(57)【要約】【課題】  ガラス板の表面に改質相を形成して、強度と破壊靱性の向上したガラス板を提供する。【解決手段】  ガラス板の表面に窒素イオンまたはケイ素イオンをイオン注入法で、表面から１０ｎｍ〜１０μｍの範囲の深さに、１×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２〜１×１０１８ｉｏｎｓ／ｃｍ２の範囲のイオン注入量を注入する。イオンを注入する層数は１層あるいは２層以上とする。また、注入電流が０．０５μＡ／ｃｍ２〜５０μＡ／ｃｍ２の範囲でイオン注入を行い、イオン注入時の加速電圧を連続的に変化させて、イオン注入層の厚みを変える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にイオンを注入してなるガラス板において、該イオンが窒素イオンもしくはケイ素イオンであり、イオンを注入する深さが、表面から１０ｎｍ〜１０μｍの範囲にあり、イオン注入量が１×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２〜１×１０１８ｉｏｎｓ／ｃｍ２であることを特徴とする高破壊靱性を有するガラス板。
【請求項２】
２層以上の複数のイオン注入層が形成してなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の高破壊靱性を有するガラス基板である。
【請求項３】
イオン注入法において、注入電流を０．０５μＡ／ｃｍ２〜５０μＡ／ｃｍ２の範囲でイオンを注入することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の高破壊靱性を有するガラス板の製造方法である。
【請求項４】
イオン注入時の加速電圧を連続的に変化させて、イオン注入層の厚みを変えることを特徴とする請求項３に記載の高破壊靱性を有するガラス基板の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス板の表面の改質に関し、特に高破壊靱性を有するガラス板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、広く用いられているフラットパネルタイプのＰＤＰや液晶ディスプレイ等の大面積表示装置、さらには、携帯電話に用いられている表示装置等、軽量化が求められており、これらの表示装置に用いられているガラス板は薄板化が求められている。
【０００３】
ガラス板の有する強度や破壊靭性値は十分なものではなく、薄板化に伴って、強度や破壊靱性の向上が強く望まれている。また、ガラス板に用いられているガラスは、目的に応じた物性を必要とするために制限が多く、ガラス板のガラス組成を変えることが困難であり、強度や破壊靱性を、ガラス組成を変えずに向上させることは難しい。
【０００４】
イオン注入法によってガラスの表面を改質する技術が、特許文献１に開示されている。この技術は、ガラス中のＮａなどアルカリ成分の溶出を抑えることを目的とした技術であり、機械的特性を向上させるような試みは行われていない。
【特許文献１】特開平５−８５７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ガラス板の表面に改質相を形成して、強度と破壊靱性の向上したガラス板を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の高破壊靱性を有するガラス板は、表面にイオンを注入してなるガラス板において、該イオンが窒素イオンまたはケイ素イオンであり、イオンを注入する深さが、表面から１０ｎｍ〜１０μｍの範囲にあり、イオン注入量が１×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２〜１×１０１８ｉｏｎｓ／ｃｍ２であることを特徴とする高破壊靱性を有するガラス板である。
【０００７】
また、本発明の高破壊靱性を有するガラス板は、前記高破壊靱性を有するガラス板において、２層以上の複数のイオン注入層が形成されてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の高破壊靱性を有するガラス基板である。
【０００８】
また、本発明の高破壊靱性を有するガラス板の製造方法は、前記高破壊靱性を有するガラス板の製造方法において、注入電流が０．０５μＡ／ｃｍ２〜５０μＡ／ｃｍ２の範囲でイオンを注入することを特徴とする高破壊靱性を有するガラス板の製造方法である。
【０００９】
また、本発明の高破壊靱性を有するガラス板の製造方法は、前記高破壊靱性を有するガラス板の製造方法において、イオン注入時の加速電圧を連続的に変化させて、イオン注入層の厚みを変えることを特徴とする高破壊靱性を有するガラス基板の製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の高破壊靱性を有するガラス板とその製造方法は、ガラス板にイオンを注入することで破壊靭性を向上させ、傷やクラックに対する耐性を高めた高破壊靭性を有する高破壊靱性を有するガラス板を提供することを可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、ソーダライムガラスなどのガラス板の表層に、イオン注入法でイオンを注入し、ガラス板の表層を改質し、該ガラス板の表面の硬度を低下させ、破壊靱性を向上させるものである。
【００１２】
ここで、破壊靱性は、ＪＩＳ１６０７の破壊靱性測定法（IF法）で、次式によって算出される値（Ｋ１ｃ）である。
【００１３】
Ｋ１ｃ＝０．０２６・Ｅ１／２・Ｐ１／２・ａ・Ｃ３／２
ここに、Ｅ：ヤング率、Ｐ：押し込み荷重、ａ：圧痕対角線長さの平均の１／２、Ｃ：亀裂長さの平均の１／２
図１は、イオン注入によるガラス表層の改質を行う製造方法を概念的に示すもので、ガラス板１の表層数百ｎｍの深さにイオン注入層２を形成したものである。
【００１４】
オン注入層２は、図２に示すようなイオン注入装置を用いて、イオン源３で発生させたイオンは、高電圧部５で加速電圧により加速され、加速されたイオンを、注入室８にセットされる図示しないガラス板の表面に注入し、形成される。イオンは、ガラス板１の中に一定の加速電圧、注入電流で注入することが好ましい。イオンの量を制御することによって、破壊靱性の改善されたガラス板がえられる。
【００１５】
オン注入層２のガラス板表面からの深さｔは、イオン注入時の加速電圧を変化させることによって変えることができる。イオン注入層２の深さｔは、図１に示すように、イオン注入層の中心が１０ｎｍから１０μｍの範囲が望ましく、特に５００ｎｍより浅い位置にイオン注入層を形成するのが好ましい。イオン注入層が深すぎると表層への影響が小さくなり、十分な破壊靱性の向上効果が得られない。
【００１６】
また、イオン注入を行うガラス板１としては、特に制限はなく、例えば酸化物ガラス（石英ガラス、シリケート系ガラス、ボロシリケート系ガラス、リン酸塩系ガラス、アルミニウムシリケート系ガラス等）、ハロゲン化物ガラス、硫化物ガラスまたはカルコゲナイドガラスが挙げられる。特に、アルカリを多く含むガラス板はイオン注入電流やイオン注入量など注入時間を短縮できるために本発明に用いるガラスとして好ましい。さらに、ガラス板以外では、プラスチック、セラミックスなど種々の材料も用いることができる。
【００１７】
また、イオン注入層の厚さは、加速電圧を変化させながら注入を行うことにより、厚くも薄くもできる。高破壊さらに、同一サンプルに加速電圧を変化させてイオンを注入することにより、２層以上のイオン注入層を形成することも可能である。イオン注入層の厚さを変えることや、2層以上のイオン注入層を形成させることは、大きな破壊靱性を得ることができるので好ましい。
【００１８】
また、イオン注入層２の注入イオンは、窒素（Ｎ），（ケイ素）Ｓｉなど、比較的大きなイオン半径を持つイオンが望ましい。
【００１９】
また、ガラス板へのイオン注入時の注入電流は、０．０５μＡ／ｃｍ２〜５０μＡ／ｃｍ２の範囲にすることが望ましい。
【００２０】
注入電流が、０．０５μＡ／ｃｍ２より小さいと、イオンの注入時間が長くなり好ましくない。また、注入電流が５０μＡ／ｃｍ２より大きいと、ガラスの構造が破壊されて、イオン注入の効果を得ることができなくなる。
【００２１】
また、ガラス板に注入するイオンの量は１ｃｍ２あたりのイオンの量で１Ｅ１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２から１Ｅ１８ｉｏｎｓ／ｃｍ２が望ましい。イオン注入量は、ガラスの内部での構造を破壊しない程度の量にする必要があり、少なすぎても大きな効果が得られないためである。
【００２２】
本発明の高破壊靱性を有するガラス板は、実施例１に示すように、曲げ強度の大きいガラス板でもある。
【００２３】
さらに、超短パルスレーザを用いて表面付近に高屈折率部位を形成したガラス、風冷強化ガラス、化学強化ガラス等の強度を高めたガラスに、本発明のイオン注入により破壊靱性を改善して、ガラスの強度を高めることが可能である。
【実施例１】
【００２４】
面積４０ｍｍ×４ｍｍ、厚さ２ｍｍのソーダライムシリケートガラス（ＳｉＯ２−Ｎａ２Ｏ−ＣａＯ）の表面に、図２に示すようなイオン注入装置を用いて、窒素（Ｎ）イオンを注入し、高破壊靱性を有するガラス板を作製した。
【００２５】
イオンの加速電圧を１５０ｋｅＶ、注入電流を１５μＡとして、ガラス表層からおよそ３１０ｎｍを中心としたＮイオン注入層を形成した。イオン注入量は２×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。
【実施例２】
【００２６】
イオンの注入量を１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした他は、実施例１と同様にして高破壊靱性を有するガラス板を作製した。
【実施例３】
【００２７】
窒素イオンの注入電流を３０μＡとし、イオンの注入量を１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした他は、実施例１と同様にして高破壊靱性を有するガラス板を作製した。
【実施例４】
【００２８】
注入するイオンをケイ素（Ｓｉ）イオンとした他は、実施例１と同様の方法で高破壊靱性を有するガラス板を作製した。
比較例１
実施例１から実施例３で用いた、面積４０ｍｍ×４ｍｍ、厚さ２ｍｍのソーダライムシリケートガラス（ＳｉＯ２−Ｎａ２Ｏ−ＣａＯ）を、イオン注入しないで、比較例とした。
【００２９】
表１に実施例１から３と、比較例１について、ＪＩＳ１６０７に準じて測定した、ビッカース硬度、クラック発生荷重、破壊靱性を示した。クラック発生荷重は、ビッカース硬度を測定したときの、圧痕にクラックが発生したときの荷重である。図３に、実施例で圧痕にクラックが生じない例を、図４に比較例の圧痕にクラックの発生した状態を示す。
【００３０】
表１に示すように、実施例は、ビッカース硬度が比較例に較べて小さく、圧痕にクラックが発生する荷重も比較例より大きく、表面の柔らかいガラスとなっていた。また、破壊靱性の値も、比較例よりも良い値を示した。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
また、実施例１の曲げ強度は２３０ＭＰａ程度であり、比較例１の曲げ強度１５０ＭＰａに比較して高い値を示した。
実施例４の高破壊靱性を有するガラス板のクラック発生荷重、破壊靱性値（Ｋ１ｃ）は、比較例１よりも高い値を示し、また、ビッカース硬度は小さい値を示した。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
ＰＤＰ用ガラス、液晶ディスプレイ用ガラスなど表示機器に用いられるガラス板や車両用ガラス，住宅用ガラスなど幅広い用途のガラスの破壊靱性を高めたガラスとして広く本発明の高破壊靱性材料を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の高破壊靱性を有するガラス板を概念的を示す断面図である。
【図２】イオン注入装置の概略図である。
【図３】実施例１の圧痕にクラックの発生しない図面代用の顕微鏡写真。
【図４】比較例１の圧痕にクラックが発生した図面代用の顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００３５】
１    ガラス板
２    イオン注入層
３    イオン注入装置のイオン源
４    シールドキャビネット
５    高電圧部
６    加速管
７    ビームライン
８    注入室
９    クリーンユニット
１０  イオン注入層を形成したガラス
１１  ビッカース圧子の圧痕
１２  圧痕から発生したクラック
１３  イオン注入層を形成していないガラス
１５  イオン注入層の中心位置
１６  基板表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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