WO2020031340A1 - 結晶化ガラス基板 - Google Patents

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compressive stress
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八木俊剛
小笠原康平
本島勇紀
小島玲香
山下豊
後藤直雪
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株式会社 オハラ
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Definitions

  • the present invention relates to a crystallized glass substrate having a compressive stress layer on the surface.
  • Portable electronic devices such as smartphones and tablet PCs use a cover glass to protect the display.
  • protectors for protecting lenses are also used in optical devices for vehicles.
  • hard and hard-to-break materials so that these devices can withstand more severe use.
  • a demand for a material having high impact resistance is increasing.
  • Patent Document 1 discloses a crystallized glass substrate for an information recording medium. When a crystallized glass substrate was subjected to chemical strengthening, a sufficient compressive stress value could not be obtained.
  • An object of the present invention is to obtain a crystallized glass substrate that is hard and hard to break.
  • the present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, a crystallized glass substrate having high impact resistance and having difficulty in breaking is obtained if the surface has a predetermined compressive stress layer and a predetermined center stress. And completed the present invention. Specifically, the present invention provides the following.
  • (Configuration 1) A crystallized glass substrate having a compressive stress layer on the surface, The compressive stress of the outermost surface of the compressive stress layer CS (MPa), the compressive stress of the compressive stress layer DOL zero stress depth when the 0 MPa ([mu] m), a central stress obtained by curve analysis CT (MPa), When the thickness of the substrate is T ( ⁇ m), CS is 400-1400MPa, A crystallized glass substrate in which CT ⁇ (T ⁇ 2 ⁇ DOL zero ) / CS ⁇ DOL zero is 0.60 or more. (Configuration 2) 2.
  • Configuration 3 In terms of weight% in terms of oxide, 40.0% to 70.0% of SiO 2 component, Al 2 O 3 component from 11.0% to 25.0%, Na 2 O component from 5.0% to 19.0%, 0% to 9.0% of K 2 O component, 1.0% to 18.0% of at least one selected from a MgO component and a ZnO component, 0% to 3.0% of CaO component, 0.5% to 12.0% of TiO 2 component, 3.
  • the crystallized glass substrate according to configuration 1 or 2 which comprises: (Configuration 4) 4.
  • the stress depth DOL zero is 70 to 110 ⁇ m;
  • the compressive stress CS of the outermost surface is 550 to 890 MPa,
  • the central stress CT is 100 to 250 MPa, 7.
  • the stress depth DOL zero is 65 to 85 ⁇ m;
  • the outermost surface has a compressive stress CS of 700 to 860 MPa;
  • the central stress CT is 120 to 240 MPa, 7.
  • a crystallized glass substrate that is hard and hard to break can be obtained.
  • the crystallized glass substrate of the present invention can be used for a cover glass of a display or a lens of an electronic device, an outer frame member or a housing, an optical lens material, and other various members.
  • the crystallized glass substrate of the present invention uses crystallized glass as a base material (also referred to as a crystallized glass base material) and has a compressive stress layer on the surface.
  • the compressive stress layer can be formed by subjecting the crystallized glass base material to an ion exchange treatment.
  • the compressive stress layer is formed with a predetermined thickness inward from the outermost surface of the substrate, and the compressive stress is highest at the outermost surface, decreases toward the inside, and becomes zero.
  • the compressive stress (also referred to as the outermost surface compressive stress) CS of the outermost surface of the compressive stress layer is 400 to 1400 MPa, for example, 550 to 1300 MPa, 600 to 1200 MPa, 650 to 1000 MPa, 700 to 890 MPa, 700 to 880 MPa, or 750. To 860 MPa.
  • the depth DOL zero (also referred to as stress depth) when the compressive stress of the compressive stress layer is 0 MPa may be 45 to 200 ⁇ m, for example, 50 to 140 ⁇ m, 55 to 120 ⁇ m, 65 to 110 ⁇ m, 70 to 100 ⁇ m, or It can be 75 to 85 ⁇ m.
  • the sum of the stress depths from both sides of the crystallized glass substrate may be 10 to 80%, 12 to 60%, 15 to 50%, or 20 to 40% of the thickness of the compressive stress layer. .
  • the center stress CT may be 55 to 300 MPa, for example, 60 to 250 MPa, 65 to 240 MPa, 80 to 230 MPa, 100 to 200 MPa, 105 to 180 MPa, or 120 to 150 MPa.
  • the central stress CT is obtained by curve analysis.
  • the sum of the outermost surface compressive stress CS and the central stress CT may be 600 to 1400 MPa, and may be 700 to 1200 MPa, 750 to 1100 MPa, or 800 to 1000 MPa.
  • the compressive stress on the outermost surface is CS (MPa)
  • the stress depth is DOL zero ( ⁇ m)
  • the central stress is CT (MPa)
  • the thickness of the substrate is T ( ⁇ m).
  • CT ⁇ (T ⁇ 2 ⁇ DOL zero ) / CS ⁇ DOL zero is 0.60 or more.
  • FIG. 1 shows an example of a change in compressive stress (MPa) with respect to a depth ( ⁇ m) from the outermost surface in a surface portion (compressive stress layer) of a crystallized glass substrate chemically strengthened by one step with a molten salt of a potassium salt.
  • FIG. Zero depth represents the outermost surface.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a change in stress in the thickness direction of the same crystallized glass substrate.
  • a compressive stress layer exists on both sides of the substrate, and a central stress CT is generated at a central portion.
  • FIG. 5 shows the change in compressive stress with respect to the depth from the outermost surface of a two-stage chemically strengthened crystallized glass substrate immersed in a mixed molten salt of potassium salt and sodium salt and then immersed in a molten salt of potassium salt. It is a figure showing an example.
  • the compressive stress decreases from the outermost surface to the inside at almost the same ratio (almost the same slope S1).
  • the compressive stress gradually decreases (at a small slope S3).
  • the area X surrounded by the compressive stress and DOL zero becomes close to or the same value as the area A, and as shown in FIG.
  • the area X surrounded by the compressive stress and DOL zero becomes considerably smaller than the area A. Since the area X cannot be directly calculated, as shown in FIG. 2, the area X is obtained by CT ⁇ (T ⁇ 2 ⁇ DOL zero ) by utilizing the fact that the area X and the area B have the same value. .
  • the area X / area A that is, CT ⁇ (T ⁇ 2 ⁇ DOL zero ) / CS ⁇ DOL zero becomes 0.60 or more because the compressive stress gradually decreases from the outermost surface to the inside.
  • the area X / area A that is, CT ⁇ (T ⁇ 2 ⁇ DOL zero ) / CS ⁇ DOL zero is small, that is, less than 0.60 because the compressive stress suddenly decreases from the outermost surface to the inside.
  • Compressive stress layer the above stress depth DOL zero, as having outermost surface compressive stress CS and central stress CT, the substrate is difficult to break.
  • the stress depth, the outermost surface compressive stress, and the central stress can be adjusted by adjusting the composition, the thickness of the substrate, and the chemical strengthening conditions.
  • the lower limit of the thickness of the crystallized glass substrate is preferably 0.15 mm or more, more preferably 0.30 mm or more, more preferably 0.40 mm or more, and still more preferably 0.50 mm or more.
  • the upper limit of the thickness is preferably 1.00 mm or less, more preferably 0.90 mm or less, more preferably 0.70 mm or less, and still more preferably 0.6 mm or less.
  • EE / ⁇ which is the ratio between the Young's modulus E (GPa) of the crystallized glass substrate and the specific gravity ⁇ , is preferably 31 or more, more preferably 32 or more, and even more preferably 33 or more.
  • Crystallized glass is a material having a crystalline phase and a glass phase, and is distinguished from an amorphous solid. Generally, the crystal phase of the crystallized glass is determined using the angle of a peak appearing in an X-ray diffraction pattern of X-ray diffraction analysis and, if necessary, TEMEDX.
  • the crystallized glass is, for example, MgAl 2 O 4 , MgTi 2 O 4 , MgTi 2 O 5 , Mg 2 TiO 4 , Mg 2 SiO 4 , MgAl 2 Si 2 O 8 , Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 as a crystal phase. , Mg 2 TiO 5 , MgSiO 3 , NaAlSiO 4 , FeAl 2 O 4 and a solid solution thereof.
  • the average crystal diameter of the crystallized glass is, for example, 4 to 15 nm, and can be 5 to 13 nm or 6 to 10 nm.
  • the surface roughness Ra after polishing can be easily processed to a level of several ⁇ . Also, the transmittance increases.
  • each component constituting the crystallized glass is described below.
  • the content of each component is expressed in terms of% by weight in terms of oxide, unless otherwise specified.
  • oxide conversion means that, when it is assumed that all the constituent components of the crystallized glass are decomposed and changed to an oxide, the total weight of the oxide is 100% by weight in the crystallized glass.
  • the amount of the oxide of each component contained is expressed in terms of% by weight.
  • the crystallized glass serving as a base material is preferably in a weight% in terms of oxide, 40.0% to 70.0% of SiO 2 component, Al 2 O 3 component from 11.0% to 25.0%, Na 2 O component from 5.0% to 19.0%, 0% to 9.0% of K 2 O component, 1.0% to 18.0% of at least one selected from a MgO component and a ZnO component, 0% to 3.0% of CaO component, 0.5% to 12.0% of TiO 2 component, It contains.
  • the SiO 2 component is more preferably contained in a content of 45.0% to 65.0%, further preferably 50.0% to 60.0%.
  • the Al 2 O 3 component is more preferably contained from 13.0% to 23.0%.
  • the Na 2 O component is more preferably contained from 8.0% to 16.0%. It may be 9.0% or more or 10.5% or more.
  • the K 2 O component is more preferably contained from 0.1% to 7.0%, and still more preferably from 1.0% to 5.0%.
  • One or more selected from the MgO component and the ZnO component is more preferably 2.0% to 15.0%, further preferably 3.0% to 13.0%, and particularly preferably 5.0% to 11.0%. %included.
  • One or more selected from the MgO component and the ZnO component may be the MgO component alone, the ZnO component alone or both, but preferably the MgO component alone.
  • the CaO component is more preferably contained from 0.01% to 3.0%, and still more preferably from 0.1% to 2.0%.
  • the TiO 2 component is more preferably contained in an amount of 1.0% to 10.0%, and further preferably 2.0% to 8.0%.
  • the crystallized glass contains 0.01% to 3.0% (preferably 0.1% to 2.0%, more preferably 1% or more selected from Sb 2 O 3 component, SnO 2 component and CeO 2 component). 0.1% to 1.0%). The above blending amounts can be appropriately combined.
  • the crystallized glass may or may not contain a ZrO 2 component as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • the amount can be 0 to 5.0%, 0 to 3.0% or 0 to 2.0%.
  • the crystallized glass may be a B 2 O 3 component, a P 2 O 5 component, a BaO component, a FeO component, a SnO 2 component, a Li 2 O component, a SrO component, or a La 2 O component as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • 3 component, Y 2 O 3 component, Nb 2 O 5 component, Ta 2 O 5 component, WO 3 components, TeO 2 component may each contain Bi 2 O 3 component may not include.
  • the compounding amount can be 0 to 2.0%, 0 or more and less than 2.0%, or 0 to 1.0%, respectively.
  • the crystallized glass of the present invention comprises, as a fining agent, a Sb 2 O 3 component, a SnO 2 component, a CeO 2 component, an As 2 O 3 component, and one selected from the group consisting of F, Cl, NOx, and SOx. Two or more types may be included or may not be included. However, the content of the fining agent is preferably 5.0% or less, more preferably 2.0% or less, and most preferably 1.0% or less.
  • the crystallized glass serving as the base material is preferably in terms of mole% in terms of oxide, 43.0 mol% to 73.0 mol% of the SiO 2 component, 4.0 mol% to 18.0 mol% of the Al 2 O 3 component, Na 2 O component of 5.0 mol% to 19.0 mol%, 0 to 9.0 mol% of K 2 O component, 2.0 mol% to 22.0 mol% of at least one selected from MgO component and ZnO component, 0 to 3.0 mol% of CaO component, 0.5 mol% to 11.0 mol% of the TiO 2 component, It contains.
  • the crystallized glass (and substrate) of the present invention may be colorless and transparent, but the glass can be colored within a range that does not impair the properties of the crystallized glass.
  • the crystallized glass substrate of the present invention preferably has a breaking height of 60 cm or more, 70 cm or more, 80 cm or more, 90 cm or more, 100 cm or more, or 110 cm or more in the drop test measured in the examples.
  • the crystallized glass substrate of the present invention can be manufactured by the following method. That is, raw materials are uniformly mixed and melt-molded to produce raw glass. Next, the raw glass is crystallized to produce a crystallized glass base material. Further, the crystallized glass base material is chemically strengthened.
  • the raw glass is heat-treated to precipitate crystals inside the glass.
  • This heat treatment may be performed in one stage or two stages.
  • a nucleus forming step is first performed by performing a heat treatment at a first temperature, and after this nucleus forming step, a crystal growth step is performed by performing a heat treatment at a second temperature higher than the nucleus forming step.
  • the nucleation step and the crystal growth step are continuously performed at one step temperature.
  • the temperature is raised to a predetermined heat treatment temperature, the temperature is maintained for a certain time after reaching the heat treatment temperature, and then the temperature is lowered.
  • the first temperature of the two-step heat treatment is preferably from 600 ° C. to 750 ° C.
  • the holding time at the first temperature is preferably 30 minutes to 2000 minutes, more preferably 180 minutes to 1440 minutes.
  • the second temperature of the two-step heat treatment is preferably from 650 ° C. to 850 ° C.
  • the holding time at the second temperature is preferably 30 minutes to 600 minutes, more preferably 60 minutes to 300 minutes.
  • the heat treatment temperature is preferably from 600 ° C to 800 ° C, more preferably from 630 ° C to 770 ° C.
  • the holding time at the heat treatment temperature is preferably 30 minutes to 500 minutes, more preferably 60 minutes to 300 minutes.
  • a thin plate-shaped crystallized glass base material can be produced, for example, by means of grinding and polishing.
  • a compressive stress layer is formed on the crystallized glass base material by ion exchange using a chemical strengthening method.
  • the crystallized glass substrate of the present invention is characterized in that the crystallized glass base material is not a mixed molten salt of a potassium salt and a sodium salt (mixed bath), but a potassium salt (one or more potassium salts, for example, potassium nitrate (KNO 3) ), Potassium carbonate (K 2 CO 3 ), potassium sulfate (K 2 SO 4 )) and a molten salt (individual bath) at a predetermined temperature and for a predetermined time by chemical strengthening. For example, contacting or immersing a molten salt heated to 450 to 580 ° C.
  • a potassium salt one or more potassium salts, for example, potassium nitrate (KNO 3)
  • K 2 CO 3 Potassium carbonate
  • K 2 SO 4 potassium sulfate
  • corresponding materials such as oxides, hydroxides, carbonates, nitrates, fluorides, chlorides, and metaphosphate compounds were selected as the raw materials for the components of the crystallized glass.
  • the mixed raw materials were put into a platinum crucible and melted. Thereafter, the molten glass was stirred and homogenized, then cast into a mold, and gradually cooled to produce an original glass.
  • the obtained raw glass was subjected to a one-step heat treatment (650 to 730 ° C., 5 hours) for nucleation and crystallization to produce a crystallized glass as a base material.
  • the obtained crystallized glass was analyzed by a 200 kV field emission transmission electron microscope FE-TEM (JEM2100F manufactured by JEOL Ltd.). As a result, precipitated crystals having an average crystal diameter of 6 to 9 nm were observed. Further, lattice image confirmation by electron diffraction image and analysis by EDX were performed, and crystal phases of MgAl 2 O 4 and MgTi 2 O 4 were confirmed.
  • the average crystal diameter was determined by using a transmission electron microscope to determine the crystal diameter of crystal particles in the range of 180 ⁇ 180 nm 2 and calculating the average value.
  • the produced crystallized glass base material was cut and ground so as to have a shape of 150 mm in length, 70 mm in width, and more than 1.0 mm in thickness, and was further polished face-to-face.
  • the crystallized glass base material was colorless and transparent.
  • the crystallized glass base material polished face-to-face parallel to the thickness shown in Table 1 was chemically strengthened to obtain a crystallized glass substrate having a compressive stress layer on the surface. Specifically, it was immersed in a molten salt of KNO 3 at a salt bath temperature and an immersion time shown in Table 1.
  • Comparative Example 1 a general chemically strengthened glass substrate having the following composition was used. It is considered that the substrate was immersed in a mixed bath of KNO 3 and NaNO 3 and then immersed in a single bath of KNO 3 . (Weight% in oxide) The SiO 2 component 54%, 13% of Al 2 O 3 component, 5% Na 2 O component, 17% of K 2 O component, the MgO component 5.5%, 0.5% CaO component, B 2 3% O 3 %, 2 % ZrO 2%
  • the compressive stress value (CS) (MPa) and the stress depth (DOL zero ) ( ⁇ m) of the outermost surface of the crystallized glass substrate were measured using a glass surface stress meter FSM-6000LE manufactured by Orihara Seisakusho.
  • the refractive index of the sample was calculated at 1.54 and the optical elastic constant was 29.658 [(nm / cm) / MPa].
  • the central stress value (CT) (MPa) was determined by curve analysis.
  • Table 1 shows the substrate thickness (mm), (A) CS ⁇ DOL zero , (B) CT ⁇ (T ⁇ 2 ⁇ DOL zero ) (T is the substrate thickness ( ⁇ m)), (B) / (A), the ratio of DOL zero (the sum of DOL zero from both sides of the substrate) in the thickness (T) ( ⁇ m) of the substrate (2DOL zero / T ⁇ 100), the sum of the outermost surface compressive stress value and the central stress value (CS + CT) (MPa) is also described.
  • the crystallized glass substrate was subjected to a steel ball drop test by the following method.
  • An acrylic frame 1 having a cross section shown in FIG. 6 was used.
  • the frame 1 includes a rectangular outer frame 10 and an inner frame 20 lower than the outer frame.
  • the outer frame and the inner frame form a step, and the inside of the inner frame is empty.
  • the inner size of the outer frame 10 is 151 mm ⁇ 71 mm
  • the inner size of the inner frame 20 is 141 mm ⁇ 61 mm.
  • the crystallized glass substrate 30 was placed inside the outer frame and on the inner frame.
  • a 130 g stainless steel ball was dropped from a height of 10 cm from the crystallized glass substrate. After the drop, if the substrate did not break, the height was increased by 10 cm and the same test was continued until the break. Table 1 shows the broken height. Table 1 shows that the substrates of the examples are hard to break.

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Abstract

表面に圧縮応力層を有する結晶化ガラス基板であって、前記圧縮応力層の最表面の圧縮応力をCS(MPa)、前記圧縮応力層の圧縮応力が0MPaのときの応力深さをDOLzero(μm)、曲線解析で求める中心応力をCT(MPa)、前記基板の厚さをT(μm)としたとき、CSは400~1400MPaであり、CT×(T-2×DOLzero)/CS×DOLzeroは0.60以上である結晶化ガラス基板。

Description

結晶化ガラス基板
 本発明は、表面に圧縮応力層を有する結晶化ガラス基板に関する。
 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。さらに、近年、電子機器の外装となる筐体などへの利用も求められている。そして、これらの機器がより過酷な使用に耐えうるよう、硬く割れ難い材料の要求が強まっている。特に、耐衝撃性の高い材料の要求が高まっている。
 従来から、ガラス基板の強化方法として、化学強化が知られている。例えば、特許文献1には、情報記録媒体用結晶化ガラス基板が開示されている。この結晶化ガラス基板は、化学強化を施す場合、十分な圧縮応力値が得られなかった。
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、硬く割れ難い結晶化ガラス基板を得ることにある。
 本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、表面に所定の圧縮応力層および所定の中心応力を有すると耐衝撃性が高く割れ難い結晶化ガラス基板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)
 表面に圧縮応力層を有する結晶化ガラス基板であって、
 前記圧縮応力層の最表面の圧縮応力をCS(MPa)、前記圧縮応力層の圧縮応力が0MPaのときの応力深さをDOLzero(μm)、曲線解析で求める中心応力をCT(MPa)、前記基板の厚さをT(μm)としたとき、
 CSは400~1400MPaであり、
 CT×(T-2×DOLzero)/CS×DOLzeroは0.60以上である結晶化ガラス基板。
(構成2)
 前記結晶化ガラス基板の両面からの前記応力深さの和2×DOLzeroが、前記結晶化ガラス基板の厚さTの10~80%である構成1記載の結晶化ガラス基板。
(構成3)
 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成分およびZnO成分から選択される1以上を1.0%~18.0%、
CaO成分を0%~3.0%、並びに
TiO成分を0.5%~12.0%、
を含有する構成1又は2記載の結晶化ガラス基板。
(構成4)
 前記結晶化ガラス基板の厚さが、0.1~1.0mmである構成1~3いずれか記載の結晶化ガラス基板。
(構成5)
 ヤング率E(GPa)と比重ρの比であるE/ρが31以上である構成1~4いずれか記載の結晶化ガラス基板。
(構成6)
 前記最表面の圧縮応力CSと前記中心応力CTの和が、600~1400MPaである構成1~5いずれか記載の結晶化ガラス基板。
(構成7)
 前記応力深さDOLzeroが70~110μmであり、
 前記最表面の圧縮応力CSが550~890MPaであり、
 前記中心応力CTが、100~250MPaであり、
 前記最表面の圧縮応力CSと前記中心応力CTの和が、800~1200MPaである構成1~6いずれか記載の結晶化ガラス基板。
(構成8)
 前記応力深さDOLzeroが65~85μmであり、
 前記最表面の圧縮応力CSが700~860MPaであり、
 前記中心応力CTが、120~240MPaであり、
 前記結晶化ガラス基板の厚さが、0.15~0.7mmである構成1~6いずれか記載の結晶化ガラス基板。
 本発明によれば、硬く割れ難い結晶化ガラス基板を得ることができる。
 本発明の結晶化ガラス基板は、電子機器のディスプレイやレンズのカバーガラス、外枠部材または筐体、光学レンズ材料、その他各種部材に使用できる。
1段階単浴化学強化して得られた結晶化ガラス基板の、最表面からの深さに対する、圧縮応力の変化の一例を示す図である。 1段階単浴化学強化して得られた結晶化ガラス基板の厚さ方向の応力の変化の一例を示す図である。 1段階単浴化学強化して得られた結晶化ガラス基板の、最表面からの深さに対する、圧縮応力の変化の他の例を示す図である。 1段階単浴化学強化して得られた結晶化ガラス基板の、最表面からの深さに対する、圧縮応力の変化の他の例を示す図である。 2段階化学強化して得られた結晶化ガラス基板の、最表面からの深さに対する、圧縮応力の変化の一例を示す図である。 実施例の落下試験で用いた枠の概略断面図である。
 以下、本発明の結晶化ガラス基板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。
[結晶化ガラス基板]
 本発明の結晶化ガラス基板は、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、結晶化ガラス母材をイオン交換処理することにより形成することができる。圧縮応力層は基板の最表面から内側に所定の厚みで形成され、圧縮応力は最表面が最も高く、内側に向かって減少しゼロとなる。
 圧縮応力層の最表面の圧縮応力(最表面圧縮応力ともいう)CSは、400~1400MPaであり、例えば、550~1300MPa、600~1200MPa、650~1000MPa、700~890MPa、700~880MPa、または750~860MPaとすることができる。
 圧縮応力層の圧縮応力が0MPaのときの深さDOLzero(応力深さともいう)は、45~200μmであってよく、例えば50~140μm、55~120μm、65~110μm、70~100μm、または75~85μmとすることができる。
 結晶化ガラス基板の両面からの応力深さの和は、圧縮応力層の厚さの10~80%であってよく、12~60%、15~50%、または20~40%であってよい。
 中心応力CTは、55~300MPaであってよく、例えば、60~250MPa、65~240MPa、80~230MPa、100~200MPa、105~180MPa、または120~150MPaとすることができる。尚、本発明では中心応力CTは曲線解析で求める。
 最表面圧縮応力CSと中心応力CTの和は、600~1400MPaであってよく、700~1200MPa、750~1100MPa、または800~1000MPaであってよい。
 本発明の結晶化ガラス基板は、最表面の圧縮応力をCS(MPa)、応力深さをDOLzero(μm)、中心応力をCT(MPa)、基板の厚さをT(μm)としたとき、CT×(T-2×DOLzero)/CS×DOLzeroは0.60以上である。例えば、0.75~1.40、0.90~1.35、0.93~1.30、0.95~1.20、1.00~1.15、1.04~1.12、または1.06~1.10とできる。
 CT×(T-2×DOLzero)/CS×DOLzeroについて以下説明する。
 図1は、カリウム塩の溶融塩で一段階化学強化した結晶化ガラス基板の表面部分(圧縮応力層)における最表面からの深さ(μm)に対する、圧縮応力(MPa)の変化の一例を示す図である。深さゼロは最表面を表す。
 図2は、同じ結晶化ガラス基板の厚さ方向の応力の変化の例を示す図である。具体的には、基板の両側には圧縮応力層が存在し、中心部分には中心応力CTが生じている。中心応力CTは、圧縮応力層の応力に応じて生じる。従って、圧縮応力とDOLzeroで囲まれた2つの面積xの和2x(2x=Xとする)は、中心部分のDOLzeroを除いた厚さ(T-2DOLzero)と中心応力CT(MPa)に囲まれた面積Bと、同じになる。即ち、図2に示す、面積Xと面積Bは同じ値になる。
 圧縮応力層の圧縮応力は、図1の他、図3,4のように変化する場合がある。図3では、圧縮応力が、CSから0まで同じ傾きで直線的に減少している。このときの面積Xを面積Aとすると、面積Aは2つの三角形の面積の和となり、(CS×DOLzero)/2×2=(CS×DOLzero)となる。
 図1の面積Xは面積Aより少し少なく、図4の面積Xは面積Aより少し大きい。
 図5は、カリウム塩とナトリウム塩の混合溶融塩に浸した後、カリウム塩の溶融塩に浸した2段階化学強化した結晶化ガラス基板の、最表面からの深さに対する、圧縮応力の変化の一例を示す図である。図1,3,4では、最表面から内側へほぼ同じ割合(ほぼ同じ傾きS1)で圧縮応力が減る。一方、図5では、最表面から内側へ急に(大きな傾きS2で)圧縮応力が減った後、緩やかに(小さな傾きS3で)圧縮応力が減る。
 図1,3,4に示すように、緩やかに圧縮応力が減った場合は、圧縮応力とDOLzeroで囲まれた面積Xは面積Aに近い又は同じ値となり、図5に示すように、最表面から内側へ急に圧縮応力が減った場合は、圧縮応力とDOLzeroで囲まれた面積Xは面積Aよりもかなり小さくなる。面積Xは直接計算することができないため、図2に示すように、面積Xと面積Bが同じ値になることを利用して、面積XをCT×(T-2×DOLzero)で求めた。
 本発明では、圧縮応力が最表面から内側へ緩やかに減っていくことから、面積X/面積A、すなわちCT×(T-2×DOLzero)/CS×DOLzeroは0.60以上となる。
 図5では、圧縮応力が最表面から内側へ急に減るため、面積X/面積A、すなわちCT×(T-2×DOLzero)/CS×DOLzeroは小さく、0.60未満となる。
 圧縮応力層が、上記の応力深さDOLzero、最表面圧縮応力CSおよび中心応力CTを有すると、基板は破壊し難くなる。応力深さ、最表面圧縮応力および中心応力は、組成、基板の厚さ、および化学強化条件を調整することにより調整できる。
 結晶化ガラス基板の厚さの下限は、好ましくは0.15mm以上、より好ましくは0.30mm以上、より好ましくは0.40mm以上、さらに好ましくは0.50mm以上であり、結晶化ガラス基板の厚さの上限は、好ましくは1.00mm以下、より好ましくは0.90mm以下、より好ましくは0.70mm以下であり、さらに好ましくは0.6mm以下である。
 結晶化ガラス基板のヤング率E(GPa)と比重ρの比であるE/ρは、好ましくは31以上であり、より好ましくは32以上であり、さらに好ましくは33以上である。
 結晶化ガラスは、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、MgAlSi18、MgTiO、MgSiO、NaAlSiO、FeAlおよびこれらの固溶体から選ばれる1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。
 結晶化ガラスを構成する各成分の組成範囲を以下に述べる。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成分およびZnO成分から選択される1以上を1.0%~18.0%、
CaO成分を0%~3.0%、
TiO成分を0.5%~12.0%、
を含有する。
 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%~16.0%含まれる。9.0%以上または10.5%以上としてもよい。
 KO成分は、より好ましくは0.1%~7.0%、さらに好ましくは1.0%~5.0%含まれる。
 MgO成分およびZnO成分から選択される1以上は、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。MgO成分およびZnO成分から選択される1以上は、MgO成分単独、ZnO成分単独またはその両方でよいが、好ましくはMgO成分のみである。
 CaO成分は、より好ましくは0.01%~3.0%、さらに好ましくは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。
 結晶化ガラスは、Sb成分、SnO成分およびCeO成分から選択される1以上を0.01%~3.0%(好ましくは0.1%~2.0%、さらに好ましくは0.1%~1.0%)含むことができる。
 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、MgO成分およびZnO成分から選択される1以上、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98.5%以上とできる。
 SiO成分、Al成分、NaO成分、KO成分、MgO成分およびZnO成分から選択される1以上、CaO成分、TiO成分、並びにSb成分、SnO成分およびCeO成分から選択される1以上を合わせて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、ZrO成分を含んでもよいし、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。
 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、SnO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、0~2.0%、0以上2.0%未満または0~1.0%とできる。
 本発明の結晶化ガラスは、清澄剤として、Sb成分、SnO成分、CeO成分の他、As成分、およびF、Cl、NOx、SOxの群から選択された一種または二種以上を含んでもよいし、含まなくてもよい。ただし、清澄剤の含有量は、好ましくは5.0%以下、より好ましくは2.0%以下、最も好ましくは1.0%以下を上限とする。
 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モル%~9.0モル%、
MgO成分およびZnO成分から選択される1以上を2.0モル%~22.0モル%、
CaO成分を0モル%~3.0モル%、
TiO成分を0.5モル%~11.0モル%、
を含有する。
 SiO成分、Al成分、NaO成分、MgO成分およびZnO成分から選択される1以上、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。
 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。例えば、本発明の結晶化ガラス(及び基板)は無色透明であってよいが、結晶化ガラスの特性を損なわない範囲にてガラスを着色することができる。
 さらに、Pb、Th、Tl、Os、Be及びSeの各成分は、近年有害な化学物質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。
 本発明の結晶化ガラス基板は、実施例で測定する落下試験において、破壊する高さは好ましくは60cm以上、70cm以上、80cm以上、90cm以上、100cm以上、または110cm以上である。
[製造方法]
 本発明の結晶化ガラス基板は、以下の方法で作製できる。すなわち、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分がより好ましい。
 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分がより好ましい。
 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、薄板状結晶化ガラス母材を作製できる。
 この後、化学強化法によるイオン交換により、結晶化ガラス母材に圧縮応力層を形成する。
 本発明の結晶化ガラス基板は、結晶化ガラス母材を、カリウム塩とナトリウム塩の混合溶融塩(混合浴)ではなく、カリウム塩(1種または2種以上のカリウム塩、例えば硝酸カリウム(KNO)、炭酸カリウム(KCO)、硫酸カリウム(KSO))の溶融塩(単独浴)で所定の温度と所定の時間で化学強化することにより得ることができる。例えば、450~580℃(500~550℃、または520~530℃)に加熱した溶融塩に、例えば380分~630分、400分~600分、450~550分または480~520分接触または浸漬させる。このような化学強化により、表面付近に存在する成分と、溶融塩に含まれる成分とのイオン交換反応が進行し、この結果、表面部に上記特性を有する圧縮応力層が形成される。特に500~550℃で480~520分強化すると割れ難い基板が得られやすい。
実施例1~11、比較例1
 実施例1~11では、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、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54%、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(650~730℃、5時間)を施して母材となる結晶化ガラスを作製した。得られた結晶化ガラスについて、200kV電界放射型透過電子顕微鏡FE-TEM(日本電子製JEM2100F)による解析を行った結果、平均結晶径6~9nmの析出結晶を観察した。さらに電子回折像による格子像確認、EDXによる解析を行い、MgAl,MgTiの結晶相が確認された。平均結晶径は、透過電子顕微鏡を用いて、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て求めた。
 作製した結晶化ガラス母材に対し、縦150mm、横70mm、厚さ1.0mm超の形状となるように切断および研削を行い、さらに対面平行研磨した。結晶化ガラス母材は無色透明であった。
 表1に示す厚さに対面平行研磨した結晶化ガラス母材に、化学強化を行って、表面に圧縮応力層を有する結晶化ガラス基板を得た。具体的には、KNOの溶融塩中に、表1に示す塩浴温度と浸漬時間で浸漬した。
 比較例1では、以下の組成の一般的な化学強化ガラス基板を用いた。この基板はKNOとNaNOの混浴に浸漬した後、KNOの単浴に浸漬したと考えられる。
(酸化物換算の重量%)
SiO成分を54%、Al成分を13%、NaO成分を5%、KO成分を17%、MgO成分を5.5%、CaO成分を0.5%、B成分を3%、ZrO成分を2%
 結晶化ガラス基板の最表面の圧縮応力値(CS)(MPa)と応力深さ(DOLzero)(μm)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)(MPa)は、曲線解析(Curve analysis)により求めた。表1には、基板の厚さ(mm)、(A)CS×DOLzero、(B)CT×(T-2×DOLzero)(Tは基板の厚さ(μm))、(B)/(A)、基板の厚さ(T)(μm)におけるDOLzero(基板の両面からのDOLzeroの和)の割合(2DOLzero/T×100)、最表面圧縮応力値と中心応力値の和(CS+CT)(MPa)も記載する。
 結晶化ガラス基板について、以下の方法で鋼球落下テストを行った。
 断面を図6に示すアクリル製の枠1を用いた。枠1は、矩形の外枠10と外枠より低い内枠20からなり、外枠と内枠で段を形成し、内枠の内側は空いている。外枠10の内側サイズは151mm×71mm、内枠20の内側サイズは141mm×61mmである。外枠の内側、内枠の上に結晶化ガラス基板30を載せた。結晶化ガラス基板から10cmの高さから、130gのステンレス鋼球を落下させた。落下後、基板が破壊しなければ、高さを10cm高くし、同様の試験を破壊するまで継続した。破壊した高さを表1に示す。表1から、実施例の基板は、破壊し難いことが分る。
 さらに、ヤング率E(GPa)と比重ρを測定し、その比であるE/ρを求めた。ヤング率は、超音波法により測定した。結果を表1に示す。


Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001


 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の内容を全てここに援用する。

Claims (8)

  1.  表面に圧縮応力層を有する結晶化ガラス基板であって、
     前記圧縮応力層の最表面の圧縮応力をCS(MPa)、前記圧縮応力層の圧縮応力が0MPaのときの応力深さをDOLzero(μm)、曲線解析で求める中心応力をCT(MPa)、前記基板の厚さをT(μm)としたとき、
     CSは400~1400MPaであり、
     CT×(T-2×DOLzero)/CS×DOLzeroは0.60以上である結晶化ガラス基板。
  2.  前記結晶化ガラス基板の両面からの前記応力深さの和2×DOLzeroが、前記結晶化ガラス基板の厚さTの10~80%である請求項1記載の結晶化ガラス基板。
  3.  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成分およびZnO成分から選択される1以上を1.0%~18.0%、
    CaO成分を0%~3.0%、並びに
    TiO成分を0.5%~12.0%、
    を含有する請求項1又は2記載の結晶化ガラス基板。
  4.  前記結晶化ガラス基板の厚さが、0.1~1.0mmである請求項1~3いずれか記載の結晶化ガラス基板。
  5.  ヤング率E(GPa)と比重ρの比であるE/ρが31以上である請求項1~4いずれか記載の結晶化ガラス基板。
  6.  前記最表面の圧縮応力CSと前記中心応力CTの和が、600~1400MPaである請求項1~5いずれか記載の結晶化ガラス基板。
  7.  前記応力深さDOLzeroが70~110μmであり、
     前記最表面の圧縮応力CSが550~890MPaであり、
     前記中心応力CTが、100~250MPaであり、
     前記最表面の圧縮応力CSと前記中心応力CTの和が、800~1200MPaである請求項1~6いずれか記載の結晶化ガラス基板。
  8.  前記応力深さDOLzeroが65~85μmであり、
     前記最表面の圧縮応力CSが700~860MPaであり、
     前記中心応力CTが、120~240MPaであり、
     前記結晶化ガラス基板の厚さが、0.15~0.7mmである請求項1~6いずれか記載の結晶化ガラス基板。
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