スマートフォン用のカバーガラス（2007 年～現在）

Key-words： カ バ ー
ガラス，化学強化，高強度，ディスプレイ，スマートフォン

化学強化されたカバーガラスは，スマートフォンなどの携帯用デバイスを落下による破損や擦傷から守るために不可欠な部材であり，スマートフォンの普及に大きく貢献してきた．スマー
トフォンは，タッチパネル一体型ディスプレイの採用によって，それまでの多くの携帯電話とは異なって，ディスプレイがむき出しになったデザインとなっている．そのため，ユーザビリティが向上した一方で，屋外での使用の際に，落下によって破損する可能性が高まっている．
その破損リスクを低減するため，化学強化により強度を高めたガラスが保護用の部材として用いられている．化学強化は，ガラスの特長を活かした技術である．ガラス中のアルカリイオンをそれよりイオン半径の大きいイオンと交換することで，傷がつきやすいガラスの表面に，予め圧縮応力を与えることで，落下衝撃により発生する引張り応力を相殺し，高強度に保つ効果をもたらしている．

注１ アルカリイオンを含むガラスを溶融硝酸塩への浸漬処理によって，よりイオン半径の大きなイオンへ交換することにより，イオン交換が生じた表面近傍に圧縮応力を発生させ，強度を向上させる技術．

１．製品適用分野

注２ ガラスをガラス転移点以上に加熱した後に，急冷することで，内部と表面での冷却タイミングをずらすことで，表面に圧縮応力を付与する技術．風冷強化とも呼ばれる．

屋外で使用されることが多い．そのため，使用中に1）散乱が無く透明で，ディスプレイの表示内容をスマートフォンやタブレット PC のカバーガラス

劣化させない2）表面を平滑に加工することが容易であり，その２．適用分野の背景

結果高い質感を呈することができる

私たちが日ごろ利用しているスマートフォンは，2007 年頃より本格的な普及が始まり，現在では，

3）傷がつきにくく，タッチ操作を繰り返しても傷だらけにならない

私たちの生活になくてはならないインフラの一つと

4）ヤング率が高く，少々力を加えても変形しない．

なっている．スマートフォンやタブレット PC は，

5）光や熱に対して強く，変色などの劣化を起こさない

手を滑らせたり，ポケットから落としたりして，路一方で，ガラスは脆性材料であるため，一旦傷が上へ落下させてしまうことが多々ある．落下した際，つくと，強度が大幅に低下する．カバーガラスとしディスプレイ面から落下する，路面状態が悪い，とて使用するためには，その克服が課題であった．板いった悪条件が重なると，ディスプレイが破損して厚を厚くすることで，耐久性を高めることは可能でしまうことがある．また，タッチセンサがディスプあるが，携帯用デバイス向けとしては，重量が大きレイと一体化されていることから，落下衝撃でタッくなるため不適切である．また，自動車用の窓ガラ

チセンサが破損し，操作ができなくなってしまうリスに使われているような物理強化注２） も，板厚が薄スクもある．このため，ディスプレイを保護するたいために適用ができない．そこで，化学強化というめの，透明で高強度な部材が求められていた．このガラスならではの高強度化手法が適用されている．

目的に合致したのが，化学強化注１） 処理を施したガ

図 2 に化学強化の概念図を示す．アルカリイオンラスである．化学強化ガラスは，高い強度特性を持を含むガラスを，そのアルカリイオンよりも大きなつことから，現在ではほとんどのデバイスのカバー

イオン半径を持つアルカリを含む溶融塩中へ浸漬し，材として，化学強化されたガラスおよびガラス系材イオン交換を行うことで，イオン交換が生じた表面料が用いられている．

付近に圧縮応力を付与することで強度を向上させる手法である．図 3 に化学強化と物理強化での応力３．カバーガラス

分布との比較を示す．化学強化では，応力層深さは，の特徴

物理強化ほどには深くなりにくいが，表面の応力値

図 1 に示すように，

図1

スマートフォンの構造の例

最表面にカバーガラスが配置される．カバーガラスには，印刷や指紋付着抑制コーティング等が施されている．ディスプレイパネルにタッチセンシング機能を持っているものも多く，その場合タッチパネル基板は含まれない．近年では有機 EL ディスプレイが採用されている機種もある．

は物理強化よりもはるかに高くすることができる．

スマートフォンでは，化学強化法が提唱されたのは，1960 年代と古いディスプレイを保護が，溶融塩に長時間浸漬するためコストが高くなるするよう形でカバーといった点から，限定された用途にしか用いられてガラスが配されていこなかった．しかしながら，薄い板でも高強度化でる．ディスプレイを保きるというメリットは，まさにスマートフォンのカ護するカバー材料とバーガラスには打って付けであった．また，化学強してのガラスの主な化によって付与される圧縮応力値や応力層深さは組特長の代表的なもの

成によって大きく異なることから，専用組成を開発として，以下のようすることで，より高い強度をより短時間のイオン交なものが挙げられる．

換で達成できる．例えば，アルミナ（Al2O3）を高© 日本セラミックス協会
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図3
図2

化学強化の模式図

イオン交換法による化学強化は，アルカリイオンを含むガラスを，歪点以下の温度でそのアルカリイオンより大きなイオン半径を持つアルカリイオンを含む溶融塩（硝酸塩が多い）に浸漬することにより行われる．表層付近のイオン交換部分に圧縮応力が発生する．
濃度に含有するガラス（アルミノシリケートガラス）

および化学強化を行う工は，窓ガラスなど一般的に使われているソーダライ場へと出荷される．

ムガラスと比較して，同じイオン交換条件でも，応2）カ バーガラス形状へ

力層深さが深く，かつより高い圧縮応力が入ること

化学強化は，表層付近に大きな応力が付与される．
このため，より高い強度が期待できる．の加工が知られている． 図 4 に示すように，アルミノシ受入れた板をスマート

リケートガラスは，高強度かつワイブルプロット上フォン程度の大きさに切の強度分布も小さくなり，より高い信頼性を得るこ断し，外形加工を施したとが期待できる．一方，アルミノシリケートガラス

後，デザインに応じてマは，融液の粘性が高くなるなどの理由で製造上の難イ ク や 操 作 ボ タ ン， ス

易度は高くなるという課題はあるものの，このよりピーカ部のための穴あけ高い信頼性が得られるという利点から，スマートが行われる．工程で傷がフォンのカバーガラスとしての主流となっている．

つくとガラスの強度が著しく低下してしまうため，４．製法

 学強化と物理強化の応力プロファイル
化の違い

取り扱いには十分注意

図4 条件で化学強化したアルミノシリケー
同トガラスとソーダライムガラスの 3 点
曲げ強度のワイブルプロット

同条件で化学強化したアルミノシリケートガラス
は低強度側でも強度分布が小さいのに対して，ソーダライムガラスは圧縮応力層深さが小さいため，大きな傷に対して高強度化の効果が不十分であり，低強度側では強度がより小さくなる．

カバーガラスの製造は，大きく，1）板ガラスのし，傷がつかないように製造，2）カバーガラス形状への加工，3）化学強化，することが重要である．

4）コーティング・印刷に分けられる．図 5 にカバー

また，必要に応じて研磨ガラス製造工程の模式図を示す．以下に各工程の概がなされている．熱間での曲げ加工が行われる場合要を述べる．

もある．

1）ガラスの製造

3）化学強化工程化学強化に用いられるガラスは，フロート法やカバーガラス形状に加工されたガラスは，400 ℃

フュージョン法といった，窓ガラスやディスプレイ程度に加熱・溶融したアルカリイオンを含む塩の液用基板ガラスと同じ板状ガラスの製法を用いて製造体中に浸される．溶融塩としては，硝酸カリウムなされる． 原料としては， 珪砂（SiO2） やソーダ灰

どの硝酸塩が用いられることが多い．所望の応力プ（Na2CO3），アルミナ，その他の成分に応じた鉱物原ロファイルとなるように，数時間程度浸漬された後，料や化成品，および清澄剤等の微量成分が用いられ溶融塩の槽から取り出され，冷却・水洗される．処る．原料を混合したバッチは，1500 ℃を超える温理が進むにつれてガラス中のイオンの溶出が多くな度の溶解炉に投入され，溶かされて融液となって均り，その結果応力が低下していくため，その場合溶一化される．泡を除く清澄工程を通過した後に，フ融塩を新品に交換する．強化後の応力プロファイ

ロート法であれば溶融スズ上に流され，フュージョ

ル注３） は，光弾性効果を利用した測定方法により，ン法であれば細長い樋からガラスを下方に流下させ非破壊で測定される．

ることで板状に成形される．冷却固化したガラスは，

4）コーティング・印刷

適当な大きさのガラス板（素板）に切断され，適宜多くのカバーガラスは，周辺部材との接着部分なフィルム等で保護された後，カバーガラスへの加工どを隠すため，黒色などの印刷が周辺部になされる．

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注３ 板厚方向の応力の変化のこと．主な指標としては，表面圧縮
応 力 値（CS）， 圧 縮 応
力 層 深 さ（DOL ま たは DOC），引張り応力値（CT）

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図5

カバーガラスの製造工程

カバーガラスは，ガラスメーカーによる素板製造後，加工メーカーによる機械加工，化学強化，コーティング等の工程を経て，ディスプレイパネルと一体化され，さらにスマートフォンに組み込まれる．
また，表面には耐指紋付着コーティングや反射防止落球試験がある．使用時のダメージを想定した，サ膜などがコーティングされる．

ンドペーパーやサンドブラストなどの加傷と組合せ検査が完了し，良品と認められたカバーガラスは，られることもある．さらに，それらに加えて，カディスプレイパネルメーカーあるいは EMS（Electronics

バーガラスを実筐体もしくは模擬筐体へ装着し，特Manufacturing Service）に送られ，スマートフォン

定の番手のサンドペーパーや模擬路面などへの落下の部材として組み立てられ，最終的にスマートフォさせる耐久性試験が行われる．

ンとして出荷される．

６．現在・将来展望
５．製品性能・スペック

スマートフォンの登場以来，基本的な形状は，大カバーガラスの各種性能指標の中では，強度に関きく変わっていないが，それでもデザインによる差する指標が最も重要である．高い強度を達成するに別化が試みられている．例えば，端面付近を曲面形

は，化学強化により付与される内部の応力の断面方状としたラウンド形状のカバーガラスが普及してき向の応力プロファイルと，機械加工による表面並びている．さらには，樹脂を基板に用いた有機 EL ディに端面部の仕上げ（潜傷除去）の双方の最適化が必

スプレイの採用により，ディスプレイ面の形状の自要である．応力プロファイル設計は，注目する破壊由度が高くなってきたことで，加熱して曲げたガラモードやコストとの兼合いによって選択される．応スをカバーガラスとして用いられているモデルもあ力プロファイルの形成しやすさは，ガラスの組成にる．カバーガラス面に曲面があると，落下時の路面大きく影響を受ける．一般的な強度のものに対してへの接触リスクが増大する．そのため，そのようなは，ナトリウム（Na）を含むガラスが用いられ，モデルには，より深い圧縮応力層を短時間で形成可Na ⇔ K イオン交換により強化するが，ハイエンド能なリチウムを含有するガラスの採用が進められてモデルでは，落下強度を高めるため，より深くまでいる．

圧縮応力を付与する目的で，リチウム（Li）を含む

さらに，材料そのものの進化として，一部のスガラスが用いられ，Li ⇔ Na イオン交換と Na ⇔ Kマートフォンには，特殊なガラスを熱処理して得らイオン交換が併用される場合がある．典型的にはれる透明な結晶化ガラスが用いられており，耐久性500 MPa～1000 MPa の圧縮応力を最表面に持たせ，が向上していると謳われている．一方，形状の進化

内部に向かって徐々に圧縮応力が小さくなっていくとしては，曲げられるディスプレイの登場により，ようなプロファイルとなる．表層の圧縮応力値を折り曲げ可能なスマートフォンが登場している．こCS（Compressive stress）と呼ぶ．内部応力は，あのようなタイプでは，数 10 μm 厚の極めて薄いガる深さで引張り応力に転じ，ガラスの板厚方向の中ラスが，樹脂と複合化され，カバー材料として用い心部分付近で最も大きな引張り応力となる．圧縮応られている．

力層の深さは表層から 30～100 μm 程度である．

取り換えが利きにくく，手放せないものとなって一方，強度を高くしようとして圧縮応力を入れすいるスマートフォンでは，カバーガラスのさらなるぎると，歪エネルギーをガラスの中にため込みすぎ高強度化に向けての期待が大きい．このようなニーることになり，一旦破壊が起きたときに，ガラスがズに応えるため，破壊のメカニズムの研究開発や，木端微塵になって飛散してしまい，問題となる可能ガラス組成や応力プロファイルの開発が現在も続け性がある．そこで，微細片に破砕しないという制約られている．の下で，最大の強度となるよう，応力プロファイルが設計されている．

［連絡先］ 林 和孝（はやし かずたか）〒 230-0045 神奈川県横浜市鶴見区末広町 1-1
験としては，4 点曲げ試験，リングオンリング試験，AGC 株式会社

強度の評価方法としては，カバーガラス単体の試422

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