JP6953101B2 - 結晶化ガラス - Google Patents

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Description

本発明は、表面に圧縮応力層を有する結晶化ガラスに関する。特に、本発明は、携帯電子機器や光学機器などの保護部材に適する結晶化ガラスに関する。
スマートフォン、タブレット型PCなどの携帯電子機器には、ディスプレイを保護するためのカバーガラスが使用されている。また、車載用の光学機器にも、レンズを保護するためのプロテクターが使用されている。これらのカバーガラスやプロテクター用途の材料は、高い可視光の透過率および優れたカラーバランスが求められている。そして、近年、これらの機器がより過酷な使用に耐えうるよう、カバーガラスやプロテクター用途において、より高い硬度を有する材料の要求が強まっている。
従来から、前記保護部材用途の材料として化学強化ガラスが用いられている。しかし、従来の化学強化ガラスは、ガラス表面から垂直に入る亀裂に非常に弱いため、携帯機器が落下した際に破損する事故が多く発生し、問題となっている。
また、ガラスより硬度が高く、透明性を有する材料としてサファイアが注目されているが、サファイアの製造は、ガラスに比べ生産性が悪く、また加工性も悪い。
前記の材料以外では、ガラスの強度を高めるために、ガラス内部に結晶を析出させた結晶化ガラスがある。結晶化ガラスは、アモルファスガラスよりも高い機械的特性を有することができるが、従来の結晶化ガラスは、可視光の透過性が悪いため、前記保護部材用途への使用には適さなかった。
特許文献1には、情報記録媒体用結晶化ガラスが開示されている。この結晶化ガラスは、可視光透過性が悪い。また化学強化を施す場合、十分な圧縮応力値が得られず、応力層が深くまで形成されない。
特開2014−114200号公報
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、高い可視光の透過率および高い硬度を有する結晶化ガラスを得ることにある。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意試験研究を重ねた結果、結晶化ガラスを構成する成分およびその含有量を特定し、さらに結晶化条件および化学強化条件を調整することにより、非常に硬い透明な結晶化ガラスが得られることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は以下を提供する。
(構成1)
結晶化ガラスを母材とし、表面に圧縮応力層を有し、
厚さ10mmにおける反射損失を含む光線透過率が80%である波長が400〜669nmであり、ビッカース硬度[Hv]が835〜1300である結晶化ガラス。
(構成2)
前記圧縮応力層の厚さが20μm以上である構成1に記載の結晶化ガラス。
(構成3)
前記結晶化ガラス母材が、酸化物換算の重量%で、
SiO成分を40.0%〜70.0%、
Al成分を11.0%〜25.0%、
NaO成分を5.0%〜19.0%、
O成分を0%〜9.0%、
MgO成分を1.0%〜18.0%、
CaO成分を0%〜3.0%、および
TiO成分を0.5%〜12.0%、
を含有し、
SiO成分、Al成分、NaO成分、KO成分、MgO成分、TiO成分を合わせて90%以上含有する構成1または2に記載の結晶化ガラス。
(構成4)
前記結晶化ガラス母材が、酸化物換算の重量%で、
SiO成分を45.0%〜65.0%、
Al成分を13.0%〜23.0%、
NaO成分を8.0%〜16.0%、
O成分を1.0%〜7.0%、
MgO成分を2.0%〜15.0%、
CaO成分を0.1%〜2.0%、
TiO成分を1.0%〜10.0%、並びに
Sb成分、SnO成分およびCeO成分からなる群より選択される1種以上を0.1%〜2.0%、
を含有し、
SiO成分、Al成分、NaO成分、KO成分、MgO成分、TiO成分を合わせて90%以上含有する構成1から3のいずれかに記載の結晶化ガラス。
(構成5)
析出結晶の平均結晶径が、4〜15nmである構成1から4のいずれかに記載の結晶化ガラス。
本発明によれば、高い可視光の透過率および高い硬度を有する結晶化ガラスを得ることができる。
本発明の結晶化ガラスは、光学レンズ等の光学部材の材料として使用することができる。また、ガラス系材料特有の外観を活かした、携帯電子機器の外枠部材その他の装飾用途に使用することも可能である。
以下、本発明の結晶化ガラスの実施形態および実施例について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態および実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
[結晶化ガラス]
本発明の結晶化ガラスは、結晶化ガラスを母材(結晶化ガラス母材ともいう)とし、表面に圧縮応力層を有する。圧縮応力層は、結晶化ガラス母材にイオン交換処理により形成することができ、結晶化ガラス母材を強化する。
本発明の結晶化ガラスは、厚さ10mmにおける、反射損失を含む光線透過率(単に透過率ともいう)が80%である波長が400〜669nmであり、好ましくは400〜620nmであり、さらに好ましくは400〜600nmでる。所定光線透過率に対する波長が上記の範囲であると透明性が高くカラーバランスに優れる。透過率は実施例に記載の方法で測定できる。このような透過率は結晶粒子径、結晶の量、核剤などにより影響を受け、特に結晶化温度と結晶化時間を調整して得ることができる。結晶化温度を高くすると波長が大きくなる傾向がある。
また、ビッカース硬度[Hv]は835〜1300である。ビッカース硬度は、好ましくは840〜1300である。硬度が高いと傷がつき難く割れ難い。ビッカース硬度は実施例に記載の方法で測定できる。このような硬度は特に基板の厚さに対し化学強化時間と温度を調整して得ることができる。
結晶化ガラスの圧縮応力層の厚さは、20μm以上であることが好ましい。圧縮応力層がこのような厚さを有することで、結晶化ガラス基板に深いクラックが生じてもクラックが延伸したり、基板が割れたりするのを抑えることができる。43μm以上であることがさらに好ましく、45μm以上であることが最も好ましい。上限は限定されないが通常350μm以下である。
圧縮応力層の表面の圧縮応力値は850MPa以上が好ましい。このような圧縮応力値を有することでクラックの延伸を抑え機械的強度を高めることができる。950MPa以上であることがより好ましく、1000MPa以上であることがさらに好ましく、1050MPa以上であることが最も好ましい。上限は限定されないが通常1200MPa以下である。
また、中心応力CT(MPa)は、一般的には、表面圧縮応力をCS(MPa)と基板厚みをT(μm)、応力深さをt(μm)とした場合、以下の式で表される。
CT=[CS×t]/[T−2t]
CT値は、CSの値が大きく、そして、応力深さtが大きいほど高い値となる。CS、tが大きいほど表面硬さとビッカース硬度は増大する傾向となり、CT値も上昇する。
[結晶化ガラスを構成する成分]
結晶化ガラスを構成する結晶化ガラス母材は、結晶相とガラス相を有する材料であり、非晶質固体とは区別される。一般的に、結晶化ガラスの結晶相は、X線回折分析のX線回折図形において現れるピークの角度、および必要に応じてTEMEDXを用いて判別される。
結晶化ガラスは、例えば、結晶相としてMgAl、MgTi、MgTi、MgTiO、MgSiO、MgAlSiおよびMgAlSi18から選ばれる1種以上を含有する。
結晶化ガラスにおける平均結晶径は、例えば4〜15nmであり、5〜13nmまたは6〜10nmとすることができる。平均結晶径は実施例に記載の方法で測定できる。平均結晶径が小さいと研磨後の表面粗さRaを数Åレベルにスムーズに加工しやすくできる。また、透過率が高くなる。平均結晶径は組成や結晶化条件により調整できる。
結晶化ガラスを構成する各成分の組成範囲について以下に述べる。本明細書中において、各成分の含有量は、特に断りがない場合、全て酸化物換算の重量%で表示する。ここで、「酸化物換算」とは、結晶化ガラス構成成分が全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、当該酸化物の総重量を100重量%としたときの、結晶化ガラス中に含有される各成分の酸化物の量を、重量%で表記したものである。
母材となる結晶化ガラス(以下、単に結晶化ガラスともいう)は、好ましくは、酸化物換算の重量%で、
SiO成分を40.0%〜70.0%、
Al成分を11.0%〜25.0%、
NaO成分を5.0%〜19.0%、
O成分を0%〜9.0%、
MgO成分を1.0%〜18.0%、
CaO成分を0%〜3.0%、および
TiO成分を0.5%〜12.0%、
を含有する。
結晶化ガラスは、より好ましくは、酸化物換算の重量%で、
SiO成分を40.0%〜70.0%、
Al成分を11.0%〜25.0%、
NaO成分を5.0%〜19.0%、
O成分を0.1%〜9.0%、
MgO成分を1.0%〜18.0%、
CaO成分を0.01%〜3.0%、および
TiO成分を0.5%〜12.0%、
を含有する。
結晶化ガラスは、好ましくは、さらに、Sb成分、SnO成分およびCeO成分からなる群より選択される1種以上を0.01%〜3.0%含有する。
SiO成分は、より好ましくは45.0%〜65.0%、さらに好ましくは50.0%〜60.0%含まれる。
Al成分は、より好ましくは13.0%〜23.0%含まれる。
NaO成分は、より好ましくは8.0%〜18.0%、さらに好ましくは9.0%〜17.0%、特に好ましくは10.5%〜16.0%含まれる。
O成分は、より好ましくは1.0%〜7.0%、さらに好ましくは1.0%〜5.0%含まれる。
MgO成分は、より好ましくは2.0%〜15.0%、さらに好ましくは3.0%〜13.0%、特に好ましくは5.0%〜11.0%含まれる。
CaO成分は、より好ましくは0.1%〜2.0%含まれる。
TiO成分は、より好ましくは1.0%〜10.0%、さらに好ましくは2.0%〜8.0%含まれる。
Sb成分、SnO成分およびCeO成分は、合計で、より好ましくは0.1%〜2.0%、さらに好ましくは0.3%〜1.0%含まれる。
上記の配合量は適宜組み合わせることができる。
SiO成分、Al成分、NaO成分、KO成分、MgO成分、TiO成分を合わせて90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上、さらに好ましくは99%以上とできる。
SiO成分、Al成分、NaO成分、KO成分、MgO成分、CaO成分、TiO成分、Sb成分、SnO成分およびCeO成分を合わせて90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上、さらに好ましくは99%以上とできる。これら成分で100%を占めてもよい。
結晶化ガラスは、本発明の効果を損なわない範囲で、ZnO成分、ZrO成分をそれぞれ含んでもよいし、含まなくてもよい。配合量は、0〜5.0%、0〜3.0%または0〜2.0%とできる。これらの成分は添加されることで比重が重くなる。
また、結晶化ガラスは、本発明の効果を損なわない範囲で、B成分、P成分、BaO成分、FeO成分、LiO成分、SrO成分、La成分、Y成分、Nb成分、Ta成分、WO成分、TeO成分、Bi成分をそれぞれ含んでもよいし、含まなくてもよい。配合量は、各々、0%以上2.0%以下、0%以上2.0%未満または0%以上1.0%以下とできる。
本発明の結晶化ガラスには、清澄剤として、Sb成分、SnO成分、CeO成分の他、As成分、ならびにF、Cl、NOx、SOxの群から選択された一種または二種以上を含有させてもよい。ただし、清澄剤の含有量は、好ましくは5.0%、より好ましくは2.0%、最も好ましくは1.0%を上限とする。
また、母材となる結晶化ガラスは、好ましくは、酸化物換算のモル%で、
SiO成分を43.0モル%〜73.0モル%、
Al成分を4.0モル%〜18.0モル%、
NaO成分を5.0モル%〜19.0モル%、
O成分を0.1モル%〜9.0モル%、
MgO成分を2.0モル%〜22.0モル%、
CaO成分を0.01モル%〜3.0モル%、
TiO成分を0.5モル%〜11.0モル%、並びに
Sb成分、SnO成分およびCeO成分からなる群より選択される1種以上を0.01モル%〜3.0モル%、
を含有する。
SiO成分、Al成分、NaO成分、KO成分、MgO成分、TiO成分を合わせて90モル%以上、好ましくは95モル%以上、より好ましくは98モル%以上、さらに好ましくは99モル%以上とできる。
酸化物基準で表されたモル比[Al/MgO]の値が0.5以上2.0以下であってよい。
酸化物基準で表されたモル比[TiO/NaO]の値が0以上0.41以下であってよい。
酸化物基準で表されたモル比[MgO/NaO]の値が0以上1.60以下であってよい。
本発明の結晶化ガラスには、上述されていない他の成分を、本発明の結晶化ガラスの特性を損なわない範囲で、必要に応じ、添加することができる。ただし、Ti、Fe、Zr、Nb、W、La、Gd、Y、YbおよびLuを除く、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、AgおよびMo等の各遷移金属成分は、ガラスが着色するため、実質的に含まないことが好ましい。
さらに、Pb、Th、Cd、Tl、Os、BeおよびSeの各成分は、近年有害な化学物資として使用を控える傾向にあるため、これらを実質的に含有しないことが好ましい。
[製造方法]
本発明の結晶化ガラスは、例えば以下の方法で作製できる。すなわち、上記各成分が所定の含有量の範囲内になるように原料を均一に混合し、熔解成形して原ガラスを製造する。次にこの原ガラスを結晶化して結晶化ガラス母材を作製する。さらに結晶化ガラス母材を化学強化する。
原ガラスは、熱処理し、ガラス内部に均一に結晶を析出させる。この熱処理は、1段階でもよく、2段階の温度で熱処理してもよい。
2段階熱処理では、まず第1の温度で熱処理することにより核形成工程を行い、この核形成工程の後に、核形成工程より高い第2の温度で熱処理することにより結晶成長工程を行う。
1段階熱処理では、1段階の温度で核形成工程と結晶成長工程を連続的に行う。通常、所定の熱処理温度まで昇温し、当該熱処理温度に達した後に一定時間その温度を保持し、その後、降温する。
2段階熱処理の第1の温度は600℃〜750℃が好ましい。第1の温度での保持時間は30分〜2000分が好ましく、180分〜1440分が最も好ましい。
2段階熱処理の第2の温度は650℃〜850℃が好ましい。第2の温度での保持時間は30分〜600分が好ましく、60分〜300分が最も好ましい。
1段階の温度で熱処理する場合、熱処理の温度は600℃〜800℃が好ましく、630℃〜770℃がより好ましい。また、熱処理の温度での保持時間は、30分〜500分が好ましく、60分〜300分がより好ましい。
結晶化ガラス母材から、例えば研削および研磨加工の手段等を用いて、成形体を作製することができる。成形体を薄板状に加工することにより、薄板状結晶化ガラス母材を作製できる。
本発明では、この後、結晶化ガラス母材に圧縮応力層を形成する。圧縮応力層は、化学強化法によるイオン交換により形成された強化層である。
例えば、結晶化ガラス母材は、カリウムまたはナトリウムを含有する塩、例えば硝酸カリウム(KNO)、硝酸ナトリウム(NaNO)などの溶融塩に、接触または浸漬させて化学強化することができる。好ましくは、結晶化ガラス母材を、硝酸カリウム(KNO)を350〜600℃(より好ましくは400〜500℃)に加熱した溶融塩に、90分以上、例えば90分〜60時間、好ましくは90分〜50時間浸漬させる。これにより、表面付近のガラス相に存在する成分と、溶融塩に含まれる成分とのイオン交換反応が進行する。この結果、表面部に圧縮応力層が形成される。本発明では長時間浸漬することにより、硬い結晶化ガラスが得られる。
実施例1〜29、比較例1
結晶化ガラスの各成分の原料として各々相当する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、弗化物、塩化物、水酸化物、メタ燐酸化合物等の原料を選定し、これらの原料を以下の組成の割合になるように秤量して均一に混合した。
(酸化物換算の重量%)
SiO成分を55%、Al成分を18%、NaO成分を12%、KO成分を2%、MgO成分を8%、CaO成分を1%、TiO成分を5%、Sb成分を0.1%
次に、混合した原料を白金坩堝に投入し溶融した。その後、溶融したガラスを攪拌して均質化してから金型等に鋳込み、徐冷して原ガラスを作製した。
得られた原ガラスに対し、核形成および結晶化のために、1段階の熱処理を施して母材となる結晶化ガラスを作製した。熱処理の温度は660〜740℃であり、その温度での保持時間は5時間であった。
作製した結晶化ガラス母材に対し、40mm角、厚さ10mm超の形状となるように、切断および研削を行い、厚さ1mmおよび10mmの基板となるように対面平行研磨した。
1mm厚および10mm厚の結晶化ガラス母材について、日立ハイテクノロジー製U−4000形分光光度計により240〜800nmの分光透過率を測定し、反射損失を含む透過率が80%になる波長を求めた。結果を表1,2に示す。
また、結晶化ガラス母材の結晶相を、X線回折分析装置(Philips製X’PERT−PRO−MPD)により測定したX線回折図形において現れるピークの角度、および必要に応じてTEMEDX(日本電子製JEM2100F)を用いて判別した。MgAl,MgTiの結晶相が確認された。
さらに、結晶化ガラス母材に析出した結晶粒子の平均結晶径を300万倍の走査型電子顕微鏡(TEM)写真像(日本電子製JEM2100F)から測定した。具体的には、180×180nmの範囲内の結晶粒子の結晶径を求め平均値を計算した。平均結晶径を表1,2に示す。
表1,2に示す厚さに対面平行研磨した結晶化ガラス母材(基板)をKNO溶融塩中に、表1,2に示す塩浴温度と浸漬時間で浸漬することで化学強化を行って、結晶化ガラスを得た。実施例1の結晶化ガラスの比重は2.54であった。尚、透過率と平均結晶径は化学強化後も変わりなかった。
結晶化ガラスのビッカース硬度(Hv)を求め、表1,2に示す。ビッカース硬度は、対面角が136°のダイヤモンド四角錐圧子を用いて、試験面にピラミッド形状のくぼみをつけたときの荷重を、くぼみの長さから算出した表面積(mm)で割った値で示した。明石製作所製微小硬度計MVK−Eを用い、試験荷重100gf、保持時間15秒で測定した。
また、結晶化ガラスの圧縮応力層の厚さ(応力深さ)(DOL)とその表面の圧縮応力値(CS)を、折原製作所製のガラス表面応力計FSM−6000LEを用いて測定した。試料の屈折率1.54、光学弾性定数29.658[(nm/cm)/MPa]で算出した。中心応力値(CT)は、式CT=CS×DOL/(T−DOL×2)(式中、Tはガラス基板の厚さ(μm)である。)から求めた。結果を表1,2に示す。




















Figure 0006953101




































Figure 0006953101


上記に本発明の実施形態及び/又は実施例を幾つか詳細に説明したが、当業者は、本発明の新規な教示及び効果から実質的に離れることなく、これら例示である実施形態及び/又は実施例に多くの変更を加えることが容易である。従って、これらの多くの変更は本発明の範囲に含まれる。
この明細書に記載の文献および本願のパリ優先の基礎となる日本出願明細書の内容を全てここに援用する。

Claims (4)

  1. 結晶化ガラスを母材とし、表面に圧縮応力層を有し、
    厚さ10mmにおける反射損失を含む光線透過率が80%である波長が400〜669nmであり、ビッカース硬度[Hv]が835〜1300であり、
    前記結晶化ガラス母材が、酸化物換算の重量%で、
    SiO 成分を40.0%〜70.0%、
    Al 成分を11.0%〜25.0%、
    Na O成分を5.0%〜19.0%、
    O成分を0%〜9.0%、
    MgO成分を1.0%〜18.0%、
    CaO成分を0%〜3.0%、および
    TiO 成分を0.5%〜12.0%、
    を含有し、
    SiO 成分、Al 成分、Na O成分、K O成分、MgO成分、TiO 成分を合わせて90%以上含有する結晶化ガラス。
  2. 前記圧縮応力層の厚さが20μm以上である請求項1に記載の結晶化ガラス。
  3. 前記結晶化ガラス母材が、酸化物換算の重量%で、
    SiO成分を45.0%〜65.0%、
    Al成分を13.0%〜23.0%、
    NaO成分を8.0%〜16.0%、
    O成分を1.0%〜7.0%、
    MgO成分を2.0%〜15.0%、
    CaO成分を0.1%〜2.0%、
    TiO成分を1.0%〜10.0%、並びに
    Sb成分、SnO成分およびCeO成分からなる群より選択される1種以上を0.1%〜2.0%、
    を含有し、
    SiO成分、Al成分、NaO成分、KO成分、MgO成分、TiO成分を合わせて90%以上含有する請求項1または2に記載の結晶化ガラス。
  4. 析出結晶の平均結晶径が、4〜15nmである請求項1からのいずれかに記載の結晶化ガラス。
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