JP6370714B2 - 非誤差関数圧縮応力プロファイルによるイオン交換ガラス - Google Patents

非誤差関数圧縮応力プロファイルによるイオン交換ガラス Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条の下において、２０１２年２月２９日に出願された米国特許仮出願第６１／６０４６５４号の優先権を主張するものであり、なお、本出願は当該仮出願の内容に依拠し、ならびに当該仮出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
本発明は、非誤差関数圧縮応力プロファイルによるイオン交換ガラスに関する。
ガラスの化学強化（またはイオン交換（ＩＯＸ）とも呼ばれる）は、ガラスの歪点より低い温度での、ガラス内のより小さいカチオン（例えば、一価のアルカリ金属カチオン、例えば、Ｌｉ＋およびＮａ＋など）と、外部媒体中、例えば溶融塩浴など、のより大きな一価のカチオン（例えば、Ｋ＋）との交換を意味する。当該イオン交換プロセスは、ガラスの表面から相補誤差関数に従う特定の深さまで広がる圧縮応力プロファイルを付与するために使用される。高い圧縮応力は、圧縮層の深さ（層深さまたは「ＤＯＬ」）にキズが含まれる限り、曲げにおいて高い強度をもたらす。
ガラスの両面からの貯蔵された圧縮応力は、貯蔵された張力によって釣り合いが取られ、その許容可能な限界は、所定のガラス厚に対する脆性限界によって決まる。圧縮応力および層深さの限界は、相補誤差関数に従いかつ脆性限界未満に維持される様々な許容可能な組み合わせによって決定される。貯蔵された圧縮応力は、表面から層深さまでにおける相補誤差関数の下のエリアによって表される。
本開示は、貯蔵された張力の所定のレベルにおいて、相補誤差関数に従う応力プロファイルを有するガラスにおいて許容可能であるものよりも高い表面圧縮およびより深い層深さ（ＤＯＬ）を可能にする圧縮応力プロファイルを有するガラスを提供する。いくつかの例において、層深さ内に、亀裂系の方向を変えることができる埋め込み層または増加する圧縮の極大が存在する。これらの圧縮応力プロファイルは、相補誤差関数に従う圧縮応力および層深さを作り出すための第一イオン交換工程と、ガラス内の応力を部分的に緩和させてより大きなアルカリイオンをより深くまで拡散させるための、ガラスの歪点より低い温度での熱処理と、表面において高い圧縮応力を再確立するための短時間の再イオン交換とを含む３工程プロセスによって達成される。
したがって、本開示の一態様は、表面および厚さｔを有するガラスを提供することである。当該ガラスは、ガラス中において表面から層深さＤＯＬまで広がる、圧縮応力下の第一領域であって、当該圧縮応力ＣＳが、表面において最大値ＣＳ１を有しかつ相補誤差関数以外の関数により表面からの距離ｄによって変わる、第一領域と、層深さからガラス中へと広がる、引張応力ＣＴ下の第二領域とを含む。
本開示の第二の態様は、表面および厚さｔを有するイオン交換ガラスを提供することである。当該ガラスは、ガラス内において層深さＤＯＬまで広がる、圧縮応力ＣＳ下の第一層を含む。当該第一領域は、圧縮応力ＣＳが第一関数に従って変わる第一セグメントと、圧縮応力ＣＳが第二関数に従って変わる第二セグメントとを含み、この場合、当該第一関数は当該第二関数と異なる。
本開示の第三の態様は、ガラス内においてガラスの表面から層深さまで広がる層中の圧縮応力を有するガラスを提供する方法を提供することである。当該方法は、第一カチオンを含む塩でガラスをイオン交換することにより第一圧縮応力および第一層深さを作り出す工程であって、当該第一圧縮応力が相補誤差関数に従ってガラス内の距離により変わる工程と、当該ガラス内の応力を緩和させて当該第一カチオンをより深く当該ガラス内へと拡散させる工程と、第一カチオンを含む塩で当該ガラスを再イオン交換することにより表面において第二圧縮応力を作り出す工程であって、当該圧縮応力が、相補誤差関数以外の関数に従って距離により変わる、工程とを含む。
これらおよび他の態様、利点、および顕著な特徴は、以下の詳細な説明、添付の図面、および添付の特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
イオン交換された平面ガラス物品の断面概略図。 圧縮応力が相補誤差関数に従うイオン交換ガラスでの応力のプロット。 相補誤差関数に従わない圧縮応力プロファイルの実施例を相補誤差関数に従う圧縮応力プロファイルと比較する概略プロット。 相補誤差関数に従う圧縮応力プロファイルを有する従来の強化ガラスの、厚さｔの関数としての脆性限界ＣＴｌｉｍｉｔのプロット。 １）ＫＮＯ３塩中において４１０℃で８時間イオン交換したガラス試料；２）５００℃で９０分間熱処理したガラス試料；および３）ＫＮＯ３塩中において４１０℃で５分間再イオン交換したガラス試料の、厚さに対する圧縮応力のプロット。 １）ＫＮＯ３塩中において４１０℃で８時間イオン交換したガラス試料；２）５００℃で９０分間熱処理したガラス試料；および３）ＫＮＯ３塩中において４１０℃で３０分間再イオン交換したガラス試料の、厚さに対する圧縮応力のプロット。 １）ＫＮＯ３塩中において４１０℃で８時間イオン交換したガラス試料；２）５００℃で９０分間熱処理したガラス試料；および３）ＫＮＯ３塩中において４１０℃で６０分間再イオン交換したガラス試料の、厚さに対する圧縮応力のプロット。 １）ＫＮＯ３塩中において４１０℃で１６時間イオン交換したガラス試料；２）５００℃で９０分間熱処理したガラス試料；および３）ＫＮＯ３塩中において４１０℃で６０分間再イオン交換したガラス試料の、厚さに対する圧縮応力のプロット。 イオン交換したガラスの圧縮応力プロファイルのモデル化した実施例のプロット。
以下の説明において、図面に示されたいくつかの図全体を通して、同様の参照文字は、同様の部品または対応する部品を示す。別記しない限り、「上」、「下」、「外側」、「内側」などの用語は、便宜上の単語であり、限定用語として解釈すべきではないことも理解されたい。さらに、ある群が要素およびそれらの組み合せの群の少なくとも１つを含むとして記載されている場合は常に、当該群は、個々にまたはお互いとの組み合わせのいずれかにおいて列記された任意の数のそれらの要素を含み得るか、それらの要素から実質的になり得るか、またはそれらの要素からなり得ることは理解されよう。同様に、ある群が要素およびそれらの組み合わせの群の少なくとも１つからなるとして記載されている場合は常に、当該群は、個々にまたはお互いとの組み合わせのいずれかにおいて列記された任意の数のそれらの要素からなり得ることは理解されよう。別記しない限り、値の範囲は、当該範囲の下限および上限が列挙されている場合、その両方ならびにそれらの間の任意の範囲が包含される。本明細書で使用される場合、別記しない限り、単数形は、「少なくとも１つ」または「１つ以上」を意味する。
概して図面、特に図１を参照すると、図は、特定の実施形態を説明する目的のためであって、本開示または添付の特許請求の範囲をそれらに限定することを意図するものではないことは理解されるであろう。図面は、必ずしも原寸に比例している必要はなく、当該図面の特定の特徴および特定の図は、明瞭さおよび簡潔さのために、縮尺においてもしくは概略において誇張して示されている場合がある。
ガラスの化学強化（イオン交換（ＩＯＸ）とも呼ばれる）は、ガラスの歪点より低い温度での、ガラス中のより小さいカチオン（例えば、一価のアルカリ金属カチオン、例えば、Ｌｉ＋およびＮａ＋など）と、外部媒体中、例えば溶融塩浴など、におけるより大きい一価のカチオン（例えば、Ｋ＋）との交換を意味する。当該イオン交換プロセスは、ガラスの表面から相補誤差関数に従う特定の深さまで広がる圧縮応力プロファイルを付与するために使用される。高い圧縮応力は、キズが当該圧縮層の深さ（層深さ、または「ＤＯＬ」）内に含まれる限り、曲げにおいて高い強度をもたらす。ガラスの両表面からによる貯蔵された圧縮応力は、貯蔵された張力によって釣り合いが取られ、それらの許容可能な限界は、所定のガラス厚に対する脆性限界によって決まる。
イオン交換した平面ガラス物品の断面概略図を図１に示す。ガラス物品１００は、厚さｔ、第一表面１１０、および第二表面１１２を有する。いくつかの実施形態において、ガラス物品１００は、０．０５ｍｍ〜約４ｍｍの範囲の厚さｔを有する。図１に示された実施形態では、平坦な平面シートもしくはプレートとしてガラス物品１００が描かれているが、ガラス物品１００は、他の構成、例えば、三次元形状または非平面構成など、を有していてもよい。ガラス物品１００は、ガラス物品１００のバルク中へと第一表面１１０から層深さｄ１まで広がる第一圧縮層１２０を有する。図１に示された実施形態において、ガラス物品１００は、第二表面１１２から第二層深さｄ２まで広がる第二圧縮層１２２も有する。ガラス物品１００は、ｄ１からｄ２まで広がる中心領域１３０も有する。中心領域１３０は、引張張力または中心張力（ＣＴ）下にあり、当該張力は、第一圧縮層１２０および第二圧縮層１２２の圧縮応力と釣り合うかまたはそれを打ち消す。第一および第二圧縮層１２０、１２２の深さｄ１、ｄ２は、ガラス物品１００の第一および第二表面１１０、１１２への鋭い衝撃によって引き起こされるキズの伝播からガラス物品１００を保護し、その一方で、圧縮応力は、キズが第一および第二圧縮層１２０、１２２の深さｄ１、ｄ２を貫通する可能性を最小限に抑える。
圧縮応力および層深さの限界は、典型的には、相補誤差関数に従いかつ脆性限界未満に維持される様々な許容可能な組み合わせによって決定される。貯蔵された圧縮応力は、表面から層深さまでの相補誤差関数の下のエリアによって表される。本明細書において使用される場合、用語「層深さ」および「ＤＯＬ」は、表面圧縮層が最初に張力へと移行するゼロ応力点を意味する。図２は、第一圧縮層１２０における、圧縮応力が相補誤差関数２００に従うイオン交換ガラスの応力のプロットである。当該圧縮応力は、ガラスの表面（深さ＝０μｍ）において最大値を有し、圧縮応力が張力に移行して総応力がゼロに等しくなる層深さＤＯＬに達するまでは第一圧縮層１２０を通して一定の割合で減少する。
深い圧縮層は、損傷抵抗性、すなわち、ガラスへのより激しい接触によってキズの深さがより大きくなる場合に強度を維持する能力、をもたらす。高い圧縮応力および深い圧縮層深さの両方を達成することが望ましくあり得る一方で、本明細書において「脆性限界」と呼ばれる安全限界を貯蔵されたエネルギーが超えるときに脆性挙動へ移行することによって限界が決まる。貯蔵された圧縮応力は、表面から層深さまでの相補誤差関数２００の下のエリアＡによって表される。両表面からの貯蔵された圧縮応力は、貯蔵された中央張力ＣＴによって釣り合いが取られ、それの許容可能な限界は、所定のガラス厚に対する脆性限界によって決まる。圧縮応力および層深さの限界は、相補誤差関数２００に従いかつ脆性限界未満に維持される様々な許容可能な組み合わせによって決定される。
本明細書において説明されるように、これらに限定されるわけではないが、携帯型および定置型の電子デバイスのためのカバーガラス、建築および自動車の艶だし加工／窓、およびガラス容器などの用途のために損傷抵抗性である化学強化された−すなわち、イオン交換された−ガラスが提供される。当該ガラスは、ガラスの表面から層深さＤＯＬまで広がる、圧縮応力下の第一領域（例えば、図１の第一および第二圧縮層１２０、１２２など）と、当該層深さからガラスの中央領域もしくは内部領域中へと広がる、引張応力もしくは中央張力ＣＴ下の第二領域（例えば、図１の中央領域１３０など）とを有する。
圧縮応力ＣＳは、その表面での最大圧縮応力ＣＳ１と、相補誤差関数とは異なる（すなわち、それ以外の）関数に従って表面からの距離ｄにより変わる圧縮応力とを有する。本明細書において説明されるガラスにおける可能な圧縮応力プロファイルのそのような圧縮応力関数３１０、３２０の実施例が、図３に図式的に示され、相補誤差関数と比較されている。特に圧縮応力関数３２０を参照すると、領域１２０（図１）は、圧縮応力関数３２０が第一相補誤差関数である第一セグメント１２０ａと、第一セグメント１２０ａと中央領域１３０との間に位置されかつ圧縮応力が第一相補誤差関数とは異なる第二関数に従う、第二セグメント１２０ｂとを含む。
本明細書において使用される場合、用語「誤差関数」および「Ｅｒｆ」は、０とｘ／σ√２との間での正規化ガウス関数の積分の２倍である関数を意味し、「相補誤差関数」および「Ｅｒｆｃ」は、１から誤差関数を引いたものに等しく、すなわち、Ｅｒｆｃ（ｘ） ＝ １ −Ｅｒｆ （ｘ）である。
第一セグメント１２０ａは、第一表面１１０から深さｄ１２０ａまで広がっており、ガラス１００の表面圧縮もしくは圧縮応力ＣＳを形成する。いくつかの実施形態において、当該圧縮応力は、少なくとも４００ＭＰａであり、他の実施形態では、少なくとも約６００ＭＰａであり、さらに他の実施形態では、少なくとも約８００ＭＰａである。第一および第二圧縮層１２０、１２２のそれぞれにおける層深さＤＯＬは、少なくとも約５０μｍであり、いくつかの実施形態では、少なくとも約１００μｍである。
第二セグメント１２０ｂの関数は、第二相補誤差関数，拡散テール、または同様のものを含み得る。第二セグメント１２０ｂは、ｄ１２０ｂと層深さＤＯＬとの間に位置する。図３における圧縮応力関数３１０、３２０はそれぞれ、少なくとも１つの変曲点を有し、圧縮応力は、ガラスの表面１１０の下において極大ＣＳ２および／または極小ＣＳ３に達する。いくつかの実施形態において、第一圧縮層１２０は、３つ以上のセグメントを含み得、この場合、各セグメントは、隣接するセグメントを特徴付ける関数以外の関数に従う圧縮応力を有する。
主要な両表面（図１の１１０、１１２）における貯蔵された圧縮応力は、ガラスの中央領域（１３０）に貯蔵された張力によって釣り合いが取られ、これらの許容可能な限界は、所定のガラス厚に対する脆性限界によって決まる。脆性限界および脆性は、Ｋｒｉｓｔｅｎ Ｌ．Ｂａｒｅｆｏｏｔらにより２００９年８月７日に「Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ Ｇｌａｓｓ Ａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ」の名称において出願された米国特許第８，０７５，９９９号明細書に記載されており、当該特許は、２００８年８月８日に出願された米国特許仮出願第６１／０８７，３２４号に対する優先権を主張するものであり、なお、当該特許の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。米国特許第８，０７５，９９９号明細書に記載されているように、脆性または脆性挙動は、以下：強化ガラス物品（例えば、プレートまたはシート）の複数の小片（例えば、１ｍｍ）への破壊；ガラス物品の単位面積あたりに形成される断片の数；ガラス物品内における初期亀裂から分岐する複数の亀裂：および元の位置から特定の距離（例えば、約５ｃｍ、または約２インチ）への少なくとも１つの断片の激しい放出；ならびに、前述の破壊（サイズおよび密度）、亀裂、および放出挙動の任意の組み合わせ、のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる。用語「脆性挙動」および「脆性」は、いかなる外部耐久物、例えば、コーティング、接着層、または同様のものなど、も有さない強化ガラス物品での激しいまたは強力な断片化におけるそれらのモードを意味する。コーティング、接着層、および同様のものは、本明細書において説明される強化ガラスと併用することができるが、そのような外部耐久物は、当該ガラス物品の脆性または脆性挙動を特定する際には使用していない。
圧縮応力ＣＳおよび層深さＤＯＬの限界は、相補誤差関数に従いかつ脆性限界未満に維持される様々な許容可能な組み合わせによって決まる。図４は、米国特許第８，０７５，９９９号によって教示されるような、相補誤差関数に従う圧縮応力プロファイルを有する従来の強化ガラスでの、厚さｔの関数としての脆性限界ＣＴｌｉｍｉｔのプロットである。ガラス物品は、図４に示された線の上方において脆性である。中央張力ＣＴは、以下の式：
Figure 0006370714
を使用することにより、圧縮応力ＣＳ、層深さＤＯＬ、およびガラスの厚さｔから決定することができ、この場合、当該式は、誤差関数プロファイルの三角形近似に関する中央張力ＣＴの上限を表す。従来の強化ガラス（すなわち、圧縮応力プロファイルが単一の相補誤差関数によって特徴付けられるガラス）での、ガラスの所定の厚さｔに対するＣＴｌｉｍｉｔは、以下の式：
Figure 0006370714
によって特定することができ、ここで、ＣＴｌｉｍｉｔ、ガラス厚ｔは、ミリメートル（ｍｍ）で表されており、この場合、ｔ≦１ｍｍであり、ならびにｌｎ（ｔ）は、厚さｔの自然対数（底はｅ）である。
したがって、相補誤差関数圧縮応力プロファイルを有する従来の強化ガラスを脆性限界未満に維持するためには、以下の式３に示されるようなＣＳおよびＤＯＬが必要となる。
Figure 0006370714
本明細書において説明されるガラスおよび方法は、相補誤差関数プロファイルを使用する場合に許容可能であろう別の方式よりも高い表面圧縮応力およびより深い層深さの組み合わせを可能にする圧縮応力プロファイルを提供する。式３に示されるように、ＣＴｌｉｍｉｔは、依然として、従来の相補誤差関数プロファイル三角形近似から算出されるが、本明細書において説明されるガラスの中央張力ＣＴは、ＣＴｌｉｍｉｔを超え得る。
Figure 0006370714
本明細書において説明されるガラスは、イオン交換によって化学的に強化された任意のガラスを含み得るか、またはそれらからなり得る。いくつかの実施形態において、当該ガラスは、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスである。
一実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、約６４モル％〜約６８モル％のＳｉＯ２；約１２モル％〜約１６モル％のＮａ２Ｏ；約８モル％〜約１２モル％のＡｌ２Ｏ３；０モル％〜約３モル％のＢ２Ｏ３；約２モル％〜約５モル％のＫ２Ｏ；約４モル％〜約６モル％のＭｇＯ；および０モル％〜約５モル％のＣａＯ、を含み、この場合、６６モル％≦ＳｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３＋ＣａＯ≦６９モル％；Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ＋Ｂ２Ｏ３＋ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＞１０モル％；５モル％≦ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ≦８モル％；（Ｎａ２Ｏ＋Ｂ２Ｏ３）−Ａｌ２Ｏ３≧２モル％；２モル％≦Ｎａ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３≦６モル％；および４モル％≦（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）−Ａｌ２Ｏ３≦１０モル％である。当該ガラスは、Ａｄａｍ Ｊ．Ｅｌｌｉｓｏｎらによって２００７年７月２７日に「Ｄｏｗｎ−Ｄｒａｗａｂｌｅ， Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ Ｇｌａｓｓ ｆｏｒ Ｃｏｖｅｒ Ｐｌａｔｅ」の名称で出願された米国特許第７，６６６，５１１号明細書に記載されており、当該特許は、２００７年５月１８日に出願された米国特許仮出願第６０／９３０，８０８号に対する優先権を主張するものであり、なお、当該特許の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
別の実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、アルミナおよび酸化ホウ素のうちの少なくとも１つと、アルカリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物のうちの少なくとも１つとを含み、この場合、−１５モル％≦（Ｒ２Ｏ＋Ｒ’Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２）−Ｂ２Ｏ３≦４モル％であり、ここで、Ｒは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、およびＣｓのうちの１つであり、ならびにＲ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａのうちの１つである。いくつかの実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、約６２モル％〜約７０モル％のＳｉＯ２；０モル％〜約１８モル％のＡｌ２Ｏ３；０モル％〜約１０モル％のＢ２Ｏ３；０モル％〜約１５モル％のＬｉ２Ｏ；０モル％〜約２０モル％のＮａ２Ｏ；０モル％〜約１８モル％のＫ２Ｏ；０モル％〜約１７モル％のＭｇＯ；０モル％〜約１８モル％のＣａＯ；および０モル％〜約５モル％ＺｒＯ２を含む。当該ガラスは、Ｍａｔｔｈｅｗ Ｊ．Ｄｅｊｎｅｋａらによって２００８年１１月２５日に「Ｇｌａｓｓｅｓ Ｈａｖｉｎｇ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ Ａｎｄ Ｓｃｒａｔｃｈ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ」の名称で出願された米国特許出願第１２／２７７，５７３号明細書に記載されており、当該特許出願は、２００８年１１月２９日に出願された米国特許仮出願第６１／００４，６７７号に対する優先権を主張するものであり、なお、当該特許出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
別の実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、約６０モル％〜約７０モル％のＳｉＯ２；約６モル％〜約１４モル％のＡｌ２Ｏ３；０モル％〜約１５モル％のＢ２Ｏ３；０モル％〜約１５モル％のＬｉ２Ｏ；０モル％〜約２０モル％のＮａ２Ｏ；０モル％〜約１０モル％のＫ２Ｏ；０モル％〜約８モル％のＭｇＯ；０モル％〜約１０モル％のＣａＯ；０モル％〜約５モル％のＺｒＯ２；０モル％〜約１モル％のＳｎＯ２；０モル％〜約１モル％のＣｅＯ２；約５０ｐｐｍ未満のＡｓ２Ｏ３；および約５０ｐｐｍ未満のＳｂ２Ｏ３を含み、この場合、１２モル％≦Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ≦２０モル％および０モル％≦ＭｇＯ＋ＣａＯ≦１０モル％である。当該ガラスは、Ｓｉｎｕｅ Ｇｏｍｅｚらによって２００９年２月２５日に「Ｆｉｎｉｎｇ Ａｇｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓｅｓ」の名称で出願された米国特許出願第１２／３９２，５７７号明細書に記載されており、当該特許出願は、２００８年２月２６日に出願された米国特許仮出願第６１／０６７，１３０号に対する優先権を主張するものであり、なお、当該特許出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
別の実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、ＳｉＯ２およびＮａ２Ｏを含み、この場合、当該ガラスは、当該ガラスが３５キロポアズ（ｋｐｏｉｓｅ）の粘度を有する温度Ｔ３５ｋｐを有し、この場合、ジルコンが崩壊してＺｒＯ２およびＳｉＯ２を形成する温度Ｔｂｒｅａｋｄｏｗｎは、Ｔ３５ｋｐを超える。いくつかの実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、約６１モル％〜約７５モル％のＳｉＯ２；約７モル％〜約１５モル％のＡｌ２Ｏ３；０モル％〜約１２モル％のＢ２Ｏ３；約９モル％〜約２１モル％のＮａ２Ｏ；０モル％〜約４モル％のＫ２Ｏ；０モル％〜約７モル％のＭｇＯ；および０モル％〜約３モル％のＣａＯを含む。当該ガラスは、Ｍａｔｔｈｅｗ Ｊ．Ｄｅｊｎｅｋａらによって２０１０年８月１０日に「Ｚｉｒｃｏｎ Ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ Ｇｌａｓｓｅｓ ｆｏｒ Ｄｏｗｎ Ｄｒａｗ」の名称で出願された米国特許出願第１２／８５６，８４０号明細書に記載されており、当該特許出願は、２００９年８月２９日に出願された米国特許仮出願第６１／２３５，７６２号に対する優先権を主張するものであり、なお、当該特許出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
別の実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、少なくとも５０モル％のＳｉＯ２と、アルカリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物からなる群より選択される少なくとも１種の調整剤とを含み、この場合、［（Ａｌ２Ｏ３（モル％）＋Ｂ２Ｏ３（モル％））／（Σアルカリ金属調整剤（モル％））］＞１である。いくつかの実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、５０モル％〜約７２モル％のＳｉＯ２；約９モル％〜約１７モル％のＡｌ２Ｏ３；約２モル％〜約１２モル％のＢ２Ｏ３；約８モル％〜約１６モル％のＮａ２Ｏ；および０モル％〜約４モル％のＫ２Ｏを含む。当該ガラスは、Ｋｒｉｓｔｅｎ Ｌ．Ｂａｒｅｆｏｏｔらによって２０１０年８月１８日に「Ｃｒａｃｋ Ａｎｄ Ｓｃｒａｔｃｈ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｇｌａｓｓ ａｎｄ Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅｓ Ｍａｄｅ Ｔｈｅｒｅｆｒｏｍ」の名称で出願された米国特許出願第１２／８５８，４９０号明細書に記載されており、当該特許出願は、２００９年８月２１日に出願された米国特許仮出願第６１／２３５，７６７号に対する優先権を主張するものであり、なお、当該特許出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
別の実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、および少なくとも１種のアルカリ金属酸化物（Ｒ２Ｏ）を含み、この場合、０．７５≦［（Ｐ２Ｏ５（モル％）＋Ｒ２Ｏ（モル％））／Ｍ２Ｏ３（モル％）］≦１．２であり、ここで、Ｍ２Ｏ３＝Ａｌ２Ｏ３＋Ｂ２Ｏ３である。いくつかの実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、約４０モル％〜約７０モル％のＳｉＯ２；０モル％〜約２８モル％のＢ２Ｏ３；０モル％〜約２８モル％のＡｌ２Ｏ３；約１モル％〜約１４モル％のＰ２Ｏ５；および約１２モル％〜約１６モル％のＲ２Ｏを含み、ならびに、ある特定の実施形態では、約４０〜約６４モル％のＳｉＯ２；０モル％〜約８モル％のＢ２Ｏ３；約１６モル％〜約２８モル％のＡｌ２Ｏ３；約２モル％〜約１２％のＰ２Ｏ５；および約１２モル％〜約１６モル％のＲ２Ｏを含む。当該ガラスは、Ｄａｎａ Ｃ．Ｂｏｏｋｂｉｎｄｅｒらによって２０１１年１１月２８日に「Ｉｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅａｂｌｅ Ｇｌａｓｓ ｗｉｔｈ Ｄｅｅｐ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｌａｙｅｒ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｄａｍａｇｅ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ」の名称で出願された米国特許出願第１３／３０５，２７１号明細書に記載されており、当該特許出願は、２０１０年１１月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／４１７，９４１号に対する優先権を主張するものであり、なお、当該特許出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
さらなる他の実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、少なくとも約４モル％のＰ２Ｏ５を含み、この場合、（Ｍ２Ｏ３（モル％）／ＲＸＯ（モル％））＜１であり、Ｍ２Ｏ３＝Ａｌ２Ｏ３＋Ｂ２Ｏ３であり、ＲＸＯは、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラス中に存在する一価および二価のカチオン酸化物の合計である。いくつかの実施形態において、当該一価および二価のカチオン酸化物は、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、およびＺｎＯからなる群より選択される。いくつかの実施形態において、当該ガラスは、０モル％のＢ２Ｏ３を含む。当該ガラスは、Ｔｉｍｏｔｈｙ Ｍ．Ｇｒｏｓｓによって２０１１年１１月１６日に「Ｉｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅａｂｌｅ Ｇｌａｓｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｃｒａｃｋ Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ」の名称で出願された米国特許仮出願第６１／５６０，４３４号明細書に記載されており、なお、当該仮出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
さらなる別の実施形態において、当該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、少なくとも約５０モル％のＳｉＯ２および少なくとも約１１モル％のＮａ２Ｏを含み、圧縮応力は、少なくとも約９００ＭＰａである。いくつかの実施形態において、当該ガラスは、さらに、Ａｌ２Ｏ３と、Ｂ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ、ＭｇＯ、およびＺｎＯのうちの少なくとも１つとを含み、この場合、−３４０＋２７．１・Ａｌ２Ｏ３−２８．７・Ｂ２Ｏ３＋１５．６・Ｎａ２Ｏ−６１．４・Ｋ２Ｏ＋８．１・（ＭｇＯ＋ＺｎＯ）≧０モル％である。特定の実施形態において、当該ガラスは、約７モル％〜約２６モル％のＡｌ２Ｏ３；０モル％〜約９モル％のＢ２Ｏ３；約１１モル％〜約２５モル％のＮａ２Ｏ；０モル％〜約２．５モル％のＫ２Ｏ；０モル％〜約８．５モル％のＭｇＯ；および０モル％〜約１．５モル％のＣａＯを含む。当該ガラスは、Ｍａｔｔｈｅｗ Ｊ．Ｄｅｊｎｅｋａらによって２０１１年７月１日に「Ｉｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅａｂｌｅ Ｇｌａｓｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｔｒｅｓｓ」の名称で出願された米国特許仮出願第６１／５０３，７３４号明細書に記載されており、なお、当該仮出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
いくつかの実施形態において、上記において説明したアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、リチウム、ホウ素、バリウム、ストロンチウム、ビスマス、アンチモン、およびヒ素のうちの少なくとも１つを実質的に含有しない（すなわち、０モル％を含有する）。
いくつかの実施形態において、上記において説明したアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、当技術分野において公知のプロセス、例えば、スロットドロー法、フュージョンドロー法、リドロー法、および同様の方法など、によってダウンドロー可能であり、少なくとも１３０キロポアズのリキダス粘度を有する。
相補誤差関数に従わない圧縮応力プロファイルを有するガラス、例えば、上記において説明したガラスなど、を提供するための方法も提供する。当該ガラスは、イオン交換媒体によって第一イオン交換される。当該イオン交換媒体は、溶融塩浴、ゲル、ペースト、または同様のものであり得、ならびに第一カチオンを含む塩を含む。当該第一カチオンは、第一層深さまで、ガラス中のより小さい第二カチオンと置き換わり、第一層深さ内に第一圧縮応力を作り出す。当該第一圧縮応力は、相補誤差関数に従ってガラス中へと距離により変わる。この工程は、任意の望ましいレベルで出発圧縮応力および層深さを固定するように変更することができ、ならびに脆性限界ＣＴｌｉｍｉｔによって束縛される必要もない。
イオン交換の後、当該表面圧縮応力が緩和され、第一層深ささよりも深い第二層深さまで第一イオンがガラス中へとより深く拡散される。いくつかの実施形態において、この工程は、ガラスを当該ガラスの歪点より低い温度で加熱する工程を含む。イオン交換されたガラスをこの温度に加熱する工程により、結果として、表面より下のある深さにおいて圧縮応力の極大、すなわち、ガラスの表面より下に「埋め込まれた」圧縮応力最大値、が得られる。
ガラスの表面圧縮応力を緩和する工程の後、当該ガラスは、表面圧縮応力を再確立するために再びイオン交換される。第一イオン交換工程と同様に、当該イオン交換はガラスを媒体に接触させることによって実施され、この場合、当該媒体は、溶融塩浴、ゲル、ペースト、または同様のものであり得、ならびに、ガラス中に第二表面圧縮応力を作り出すための第一カチオンを含む塩を含む。いくつかの実施形態において、当該第二イオン交換は、第一イオン交換より短い期間において実施される。
ガラスの第二イオン交換の後に得られる圧縮応力プロファイル（すなわち、圧縮応力ＣＳの変化）は、相補誤差関数以外の（ならびに相補誤差関数とは異なる）関数に従って変わり、ならびに、上記において前に説明した添付の図に示される関数の形態を取り得る。
本明細書において説明したガラスおよび方法は、脆性限界未満に維持しつつ、ＣＳおよびＤＯＬのより高い組み合わせを達成する。埋め込まれた圧縮応力の増加および極大が達成される事例では、結果として、亀裂系の再方向付けが生じ得る。より高い圧縮応力は、ハンドリング試験、落球試験、および出来上がった状態のままでのリング・オン・リング強度試験にも当該ガラスを合格させ得る。より深い層深さも、損傷抵抗性、すなわち、より激しい接触によりキズの深さがより大きくなる場合に強度を維持する能力、を提供する。
以下の実施例は、本明細書において説明したガラスおよび方法の特徴および利点を説明するものであり、それらに当該開示または添付の特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。
以下の名目上の組成：６９モル％のＳｉＯ２；１０モル％のＡｌ２Ｏ３；１４モル％のＮａ２Ｏ；１モル％のＫ２Ｏ；６モル％のＭｇＯ；０．５モル％のＣａＯ；０．０１モル％のＺｒＯ２；０．２モル％のＳｎＯ２；および０．０１モル％のＦｅ２Ｏ３を有するガラスの４つの実施例を調製し、本明細書において説明した方法に従ってイオン交換して、単一の相補誤差関数に従わない応力プロファイルを達成した。応力測定および深さプロファイルは、イオン交換したガラスの６５０μｍ直径のロッドにおいて干渉法を使用して作成した。当該方法は、ロッドの最初の５〜１０μｍ内側での応力の測定に限定した。１．３ｍｍ厚の平面ガラス試料上でのＦＳＭ測定を使用して、表面圧縮の補正を行った。
当該方法は、３つの工程からなる。第一工程は、ガラスをイオン交換して標準的な相補誤差関数応力プロファイルを持たせることである。図４〜６に示された試料のイオン交換の工程１は、ＫＮＯ３塩浴中への４１０℃で８時間の浸漬処理であり、これにより、結果として、各試料に対し、４４ミクロンのＤＯＬおよび５９５ＭＰａのＣＳを有する典型的な相補誤差関数プロファイルが得られた。この処理により、結果として、約４４μｍの層深さ（ＤＯＬ）および約５９５ＭＰａの圧縮応力（ＣＳ）が得られたが、工程１は、任意の望ましいレベルに出発ＣＳおよびＤＯＬを固定するように変更することができ、ならびに、脆性試験によって確定された中央張力ＣＴｌｉｍｉｔに束縛される必要はない。
工程２において、イオン交換されたガラス試料を、当該ガラスの歪点より低い温度で、所望の時間加熱処理することにより、ＤＯＬの深さを広げるためにカリウムの拡散を促し、それと同時に、当該試料の表面圧縮応力を緩和した。この工程により、結果として、表面ではなくガラスの表面の下において、埋め込まれた圧縮応力の最大が得られた。図５〜７に示された試料を、Ｎ２雰囲気中において５００℃で９０分間加熱処理し、それにより、結果として、工程１において達成されたＤＯＬを超えるＤＯＬの拡張が生じた。加熱処理温度および時間の選択は、所定の温度での所定のガラス組成に対する応力緩和の速度および拡散の速度に応じて変わる。
工程３において、短い時間での第二イオン交換により、表面圧縮応力が再確立される。図５において、４１０℃で５分間の第二イオン交換により、結果として、工程２および３からのプロファイルの重ね合わせによる表面でのＣＳのスパイクとＣＳが増加する埋め込み領域とが得られた。工程３により、結果として、約６４μｍの総ＤＯＬおよび約６８４ＭＰａのＣＳを有する埋め込み圧縮層も得られた。
図６において、４１０℃で３０分間の第二イオン交換により、結果として、表面においてより高いＣＳが得られ、工程２および３からのプロファイルの重ね合わせから、肩が表れた。工程３により、約５９ミクロンの総ＤＯＬおよび約７４４ＭＰａのＣＳを有する埋め込み圧縮層も得られた。
図７において、４１０℃で６０分間の第二イオン交換により、結果として、ガラス中へより深く広がる表面ＣＳのスパイクを有するプロファイルが得られた。工程３により、約５５ミクロンの総ＤＯＬおよび約７４９ＭＰａのＣＳを有する埋め込み圧縮層も得られた。
図８に示されたガラス試料を、工程１において、ＫＮＯ３塩中において４５０℃で１６時間イオン交換し、その結果として、典型的な相補誤差関数プロファイルを得た。工程２において、当該ガラス試料を５００℃で９０分間熱処理して、表面における圧縮応力を緩和させ、より深くまでのカリウムイオンの拡散を促し、結果として、より深い圧縮層深さを得た。工程３において、当該試料を、ＫＮＯ３塩中において４１０℃で６０分間再イオン交換して、高い表面圧縮を再確立させた。工程３により、結果として、約９０μｍの総ＤＯＬおよび約７４０ＭＰａのＣＳを有する埋め込み圧縮層も得られた。
平面ガラスの圧縮応力プロファイルのモデル化された実施例を図９に示す。深さＬの関数Ａ（Ｌ）として表される全応力Ａは、以下のように記述することができる。
Figure 0006370714
用語Ａ１は、応力緩和効果の寄与を考慮しない、第一イオン交換工程後のピーク圧縮応力であり、ＣＴ１は、第一イオン交換工程およびその後の緩和工程の後の圧縮応力であり、ならびにｂ１およびＥｒｆ（Ｌ／ｂ１）は、それぞれ、第一イオン交換工程に関連する、イオン交換された層の深さと応力プロファイルの誤差関数である。用語ｂ２は、第一イオン交換工程後の応力緩和の深さである。Ａ２は、第一イオン交換工程の後の応力緩和工程後のピーク圧縮応力である。用語ｂ３およびＣＴ２は、それぞれ、第二イオン交換工程後のイオン交換された層の深さと中央張力調整である。
第一イオン交換およびその後の緩和工程の後の中央張力ＣＴ１は、式（１）を使用して、以下の式：
Figure 0006370714
によって得られ、ここで、圧縮応力ＣＳ１は、圧縮層のＤＯＬ２に「埋め込まれた（すなわち、ガラスの表面の下に位置された）」圧縮応力のピーク値または極大（図９におけるＸ）である。第二イオン交換工程の後、中央張力は第二値ＣＴ２まで減少し、ＣＳ１およびＤＯＬ１は、それぞれ、ＣＳ１−１およびＤＯＬ１−１まで減少し、ならびに最大圧縮応力ＣＳ２が表面（厚さ＝０）において達成される。
Figure 0006370714
いくつかの実施形態において、総引張応力ＣＴ＝ＣＴ１＋ＣＴ２は、脆性限界ＣＴｌｉｍｉｔ（式（３））以下であるべきである。当該総引張応力ＣＴは、式（６）および（７）を合わせることによって得られる。
Figure 0006370714
説明目的のために、典型的な実施形態について詳しく述べてきたが、前述の説明は、本開示または添付の特許請求の範囲に対する限定であると見なされるべきではない。したがって、本開示または添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者は、さまざまな変更、適合、および代替を想起し得る。
１００ ガラス物品
１１０ 第一表面
１１２ 第二表面
１２０ 第一圧縮層
１２２ 第二圧縮層
１３０ 中心領域
２００ 相補誤差関数
１２０ａ 第一セグメント
１２０ｂ 第二セグメント
３１０ 圧縮応力関数
３２０ 圧縮応力関数

Claims (4)

  1. 表面および０．０５ｍｍから１．３ｍｍの範囲の厚さｔを有するガラスであって、
    前記ガラス中において前記表面から層深さＤＯＬまで広がる、圧縮応力下の第一領域であって、前記圧縮応力ＣＳが、前記表面において最大値ＣＳ１を有し、かつ相補誤差関数以外の関数に従って前記表面からの距離ｄにより変わる、第一領域と、
    前記層深さから前記ガラス中へと広がる、引張応力ＣＴ下の第二領域であって、ＭＰａで表される前記引張応力ＣＴが、−３６．７１ｎ（ｔ）（ＭＰａ）＋４８．７（ＭＰａ）以上であり、且つ、それを超えると脆性挙動が起こる脆性限界未満である、第二領域、
    を含み、
    前記圧縮応力ＣＳが、以下のように記述され、
    ＣＳ（ｄ）＝（Ａ１・Ｅｒｆ（ｄ／ｂ１）−ＣＴ１）・（１−Ｅｘｐ（−（ｄ／ｂ２） １．２ ）＋Ａ２・Ｅｒｆ（ｄ／ｂ３）−ＣＴ２
    ここで、
    Ａ１は、前記ガラスの製造時において、応力緩和効果の寄与を考慮しない、第一イオン交換処理後のピーク圧縮応力、
    ＣＴ１は、第一イオン交換処理及びその後の熱処理の後の圧縮応力、
    ｂ１およびＥｒｆ（ｄ／ｂ１）は、それぞれ前記第一イオン交換処理に関連する、イオン交換された層の深さと応力プロファイルの誤差関数、
    ｂ２は、前記第一イオン交換処理後の応力緩和の深さ、
    Ａ２は、前記第一イオン交換処理の後の前記熱処理後のピーク圧縮応力、
    ｂ３およびＣＴ２は、それぞれ第二イオン交換処理後のイオン交換された層の深さと中央張力調整、
    であることを特徴とする、ガラス。
  2. 前記ガラスがアルカリアルミノケイ酸塩ガラスである、請求項１に記載のガラス。
  3. 前記最大圧縮応力ＣＳ１が少なくとも約４００ＭＰａである、請求項１または２に記載のガラス。
  4. ガラス内において該ガラスの表面から層深さまで広がる層中に圧縮応力と、０．０５ｍｍから１．３ｍｍの範囲の厚さｔを有するガラスを提供する方法であって、
    前記ガラスを、第一カチオンを含む塩でイオン交換することにより第一圧縮応力および第一層深さを作り出す第一イオン交換工程であって、前記第一圧縮応力が相補誤差関数に従って前記ガラス内において距離により変わる、工程と、
    前記ガラスを前記ガラスの歪点より低い温度で加熱することにより、前記ガラス内の応力を緩和し、前記第一カチオンを前記ガラス中へとより深く拡散させる、加熱工程と
    前記ガラスを、前記第一カチオンを含む塩で再イオン交換することにより前記表面において最大の第二圧縮応力を作り出す第二イオン交換工程であって、前記第二圧縮応力が前記相補誤差関数以外の関数に従って距離により変わり、再イオン交換された前記ガラスは、前記層深さから前記ガラス中へと広がる、引張応力ＣＴ下の第二領域を有し、ＭＰａで表される前記引張応力ＣＴが、−３６．７１ｎ（ｔ）（ＭＰａ）＋４８．７（ＭＰａ）以上であり、且つ、それを超えると脆性挙動が起こる脆性限界未満である、工程と
    を含み、
    前記ガラスの全応力Ａは深さＬの関数Ａ（Ｌ）として以下のように記述され、
    Ａ（Ｌ）＝（Ａ１・Ｅｒｆ（Ｌ／ｂ１）−ＣＴ１）・（１−Ｅｘｐ（−（Ｌ／ｂ２） １．２ ）＋Ａ２・Ｅｒｆ（Ｌ／ｂ３）−ＣＴ２
    ここで、
    Ａ１は、応力緩和効果の寄与を考慮しない、前記第一イオン交換工程後のピーク圧縮応力、
    ＣＴ１は、前記第一イオン交換工程及びその後の前記加熱工程の後の圧縮応力、
    ｂ１およびＥｒｆ（Ｌ／ｂ１）は、それぞれ前記第一イオン交換工程に関連する、イオン交換された層の深さと応力プロファイルの誤差関数、
    ｂ２は、前記第一イオン交換工程後の応力緩和の深さ、
    Ａ２は、前記第一イオン交換工程の後の前記加熱工程後のピーク圧縮応力、
    ｂ３およびＣＴ２は、それぞれ前記第二イオ交換工程後のイオン交換された層の深さと中央張力調整、
    であることを特徴とする、方法。
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