TWI663139B - glass plate - Google Patents
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Abstract
本發明之目的在於提供一種具有耐損傷性及耐酸性之含磷酸鹽系之玻璃板。本發明係關於一種玻璃板,其以氧化物基準之莫耳百分率表示,含有55.5~80%之SiO2、12~20%之Al2O3、8~25%之Na2O、2.5%以上之P2O5、及1%以上之鹼土金屬RO(RO為MgO+CaO+SrO+BaO)。
Description
本發明之實施形態係關於一種玻璃板。尤其是關於一種可較佳地用於化學強化用玻璃板、即化學強化玻璃之玻璃板。
近年來,關於資訊裝置,如對於平板PC、智慧型手機及電子書籍閱讀機等所見,具備觸控面板顯示器者成為主流。
業界對於觸控感測器玻璃、覆蓋玻璃及OGS(One Glass Solution,單片玻璃解決方案)之玻璃之任一者均要求較薄及高強度,使用藉由離子交換而實施過化學強化處理之化學強化玻璃。
該等化學強化玻璃之強化特性通常表現為表面壓縮應力(CS:Compressive stress)與壓縮應力深度(DOL:Depth of layer)。
揭示有該藉由化學強化所形成之表面壓縮應力層會抑制因衝擊所致之龜裂之延長。又,藉由使組成中含有磷酸,在不使化學強化特性降低之情況下獲得進一步之耐損傷性(例如參照專利文獻1)。
專利文獻1:日本專利特表2013-544227號公報
專利文獻2:日本專利第3164223號公報
且說,磷酸鹽系玻璃由於耐候性較低,於長期使用過程中,其
表面容易產生因日曬或風化作用所致之腐蝕,故而缺乏實用性(例如參照專利文獻2)。又,於對覆蓋玻璃進行AG(Anti-Glare,防眩光)處理等表面改質時,加工對於蝕刻液濃度變化非常敏感。因此,製程範圍變得非常窄,導致良率降低,或耗費較多成本。
本發明之目的在於提供一種具有耐損傷性及耐酸性之含磷酸鹽系之玻璃板。
本發明之一態樣之玻璃板之特徵在於:其以氧化物基準之莫耳百分率表示,含有55.5~80%之SiO2、12~20%之Al2O3、8~25%之Na2O、2.5%以上之P2O5、及1%以上之鹼土金屬RO(RO為MgO+CaO+SrO+BaO)。
該玻璃板較佳為氫量成為塊體值之1.05倍之深度係自玻璃板之表面起為500nm以上,較佳為自玻璃板表面起之深度500nm~1000nm之氫量之平均值為塊體值之1.5倍以上,較佳為以氧化物基準之莫耳百分率表示,含有57~76.5%之SiO2、12~18%之Al2O3、8~25%之Na2O、2.5~10%之P2O5、及1%以上之鹼土金屬RO,進而較佳為含有0.1%以上之F。
又,更佳為能夠進行化學強化之該等玻璃板。
本發明之實施形態可提供具有耐損傷性及耐酸性之含磷酸鹽系之玻璃板。
以下,詳細地對本發明之實施形態進行說明。再者,於本說明書中,「質量減少量」與「重量減少量」含義相同。又,表示數值範
圍之「~」係以包括其前後所記載之數值作為下限值及上限值之含義而使用。
本發明之實施形態之玻璃板之特徵在於:其以氧化物基準之莫耳百分率表示,含有55.5~80%之SiO2、12~20%之Al2O3、8~25%之Na2O、2.5%以上之P2O5、及1%以上之鹼土金屬RO(RO為MgO+CaO+SrO+BaO)。
本發明之實施形態之玻璃板較佳為氫量成為塊體值之1.05倍以上之深度自表面起成為500nm以上。更佳為700nm以上,進而較佳為1000nm以上。藉由對自表面起至少500nm之區域導入高於塊體值之氫,與塊體相比,可進一步提高耐酸性。藉此,能夠大幅度擴大蝕刻處理等之製程範圍。此處,塊體值係指自玻璃板起100μm以上之深度之氫量之平均值,塊體係指自表面起研磨100μm以上之未處理之玻璃板。
又,本發明實施形態之玻璃板較佳為自表面起深度500nm~1000nm之氫量之平均值為塊體值之1.5倍以上。更佳為2倍以上,進而較佳為2.5倍以上,尤佳為3倍以上。藉由使自表面起深度500nm~1000nm之氫量之平均值為塊體值之1.5倍以上,與塊體相比,可進一步提高耐酸性。又,為了防止強化特性之降低與應力緩和,較佳為上限為10倍以下。
藉由如此對表面導入氫而使耐酸性提高之原因尚不明確,本發明者等人認為如下。即,認為因導入至表面之氫離子與水溶液中之氧鎓離子或水分子發生電荷排斥,使耐酸性提高。
作為提高表面之氫量之方法,例如可列舉下述方法。即,於將玻璃成形為特定形狀之步驟中,延長在成形溫度附近之滯留時間,或使氣壓上升而抑制水向空氣中之擴散等。
於製造包含磷酸或硼酸等揮散成分之玻璃時,為了消除因揮散
所致之堆積物之處理或組成不均,通常藉由在能夠操作之範圍內儘可能設為高黏度且於短時間內進行,而抑制揮散。
另一方面,較理想為於本發明之實施形態中,於藉由製造步驟進行玻璃表面之氫導入處理時,在形成玻璃基板表面之玻璃成形槽中之黏度成為10000泊以上~500000泊以下之溫度下進行。
於黏度大於500000泊之情形時,氫之導入需要較長時間,而生產效率降低。另一方面,於黏度小於10000泊之情形時,雖然能夠以短時間進行氫之導入,但因大量導入,塊體值亦上升,故而由此導致之物性變化變得明顯。對塊體中過度導入氫例如存在使強化特性降低之情形。
又,作為其他導入方法,可列舉在Tg(玻璃轉移點)以上之溫度對玻璃板進行熱處理,或進行酸或鹼處理。
本發明之實施形態之玻璃板較佳為以氧化物基準之莫耳百分率表示,含有57~76.5%之SiO2、12~18%之Al2O3、8~25%之Na2O、2.5~10%之P2O5、及1%以上之鹼土金屬RO。
本發明之實施形態之玻璃板較佳為以氧化物基準之莫耳百分率表示,含有55.5~80%之SiO2、12~20%之Al2O3、8~25%之Na2O、2.5%以上之P2O5、0.1%以上之F、及1%以上之鹼土金屬RO。
以下,對在本發明之實施形態之玻璃板中將玻璃組成限定於上述範圍之理由加以說明。於本說明書中,單純之「%」之表述只要無特別說明,則意指「莫耳%」。
SiO2為構成玻璃之骨架之必須成分。又,其係減少玻璃表面形成有傷痕(壓痕)時之裂痕之產生,或減小化學強化後形成有壓痕時之破壞率的必須成分。藉由使SiO2之含量為55.5%以上,可避免作為玻璃之穩定性或耐酸性、耐候性或耐碎性之降低。SiO2之含量較佳為57%以上,更佳為59%以上。藉由使SiO2之含量為80%以下,可避免因玻
璃之黏性增大所致之熔融性之降低。較佳為76.5%以下,更佳為72.5%以下。
Al2O3係用以提高離子交換性能及耐碎性之有效成分,或增大表面壓縮應力之成分,而為必須成分。藉由使Al2O3之含量為12%以上,藉由離子交換而獲得所需之表面壓縮應力值或壓縮應力層厚度。藉由使Al2O3之含量為20%以下,可防止玻璃之黏性增大,能夠實現均質熔融,或可避免耐酸性之降低。Al2O3之含量較佳為18%以下,更佳為16%以下,進而較佳為15%以下。
P2O5係於不阻礙離子交換性能之情況下提高耐損傷性之必須成分。藉由使P2O5之含量為2.5%以上,可獲得裂痕伸長荷重(CIL)較高之玻璃。較佳為3%以上,更佳為5%以上。又,藉由將P2O5之含量設為10%以下,可獲得尤其於耐酸性方面優異之玻璃。
Na2O係藉由離子交換而形成表面壓縮應力層,又,提高玻璃之熔融性的必須成分。藉由使Na2O之含量為8%以上,可藉由離子交換而形成所需之表面壓縮應力層,較佳為10%以上,更佳為12%以上,進而較佳為14%以上。藉由使Na2O之含量為25%以下,可避免因耐候性或耐酸性之降低或壓痕所致之裂痕之產生。Na2O之含量較佳為20%以下,更佳為18%以下。
K2O並非必須,但為了增大離子交換速度,K2O可於5%以下之範圍內含有。藉由使K2O之含量為5%以下,可避免因壓痕所致之裂痕之產生,或可避免基於硝酸鉀熔鹽中之NaNO3濃度的表面壓縮應力變化之增大。K2O之含量較佳為3%以下,更佳為1%以下。於欲減小基於硝酸鉀熔鹽中之NaNO3濃度的表面壓縮應力變化之情形時,較佳為不含有K2O。
MgO、CaO、SrO及BaO之鹼土金屬氧化物(鹼土金屬RO)係對於提高耐候性有效,又,降低玻璃之黏性而易於熔融之成分。MgO+
CaO+SrO+BaO之含量較佳為1%以上,更佳為1.5%以上。又,就可抑制失透與離子交換速度降低之觀點而言,上限較佳為15%以下。更佳為10%以下,進而較佳為7%以下。
再者,各成分之較佳含量如以下所述。
MgO係增大表面壓縮應力之成分,又,係提高熔融性之成分,因此可於15%以下之範圍內含有。藉由使MgO之含量為15%以下,可避免玻璃之失透、或離子交換速度之降低。MgO之含量較佳為10%以下,更佳為8%以下,進而較佳為5%以下。
為了提高在高溫下之熔融性、或不易引起失透,CaO可於5%以下之範圍內含有。藉由使CaO之含量為5%以下,可避免離子交換速度或對裂痕產生之耐性之降低。CaO之含量較佳為3%以下,更佳為1%以下。
亦可視需要含有SrO,其與MgO、CaO相比降低離子交換速度之效果更大,故而即便於含有其之情形時,其含量亦較佳為3%以下。典型為不含SrO。
BaO於鹼土金屬氧化物中降低離子交換速度之效果最大,故而較佳為設為不含BaO,或即便於含有其之情形時其含量亦為3%以下。典型為不含BaO。
ZrO2係提高硬度、或提高軟化點而抑制應力緩和、或改善耐酸性之成分,其可於8%以下之範圍內含有。藉由使ZrO2為8%以下,可避免來自壓痕之裂痕之產生、或失透溫度之增大。ZrO2之含量較佳為5%以下,更佳為3%以下,進而較佳為2%以下。
F係提高化學耐久性之成分。藉由使F之含量為0.1%以上,可提高耐酸性。再者,作為氟原料,可使用SnF2、ZnF2、AlF3、MgF2、SrF2或CaF2。又,就可防止揮散或失透,穩定地製造之觀點而言,上限較佳為5%以下。
此外,作為玻璃之熔融之澄清劑,亦可適當含有氯化物、氟化物等。本發明之玻璃板本質上包含以上所說明之成分,但亦可於不損害本發明之目的之範圍含有其他成分。於含有此種成分之情形時,該等成分之含量之合計較佳為5%以下,更佳為3%以下,典型為1%以下。
關於本發明之實施形態之玻璃板,使用維氏壓頭形成壓痕時之裂痕之產生率成為50%之維氏壓頭之壓入負載較佳為300gf以上,更佳為400gf以上,進而較佳為500gf以上。若上述維氏壓頭之壓入負載未達300gf,則存在如下可能性,即,於化學強化處理前之製造步驟或輸送時容易產生傷痕,又,即便進行過化學強化處理亦無法獲得所需之強度。
本發明之實施形態之玻璃板通常製成板形狀,但對於平板而言亦可為實施過彎曲加工之玻璃板。本實施形態之玻璃係藉由浮式法、熔融法、流孔下引法等已知玻璃成形方法而成形為平板形狀之玻璃板。
本發明之實施形態之玻璃板具有能夠藉由現有成形法而成形之尺寸。即,若利用浮式法進行成形,則獲得浮式法成形寬度之連續帶狀之玻璃。又,最終切斷為適於使用目的之大小。
即,本發明之玻璃板成為平板PC或智慧型手機等之顯示器之大小、或大廈或住宅之窗玻璃之大小。本實施形態之玻璃通常被切斷為矩形,但切斷為圓形或多角形等其他形狀亦無妨,亦包括實施過開孔加工之玻璃。
<化學強化處理>
本發明之玻璃板較佳為能夠進行化學強化處理之玻璃板,即化學強化用玻璃板。化學強化處理可藉由先前公知之方法而進行。又,較佳為於化學強化處理前根據用途進行形狀加工,例如切斷、端面加
工及開孔加工等機械加工。
藉由化學強化處理,於包含較大離子半徑之金屬離子(典型為K離子)之金屬鹽(例如硝酸鉀)之熔融液中進行浸漬等,藉此使玻璃基板接觸熔融液,而使玻璃基板中之較小離子半徑之金屬離子(典型為Na離子或Li離子)被置換為較大離子半徑之金屬離子。
化學強化處理例如可藉由在300~550℃之硝酸鉀熔鹽中浸漬玻璃板5分鐘~20小時而進行。離子交換條件考慮玻璃之黏度特性、或用途、板厚、玻璃內部之拉伸應力等而選擇最佳條件即可。
作為用於進行離子交換處理之熔鹽,例如可列舉:硝酸鉀、硫酸鉀及氯化鉀等鹼金屬硝酸鹽、鹼金屬硫酸鹽及鹼金屬氯化物鹽等。該等熔鹽可單獨使用,或者亦可將複數種組合而使用。又,為了調整化學強化特性,亦可混入包含鈉之鹽。
於本發明之實施形態中,化學強化處理之處理條件並無特別限定,考慮玻璃之特性及熔鹽等而選擇最佳之條件即可。
再者,化學強化玻璃之表面壓縮應力層之深度及表面壓縮應力值可使用表面應力計(例如折原製作所製造之FSM-6000)等進行測定。
可藉由對本發明之實施形態之玻璃板進行化學強化處理,而獲得化學強化玻璃。作為使用化學強化玻璃之製品,例如可列舉數位相機、行動電話及攜帶型資訊終端(PDA)之類的顯示器裝置等之覆蓋玻璃及顯示器之玻璃基板。
本發明之實施形態之玻璃板之用途並無特別限定。由於在經化學強化之情形時具有較高之機械強度,故而經化學強化者適合用於預測會受到因掉落所致之衝擊或與其他物質接觸之部位。
具體而言,例如有:行動電話機(包括智慧型手機等多功能資訊終端)、PHS(Personal Handy-phone System,個人手持電話系統)、PDA(Personal Digital Assistant,個人數位助理)、平板型終端、筆記
型個人電腦、遊戲機、攜帶式音樂影像播放器、電子書、電子終端、鐘錶、相機或GPS等之顯示器部分用之覆蓋玻璃、及該等設備之觸控面板操作用顯示器之覆蓋玻璃、微波爐、烤箱等烹飪器具之覆蓋玻璃、電磁烹飪器具等之頂板、計量器、量規等量錶類之覆蓋玻璃及影印機或掃描儀等之讀取部分用之玻璃板等機械或設備類之保護用途。
又,例如可列舉:車輛、船舶、飛機等之窗戶用玻璃、家庭用或產業用之照明設備、信號燈、引導燈、電子看板之覆蓋玻璃、展示櫃及防彈玻璃等用途。可列舉太陽電池保護用之覆蓋玻璃及用以提高太陽電池之發電效率的聚光用之玻璃材或薄膜太陽電池之基板等用途。
又,例如有作為各種鏡面用之玻璃、進而HDD(Hard Disk Drive,硬盤驅動器)等資訊記憶媒體之基板、CD(Compact Disc,光碟)、DVD(Digital Versatile Disc,數位多功能光碟)、藍光光碟等資訊記錄媒體之基板之用途。
又,例如可列舉作為水槽、盤子或杯子等餐具、瓶或砧板等各種烹飪器具、餐具架、冰箱之擱板、及牆壁、屋頂或隔斷等建材之用途。
除了該等用途以外,對本發明之實施形態之玻璃板進行化學強化處理所製造之化學強化玻璃亦適合用作液晶、電漿、有機EL(Electroluminescence,電致發光)等之各種圖像顯示裝置中所組入之顯示器用玻璃材。
[實施例]
以下,對本發明之實施例進行具體說明,但本發明並不限定於該等。
[玻璃板之製造]
關於表1、表2之實施例1~7、及比較例1~2,以成為SiO2至F之
欄中以莫耳百分率表示之組成之方式,適當選擇氧化物、氫氧化物、碳酸鹽或硝酸鹽等通常使用之玻璃原料,稱取900g作為玻璃。繼而,將經混合之原料放入鉑製坩堝中,並投入至1650℃之電阻加熱式電爐中,熔融4小時,進行消泡、均質化。使所獲得之熔融玻璃流入模材中,於Tg+30℃之溫度下保持1小時後,以0.5℃/分鐘之速度冷卻至室溫,而獲得玻璃磚。切斷、研削該玻璃磚,最後將兩面加工為鏡面,而獲得尺寸為20mm×20mm、厚度為1mm之板狀玻璃。
又,於實施例6及7中,藉由以表2之特定溫度及時間對所獲得之玻璃進行熱處理而進行最表面之氫導入處理。
將該等玻璃之50%CIL(gf)、耐酸性(單位:mg/cm2)、耐酸性改善率(%)、氫量之「塊體值、500~1000nm深度平均值、表面/塊體係數」示於表1、2。
[物性之測定]
(1)50%CIL
CIL(裂痕、開裂、負載)值係藉由以下方法而求出。利用維氏硬度試驗機,於常溫大氣環境下壓入維氏壓頭15秒後,取下維氏壓頭,15秒後對壓痕附近進行觀測。觀測係調查自壓痕之內角產生幾條裂痕。測定分別以100gf、200gf、300gf、500gf、1kgf、2kgf之維氏壓頭之壓入負載進行。算出每一負載下所產生之裂痕條數之平均值,將裂痕之產生率成為50%之維氏壓頭之壓入負載設為50%CIL。
(2)耐酸性試驗
將所獲得之板狀玻璃於加熱至50℃之0.1mol/l之鹽酸中浸漬3小時,測定浸漬前後之質量減少量,將其除以板狀玻璃表面積而算出耐酸性。
(3)改善率(%)
熱處理前後之耐酸性之改善率係根據下式求出。
「100-(熱處理後之質量減少量)/(熱處理前之質量減少量)×100」(%)
(4)氫濃度分佈之測定
所謂玻璃之氫濃度分佈係指於以下之分析條件下所測得之分佈。玻璃基板之氫濃度分佈之測定係使用二次離子質譜法(Secondary Ion Mass Spectrometory:SIMS)。將測定對象之玻璃基板同時搬送至SIMS裝置內,依序進行測定,而取得1H-及30Si-之強度之深度方向分佈。其後,將1H-分佈除以30Si-分佈,而獲得1H-/30Si-強度比之深度方向分佈。由1H-/30Si-強度比之深度方向分佈算出深度500nm至1000nm之區域之平均1H-/30Si-強度比。此處,有最表面反映出因放置所引起之表面變質或污染之影響的可能性,故而對自表面起深度500nm以上之氫量進行比較。再者,SIMS測定條件如下。
[SIMS之測定條件]
裝置:ULVAC-PHI公司製造之ADEPT1010
一次離子種:Cs+
一次離子之加速電壓:5kV
一次離子之電流值:200nA
一次離子之入射角:相對於試樣面之法線為60°
一次離子之柵格尺寸:300×300μm2
二次離子之極性:負
二次離子之檢測區域:60×60μm2(為一次離子之柵格尺寸之4%)
中和槍之使用:有
將橫軸由濺鍍時間轉換為深度之方法:利用觸針式表面形狀測量儀(Veeco公司製造之Dektak150)測定分析凹坑之深度,求出一次離子之濺鍍速率。使用該濺鍍速率,將橫軸由濺鍍時間轉換為深度。1H-檢測時之場軸電位(Field Axis Potential,FAP):各裝置有最佳值發
生變化之可能性。測定者需一面注意充分地截止背景值一面對值進行設定。
表2所記載之塊體值設為自表面起研磨200μm之未處理之玻璃板之自表面起深度500nm至1000nm之氫濃度平均值。同樣地,500~1000nm深度平均值係指於進行過各處理之玻璃板中自表面起深度500nm至1000nm之氫濃度平均值。又,表面/塊體係數表示與塊體值相比500~1000nm深度平均值之氫量為幾倍之值。氫導入深度係指氫量成為塊體值之1.05倍之深度。
根據表1及表2所示之結果,獲得以下之探討結果。
於實施例1~4中,藉由使鋁矽鹽玻璃中以氧化物基準之莫耳百分率表示含有2.5%以上之P2O5,50%CIL成為500gf以上。
另一方面,於比較例1中不含有P2O5。於該情形時,50%CIL顯示為250gf之較低值。
即,可知藉由使鋁矽鹽玻璃中以氧化物基準之莫耳百分率表示含有2.5%以上之P2O5,而獲得50%CIL為500gf以上之耐損傷性較高之玻璃。
又,可知於實施例1~5中藉由使鋁矽鹽玻璃中以氧化物基準之莫耳百分率表示含有55.5%以上且80%以下之SiO2、12%以上且20%以下之Al2O3,質量減少量成為1.5mg/cm2以下。其中,藉由將各成分之含量進而設為SiO2為57%以上且76.5%以下,Al2O3為12%以上且18%以下,如實施例1~4所示質量減少量成為0.15mg/cm2以下。進而,
如實施例2所示,藉由使鋁矽鹽玻璃中以氧化物基準之莫耳百分率表示含有0.1%以上之F,質量減少量成為0.03mg/cm2以下,可進一步抑制質量減少量。
另一方面,於比較例2中,SiO2成為55.5%以下,因而質量減少量成為1.6mg/cm2以上。
即,可知藉由使鋁矽鹽玻璃中以氧化物基準之莫耳百分率表示含有57%以上且76.5%以下之SiO2、12%以上且18%以下之Al2O3,獲得質量減少量成為0.15mg/cm2以下之耐酸性較高之玻璃。又,可知藉由含有0.1%以上之F,進一步提高耐酸性。
於實施例6、7中,自表面起深度500nm~1000nm之氫量之平均值為塊體值之3倍以上。於該等玻璃中,耐酸性改善10%以上。尤其於氫量之變化更大之實施例7中,耐酸性之改善效果較高。又,實施例6、7之氫導入深度分別為1000nm以上。
以上,參照特定之實施態樣對本發明進行了詳細說明,但從業者明瞭可在不脫離本發明之精神與範圍之情況下加入各種各樣之變更或修正。本申請案係基於2014年12月25日提出申請之日本專利申請案(日本專利特願2014-261984)者,其內容作為參照而併入本文中。
本發明之實施形態之玻璃板可用於薄膜太陽電池之基板或顯示器裝置之覆蓋玻璃、窗戶用玻璃等。又,可藉由化學強化而適宜地利用於移動設備等之覆蓋玻璃。
Claims (10)
- 一種玻璃板,其以氧化物基準之莫耳百分率表示,含有61~68%之SiO2、12~20%之Al2O3、8~17%之Na2O、大於0且為4.0%以下之P2O5、0~3%之MgO、0~1%之CaO、0~3%之SrO、0~3%之BaO、0~1%之K2O,氯化物、氟化物之含量之合計為1%以下,且使用維氏壓頭形成壓痕時之裂痕之產生率成為50%之維氏壓頭之壓入負載為300gf以上。
- 如請求項1之玻璃板,其氫量成為塊體值之1.05倍之深度係自玻璃板之表面起為500nm以上。
- 如請求項1或2之玻璃板,其中自上述玻璃板表面起之深度500nm~1000nm之氫量之平均值為塊體值之1.5倍以上。
- 如請求項1或2之玻璃板,其中SiO2之含量為61%以上。
- 如請求項1或2之玻璃板,其中CaO之含量為1%以下。
- 如請求項1或2之玻璃板,其不含SrO。
- 如請求項1或2之玻璃板,其不含BaO。
- 如請求項1或2之玻璃板,其含有1%以上之鹼土金屬RO。
- 如請求項1或2之玻璃板,其含有MgO。
- 如請求項1或2之玻璃板,其中MgO之含量為1.5%以下。
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