JP5743125B2 - 強化ガラス及び強化ガラス基板 - Google Patents

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Description

本発明は、強化ガラス基板に関するものであり、特に、携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡ（携帯端末）、太陽電池のカバーガラス、あるいはタッチパネルディスプレイに好適な強化ガラス基板に関するものである。
携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡ、あるいはタッチパネルディスプレイといったデバイスは、ますます普及する傾向にある。
従来、これらの用途ではディスプレイを保護するための保護部材としてアクリル等の樹脂が用いられていた。しかしアクリル樹脂ではヤング率が低いため、指などでディスプレイが押された場合にアクリル樹脂基板がたわみ、ディスプレイに接触して表示不良が発生する場合があった。また傷がつきやすく、視認性が悪化しやすくなるといった問題があった。これらの問題を解決するひとつの方法は保護部材としてガラス基板を用いる方法である。これらの保護部材に用いられるガラス基板には、（１）高い機械的強度を有すること、（２）低密度であること、（３）安価で多量に供給できること、（４）泡品位に優れることが求められる。（１）の要件を満たすため、従来イオン交換等で強化したガラス基板
（所謂、強化ガラス基板）が用いられている（特許文献１、非特許文献１参照）。
特開２００６−８３０４５号公報 泉谷徹朗等、「新しいガラスとその物性」、初版、株式会社経営シ ステム研究所、１９８４年８月２０日、ｐ．４５１−４９８
非特許文献１には、ガラス組成中のＡｌ２Ｏ３含有量を増加させていくと、ガラスのイオン交換性能が向上し、ガラス基板の機械的強度を向上できることが記載されている。
しかし、ガラス組成中のＡｌ２Ｏ３含有量を増加させていくと、ガラスの耐失透性が悪化し、成形中にガラスが失透しやすくなり、ガラス基板の製造効率、品位等が悪化する。またガラスの耐失透性が悪いと、ロール成形等の方法でしか成形できず、表面精度の高いガラス板を得ることができない。それ故、ガラス板の成形後、別途研磨工程を付加しなければならない。しかしながらガラス基板を研磨すると、ガラス基板の表面に微小な欠陥が発生しやすくなり、ガラス基板の機械的強度を維持し難くなる。
このような事情から、ガラスのイオン交換性能と耐失透性を両立することが困難であり、ガラス基板の機械的強度を顕著に向上させることが困難となっていた。また、デバイスの軽量化を図るため、タッチパネルディスプレイ等のデバイスに用いられるガラス基板は、年々薄肉化されてきている。薄板のガラス基板は破損しやすいことから、ガラス基板の機械的強度を向上させる技術は益々重要となってきている。
またガラスにイオン交換処理を施し、ガラス表面に高い圧縮応力値を形成したとしても、その圧縮応力値より低い応力で破損する場合があり、結果として強度のばらつきが大きくなることがある。この原因としては、圧縮応力層の深さが小さいことが考えられる。そのため圧縮応力層の厚みを大きくすることが望まれるが、圧縮応力層の厚みを大きくすると、イオン交換処理時間が長くなったり、圧縮応力値が低下しやすくなる。また強度のばらつきを小さくする方法として、ガラスをＫＮＯ３溶液で処理した後、さらにＮａＮＯ３溶液で処理する方法が知られているが、この方法も処理時間が長くなり、コストが高くなるという問題がある。
そこで、本発明は、ガラスのイオン交換性能と耐失透性を両立させ、かつ短時間でイオン交換処理を行っても、圧縮応力層の厚みが大きくなるため、機械的強度が高く、成形性に優れた強化ガラスを得ることを技術的課題とする。
本発明者は、種々の検討を行った結果、ガラス中のＡｌ２Ｏ３とＭｇＯの割合を規制することによって、イオン交換性能と耐失透性を向上することができることを見いだした。またＡｌ２Ｏ３とアルカリ金属酸化物の割合を規制することによって耐失透性を向上することができることを見いだした。またＫ２Ｏを所定量含有させることによって、圧縮応力層の厚みを大きくすることができることを見いだした。またＫ２ＯとＮａ２Ｏの割合を規制することによって、圧縮応力値を低下させることなく、圧縮応力層の厚みを大きくすることができることを見いだし、本発明を提案するに至った。
即ち、本発明の強化ガラスは、表面に圧縮応力層を有する強化ガラスであって、モル％で、ＳｉＯ２ ４０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ７〜１５％、Ｂ２Ｏ３ ０〜８％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜２０％、ＭｇＯ ０〜４％、ＳｒＯ ０〜３％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しないことを特徴とする。なお、特に断りのない限り、以下の説明において「％」はモル％を意味する。
また本発明の強化ガラスは、表面に圧縮応力層を有する強化ガラスであって、モル％で、ＳｉＯ２ ４５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ８〜１１％、Ｂ２Ｏ３ ０〜５％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜８％、ＣａＯ ０〜６％、ＭｇＯ ０〜４％、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ８〜１６．５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ ０〜７％、ＳｒＯ ０〜３％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５、Ｋ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ比が０．１〜０．８であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しないことが好ましい。
また本発明の強化ガラスは、ＳｎＯ２を０．０１〜６％含有する。
また本発明の強化ガラスは、平均破壊応力が３００ＭＰａ以上であり、ワイブル係数が１５以上であることが好ましい。ここで、「平均破壊応力」は、３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの寸法を有し、全面を光学研磨したガラス試験片を使用して３点曲げ試験を行い、得られた破壊荷重から算出した破壊応力の平均値を指す。また「ワイブル係数」は、平均値ランク法を用いて破壊応力をワイブルプロットした際に得られる近似直線の傾きを指す。
また本発明の強化ガラス基板は、表面の圧縮応力が３００ＭＰａ以上であり、圧縮応力層の厚みが１０μｍ以上であることが好ましい。ここで、「表面の圧縮応力」および「圧縮応力層の厚み」は、表面応力計（株式会社東芝製ＦＳＭ−６０００）を用いて試料を観察した際に、観察される干渉縞の本数とその間隔から算出される値を指す。
また本発明の強化ガラス基板は、上記強化ガラスからなることを特徴とする。
また本発明の強化ガラス基板は、オーバーフローダウンドロー法によって板状に成形されてなることが好ましい。
また本発明の強化ガラス基板は、未研磨の表面を有することが好ましい。ここで「未研磨の表面」とはガラス基板の主表面（いわゆる表面と裏面）が研磨されていないということである。言い換えれば両表面が火造り面であるということを意味し、表面の平均表面粗さ（Ｒａ）はＳＥＭＩ Ｄ７−９７「ＦＰＤガラス基板の表面粗さの測定方法」に準拠した方法により測定した場合に平均表面粗さ（Ｒａ）は１０Å以下、好ましくは５Å以下、より好ましくは２Å以下である。なお端面部については、面取り等の研磨処理がなされていてもよい。
また本発明の強化ガラス基板は、液相温度が１０７５℃以下であることが好ましい。ここで、「液相温度」とは、ガラスを粉砕し、標準篩３０メッシュ（篩目開き５００μｍ）を通過し、５０メッシュ（篩目開き３００μｍ）に残るガラス粉末を白金ボートに入れ、温度勾配炉中に２４時間保持した後、結晶が析出する温度を指す。
また本発明の強化ガラス基板は、液相粘度が１０４．０ｄＰａ・ｓ以上であることが好ましい。ここで、「液相粘度」とは、液相温度におけるガラスの粘度を指す。なお、液相粘度が高く、液相温度が低いほど、ガラスの耐失透性は優れ、ガラス基板の成形性に優れている。
また本発明の強化ガラス基板は、タッチパネルディスプレイに用いることが好ましい。
また本発明の強化ガラス基板は、携帯電話のカバーガラスに用いることが好ましい。
また本発明の強化ガラス基板は、太陽電池のカバーガラスに用いることが好ましい。
また本発明の強化ガラス基板は、ディスプレイの保護部材として用いられることが好ましい。
また本発明のガラスは、モル％で、ＳｉＯ２ ４０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３ ７〜１５％、Ｂ２Ｏ３ ０〜８％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜２０％、ＭｇＯ ０〜４％、ＳｒＯ ０〜３％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しないことを特徴とする。
また本発明のガラスは、ＳｎＯ２を０．０１〜６％含有する。
また本発明の強化ガラス基板の製造方法は、モル％で、ＳｉＯ２ ４０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ７〜１５％、Ｂ２Ｏ３ ０〜８％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜２０％、ＭｇＯ ０〜４％、ＳｒＯ ０〜３％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しないガラス組成となるように調合したガラス原料を溶融し、ガラスを板状に成形した後、イオン交換処理を施すことによって、ガラス表面に圧縮応力層を形成することを特徴とする。
また本発明の強化ガラス基板の製造方法は、ガラス組成中にＳｎＯ２を０．０１〜６モル％含有する。
また本発明の強化ガラス基板の製造方法は、ダウンドロー法にて板状に成形することが好ましい。
また本発明の強化ガラス基板の製造方法は、オーバーフローダウンドロー法にて板状に成形することが好ましい。
本発明の強化ガラスは、イオン交換性能が高く、短時間で処理を行ったとしても高い圧縮応力が、より深くまで形成されるため、機械的強度が高くなり、また機械的強度のばらつきが小さくなる。
また本発明の強化ガラスは、耐失透性に優れるため、オーバーフローダウンドロー法等を採用することが可能である。それゆえ成形後の研磨が不要であり、研磨により生じる微小欠陥がない。それゆえ機械的強度が高いという効果がある。
さらに本発明の強化ガラスは、研磨工程を行うことなく作製可能であるため、製造コストが低減でき、安価に供給することが可能である。
それゆえ、本発明の強化ガラス基板は、タッチパネルディスプレイ、携帯電話のカバーガラス、太陽電池のカバーガラス、ディスプレイの保護部材等に好適に使用できる。なおタッチパネルディスプレイは、携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡ等に搭載されている。モバイル用途のタッチパネルディスプレイでは、軽量化、薄型化、高強度化の要請が強く、薄型で機械的強度が高いガラス基板が要求されている。その点、本発明の強化ガラス基板は、板厚を薄くしても、実用上、十分な機械的強度を有するため、モバイル用途に好適である。
また本発明のガラスは、高いイオン交換性能を有している。また耐失透性に優れるため、オーバーフローダウンドロー法等で成形可能である。
それゆえ本発明のガラスを用いれば、機械的強度が高い強化ガラス基板を安価に作製可能である。
また本発明の強化ガラスの製造方法は、イオン交換性能が高く、且つ耐失透性に優れるガラスを用いるものであるため、機械的強度が高い強化ガラス基板を安価に作製可能である。
本発明の強化ガラスは、その表面に圧縮応力層を有する。ガラスの表面に圧縮応力層を形成する方法には、物理強化法と化学強化法がある。本発明の強化ガラスは、化学強化法で圧縮応力層を形成することが好ましい。化学強化法は、ガラスの歪点以下の温度でイオン交換によりガラス基板の表面にイオン半径の大きいアルカリイオンを導入する方法である。化学強化法で圧縮応力層を形成すれば、ガラスの厚みが薄くても、良好に強化処理を施すことができ、所望の機械的強度を得ることができる。さらに、ガラスに圧縮応力層を形成した後にガラスを切断しても、風冷強化法等の物理強化法で強化されたガラスのように容易に破壊することがない。
イオン交換の条件は、特に限定されず、ガラスの粘度特性等を考慮して決定すればよい。特に、ＫＮＯ３溶融塩中のＫイオンをガラス基板中のＮａ成分とイオン交換すると、ガラス基板の表面に圧縮応力層を効率良く形成することができるため好ましい。
本発明の強化ガラス基板において、ガラス組成を上記範囲に限定した理由を以下に説明する。
ＳｉＯ２は、ガラスのネットワークを形成する成分であり、その含有量は４０〜７５％、好ましくは４５〜７５％、５５〜７５％、６０〜７５％、特に６０〜７０％である。ＳｉＯ２の含有量が多くなり過ぎると、ガラスの溶融、成形が難しくなり、また熱膨張係数が小さくなり、周辺材料と熱膨張係数が整合し難くなる。一方、ＳｉＯ２の含有量が少な過ぎると、ガラス化し難くなる。またガラスの熱膨張係数が大きくなり、ガラスの耐熱衝撃性が低下する。
Ａｌ２Ｏ３はイオン交換性能を高める成分である。またガラスの歪点およびヤング率を高くする効果もあり、その含有量は７〜１５％である。Ａｌ２Ｏ３の含有量が多過ぎると、ガラスに失透結晶が析出しやすくなってオーバーフローダウンドロー法等による成形が困難になる。またガラスの熱膨張係数が小さくなり過ぎて周辺材料と熱膨張係数が整合し難くなり、またガラスの高温粘性が高くなり溶融し難くなる。Ａｌ２Ｏ３の含有量が少な過ぎると、十分なイオン交換性能を発揮できない虞が生じる。従ってＡｌ２Ｏ３の好適な範囲は、７〜１１％、さらに８〜１１％、８〜１０％、特に８〜９％である。
Ｂ２Ｏ３は、ガラスの高温粘度及び密度を低下させると共に、ガラスのイオン交換性能、特に圧縮応力値を向上させる効果がある。さらにガラスを安定化させて結晶を析出させにくくし、ガラスの液相温度を低下させる効果がある。しかしながらＢ２Ｏ３が多くなりすぎると、イオン交換によってヤケと呼ばれるガラス表面の着色が発生したり、ガラスの耐水性が低下したり、圧縮応力層の深さが小さくなるため好ましくない。従ってＢ２Ｏ３の含有量は、０〜８％、好ましくは０〜５％、０〜３％、０〜２％、特に０〜１％である。
Ｌｉ２Ｏは、イオン交換成分であるとともに、ガラスの高温粘度を低下させて溶融性や成形性を向上させる成分である。さらにＬｉ２Ｏは、ガラスのヤング率を向上させる効果がある成分である。またＬｉ２Ｏはアルカリ金属酸化物の中では圧縮応力値を高める効果が高い。しかしＬｉ２Ｏの含有量が多くなり過ぎると液相粘度が低下してガラスが失透しやすくなる。またガラスの熱膨張係数が大きくなり過ぎて、ガラスの耐熱衝撃性が低下したり、周辺材料と熱膨張係数が整合し難くなる。さらに、低温粘性が低下しすぎて応力緩和が起こりやすくなると、かえって圧縮応力値が低くなる場合がある。従ってＬｉ２Ｏの含有量は０〜１％であり、さらに０〜０．１％であることが好ましく、実質的に含有しないこと、つまり０．０１％未満に抑えることが最も好ましい。
Ｎａ２Ｏは、イオン交換成分であるとともに、ガラスの高温粘度を低下させて溶融性や成形性を向上させる効果がある。また、Ｎａ２Ｏは、ガラスの耐失透性を改善する成分でもある。Ｎａ２Ｏの含有量は８〜２０％であるが、より好適な含有量は、８．５〜２０％、１０〜１８％、１０〜１６％、１１〜１６％、１２〜１６％、特に１３〜１６％である。Ｎａ２Ｏの含有量が多くなり過ぎると、ガラスの熱膨張係数が大きくなり過ぎて、ガラスの耐熱衝撃性が低下したり、周辺材料と熱膨張係数が整合し難くなる。また歪点が低下しすぎたり、ガラス組成のバランスを欠き、かえってガラスの耐失透性が悪化する傾向がある。一方、Ｎａ２Ｏの含有量が少ないと、溶融性が悪化し、熱膨張係数が小さくなり、さらにイオン交換性能が悪化する。
Ｋ２Ｏは、イオン交換を促進する効果があり、アルカリ金属酸化物の中では圧縮応力層の深さを深くする効果が高い。またガラスの高温粘度を低下させて溶融性や成形性を高める効果がある。また、Ｋ２Ｏは、耐失透性を改善する成分でもある。しかしながらＫ２Ｏの含有量が多過ぎると、ガラスの熱膨張係数が大きくなり、ガラスの耐熱衝撃性が低下したり、周辺材料と熱膨張係数が整合し難くなる。さらに歪点が低下しすぎたり、ガラス組成のバランスを欠き、かえってガラスの耐失透性が悪化する傾向がある。従って、その含有量は、０．５〜２０％、好ましくは、０．５〜８％、１〜７．５％、２〜７．５％、３〜７．５％、特に３．５〜７．５％である。
ＭｇＯは、ガラスの高温粘度を低下させて溶融性や成形性を高めたり、歪点やヤング率を高めたりする成分であり、アルカリ土類金属酸化物の中では、イオン交換性能を向上させる効果が高い。しかし、ＭｇＯの含有量が多くなると、ガラスの密度、熱膨張係数が高くなり、またガラスが失透しやすくなる傾向がある。したがって、その含有量は、０〜４％とすることが望ましい。
また本発明では、Ａｌ２Ｏ３とＭｇＯの合量が、８〜１６．５％であることが好ましい。この合量値が少なくなると、ガラスのイオン交換性能が悪化する。逆に多くなると、ガラスの耐失透性が悪化し、成形性が低下する。従って好ましくは８〜１６％、より好ましくは８〜１４％である。
また本発明は、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３の比が、１．４〜３であり、かつＮａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の比が、１〜３であることを特徴とする。すなわち、これらの比が、１．４〜３の範囲であると、ガラスの耐失透性を効果的に改善することができる。尚、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３の比のより好ましい範囲は、１．５〜２．５であり、さらに１．８〜２．５である。またＮａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の比のより好ましい範囲は、１．２〜３、さらには１．２〜２．５である。
また本発明は、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３の比が０〜０．５であることを特徴とする。この比が１より大きくなると耐失透性が悪化する。
また本発明は、環境面の配慮から、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しない。ここで「実質的に含有しない」とは、積極的に原料として用いず、不純物として混入するレベルであることを意味し、含有量としては０．１％未満となる。
本発明の強化ガラス基板は、上記成分から構成されるが、ガラスの特性を損なわない範囲で、以下の成分を添加することができる。
ＣａＯは、ガラスの高温粘度を低下させて溶融性や成形性を高めたり、歪点やヤング率を高めたりする成分であり、アルカリ土類金属酸化物の中では、イオン交換性能を向上させる効果が高い。ＣａＯの含有量は０〜６％である。しかし、ＣａＯの含有量が多くなると、ガラスの密度、熱膨張係数が高くなり、またガラスが失透しやすくなったり、更にはイオン交換性能が悪化する傾向がある。したがって、その含有量は０〜５％、特に０〜４％とすることが望ましい。
ＭｇＯ＋ＣａＯは、０〜７％にすることが好ましい。７％より多くなると、ガラスのイオン交換性能は向上するが、ガラスの耐失透性が悪化したり、密度や熱膨張係数が高くなりすぎる。好ましい範囲は、０〜６％、０〜５％、０〜４％、特に０〜３％である。
ＳｒＯ及びＢａＯは、ガラスの高温粘度を低下させて溶融性や成形性を向上させたり、歪点やヤング率を高めたりする成分であるが、その含有量が多くなると、イオン交換反応を阻害する。またガラスの密度、熱膨張係数が高くなったり、ガラスが失透しやすくなる。ＳｒＯの含有量は０〜３％であり、好ましくは０〜１．５％、０〜１％、０〜０．５％、特に０〜０．２％である。またＢａＯの好ましい含有量は、０〜３％、０〜１．５％、０〜１％、０〜０．５％、特に０〜０．２％である。
本発明では、ＳｒＯとＢａＯの合量を０〜３％に規制することによって、より効果的にイオン交換性能を向上させることができる。好ましい合量値は０〜２．５％、０〜２％、０〜１％、特に０〜０．２％である。
ＴｉＯ２は、イオン交換性能を向上させる効果がある成分である。またガラスの高温粘度を低下させる効果があるが、その含有量が多くなりすぎると、ガラスが着色したり、失透しやすくなる。従って、その含有量は、０〜０．５％であり、好ましくは０〜０．１％である。
ＺｒＯ２は、イオン交換性能を顕著に向上させると共にガラスの液相粘度付近の粘性や歪点を高くする効果があるが、その含有量が多くなりすぎると、耐失透性が著しく低下する。従って、その含有量は、０〜１０％、好ましくは０〜５％、０〜３％、０．００１〜３％、０．１〜３％、１〜３％、特に１．５〜３％である。
本発明においては、イオン交換性能向上の観点から、ＺｒＯ２とＴｉＯ２を合量で０．１〜１５％含有させることが望ましいが、ＴｉＯ２源、ＺｒＯ２源として試薬を用いても良いし原料等に含まれる不純物から含有させても良い。
またアルカリ金属酸化物Ｒ２Ｏ（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋから選ばれる１種以上）の含有量が多くなり過ぎると、ガラスが失透しやすくなることに加えて、ガラスの熱膨張係数が大きくなり過ぎて、ガラスの耐熱衝撃性が低下したり、周辺材料と熱膨張係数が整合し難くなったりする。またガラスの歪点が低下し過ぎて、高い圧縮応力値が得られにくくなる場合がある。さらに液相温度付近の粘性が低下し、高い液相粘度を確保することが困難となる場合がある。一方、Ｒ２Ｏの合量が少なすぎると、ガラスのイオン交換性能や溶融性が悪化する。従ってＲ２Ｏは１０〜２５％、好ましくは１３〜２２％、さらに１５〜２０％、特に１６．５〜２０％含有することが望ましい。
またＫ２Ｏ／Ｎａ２Ｏのモル比の範囲は、０．１〜０．８であることが好ましい。０．１より小さくなると、圧縮応力層の深さが小さくなりやすく、１より大きくなると、得られる圧縮応力値が低下したり、組成のバランスを欠いて失透しやすくなる。Ｋ２Ｏ／Ｎａ２Ｏのモル比の範囲は、０．２〜０．８、０．２〜０．５、０．２〜０．４の範囲に規制することが望ましい。
アルカリ土類金属酸化物Ｒ’Ｏ（Ｒ’はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる１種以上）が多くなると、ガラスの密度や熱膨張係数が高くなったり、耐失透性が悪化したりすることに加えて、イオン交換性能が悪化する傾向がある。それ故、アルカリ土類金属酸化物Ｒ’Ｏの合量は、０〜１０％、好ましくは０〜８％、より好ましくは０〜７、さらに０〜６％、最も好ましくは０〜４％である。
ＺｎＯは、ガラスのイオン交換性能を高める成分であり、特に、圧縮応力値を高くする効果が大きい。またガラスの低温粘性を低下させずに高温粘性を低下させる効果を有する成分である。しかし、ＺｎＯの含有量が多くなると、ガラスが分相したり、失透性が悪化したり、密度が高くなったり、圧縮応力層の厚みが小さくなる傾向がある。従って、その含有量は０〜６％、好ましくは０〜５％、より好ましくは０〜３％、さらに好ましくは０〜１％である。
またＲ’Ｏの合量をＲ２Ｏの合量で除した値が大きくなると、ガラスの耐失透性が悪化する傾向が現れる。それ故、質量分率でＲ’Ｏ／Ｒ２Ｏの値を０．５以下、０．３以下、０．２以下に規制することが望ましい。
またＳｎＯ２は、ガラスの清澄剤として働くと共に、イオン交換性能をより向上させる効果があるが、その含有量が多くなるとＳｎＯ２に起因する失透が発生したり、ガラスが着色しやすくなる傾向がある。従って、０．０１〜６％、０．０１〜３％、特に０．１〜１％含有することが望ましい。
Ｐ２Ｏ５は、ガラスのイオン交換性能を高める成分であり、特に、圧縮応力厚みを厚くする効果が大きいため、１０％まで含有させることができる。しかし、Ｐ２Ｏ５の含有量が多くなると、ガラスが分相したり、耐水性が悪化したりするため、その含有量は０〜１０％、０〜３％、０〜１％、特に０〜０．５％にすることが望ましい。
また清澄剤としてＳｂ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＳｎＯ２、Ｃｌ、ＳＯ３の群から選択された一種または二種以上を０〜３％含有させてもよい。Ａｓ２Ｏ３及びＦは、環境に対する配慮から、使用は極力控えるべきであり、本発明では実質的に含有しない。本発明において好ましい清澄剤の含有量はＳｎＯ２＋ＣｅＯ２＋Ｃｌ ０．００１〜１％、好ましくは０．０１〜０．５％、より好ましくは０．０５〜０．４％である。
また上記したようにＳｎＯ２にはイオン交換性能を向上させる効果もあるため、清澄効果とイオン交換性能向上効果を同時に得るためにＳｎＯ２ ０．０１〜６％、好ましくは０．０１〜３％、より好ましくは０．１〜１％含有することが望ましい。一方、清澄剤としてＳｎＯ２を使用すると、ガラスが着色することがあるため、ガラスの着色を抑制しながら溶融性を向上させる必要がある場合には、清澄剤としてＳｂ２Ｏ３ ０．０１〜５％、好ましくは０．０１〜３％、あるいはＳＯ３ ０．００１〜５％、好ましくは０．００１〜３％を使用することが望ましい。またＳｎＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＳＯ３を共存させることで、ガラスのイオン交換性能を向上させながら、着色を抑えることが可能となり、ＳｎＯ３＋Ｓｂ２Ｏ３＋ＳＯ３ ０．００１〜１０％、好ましくは０．０１〜５％の含有量とすることが適当である。
またＮｂ２Ｏ５やＬａ２Ｏ３等の希土類酸化物は、ガラスのヤング率を高める成分である。しかし、原料自体のコストが高く、また多量に含有させると耐失透性が悪化する。それ故、それらの含有量は、３％以下、２％以下、１％以下、０．５％以下、特に０．１％以下に制限することが望ましい。
なお、本発明において、Ｃｏ、Ｎｉ等のガラスを強く着色するような遷移金属元素は、ガラス基板の透過率を低下させるため好ましくない。特に、タッチパネルディスプレイ用途に用いる場合、遷移金属元素の含有量が多いと、タッチパネルディスプレイの視認性が損なわれる。具体的には０．５％以下、０．１％以下、特に０．０５％以下となるよう、原料あるいはカレットの使用量を調整することが望ましい。
また、ＰｂＯ、Ｂｉ２Ｏ３等の物質は環境に対する配慮から、使用は極力控えるべきであり、本発明では、ＰｂＯを実質的に含有しない。
本発明の強化ガラス基板は、各成分の好適な含有範囲を適宜選択し、好ましいガラス組成範囲とすることができる。その中でも、より好適なガラス組成範囲の例は以下の通りである。
（１）モル％で、ＳｉＯ２ ５０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ８〜１０．５％、Ｂ２Ｏ３ ０〜３％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ １〜７．５％、ＣａＯ ０〜６％、ＭｇＯ ０〜４％、ＳｒＯ ０〜３％、ＢａＯ ０〜６％、ＺｎＯ ０〜６％、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ８〜１６．５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ ０〜７％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．５〜２．５、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１．２〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５、Ｋ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ比が０．２〜０．８であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆ、ＢａＯを含有しない。
（２）モル％で、ＳｉＯ２ ５５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ８〜１０％、Ｂ２Ｏ３ ０〜２％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８．５〜２０％、Ｋ２Ｏ ３．５〜７．５％、ＭｇＯ ０〜４％、ＣａＯ ０〜６％、ＳｒＯ ０〜１．５％、ＢａＯ ０〜１．５％、ＺｎＯ ０〜１％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＺｒＯ２ ０〜３％、ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３ ８〜１６％、ＭｇＯ＋ＣａＯ ０〜７％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．８〜２．５、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１．２〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５、Ｋ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ比が０．２〜０．５であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆ、ＢａＯを含有しない。
（３）モル％で、ＳｉＯ２ ５５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ８〜１０％、Ｂ２Ｏ３ ０〜２％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ １０〜１６％、Ｋ２Ｏ ３．５〜７．５％、ＭｇＯ ０〜４％、ＣａＯ ０〜４％、ＳｒＯ ０〜１％、ＢａＯ ０〜１％、ＺｎＯ ０〜１％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＺｒＯ２ ０〜３％、Ｐ２Ｏ５ ０〜１％、ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３ ８〜１４％、ＭｇＯ＋ＣａＯ ０〜３％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．８〜２．５、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１．２〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５、Ｋ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ比が０．２〜０．４であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆ、ＢａＯを含有しない。
（４）モル％で、ＳｉＯ２ ５５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ８〜１０％、Ｂ２Ｏ３ ０〜２％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ １１〜１６％、Ｋ２Ｏ ３．５〜７．５％、ＭｇＯ ０〜４％、ＣａＯ ０〜３％、ＳｒＯ ０〜０．５％、ＢａＯ ０〜０．５％、ＺｎＯ ０〜１％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＺｒＯ２ ０〜３％、Ｐ２Ｏ５ ０〜１％、ＳｎＯ２ ０．０１〜２％、ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３ ８〜１４％、ＭｇＯ＋ＣａＯ ０〜３％、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．８〜２．５、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１．２〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５、Ｋ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ比が０．２〜０．４であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆ、ＢａＯを含有しない。
（５）モル％で、ＳｉＯ２ ４０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ７〜１５％、Ｂ２Ｏ３ ０〜８％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜２０％、ＭｇＯ ０〜４％、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ８〜１６．５％、ＳｒＯ ０〜３％、Ｓｂ２Ｏ３ ０．０１〜５％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しない。
（６）モル％で、ＳｉＯ２ ４０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ７〜１５％、Ｂ２Ｏ３ ０〜８％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜２０％、ＭｇＯ ０〜４％、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ８〜１６．５％、ＳｒＯ ０〜３％、ＳＯ３ ０．００１〜５％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しない。
（７）モル％で、ＳｉＯ２ ４５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ８〜１２％、Ｂ２Ｏ３ ０〜８％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜２０％、ＣａＯ ０〜６％、ＭｇＯ ０〜４％、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ８〜１６．５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ ０〜７％、ＳｒＯ ０〜３％、ＳｎＯ２＋Ｓｂ２Ｏ３＋ＳＯ３ ０．００１〜１０％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５、Ｋ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ比が０．１〜０．８であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しない。
本発明の強化ガラスは、下記の特性を満足することが好ましい。
本発明の強化ガラスは、上記ガラス組成を有するとともに、ガラス表面に圧縮応力層を有している。圧縮応力層の圧縮応力は、３００ＭＰａ以上、４００ＭＰａ以上が好ましく、５００ＭＰａ以上がより好ましく、６００ＭＰａ以上が更に好ましく、９００ＭＰａ以上が更に好ましい。圧縮応力が大きくなるにつれて、ガラス基板の機械的強度が高くなる。一方、ガラス基板表面に極端に大きな圧縮応力が形成されると、基板表面にマイクロクラックが発生し、かえってガラスの強度が低下する虞がある。また、ガラス基板に内在する引っ張り応力が極端に高くなる恐れがあるため、２０００ＭＰａ以下とするのが好ましい。なお圧縮応力が大きくなるようにするには、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＭｇＯ、ＺｎＯ、の含有量を増加させたり、ＳｒＯ、ＢａＯの含有量を低減したりすればよい。またイオン交換に要する時間を短くしたり、イオン交換溶液の温度を下げればよい。
圧縮応力層の厚みは、１０μｍ以上が好ましく、１５μｍ以上、２０μｍ以上、３０μｍ以上、４０μ以上が最も好ましい。圧縮応力層の厚みが大きい程、ガラス基板に深い傷がついても、ガラス基板が割れにくくなる。また機械的強度のばらつきが小さくなる。一方、ガラス基板が切断しにくくなるため、圧縮応力層の厚みは５００μｍ以下とするのが好ましい。なお圧縮応力層の厚みを大きくするには、Ｋ２Ｏ、Ｐ２Ｏ５の含有量を増加させたり、ＳｒＯ、ＢａＯの含有量を低減したりすればよい。またイオン交換に要する時間を長くしたり、イオン交換溶液の温度を高めたりすればよい。
本発明の強化ガラスは、平均破壊応力が３００ＭＰａ以上であり、ワイブル係数が１５以上であることが好ましい。
本発明の強化ガラス基板は、板厚が３．０ｍｍ以下、１．５ｍｍ以下、０．７ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、特に０．３ｍｍ以下であることが好ましい。ガラス基板の板厚が薄い程、ガラス基板を軽量化することできる。また、本発明の強化ガラス基板は、板厚を薄くしても、ガラス基板が破壊しにくい利点を有している。なおガラスの成形をオーバーフローダウンドロー法で行う場合、ガラスの薄肉化を研磨等を行うことなく達成できるため有利である。
本発明の強化ガラス基板は、未研磨の表面を有することが好ましく、未研磨の表面の平均表面粗さ（Ｒａ）は１０Å以下、好ましくは５Å以下、より好ましくは２Å以下である。尚、表面の平均表面粗さ（Ｒａ）はＳＥＭＩ Ｄ７−９７「ＦＰＤガラス基板の表面粗さの測定方法」に準拠した方法により測定すればよい。ガラスの理論強度は本来非常に高いのであるが、理論強度よりも遥かに低い応力でも破壊に至ることが多い。これは、ガラス基板の表面にグリフィスフローと呼ばれる小さな欠陥がガラスの成形後の工程、例えば研磨工程等で生じるからである。それ故、強化ガラス基板の表面を未研磨とすれば、本来のガラス基板の機械的強度を損ない難くなり、ガラス基板が破壊し難くなる。また、ガラス基板の表面を未研磨とすれば、ガラス基板の製造工程で研磨工程を省略できるため、ガラス基板の製造コストを下げることができる。本発明の強化ガラス基板において、ガラス基板の両面全体を未研磨とすれば、ガラス基板が更に破壊し難くなる。また、本発明の強化ガラス基板において、ガラス基板の切断面から破壊に至る事態を防止するため、ガラス基板の切断面に面取り加工等を施してもよい。なお、未研磨の表面を得るためには、ガラスの成形をオーバーフローダウンドロー法で行えばよい。
本発明の強化ガラス基板は、ガラスの液相温度が１０７５℃以下、１０５０℃以下、１０３０℃以下、１０１０以下、１０００℃以下、９５０℃以下、９００℃以下であることが好ましく、８６０℃以下が特に好ましい。ここで、「液相温度」とは、ガラスを粉砕し、標準篩３０メッシュ（篩目開き５００μｍ）を通過し、５０メッシュ（篩目開き３００μｍ）に残るガラス粉末を白金ボートに入れ、温度勾配炉中に２４時間保持した後、結晶が析出する温度を指す。なお液相温度を低下させるには、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３の含有量を増加させたり、Ａｌ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２の含有量を低減したりすればよい。
本発明の強化ガラス基板は、ガラスの液相粘度は、１０４．０ｄＰａ・ｓ以上が好ましく、１０４．６ｄＰａ・ｓ以上がより好ましく、１０５．０ｄＰａ・ｓ以上が更に好ましく、１０５．６ｄＰａ・ｓ以上が特に好ましく、１０５．８ｄＰａ・ｓ以上が最も好ましい。ここで、「液相粘度」とは、液相温度におけるガラスの粘度を指す。なお液相粘度を上昇させるには、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏの含有量を増加させたり、Ａｌ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２の含有量を低減したりすればよい。
なお、液相粘度が高く、液相温度が低いほど、ガラスの耐失透性は優れるとともに、ガラス基板の成形性に優れている。そしてガラスの液相温度が１０７５℃以下で、ガラスの液相粘度は、１０４．０ｄＰａ・ｓ以上であれば、オーバーフローダウンドロー法で成形可能である。
本発明の強化ガラス基板は、ガラスの密度が２．７ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましく、２．５５ｇ／ｃｍ３以下がより好ましく、２．５ｇ／ｃｍ３以下が更に好ましく、２．４３ｇ／ｃｍ３以下が特に好ましい。ガラスの密度が小さい程、ガラス基板の軽量化を図ることができる。ここで、「密度」とは、周知のアルキメデス法で測定した値を指す。なおガラスの密度を低下させるには、ＳｉＯ２、Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３の含有量を増加させたり、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２の含有量を低減したりすればよい。
本発明の強化ガラス基板は、３０〜３８０℃の温度範囲におけるガラスの熱膨張係数が７０〜１１０×１０−７／℃であることが好ましく、７５〜１００×１０−７／℃であることがより好ましく、８０〜１００×１０−７／℃であることが更に好ましく、８５〜９６×１０−７／℃であることが特に好ましい。ガラスの熱膨張係数を上記範囲とすれば、金属、有機系接着剤等の部材と熱膨張係数が整合しやすくなり、金属、有機系接着剤等の部材の剥離を防止することができる。ここで、「熱膨張係数」とは、ディラトメーターを用いて、３０〜３８０℃の温度範囲における平均熱膨張係数を測定した値を指す。なお熱膨張係数を上昇させるには、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物の含有量を増加さればよく、逆に低下させるには、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物の含有量を低減すればよい。
本発明の強化ガラス基板は、歪点が４００℃以上であることが好ましく、４３０℃以上がより好ましく、４５０℃以上がより好ましく、４９０℃以上がさらに好ましい。ガラスの歪点が高いほどガラスの耐熱性が優れることなり、強化ガラス基板に熱処理を施したとしても、強化層が消失しがたくなる。またガラスの歪点が高いとイオン交換中に応力緩和が起こりにくくなるため高い圧縮応力値を得ることが可能になる。ガラスの歪点を高くするためにはアルカリ金属酸化物の含有量を低減させたり、アルカリ土類金属酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｐ２Ｏ５の含有量を増加させればよい。
本発明の強化ガラス基板は、ガラスの高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度が１６５０℃以下が好ましく、１６１０℃以下がより好ましく、１６００℃以下がより好ましく、１５００℃以下がより好ましく、１４５０℃以下が更に好ましい。ガラスの高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度が低い程、溶融窯等のガラスの製造設備への負担が小さいとともに、ガラス基板の泡品位を向上させることができる。つまり、ガラスの高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度が低い程、ガラス基板を安価に製造することができる。なお、ガラスの高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度は、ガラスの溶融温度に相当しており、ガラスの高温粘度１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度が低いほど、低温でガラスを溶融することができる。なお１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度を低下させるには、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＴｉＯ２の含有量を増加させたり、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３の含有量を低減すればよい。
本発明の強化ガラスは、ヤング率が６５ＧＰａ以上、６９ＧＰａ以上、７１ＧＰａ以上、７５ＧＰａ以上、７７ＧＰａ以上であることが好ましい。ヤング率が高いほど、ガラスがたわみにくく、タッチパネル等に用いた際、ペンなどで強く押されても、変形量が小さくなるため、背面に位置する液晶素子に接触して表示不良が起きるのを防止することができる。
また本発明のガラスは、モル％で、ＳｉＯ２ ４０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ７〜１５％、Ｂ２Ｏ３ ０〜８％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜２０％、ＭｇＯ ０〜４％、ＳｒＯ ０〜３％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しないことを特徴とし、モル％で、ＳｉＯ２ ４５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ８〜１１％、Ｂ２Ｏ３ ０〜５％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜８％、ＣａＯ ０〜６％、ＭｇＯ ０〜４％、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ８〜１６．５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ ０〜７％、ＳｒＯ ０〜３％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５、Ｋ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ比が０．１〜０．８であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しないことが好ましい。
本発明のガラスにおいて、ガラス組成を上記範囲に限定した理由および好ましい範囲は、既述の強化ガラス基板と同様であるため、ここではその記載を省略する。さらに、本発明のガラスは、当然のことながら、既述の強化ガラス基板の特性、効果を有している。
本発明のガラスは、４３０℃のＫＮＯ３溶融塩中でイオン交換したとき、表面の圧縮応力が３００ＭＰａ以上、且つ圧縮応力層の厚みが１０μｍ以上になることが好ましく、また表面の圧縮応力が５００ＭＰａ以上、且つ圧縮応力層の厚みが３０μｍ以上になることが好ましく、さらに表面の圧縮応力が６００ＭＰａ以上、且つ圧縮応力層の厚みが４０μｍ以上になることが好ましい。尚、このような応力を得る条件は、ＫＮＯ３の温度が４００〜５５０℃、イオン交換処理時間が２〜１０時間、好ましくは４〜８時間である。本発明のガラスは、上記組成を有するため、ＫＮＯ３溶液とＮａＮＯ３溶液の混合液等を使用することなく、高い圧縮応力値を達成しながら、圧縮応力層を深くすることが可能となる。
本発明に係るガラスは、上記組成範囲内のガラス組成となるように調合したガラス原料を連続溶融炉に投入し、ガラス原料を１５００〜１６００℃で加熱溶融し、清澄した後、成形装置に供給した上で溶融ガラスを板状に成形し、徐冷することにより製造することができる。
成形は、オーバーフローダウンドロー法を採用することが好ましい。オーバーフローダウンドロー法でガラス基板を成形すれば、未研磨で表面品位が良好なガラス基板を製造することができる。その理由は、オーバーフローダウンドロー法の場合、ガラス基板の表面となるべき面は桶状耐火物に接触せず、自由表面の状態で成形されることにより、無研磨で表面品位が良好なガラス基板を成形できるからである。ここで、オーバーフローダウンドロー法は、溶融状態のガラスを耐熱性の桶状構造物の両側から溢れさせて、溢れた溶融ガラスを桶状構造物の下端で合流させながら、下方に延伸成形してガラス基板を製造する方法である。桶状構造物の構造や材質は、ガラス基板の寸法や表面精度を所望の状態とし、ガラス基板に使用できる品位を実現できるものであれば、特に限定されない。また、下方への延伸成形を行うためにガラス基板に対してどのような方法で力を印加するものであってもよい。例えば、充分に大きい幅を有する耐熱性ロールをガラス基板に接触させた状態で回転させて延伸する方法を採用してもよいし、複数の対になった耐熱性ロールをガラス基板の端面近傍のみに接触させて延伸する方法を採用してもよい。本発明のガラスは、耐失透性が優れるとともに、成形に適した粘度特性を有しているため、オーバーフローダウンドロー法による成形を精度よく実行することができる。なお、液相温度が１０７５℃以下、液相粘度が１０４．０ｄＰａ・ｓ以上であれば、オーバーフローダウンドロー法でガラス基板を製造することができる。
なおオーバーフローダウンドロー法以外にも、種々の方法を採用することができる。例えば、ダウンドロー法（スロットダウン法、リドロー法等）、フロート法、ロールアウト法、プレス法等の様々な成形方法を採用することができる。例えばプレス法でガラスを成形すれば、小型のガラス基板を効率良く製造することができる。
本発明の強化ガラス基板を製造するには、まず上記ガラスを用意する。次いで強化処理を施す。ガラス基板を所定サイズに切断するのは、強化処理の前でもよいが、強化処理後に行う方が製造コストを低減できるため好ましい。強化処理は、イオン交換処理にて行うことが望ましい。イオン交換処理は、例えば４００〜５５０℃の硝酸カリウム溶液中にガラス板を１〜８時間浸漬することによって行うことができる。イオン交換条件は、ガラスの粘度特性や、用途、板厚、ガラス内部の引っ張り応力等を考慮して最適な条件を選択すればよい。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
表１〜３は、試料Ｎｏ．１〜１２のガラス組成と特性を示すものである。尚、表中の「未」の表示は、未測定を意味している。
表１〜３の各試料は次のようにして作製した。まず、表中のガラス組成となるように、ガラス原料を調合し、白金ポットを用いて１５８０℃で８時間溶融した。その後、溶融ガラスをカーボン板の上に流し出して板状に成形した。得られたガラス基板について、種々の特性を評価した。
密度は、周知のアルキメデス法によって測定した。
歪点Ｐｓ、徐冷点Ｔａは、ＡＳＴＭ Ｃ３３６の方法に基づいて測定した。
軟化点Ｔｓは、ＡＳＴＭ Ｃ３３８の方法に基づいて測定を行った。
ガラスの粘度１０４．０ｄＰａ・ｓ、１０３．０ｄＰａ・ｓ、１０２．５ｄＰａ・ｓに相当する温度は、白金球引き上げ法で測定した。
熱膨張係数αは、ディラトメーターを用いて、３０〜３８０℃の温度範囲における平均熱膨張係数を測定したものである。
液相温度は、ガラスを粉砕し、標準篩３０メッシュ（篩目開き５００μｍ）を通過し、５０メッシュ（篩目開き３００μｍ）に残るガラス粉末を白金ボートに入れ、温度勾配炉中に２４時間保持して、結晶の析出する温度を測定したものである。
液相粘度は、液相温度における各ガラスの粘度を示す。
ヤング率及び剛性率は、共振法により測定した。
その結果、得られたガラス基板は、密度が２．５４ｇ／ｃｍ３以下、熱膨張係数が８８〜１００×１０−７／℃であり、強化ガラス素材として好適であった。また液相粘度が１０４．６ｄＰａ・ｓ以上と高いため、オーバーフローダウンドロー成形が可能であり、しかも１０２．５ｄＰａ・ｓにおける温度が１６５０℃以下と低いので、生産性が高く安価に大量のガラス基板を供給できるものと考えられる。なお、未強化ガラス基板と強化ガラス基板は、ガラス基板の表層において微視的にガラス組成が異なっているものの、ガラス基板全体としてガラス組成が実質的に相違していない。続いて各ガラス基板の両表面に光学研磨を施した後、Ｎｏ．１〜７、１１及び１２は、４３０℃のＫＮＯ３溶液中に各試料を４時間浸漬し、またＮｏ．８〜１０は、４６０℃のＫＮＯ３溶液中に６時間浸漬することによってイオン交換処理を行った。処理を終えた各試料は表面を洗浄した後、表面応力計（株式会社東芝製ＦＳＭ−６０００）を用いて観察される干渉縞の本数とその間隔から表面の圧縮応力値と圧縮応力層の厚みを算出した。算出に当たり、試料の屈折率は１．５３、光学弾性定数は２８［（ｎｍ／ｃｍ）／ＭＰａ］とした。
その結果、本発明の実施例である試料Ｎｏ．１〜１２の各ガラス基板は、その表面に３２４ＭＰａ以上の圧縮応力が発生しており、且つその厚みは１５μｍ以上と深かった。
なお、上記実施例は、本発明の説明の便宜上、ガラスを溶融し、流し出しによる成形を行った後、イオン交換処理前に光学研磨を行った。工業的規模で実施する場合には、オーバーフローダウンドロー法等でガラス基板を成形し、ガラス基板の両表面が未研磨の状態でイオン交換処理することが望ましい。
また試料Ｎｏ．７のガラスから、３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの寸法の試験片を作製し、３点曲げ試験を行った。尚、試験片は、全面に光学研磨を施し、面取りは行わなかった。この試験片を、ＫＮＯ３溶液中に、４６０℃−８時間の条件と、４９０℃−８時間の条件で浸漬してイオン交換処理を行った。イオン交換後に試験片を流水洗浄してから、３点曲げ試験に供した。試験から得られた破壊荷重から破壊応力を算出すると共に、平均値ランク法によりワイブルプロットを行い、ワイブル係数を求めた。その結果を表４に示す。尚、参考のため、イオン交換処理を施していないガラス試験片（未強化品）についても３点曲げ試験を行った。
表４から、本発明の強化ガラスは、平均破壊応力とワイブル係数が高く、強度のばらつきが小さいことが理解できる。
本発明の強化ガラス基板は、携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡ等のカバーガラス、あるいはタッチパネルディスプレイ等のガラス基板として好適である。また、本発明の強化ガラス基板は、これらの用途以外にも、高い機械的強度が要求される用途、例えば窓ガラス、磁気ディスク用基板、フラットパネルディスプレイ用基板、太陽電池用カバーガラス、固体撮像素子用カバーガラス、食器への応用が期待できる。

Claims (14)

  1. 表面に圧縮応力層を有する強化ガラスであって、モル％で、ＳｉＯ２ ４０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ７〜１５％、Ｂ２Ｏ３ ０〜８％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜２０％、ＭｇＯ ０〜４％、ＳｒＯ ０〜３％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しないことを特徴とする強化ガラス。
  2. 表面に圧縮応力層を有する強化ガラスであって、モル％で、ＳｉＯ２ ４５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ８〜１１％、Ｂ２Ｏ３ ０〜５％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜８％、ＣａＯ ０〜６％、ＭｇＯ ０〜４％、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ８〜１６．５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ ０〜６％、ＳｒＯ ０〜３％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５、Ｋ２Ｏ／Ｎａ２Ｏ比が０．１〜０．８であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しないことを特徴とする請求項１記載の強化ガラス。
  3. 平均破壊応力が３００ＭＰａ以上であり、ワイブル係数が１５以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の強化ガラス。
  4. 表面の圧縮応力が３００ＭＰａ以上、且つ圧縮応力層の厚みが１０μｍ以上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強化ガラス。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の強化ガラスからなることを特徴とする強化ガラス基板。
  6. オーバーフローダウンドロー法によって板状に成形されてなることを特徴とする請求項５記載の強化ガラス基板。
  7. 未研磨の表面を有することを特徴とする請求項５又は６記載の強化ガラス基板。
  8. 液相温度が１０７５℃以下であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の強化ガラス基板。
  9. 液相粘度が１０４．０ｄＰａ・ｓ以上のガラスからなることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の強化ガラス基板。
  10. タッチパネルディスプレイに用いられることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の強化ガラス基板。
  11. 携帯電話のカバーガラスに用いられることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の強化ガラス基板。
  12. 太陽電池のカバーガラスに用いられること特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の強化ガラス基板。
  13. ディスプレイの保護部材として用いられることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の強化ガラス基板。
  14. モル％で、ＳｉＯ２ ４０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３ ７〜１５％、Ｂ２Ｏ３ ０〜８％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１％、Ｎａ２Ｏ ８〜２０％、Ｋ２Ｏ ０．５〜２０％、ＭｇＯ ０〜４％、ＳｒＯ ０〜３％、ＴｉＯ２ ０〜０．５％、ＳｎＯ ２ ０．０１〜６％を含有し、モル比で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３比が１．４〜３、Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３比が１〜２．５、ＭｇＯ／Ａｌ２Ｏ３比が０〜０．５であり、実質的にＡｓ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆを含有しないことを特徴とするガラス。
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