(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に圧縮応力層を有する強化ガラス基板であって、
ガラス組成として、質量％でＳｉＯ２  ４５〜８０％、Ａｌ２Ｏ３  １２〜２１％、ＺｎＯ  ０．０１〜２．６％、Ｂ２Ｏ３  ０〜５％、Ｌｉ２Ｏ  ０〜１．９％、ＳｒＯ  ０〜３％、ＢａＯ  ０〜０．２％、希土類酸化物  ０〜０．５％を含有し、且つ質量分率で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３の値が０．７〜２、Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）の値が０〜０．３であることを特徴とする強化ガラス基板。
【請求項２】
Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）の値が０．０１以上であることを特徴とする請求項１に記載の強化ガラス基板。
【請求項３】
表面の圧縮応力が１００ＭＰａ以上、且つ圧縮応力層の厚みが１μｍ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基板。
【請求項４】
未研磨の表面を有す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基板。
【請求項５】
実質的にＡｓ２Ｏ３を含有しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の強化ガラス基板。
【請求項６】
液相粘度が１０４．０ｄＰａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の強化ガラス基板。
【請求項７】
密度が２．８ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の強化ガラス基板。
【請求項８】
ヤング率が７０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の強化ガラス基板。
【請求項９】
３０〜３８０℃における熱膨張係数が７０〜９５×１０−７／℃であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の強化ガラス基板。
【請求項１０】
クラック発生率が７０％以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の強化ガラス基板。
【請求項１１】
タッチパネルディスプレイに用いることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の強化ガラス基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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）、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
これらの用途に用いられるガラス基板には、高い機械的強度が求められる。これらの用途には、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）。
【特許文献１】特開２００６−８３０４５号公報
【非特許文献１】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１によると、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。
【０００５】
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。特に、ガラスの耐失透性が悪いと、オーバーフローダウンドロー法等の成形方法を採用することができず、ガラス基板の表面精度を高めることができない。それ故、フロート法等の成形方法を採用しなければならず、ガラス基板の成形後、別途研磨工程を付加しなければならない。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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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、従来よりも機械的強度が高いガラス基板を得ることを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、種々の検討を行った結果、ガラス組成にＺｎＯを含有させることで高いイオン交換性能が発現することを見出した。また、ＺｎＯを含有するガラス組成系において、Ａｌ２Ｏ３の適正含有量を定めた上で、Ａｌ２Ｏ３とアルカリ金属酸化物の質量比（質量分率）を最適化し、且つＬｉ２Ｏとアルカリ金属酸化物の比を最適化することで、ガラスのイオン交換性能を損なうことなく、ガラスの耐失透性を改善できることを見出し、本発明を提案するに至った。すなわち、本発明の強化ガラス基板は、表面に圧縮応力層を有する強化ガラス基板であって、ガラス組成として、質量％でＳｉＯ２  ４５〜８０％、Ａｌ２Ｏ３  １２〜２１％、ＺｎＯ  ０．０１〜２．６％、Ｂ２Ｏ３  ０〜５％、Ｌｉ２Ｏ  ０〜１．９％、ＳｒＯ  ０〜３％、ＢａＯ  ０〜０．２％、希土類酸化物  ０〜０．５％を含有し、且つ質量分率で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３の値が０．７〜２、Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）の値が０〜０．３であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の強化ガラス基板は、Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）の値が０．０１以上であることが好ましい。
【００１２】
本発明の強化ガラス基板は、表面の圧縮応力が１００ＭＰａ以上、且つ圧縮応力層の厚みが１μｍ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−６０）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等から算出される値を指す。なお、算出の際、屈折率は１．５２、光弾性定数は２８［（ｎｍ／ｃｍ）／ＭＰａ］として計算を行った（以下、同様）。
【００１３】
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。
【００１４】
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で成形されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の強化ガラス基板は、液相温度が１１００℃以下であることが好ましい。ここで、「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時間保持した後、結晶が析出する温度を指す。
【００１６】
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」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、液相温度が低い程、ガラスの耐失透性に優れるとともに、ガラス基板の成形性に優れている。
【００１７】
本発明の強化ガラス基板は、密度が２．８ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。ここで、「密度」は、周知のアルキメデス法で測定した値を指す。
【００１８】
本発明の強化ガラス基板は、ヤング率が７０ＧＰａ以上であることが好ましい。ここで、「ヤング率」は、共振法により測定した値を指す。
【００１９】
本発明の強化ガラス基板は、３０〜３８０℃における熱膨張係数が７０〜９５×１０−７／℃であることが好ましい。ここで、「熱膨張係数」は、ディラトメーターを用いて、３０〜３８０℃における平均熱膨張係数を測定した値を指す。
【００２０】
本発明の強化ガラス基板は、クラック発生率が７０％以下であることが好ましい。ここで、「クラック発生率」は、次のようにして測定した値を指す。まず湿度３０％、温度２５℃に保持された恒温恒湿槽内において、荷重５００ｇに設定したビッカース圧子をガラス表面（光学研磨面）に１５秒間打ち込み、その１５秒後に圧痕の４隅から発生するクラックの数をカウント（１つの圧痕につき最大４とする）する。このようにして圧子を２０回打ち込み、総クラック発生数を求めた後、（総クラック発生数／８０）×１００の式により求める。
【００２１】
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。
【００２２】
本発明のガラスは、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２  ４５〜８０％、Ａｌ２Ｏ３  １２〜２１％、ＺｎＯ  ０．０１〜２．６％、Ｂ２Ｏ３  ０〜５％、Ｌｉ２Ｏ  ０〜１．９％、ＳｒＯ  ０〜３％、ＢａＯ  ０〜０．２％、希土類酸化物  ０〜０．５％を含有し、且つ質量分率で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３の値が０．７〜２、Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）の値が０〜０．３であることに特徴付けられる。
【００２３】
本発明のガラスは、Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）の値が０．０１以上であることが好ましい。
【００２４】
本発明のガラスは、４３０℃のＫＮＯ３溶融塩中で４時間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３μｍ以上になることが好ましい。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−６０）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等から算出される値を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の強化ガラス基板は、その表面に圧縮応力層を有する。ガラス基板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基板は、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、ガラス基板の板厚が薄くても、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、化学強化法で圧縮応力層を形成すれば、風冷強化法等の物理強化法の場合と異なり、ガラス基板に圧縮応力層を形成した後に、ガラス基板を切断しても、ガラス基板が破壊し難い。
【００２８】
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Ｋ2Ｏをガラス基板中のＬｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ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。
【００２９】
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。なお、以下の％表示は、特に断りがある場合を除き、質量％を指す。
【００３０】
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４５〜８０％、好ましくは５０〜７５％、より好ましくは５５〜７０％である。ＳｉＯ2の含有量が８０％より多くなると、ガラスの溶融、成形が難しくなったり、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る。一方、ＳｉＯ2の含有量が４５％より少ないと、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やすくなる。
【００３１】
Ａｌ２Ｏ３は、ガラスの耐熱性、イオン交換性能およびヤング率を高くする効果がある成分であり、その含有量は１２〜２１％である。Ａｌ２Ｏ３の含有量が２１％より多くなると、ガラスに失透結晶が析出しやすくなったり、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る。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１２％より少ないと、十分なイオン交換性能を発揮できないおそれが生じる。上記観点から、Ａｌ２Ｏ３の好適な範囲は、上限が１８％以下、１７％以下、特に１６．５％以下である。
【００３２】
ＺｎＯは、本発明に係るガラス系に適量添加すれば、イオン交換性能を顕著に向上させる効果があり、必須成分である。また、ＺｎＯは、ガラスの高温粘度を低下させたり、ヤング率を向上させる効果がある成分である。ＺｎＯの含有量は０．０１〜２．６％、好ましくは０．５〜２．６％、更に好ましくは１〜２．６％である。ＺｎＯの含有量が多くなると、ガラスの熱膨張係数が大きくなり過ぎることに加えて、ガラスの耐失透性が悪化したり、クラック発生率が高くなる傾向にある。一方、ＺｎＯの含有量が０．０１％より少なくなると、ガラスのイオン交換性能を向上させることが困難になる。
【００３３】
Ｂ２Ｏ３は、ガラスの液相温度、高温粘度および密度を低下させる効果がある成分であるとともに、ガラスのヤング率やイオン交換性能を高める効果がある成分であり、その含有量は０〜５％である。一方、Ｂ２Ｏ３の含有量が多いと、イオン交換によって表面にヤケが発生したり、ガラスの耐水性が悪化したり、液相粘度が低下するおそれがある。
【００３４】
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を有するとともに、クラック発生率を低減させる効果がある成分である。Ｌｉ２Ｏの含有量は０〜１．９％、好ましくは０．０１〜１．９％、より好ましくは０．１〜１．９％、特に好ましくは１〜１．９％である。Ｌｉ２Ｏの含有量が１．９％より多くなると、ガラスが失透しやすくなり、液相粘度が低下することに加えて、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る。
【００３５】
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たり、クラック発生率を低減させたりする効果がある成分である。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０〜１８％、好ましくは０〜１５％、より好ましくは１〜１３％、更に好ましくは３〜１３％、特に好ましくは５〜１１％、最も好ましくは５〜９％である。Ｎａ2Ｏの含有量が１５％より多くなると、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、Ｎａ2Ｏの含有量が多過ぎると、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。
【００３６】
Ｋ2Ｏは、イオン交換を促進する効果があるだけでなく、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、クラック発生率を低減させたりする効果がある成分である。また、Ｋ2Ｏは、耐失透性を改善する成分でもある。Ｋ2Ｏの含有量は、好ましくは０〜１０％、より好ましくは０．５〜９％、更に好ましくは１〜９％、特に好ましくは２〜８％である。Ｋ2Ｏの含有量が１０％より多くなると、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、Ｋ2Ｏの含有量が多過ぎると、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。
【００３７】
アルカリ金属成分Ｒ2Ｏ（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋから選ばれる１種以上）の合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る。また、アルカリ金属成分Ｒ2Ｏの合量が多くなり過ぎると、ガラスの歪点が低下し過ぎる場合がある。それ故、Ｒ2Ｏの合量は、３０％以下、２２％以下、特に２０％以下であることが望ましい。一方、Ｒ2Ｏの合量が少な過ぎると、ガラスのイオン交換性能や溶融性が悪化したり、クラック発生率が高くなる場合がある。それ故、Ｒ2Ｏの合量は、１．５％以上、６％以上、１１％以上、特に１３％以上であることが望ましい。
【００３８】
本発明者の鋭意努力の結果、質量分率Ｒ2Ｏ／Ａｌ2Ｏ3およびＬｉ2Ｏ／Ｒ2Ｏを厳密に規制することより、オーバーフローダウンドロー法を可能にする液相粘度と、高いイオン交換性能を両立できることが明らかになった。
【００３９】
本発明において、質量分率でＲ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の値は０．７〜２、好ましくは０．７〜１．５、より好ましくは０．７〜１．４、更に好ましくは０．８〜１．３である。Ｒ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の値を０．７以上とすれば、ガラスの耐失透性や溶融性を改善することができる。一方、Ｒ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の値が２より大きいと、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したり、歪点が低下し過ぎて、ガラスの耐熱性が低下したり、ガラスの粘性が下がり過ぎて、高い液相粘度を維持するのが困難になる。また、Ｒ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の値が２より大きいと、イオン交換性能が低下する傾向がある。一方、Ｒ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の値が０．７より小さいと、ガラスの耐失透性や溶融性が悪化する。
【００４０】
上記範囲内にＲ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の値を調節した上で、Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）、つまりＬｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏの値を適正化すれば、液相粘度をより一層上昇させつつ、イオン交換性能を向上させることができる。Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏの値は、質量分率で０〜０．３、好ましくは０．０１〜０．３、更に好ましくは０．０５〜０．３である。Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏの値を上記範囲（望ましくはＬｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏの値を０．０１以上）に規制すれば、高いイオン交換性能が発現し、同時にガラスの高ヤング率化、クラック発生率の低減および溶融温度の低減等を図ることができる。しかし、Ｌｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏの値が０．３より大きくなると、液相粘度を高めることが困難になる。
【００４１】
本発明の強化ガラス基板において、ガラス組成として、上記成分に加えてＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ2、Ｐ2Ｏ5、ＺｒＯ2等の成分が添加可能である。なお、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ2、Ｐ2Ｏ5、ＺｒＯ2等の成分は任意成分である。
【００４２】
アルカリ土類金属成分Ｒ’Ｏ（Ｒ’はＣａ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる１種以上）は、種々の目的で添加可能な成分である。しかし、アルカリ土類金属成分Ｒ’Ｏ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、クラック発生率が高くなったり、イオン交換性能が悪化する傾向がある。それ故、アルカリ土類金属成分Ｒ’Ｏは、好ましくは０〜１０％、より好ましくは０〜８％、更に好ましくは０〜５％、特に好ましくは０〜３％である。
【００４３】
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る。また、ＭｇＯは、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比較的高いため、その含有量を０〜１０％とすることができる。しかし、ＭｇＯの含有量が多くなると、ガラスの密度、熱膨張係数およびクラック発生率が高くなったり、ガラスが失透しやすくなったりする傾向がある。したがって、その含有量は、８％以下、５％以下、特に３％以下であることが望ましい。
【００４４】
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、その含有量を０〜１０％とすることができる。しかし、ＣａＯの含有量が多くなると、ガラスの密度、熱膨張係数およびクラック発生率が高くなったり、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、８％以下、５％以下、３％以下、１％以下、０．８％以下、特に０．５％以下が望ましく、理想的には実質的に含有しないことが望ましい。ここで、「ＣａＯを実質的に含有しない」とは、ガラス組成中のＣａＯの含有量が０．２％以下の場合を指す。
【００４５】
ＳｒＯ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。ＳｒＯの含有量を０〜３％である。しかし、ＳｒＯの含有量が多くなると、ガラスの密度、熱膨張係数およびクラック発生率が高くなったり、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３％以下であり、１％以下、０．８％以下、特に０．５％以下が望ましく、理想的には実質的に含有しないことが望ましい。ここで、「ＳｒＯを実質的に含有しない」とは、ガラス組成中のＳｒＯの含有量が０．２％以下の場合を指す。
【００４６】
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り、その含有量を０〜０．２％とする。しかし、ＢａＯの含有量が多くなると、ガラスの密度、熱膨張係数およびクラック発生率が高くなったり、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。
【００４７】
ＺｒＯ2は、ガラスの歪点やヤング率を向上させ、イオン交換性能を向上させる成分であり、その含有量を０〜５％とすることができる。しかし、ＺｒＯ2の含有量が多くなると、ガラスの耐失透性が悪化する。特に、オーバーフローダウンドロー成形する場合には、成形体との界面にＺｒＯ2に起因する結晶が析出し、長期に亘る操業中にガラス基板の生産性を低下させるおそれが生じる。ＺｒＯ2の好適な範囲は、０〜５％（望ましくは０〜３％、０〜１．５％、０〜１％、０〜０．８％、０〜０．５％、特に０〜０．１％）である。
【００４８】
ＴｉＯ2は、ガラスのイオン交換性能を高める成分であり、その含有量を０〜８％とすることができる。しかし、ＴｉＯ2の含有量が多くなると、ガラスが着色したり、耐失透性が悪化したりするため、その含有量は５％以下、４％以下であることが好ましい。
【００４９】
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、その含有量を０〜８％とすることができる。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５％以下、４％以下、特に３％以下であることが好ましい。
【００５０】
Ｒ’Ｏの合量をＲ2Ｏの合量で除した値が大きくなると、クラック発生率が高くなるとともに、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、０．４以下、０．３以下、０．１以下に規制することが望ましい。
【００５１】
さらに、ガラスの特性を大きく損なわない範囲で他の成分を添加することができる。例えば清澄剤としてＳＯ3、Ｓｂ2Ｏ3およびＳｎＯ2の群から選択された一種または二種以上を０〜３％（望ましくは０．０１〜１％）含有させてもよい。また、Ａｓ2Ｏ3等は、環境面への配慮から、実質的に含有しないことが好ましい。ここで、「Ａｓ2Ｏ3を実質的に含有しない」とは、ガラス組成中のＡｓ2Ｏ3の含有量が０．１％以下の場合を指す。
【００５２】
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０．５％以下であり、理想的には実質的に含有しないことが望ましい。ここで、「希土類酸化物を実質的に含有しない」とは、ガラス組成中の希土類酸化物の含有量が０．１％以下の場合を指す。
【００５３】
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やＢｉ2Ｏ3等は、環境面への配慮から、実質的に含有しないことが好ましい。ここで、「ＰｂＯを実質的に含有しない」とは、ガラス組成中のＰｂＯの含有量が０．１％以下の場合を指す。「Ｂｉ2Ｏ3を実質的に含有しない」とは、ガラス組成中のＢｉ2Ｏ3の含有量が０．１％以下の場合を指す。
【００５４】
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、より好ましいガラス組成範囲として、
（１）質量％でＳｉＯ２  ４５〜８０％、Ａｌ２Ｏ３  １２〜１６．５％、ＺｎＯ  ０．０１〜２．６％、Ｌｉ２Ｏ  ０〜１．９％、Ｂ２Ｏ３  ０〜５％、ＳｒＯ  ０〜３％、ＢａＯ  ０〜０．２％、希土類酸化物  ０〜０．５％を含有し、且つ質量分率でＬｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏの値が０〜０．３、Ｒ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の値が０．７〜２、
（２）質量％でＳｉＯ２  ５５〜７０％、Ａｌ２Ｏ３  １２〜１８％、ＺｎＯ  ０．０１〜２．６％、Ｌｉ２Ｏ  ０．０１〜１．９％、Ｎａ２Ｏ  ０〜１５％、Ｋ２Ｏ  ０〜１０％、Ｂ２Ｏ３  ０〜５％、ＭｇＯ  ０〜１０％、ＣａＯ  ０〜１０％、ＳｒＯ  ０〜３％、ＢａＯ  ０〜０．２％、希土類酸化物  ０〜０．５％を含有し、且つ質量分率でＬｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏの値が０．０１〜０．３、Ｒ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の値が０．７〜１．５、
（３）質量％でＳｉＯ２  ５５〜７０％、Ａｌ２Ｏ３  １２〜１７％、ＺｎＯ  １〜２．６％、Ｌｉ２Ｏ  １〜１．９％、Ｎａ２Ｏ  ５〜１１％、Ｋ２Ｏ  ２〜８％、Ｂ２Ｏ３  ０〜５％、ＭｇＯ  ０〜５％、ＣａＯ  ０〜５％、ＳｒＯ  ０〜３％、ＢａＯ  ０〜０．２％、希土類酸化物  ０〜０．５％を含有し、且つ質量分率でＬｉ２Ｏ／Ｒ２Ｏの値が０．０５〜０．２５、Ｒ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３の値が０．８〜１．３等のガラスが挙げられる。
【００５５】
ガラス組成を上記範囲内に規制すれば、ガラスの耐失透性を大幅に改善できるとともに、オーバーフローダウンドロー法による成形に必要な粘度特性を的確に確保でき、且つイオン交換性能を顕著に向上させることができる。
【００５６】
本発明の強化ガラス基板は、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、１００ＭＰａ以上が好ましく、３００ＭＰａ以上がより好ましく、４００ＭＰａ以上が更に好ましく、５００ＭＰａ以上が更に好ましく、６００ＭＰａ以上が特に好ましく、７００ＭＰａ以上が最も好ましい。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おそれがあるため、圧縮応力層の圧縮応力の大きさは、２０００ＭＰａ以下とするのが好ましい。
【００５７】
圧縮応力層の厚みは、１μｍ以上が好ましく、３μｍ以上がより好ましく、５μｍ以上が更に好ましく、１０μｍ以上が特に好ましく、１５μｍ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。一方、ガラス基板表面に極端に大きな圧縮応力層が形成されると、ガラス基板を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。
【００５８】
本発明の強化ガラス基板は、板厚が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。
【００５９】
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。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。
【００６０】
本発明に係るガラス基板は、所望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。
【００６１】
本発明に係るガラス基板は、オーバーフローダウンドロー法で成形されてなることが好ましい。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樋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樋状構造物の両側から溢れさせて、溢れた溶融ガラスを樋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。樋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、耐失透性に優れるとともに、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１１００℃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。
【００６２】
本発明の強化ガラス基板の成形方法として、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、フロート法、スロットダウン法、リドロー法、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。特に、プレス法でガラスを成形すれば、小型で未研磨のガラス基板を効率良く製造することができる。
【００６３】
本発明の強化ガラス基板の製造方法として、強化処理を施した後、ガラス基板を所望の基板サイズに切断することが好ましい。このようにすれば、安価に強化ガラス基板を得ることができる。
【００６４】
本発明の強化ガラス基板は、下記の特性を満足することが好ましい。
【００６５】
本発明の強化ガラス基板において、ガラスの液相温度は、１１００℃以下が好ましく、１０５０℃以下がより好ましく、１０００℃以下が更に好ましく、９５０℃以下が特に好ましい。強化ガラス基板の液相温度が低い程、オーバーフローダウンドロー法等による成形中にガラスが失透しにくくなる。
【００６６】
本発明の強化ガラス基板において、ガラスの液相粘度は、１０4.0ｄＰａ・ｓ以上が好ましく、１０4.3ｄＰａ・ｓ以上がより好ましく、１０4.5ｄＰａ・ｓ以上が更に好ましく、１０5.0ｄＰａ・ｓ以上が特に好ましく、１０5.5ｄＰａ・ｓ以上が最も好ましい。ガラスの液相粘度が高い程、オーバーフローダウンドロー法等による成形中にガラスが失透しにくくなる。
【００６７】
本発明の強化ガラス基板において、ガラスの密度は、２．８ｇ／ｃｍ3以下が好ましく、２．７ｇ／ｃｍ3以下がより好ましく、２．６ｇ／ｃｍ3以下が更に好ましく、２．５５ｇ／ｃｍ3以下が最も好ましい。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。
【００６８】
本発明の強化ガラス基板において、３０〜３８０℃におけるガラスの熱膨張係数は、７０〜９５×１０-7／℃であることが好ましく、７５〜９５×１０-7／℃であることがより好ましく、７５〜９０×１０-7／℃であることが更に好ましく、７７〜８８×１０-7／℃であることが特に好ましく、８０〜８８×１０-7／℃であることが最も好ましい。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。
【００６９】
本発明の強化ガラス基板において、ガラスの高温粘度１０2.5ｄＰａ・ｓにおける温度は、１６００℃以下が好ましく、１５５０℃以下がより好ましく、１５３０℃以下が更に好ましい。ガラスの高温粘度１０2.5ｄＰａ・ｓにおける温度が低い程、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における温度が低い程、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における温度は、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における温度が低い程、低温でガラスを溶融することができる。
【００７０】
本発明の強化ガラス基板において、ガラスのヤング率は、７０ＧＰａ以上が好ましく、７１ＧＰａ以上がより好ましく、７３ＧＰａ以上が更に好ましい。ガラスのヤング率が高い程、ガラス基板がたわみにくくなり、その結果、タッチパネルディスプレイ等のデバイスにおいて、ペン等でディスプレイを押した際に、デバイス内部の液晶素子等を圧迫しにくくなり、ディスプレイの表示不良が発生しにくくなる。
【００７１】
本発明の強化ガラス基板において、ガラスの比ヤング率は、２７ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ3）以上が好ましく、２８ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ3）以上がより好ましく、２９ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ3）以上が更に好ましく、３０ＧＰａ／（ｇ／ｃｍ3）以上が特に好ましい。ガラスの比ヤング率が高い程、自重によるガラス基板のたわみが低減される。その結果、製造工程においてガラス基板をカセット等に収納する際、ガラス基板同士のクリアランスを狭くして収納することが可能になるため、ガラス基板、携帯電話等の生産性が向上する。
【００７２】
本発明の強化ガラス基板において、ガラスのクラック発生率は、７０％以下であることが好ましく、５０％以下であることがより好ましく、４０％以下であることが更に好ましく、３０％以下であることが特に好ましく、２０％以下であることが最も好ましい。ガラスのクラック発生率が小さい程、ガラス基板にクラックが発生しにくくなる。
【００７３】
本発明のガラスは、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２  ４５〜８０％、Ａｌ２Ｏ３  １２〜２１％、ＺｎＯ  ０．０１〜２．６％、Ｂ２Ｏ３  ０〜５％、Ｌｉ２Ｏ  ０〜１．９％、ＳｒＯ  ０〜３％、ＢａＯ  ０〜０．２％、希土類酸化物  ０〜０．５％を含有し、且つ質量分率で、（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３の値が０．７〜２、Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）の値が０〜０．３である。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、効果を併有することができる。
【００７４】
本発明のガラスは、４３０℃のＫＮＯ3溶融塩中で４時間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３μｍ以上になることが好ましい。本発明のガラスは、ガラス組成を上記範囲に規制しているため、イオン交換性能が良好であり、容易に表面の圧縮応力を３００ＭＰａ以上、且つ圧縮応力層の厚みを３μｍ以上とすることができる。
【００７６】
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、高強度化の要請が高く、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、本用途に好適に使用可能である。
【実施例】
【００７７】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。表１〜５は、試料Ｎｏ．１〜２４を示している。
【００７８】
【表１】
0005875133.tif 000002
【００７９】
【表２】
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【００８０】
【表３】
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【００８１】
【表４】
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【００８２】
【表５】
0005875133.tif 000006
【００８３】
各試料は次のようにして作製した。まず、表１〜５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１６００℃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。
【００８４】
密度は、周知のアルキメデス法によって測定した。
【００８５】
歪点Ｐｓ、徐冷点Ｔａは、ＡＳＴＭ  Ｃ３３６の方法に基づいて測定した。
【００８６】
軟化点Ｔｓは  ＡＳＴＭ  Ｃ３３８の方法に基づいて測定を行った。
【００８７】
ガラスの粘度１０4.0ｄＰａ・ｓ、１０3.0ｄＰａ・ｓ、１０2.5ｄＰａ・ｓにおける温度は、白金球引き上げ法で測定した。
【００８８】
熱膨張係数は、ディラトメーターを用いて、３０〜３８０℃における平均熱膨張係数を測定したものである。
【００８９】
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。
【００９０】
クラック発生率は、次のようにして測定した。まず湿度３０％、温度２５℃に保持された恒温恒湿槽内において、荷重５００ｇに設定したビッカース圧子をガラス表面（光学研磨面）に１５秒間打ち込み、その１５秒後に圧痕の４隅から発生するクラックの数をカウント（１つの圧痕につき最大４とする）する。このようにして圧子を２０回打ち込み、総クラック発生数を求めた後、（総クラック発生数／８０）×１００の式により求めた。
【００９１】
ヤング率は共振法により測定した。
【００９２】
その結果、Ｎｏ．１〜２０のガラス基板は、密度が２．５５ｇ／ｃｍ3以下、熱膨張係数が７６〜９１×１０-7／℃、クラック発生率が３０％以下、ヤング率が７０ＧＰａ以上であり、強化ガラス素材として好適であった。また、Ｎｏ．１〜２０のガラス基板は、液相粘度が１０5.0ｄＰａ・ｓ以上と高く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１６００℃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。したがって、密度、粘度、ヤング率等の特性値は、未強化ガラス基板と強化ガラス基板で実質的に相違していない。なお、クラック発生率は、ガラス表層の組成の影響を受けるため、未強化ガラス基板と強化ガラス基板で特性値が異なる場合があるが、強化ガラス基板ではクラック発生率がより低くなる傾向があるため、強度を低下させる因子とはならない。
【００９３】
一方、Ｎｏ．２１のガラス基板は、液相温度が１２８０℃と高く、液相粘度が低いため、オーバーフローダウンドロー法による成形が困難である。また、Ｎｏ．２３のガラス基板は、クラック発生率が高い。そのため、ガラスにクラックが発生しやすく、イオン強化を施したとしても高い強度を得ることが困難である。さらに、Ｎｏ．２４のガラス基板は、液相温度が１３５０℃以上と高く、液相粘度が低いことから、オーバーフローダウンドロー法による成形が困難である。また、高温粘性も１６４７℃と高いため、ガラスの溶融が困難である。
【００９４】
続いて各ガラス基板の両表面に光学研磨を施した後、イオン交換処理を行った。イオン交換は、４３０℃のＫＮＯ3溶融塩中に各試料を４時間浸漬することで行った。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−６０）を用いて観察される干渉縞の本数とその間隔等から表面の圧縮応力値と圧縮応力層の厚みを算出した。
【００９５】
その結果、本発明の実施例であるＮｏ．１〜２０の各ガラス基板は、その表面に５１９ＭＰａ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。
【００９６】
一方、Ｎｏ．２２およびＮｏ．２４のガラス基板は、イオン交換処理後も圧縮応力層が認められなかった。以上のように、比較例Ｎｏ．２１〜２４のガラス基板は、耐失透性とイオン交換性能を高い次元で両立しておらず、且つクラック発生率が低い。
【００９７】
なお、上記実施例は、本発明の説明の便宜上、ガラスの溶融し、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。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
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。