特集

最先端加工技術

高強度化ガラスの発展とその応用
旭硝子（株）先端技術研究所

小 野円 佳Development of the strengthened glass and its applications

Madoka Ono
Asahi Glass Company Innovative Research Technology Center

ガラスは，透明で冷たくつややかな感触と輝程で強化が出来るという特徴が，ガラスの応用

きをもち，汚れや傷がつきにくい。壊れやすいを広げ，他材料への置き換えを防いでいる。本

イメージからくる高級感があるが，等身大以上

稿では，このつややかさの重要性を述べ，ガラのサイズを用意することも，モバイルフォンのスの強化方法とその効果を紹介し，課題と展望カバーやディスプレイの基板などとして大量にを述べる。

生産することもできる。これに対して，結晶材料は，例えば宝石のように，ガラス以上の高級感と傷つきにくさをもつ素材である。大量生産

１．材料の壊れやすさは何で決まるのか？
サファイアの破壊靭性値 KIC は表１に示したや大型化に関しても，結晶成長技術が向上したようにガラスの３倍以上である。これは，同じ

現在，十分応用に堪えうるところまで進歩して形状の傷がある場合，サファイアがガラスの３いる。サファイアがモバイルフォンのカバー材倍以上の引張応力 σt に耐えることが出来るこ料として期待されるという話題を耳にした方もとを意味する。実際に材料には，無数の傷が存多いだろう。しかしながら，未だにガラスが主在し，これらが材料の強度を大きく低下させに利用されているのは何故か？

る。例えば，材料の表面に深さ C＝１μｍ，先前述した要求特性のうち，特殊な形状への作り込みに関してガラスが結晶より有利であることは確かだが，これに加えて，表面をつややかにしやすく後工

表１ ガラスと結晶のヤング率，破壊靭性値，ヌープ硬度の値の比較［２］〒２２１―８７５５ 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町１１５０番地
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com

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１２２ ２０１７めに，短時間でつるつる面が得られるという点で極めて有利なのである。

２．ガラスの強化処理
前章で述べたようにガラスは加工処理で有利であるが，一旦商品になると，この傷つきやすさと傷の進展しやすさが問題となる。そこで強化処理を行い，これらを抑制している。ガラスの強化処理方法については多くの良書があるので譲り，本稿では化学強化，物理強化，［４］
コーティング強化を行ったガラスの特性の相違
図１ 初期クラックの深さを変えた時のガラスの破壊応力の変化と応用を紹介する。
図２に化学強化と物理強化の処理を行ったガ

端曲率半径の ρ＝１０nm の傷が存在する場合，ラスの一般的な応力分布を比較した。図２の横図１の挿入図のように両端で支え，傷の反対面軸はガラスの厚みで規格化した断面方向の距離を押して σt＝１００ ＭＰa の引張応力を与えると，である。どちらの強化ガラスも，ガラスの表層傷先端の引張応力 σf は Griffith の式から［１］に圧縮応力を付与してガラス表面の傷が進展し

σf＝２σt!
"!

…（式１）ないように工夫されている。化学強化法では，ガラスに含まれるアルカリイオンを，より大きσt の２０倍の２GPa となる。この応力に耐えるいサイズのイオンと置換し，置換部分のガラス材料は多くない。図１はガラス板の初期傷の深の体積が膨張することで発生する応力を利用しさと破壊応力の関係を実験した結果だが，傷のている。最大で１GPa を超える圧縮応力を得

深さ C が深いほど破壊応力が低下（∝１／!C ）ることが出来，ガラスの厚みに寄らずに強化が２している。つまり，ガラスに比べて３ ＝９倍以可能だが，アルカリイオンの熱拡散速度が小さ上の深さの傷がサファイアに存在すると，そのいため，数時間の処理を行っても圧縮応力層がサファイア板の強度は傷のないガラス板を超えられない。そこでこの様な応力集中が起きない

化学強化要がある。これにはダイヤモンドが使われる（表１）が，高硬度なサファイアの加工には時間が掛かる上に，ダイヤモンドにも傷がつくため，コストが嵩む。一方で，ガラスは，溶融して冷。窓ガラ
却すると自然と平滑表面ができる［３］スは，溶融により得られる平滑面をそのまま利用した商品だが，面の平滑性に問題を感じないだろう。電子機器のカバーガラスは研磨処理をして平滑表面を作製しているが，シリカ粉や酸化セリウム粉を用いた半化学的研磨を行えばナノメータレベルの平滑面が得られる。ガラスは，他の材料に比べて柔らかく傷つきやすいた
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引張り← 残留応⼒ →圧縮ように，サファイアをもっと硬いもので磨く必

物理強化

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図２ 化学強化，物理強化ガラスの応力分布の比較

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２０〜１００μｍ程度と深くない。また，処理に多て，プラズマを使って窒化ケイ素や窒化アルミ量の高温アルカリ溶融塩を用いるため，処理コニウムコートを施したガラスも見受けられる。

ストが高く，小型で高付加価値のガラスに適用される。ガラスの厚みが薄くても十分な強度が３．ガラスの強化技術の展望に得られるため，モバイル機器や太陽電池［５］以上述べたように，ガラスは成形と平滑表面化学強化ガラスを適用することでこれらの機器を得ることが容易で，形状と透明性を保ちながの軽量化が進んだ。

ら強度を高められるという特徴があるため，結物理強化の処理工程では，ガラスを７００ ℃晶や高硬度セラミック材料に置き換えられるこ程度の高温に保持した後に，表面を急激に冷却となく広く利用されている。また，ガラスの強する。固化した表面層に対して，ガラス内部が化は，軽量化や，運搬のコストとエネルギーのゆっくりと冷却しながら収縮するため，表面に低減をもたらした。ただし，ガラスに付与する圧縮応力が生じる。この場合，ガラス内の温度圧縮応力をどこまでも高く，深くすることは出分布と膨張差によって応力が決まるので，図２来ない。図２の応力分布の中心部に大きな引張の様に応力分布が放物線状となる。ガラスの厚応力が存在し，この部分にひとたび傷が達する

２ｔ程 度，即みｔに 対 し て 圧 縮 応 力 層 は０．と，ガラスが爆発的に破壊する場合がある。自ち，２ mm の厚みのガラスであれば４００μｍの動車ガラスでは，この現象を活かして，ガラス圧縮応力層が生成される。得られる圧縮応力はが割れた時に破片が小さくなるよう設計されてせいぜい１００〜２００MPa 程度で，化学強化処理いるが，モバイル用のガラスが目の近くで細片で得られる値より小さい。また，ガラスの表面に破損すると大問題である。このため AGC でと内部に温度差がつきにくい薄板ガラスの物理は，市場調査やモックアップ機器の落下実験を強化は難しく，２ ｍｍ以下の厚みのガラスに対通じて，安全と強度の両面で適切な応力分布を応できない。しかし，加熱と急冷の処理が大型。また，どんなガラスに日々検討している［７］のガラスに適用しやすく，処理時間も数分と短も強化処理ができるわけではない。化学強化で時間なので，建築構造部材や自動車ガラスなどあればアルカリイオンの拡散性，残留応力の残に利用される。大型で高強度の構造部材の一つ

りやすさ，物理強化であれば熱膨張係数と熱伝として，ガラスの質感と透明性を広く楽しめる導率がガラスによって異なり，強化しやすさをようになった。東京スカイツリーのガラスの床大きく左右する。コーティング処理により変性や，ガラスの階段，ガラスの橋など，ご覧になするガラスも数多く存在する。ガラスにとってった方もいるだろう。

強化技術は，商品化だけでなく，製造工程におガラスにコーティング処理を行って表面の硬いても重要な要素技術であることから，今後も度を上げ，傷が生成しないようにする方法も有ガラスの組成設計と並行して進めていく必要が効である。最も効果が高く知られているコーテある。

ィング強化の 例 は ビ ー ル 瓶 の 強 化 で あ ろ う。ビール瓶は，生産工程で高硬度な酸化ス［６］ズがコーティングされる。このコーティングにより，瓶が割れなくなったため，ビール瓶の厚みを薄くして重量を従来から２１％ も軽くすることができた。運搬に必要なエネルギーやコストが減り，製造時の瓶同士の接触による破損率

［１］A．
A．
Griffith Philos．
Trans．
Roy．
Soc．
London，A，２２１（１９２１）p．
１６３［２］サファイアの物性値：材料 第３０巻第３３７号（１９８１）p．
１１０１，ダイヤモンドの物性値：Diamondand Related Materials，
１５（２００６）p．
１５７６，ガラスは筆者データ［３］T．
Murata et al．
，
FMC８―１，
IDWʼ１１，p．
１７３５［４］化学強化に関して，例えば A．
K．
Varshneya，も低減した。その他のコーティング技術とし
５

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International Journal of Applied Glass Science１［２］（２０１０）p．
１３１］物 理 強 化 に 関 し て は G．
M．
Bartenev，
Soviet Phys．
―Tech．
Phys．
，
１９（１９４９）p．
１４２３，
本 誌 で も 山 本 ら，
NEW GLASS２３，（２００８）p．
３２に化学強化の記事があ る。ま た，
サファイアと化学強化ガラスの比較に関して A．
K．
Varshneya and P．
Bihuniak，American Ce-６

ramic Society Bulletin，
９６（２０１７）p．
２０も参照
［５］
http : //www．
agc．
com/products/applied̲glass/detail/leoflex．
html［６］鹿毛剛，
日本包装学会誌 Vol．
２０No．
３（２０１１）
p．
２２２
［７］H．
Ohkawa et al．
，
Journal of SID，
２３（２０１５）p．
１１９