(57)【要約】  イオン交換可能なガラス物品が開示されている。１つの実施の形態において、ガラス物品は、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5およびその様々な組合せを含んでよいアルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成される。このガラス物品は、概して、約Ｘモル％のＧａ2Ｏ3および約Ｚモル％のＡｌ2Ｏ3を含み、ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５である。このガラス物品は、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏも含んでよい。ＳｉＯ2は、約４０モル％から約７０モル％の量で存在してもよい。このガラス物品は、Ｙモル％のＢ2Ｏ3をさらに含んでよく、ここで、Ｙは０から約１０である。このガラス物品は、（１０−Ｙ）モル％のＰ2Ｏ5をさらに含んでもよい。本発明により形成されるガラス物品は、イオン交換により強化されてもよい。その上、このガラス物品は、該ガラス物品を複雑な形状に容易に形成できるようにする低い液体ＣＴＥを有してよい。
2014516021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品において、該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、
約Ｘモル％のＧａ2Ｏ3、ここで、０≦Ｘ≦２０である、
約Ｚモル％のＡｌ2Ｏ3、ここで、０≦Ｚ≦２５であり、１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５となる、
約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏ、
約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2、
Ｙモル％のＢ2Ｏ3、ここで、Ｙは０から約１０である、および
（１０−Ｙ）モル％のＰ2Ｏ5、
を含む、ガラス物品。
【請求項２】
１７≦（Ｘ＋Ｚ）≦２４である、請求項１記載のガラス物品。
【請求項３】
Ｙ／（１０−Ｙ）＜１．６、またはＹ＜６．２である、請求項１記載のガラス物品。
【請求項４】
前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスの軟化点が約８７０℃未満である、請求項１から３いずれか１項記載のガラス物品。
【請求項５】
前記ガラス物品が約６２５ＭＰａ超の圧縮応力および約３０μｍ超の層の深さを有するように、該ガラス物品がイオン交換により強化されている、請求項１から４いずれか１項記載のガラス物品。
【請求項６】
前記層の深さが約４５μｍ超である、請求項５記載のガラス物品。
【請求項７】
前記圧縮応力が約７００ＭＰａ超である、請求項５または６記載のガラス物品。
【請求項８】
前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、該アルカリアルミノケイ酸塩ガラスのガラス転移温度より高い温度で３０ｐｐｍ／℃未満の液体ＣＴＥを有する、請求項１から７いずれか１項記載のガラス物品。
【請求項９】
Ｘ＝０およびＡｌ2Ｏ3の濃度（モル％）に対するＮａ2Ｏの濃度（モル％）の比が１．５以上である、請求項１から８いずれか１項記載のガラス物品。
【請求項１０】
Ｙ／（１０−Ｙ）が約０．２から約３．０であり、前記ガラス物品が約５００ＭＰａ超の圧縮応力および約１０μｍ超の層の深さを有するように、該ガラス物品がイオン交換により強化されている、請求項９記載のガラス物品。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、その内容が依拠され、ここに全て引用される、２０１１年５月３１日に出願された米国特許出願第１３／１１８８５９号の米国法典第３５編第１２０条の下で優先権の恩恵を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本明細書は、概して、ガラス物品に関し、より詳しくは、イオン交換可能なガラス物品に関する。
【背景技術】
【０００３】
電子用途、自動車用途、さらには建築用途などの多種多様な消費財用途や商業用途に、ガラス物品が一般に利用されている。例えば、携帯電話、コンピュータ・モニタ、ＧＰＳ装置、テレビなどの家電装置には一般に、ディスプレイの部品としてガラス基板が組み込まれている。これらの装置のいくつかで、ガラス基板は、ディスプレイがタッチスクリーンである場合などで、タッチ機能を可能にするためにも利用されている。これらの装置の多くは持ち運びでき、それゆえ、その内に組み込まれるガラス物品は、使用中と持ち運び中の両方で、かき傷などの、衝撃および／または破損に耐えるほど十分に頑丈である必要がある。
【０００４】
電子装置の外観デザインおよび機能性の両方が発達し続けるのに連れて、益々複雑な形状のガラス物品がそのような装置に組み込まれている。そのような複雑な形状には、ガラス物品が非平面である場合などの湾曲と輪郭が含まれるであろう。しかしながら、そのようなガラス物品を製造するために使用される現行のガラス組成物は、多くの場合、高い軟化温度および高い液体の熱膨張係数を有し、これにより、ガラス組成物を複雑な形状に成形することが難しくなっている。
【０００５】
さらに、そのようなガラス基板は、電子装置に組み込むための薄いガラス基板を製造するために、今日一般に使用されているダウンドロー法やスロットドロー法などの大規模板ガラス製造方法に適合する必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの実施の形態によれば、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品は、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5およびその様々な組合せを含む。このガラス物品は、約Ｘモル％のＧａ2Ｏ3を含んでよく、ここで、０≦Ｘ≦２０である。このガラス物品は、約Ｚモル％のＡｌ2Ｏ3を含み、ここで、０≦Ｚ≦２５である。ＸおよびＺの合計は、１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５となるようなものであってよい。このガラス物品は、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏおよび約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2をさらに含んでもよい。このガラス物品は、Ｙモル％のＢ2Ｏ3および（１０−Ｙ）モル％のＰ2Ｏ5をさらに含んでもよく、Ｙは０から約１０である。
【０００７】
別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品は、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、およびその様々な組合せを含み、Ｐ2Ｏ5は含まない。このガラス物品は、約Ｘモル％のＧａ2Ｏ3を含んでよく、ここで、０≦Ｘ≦２０である。このガラス物品は、約Ｚモル％のＡｌ2Ｏ3を含み、ここで、０≦Ｚ≦２５である。ＸおよびＺの合計は、１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５となるようなものであってよい。このガラス物品は、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏおよび約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2をさらに含んでもよい。このガラス物品は、約１モル％から約１０モル％のＢ2Ｏ3をさらに含んでもよい。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、８７５℃以下の軟化点を有してもよい。
【０００８】
別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品は、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｐ2Ｏ5、およびその様々な組合せを含み、Ｂ2Ｏ3は含まない。このガラス物品は、約Ｘモル％のＧａ2Ｏ3を含んでよく、ここで、０≦Ｘ≦２０である。このガラス物品は、約Ｚモル％のＡｌ2Ｏ3を含み、ここで、０≦Ｚ≦２５である。ＸおよびＺの合計は、１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５となるようなものであってよい。このガラス物品は、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏおよび約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2をさらに含んでもよい。このガラス物品は、約１モル％から約１０モル％のＰ2Ｏ5をさらに含んでもよい。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、９７５℃以下の軟化点を有してもよい。
【０００９】
さらに別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品は、約１０モル％から約２０モル％のＡｌ2Ｏ3、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2、および約１０モル％から約２０モル％のＮａ2Ｏを含む。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、Ｙモル％のＢ2Ｏ3および（５−Ｙ）モル％のＰ2Ｏ5をさらに含んでもよく、Ｙは０から約５である。このガラスは、約１モル％から約６モル％のフッ素も含んでよい。
【００１０】
前記ガラス物品およびガラス組成物の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には容易に明白になるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付図面を含む、ここに記載された実施の形態を実施することによって認識されるであろう。
【００１１】
先の一般的な説明および以下の詳細な説明は両方とも、様々な実施の形態を記載しており、請求項に記載された主題の性質および特徴を理解するための概要または骨子を提供することが意図されている。添付図面は、様々な実施の形態をさらに理解するために含まれており、本明細書に包含され、その一部を構成する。それらの図面は、ここに記載された様々な実施の形態を図解しており、説明と共に、請求項に記載された主題の原理および動作を説明する働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ここに示され記載された１つ以上の実施の形態によるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されたガラス物品の説明図
【図２】Ｇａ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、およびＡｌ2Ｏ3を添加した結果としてのアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中に存在する網目構造元素のいくつかを示す説明図
【図３】Ｐ2Ｏ5を添加した結果としてのアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中に存在する網目構造元素のいくつかを示す説明図
【図４】Ｇａ2Ｏ3の濃度の関数としてのアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の軟化点を示すグラフ
【図５】５モル％のＧａ2Ｏ3および０モル％のＧａ2Ｏ3を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物に関する、Ｂ2Ｏ3の濃度の関数としての軟化点を示すグラフ
【図６】５モル％のＧａ2Ｏ3および０モル％のＧａ2Ｏ3を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物に関する、Ｂ2Ｏ3の濃度の関数としての層の深さおよび圧縮応力を示すグラフ
【図７】アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物に関する、フッ素の濃度の関数としての軟化点を示すグラフ
【図８】異なる濃度のＢ2Ｏ3を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関する、Ａｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比の関数としての圧縮応力を示すグラフ
【図９】異なる濃度のＢ2Ｏ3を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関する、Ａｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比の関数としての層の深さを示すグラフ
【図１０】異なる濃度のＢ2Ｏ3を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関する、Ａｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比の関数としてのアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの圧縮応力を示すグラフ
【図１１】異なる濃度のＢ2Ｏ3を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関する、Ａｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比の関数としてのアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの圧縮応力を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ここで、ガラス物品の形成に使用できるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの実施の形態を詳しく参照する。アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されたガラス物品の１つの実施の形態が、図１に概略的に示されている。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、概して、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、またはその様々な組合せを含む。ここに記載されたいくつかの実施の形態において、このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、イオン交換可能であり、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスを複雑な形状に容易に成形できるような比較的低い液体の熱膨張係数（液体ＣＴＥ）を有する。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスおよびそのアルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されたガラス物品を、ここにより詳しく説明する。
【００１４】
アルカリアルミノケイ酸塩ガラスを説明するために、以下の用語が使用される：
ここに用いた「軟化点」という用語は、ガラスの粘度が１×１０7.6ポアズである温度を称する。
【００１５】
ここに用いた「徐冷点」という用語は、ガラスの粘度が１×１０13ポアズである温度を称する。
【００１６】
ここに用いた「融点」という用語は、ガラスの粘度が２００ポアズである温度を称する。
【００１７】
ここに用いた「歪み点」という用語は、ガラスの粘度が３×１０14ポアズである温度を称する。
【００１８】
軟化点、徐冷点、融点および歪み点に関する上述した値は、約２．５ｇ／ｃｍ3の密度および３００ダイン／ｃｍ（０．３Ｎ／ｍ）の表面張力を有するガラスに関する。
【００１９】
ここに別記しない限り、値の範囲は、その範囲の上限と下限の両方を含む。例えば、１〜モル％の範囲は、１モル％および１０モル％の値を含む。
【００２０】
図１を参照すると、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物から形成されたガラス物品１００が示されている。このガラス物品１００は、デジタル・ミュージック・プレーヤー、スマートフォンなどの携帯用電子装置のためのカバーガラスとして使用してよい。あるいは、このガラス物品１００は、ＬＣＤテレビ、ＬＣＤコンピュータ・モニタ、および類似のディスプレイ装置などのディスプレイ装置に使用してよい。そのようなガラス物品は、自動車用途およびさらには建築用途に利用してもよい。このガラス物品１００を形成するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、イオン交換により強化されてもよく、このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されるガラス物品を複雑な形状に成形できるほど、十分に低い軟化点および十分に低い熱膨張係数を有する。
【００２１】
ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、特に、約１０μｍ以上の層の深さおよび少なくとも５００ＭＰａの圧縮応力を達成するようにイオン交換により強化してもよい。
【００２２】
ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、概して、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、およびＰ2Ｏ5の組合せを含み、これにより、ガラスを複雑な形状に容易に成形できるほど、十分に低い軟化点および十分に低い熱膨張係数を有するイオン交換可能なガラスの形成が可能になる。他の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、およびＰ2Ｏ5の組合せ、またはＧａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、およびＢ2Ｏ3の組合せを含む。さらに他の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、およびフッ素の組合せを含む。
【００２３】
ここに記載したアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の実施の形態において、Ｎａ+と相互作用し、結果として得られたガラスの性質を変える、荷電種をガラスの網目構造中に形成するために、Ｇａ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3、およびフッ素の添加が利用される。図２および３は、Ｇａ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、およびＡｌ2Ｏ3を添加した結果としてのこれらのガラス組成物中に存在する網目構造元素のいくつかを示している。
【００２４】
詳しくは、図２を参照すると、構造（Ａ）はＧａＯ4-四面体を示し、構造（Ｂ）はＡｌＯ4-四面体を示し、構造（Ｃ）は三角形ＢＯ3を示し、構造（Ｄ）は四面体ＢＯ3-を示し、構造（Ｅ）は非対称三角形ＢＯ3-を示す。構造（Ａ）、（Ｂ）および（Ｄ）の全ては、四面体に非局在化された負の電荷を有する。構造（Ｃ）は、中性であり、Ｎａ+の電荷を平衡化させる役割に寄与しない。構造（Ｅ）は、特定のケイ酸塩におけるケイ素上の非架橋酸素に似た、非結合酸素をホウ素上に１つ有する。
【００２５】
Ｎａ+とこれらの種との間の相互作用は、電荷の局在性（すなわち、四面体要素上の負の電荷の広がり、または非架橋酸素での高度に局在化した電荷）、並びに中央の陽イオンの電気陰性度によってある程度制御される、２つの荷電種の間のイオン相互作用の程度に基づいて、異なる。例えば、構造（Ａ）、（Ｂ）および（Ｄ）における金属中心は、全て異なり、それゆえ、これらの一価に帯電した四面体とＮａ+との間の相互作用は、わずかに異なる。ガラス組成物をこれらの種により変えて、Ｎａ+との相互作用のために好ましい環境を形成することによって、ガラス組成物のイオン交換性能を改善することができる。
【００２６】
図３を参照すると、同様の様式で、Ｐ2Ｏ5の導入によって、Ｎａ+の追加の電荷を平衡化させる役割が作り出される。詳しくは、リン酸基のいくつかは、高く荷電されており、ガラスの網目構造中の適切な電荷の平衡化のために２以上のＮａ+イオンを必要とする。Ｐ2Ｏ5を含有する、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物において、リンの添加により、図３のＰ(0)基およびＰ(1)基などの高荷電リン含有基が形成される。これらの基の高度の解重合により、ガラスの網目構造中に三価または二価に帯電した四面体が提供され、その両方とも、Ｎａ+との相互作用のための高電荷密度の部位として働く。これらの高荷電種（ＡｌＯ4-、ＢＯ4-、またはさらにはＳｉ上の非架橋酸素に対して）は、Ｎａ+と異なって相互作用し、イオン交換ダイナミクスが改善される。
【００２７】
さらに、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物のいくつかの実施の形態においてフッ素を添加すると、末端フッ素基によって、ガラスの網目構造中にＡｌ−Ｆ環境が形成される。これらの環境により、網目構造の解重合の機構が形成され、アルカリ（すなわち、Ｎａ+）および他の改質陽イオンとの相互作用のための部位がより多く提供される。フッ素の添加によっても、Ｎａ+（または交換された陽イオン）との電荷の平衡化を必要とするＡｌ−Ｆ環境も形成されるであろうし、これにより、イオン交換プロセスの速度論が変わる。
【００２８】
ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の実施の形態において、ＳｉＯ2は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の最も多い成分であり、それゆえ、ガラスマトリクスを形成する。ＳｉＯ2は、一般に、ガラスの成形性を促進させ、かつガラスに化学的耐久性を与える増粘剤として働く。ＳｉＯ2は、一般に、ここに記載されたガラス組成物中に、約４０モル％から約７０モル％に及ぶ濃度で存在する。ＳｉＯ2の濃度が約７０モル％を超えると、そのガラスの溶融温度が非常に高くなってしまう。いくつかの実施の形態において、ＳｉＯ2は、約５０モル％から約６５モル％、またはさらには約５０モル％から約５５モル％に及ぶ濃度で存在するであろう。
【００２９】
ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物はＡｌ2Ｏ3をさらに含んでよい。Ａｌ2Ｏ3はＺモル％の濃度を有してよく、ここで、Ｚは約０から約２５である。いくつかの実施の形態において、Ａｌ2Ｏ3は、約５モル％から約１５モル％までの濃度でガラス中に存在してよい（すなわち、Ｚは約５から１５である）。さらに他の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中のＡｌ2Ｏ3の濃度は、約１０モル％から約２０モル％であってよい（すなわち、Ｚは約１０から約２０である）。
【００３０】
ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物のいくつかは、Ｇａ2Ｏ3をさらに含んでよい。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中のＡｌ2Ｏ3の全てまたは一部をＧａ2Ｏ3と置換すると、ガラスの軟化点が、Ｇａ2Ｏ3の１モル％当たり約５．５℃から約１２℃減少し、それによって、ガラスの粘度を減少させることによりガラスの成形性が改善されることが判明した。ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の実施の形態において、ガラスの軟化点は、一般に、８６５℃以下であり、かつ約４５０℃超である。Ｇａ2Ｏ3は、このアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中にＸモル％の濃度で存在してよく、ここで、Ｘは、約０から約２０、またはさらには約１から約２０である。いくつかの実施の形態において、Ｘは、約０から約１５、またはさらには約１から約１５であってよい。他のいくつかの実施の形態において、Ｘは、約１から約１２、またはさらには約２から約１０であってよい。
【００３１】
上述したように、Ｇａ2Ｏ3は、Ａｌ2Ｏ3の置換の際に加えてよい。したがって、前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物のいくつかにおいて、Ａｌ2Ｏ3の濃度とＧａ2Ｏ3の濃度は、Ｘ＋Ｚが約１０から約２５であるようなものであってよい。他の実施の形態において、Ａｌ2Ｏ3の濃度とＧａ2Ｏ3の濃度は、ガラスの軟化点の所望の減少を促進し、それによって、ガラスの成形性を改善するために、Ｘ＋Ｚが約１７から約２４であるようなものであってよい。
【００３２】
前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の特定の実施の形態は、Ｇａ2Ｏ3を含むものとしてここに記載されているが、ガラスの軟化点を低下させるために、他の成分材料が利用される場合などの、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の他の実施の形態は、Ｇａ2Ｏ3を添加せずに形成してもよいことを理解すべきである。
【００３３】
例えば、フュージョン・ダウンドローガラス成形プロセスやスロットドローガラス成形プロセスなどの、連続製造プロセスに適したガラス溶融温度を得るために、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物に融剤が加えられる。ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物はＮａ2Ｏを含み、これは融剤として働く。詳しくは、Ｎａ2Ｏを添加して、ガラス組成物の溶融温度を減少させ、ガラス組成物の液相線温度を減少させる。その両方により、ガラス製造がより容易になる。Ｎａ2Ｏを添加することにより、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物のイオン交換も可能になり、それによって、成形後のイオン交換によって、ガラスの強化が促進される。
【００３４】
ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の実施の形態において、Ｎａ2Ｏは、ガラス組成物中に約５モル％から約３５モル％の濃度で存在してよい。いくつかの実施の形態において、Ｎａ2Ｏの濃度は約１５モル％から約２５モル％であってよい。一般に、Ｎａ2Ｏの総濃度は、Ａｌ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3およびＳｉＯ2の濃度の合計以下である（すなわち、Ｎａ2Ｏのモル％≦（Ａｌ2Ｏ3＋Ｇａ2Ｏ3＋ＳｉＯ2）のモル％）。いくつかの実施の形態において、Ｎａ2Ｏのモル％／（Ａｌ2Ｏ3のモル％＋Ｇａ2Ｏ3のモル％）のモル％≒１である。
【００３５】
ここに記載されたいくつかの実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは組成成分としてＢ2Ｏ3も含んでよい。Ｇａ2Ｏ3のように、Ｂ2Ｏ3は、ガラスの軟化点を低下させるためにガラスに加えてよい。いくつかの実施の形態において、Ｂ2Ｏ3は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中にＹモル％の濃度で存在し、ここで、Ｙは約０から約１０である。他のいくつかの実施の形態において、Ｙは約０から約５であってよい。他の実施の形態において、Ｙは、約１から約１０、またはさらには約１から約５であってよい。
【００３６】
ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、Ｐ2Ｏ5も含んでよい。Ｐ2Ｏ5は、ガラスのイオン交換性能を改善するためにガラス組成物中に加えられる。詳しくは、イオン交換プロセスにおける所定の塩浴温度について、ガラス組成物にＰ2Ｏ5を添加すると、対応する層の深さを著しく減少させずに、目的の圧縮応力を得るのに必要な時間が著しく短縮されることが分かった。あるいは、所定の塩浴温度について、ガラス組成物にＰ2Ｏ5を添加すると、同じ処理時間で、Ｐ2Ｏ5を含まないガラス組成物に対して達成される層の深さが著しく増加する。
【００３７】
ここに記載されたいくつかの実施の形態において、Ｐ2Ｏ5は、Ｂ2Ｏ3の一部、またはＢ2Ｏ3の全ての置換の際に、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物に加えてよい。例えば、ガラス組成物中のＢ2Ｏ3の濃度がＹモル％であり、Ｙが約０から約１０である実施の形態において、Ｐ2Ｏ5は、ガラス組成物中に（１０−Ｙ）モル％の濃度で存在してよい。あるいは、ガラス組成物中のＢ2Ｏ3の濃度がＹモル％であり、Ｙが約０から約５である実施の形態において、Ｐ2Ｏ5は、ガラス組成物中に（５−Ｙ）モル％の濃度で存在してよい。したがって、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物において、Ｂ2Ｏ3の全てまたは一部がＰ2Ｏ5と置換されている実施の形態において、Ｐ2Ｏ5の濃度は、約０モル％から約１０モル％、またはさらには約０モル％から約５モル％であってよい。
【００３８】
他のいくつかの実施の形態において、Ｐ2Ｏ5は、Ｂ2Ｏ3が存在しない（すなわち、Ｂ2Ｏ3の濃度は０モル％である）アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中に含まれてもよい。そのような実施の形態において、ガラス中のＰ2Ｏ5の濃度は、約１モル％から約１０モル％、またはさらには約１モル％から約５モル％であってよい。
【００３９】
アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、およびＰ2Ｏ5の組合せから形成されている（すなわち、Ｇａ2Ｏ3が存在しないガラス）実施の形態において、このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスはフッ素も含んでよい。フッ素は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスの軟化点を減少させる軟化剤としてこれらのガラス組成物に加えられる。アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物にフッ素が加えられる実施の形態において、フッ素は約１モル％から約６モル％の量で存在してよい。いくつかの実施の形態において、フッ素の濃度は約２．５モル％から約６モル％であってよい。一般に、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物にフッ素を添加すると、そのガラス組成物の軟化点が、フッ素の１モル％当たり２０℃、減少するであろう。
【００４０】
上述したことに基づいて、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の成分材料は、そのガラス組成物から形成されるガラス物品を複雑な形状に容易に成形できるようにする、より低い軟化点および減少した液体の熱膨張係数を有するガラスを製造するために変えられてよいことを理解すべきである。これらの同じ組成物は、比較的大きい層の深さおよび比較的大きい残留圧縮応力を達成するために、イオン交換により強化してもよい。ここで、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスの特定の例示の組成物を説明する。
【００４１】
ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの実施の形態は、ＳｉＯ2およびＮａ2Ｏを含む。ここに記載された例示のアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物において、ＳｉＯ2はガラス組成物中に約４０モル％から約７０モル％の濃度で存在する。Ｎａ2Ｏは、これらの例示のガラス組成物中に約５モル％から約３５モル％、または約１０モル％から約２０モル％の濃度で存在する。しかしながら、ガラス組成物は、上述したように、他の濃度でＳｉＯ2およびＮａ2Ｏを含んでもよいことを理解すべきである。
【００４２】
第１の例示の組成物において、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、Ｘモル％のＧａ2Ｏ3およびＺモル％のＡｌ2Ｏ3をさらに含み、ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５である。１つの特別な実施の形態において、１７≦（Ｘ＋Ｚ）≦２４である。この例示の組成物は、Ｙモル％のＢ2Ｏ3および（１０−Ｙ）モル％のＰ2Ｏ5をさらに含んでよく、ここで、Ｙは約０から約１０である。
【００４３】
１つの特別な実施の形態において、Ｐ2Ｏ5の濃度に対するＢ2Ｏ3の濃度の比は、Ｙ／（１０−Ｙ）が１．６以下となるようなものである。この比を満たすガラス組成物は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスを複雑な形状に成形することを可能にする十分に低い軟化点を有する。別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中のＢ2Ｏ3の濃度は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、そのアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを複雑な形状に成形できるほど十分に低い軟化点を有するように、約６．２モル％未満である。一般に、この例示の組成物におけるガラスの軟化点は、約９００℃未満、またはさらには約８７０℃未満である。同様に、この例示の組成物におけるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスのガラス転移温度より高い温度で約３０ｐｐｍ／℃以下の液体の熱膨張係数を有する。この比較的低い液体ＣＴＥは、低い軟化点と関連して、この例示の組成物におけるガラスを複雑な形状に成形できるようにする。この例示のガラス組成物により記載されるガラスは、一般に、１０５０℃以下、１０００℃以下、またはさらには９８０℃以下の液相線温度を有する。
【００４４】
さらに、この例示の組成物により記載されるガラスは、イオン交換により強化してもよい。例えば、いくつかの実施の形態において、この例示のガラス組成物から形成されたガラス物品を、約６２５ＭＰａ超の圧縮応力および約３０μｍ超の層の深さを有するように、イオン交換により強化してもよい。他の実施の形態において、圧縮応力は約７００ＭＰａ超であってよい。さらに他の実施の形態において、層の深さは約４５μｍ超であってよい。
【００４５】
この例示のアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の１つの特別な実施の形態において、このガラス組成物はＧａ2Ｏ3を含有しない（すなわち、Ｘ＝０）。この実施の形態において、Ａｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比は、約１．５以上、またはさらには約２．０超であってよい。さらに、この実施の形態において、前記ガラス組成物は、Ｙ／（１０−Ｙ）が、ガラス組成物から形成される物品を、８０μｍ超、またはさらには１００μｍ超の層の深さまでイオン交換により強化できるようにする約０．２から約３．０であるような、十分な量のＢ2Ｏ3およびＰ2Ｏ5を含んでよい。いくつかの実施の形態において、前記ガラス組成物から形成された物品を１１０μｍ以上の層の深さまでイオン交換により強化してもよい。Ｇａ2Ｏ3を含有しないガラス組成物のいくつかの実施の形態において、そのガラス組成物から形成された物品は、約１０μｍ超の層の深さおよび約５００ＭＰａ超の圧縮応力を達成するようにイオン交換により強化してもよい。
【００４６】
第２の例示の組成物において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、上述したように、約４０モル％から約７０モル％の濃度のＳｉＯ2、および少なくとも５モル％から約３５モル％の濃度のＮａ2Ｏを含む。いくつかの実施の形態において、ＳｉＯ2の濃度は約５０モル％から約６５モル％であってよい。他の実施の形態において、Ｎａ2Ｏの濃度は約１５モル％から約２５モル％であってよい。この例示の組成物のアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、上述したように、Ｘモル％のＧａ2Ｏ3およびＺモル％のＡｌ2Ｏ3も含み、ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５である。１つの特別な実施の形態において、Ａｌ2Ｏ3とＧａ2Ｏ3の濃度の合計に対するＮａ2Ｏの濃度の比（すなわち、Ｎａ2Ｏのモル％／（Ａｌ2Ｏ3のモル％＋Ｇａ2Ｏ3のモル％））は、ガラスの軟化点が十分に低くなるように約１である。この例示のガラス組成物は、約１モル％から約１０モル％のＢ2Ｏ3も含む。しかしながら、この例示の組成物のガラスは、Ｐ2Ｏ5を含まずに形成される。
【００４７】
これらの実施の形態において、前記ガラスは、そのガラスが９００℃以下、またはさらには８７５℃以下の軟化点を有するように十分な量のＢ2Ｏ3およびＧａ2Ｏ3を含有する。いくつかの実施の形態において、このガラスの軟化点は８５０℃以下であってよい。
【００４８】
さらに、この例示のガラス組成物から形成されたガラス物品は、そのガラス物品が３０μｍ以上、またはさらには３５μｍ以上の層の深さを有するように、イオン交換により強化してもよい。いくつかの実施の形態において、この層の深さは４０μｍ以上であってよい。さらに、この例示のガラス組成物から形成されたガラス物品は、そのガラス物品が７５０ＭＰａ以上、またはさらには８００ＭＰａ以上の圧縮応力を有するように、イオン交換により強化してもよい。いくつかの実施の形態において、この圧縮応力は８５０ＭＰａ以上である。
【００４９】
この例示のガラス組成物のいくつかの実施の形態において、この例示のアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物から形成されたガラスの液体の熱膨張係数は、３０ｐｐｍ／℃以下、またはさらには２８ｐｐｍ／℃以下である。いくつかの実施の形態において、この液体の熱膨張係数は２６ｐｐｍ／℃以下である。
【００５０】
この例示のガラス組成物のいくつかの実施の形態において、Ｇａ2Ｏ3の濃度は、１≦Ｘ≦１２となるようなものであってよい。この例示のガラス組成物のいくつかの実施の形態において、Ｇａ2Ｏ3の濃度はＸ≧４となるようなものであってよく、Ａｌ2Ｏ3の濃度はＺ≧７となるようなものであってよい。
【００５１】
第３の例示の組成物において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、上述したように、約４０モル％から約７０モル％の濃度のＳｉＯ2、および少なくとも約５モル％から約３５モル％の濃度のＮａ2Ｏを含む。いくつかの実施の形態において、ＳｉＯ2の濃度は約５０モル％から約６５モル％であってよい。他の実施の形態において、Ｎａ2Ｏの濃度は約１５モル％から約２５モル％であってよい。この例示の組成物のガラスは、上述したように、Ｘモル％のＧａ2Ｏ3およびＺモル％のＡｌ2Ｏ3も含み、ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５である。この例示のガラス組成物は、約１モル％から約１０モル％のＰ2Ｏ5、またはさらには約１モル％から約１０モル％のＰ2Ｏ5も含む。しかしながら、この例示の組成物のガラスは、Ｂ2Ｏ3を含まずに形成される。これらの実施の形態において、前記ガラスは、そのガラスが９７５℃以下、またはさらには８５０℃以下の軟化点を有するように十分な量のＧａ2Ｏ3を含有する。いくつかの実施の形態において、このガラスの軟化点は９００℃以下であってよい。
【００５２】
この例示の組成物のいくつかの実施の形態において、Ｐ2Ｏ5は約４モル％以上の量で存在してもよい。この例示のガラス組成物の他の実施の形態において、Ｇａ2Ｏ3の濃度はＸ≧２となるようなものであってよく、Ａｌ2Ｏ3の濃度はＺ≧１０となるようなものであってよい。この例示のガラス組成物の他のいくつかの実施の形態において、Ｇａ2Ｏ3の濃度はＸ≦１０となるようなものであってよく、Ａｌ2Ｏ3の濃度はＺ≦１８となるようなものであってよい。
【００５３】
さらに、この例示のガラス組成物から形成されたガラス物品をイオン交換により強化してもよい。いくつかの実施の形態において、ガラスを４１０℃の温度で４時間に亘りＫＮＯ3浴中でイオン交換した後、そのガラス物品は５５μｍ以上、またはさらには６０μｍ以上の層の深さを有する。いくつかの実施の形態において、層の深さは、上述した条件下での４時間に亘るイオン交換による強化後、６５μｍ以上であってよい。さらに、この例示のガラス組成物から形成されたガラス物品は、そのガラス物品が７５０ＭＰａ以上、またはさらには８００ＭＰａ以上の圧縮応力を有するように、上述した条件下でイオン交換により強化してもよい。いくつかの実施の形態において、この圧縮応力は８５０ＭＰａ以上、またはさらには９００ＭＰａ以上であってよい。
【００５４】
この例示のガラス組成物のいくつかの実施の形態において、この例示のアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物から形成されたガラスの液体の熱膨張係数は、２５ｐｐｍ／℃以下、またはさらには２３ｐｐｍ／℃以下である。いくつかの実施の形態において、この液体の熱膨張係数は２０ｐｐｍ／℃以下である。
【００５５】
第４の例示の組成物において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、約４０モル％から約７０モル％の濃度のＳｉＯ2、および少なくとも約１０モル％から約２０モル％の濃度のＮａ2Ｏを含む。この例示の組成物のガラスは、約１０モル％から約２０モル％の濃度のＡｌ2Ｏ3も含む。この例示の組成物は、約Ｙモル％のＢ2Ｏ3および（５−Ｙ）モル％のＰ2Ｏ5をさらに含んでよく、ここで、Ｙは約０から約５である。この例示の組成物は、軟化剤として機能するフッ素も含む。フッ素は、この組成物中に、約１モル％から約６モル％、またはさらには約２．５モル％から約６モル％の量で存在する。この例示の組成物において、Ｂ2Ｏ3およびフッ素は、このガラス組成物中に、ガラスの軟化点を約９３５℃以下、またはさらには約９００℃以下に低下させるほど十分な量で存在してよい。いくつかの実施の形態において、この組成物から形成されたガラスの軟化点は、８９０℃以下、またはさらには約８５０℃以下である。さらに、この例示の組成物から形成されたガラス物品は、約４０μｍの層の深さおよび約１０００ＭＰａの圧縮応力に、イオン交換により強化してもよい。
【００５６】
再び図１を参照すると、フュージョン・ダウンドロープロセス、スロットドロープロセスまたはガラス原材料のバッチからガラス基板を形成するために使用される任意の他の適切なプロセスを使用して、電子装置のためのカバーガラスなどの、ガラス物品１００を形成するために、ここに記載されたガラス組成物を使用してよい。例えば、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物を、フュージョン・ダウンドロープロセスを使用してガラス基板に成形してもよい。このフュージョン・ダウンドロープロセスでは、溶融ガラス原材料を受け入れるための通路を有する延伸タンクを利用する。この通路は、通路の両側に通路の長手方向に沿って上部で開いた堰を有する。通路が溶融ガラスで満たされたときに、溶融ガラスが堰から溢れて、重力のために、その溶融ガラスが延伸タンクの外面を流下する。これらの外面は、延伸タンクの下の縁で接合するように、下方かつ内向きに延在している。流動する２つのガラス表面はその縁で接合し、融合して、溶融ガラスの１枚の流動する板を形成し、この板は所望の厚さまでさらに延伸される。このフュージョン・ドロー法により、結果として形成されるガラス板のどの表面も溶融装置のどの部分とも接触しないので、非常に均一で平滑な表面を有するガラス板が製造される。
【００５７】
あるいは、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、フュージョン・ダウンドロープロセスとは異なるスロットドロープロセスを使用して形成してもよい。スロットドロープロセスにおいて、溶融ガラスが延伸タンクに供給される。この延伸タンクの底にはスロットが開いており、このスロットは、スロットの長手方向に延在するノズルを有する。溶融ガラスは、スロット／ノズルを通って流れ、連続板として徐冷領域へと下方に延伸される。
【００５８】
いくつかの実施の形態において、ガラス基板が形成された後、そのガラス基板は、例えば、凹面形状、凸面形状または別の所望の形状(geometry)などの複雑な三次元形状にさらに加工し、成形してもよい。上述した複雑な形状を有するガラス物品へのガラス基板の成形は、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の比較的低い軟化点および低い液体の熱膨張係数によって可能になる。
【００５９】
さらに、ガラス基板および／または成形ガラス物品などの、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物から形成されたガラス物品は、イオン交換により強化してもよい。ここに用いたように、「イオン交換により強化される」という用語は、ガラスが、ガラス製造の当該技術分野に公知のイオン交換プロセスによって強化されることを意味する。そのようなイオン交換プロセスは、以下に限られないが、ガラス表面に存在するイオンよりもイオン半径が大きいイオンを含有する加熱溶液でアルカリアルミノケイ酸塩ガラス物品を処理し、それゆえ、より小さいイオンをより大きいイオンと置き換える各工程を含む。例えば、カリウムイオンが、ガラス中のナトリウムイオンを置き換えることができる。あるいは、ルビジウムやセシウムなどの、原子半径がより大きい他のアルカリ金属イオンが、ガラス中のより小さいアルカリ金属イオンを置き換えることができる。同様に、以下に限られないが、硫酸塩、ハロゲン化物などの他のアルカリ金属塩をイオン交換プロセスに使用してもよい。１つの実施の形態において、ガラスは、そのガラスを、イオン交換を行うための所定の期間に亘り、ＫＮＯ3を含む溶融塩浴中に配置することによって、化学強化される。１つの実施の形態において、溶融塩浴の温度は約４３０℃であるが、他の温度を使用してもよい（すなわち、４１０℃、４２０℃など）。溶融塩浴中のガラス物品の滞在時間は、残留圧縮応力および層の深さの所望の大きさに応じて、様々であろう。
【実施例】
【００６０】
上述したアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の組成および性質を、以下の実施例を参照してさらに明白にする。
【００６１】
以下の実施例に記載されたガラスにおいて、Ｓｉは砂として、Ａｌはアルミナとして、Ｂａはソーダ灰および硝酸ナトリウムの両方として、Ｂはホウ酸として、Ｐはメタリン酸アルミニウムとして、Ｇａは酸化ガリウムとして、Ｆはフッ化アルミニウムとして、バッチ配合した。これらのバッチ材料を４時間に亘り１６００℃で溶融し、次いで、注ぎ、５５０℃と６５０℃の間で徐冷した。各組成物中の成分材料のモル％を決定するために、誘導結合プラズマおよび／または原子吸光技法によって、ガラス組成物を分析した。次いで、軟化点、徐冷点、歪み点、液体ＣＴＥおよび密度などの物理的性質を測定した。ガラスは、４００℃と４３０℃の間の温度で８から１６時間に亘りＫＮＯ3塩浴中でイオン交換により強化した。次いで、層の深さおよぴ圧縮応力を決定した。層の深さ（ＤＯＬ）および圧縮応力（ＣＳ）の値は、それぞれ、μｍおよびＭＰａで報告されている。
【００６２】
下記の表１は、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＡｌ2Ｏ3をＧａ2Ｏ3で置き換えたときの軟化点の減少を示すデータを含んでいる。この例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、上述したように、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏ、Ｘモル％のＧａ2Ｏ3およびＺモル％のＡｌ2Ｏ3（ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５）、および約１モル％から約１０モル％のＢ2Ｏ3を含む組成を有した。ガラスの特定の組成特徴が表１に列挙されている。
【００６３】
【表１】
2014516021.tif 000003
【００６４】
表１に列挙された例示の組成に関する軟化点のデータが、図４にＧａ2Ｏ3の濃度の関数としてプロットされている。図４に示されるように、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物中でＡｌ2Ｏ3をＧａ2Ｏ3で置き換えると、一般に、Ｇａ2Ｏ3の１モル％当たり約５．５℃、ガラスの軟化点が減少する。
【００６５】
下記の表２は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＰ2Ｏ5をＢ2Ｏ3で置き換えたときの、軟化点の減少を示すデータを含んでいる。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏ、Ｘモル％のＧａ2Ｏ3およびＺモル％のＡｌ2Ｏ3（ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５）、およびＹモル％のＢ2Ｏ3および（１０−Ｙ）モル％のＰ2Ｏ5（ここで、Ｙは約０から約１０である）を含む組成を有した。
【００６６】
【表２】
2014516021.tif 000004
【００６７】
図５は、５モル％（実線）および０モル％（点線）のＧａ2Ｏ3濃度に関する、Ｐ2Ｏ5をＢ2Ｏ3で置き換えたときの、Ｂ2Ｏ3の濃度の関数としてプロットされた軟化点をグラフで示している。図５に示されるように、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の軟化点は、５モル％および０モル％のＧａ2Ｏ3濃度に関して、Ｐ2Ｏ5をＢ2Ｏ3で置き換えるにつれて、一般に減少する。垂線は、Ｇａ2Ｏ3も含有するガラス組成物のほうが、軟化点が一般により低い組成を線引きしている。この領域（すなわち、この垂線の左側の領域）において、Ｐ2Ｏ5の濃度に対するＢ2Ｏ3の濃度の比（すなわち、Ｙ／（１０−Ｙ））は、一般に、１．６未満である。同様に、この領域におけるＢ2Ｏ3の濃度は６．２モル％未満である。
【００６８】
下記の表３は、上記の表２に列挙された組成を有するガラスに関するイオン交換後の層の深さおよび圧縮応力に関するデータを含んでいる。各ガラス組成のサンプルを、４、６、８および１６時間に亘り４１０℃で１００％のＫＮＯ3浴中でイオン交換により強化した。各サンプルをイオン交換により強化して、４０μｍ以上の層の深さおよび８００ＭＰａ以上の圧縮応力を生じるであろう最短かつ最も低い温度の条件を決定した。従来の（すなわち、本発明ではない）アルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、少なくとも４０μｍの層の深さおよび８００ＭＰａ以上の圧縮応力を達成するために、これらの条件下で８時間に亘りイオン交換で強化される。
【００６９】
【表３】
2014516021.tif 000005
【００７０】
図６は、５モル％および０モル％のガリウム濃度に関するＢ2Ｏ3の濃度の関数として、ガラスサンプル中に生じた層の深さおよび圧縮応力（ｙ軸）をグラフで表している。圧縮応力に関する値は、各組成の応力光学係数（ＳＯＣ）を説明するように補正されている。図６に示されるように、層の深さおよび圧縮応力は、一般に逆の関係を有する。すなわち、層の深さが増加すると、圧縮応力は減少する。圧縮応力は、層の深さを対応して減少させずに、Ｇａ2Ｏ3を含まないガラスに関するよりも、Ｇａ2Ｏ3を含有するガラスのほうが著しく高い。例えば、サンプルＪは、５モル％のＧａ2Ｏ3、および８時間に亘りイオン交換による強化後に、９０１ＭＰａの対応する圧縮応力および４５μｍの層の深さを有した。その一方、サンプルＯは、０モル％のＧａ2Ｏ3、および同じイオン交換条件下での、７４７ＭＰａの対応する圧縮応力および５１μｍの層の深さを有した。一般に、表３に提示されたデータは、ここに記載されたＧａ2Ｏ3を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、従来のアルカリアルミノケイ酸塩ガラスと比べて、４０μｍ超の層の深さおよび／または８００ＭＰａ超の残留圧縮応力を達成するためにより急激にイオン交換されるであろう。
【００７１】
表４は、上記の表２に列挙されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の液相線温度および高温ＣＴＥに関するデータを含んでいる。
【００７２】
【表４】
2014516021.tif 000006
【００７３】
表４に含まれたデータは、Ｇａ2Ｏ3を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、一般に、Ｇａ2Ｏ3を含まない組成施物よりも低い液相線温度を有することを示している。全ての場合、ガラス組成物の液相線温度は、フュージョン・ダウンドロープロセスおよびスロットドロープロセスなどのダウンドロープロセスを使用して、ガラス組成物を成形できるように十分に低かった。
【００７４】
さらに、表４のデータは、ガラス転移温度より高い温度でのガラス組成物の液体ＣＴＥは、一般に３０ｐｐｍ／℃未満であり、Ｇａ2Ｏ3を含有するガラスは、Ｇａ2Ｏ3を含まないガラスよりも低い値を一般に有したことも示している。これらの液体ＣＴＥ値は、このガラス組成物は、より低い液体ＣＴＥが望ましい三次元成形プロセスに使用するのにうまく適しているであろうことを示している。
【００７５】
表５は、フッ素を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の組成および性質に関するデータを含んでいる。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、上述したように、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2、約１０モル％から約２０モル％のＮａ2Ｏ、約１０モル％から約２０モル％のＡｌ2Ｏ3、Ｙモル％のＢ2Ｏ3および（５−Ｙ）モル％のＰ2Ｏ5（ここで、０≦Ｙ≦５）、並びに約１モル％から約６モル％のフッ素を含む組成を有した。
【００７６】
【表５】
2014516021.tif 000007
【００７７】
図７は、表５に列挙されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関するフッ素の濃度の関数としてプロットされた軟化点をグラフで表している。図７に示されるように、ガラスの軟化点は、一般に、フッ素の１モル％当たり約２０℃、減少する。さらに、表５のデータは、フッ素の添加は、ガラスに与えられる圧縮応力の大きさに非常にわずかしか影響を与えず、得られた層の深さをわずかしか減少させないことも示している。
【００７８】
表６は、Ｂ2Ｏ3を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の性質に関するデータを含んでいる。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏ、約１０モル％から約２０モル％のＡｌ2Ｏ3、および約２モル％から約５％のＢ2Ｏ3を含む組成を有した。Ｎａ2ＯおよびＡｌ2Ｏ3の量は、Ａｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比が約０．５から約２．６までであるように変えられた。
【００７９】
【表６】
2014516021.tif 000008
【００８０】
図８を参照すると、異なるイオン交換条件（すなわち、時間と温度）の結果としてガラスに導入される圧縮応力の量が、表６のガラス組成物に関するＡｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比の関数としてグラフで示されている。図８に示されるように、圧縮応力は、その比が約１であるときに最大である。
【００８１】
対照として図９を参照すると、同じイオン交換条件（すなわち、時間と温度）の結果としてガラスの層の深さが、表６のガラス組成物に関するＡｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比の関数としてグラフで示されている。図９に示されるように、層の深さは、その比が、概して、１０μｍ超の層の深さおよび５００ＭＰａ超の圧縮応力（図８）に相当する約１．５以上であるときに増加する。
【００８２】
表７は、Ｂ2Ｏ3を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の性質に関するデータを含んでいる。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏ、約１０モル％から約２５モル％のＡｌ2Ｏ3、および約８モル％から約１０％のＢ2Ｏ3を含む組成を有した。Ｎａ2ＯおよびＡｌ2Ｏ3の量は、Ａｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比が約０．５から約３．５までであるように変えられた。
【００８３】
【表７】
2014516021.tif 000009
【００８４】
図１０を参照すると、異なるイオン交換条件（すなわち、時間と温度）の結果としてガラスに導入される圧縮応力の量が、表７のガラス組成物に関するＡｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比の関数としてグラフで示されている。図１０に示されるように、圧縮応力は、表６に記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物と同様に、その比が約１であるときに最大である。
【００８５】
対照として図１１を参照すると、同じイオン交換条件（すなわち、時間と温度）の結果としてガラスの層の深さが、表７のガラス組成物に関するＡｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比の関数としてグラフで示されている。図１１に示されるように、層の深さは、その比が、概して、５０μｍ超の層の深さおよび８００ＭＰａ超の圧縮応力（図１０）に相当する約１．５であるときに最大である。しかしながら、１．５超の比について、層の深さは次第に減少する。
【００８６】
表８は、Ｂ2Ｏ3およびＰ2Ｏ5を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の性質に関するデータを含んでいる。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏ、約１０モル％のＡｌ2Ｏ3、Ｙモル％のＢ2Ｏ3および（１０−Ｙ）モル％のＰ2Ｏ5（ここで、Ｙは約０から約１０である）を含む組成を有した。Ｐ2Ｏ5の濃度に対するＢ2Ｏ3の濃度の比は、約０．３から約２．２まで変えられた。同様に、Ｎａ2ＯおよびＡｌ2Ｏ3の量は、Ａｌ2Ｏ3の濃度に対するＮａ2Ｏの濃度の比が約０．５から約３．５までであるように変えられた。表８のデータは、Ｐ2Ｏ5の添加により、１６時間に亘る４１０℃でのイオン交換による強化後の層の深さが著しく増加することを示している。
【００８７】
【表８】
2014516021.tif 000010
【００８８】
表９は、Ｂ2Ｏ3を含まずに、Ｐ2Ｏ5を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の性質に関するデータを含んでいる。いくつかの組成物において、Ａｌ2Ｏ3がＧａ2Ｏ3によって置き換えられていた。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏ、Ｘモル％のＧａ2Ｏ3、約Ｚモル％のＡｌ2Ｏ3（ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５）、および約１モル％から約１０モル％のＰ2Ｏ5を含む組成を有した。表９のデータは、概して、Ｐ2Ｏ5の添加により、全てのイオン交換条件について、イオン交換による強化によって得られる層の深さが著しく増加することを示している。
【００８９】
【表９】
2014516021.tif 000011
【００９０】
表１０は、Ｐ2Ｏ5を含まずに、Ｂ2Ｏ3を含有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物の性質に関するデータを含んでいる。いくつかの組成物において、Ａｌ2Ｏ3がＧａ2Ｏ3によって置き換えられていた。この実施例において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、約４０モル％から約７０モル％のＳｉＯ2、約５モル％から約３５モル％のＮａ2Ｏ、Ｘモル％のＧａ2Ｏ3、約Ｚモル％のＡｌ2Ｏ3（ここで、０≦Ｘ≦２０、０≦Ｚ≦２５、および１０≦（Ｘ＋Ｚ）≦２５）、および約１モル％から約１０モル％のＢ2Ｏ3を含む組成を有した。表１０のデータは、概して、Ｂ2Ｏ3の添加により、ガラスの軟化点が８７５℃未満に減少することを示している。
【００９１】
【表１０】
2014516021.tif 000012
【００９２】
上述したことに基づいて、今では、ここに記載された実施の形態は、イオン交換により強化できるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスから形成されたガラス物品に関することを理解すべきである。いくつかの実施の形態において、ここに記載されたガラス物品は、比較的低い軟化温度、比較的低い液相線温度、およびガラス転移温度より高い温度での比較的低いＣＴＥを有し、その全てのために、ガラスを、ダウンドロープロセスにより容易に形成でき、複雑な形状に成形できる。特に、Ｇａ2Ｏ3を含有する、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、概して、Ｇａ2Ｏ3を含有しないそれらのガラス組成物よりも低い、軟化温度、液相線温度およびＣＴＥを有し、それゆえ、これらのガラスは、ガラスを複雑な三次元形状に成形する必要のある用途およびダウンドロープロセスに使用するのに特に適している。さらに、ここに記載されたガラス組成物にＢ2Ｏ3および／またはフッ素を添加することによって、ガラスの軟化点が低下し、それによって、ガラスを複雑な三次元形状に成形する能力が改善される。
【００９３】
ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、層の深さを著しく損なわずに、高い圧縮応力を達成するために、イオン交換により強化することができる。特に、Ｐ2Ｏ5を添加すると、一般に、イオン交換による強化で得られる層の深さが増加する。さらに、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物は、従来のアルカリアルミノケイ酸塩ガラスと比べて、目的の層の深さおよび圧縮応力の値に到達するために、ずっと迅速にイオン交換でき、それによって、加工時間と加工費を減少させることができる。
【００９４】
請求項に記載された主題の精神および範囲から逸脱せずに、ここに記載された実施の形態に様々な改変および変更を行って差し支えないことが、当業者には明白となる。それゆえ、本明細書は、ここに記載された様々な実施の形態の改変および変更を、そのような改変および変更が付随の特許請求の範囲およびその同等物の範囲に入るという条件で、含むことが意図されている。
【符号の説明】
【００９５】
１００    ガラス物品
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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