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JP7460586B2 - 結晶化ガラス - Google Patents

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Description

本発明は、新規な組成を有する透明な結晶化ガラスに関する。
従来、ガラスは、スマートフォン、タブレット型PCなどの携帯電子機器にディスプレイを保護するためのカバーガラスとして、また、車載用の光学機器にレンズを保護するためのプロテクターとして、使用されている。さらに、近年、電子機器の外装となる筐体などへの利用も求められている。そして、これらの機器が過酷な使用に耐えうるよう、高い強度を有する材料の要求が強まっている。さらに、これらの用途として、高い強度を保ちつつ、かつ透過率の高い材料が求められている。
ガラスの強度を高めたものとして、結晶化ガラスがある。結晶化ガラスはガラス内部に結晶を析出させたものであり、ガラスよりも機械的強度が優れている。
特許文献1には、情報磁気記録媒体用結晶化ガラス基板の材料組成が開示されている。特許文献1ではエンスタタイトなどの結晶相を有するガラスセラミックス基板が、高速回転に対応した高ヤング率を有し情報磁気記録媒体に適することが記載されている。
本発明者らは、特願2020-134653で、新規なガラスを出願している。このガラスは結晶化と化学強化が可能であり、これらにより機械的強度を高めることができる。しかしながら、この出願の実施例で得られる結晶化ガラスの機械的強度を保ちつつ、さらに透過率がよく透明性が高い結晶化ガラスが求められる用途が望まれる。
特開2001-048581
本発明の目的は、強度が高く透明な結晶化ガラスを提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、所定の組成を有するガラスを所定の条件で結晶化させた結晶化ガラスは透過率が高くかつ硬度も高く、化学強化することにより、さらに硬度を高めることができることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明の内容を具体的に以下に示す。
(1)酸化物換算の質量%で、
SiO成分を40.0~55.0%、
Al成分を10.0~30.0%、
MgO成分を10.0~30.0%、
TiO成分を5.0~15.0%、
NaO成分を0超~8.0%
含有し、ビッカース硬度(Hv)が700以上であり、1mm厚の試料について400nmにおける分光透過率が50%以上であることを特徴とする結晶化ガラス。
(2)酸化物換算の質量%で、
成分を0~5.0%、
成分を0~5.0%、
LiO成分を0~4.0%、
O成分を0~5.0%、
CaO成分を0~5.0%、
SrO成分を0~5.0%、
BaO成分を0~5.0%、
ZnO成分を0~5.0%、
ZrO成分を0~8.0%、
Sb成分を0~2.0%
含有する(1)に記載の結晶化ガラス。
(3)粒径が1nm~50nmの粒状微結晶を含む(1)または(2)に記載の結晶化ガラス。
(4)表面に圧縮応力層を有する強化ガラスである(1)~(3)のいずれかに記載の結晶化ガラス。
本発明によれば、強度が高く透明な結晶化ガラスを得ることができる。
本発明の結晶化ガラスまたは強化した結晶化ガラスは、高い強度と透明性を活かして機器の保護部材などに使用することができる。スマートフォンのカバーガラスや筐体、タブレット型PCやウェアラブル端末などの携帯電子機器の部材として利用したり、車や飛行機などの輸送機体で使用される保護プロテクターやヘッドアップディスプレイ用基板などの部材として利用可能である。また、その他の電子機器や機械器具類、建築部材、太陽光パネル用部材、プロジェクタ用部材、眼鏡や時計用のカバーガラス(風防)などに使用可能である。
実施例4で得られた結晶化ガラスの結晶相のTEM写真である。 実施例4で得られた結晶化ガラスの結晶相の電子回折パターンである。 比較例1で得られた結晶化ガラスの結晶相のTEM写真である。 比較例1で得られた結晶化ガラスの結晶相の電子回折パターンである。 実施例4および比較例1で得られた1mm厚の結晶化ガラス基板の、波長に対する透過率を示す図である。
以下、本発明の実施形態および実施例について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態および実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
結晶化ガラスは、ガラスを熱処理することでガラス内部に結晶を析出させて得ることができる。一般的に、結晶化ガラスの結晶相は、X線回折分析のX線回折図形において現れるピークの角度、および必要に応じて電子回折法を用いて判別される。
本発明の結晶化ガラスは、例えば、結晶相として、(Mg,Ti)O、 MgAlSi、MgSiO、MgTi、MgSiO、NaTiSiO、MgAl、MgAlSi12またはこれらの固溶体を含む。
これらの結晶は、粒径の下限は1nm以上であることが好ましく、粒径の上限は50nm以下、より好ましくは30nm以下、さらに好ましくは20nm以下の粒状微結晶を含む。
ガラスおよび結晶化ガラス(以下、単にガラスともいう)の構成成分の含有量の記載において、「酸化物換算の質量%」とは、ガラス構成成分が全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、当該酸化物の総量を100質量%としたときの、ガラス中に含有される各成分の酸化物の量を、質量%で表記したものである。本明細書において、各成分の含有量は、特に断りがない場合、「酸化物換算の質量%」で表示する。
本明細書において、A~B%はA%以上B%以下を表す。また、「0~C%を含有する」の0は、含有量が0%であることを意味する。
以下、具体的に、本発明のガラスを構成する各成分の組成範囲を述べる。
SiO成分は、ガラス網目構造を形成する必須成分である。SiO成分の含有量は、例えば、40.0%以上、41.0%以上、または42.0%以上を下限とできる。SiO成分の含有量は、例えば、55.0%以下、50.0%以下、49.0%以下、または48.0%以下を上限とできる。
Al成分は、SiOと同様にガラス網目構造を形成し、結晶化前のガラスの熱処理により結晶相を構成する成分になりうる必須成分である。また、機械的強度の向上に寄与する成分である。Al成分の含有量は、例えば、10.0%以上、13.5%以上、または15.0%以上を下限とできる。Al成分の含有量は、例えば、30.0%以下、25.0%以下、または23.0%以下を上限とできる。
MgO成分は、結晶相を構成しうる成分の一つであり、必須成分である。また、機械的強度の向上に寄与する成分である。MgO成分の含有量は、例えば、10.0%以上、13.5%以上、または15.0%以上を下限とできる。MgO成分の含有量は、例えば、30.0%以下、25.0%以下、または23.0%以下を上限とできる。
TiO成分は、結晶を析出させるための核形成の役割を果たす必須成分である。また、機械的強度の向上に寄与する成分である。TiO成分の含有量は、例えば、5.0%以上、6.0%以上、または7.0%以上を下限とできる。TiO成分の含有量は、例えば、15.0%以下、14.0%以下、または13.0%以下を上限とできる。
NaO成分は、化学強化に関与し、機械的強度の向上に寄与する必須成分である。NaO成分の含有量は、例えば、0%超、0.5%以上、1.0%以上、2.0%以上、または3.0%以上を下限とできる。
NaO成分を8.0%以下とすると、ガラスが失透、分相または不均一化することを抑えることができる。従って、NaO成分の含有量は、例えば、8.0%以下、6.0%以下、5.0%以下、または4.5%以下を上限とできる。
成分、P成分は、任意成分として添加することができる。任意成分とは、含んでもよいし含まなくてもよい成分である。含有量は0%以上とできる。
これら成分の含有量は、それぞれ、例えば、5.0%以下、3.0%以下、または2.0%以下を上限とできる。B成分の含有量を0~2.0%未満または0~1.0%としてもよい。
LiO成分は、化学強化に関与し、機械的強度の向上に寄与する任意成分である。
LiO成分を4.0%以下とすると、ガラスが失透、分相または不均一化することを抑えることができる。従って、LiO成分の含有量は、例えば、4.0%以下、3.0%以下、2.0%以下、または1.0%以下を上限とできる。
NaO成分とLiO成分は共に化学強化に関与するが、合計の含有量を5.0%以下とすると、失透性が悪くなることを抑えることができるため、合計の含有量は、5.0%以下が好ましく、4.0%以下がより好ましい。
O成分、CaO成分、SrO成分、BaO成分およびZnO成分は、任意成分として添加することができる。これら成分の含有量は、それぞれ、例えば、5.0%以下、3.0%以下、または2.0%以下を上限とできる。
特に、CaO成分、SrO成分については、0%超含有した場合には、機械的強度の向上のため、好ましくは0%超、より好ましくは0.5%以上を下限とできる。
ZrO成分は、結晶を析出させるための核形成の役割を果たすことができる任意成分である。ZrO成分の含有量は、例えば、8.0%以下、5.0%以下、または3.0%以下を上限とできる。
ガラスは、本発明の効果を損なわない範囲で、Gd成分、TeO成分、FeO成分、La成分、Y成分、Nb成分、Ta成分、WO成分を、任意成分としてよい。各々の成分の含有量は0~2.0%、または0.5~1.0%とできる。
ガラスは、清澄剤として、Sb成分、SnO成分およびCeO成分から選択される1以上を0~2.0%、好ましくは0.005~1.0%、さらに好ましくは0.01~0.5%含むことができる。
Pb、Th、Cd、Tl、Os、BeおよびSeの各成分は、近年有害な化学物質として使用を控える傾向にあるため、これらを実質的に含有しないことが好ましい。
上記の配合量は適宜組み合わせることができる。
SiO成分、Al成分、MgO成分、TiO成分およびNaO成分を合計して、80.0%以上、85.0%以上、90.0%以上、92.0%以上、または95.0%以上とすることができる。
本発明の強化結晶化ガラスは、その表面に圧縮応力層を有する。最表面を深さゼロとすると、最表面の圧縮応力(表面圧縮応力)がCSである。圧縮応力が0MPaのときの圧縮応力層の深さをDOLzeroとする。
表面に圧縮応力層を形成することでクラックの延伸を抑え機械的強度を高めることができる。圧縮応力層の表面圧縮応力値(CS)は200MPa以上が好ましく、350MPa以上がより好ましく、450MPa以上がさらに好ましい。CSの上限は、例えば、1000MPa以下または900MPa以下とすることができる。
中心引張応力(CT)は、3MPa以上が好ましく、4MPa以上がより好ましく、10MPa以上がさらに好ましい。CTの上限は、例えば、60MPa以下または50MPa以下とすることができる。
圧縮応力層が深いと、表面に深いクラックが生じてもクラックが延伸したり、基板が割れたりするのを抑えることができる。圧縮応力層の深さ(DOLzero)は、4μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましく、10μm以上がさらに好ましい。上限は、例えば、80μm以下また60μm以下とすることができる。
ガラス基板の厚さの下限は、例えば、0.10mm以上、0.20mm以上または0.40mm以上としてよい。ガラス基板の厚さの上限は、例えば、10.00mm以下、5.00mm以下、1.00mm以下、0.90mm以下または0.80mm以下としてよい。
結晶化ガラスまたは強化結晶化ガラスは、実施例で測定したビッカース硬度(Hv)が、好ましくは700以上、より好ましくは800以上である。このような耐衝撃性を有することで、保護部材として使用した際に落下時の衝撃に耐えることができる。
結晶化ガラスまたは強化結晶化ガラスは、400nmの分光透過率が好ましくは50.00%以上、より好ましくは60.00%以上、最も好ましくは70.00%以上であることが望ましい。
結晶化ガラスまたは強化結晶化ガラスは、可視光透過率、特に可視光のうち短波長側の光の透過率が高く、それにより着色が少ないことが好ましい。
本発明の結晶化ガラスまたは強化結晶化ガラスの厚み1mmのサンプルで分光透過率80%を示す最も短い波長(λ80)は、好ましくは500nm以下、より好ましくは480nm以下、さらに好ましくは450nm以下を上限とする。分光透過率80%を示す最も短い波長(λ80)は、例えば、200nm以上または300nm以上を下限とできる。
本発明の結晶化ガラスまたは強化結晶化ガラスの厚み1mmのサンプルで分光透過率5%を示す最も短い波長(λ5)は、好ましくは400nm以下、より好ましくは380nm以下、さらに好ましくは350nm以下を上限とする。分光透過率5%を示す最も短い波長(λ5)は、例えば、150nm以上または200nm以上を下限とできる。
本発明のガラスおよび結晶化ガラスは、例えば、以下の方法で製造できる。
原料を均一に混合し、作製した混合物を熔融、攪拌することにより均質化した後に、成形、徐冷することで、ガラスを製造する。次にこのガラスを結晶化して結晶化ガラスを作製する。さらに結晶化ガラスを母材として化学強化すると強化結晶化ガラスが形成できる。
ガラスは、熱処理しガラス内部に結晶を析出させる。この熱処理は、1段階でもよく2段階の温度で熱処理してもよい。結晶化ガラスが白濁して透過率が低下しないように、結晶化温度と時間を調整する。
2段階熱処理では、まず第1の温度で熱処理することにより核形成工程を行い、この核形成工程の後に、核形成工程より高い第2の温度で熱処理することにより結晶成長工程を行う。
1段階熱処理では、1段階の温度で核形成工程と結晶成長工程を連続的に行う。通常、所定の熱処理温度まで昇温し、当該熱処理温度に達した後に一定時間その温度を保持し、その後、降温する。
1段階の温度で熱処理する場合、例えば、熱処理の温度が600℃~750℃のとき、熱処理の温度での保持時間は、30分~500分が好ましく、60分~400分がより好ましい。例えば、熱処理の温度が750℃を超えるとき、熱処理の温度での保持時間は、30分未満が好ましい。
圧縮応力層の形成方法としては、例えば結晶化ガラス基板の表面層に存在するアルカリ成分を、それよりもイオン半径の大きなアルカリ成分と交換反応させ、表面層に圧縮応力層を形成する化学強化法がある。また、結晶化ガラス基板を加熱し、その後急冷する熱強化法、結晶化ガラス基板の表面層にイオンを注入するイオン注入法がある。
化学強化法は、例えば次のような工程で実施することができる。結晶化ガラスを、カリウムまたはナトリウムを含有する塩、例えば硝酸カリウム(KNO)、硝酸ナトリウム(NaNO)またはその混合塩や複合塩の溶融塩に接触または浸漬させる。この溶融塩に接触または浸漬させる処理(化学強化処理)は、1段階でもよく2段階で処理してもよい。
例えば2段階化学強化処理の場合、第1に350℃~550℃で加熱したナトリウム塩またはカリウムとナトリウムの混合塩に1~1440分接触または浸漬させる。続けて第2に350℃~550℃で加熱したカリウム塩またはカリウムとナトリウムの混合塩に1~1440分接触または浸漬させる。
1段階化学強化処理の場合、350℃~550℃で加熱したカリウムまたはナトリウムを含有する塩、またはその混合塩に1~1440分、好ましくは90~600分接触または浸漬させる。
熱強化法については、特に限定されないが、例えば結晶化ガラスを、300℃~600℃に加熱した後に、水冷および/または空冷などの急速冷却を実施することにより、結晶化ガラス基板の表面と内部の温度差によって、圧縮応力層を形成することができる。なお、上記化学処理法と組み合わせることにより、圧縮応力層をより効果的に形成することもできる。
イオン注入法については、特に限定されないが、例えば結晶化ガラス(母材)表面に任意のイオンを母材表面が破壊しない程度の加速エネルギー、加速電圧にて衝突させることで母材表面にイオンを注入する。その後必要に応じて熱処理を行うことにより、他方法と同様に表面に圧縮応力層を形成することができる。
実施例1~6、比較例1,2
1.ガラスと結晶化ガラスの製造
ガラスの各成分の原料として各々相当する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、弗化物、塩化物、メタ燐酸化合物などの原料を選定し、これらの原料を表1に記載の組成(質量%)になるように秤量して均一に混合した。
次に、混合した原料を白金坩堝に投入し、ガラス組成の熔融難易度に応じて電気炉で1300℃から1540℃の温度範囲で熔融した。その後、熔融したガラスを攪拌して均質化してから金型に鋳込み、徐冷してガラスを作製した。
得られたガラスに対し、表1に示す結晶化温度で1段階熱処理を施し、結晶化ガラスを作製した。実施例1~6では750℃で360分保持し、比較例1,2では800℃で360分保持した。実施例1~6の結晶化ガラスは透明であり、比較例1,2の結晶化ガラスは白濁していた。尚、比較例1,2で用いたガラスは実施例1,2と同じ組成であり、比較例1,2は実施例1,2と結晶化温度だけが異なる。
得られた実施例4,比較例1の結晶化ガラスについて、TEMにより結晶の有無を確認した。結晶相の確認には、200kV-電界放出型透過電子顕微鏡JEM-2100F(日本電子製)を用い、観察時加速電圧200kVで測定することにより行った。実施例4のTEM写真を図1に、電子回折パターンを図2に示す。実施例1~6の結晶相として、(Mg,Ti)Oが含まれていることが確認された。比較例1のTEM写真を図3に電子回折パターンを図4に示す。
2.結晶化ガラスの化学強化
作製した結晶化ガラスを切断および研削し、実施例1~6および比較例1,2については厚さが1.00mmになるように対面平行研磨し、結晶化ガラス基板を得た。
実施例1~6および比較例1,2では、結晶化ガラス基板を、KNO塩浴に500℃8時間(480分)浸漬させ、化学強化を行い、強化結晶化ガラスを得た。
3.結晶化ガラスおよび強化結晶化ガラスの評価
結晶化ガラスおよび強化結晶化ガラスについて以下の評価を実施した。結果を表2に示す。
(1)ビッカース硬度測定
結晶化ガラス(強化前)と強化結晶化ガラス(強化後)のビッカース硬度(Hv)を表2に示す。ビッカース硬度は、対面角が136°のダイヤモンド四角錐圧子を用いて、試験面にピラミッド形状のくぼみをつけたときの荷重を、くぼみの長さから算出した表面積(mm)で割った値で示した。(株)島津製作所マイクロビッカース硬度計HMV-G21Dを用い、試験荷重200gf、保持時間15秒で測定した。
(2)分光透過率
日本光学硝子工業会規格JOGIS-02(2019)「光学ガラスの着色度測定方法」を参考に、結晶化ガラス(強化前)の厚さ1mmの対面平行研磨試料の分光透過率を、日立製作所製
分光光度計U-4100を用いて測定した。
λ80およびλ5は、分光透過率曲線において80%および5%の透過率を示す波長(nm)である。
実施例1~6の結晶化ガラスは400nmにおける分光透過率は50%以上であった。比較例1,2の結晶化ガラスは400nmにおける分光透過率は約13%であった。
図5に、実施例4および比較例1で得られた1mm厚の結晶化ガラス基板の、波長に対する透過率を示す。
(3)結晶径
粒状微結晶の粒径(直径)は、TEM画像より求めた。実施例4の結晶化ガラスは、粒径5~15nmの粒状微結晶を含んでいた。比較例1の結晶化ガラスは、実施例1~6の結晶化ガラスの粒径より大きく、粒径50~100nmの粒状微結晶を含んでいた。
(4)応力測定
強化結晶化ガラス基板について応力測定をした。結果を表2に示す。表面圧縮応力値(CS)は、折原製作所製のガラス表面応力計FSM-6000LEシリーズを用いて測定した。CS測定において用いられる測定機の光源は、596nmの波長の光源を選択した。CS測定に用いる屈折率は、596nmの屈折率の値を使用した。なお、波長596nmにおける屈折率の値は、JIS B 7071-2:2018に規定されるVブロック法に準じてC線、d線、F線、g線の波長における屈折率の測定値から二次の近似式を用いて算出した。
CS測定に用いる596nmの光弾性定数の値は、波長435.8nm、波長546.1nm、波長643.9nmにおける光弾性定数の測定値から二次の近似式を用いて算出した。
圧縮応力層の深さDOLzero(μm)および中心引張応力(CT)は、散乱光光弾性応力計SLP-1000を用いて測定した。DOLzeroおよびCT測定に用いられる測定光源の波長は640nmの波長の光源を選択した。
DOLzeroおよびCT測定に用いる屈折率は、640nmの屈折率の値を使用した。なお、波長640nmにおける屈折率の値は、JIS B 7071-2:2018に規定されるVブロック法に準じてC線、d線、F線、g線の波長における屈折率の測定値から二次の近似式を用いて算出した。
DOLzeroおよびCT測定に用いる測定に用いる640nmの光弾性定数の値は、波長435.8nm、波長546.1nm、波長643.9nmにおける光弾性定数の測定値から二次の近似式を用いて算出した。
表2に示されるように、実施例の結晶化ガラスは、比較例1,2の結晶化ガラスが白濁しているのに対し、透明であった。結晶化ガラスは、化学強化でき、ビッカース硬度がさらに高くなった。

Figure 0007460586000001





Figure 0007460586000002

Claims (4)

  1. 酸化物換算の質量%で、
    SiO成分を40.0~55.0%、
    Al成分を10.0~30.0%、
    MgO成分を10.0~30.0%、
    TiO成分を5.0~15.0%、
    NaO成分を0超~8.0%
    ZnO成分を0~5.0%
    含有し、ビッカース硬度(Hv)が700以上であり、1mm厚の試料について400nmにおける分光透過率が50%以上であることを特徴とする結晶化ガラス。
  2. 酸化物換算の質量%で、
    成分を0~5.0%、
    成分を0~5.0%、
    Li 成分を0~4.0%、
    O成分を0~5.0%、
    CaO成分を0~5.0%、
    SrO成分を0~5.0%、
    BaO成分を0~5.0%
    rO成分を0~8.0%、
    Sb成分を0~2.0%
    含有する請求項1に記載の結晶化ガラス。
  3. 粒径が1nm~50nmの粒状微結晶を含む請求項1または2に記載の結晶化ガラス。
  4. 表面に圧縮応力層を有する強化ガラスである請求項1~3のいずれかに記載の結晶化ガラス。
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