってＫ＋を交換することは、小さい圧縮応力層厚さにつながるが、比較的大きい圧縮応力につながる。Ｎａ＋によってＫ＋を交換することは、中間の層厚さ及び中間の圧縮応力につながる。圧縮応力は、ガラスにおいて交換されるアルカリイオンの量に正比例する。従って、酸化リチウム及び酸化ナトリウムの質量百分率は、化学的強化効果を直接的に決定し得る。理想的な強化性能を有するカバーガラスが、酸化ナトリウムに対する酸化リチウムの質量比率を前述の範囲内になるように制御することによって得られ得ることが大量の実験によって証明される。
例えば、アルカリ金属酸化物の質量百分率は、３％から２５％までの範囲であり、酸化ナトリウムに対する酸化リチウムの質量比率は、１：４から４：１までの範囲である。従って、アルカリ金属酸化物の質量百分率が３％であるとき、酸化リチウムの質量百分率はガラスにおいて０．６％であり得、この場合では、酸化ナトリウムの質量百分率はガラスにおいて２．４％であり得る；酸化リチウムの質量百分率はガラスにおいて２．４％であり得、この場合では、酸化ナトリウムの質量百分率はガラスにおいて０．６％であり得る；又は、酸化リチウムの質量百分率はガラスにおいて２％であり得、この場合では、酸化ナトリウムの質量百分率はガラスにおいて１％であり得る。
任意で、アルミノケイ酸ガラスは、清澄剤をさらに含む。清澄剤は、ガラス融解プロセスにおいてガスを生成する又はガラス液体の粘度を減少するための熱分解（ガス化）が可能であり、それによってガラス液体における気泡の排除を促進する。
本出願の例では、清澄剤が、酸化スズ、酸化硫黄、フッ化物及び酸化セリウムの内の何れか１つである。
電子原子価可変酸化物、つまり、酸化スズ、酸化硫黄及び酸化セリウムは、高い温度で酸素に分解され、酸素の溶解度は、温度における増加共に減少して、清澄効果を生成する。フッ化物は、融解の間に気化して、清澄効果を生成する。フッ化物は、フッ化アンモニウム又はフッ化カリウムであり得る。これらの清澄剤は、酸化ヒ素及び酸化アンチモンよりも毒性が低く、より良い清澄効果を生成する。
ここで、清澄剤の組成は変動し、アルミノケイ酸ガラスにおける清澄剤の質量百分率もまた変動する。
具体的には、清澄剤が酸化スズであるとき、酸化スズの質量百分率が、アルミノケイ酸ガラスにおいて０．２％以下である；清澄剤が酸化硫黄であるとき、酸化硫黄の質量百分率が、アルミノケイ酸ガラスにおいて０．２％以下である；清澄剤がフッ化物であるとき、フッ化物の質量百分率が、アルミノケイ酸ガラスにおいて０．５％以下である；又は、清澄剤が酸化セリウムであるとき、酸化セリウムの質量百分率が、アルミノケイ酸ガラスにおいて０．５％以下である。これらの清澄剤の質量百分率が範囲内に入るとき、これらの清澄剤は、より良い清澄効果を生成し得て、透明度及び機械的強度等のより良い性能を有するガラスを得ることが大量の実験によって証明される。
さらに、清澄剤は、酸化セリウムである。酸化セリウムはさらに、ガラスのための化学的脱色剤である。酸化セリウムは、より高い酸化ポテンシャルを有するので、従来の清澄剤よりも良い。加えて、硝酸ナトリウムの量は、ガラス形成においてさらに減少し得、微小気泡を減少させ且つ透明度、ガラス強度及び耐水性を増加させる。従って、清澄剤として機能する酸化セリウムは、清澄及び気泡除去効果を生成し得るだけでなく、ガラス品質を大幅に改善し、環境に対してかなりの貢献を為し、比較的高い経済的利益及び社会的利益を有する。さらに、酸化セリウムは、抗紫外剤又は紫外線遮蔽剤としてガラスへ加えられて、経年劣化及び日光を防止する。
任意で、アルミノケイ酸ガラスは、オーバーフローダウンドロー法又はフロート法を用いることによって形成される。比較的薄いカバーガラスが製造され得る。オーバーフローダウンドロー法を用いることによって得られたガラスは、より良い表面品質及び比較的低いコストを特徴とし、それは、小規模製造に適している。フロート法を用いることによる成形は、大きなサイズのガラスの製造に適しており、ガラスの表面品質を改善するための研削及び研磨装置を追加する必要性が存在するので、コストは比較的高い。
第２の態様によると、本出願は、前述のアルミノケイ酸ガラスを化学的に強化することによって得られる、化学強化ガラスを提供する。
本出願は、化学強化ガラスを提供する。アルミノケイ酸ガラスがアルカリ金属酸化物を含み、化学的強化のためのイオン交換を行い得るので、得られた化学強化ガラスは、アルミノケイ酸ガラスの物理化学的性能を有し、高い機械的強度、優れた化学的安定性、低い粘度、低い密度、適切な膨張係数、及び高いヤング率を特徴とするカバーガラスが、化学的強化後に得られ得る。これは、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
第２の態様の可能な実装では、アルミノケイ酸ガラスは、イオン交換を通して化学的に強化される。化学強化ガラスは主に、その厚さが３ｍｍ未満であるガラスであり、ガラス構造表面上のリチウムイオン及びナトリウムイオンは、高い純度の溶融カリウム塩によってイオン交換されて、強化層を形成する。
具体的には、アルミノケイ酸ガラスは、溶融カリウム塩によってイオン交換される。
カリウム塩は、アルミノケイ酸ガラスを化学的に強化するために用いられ得て、アルミノケイ酸ガラスの表面上に圧縮応力層を形成する。イオン交換の特定の操作は制限されない。例えば、アルミノケイ酸ガラスは、浸漬法を用いることによって溶融カリウム塩において浸漬され得る、又は溶融カリウム塩は、アルミノケイ酸ガラスの表面へ適用され得る。
溶融カリウム塩は、その質量百分率が３％以下であるナトリウム塩を含み得、カリウム塩は、硝酸カリウム、塩化カリウム又は同様のものであり得る。溶融カリウム塩の温度は、３７０℃から４６０までの範囲である。
酸化ガリウムの追加に起因して、ネットワーク構造の膨張空間はより大きい。これは、ネットワークにおけるアルカリ金属酸化物がイオン交換を行うことを助け、イオン交換の時間を短くし得る。本出願の例では、イオン交換の時間が、５時間から７時間までの範囲である。
本出願の可能な例では、化学強化ガラスの圧縮応力が、７００ＭＰａ以上である。圧縮応力は、物体の圧縮傾向に抵抗する応力である。化学強化ガラスの圧縮応力は、表面圧縮応力メーターを用いることによって測定され得る。化学的強化後に得られた化学強化ガラスは、比較的大きい圧縮応力及び比較的高い機械的強度を特徴とし、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
本出願の他の１つの可能な例では、化学強化ガラスの圧縮応力層の厚さが、４０μｍから１００μｍの範囲である。化学強化ガラスの圧縮応力は、表面圧縮応力メーターを用いることによって測定され得る。化学的強化後に得られた化学強化ガラスは、比較的大きい厚さの圧縮応力層及び比較的高い機械的強度を特徴とし、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
本出願の他の１つの可能な例では、化学強化ガラスのヤング率は、７０ＧＰａ以上である。弾性材料が正の応力を受けるとき、正の歪みが生成される。変形量が、対応する材料の固有の弾性限界を超えないとき、正の歪みに対する正の応力の比率は、材料のヤング率として定義される。ヤング率は、変形に耐えるための固体材料の能力を説明するために用いられる物理量である。この範囲における化学強化ガラスのヤング率は、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
本出願のさらに他の１つの可能な例では、化学強化ガラスの密度が、２．５２ｇ／ｃｍ３以下である。化学強化ガラスは比較的低い密度を特徴とし、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
第３の態様によると、前述の化学強化ガラスがディスプレイスクリーンタッチデバイス上のカバーガラスとして用いられる用途が提供される。
ディスプレイスクリーンは、電子製品分野における様々な一般的なディスプレイスクリーン、例えば液晶ディスプレイテレビ、タブレットコンピュータ、タッチスクリーン携帯電話であり得る。具体的には、化学強化ガラスは、ディスプレイスクリーン保護のためのカバーガラスを製造するために用いられ得、ガラスバッテリーカバー及び同様のものとしても用いられ得る。
以下では、実施形態を用いることによって本出願の技術的効果を説明する。
各実施形態におけるガラス成分の質量百分率は、以下で表１において示される。
実施形態１
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態１における質量百分率に基づいて個別に計算される。これらの材料は、計量され、十分に混合され、その後、炉へ加えられる。フロート法が製造のために用いられる。融解及び清澄は、３時間の間１６００℃の温度で行われる。溶融ガラス液体は、３００℃で予熱されたステンレススチール型上に注がれ、特定のプレート形状のガラス製品を形成する。その後、ガラスは、アニーリング炉において１０時間の間６３０℃でアニールされ、続いて、１℃／分の冷却速度で３５０℃へ冷却され、その後、炉と共に室温へ冷却される。
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態１における質量百分率に基づいて個別に計算される。これらの材料は、計量され、十分に混合され、その後、炉へ加えられる。フロート法が製造のために用いられる。融解及び清澄は、３時間の間１６００℃の温度で行われる。溶融ガラス液体は、３００℃で予熱されたステンレススチール型上に注がれ、特定のプレート形状のガラス製品を形成する。その後、ガラスは、アニーリング炉において１０時間の間６３０℃でアニールされ、続いて、１℃／分の冷却速度で３５０℃へ冷却され、その後、炉と共に室温へ冷却される。
得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が４１０℃である溶融硝酸カリウム塩において５時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＡを得るようにする。
実施形態２
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態２に対応する質量百分率に基づいて計算される。これらの材料は、計量され、十分に混合され、その後、溶融のために炉へ加えられる。オーバーフロー法が製造のために用いられる。融解及び清澄は、３時間の間１６００℃の温度で行われる。溶融ガラス液体は、３００℃で予熱されたステンレススチール型上に注がれ、特定のプレート形状のガラス製品を形成する。その後、ガラスは、アニーリング炉において１０時間の間６３０℃でアニールされ、続いて、１℃／分の冷却速度で３５０℃へ冷却され、その後、炉と共に室温へ冷却される。
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態２に対応する質量百分率に基づいて計算される。これらの材料は、計量され、十分に混合され、その後、溶融のために炉へ加えられる。オーバーフロー法が製造のために用いられる。融解及び清澄は、３時間の間１６００℃の温度で行われる。溶融ガラス液体は、３００℃で予熱されたステンレススチール型上に注がれ、特定のプレート形状のガラス製品を形成する。その後、ガラスは、アニーリング炉において１０時間の間６３０℃でアニールされ、続いて、１℃／分の冷却速度で３５０℃へ冷却され、その後、炉と共に室温へ冷却される。
得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が４６０℃である溶融硝酸カリウム塩において７時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＢを得るようにする。
実施形態３
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態３に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態１に対応するフロート法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が３７０℃でありその質量百分率が３％である硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムを含む混合浴塩において５時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＣを得るようにする。
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態３に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態１に対応するフロート法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が３７０℃でありその質量百分率が３％である硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムを含む混合浴塩において５時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＣを得るようにする。
実施形態４
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態４に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態２に対応するオーバーフローダウンドロー法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が４１０℃でありその質量百分率が３％である硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムを含む混合浴塩において７時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＤを得るようにする。
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態４に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態２に対応するオーバーフローダウンドロー法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が４１０℃でありその質量百分率が３％である硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムを含む混合浴塩において７時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＤを得るようにする。
実施形態５
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態５に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態１に対応するフロート法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が４１０℃である硝酸カリウムにおいて６時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＥを得るようにする。
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態５に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態１に対応するフロート法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が４１０℃である硝酸カリウムにおいて６時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＥを得るようにする。
実施形態６
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態６に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態２に対応するオーバーフローダウンドロー法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が３７０℃でありその質量百分率が３％である硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムを含む混合浴塩において６時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＦを得るようにする。
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態６に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態２に対応するオーバーフローダウンドロー法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が３７０℃でありその質量百分率が３％である硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムを含む混合浴塩において６時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＦを得るようにする。
実施形態７
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態７に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態１に対応するフロート法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が３７０℃でありその質量百分率が２％である硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムを含む混合浴塩において７時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＧを得るようにする。
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態７に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態１に対応するフロート法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が３７０℃でありその質量百分率が２％である硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムを含む混合浴塩において７時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＧを得るようにする。
実施形態８
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態８に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態２に対応するオーバーフローダウンドロー法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が４６０℃でありその質量百分率が２％である硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムを含む混合浴塩において５時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＨを得るようにする。
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、酸化ガリウム及び清澄剤の量は、表１に示される実施形態８に対応する質量百分率に基づいて計算される。アルミノケイ酸ガラスは、実施形態２に対応するオーバーフローダウンドロー法に従って製造される。加工後に得られたガラスは、研削され研磨され、５０ｍｍ ｘ ５０ｍｍのサイズのガラスサンプルに加工され、その温度が４６０℃でありその質量百分率が２％である硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムを含む混合浴塩において５時間の間イオン交換されて、化学的強化を行い、ガラス表面上のナトリウムイオン及びリチウムイオンが、前述の加工液体においてカリウムイオンによって交換されて、化学強化ガラスＨを得るようにする。
実験例
性能試験は、実施形態１から実施形態８において得られた化学強化ガラスＡからＨ上で個別に行われる。
性能試験は、実施形態１から実施形態８において得られた化学強化ガラスＡからＨ上で個別に行われる。
ガラス密度Ｐは、アルキメデス法を用いることによって測定される。熱膨張係数は、膨張計を用いることによって測定される。Ｗは、平均膨張係数を示す。ヤング率は、ヤング率テスタを用いることによって測定される。化学強化ガラスの圧縮応力層の表面圧縮応力及び厚さは、表面応力メーターＦＳＭ−６０００ＬＥを用いることによって測定される。
測定結果は表２に示される。
既存の化学強化ガラスと比較して、本出願において提供されるガラス成分を用いることによって製造されたアルミノケイ酸ガラスが化学的に強化された後に得られた化学強化ガラスは、より低い密度、適切な熱膨張係数、より高い表面圧縮応力、及びより大きい圧縮応力厚さを特徴とすることが表２から学ばれ得る。通常、従来技術における化学強化ガラスの密度は２．５０ｇ／ｃｍ３に達し得、熱膨張係数は７５×１０−７／℃であり、表面圧縮応力は６５０ＭＰａであり、圧縮応力層厚さは３５μｍである。従って、本出願における化学強化ガラスは、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たし得る。
結果として、本出願は、アルミノケイ酸ガラスを提供する。アルミノケイ酸ガラスが化学的に強化された後、優れた機械的強度及び高い化学的安定性を特徴とするガラス基板が得られ得、それによって、ガラス材料のためのカバーガラスの要件を満たす。
結果として、前述の説明は、本出願の単に特定の実装であるが、本出願の保護範囲を限定する意図はない。本出願に開示される技術的範囲内での任意の変形又は置換は、本出願の保護範囲内に入るべきである。従って、本出願の保護範囲は、特許請求の範囲の保護範囲に従うべきである。
Claims (17)
- アルミノケイ酸ガラスが、Ｂ元素及びＰ元素を含まず、少なくとも酸化ケイ素、酸化アルミニウム、アルカリ金属酸化物及び酸化ガリウムを含み、前記アルカリ金属酸化物が、酸化リチウム及び酸化ナトリウムの内の少なくとも１つである、アルミノケイ酸ガラス。
- 前記酸化ガリウムの質量百分率が、０より大きく５％以下である、請求項１に記載のアルミノケイ酸ガラス。
- 前記酸化ケイ素の質量百分率が、４５％から７５％までの範囲であり、前記酸化アルミニウムの質量百分率が、１３％から２５％までの範囲である、請求項１に記載のアルミノケイ酸ガラス。
- 前記アルカリ金属酸化物の質量百分率が、３％から２５％までの範囲である、請求項１に記載のアルミノケイ酸ガラス。
- 前記アルミノケイ酸ガラスが、清澄剤をさらに含む、請求項１に記載のアルミノケイ酸ガラス。
- 前記清澄剤が、酸化スズ、酸化硫黄、フッ化物及び酸化セリウムの内の何れか１つである、請求項５に記載のアルミノケイ酸ガラス。
- 前記清澄剤が前記酸化スズであるとき、前記酸化スズの質量百分率が、前記アルミノケイ酸ガラスにおいて０．２％以下である；前記清澄剤が前記酸化硫黄であるとき、前記酸化硫黄の質量百分率が、前記アルミノケイ酸ガラスにおいて０．２％以下である；前記清澄剤が前記フッ化物であるとき、前記フッ化物の質量百分率が、前記アルミノケイ酸ガラスにおいて０．５％以下である；又は、前記清澄剤が前記酸化セリウムであるとき、前記酸化セリウムの質量百分率が、前記アルミノケイ酸ガラスにおいて０．５％以下である、請求項６に記載のアルミノケイ酸ガラス。
- 前記アルミノケイ酸ガラスが、オーバーフローダウンドロー法又はフロート法を用いることによって形成される、請求項１から７の何れか一項に記載のアルミノケイ酸ガラス。
- 請求項１から８の何れか一項に記載のアルミノケイ酸ガラスを化学的に強化することによって得られた、化学強化ガラス。
- 前記化学強化ガラスの圧縮応力が、７００ＭＰａ以上である、請求項９に記載の化学強化ガラス。
- 前記化学強化ガラスの圧縮応力層の厚さが、４０μｍから１００μｍの範囲である、請求項９に記載の化学強化ガラス。
- 前記化学強化ガラスのヤング率が、７０ＧＰａより大きい、請求項９に記載の化学強化ガラス。
- 前記化学強化ガラスの密度が、２．５２ｇ／ｃｍ３以下である、請求項９に記載の化学強化ガラス。
- 前記アルミノケイ酸ガラスが、イオン交換を通して化学的に強化された、請求項９に記載の化学強化ガラス。
- 前記アルミノケイ酸ガラスが、溶融カリウム塩によってイオン交換された、請求項１４に記載の化学強化ガラス。
- 前記イオン交換の時間が、５時間から７時間までの範囲である、請求項１５に記載の化学強化ガラス。
- 請求項９から１６の何れか一項に記載の化学強化ガラスが、ディスプレイスクリーンタッチデバイス上のカバーガラスとして用いられる、用途。
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