(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、０〜８％のＡｌ2Ｏ3、１０〜１８％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、０〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、並びに合計量が０．０１〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを含むフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、紫外線照射に曝露された際に、安定状態にある色または色合いから、より薄い色または色合いに脱色可能である、フォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項２】
前記ガラス組成物が熱的に暗色化可能である、請求項１記載のフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項３】
前記ガラス組成物が、１５０℃以上の温度で熱的に暗色化可能である、請求項１または２記載のフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項４】
２〜１２％のＮａ2Ｏを含む、請求項１から３いずれか１項記載のフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項５】
前記ガラス組成物がＬｉ2Ｏを実質的に含まない、請求項１から４いずれか１項記載のフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項６】
前記ガラス組成物がＢｒ-を実質的に含まない、請求項１から５いずれか１項記載のフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項７】
基板層および請求項１から６いずれか１項記載のフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物から構成されたフォトクロミックホウケイ酸ガラス層を少なくとも１つ備えた多層ガラス積層板。
【請求項８】
ガラス組成物を強化する方法において、
（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、２〜８％のＡｌ2Ｏ3、１０〜１８％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、２〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、並びに合計量が０．０１〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを含み、Ｂｒ-を実質的に含まないフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物を、溶融塩浴中に浸漬する工程であって、該フォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物が、イオン交換を行うのに十分な時間に亘り十分な温度で該溶融塩浴中に浸漬される工程を有してなる方法。
【請求項９】
前記浴の温度が約３５０℃と４５０℃の間にあり、前記時間が約６時間と１０時間の間にある、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記溶融塩浴がＫＮＯ3を含む、請求項８または９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、その内容が依拠され、ここに全体として引用される、２０１３年１０月９日に出願された米国仮特許出願第６１／８８８６８０号の米国法典第３５編第１２０条の下での優先権の恩恵を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、逆フォトクロミック挙動および熱暗色化挙動を示すホウケイ酸ガラスに関する。この開示は、そのようなホウケイ酸ガラスから製造された物品、そのようなホウケイ酸ガラスの前駆体ガラス、並びにそのようなホウケイ酸ガラスおよび関連物品を得る方法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
典型的なフォトクロミックガラスは、紫外線（ＵＶ）照射に反応して暗色化し、ＵＶ照射が終わると、無色またはほぼ無色の熱的に安定な状態に戻る。そのようなフォトクロミックガラスには、サングラス、センサなどの工業用途、およびおもちゃなどの目新しい物を含む多くの用途がある。そのような典型的なフォトクロミックガラスは、通常、ホウケイ酸塩から形成されている。
【０００４】
他方で、基底状態で着色または暗色化されており、ＵＶ照射に曝露された際に、薄い色になり、ガラスが基底状態に戻ると、色または暗色化が戻る、「逆」フォトクロミックガラスを必要とするであろう特定の用途がある。そのような用途に、室内の自然照明を可能にするために日中はより透明であるが、夜間は、プライバシーのためまたは人工照明を室内に封じ込めるために暗色化する窓などの、プライバシーガラスがある。他の用途には、逆フォトクロミックガラスが要求されるセンサがある。
【０００５】
しかしながら、「逆」フォトクロミックガラスは、これまで、シリカを含まず、アルカリを含まないホウ酸ランタンから作られてきた。そのようなホウ酸塩ガラスは、極めて吸湿性であり、水分が存在するか存在することのある用途にとって不向きである。さらに、ホウ酸塩ガラスは、一般に、ホウケイ酸ガラスよりも、熱安定性と化学的耐久性が低く、高価な重希土類元素を必要とする。その上、そのようなガラスは、イオン交換過程により強化することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、逆フォトクロミックガラスを得るための新規の組成物および方法が、当該技術分野において必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
意外なことに、本願の発明者等は、逆フォトクロミック特性を示すホウケイ酸ガラスを提供するここに開示の組成物を発見した。また意外なことに、いくつかの実施の形態において、そのようなホウケイ酸ガラスは、イオン交換強化処理後でさえも、その逆フォトクロミック特性を維持することがある。さらに、そのようなホウケイ酸ガラスは、熱により暗色化可能なことがある。ここに用いた「熱により暗色化可能な」とは、暗色化状態の光学濃度が、温度の上昇と共に上昇することを意味する。いくつかの実施の形態において、より高い温度では、ガラスは、比較的強い脱色光にもかかわらず、濃いままであることがある。
【０００８】
逆フォトクロミック挙動および熱的暗色化挙動を示すホウケイ酸ガラスがここに開示されている。いくつかの実施の形態において、そのガラスは、イオン交換過程によって、化学強化されることがある。別の実施の形態において、逆フォトクロミックの熱的に暗色化可能なガラスは、多層ガラス積層板の１つ以上の層として使用してもよい。
【０００９】
１つの実施の形態によれば、（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、０〜８％のＡｌ2Ｏ3、１０〜１８％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、０〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、並びに合計量が０．０１〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有するフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、紫外線照射に曝露された際に、安定状態にある色または色合いから、より薄い色または色合いに脱色可能である、ガラス組成物が開示されている。そのようなフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物は、熱的に暗色化可能であることがある。例えば、その組成物は、１５０℃以上の温度で熱的に暗色化可能であることがある。
【００１０】
ある実施の形態において、上述したフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物は、２〜１２％のＮａ2Ｏを含む。
【００１１】
別の実施の形態において、（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、０〜８％のＡｌ2Ｏ3、１０〜１８％のＢ2Ｏ3、０〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、並びに合計量が０．０１〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有するフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、紫外線照射に曝露された際に、安定状態にある色または色合いから、より薄い色または色合いに脱色可能であり、Ｌｉ2Ｏを実質的に含まない、ホウケイ酸ガラス組成物が開示されている。
【００１２】
別の実施の形態において、（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、０〜８％のＡｌ2Ｏ3、１０〜１８％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、０〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、並びに合計量が０．０１〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有するフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、紫外線照射に曝露された際に、安定状態にある色または色合いから、より薄い色または色合いに脱色可能であり、Ｂｒ-を実質的に含まない、ホウケイ酸ガラス組成物が開示されている。
【００１３】
さらに別の実施の形態において、フォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物は、２〜８％のＡｌ2Ｏ3、４〜１２％のＮａ2Ｏおよび０〜６％のＫ2Ｏを含むことがあり、ここで、Ｎａ2Ｏの質量％はＫ2Ｏの質量％よりも大きい。この実施の形態において、そのガラス組成物は、Ｌｉ2Ｏおよび／またはＢｒ-を実質的に含まないことがある。
【００１４】
またさらなる実施の形態において、フォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物は、６８．６〜７１．６％のＳｉＯ2、３〜６％のＡｌ2Ｏ3、１３．４％のＢ2Ｏ3、４．５〜９％のＮａ2Ｏ、０〜４．５％のＫ2Ｏ、１．２％のＡｇ、１．８％のＣｌ-、および０．０３％のＣｕＯを含み、Ｎａ2Ｏの質量％はＫ2Ｏの質量％よりも大きく、その組成物はＬｉ2ＯおよびＢｒ-を実質的に含まない。
【００１５】
１つ以上の実施の形態によれば、ここに開示されたフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物を所定の時間に亘り所定の温度の溶融塩浴中に浸漬すると、イオン交換が行われる。
【００１６】
さらなる実施の形態によれば、紫外線照射に曝露された際に、色または色合いの淡色化を示し、熱的に暗色化可能である、フォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、２〜８％のＡｌ2Ｏ3、１０〜１８％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、２〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、並びに合計量が０．０１〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有し、Ｂｒ-を実質的に含まないフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物が開示されている。別の実施の形態において、先のガラス組成物は、１．２％のＡｇおよび１．８％のＣｌ-を含む。
【００１７】
別の実施の形態において、紫外線照射に曝露された際に、色または色合いの淡色化を示し、熱的に暗色化可能である、フォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、２〜８％のＡｌ2Ｏ3、１３．４％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、２〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、並びに合計量が０．０１〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有し、Ｂｒ-を実質的に含まないフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物が開示されている。
【００１８】
別の実施の形態において、紫外線照射に曝露された際に、色または色合いの淡色化を示し、熱的に暗色化可能である、フォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、２〜８％のＡｌ2Ｏ3、１０〜１８％のＢ2Ｏ3、２〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、並びに合計量が０．０１〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有し、Ｂｒ-およびＬｉ2Ｏを実質的に含まないフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物が開示されている。
【００１９】
さらに別の実施の形態によれば、紫外線照射に曝露された際に、色または色合いの淡色化を示し、熱的に暗色化可能である、フォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、６％のＡｌ2Ｏ3、１３．４％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、４．５％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１．２％のＡｇ、１．８％のＣｌ-、０．０３％のＣｕＯ、並びに合計量が０．０３〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有し、Ｂｒ-を実質的に含まないフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物が開示されている。
【００２０】
さらなる実施の形態によれば、紫外線照射に曝露された際に、色または色合いの淡色化を示し、熱的に暗色化可能である、フォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、６％のＡｌ2Ｏ3、１３．４％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、９％のＮａ2Ｏ、１．２％のＡｇ、１．８５％のＣｌ-、０．０３％のＣｕＯ、並びに合計量が０．０３〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有し、Ｂｒ-およびＫ2Ｏを実質的に含まないフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物が開示されている。
【００２１】
別の実施の形態によれば、紫外線照射に曝露された際に、色または色合いの淡色化を示し、熱的に暗色化可能である、フォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、３％のＡｌ2Ｏ3、１３．４％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、６％のＮａ2Ｏ、３％のＫ2Ｏ、１．２％のＡｇ、１．８％のＣｌ-、０．０３％のＣｕＯ、並びに合計量が０．０３〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有し、Ｂｒ-を実質的に含まないフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物が開示されている。
【００２２】
ここに開示されたフォトクロミックホウケイ酸ガラスを強化する方法が開示されている。１つの実施の形態において、ガラス組成物を強化する方法は、（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、２〜８％のＡｌ2Ｏ3、１０〜１８％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、２〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、並びに合計量が０．０１〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有し、Ｂｒ-を実質的に含まないフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物を、溶融塩浴中に浸漬する工程であって、そのフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物は、イオン交換を行うのに十分な時間に亘り十分な温度でその溶融塩浴中に浸漬される工程を有してなる。その浴の温度は約３５０℃と４５０℃の間にあり、その所定の時間は約６時間と１０時間の間にあるであろう。１つの実施の形態において、その溶融塩浴はＫＮＯ3を含む。
【００２３】
ガラス基板などの基板に、その基板に層を施すことによって、機能特性をいくつでも与えることが有利であろう。基板に層を加えることによって得られる有利な機能特性が数多くあるが、そのような機能特性の１つはフォトクロミック特性である。
【００２４】
フォトクロミック層（１つまたは複数）の特定のパラメータを適切に検討することにより、満足な逆フォトクロミック特性の、熱的に暗色化可能な層が得られるであろう。例えば、１つ以上の態様は、逆フォトクロミックホウケイ酸ガラス層を、別のガラスなどの基板上に設けることを含むことがある。
【００２５】
例えば、コーニング社(Corning Incorporated)から市販されているＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）Ｇｌａｓｓなどの酸化物ガラスが、消費家電製品に広く使用されている。そのようなガラスは、所望の性能レベルを達成するために、従来のガラスの強度が不十分である用途に使用される。「Ｇｏｒｉｌｌａ」Ｇｌａｓｓは、所望の光学特性（高透過率、低反射率、および適切な屈折率など）を維持しながら、高レベルの強度を達成するために、化学強化（イオン交換）によって製造される。イオン交換（ＩＸ）技法により強化されたガラスは、表面で約４００から１０００ＭＰａほど高い高レベルの圧縮応力を、処理済みガラスにおいて生じることができる。逆フォトクロミック特性を有する装置を提供するために、「Ｇｏｒｉｌｌａ」Ｇｌａｓｓなどの基板に、ホウケイ酸逆フォトクロミックガラスの層を１つ以上設けてもよい。
【００２６】
他の態様、特徴、および利点は、添付図面と併せて考慮されるここの記載から、当業者には明白であろう。
【００２７】
この特許または出願ファイルは、カラーで作成された図面を少なくとも１つ含んでいる。カラー図面を含むこの特許または特許出願公開のコピーは、必要な費用の支払いと要求により、米国特許商標庁により提供されるであろう。
【００２８】
説明目的のために、１つ以上の実施の形態が図面に示されているが、ここに開示され記載された実施の形態は、図示された正確な構成および手段に制限されないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】高強度ＬＥＤ白色光への１５分間の曝露の前後のガラスの写真画像（*６１６ＧＢは曝露後のみである）
【図２】高強度ＬＥＤ白色光への１５分間の曝露の前後の別のガラス群の写真画像
【図３】高強度ＬＥＤ白色光への１５分間の曝露の前後の追加のガラスの写真画像
【図４】本開示により製造したフォトクロミックガラスの色座標の確立に関連して利用したＬ*ａ*ｂ*のグラフ表示
【図５】精製ＫＮＯ3中のイオン交換（ＩＸ）（３７０℃／８時間）の前後のガラスの写真画像。全ての画像は白色ＬＥＤ光への曝露前である
【図６】ＬＥＤ光に曝露する前のガラスサンプルおよびＬＥＤ光に１５分間曝露した後の同じサンプルの画像を含む、イオン交換（ＩＸ）過程を行ったガラスの写真画像
【図７】材料の層を有するガラス基板の概略図
【図８】断面線２−２に沿ってとられた図７のガラス基板の概略側面図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
ここに開示された様々な実施の形態は、逆フォトクロミックおよび熱的に暗色化可能なガラスに関する。ここでの発見がどのようにして達成されたかのより完全な理解、したがって計画した実施の形態の広い範囲を提供するために、特定の実験および／または理論の議論が提供される。しかしながら、ここでの実施の形態は、そのような実験および／または理論のいずれにも必ずしも限定されないことに留意のこと。
【００３１】
ガラス組成物および例
（質量％で）６６〜７６％のＳｉＯ2、０〜８％のＡｌ2Ｏ3、１０〜１８％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、０〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜１２％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、並びに合計量が０．０１〜０．０６％のＣｕＯおよびＮｉＯを有するフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物であって、紫外線照射に曝露された際に、安定状態にある色または色合いから、より薄い色または色合いに脱色可能である、ガラス組成物が開示されている。そのようなフォトクロミックホウケイ酸ガラス組成物は、熱的に暗色化可能であることがある。例えば、その組成物は、１５０℃以上の温度で熱的に暗色化可能であろう。
【００３２】
意外なことに、列挙された範囲の濃度のＡｇおよびＣｌを有するガラスのみが、熱的に暗色化可能であるフォトクロミック特性を有するガラスとなることが分かった。
【００３３】
また意外なことに、いくつかの実施の形態において、そのようなホウケイ酸ガラスは、イオン交換強化処理後でさえ、その逆フォトクロミック特性を維持する。さらに、そのようなイオン交換強化されたホウケイ酸ガラスは、熱的に暗色化可能なことがある。
【００３４】
ここで、図１〜３および対応する表１〜３を参照して、先に列挙した範囲内に入る組成を有するガラスをいくつか調製した。
【００３５】
【表１】
0006463350.tif 000002
【００３６】
【表２】
0006463350.tif 000003
【００３７】
【表３】
0006463350.tif 000004
【００３８】
実験により、Ｃｌ-をＢｒ-で置換すると、逆フォトクロミック特性を持つ組成物が得られないことが判明した。それゆえ、いくつかの実施の形態において、ここに開示した組成物はＢｒ-を実質的に含まない。
【００３９】
いくつかの実施の形態において、ここに開示した組成物はＬｉを実質的に含まない。
【００４０】
表１〜３および対応する図１〜３のサンプルの各々を、以下の方法にしたがって、逆フォトクロミック特性および熱的暗色化特性について試験した。
【００４１】
方法論
サンプルスクリーニング  表１〜３のサンプルの各々が、サンプルを１５分間に亘り高強度ＬＥＤ源の下に配置することを含む予備スクリーニング試験を行った場合、著しい色変化を示すことが分かった。サンプルを、図１〜３に示されるように、１インチ×１インチ×０．５ｍｍ（約２．５４ｃｍ×２．５４ｃｍ×０．５ｍｍ）の正方形に切断した。
【００４２】
色測定  サンプルに再び、高強度ＬＥＤ光への１５分間の曝露試験を行った。次いで、これらのサンプルについて、図４に示されるようなｌａｂ色座標モデルを使用して、それらの色座標を測定した。表４および５には、曝露後状態のみを示す図１のサンプル６１６ＧＢを除いて、図１、２および３のサンプルの各々についての変化の決定として、曝露前と後の状態の両方での色座標値が列挙されている。１、２、５および１５分の曝露時間を調査し、記録した。
【００４３】
【表４−１】
0006463350.tif 000005
【００４４】
【表４−２】
0006463350.tif 000006
【００４５】
【表５−１】
0006463350.tif 000007
【００４６】
【表５−２】
0006463350.tif 000008
【００４７】
曝露時間は、色変化のほとんどが、高強度ＬＥＤ光源下での最初の１分の曝露中に生じたことを示している。サンプルの各々は、ある程度の逆フォトクロミック挙動を示した。
【００４８】
熱処理  各々事前に１５分間に亘り上述した高強度ＬＥＤ光源に曝露した、図１〜３の逆フォトクロミックガラスについて、色変化に対する温度の影響を観察した。サンプルに熱を加える実験を行った。サンプル６１６ＨＤについて、試験は、５００℃で開始し、温度を５０℃ずつ低下させて、試験を進めた。次の熱印加の前に、ガラスサンプルが元の色に戻ることが可能なように、毎回、ガラスサンプルを５分間に亘り高強度ＬＥＤ光に再曝露した。その結果が表６に纏められている。
【００４９】
【表６】
0006463350.tif 000009
【００５０】
これらのデータは、サンプル６１６ＨＤが、熱的に暗色化可能である、すなわち、熱への曝露により、光に曝露されたガラスが元の色状態に変化したことを示している。
【００５１】
残りのサンプルの各々について、熱処理を１００℃で開始し、色変化が観察されるまで、５０℃ずつ昇温させて、進めた。その結果が表７に纏められている。表６のサンプルに使用した試験方法と比べた試験方法の違いは、炉が後者の方法において容易に制御できたためであった。表７に列挙されたサンプルに使用した方法には、熱印加後毎のガラスサンプルの光への再曝露は必要なかった。
【００５２】
【表７】
0006463350.tif 000010
【００５３】
これらのデータは、サンプルの各々が、熱的に暗色化可能である、すなわち、熱への曝露により、光に曝露されたガラスが元の色状態に変化したことを示している。
【００５４】
ガラスのイオン交換
ガラスが高強度を示すべき用途において、従来のガラスの強度は化学強化（イオン交換）により高められることがある。イオン交換（ＩＸ）技法は、表面で約４００から１０００ＭＰａほど高い高レベルの圧縮応力を、処理済みガラスにおいて生じることができ、極薄ガラスに適している。そのようなＩＸガラスの１つは、コーニング社から市販されているＣｏｒｎｉｎｇ「Ｇｏｒｉｌｌａ」Ｇｌａｓｓである。
【００５５】
イオン交換は、所定の期間に亘りガラス板を溶融塩浴中に浸漬することによって行われ、そこで、その表面またはその表面近くのガラス板内のイオンが、例えば、塩浴からのより大きい金属イオンと交換される。一例として、溶融塩浴はＫＮＯ3を含むことがあり、その溶融塩浴の温度は約４００〜５００℃の範囲内にあることがあり、所定の期間は約２〜２４時間の範囲内、特に約２〜１０時間の間にあることがある。より大きいイオンをガラスに含ませると、ほぼ表面領域に圧縮応力が生じることによって、板が強化される。対応する引張応力がガラス板の中央領域内に誘起されて、圧縮応力と釣り合う。ガラス板内のナトリウムイオンは、溶融塩浴からのカリウムイオンにより置き換えられてもよいが、ルビジウムまたは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てもよい。特別な実施の形態によれば、ガラス板内のアルカリ金属イオンがＡｇ+イオンにより置き換えられてもよい。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過程に使用してもよい。
【００５６】
ガラス網目構造が緩和できる温度より低い温度で、より小さいイオンをより大きいイオンで置換すると、ガラス板の表面に亘り、応力プロファイルが生じるイオンの分布が生じる。入り込むイオンのより大きい体積により、ガラスの表面上に圧縮応力（ＣＳ）が、その中央領域内に張力（中央張力、またはＣＴ）が生じる。この圧縮応力は、以下の関係式により中央張力に関連付けられる：
【００５７】
【数１】
0006463350.tif 000011
【００５８】
式中、ｔはガラス板の全厚であり、ＤＯＬは、圧縮層の深さとも称される、交換の深さである。圧縮層の深さは、ある場合には、約１５マイクロメートル超、ある場合には、２０マイクロメートル超となり、表面損傷に対する最高の保護を与える。
【００５９】
ここでの実施の形態に使用するのに適したイオン交換可能なガラスに、ホウケイ酸ガラスがある。ここに用いたように、「イオン交換可能な」とは、ガラスが、サイズがより大きいかまたはより小さいいずれかの同じ価数の陽イオンで、ガラスの表面またはその表面近くに位置する陽イオンを交換できることを意味する。
【００６０】
逆フォトクロミック特性を有するイオン交換強化されたガラスの組成
ここに開示されたカリウム塩浴中で化学強化することのできる、逆フォトクロミック特性を有するホウケイ酸ガラスは、以下の組成範囲（質量％）を有する：６６〜７６％のＳｉＯ2、２〜８％のＡｌ2Ｏ3、１０〜１８％のＢ2Ｏ3、０〜４％のＬｉ2Ｏ、４〜１２％のＮａ2Ｏ、０〜６％のＫ2Ｏ、１〜１．５％のＡｇ、１．５〜２．５％のＣｌ-、ここで、Ｎａ2Ｏ＞Ｋ2Ｏ、ＣｕＯおよびＮｉＯの合計量は０．０１〜０．０６％である。
【００６１】
アルミナは、イオン移動度および所望のレベルの圧縮応力を得ることの両方の観点から効果的なイオン交換の重要な実現要因であるので、ゼロ以外のレベルの［Ａｌ2Ｏ3］が望ましい。また、組成中のＮａ2Ｏの濃度は、強化を可能にするために、Ｋ2Ｏに対して十分に高いべきである。
【００６２】
実験−イオン交換
色変化を元に戻すのに必要な最低温度を決定した後、図１〜３に図示された表１〜３のガラスサンプルの全てを、元の「受け取ったまま」の状態で、精製ＫＮＯ3により３７０℃で８時間に亘りイオン交換を行った。図５は、イオン交換前の状態およびイオン交換後の状態（「ＩＸ」と付されている）におけるサンプルを示している。イオン交換は、図５に見られるように、サンプルガラスの少なくともいくつかに、ある程度の色変化にも寄与したことに留意のこと。
【００６３】
図６を参照すると、イオン交換（ＩＸ）サンプルを、１５分間の曝露のためにＬＥＤ光源下において、色変化がまだ生じるか否かを観察した。全てのサンプルは、図６に示されるように、光へ曝露後に、より濃い基底状態からより薄い状態への顕著な程度の色変化を示し、イオン強化後でさえも、ガラスは逆フォトクロミック特性を維持することを示している。
【００６４】
表８は、精製ＫＮＯ3により３７０℃で８時間に亘りイオン交換処理を行ったサンプルに関するＦＳＭデータを提供する。応力測定は、全てのイオン交換強化したサンプルについて、Ｏｒｉｈａｒａ  ＦＳＭ−６０００ＬＥ測定装置を使用して行った。３つのガラスサンプル組成物のみ（十分に高い［Ｎａ2Ｏ］を有する組成物）が、記録可能データに十分なモードを有し、６つのガラスサンプルは１つのモードを有し、２つのサンプルは、目に見えるモードを持たなかった。
【００６５】
【表８】
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【００６６】
装置
一般構造および検討事項
図７を参照して、構造１００は、基板１０２のフォトクロミック特性を改善するために、新規の過程および構造の開発に関連した関心のある基板１０２を備えることがある。例えば、基板１０２の材料は、イオン交換ガラス、通常は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスまたはアルカリアルミノホウケイ酸塩ガラスであるガラス、特に、コーニング社からの「Ｇｏｒｉｌｌａ」Ｇｌａｓｓであってよい。特定の基板材料は、ガラス、特に「Ｇｏｒｉｌｌａ」Ｇｌａｓｓに限定されないが、そのような材料を実験および実施例に選択したことが当業者には認識されるであろう。
【００６７】
上述したように、基板１０２上に逆フォトクロミック層を加えることにより、構造１００に逆フォトクロミック特性が与えられるであろう。
【００６８】
図８を参照して、ここでの１つ以上の実施の形態は、基板１０２および基板１０２上に配置された逆フォトクロミックホウケイ酸ガラス層１０４を有する構造１００を提供する。広い態様において、基板１００は、第１の表面（図示せず）および第２の対向表面１０６を有する基板１０２、並びに基板１０２を実質的に覆う、少なくとも１つの逆フォトクロミックホウケイ酸ガラス層１０４を備えている。ここでの「実質的に覆う」という句は、上にある層（すなわち、層１０４）が、直接的に、または１つ以上の中間層を介して間接的にのいずれかで、下にある層（すなわち、基板１０２）の上を覆っていることを意味することに留意されたい。１つ以上の実施の形態において、層１０４は、基板１０２の片面または両面に配置されていてよい。図８に示された実施の形態において、例えば、層１０４と基板１０２との間には、中間層は示されていないが、そのような中間層が考えられる。
【００６９】
逆フォトクロミックホウケイ酸ガラス層１０４は、単一の材料層により形成されてもよい。逆フォトクロミックホウケイ酸ガラス層１０４は、ここに開示されたイオン交換過程により強化されてもよい。当業者には、ここの開示から、提示された詳細により、当業者が、周知の積層技術を適用することにより、層１０４を施すための１つ以上の方法論を容易に利用できることが認識されよう。
【００７０】
基板材料および特徴
図示された例において、基板１０２は実質的に平面であるが、他の実施の形態では、湾曲したまたは他に成形または造形された基板１０２を用いてもよい。加えてまたは代わりに、基板１０２の厚さは、より中央の領域と比べて、基板１０２の縁により厚い厚さを利用することなど、審美的理由および／または機能的理由のために、様々であってよい。
【００７１】
基板１０２は、石英、ガラス、ガラスセラミック、酸化物ガラス、イオン交換ガラス、重合体、それらの組合せ、または他の材料の内の少なくとも１つからなどの、どの適切な材料から形成されてもよい。
【００７２】
基板１０２がガラスまたはガラスセラミック材料から形成される場合、ソーダ石灰ガラス（ＳｉＯ2、Ｎａ2Ｏ、ＣａＯなど）、金属合金ガラス、イオン溶融ガラス、重合体ガラス（アクリルガラス、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート）などの、どの適切なガラス組成物を用いてもよい。
【００７３】
過程の検討事項
層（層１０４など）の機械的性質は、材料組成、処理条件および材料構造に密接に関連していることが、当業者に認識されるであろう。したがって、所望の弾性（および／または硬度）勾配特徴を達成するために、様々な技術および方法を当業者は利用できる。当業者が利用できる技術の中に、残留応力および材料構造を調節して、特定の弾性率（または硬度）勾配に達するために、温度、冷却プロファイルなどの堆積処理条件を制御することがある。
【００７４】
別の技術に、異なる弾性率（および／または硬度）の単層材料を堆積させて、所望の勾配を達成するために、原子層堆積（ＡＬＤ）などの堆積方法を利用することがある。原子層堆積（ＡＬＤ）は、様々な用途のために薄膜を堆積させる有用な技術として出現した。半導体加工は、ＡＬＤ加工における最近の動向の主要な用途の１つであるが、高アスペクト構造上でＡＬＤにより達成される共形能力(conformality capabilities)には、本出願に適応性がある。実際に、ほとんどのＡＬＤ加工は、２つの表面反応が生じる二成分反応順序に基づき、二成分化合物膜を堆積させる。表面部位には無限数しかないので、反応は、無限数の表面種を堆積させることに制限される。２つの表面反応の各々が自己限定性である場合、その２つの反応は、連続様式で進行して、原子レベルで制御された薄膜を堆積させるであろう。それゆえ、それにより層１０４（上述した勾配を有する）を基板１０２に施すべき本状況に関連して、ＡＬＤ過程の利点には以下がある：（ｉ）オングストロームまたは単層レベルでの正確な厚さ制御、および（ｉｉ）優れた工程被覆率および高アスペクト比構造上での共形堆積。
【００７５】
しかしながら、層１０４が施される特定の機構は、上述した技術に厳密には限定されず、むしろ、特定の製品用途または製造目的の緊急の要求に対処するために、当業者が選択してよいことが当業者に認識されるであろう。
【００７６】
層の厚さ
ほとんどの場合、層１０４は比較的薄い、例えば、層１０４は、一般に、ある範囲内の厚さを有する。例えば、検討される厚さ範囲は、以下の少なくとも１つを含む：（ｉ）約１０〜２００ｎｍの間、（ｉｉ）約２０〜１００ｎｍの間、および（ｉｉｉ）約３０〜９０ｎｍの間。そのような範囲は、特定の機能特性、例えば、層１０４の用途には、薄膜トランジスタ用途、センサ用途、およびモニタ用途と通信装置用途などの表示装置用途に適しているであろう。さらに別の検討される厚さ範囲は、以下の少なくとも１つを含む：（ｉ）約５０〜１０，０００ｎｍの間、（ｉｉ）約５００〜１０，０００ｎｍの間、および約１０００〜２０００ｎｍの間。
【００７７】
ここでの開示を特定の実施の形態を参照して説明してきたが、これらの実施の形態は、ここでの実施の形態の原理および用途の単なる一例にすぎないことを理解すべきである。したがって、例示の実施の形態に様々な改変を行うことができるであろうし、本出願の精神および範囲から逸脱せずに、他の構成を想起できるであろうと理解されよう。
【符号の説明】
【００７８】
１００    構造
１０２    基板
１０４    層
【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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