(57)【要約】【課題】平板ガラスに高くて均一な強度を与えるために平板ガラスを強化する簡単な方法の提供。【解決手段】カリウム塩及び無機酸化物を含む固体層をガラス基板上に形成する段階；固体層を有するガラス基板を４００℃〜ガラスの変形点温度で熱処理して固体層とガラス基板表面との間にアルカリ金属イオンのイオン交換を起こす段階；及び熱処理されたガラス基板を冷却及び洗浄する段階を含む、平板ガラスの強化方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カリウム塩及び無機酸化物を含む固体層をガラス基板上に形成する段階；前記固体層を有するガラス基板を４００℃〜ガラスの変形点温度で熱処理して前記固体層とガラス基板表面との間にアルカリ金属イオンのイオン交換を引き起こす段階；及び熱処理されたガラス基板を冷却及び洗浄する段階を含む、平板ガラスの強化方法。
【請求項２】
前記固体層が３０〜９０モル％のカリウム塩及び１０〜７０モル％の無機酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記カリウム塩が硝酸カリウム又は塩化カリウムであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記無機酸化物が酸化アルミニウム、酸化亜鉛及び酸化ジルコニウムからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記固体層が三塩化アルミニウムをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記固体層が３０〜８０モル％のカリウム塩、１０〜６０モル％の無機酸化物及び１０〜４０モル％の三塩化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記カリウム塩が硝酸カリウムであり、前記無機酸化物が酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法によって得られた平らなガラスディスプレイ基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレイパネルとして用いるのに好適な高強度平板ガラスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度を有する薄平板ガラスは薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ（ＴＦＴ−ＬＣＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）及びエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子のようなディスプレイの製造に用いられる。このような平板ガラスの強度を向上させるため、米国特許第６６０７９９９号、ヨーロッパ公開特許第１３８８８８１  Ａ２号及び日本特許第２８３７１３４号は、ガラス基板表面におけるアルカリ金属イオンのイオン交換を通じてガラス基板表面を化学的に強化する方法を開示している。
【０００３】
このような化学的強化方法は、ガラスに存在する小さなナトリウムイオン（Ｎａ+）をより大きなアルカリイオン、例えば、カリウムイオン（Ｋ+）で置換してガラス基板表面に圧縮応力を付与するイオン交換技術に基づいている。このようなイオン交換工程の効率性はイオン交換温度によって大きく変わる。高いイオン交換温度ではイオンの流動度が高くなってイオン拡散が加速化される反面、好ましくないガラスの弛緩も起こる。従って、イオン交換は、原料塩の融点より高いが、ガラスの変形点より低い温度で主に行われる。
【０００４】
しかし、前記方法はガラス基板を原料塩含有槽（ｓａｌｔ  ｂａｔｈ）に浸漬する段階を要する。従って、前記方法は大容量のガラス基板の強化、或いはガラス基板の選択された部分の局所的強化に適さない。
【０００５】
従って、米国特許第５１２７９３１号は、一価又は二価のカチオンの塩を含む固体フィルムでガラス基板の表面をコーティングした後、このコーティングされたガラス基板を熱処理して固体フィルムとガラス基板との間のアルカリ金属イオンのイオン交換を引き起こすことを含む乾式イオン交換法を開示する。しかし、この方法は、ガラス基板上にコーティングされた固体フィルムが塩の融点よりさらに高い熱処理温度で行われるので塩が流動する傾向があるため、ガラス基板表面で不安定かつ不均質なイオン交換をもたらすという問題点を有している。
【０００６】
ディスプレイ用ガラス平板は一般的に他の基板と結合するように加工処理されて前面及び後面基板からなる封止された構造物を形成する。ガラス表面の封止領域の表面（例えば、ガラス基板表面の縁）が粗ければ粗いほど封止された部分の結合力が強まる。従って、封止される特定のガラス表面領域を粗くする方法もまた研究されて来た。
【特許文献１】米国特許第６６０７９９９号
【特許文献２】ヨーロッパ公開特許第１３８８８８１  Ａ２号
【特許文献３】日本特許第２８３７１３４号
【特許文献４】米国特許第５１２７９３１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、平板ガラスに高くて均一な強度を与えるために平板ガラスを強化する簡単な方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記のような目的を達成するため、本発明は、カリウム塩及び無機酸化物を含む固体層をガラス基板上に形成する段階；固体層を有するガラス基板を４００℃〜ガラスの変形点温度で熱処理して固体層とガラス基板の表面との間にアルカリ金属イオンのイオン交換を起こす段階；及び熱処理されたガラス基板を冷却及び洗浄する段階を含む、平板ガラスの強化方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の方法によれば、ディスプレイの製造に用いるのに好適な高強度平板ガラスが容易に製造され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の方法は、ガラス基板表面におけるアルカリ金属イオンのイオン交換を行うための固形塩媒質としてカリウム塩と無機酸化物との組み合わせを用いることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、カリウム塩と無機酸化物との組み合わせを含む固体層を、ガラス基板上に塩と無機酸化物の粉末混合物を用いて静電気力によって形成するか、或いはこれらの混合物の分散液又は懸濁液を基板上に噴霧した後、分散液層を乾燥させるか、スクリーン印刷法によって形成し得る。この固体層の厚さは好ましくは０．５〜５ｍｍの範囲であってもよい。
【００１２】
本発明に用いるのに好適な無機酸化物は、カリウム塩と反応せず、熱的及び化学的に安定なものである。本発明に用いられる無機酸化物は、「メルトキーパー（ｍｅｌｔ−ｋｅｅｐｅｒ）」の役割をするが、即ち、溶融した塩を含む固体層をイオン交換温度で濡れた固体の形態に維持させて、塩をガラス基板と安定的に接触させることによって、ガラス基板上で均一かつ効率的なイオン交換が起こるようにする作用をする。本発明に用いられるカリウム塩の代表的な例としては、硝酸カリウム及び塩化カリウムが挙げられ、無機酸化物の代表的な例としては酸化アルミニウム、酸化亜鉛、及び酸化ジルコニウムが挙げられる。
【００１３】
本発明の固体層は、３０〜９０モル％、好ましくは４０〜６０モル％のカリウム塩及び１０〜７０モル％、好ましくは４０〜６０モル％の無機酸化物を含み得る。
【００１４】
次いで、固体層を有するガラス基板を、４００℃〜ガラスの変形点温度に加熱した後、固体層とガラス基板表面との間で好適なアルカリ金属イオン交換が起こるのに十分な時間の間、その温度で維持される。このようなイオン交換の間、ガラスの比較的多量のナトリウムイオン（Ｎａ+）は固体層のカリウムイオン（Ｋ+）で置換され、ガラス基板表面に相当な圧縮応力を生成することによってガラス基板の強度を向上させる。本願に用いられる「変形点」という用語は、ガラスに形成された応力が４時間以内に２５０ｐｓｉ以下に減少する温度であって、ガラスの粘度が１０14.5ｐｏｉｓｅになる温度を指す（ＡＳＴＭ  Ｃ３３６−７１）。
【００１５】
熱処理温度が４００℃未満である場合は、アルカリ金属イオンの拡散が微弱になり、熱処理温度がガラスの変形点より高い場合は、好ましくないガラスの応力弛緩が起こる。
【００１６】
このように熱処理されたガラス基板を室温に冷却した後、水で洗浄して残存する固体層を除去する。
【００１７】
さらに、本発明によれば、封止される特定ガラス基板の領域を粗くするために、その領域に適用される固体層組成に三塩化アルミニウムをさらに加え得る。この場合、固体層は３０〜８０モル％のカリウム塩、１０〜６０モル％の無機酸化物及び１０〜４０モル％の三塩化アルミニウムを含むことができ、塩としては硝酸カリウムが、無機酸化物としては酸化アルミニウムが好ましい。カリウム塩、無機酸化物及び三塩化アルミニウムの混合使用はガラス基板表面の強度及び粗さを同時に向上させる。
【００１８】
カリウム塩及び無機酸化物の組み合わせを用いる本発明の乾式イオン交換法によって強化された平板ガラスは、高くて均一な強度を示す。前記したように、本発明は薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ（ＴＦＴ−ＬＣＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）及びエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子のようなディスプレイの製造用の高強度平板ガラスを製造する簡単かつ効率的な方法を提供する。なお、本発明によれば、ガラス基板の特定部位の選択的な局所強化及び粗さ向上もまた達成され得る。
【００１９】
以下、本発明を実施例によって詳しく説明する。但し、下記実施例は本発明を例示するためのものであり、本発明の内容は下記実施例によって限定されない。
【実施例】
【００２０】
実施例１
表１に示す組成を有する硝酸カリウム（ＫＮＯ3）及び酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の粉末混合物を、主成分として４．８重量％のＮａ2Ｏ、６．２重量％のＫ2Ｏ、１．６６重量％のＭｇＯ、５．２５重量％のＣａＯ、７．２重量％のＳｒＯ、８．０重量％のＢａＯ、２．７重量％のＺｒＯ2、６．７重量％のＡｌ2Ｏ3及び５７．３重量％のＳｉＯ2を含むシリケートガラス基板の表面上に位置させて厚さ１〜２ｍｍの固体層を形成した。
【００２１】
固体層を有するガラス基板を炉（ｆｕｒｎａｃｅ）に入れ、１時間にわたって４８０℃まで加熱した後、その温度で１時間維持した。熱処理されたガラス基板を２時間にわたって２０℃に冷却し、蒸留水で洗浄して残存する粉末層を除去した。
【００２２】
このように製造されたガラス基板（（１−１）〜（１−６））のそれぞれの平均微細硬度（ＭＰａ）を荷重１００ｇを用いてビッカース硬度計（Vicker's hardness gage）で５ヶ所測定し、処理されていない本来のガラス基板（ｃｏｎｔｒｏｌ）の測定値と比べた。その結果を表１に示す。硝酸カリウムのモル分率（モル％）の関数としてガラス基板の微細硬度の変化をグラフとして図１に示す。
【表１】
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【００２３】
表１から分かるように、本発明の方法によってＫＮＯ3とＡｌ2Ｏ3との混合物で処理されたガラス基板（（１−２）〜（１−６））は、未処理の本来のガラス基板に比べて均一かつ高い強度を示す。ＫＮＯ3のみで処理されたガラス基板（１−１）は均一性の面で不良であった。
【００２４】
実施例２
表２に示す組成を有する硝酸カリウム（ＫＮＯ3）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）及び三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3）の粉末混合物を、実施例１と同様なガラス基板の表面上に位置させて１〜２ｍｍ厚さの固体層を形成した。
【００２５】
固体層を有するガラス基板を炉に入れ、１時間にわたって４６０℃まで加熱した後、その温度で１時間維持させた。熱処理されたガラス基板を２時間にわたって２０℃に冷却し、蒸留水で洗浄して残存する粉末層を除去した。
【００２６】
このように製造されたガラス基板（（２−１）〜（２−４））のそれぞれの平均微細硬度（ＭＰａ）を荷重１００ｇを用いてビッカース硬度計で５ヶ所測定し、その結果を表２に示す。５０モル％の硝酸カリウム、４０モル％の酸化アルミニウム及び１０モル％の三塩化アルミニウムの混合物で処理されたガラス基板（２−４）の表面のＳＥＭ写真を図２に示す。
【表２】
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【００２７】
表２から分かるように、本発明の方法によってＫＮＯ3、Ａｌ2Ｏ3及びＡｌＣｌ3の混合物で処理されたガラス基板（（２−１）〜（２−４））は、処理されていない本来のガラス基板に比べて均一かつ高い強度を示す。また、図２の写真は、ガラス基板（２−４）の表面が相当粗いことを示し、これはガラス基板の強度及び粗さが両方とも向上したことを意味する。
【００２８】
実施例３
３５モル％の硝酸カリウムと６５モル％の酸化アルミニウムとの混合物を用いて熱処理（イオン交換）温度を表３に示すように変えたことを除いては、実施例１と同一な方法を用いて多様なガラス基板を製造した。
【００２９】
このように製造されたガラス基板（（３−１）〜（３−５））のそれぞれの平均微細硬度（ＭＰａ）を荷重１００ｇを用いてビッカース硬度計で５ヶ所で測定し、その結果を表３に示す。
【表３】
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【００３０】
表３から分かるように、４００℃より低い温度で熱処理されたガラス基板（（３−１）及び（３−２））は、不満足な低い強度を示す反面、本発明の方法によって４００〜５００℃で熱処理されたガラス基板（（３−３）〜（３−５））は、均一かつ高い強度を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例１で観察された、硝酸カリウムと酸化アルミニウムとの混合物中の、硝酸カリウムのモル分率（モル％）の関数であって、この混合物でイオン交換処理されたガラス基板の微細硬度（ＭＰａ）の変化を示す。
【図２】実施例２で製造された、５０モル％の硝酸カリウム、４０モル％の酸化アルミニウム及び１０モル％の三塩化アルミニウムの混合物でイオン交換処理されたガラス基板の表面ＳＥＭ写真である。
【図１】
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【図２】
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