JP5051329B2 - 化学強化用ガラスおよびディスプレイ装置用ガラス板 - Google Patents
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Description
このようなディスプレイ装置に対しては、薄型デザインによる差異化や移動のための負担の減少のため、軽量・薄型化が要求されている。そのため、ディスプレイ保護用に使用されるカバーガラスも薄くすることが要求されている。しかし、カバーガラスの厚さを薄くしていくと、強度が低下し、据え置き型の場合には物体の飛来や落下による衝撃、または携帯機器の場合には使用中の落下などによりカバーガラス自身が割れてしまうことがあり、ディスプレイ装置を保護するという本来の役割を果たすことができなくなるという問題があった。
ガラス表面に圧縮応力層を形成させる手法としては、軟化点付近まで加熱したガラス板表面を風冷などにより急速に冷却する風冷強化法(物理強化法)と、ガラス転移点以下の温度でイオン交換によりガラス板表面のイオン半径が小さなアルカリ金属イオン(典型的にはLiイオン、Naイオン)をイオン半径のより大きいアルカリイオン(典型的にはKイオン)に交換する化学強化法が代表的である。
ソーダライムガラスは安価であり、また化学強化によってガラス表面に形成した圧縮応力層の表面圧縮応力Sを550MPa以上にできるという特徴があるが、圧縮応力層の厚みt(以下、圧縮応力層深さということもある。)を30μm以上にすることが容易ではないという問題があった。なお、後述する例27のガラスはソーダライムガラスである。
前記SiO2−Al2O3−Na2O系ガラス(以下、従来ガラスという。)には前記Sを550MPa以上にできるだけでなく、前記tを30μm以上にすることも可能であるという特徴がある。なお、後述する例28、29のガラスは従来ガラスの例である。
液晶テレビ、プラズマテレビなどの薄型テレビ、特に大きさが20インチ以上の大型の薄型テレビにおいてもそのカバーガラスの面積が大きいので傷がつく機会が多く、また、画面が大きいのでその傷を破壊起点として破壊する可能性が高くなる。さらに、薄型テレビが壁掛けタイプで使用されると落下する可能性もあり、その場合カバーガラスに大きな負荷がかかる。
タッチパネルはその使用時にスクラッチなどの傷がつく機会が多い。
現在使用されている従来ガラス製の化学強化カバーガラスは、ビッカース硬度計のビッカース圧子で5kgf=49Nの力を加えると破壊すると言われている。
本発明は従来のものより傷がついても破壊しにくいディスプレイ装置用ガラス板の提供を目的とする。
また、酸化物基準のモル百分率表示で、SiO2を68〜80%、Al2O3を4〜10%、Na2Oを5〜15%、K2Oを0〜1%、MgOを4〜15%、ZrO2を0〜1%含有し、SiO2およびAl2O3の含有量の合計SiO2+Al2O3が85%以下である化学強化用ガラスを提供する。
R=0.029×SiO2+0.021×Al2O3+0.016×MgO−0.004×CaO+0.016×ZrO2+0.029×Na2O+0×K2O−2.002。
D=12.8−0.123×SiO2−0.160×Al2O3−0.157×MgO−0.163×ZrO2−0.113×Na2O。
また、化学強化用ガラスであって、厚み1mmのガラス板にして化学強化したものの鏡面仕上げ表面にヌープ圧子を用い196Nの力を加えた時にその化学強化したガラス板の破壊する確率が10%以下である化学強化用ガラスを提供する(以下、この化学強化用ガラスをガラスAということがある)。
Δ=(S400−S450)/S400
また、前記化学強化用ガラスを化学強化して得られた化学強化ガラスを提供する。
また、圧縮応力層厚みが10μm以上であり、表面圧縮応力が400MPa以上である前記化学強化ガラスを提供する。
また、前記ディスプレイ装置用ガラス板からなるカバーガラスを有するディスプレイ装置を提供する。
また、ディスプレイ装置がモバイル機器、タッチパネルまたは大きさが20インチ以上の薄型テレビである前記ディスプレイ装置を提供する。
また、圧痕が付いたとしても、ガラスの強度が低下しにくいため、ガラスに衝撃や静荷重などの負荷がかかっても割れにくい化学強化ガラスおよびそのような化学強化ガラスに好適な化学強化用ガラスが得られる。
また、化学強化処理前の傷やガラス加工時の潜傷およびチッピング起因のクラックが発生しにくく、それが原因となって起こる化学強化ガラス使用時の自発的破壊の可能性が減少した化学強化用ガラスが得られる。
また、そのような化学強化用ガラスをカバーガラスなどのディスプレイ装置用ガラス板として使用した、モバイル機器、タッチパネル、薄型テレビなどのディスプレイ装置が得られる。
本発明の強化ガラスの前記Sはディスプレイ装置などに用いられる場合、通常550MPa以上であり、典型的には650MPa以上である。また、ガラスの厚みが2mmを下回るような場合などにはSは1400MPa以下であることが好ましい。1400MPa超では内部引張応力が大きくなりすぎるおそれがある。より好ましくは1300MPa以下、典型的には1200MPa以下である。
本発明の強化ガラスの表面圧縮応力層の厚みtはディスプレイ装置などに用いられる場合、10μm超であることが好ましく、より好ましくは15μm超、典型的には20μm超である。また、強化ガラスの厚みが2mmを下回るような場合などには、tは90μm以下であることが好ましい。90μm超では内部引張応力が大きくなりすぎるおそれがある。より好ましくは80μm以下、典型的には70μm以下である。
ガラスに所望の表面圧縮応力を有する化学強化層(圧縮応力層)を形成するための化学強化処理条件はガラス板であればその厚みなどによっても異なるが、350〜550℃のKNO3溶融塩に2〜20時間、ガラス基板を浸漬させることが典型的である。経済的な観点からは350〜500℃、2〜16時間の条件で浸漬させることが好ましく、より好ましい浸漬時間は2〜10時間である。
本発明のディスプレイ装置用ガラス板の厚みは通常は0.3〜2mm、典型的には1.5mm以下である。
本発明のディスプレイ装置用ガラス板は典型的にはカバーガラスである。
本発明のガラスの粘度が102dPa・sとなる温度T2は1750℃以下であることが好ましい。
本発明のガラスの粘度が104dPa・sとなる温度T4は1350℃以下であることが好ましい。
本発明のガラスのヤング率Eは68GPa以上であることが好ましい。68GPa未満ではガラスの耐クラック性や破壊強度が不十分となるおそれがある。
本発明のガラスのポアソン比σは0.25以下であることが好ましい。0.25超ではガラスの耐クラック性が不十分となるおそれがある。
先に述べたように通常、化学強化のためのイオン交換処理はナトリウム(Na)を含有するガラスを溶融カリウム塩に浸漬して行われ、当該カリウム塩としては硝酸カリウムまたは硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合塩が使用される。
イオン交換処理ではガラス中のNaと溶融塩中のカリウム(K)のイオン交換が行われるので、同じ溶融塩を使用し続けながらイオン交換処理を繰り返すと溶融塩中のNa濃度が上昇する。
このような溶融塩の交換の頻度は少しでも減らすことが求められており、本発明のガラスαはこのような問題の解決に好適な本発明の態様の一つである。
これら29種のガラス板を、KNO3の含有割合が100%であり、温度が400℃である溶融カリウム塩に10時間浸漬するイオン交換を行って化学強化ガラス板とし、その表面圧縮応力CS1(単位:MPa)を測定した。なお、ガラスA27はモバイル機器のカバーガラスに使用されているガラスである。
また、これら29種のガラス板を、KNO3の含有割合が95%、NaNO3の含有割合が5%であり、温度が400℃である溶融カリウム塩に10時間浸漬するイオン交換を行って化学強化ガラス板とし、その表面圧縮応力CS2(単位:MPa)を測定した。
CS1、CS2をそれらの比r=CS2/CS1とともに表1〜3の該当欄に示すが、従来のカバーガラスA27のrは0.65である。
本発明のガラスαに係る発明はこのような経緯により想到したものである。
したがって、この観点からは本発明のガラスはK2Oを含有しないことが好ましく、そのようなものとして次のガラスが挙げられる。すなわち、下記酸化物基準のモル百分率表示で、SiO2を77%以下、MgOを3%以上、CaOを0〜1%未満、Na2Oを8%以上含有し、SiO2およびAl2O3の含有量の合計が85%以下であり、K2Oを含有しない化学強化用ガラスである。
SiO2はガラスの骨格を構成する成分であり必須であり、また、ガラス表面に傷(圧痕)がついた時のクラックの発生を低減させる、または化学強化後に圧痕をつけた時の破壊率を小さくする成分である。SiO2が65%未満ではガラスとしての安定性や耐候性またはチッピング耐性が低下し、また、SiO2が65%以上であればKNO3溶融塩中のNaNO3濃度による表面圧縮応力の変化を小さくできる。SiO2は好ましくは68%以上、より好ましくは70%以上である。SiO2が85%超ではガラスの粘性が増大して溶融性が低下し、好ましくは80%以下、より好ましくは77%以下、特に好ましくは75%以下である。本発明のガラスαにおいてはSiO2は77%以下とされ、好ましくは76%以下、より好ましくは75%以下である。
SiO2が72%以下である場合、ZrO2は0.63%以下であることが好ましい。ZrO2が0.63%超では化学強化後に圧痕が付いたときに破壊しやすくなり、この観点からはこのような場合はZrO2を含有しないことがより好ましい。
B2O3は高温での溶融性またはガラス強度の向上のために、たとえば1%未満の範囲で含有してもよい場合がある。B2O3が1%以上では均質なガラスを得にくくなり、ガラスの成型が困難になるおそれがある、またはチッピング耐性が低下するおそれがある。典型的にはB2O3は含有しない。
TiO2はガラス中に存在するFeイオンと共存することにより、可視光透過率を低下させ、ガラスを褐色に着色するおそれがあるので、含有するとしても1%以下であることが好ましく、典型的には含有しない。
SrOは必要に応じて含有してもよいが、MgO、CaOに比べてイオン交換速度を低下させる効果が大きいので、含有する場合であってもその含有量は1%未満であることが好ましい。典型的にはSrOは含有しない。
BaOはアルカリ土類金属酸化物の中でイオン交換速度を低下させる効果が最も大きいので、BaOは含有しないこととするか、含有する場合であってもその含有量は1%未満とすることが好ましい。
CaO、SrO、BaOおよびZrO2のいずれか1以上を含有する場合、それら4成分の含有量の合計は1.5%未満であることが好ましい。当該合計が1.5%以上ではイオン交換速度が低下するおそれがあり、典型的には1%以下である。
例1〜22、例30〜62は実施例、例23〜29は比較例である。
参考のために、例1〜62のガラスの質量百分率表示組成を表12〜19に示す。
板状のガラスを#1000の砥石を用いて300〜1000μm研削して板状ガラスを得、その後、酸化セリウムを用いて研磨してその表面を鏡面とした。次に、この鏡面加工した表面の加工歪を除去するため、抵抗加熱型の電気炉にて大気圧下Tg+50℃の温度まで昇温し、その温度に1時間保持した後室温まで0.5℃/分の速度で降温した。なお、昇温はTgへの到達時間が1時間となるような昇温速度で行った。
未強化時のガラスのクラック発生率は低い方が好ましい。具体的にはP0は50%以下であることが好ましい。本発明の実施例のガラスはP0が50%を超えるものがなく、未強化の状態でもクラックが発生しにくいことがわかる。
化学強化処理後の各ガラスについて、折原製作所社製表面応力計FSM−6000にて表面圧縮応力S(単位:MPa)および圧縮応力層深さt(単位:μm)を測定した。結果を表の該当欄に示す。
また、例31〜58の板状ガラスについては400℃のKNO3溶融塩への浸漬時間を6時間と10時間にして同様に表面圧縮応力と圧縮応力層深さを測定し、それらの値から上記浸漬時間が8時間の場合の表面圧縮応力と圧縮応力層深さを推定した。結果を表のS、tの欄に示す。
本発明の実施例1〜15、17、18、31〜62ではガラスは全く破壊せずP1が0%であり、P1が0%ではない実施例16でもP1、P2はいずれも40%にとどまっているのに対して、比較例24〜29ではP1またはP2は40%超であり、特に例27〜29のガラスではP1、P2はいずれも100%でありすべて破壊してしまった。すなわち、本発明のガラスは圧痕がついても破壊するリスクが低いことがわかる。なお、比較例23、26のP1は40%以下であるが、これらはいずれもP0が大きく50%超である。
この10kgfの圧痕がついた実施例1、8のサンプルを用いて、その圧痕がついた面が引張られるようにしてスパン30mmで3点曲げ試験を行った。n=20での曲げ強度平均値(単位:MPa)を表4のFの欄に示すが、圧痕がついた状態でも例1、8のガラスを化学強化したものは400MPa以上という非常に高い破壊応力を示した。
Δは次のようにして測定した。すなわち、KNO3の含有割合が100%であり温度が400℃である溶融硝酸カリウムに6時間浸漬するイオン交換を行って化学強化ガラス板とし、その表面圧縮応力S400(単位:MPa)を測定し、また、KNO3の含有割合が100%であり温度が450℃である溶融硝酸カリウムに6時間浸漬するイオン交換を行って化学強化ガラス板とし、その表面圧縮応力S450(単位:MPa)を測定した。このようにして測定したS400およびS450から(S400−S450)/S400を算出し、これをΔとした。
この測定結果から本発明の実施例のガラスは高荷重でビッカース圧子を圧入しても破壊しにくいことがわかる。
この測定結果から本発明の実施例のガラスは高荷重でヌープ圧子を圧入しても破壊しにくいことがわかる。
この測定結果から本発明の実施例のガラスは非常に大きな圧入くぼみができても、破壊しにくいことがわかる。
なお、2010年5月19日に出願された日本特許出願2010−115365号、2010年12月14日に出願された日本特許出願2010−278106号、および2010年12月24日に出願された日本特許出願2010−288255号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。
Claims (15)
- 下記酸化物基準のモル百分率表示で、SiO2を65〜85%、Al2O3を3〜15%、Na2Oを5〜15%、K2Oを0〜2%未満、MgOを0〜15%、ZrO2を0〜1%含有し、SiO2およびAl2O3の含有量の合計SiO2+Al2O3が88%以下である化学強化用ガラスであって、各成分の含有量を用いて下記式により算出されるDが0.18以下である化学強化用ガラス。
D=12.8−0.123×SiO 2 −0.160×Al 2 O 3 −0.157×MgO−0.163×ZrO 2 −0.113×Na 2 O - SiO2が68〜80%、Al2O3が4〜10%、K2Oが0〜1%、MgOが4%以上であり、SiO2+Al2O3が85%以下である請求項1に記載の化学強化用ガラス。
- CaOを含有しない、またはCaOを含有する場合、その含有量が1%未満である請求項1または2に記載の化学強化用ガラス。
- SiO2+Al2O3が75%以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載の化学強化用ガラス。
- Al2O3が4.5%以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載の化学強化用ガラス。
- SiO2が70〜75%、Al2O3が5%以上、Na2Oが8%以上、MgOが5〜12%、SiO2+Al2O3が77〜83%である請求項1〜5のいずれかの1項に記載の化学強化用ガラス。
- Al2O3が6%以下である請求項1〜6のいずれか1項に記載の化学強化用ガラス。
- MgOが8%以上である請求項1〜7のいずれか1項に記載の化学強化用ガラス。
- CaO、SrO、BaOおよびZrO2のいずれか1以上の成分を含有する場合それら4成分の含有量の合計が1.5%未満である請求項1〜8のいずれか1項に記載の化学強化用ガラス。
- SiO2、Al2O3、Na2OおよびMgOの含有量の合計が98%以上である請求項1〜9のいずれか1項に記載の化学強化用ガラス。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の化学強化用ガラスであって、厚み1mmのガラス板にして化学強化したものの鏡面仕上げ表面にビッカース圧子を用い98Nの力を加えた時にその化学強化したガラス板の破壊する確率が10%以下である化学強化用ガラス。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の化学強化用ガラスであって、厚み1mmのガラス板にして化学強化したものの鏡面仕上げ表面にヌープ圧子を用い196Nの力を加えた時にその化学強化したガラス板の破壊する確率が10%以下である化学強化用ガラス。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の化学強化用ガラスであって、厚み1mmのガラス板にして400℃のKNO3に6時間浸漬したときに得られる表面圧縮応力をS400、450℃のKNO3に6時間浸漬したときに得られる表面圧縮応力をS450として次式で表わされるΔが0.21以下である化学強化用ガラス。
Δ=(S400−S450)/S400 - 請求項1〜13のいずれか1項に記載の化学強化用ガラスを化学強化して得られた化学強化ガラス。
- 圧縮応力層厚みが10μm以上であり、表面圧縮応力が400MPa以上である請求項14に記載の化学強化ガラス。
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