JP5318603B2 - ガラス基板の強化方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板の強化方法に係り、詳しくは、ガラス基板上に透明導電膜を形成した後にガラス基板を強化することができる、ガラス基板の強化方法に関する。

従来、ガラスの強化方法としては、ガラスの製造工程において温度の高い軟化状態にあるガラスの表面にジェットエア等で急冷して圧縮応力を付与する風冷強化法や、イオン交換などにより常温で表面に圧縮応力を付与する化学強化法が知られている。また、ガラス表面を研磨等によりガラス表面の微小な傷（グリフィズ欠陥）などを除き強化する方法も知られている。

最近では、超短パルスレーザー光をガラス表面またはガラス内部にスポット状に集光照射し、ガラス内部に異質層を点状、線状、あるいは網目状に形成する、強化ガラスの製造方法も知られている（特許文献１）。

特許第３９５６２８６号明細書

ITO（Indium Tin Oxide）、メサ膜（酸化スズ）、酸化亜鉛膜等の透明導電膜は、ガラス基板上に形成されるが、一般に、予め強化されたガラス基板に透明導電膜を形成することはできない。その理由は、液晶表示パネルや太陽電池等において、ガラス基板に透明導電膜を形成するためにはガラス基板を高温雰囲気（３００〜４５０℃）中に置く必要があるため、その温度によりガラスが軟化して強化性能を失うからである。

一方、研磨等により強化したガラスに透明導電膜を形成することも考えられるが、研磨処理に長時間を要し、加工効率の点で難がある。

そこで、ガラス基板上に透明導電膜を形成した後にガラス基板を強化することが考えられる。

しかしながら、風冷強化法や化学強化法といった従来のガラスの強化方法は、ガラス基板上に透明導電膜を形成した後にガラス基板を強化することができなかった。その理由として、たとえば、従来の風冷強化法では透明導電膜をガラスの軟化点温度に熱することによって性能を劣化させ、化学強化法ではガラス中のＮａイオン，Ｋイオン，Ｌｉイオンが透明導電膜に拡散し伝導性を悪化させるからである。

また、前記風冷強化法の従来設備では強化すべきガラス全体を高温にする必要があり、前記化学強化法は、強化すべきガラスをイオン交換槽に浸漬する必要があって、いずれの強化方法にしても、ガラスを部分的に強化することが難しかった。

また、風冷強化方法は、ガラスを軟化点以上の高温にするため、ガラスの軟化による変形を生じやすく、また、２ｍｍ以下の薄いガラスを強化することが困難という問題もあった。

特許第３９５６２８６号明細書に記載されている方法は、透明導電膜については何ら開示又は示唆していないが、ガラス基板上に透明導電膜を形成した後にガラス基板を強化できる可能性があり、部分的にガラスを強化できる点で優れているが、従来の風冷強化法や化学強化法のようにガラス表面および表面付近の圧縮応力を利用してガラスを強化する方法とは異なり、ガラス材料の破壊時において、クラックの進行する方向が異質相において変わることを利用して破壊強度が向上させるガラス強化方法である。そのため、集光照射によって点状、線状、網目状等の異質層を形成する位置、パターン等の形態によって強度が変わると考えられ、異質層の形態を決定する作業が容易でないと考えられる。

そこで、本発明は、表面に透明導電膜が形成されたガラスを、容易に、必要な部分を強化することができる、ガラス基板の強化方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るガラス基板の強化方法は、ガラス基板上に透明導電膜を形成するステップと、前記ガラス基板上に前記透明導電膜を形成した後に、該ガラス基板に吸収される波長を有するレーザー光の走査照射により、ガラス基板表層のガラス強化所望領域を加熱して熱変性層を形成する加熱ステップと、前記熱変性層が形成されたガラス基板を冷却処理する冷却ステップと、を有することを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明に係るガラス基板の強化方法は、第２の手段として、ガラス基板上に透明導電膜を形成するステップと、レーザー光に対して吸収のある吸収剤を含む吸収剤含有液を前記透明導電膜上に塗布し乾燥させることにより吸収剤層を形成するステップと、前記吸収剤層に吸収される波長を有するレーザー光の走査照射により、ガラス基板表層のガラス強化所望領域を加熱して熱変性層を形成する加熱ステップと、前記熱変性層が形成されたガラス基板を冷却処理する冷却ステップと、を有することを特徴とする。

前記加熱ステップにおけるレーザー光の走査照射を行いつつ、前記冷却ステップにおける冷却処理を行うことが好ましい。

また、前記冷却ステップは、冷却水のミスト噴射とすることが好ましい。

本発明に係るガラス基板の強化方法によれば、ガラスに吸収のあるレーザー光の走査照射によりガラスの表層の所望領域に熱変性層を形成し、冷却処理することにより、煩雑な条件設定等を必要とせず、必要とする部分のみを、効率よく強化できるため、利便性が飛躍的に向上し、広い範囲での応用が可能となる。

また、ガラス表面に吸収剤を塗布することにより吸収剤層を形成し、吸収剤層にレーザー光を走査照射してガラス表層に熱変性層を形成し、冷却処理することとすれば、レーザー光は、吸収剤に吸収される波長であればガラスに吸収される波長に制限されない。また、吸収剤の塗布という簡便な方法により吸収剤層を形成するので実用上の効果が大きい。

本発明に係るガラス基板の強化方法の第１実施形態を示す一部断面斜視図である。 本発明に係るガラス基板の強化方法の第２実施形態を示す一部断面斜視図である。 本発明に係る実施例２と比較例との透過分光特性を示すグラフである。

本発明に係るガラス基板の強化方法の実施形態について、以下に、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、全図及び全実施形態についての同様の構成部分には同符号を付しており、重複説明を省略することがある。先ず、本発明方法の第１実施形態について、図１を参照して説明する。

図１に示すように、表面に透明導電膜５が予め形成されているガラス基板２に対し、ガラス基板２に吸収のあるレーザー光が走査照射される。

透明導電膜５は、ITO（Indium Tin Oxide）、メサ膜（酸化スズ）、酸化亜鉛膜等の公知の透明導電膜が用いられる。一般に、液晶表示装置やタッチパネルでは、厚さ１００ｎｍ程度（またはそれ以下）の透明導電膜がガラス基板２上に形成され、太陽電池では、３００ｎｍ以上の透明導電膜がガラス基板２上に形成されている。透明導電膜５は、公知の方法によってガラス基板２上に形成されており、たとえば、熱ＣＶＤ法、真空蒸着、スパッタリング等により、一般に２５０〜４５０℃でガラス基板２上に成膜されている。

レーザー光は、集光させたビームによってガラス強化所望領域を効率よく走査照射できる程度の集光面積を有するビームプロファイルを有しておれば良く、円形、楕円形状等に集光させるスポットビーム、ライン状に集光させるラインビーム等を使用でき、好ましくは、集光させたビームプロファイルの最大幅は１ｍｍ以上である。

図示例ではラインビームを使用している。レーザー発振器１から特定波長のラインビームレーザー光１ａを、透明導電膜５が形成されているガラス基板２の表層に線集光させて照射する。ラインビームレーザー光１ａを、透明導電膜５が形成されたガラス基板２表面に仮想矢印線で示す経路に沿って移動させ、ガラス基板２表層の強化したい全領域すなわちガラス強化所望領域の全面に走査するように照射（走査照射）する。なお、ラインビームレーザー光１ａは、照射した箇所が重なるように重ね射ちして、同じ個所に２度以上照射しても良い。

ラインビームレーザー光を発生させるレーザー発振器は、たとえば、ロッドレンズ、シリンドリカルレンズ、あるいはパウエルレンズ等を用いた公知のレーザーラインビーム発振装置を用いることができる。

なお、ラインビームレーザー光１ａとガラス基板２の少なくとも一方を移動させることにより走査照射すればよく、たとえば、レーザー発振器１を移動させることに代えて、あるいは、レーザー発振器１の移動とともにレーザー発振器１とは反対方向に、ガラス基板２をＸＹテーブル上に設置する等して、ガラス基板２をレーザー発振器１に対して相対的に移動させることにより、ラインビームレーザー光１ａをガラス基板２上に走査照射するようにしてもよい。

また、ラインビームレーザー光の照射幅Ｗは、適宜設定することができ、たとえば、照射幅Ｗは固定であっても良いし、必要に応じて、照射幅Ｗを変化させるように制御しても良い。照射幅Ｗの制御は、たとえば、レーザー光が通過するスリットのスリット幅や、レンズのデファーオカスを制御することにより行うことができる。

第１実施形態においては、ラインビームレーザー光１ａの波長は、ガラス基板２に吸収される波長である。ガラスの主成分であるシリカは、９．５μｍの波長に大きな吸収があり、シリカ系のガラスはＣＯ_２レーザー（波長１０．６μｍ）をよく吸収するため、この場合は、ＣＯ_２レーザーを好適なレーザー光として使用することができる。波長が連続的または段階的に可変のレーザー発振器を用い、所要の波長に調整して使用しても良い。レーザー光は、連続発振（Continuous Wave）すなわち連続光のレーザー光、あるいはパルスレーザー光が使用できる。ＣＯ_２レーザーは、波長が長いため、透明導電膜５に対しても吸収があるが、透明導電膜５は、レーザーによって加熱されても抵抗値及び透過率に対する影響は少ない。

上記のようにして透明導電膜５が形成されたガラス基板２にラインビームレーザー光を走査照射することにより、透明導電膜５及びガラス基板２の表層が１０００℃以上に加熱され、ガラス基板２の表層に熱変性層３が形成される。

ガラス基板２の熱変性層３は、強制冷却による冷却処理が施される。熱変性層３は、所定時間（例えば、数ミリ秒〜数十秒）で常温まで下がるように、強制冷却する。冷却処理する方法としては、たとえば、液体窒素を気化させた窒素ガス等の不活性ガスや空気をブロワ等で吹き付ける方法や、冷却水のミストを吹き付ける方法、ジェットエアを吹き付ける方法等を利用することができる。ガラス基板２の表面にラインビームレーザー光を照射しつつ、冷却水のミストを吹き付ける等により冷却処理することが好ましい。

上記のようにして熱変性層３を冷却処理すると、ガラス基板２の表層に圧縮応力層が形成されていると考えられ、ガラス基板２が強化されると考えられる。この圧縮応力層は、ガラス基板２の表面から深さ１００μｍ以下（例えば、２０〜３０μｍ以下程度）の範囲内に形成される。圧縮応力層をガラス基板２の両面に形成すれば、たわみの無い強化ガラス基板ができる。

また、レーザー照射による高温加熱によってガラス表面の傷が緩和或いは除去されると考えられ、それによっても強化されていると考えられる。

なお、ガラス基板２の周縁部は切断加工時に生じる潜傷が多いため、ガラス基板２の周縁部を除く所望部分または所望領域にレーザー光を走査照射することによりガラス基板を強化することが好ましい。また、このような潜傷を緩和するためにレーザー光を照射する事もできる。

上記第１実施形態によれば、透明導電膜が形成されているガラスにレーザー光を走査照射して冷却処理するだけの簡単な加工により、透明導電膜をガラス表面に形成した後に、ガラスの所望領域（部分または全面）を強化することができる。そして、常温環境下でレーザーを照射することでガラスを強化できるため、利便性がよく、広い範囲での応用が可能である。また、第１実施形態によれば、透明導電膜が形成されたガラスの表層のみをレーザー光で加熱することにより強化するので、厚さが２ｍｍ以下の薄いガラス基板でも強化可能である。

次に、本発明方法の第２実施形態について、図２を参照して説明する。図２に示すように、透明導電膜５が表面に形成されているガラス基板２を用意しておき、その透明導電膜５の上に、吸収剤層４を形成し、吸収剤層４に吸収のあるレーザー光を吸収剤層４に対して照射する。

透明導電膜５は、ITO（Indium Tin Oxide）、メサ膜（酸化スズ）、酸化亜鉛膜等の公知の透明導電膜が用いられる。一般に、液晶表示装置やタッチパネルでは、厚さ１００ｎｍ程度（またはそれ以下）の透明導電膜がガラス基板２上に形成され、太陽電池では、３００ｎｍ以上の透明導電膜がガラス基板２上に形成されている。透明導電膜５は、公知の方法によってガラス基板２上に形成することができ、たとえば、熱ＣＶＤ法、真空蒸着、スパッタリング等により、一般に２５０〜４５０℃でガラス基板２上に成膜されている。

吸収剤層４は、レーザー光を吸収可能であれば特に限定されないが、たとえば、半導体レーザー（波長：約０．６〜１．８μｍ）を吸収可能な赤外線吸収剤や近赤外吸収剤、あるいは、カーボンブラック等のあらゆる波長のレーザーに吸収のある吸収剤を、水或いは有機溶媒等の分散媒に分散させ、あるいは部分的に溶解させた吸収剤含有液を用いて形成することができる。赤外線吸収剤や近赤外吸収剤は、無機系または有機系の粉末状製品が種々市販されている。カーボンブラック分散液として、カーボンブラックインク、墨汁等を使用可能である。

吸収剤層４は、上記した吸収剤含有液を、印刷、刷毛塗り、ローラー塗り、スピンコート、ディッピング、噴霧等の種々の塗布方法により透明導電膜前駆体上に塗布した後、加熱または風乾等により乾燥させることにより形成される。吸収剤層４の厚さは、照射されるレーザー光の強度、吸収剤の材料等によるが、たとえば、カーボンブラックを水または有機溶媒に分散させたカーボンブラック分散液の場合では、吸収剤層４の厚さは０．１〜５μｍ程度である。

透明導電膜５上に形成された吸収剤層４に、吸収剤層４に吸収される波長のレーザー光１ａを線集光させたラインビームレーザー光を照射する。ラインビームレーザー光を、ガラス基板２に対して相対移動させることで、ガラス基板２の強化したい領域に走査照射し、吸収剤層４を加熱する。その結果、吸収剤層４、透明導電膜５を介してガラス基板２の表層が加熱されることで、ガラス基板２の表層温度は８００〜１０００℃程度になり、ガラス基板２の表層に熱変性層３が形成される。

半導体レーザーを利用した場合、吸収剤層４に所定出力及び所定波長領域の半導体レーザー光をガラス基板に照射することにより、吸収剤層４に半導体レーザーが吸収されて吸収剤層４の温度を短時間で８００〜１０００℃程度まで上昇させることができる。

ＣＯ_２レーザーを用いた場合、ＣＯ_２レーザー（波長１０．６μｍ）は、ガラス基板２にも吸収があるため、吸収剤層４に対して所定出力のＣＯ_２レーザーを照射すると、吸収剤層４とガラス基板２にＣＯ_２レーザーが吸収されることで、吸収剤層４及びガラス基板２の温度を短時間で８００〜１０００℃程度まで上昇させることができる。

レーザー光として、上記第１実施形態と同様に、連続発振（Continuous Wave）すなわち連続光のレーザー光、またはパルスレーザー光を用いることができる。

照射するレーザー光の出力（エネルギー強度）は、例えば近赤外半導体レーザー光の場合で１〜３ｋＷ／ｃｍ^２程度が好ましい。ラインビームレーザー光１ａがガラス基板２表面を移動する速度、すなわちガラス基板２に照射されるラインビームレーザー光１ａがガラス基板２上を移動する相対速度は、レーザー光の強度等によって変わるが、例えば、フルエンス２．８ｋＷ／ｃｍ^２の近赤外半導体レーザー光の場合、２ｍｍ／秒程度とされる。

ラインビームレーザー光を走査照射したガラス基板２に、上記第１実施形態と同様に、強制冷却による冷却処理を施す。加熱されたガラス基板２の表層を、常温まで下がるように冷却処理する。冷却処理方法としては、たとえば、上記第１実施形態と同様、不活性ガスの送風、冷却ミストの噴霧、ジェットエア、等による強制冷却により、熱変性層３を冷却する。ラインビームレーザー光による走査照射を行いつつ、冷却処理を行うことが好ましい。

上記のようにして熱変性層３を冷却処理すると、上記第１実施形態と同様に、ガラス基板２の表層に圧縮応力層が生じる等して、ガラス基板２が強化される。

なお、第２実施形態においても、ガラス基板２の周縁部は潜傷が非常に多いため、ガラス基板２の周縁部を除く所望部分または所望領域に、ラインビームレーザー光を走査照射することが好ましい。また、このような潜傷を緩和するためにラインビームレーザー光を照射する事もできる。

レーザー照射により高温になった基板の温度が低下した後、吸収剤層は、有機溶媒あるいはアルカリ溶液等を用いて除去される。

上記第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様に、透明導電膜が形成されているガラス基板の前記透明導電膜上に形成した吸収剤層にレーザー光を所望領域に走査照射するだけの簡単な加工により、透明導電膜をガラス表面に掲載した後に、ガラスを強化することができる。そして、常温環境下でレーザーを照射することでガラス基板を強化できるため、利便性がよく、広い範囲での応用が可能である。また、ガラス強化を局所的に行えるため、実用的なメリットも大きい等の効果を奏することができる。さらに、第２実施形態によれば、吸収剤層４にレーザー光を吸収させるため、強化すべきガラスは、必ずしも照射されるレーザー光を吸収するガラスである必要はなく、強化されるべきガラスの種類についての自由度が増す。さらにまた、また、第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様、ガラスの表層のみをレーザー光で加熱、冷却することにより強化するので、厚さが２ｍｍ以下の薄いガラス基板でも強化可能である。

本発明について、実施例を用いてさらに詳述する。

実施例１
強化すべきガラス基板として、厚さ４ｍｍ、縦横５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形をしたソーダ石灰ガラスを用意し、その片面に、酸化スズ透明導電膜を熱ＣＶＤ方によって形成した。

出力４００Ｗ、ラインビームレーザー光を発するＣＯ_２レーザー発振器を、ガラス基板に対して速度１００ｍｍ／秒で一定方向に移動させ、４５ｍｍ×５０ｍｍの領域にスポットレーザー光を走査照射した。スポットレーザー光のビームプロファイルは、集光部ビーム径８ｍｍの円形であり、焦点距離６２．５ｍｍから＋１０ｍｍデフォーカスさせた。

照射方法として、スポットレーザー光発信器をＸＹ方向へ移動可能に支持し、スポットレーザー光を照射しつつ＋Ｘ方向へ５０ｍｍ移動させた後、照射を停止して＋Ｙ方向へ５ｍｍ移動させて−Ｘ方向へ５０ｍｍ移動させ、再び、照射を開始して＋Ｘ方向へ５０ｍｍ移動する、という動作を繰り返し、４５ｍｍ×５０ｍｍの領域を走査照射した。従って、レーザー光を複数回照射した領域が存在する。レーザー光の走査照射は、ガラス基板の両面に施した。

レーザー光照射と同時に、空気・水ミストを、内径４ｍｍのパイプから吹き付け圧０．５ＭＰａでレーザー光照射位置の１３ｍｍ後方に吹き付けて冷却処理した。

上記のようにして本発明の実施例１を製作し、比較例として、同寸法で同材料を使用し、酸化スズ透明導電膜を形成したガラス基板で、レーザー照射が施されていないガラス基板を用意した。

本発明の実施例１と比較例ついて、セラミックボールの落下試験を行い、強度を比較した。使用したセラミックボールは、質量７ｇ、直径１５ｍｍである。落下試験は、５ｃｍ毎に高さを上げて破損するか否かを試験した。

試験の結果を表１に示す。

表１から、比較例では７０ｃｍの高さからセラミックボールを落下させたところクラックが入ったが、実施例１では、９０ｃｍの高さからセラミックボールを落下させたときにクラックが入り、強化されていることが判明した。また、レーザー照射を受けた透明導電膜（ＳｎＯ膜）の抵抗率及び透過率が、透明導電膜として遜色ないレベルにあることも確認された。

実施例２
強化すべきガラス基板として、酸化スズ透明導電膜が熱ＣＶＤ方によって両面に成膜された、厚さ３ｍｍ、縦横５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形をしたソーダ石灰ガラスを複数枚用意した。酸化スズ透明導電膜の厚みは、０．５〜２μｍ程度とした。

酸化スズ透明導電膜が成膜されたガラス基板の両面に、カーボンブラック分散体をスピンコートにより、硬化後の厚みが約１μｍとなるように均等に塗布し、風乾させて、近赤外線吸収剤層を形成した。

最大出力４Ｗ、波長８０８ｎｍのラインビームレーザー光を発する近赤外半導体レーザー発振器を、ガラス基板に対して速度２ｍｍ／秒で移動させ、４５ｍｍ×５０ｍｍの領域にラインビームレーザー光（レーザーフルエンス２．８ｋＷ／ｃｍ^２）を実施例１と同様に走査照射した。

照射方法として、ラインビームレーザー光発信器をＸＹ方向へ移動可能に支持し、ラインビームレーザー光を照射しつつ＋Ｘ方向へ５０ｍｍ移動させた後、照射を停止して＋Ｙ方向へ２．５ｍｍ移動させて−Ｘ方向へ５０ｍｍ移動させ、再び、照射を開始して＋Ｘ方向へ５０ｍｍ移動する、という動作を繰り返し、４５ｍｍ×５０ｍｍの領域を走査照射した。従って、ラインビームレーザー光を複数回照射した領域が存在する。レーザー光の走査照射は、ガラス基板の両面に施した。

レーザー光照射と同時に、液体窒素ボンベから取り出した窒素ガスを、内径４ｍｍのパイプから吹き付け圧０．５ＭＰａでレーザー光照射位置の後方に吹き付けて冷却処理した。

上記のようにして本発明の実施例を製作し、比較例として、同じ寸法で同じ材料を使用し、酸化スズ透明導電膜は形成されているが、吸収剤層及びレーザー照射が施されていないガラス基板を用意した。

本発明の実施例２と比較例とについて、透明導電膜の透過分光特性を調べた。透過分布特性を示すグラフを図３に示す。図３において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は透過率（％）である。図３から、実施例２では、比較例に比べて、透過率は１〜２％程度しか低下しておらず、透過率を高いレベルで維持できることが判明した。

また、実施例２と比較例とについて、透明導電膜の電気抵抗について調べたところ、比較例が２３Ω、実施例２が２５Ωであり、抵抗値も大きく変化していないことが判明した。

さらに、実施例２と比較例とついて、セラミックボール（質量７ｇ、直径１５ｍｍ）の落下試験を行い、強度を比較した。試験の結果、実施例２は、比較例よりも２倍以上の強度が得られていた。

１ レーザー発振器
１ａ レーザー光
２ ガラス基板
３ 熱変性層
４ 吸収剤層
５ 透明導電膜

Claims (4)

1. ガラス基板上に透明導電膜を形成するステップと、
   前記ガラス基板上に前記透明導電膜を形成した後に、該ガラス基板に吸収される波長を有するレーザー光の走査照射により、ガラス基板表層のガラス強化所望領域を加熱して熱変性層を形成する加熱ステップと、
   前記熱変性層が形成されたガラス基板を冷却処理する冷却ステップと、
   を有することを特徴とする、ガラス基板の強化方法。
2. ガラス基板上に透明導電膜を形成するステップと、
   レーザー光に対して吸収のある吸収剤を含む吸収剤含有液を前記透明導電膜上に塗布し乾燥させることにより吸収剤層を形成するステップと、
   前記吸収剤層に吸収される波長を有するレーザー光の走査照射により、ガラス基板表層のガラス強化所望領域を加熱して熱変性層を形成する加熱ステップと、
   前記熱変性層が形成されたガラス基板を冷却処理する冷却ステップと、
   を有することを特徴とする、ガラス基板の強化方法。
3. 前記加熱ステップにおけるレーザー光の走査照射を行いつつ、前記冷却ステップにおける冷却処理を行うことを特徴とする請求項１または２かに記載のガラス基板の強化方法。
4. 前記冷却ステップが、冷却水のミスト噴射を含む、請求項１〜３の何れかに記載のガラス基板の強化方法。

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