特許 5886836 イオン交換可能なガラス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5886836

(24)【登録日】2016年2月19日

(45)【発行日】2016年3月16日

(54)【発明の名称】イオン交換可能なガラス

(51)【国際特許分類】

   C03C 3/097 20060101AFI20160303BHJP

   C03C 21/00 20060101ALI20160303BHJP

   G06F 3/041 20060101ALI20160303BHJP

【ＦＩ】

   C03C3/097

   C03C21/00 101

   G06F3/041

【請求項の数】10

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2013-512114(P2013-512114)

(86)(22)【出願日】2011年5月23日

(65)【公表番号】特表2013-533838(P2013-533838A)

(43)【公表日】2013年8月29日

(86)【国際出願番号】US2011037506

(87)【国際公開番号】WO2011149811

(87)【国際公開日】20111201

【審査請求日】2014年5月23日

(31)【優先権主張番号】12/788,525

(32)【優先日】2010年5月27日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】397068274

【氏名又は名称】コーニング インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100090468

【弁理士】

【氏名又は名称】佐久間 剛

(72)【発明者】

【氏名】チャップマン，クリスティ リン

(72)【発明者】

【氏名】デジュネカ，マシュー ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】ゴメス，シニュエ

(72)【発明者】

【氏名】ランバーソン，リサ エイ

【審査官】 相田 悟

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０３０８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１１５０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８４０７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５７５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０７０４４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０３Ｃ １／００〜２３／００

ＩＮＴＥＲＧＬＡＤ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスであって、リチウムを含まず、０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅および少なくとも５モル％のＡｌ₂Ｏ₃を含み、モル％で表して、ΣＲ’Ｏ（Ｒ’＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）≦０．５Ｐ₂Ｏ₅であり、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、銅、タリウムおよび銀の内の少なくとも１つによりイオン交換可能であり、さらに少なくとも１００キロポアズの液相線粘度を有することを特徴とする、イオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラス。

【請求項2】

該ガラスにおいて、カリウムが少なくとも１．１×１０^-10ｃｍ²／秒の４１０℃での拡散係数を有することを特徴とする請求項１記載のイオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラス。

【請求項3】

２０μｍから１５０μｍまでの範囲のイオン交換深さを有し、少なくとも２００ＭＰａの圧縮応力を有する外層を有することを特徴とする、イオン交換された請求項１記載のアルミノケイ酸塩ガラス。

【請求項4】

少なくとも１種類の一価の金属酸化物改質剤Ｒ₂Ｏを含み、モル％で表して、Ｐ₂Ｏ₅≦［Σ（Ｒ₂Ｏ）−Ａｌ₂Ｏ₃］であることを特徴とする請求項１または２記載のイオン交換なアルミノケイ酸塩ガラス。

【請求項5】

５６〜７２モル％のＳｉＯ₂、５〜１８モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０〜１５モル％のＢ₂Ｏ₃、０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅、３〜２５モル％のＮａ₂Ｏ、および０〜５モル％のＫ₂Ｏを含むアルカリアルミノケイ酸塩ガラスであることを特徴とする請求項１または２記載のイオン交換なアルミノケイ酸塩ガラス。

【請求項6】

ガラス物品を強化する方法において、
ａ． ０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅、少なくとも５モル％のＡｌ₂Ｏ₃、および複数の第１の一価の陽イオンを含み、モル％で表して、ΣＲ’Ｏ（Ｒ’＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）≦０．５Ｐ₂Ｏ₅であり、さらに（ｃｍ²／秒）で表されるカリウムイオンの拡散係数Ｄ＞ｅｘｐ（−３．８９６５−１３２４０／Ｔ）を有し、式中、Ｔはケルビン（Ｋ）で表される温度であるイオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスからなるガラス物品を提供する工程、
ｂ． 前記第１の一価の陽イオンの少なくとも一部を、該第１の一価の陽イオンとは異なる第２の一価の陽イオンで、前記ガラス物品において２０μｍから１５０μｍの範囲の深さまで交換する工程であって、該ガラス物品における前記第１の陽イオンの第２の陽イオンによる交換によって、該ガラス物品の表面に隣接する領域に圧縮応力が生じる工程、
を有してなる方法。

【請求項7】

前記第１の一価の陽イオンの少なくとも一部を前記第２の一価の陽イオンで交換する工程が、Ｎａ⁺イオンをＫ⁺イオンで前記ガラス物品において２０μｍから１５０μｍの範囲の深さまで交換する工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。

【請求項8】

前記イオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスが、リチウムを含まず、かつ５６〜７２モル％のＳｉＯ₂、５〜１８モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０〜１５モル％のＢ₂Ｏ₃、０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅、３〜２５モル％のＮａ₂Ｏ、および０〜５モル％のＫ₂Ｏを含むアルカリアルミノケイ酸塩ガラスであることを特徴とする請求項６または７記載の方法。

【請求項9】

前記ガラスにおいて、カリウムが少なくとも１．１×１０^-10ｃｍ²／秒の４１０℃での拡散係数を有することを特徴とする請求項６または７記載の方法。

【請求項10】

前記イオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスを提供する工程が、前記イオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスをダウンドロー法により形成する工程を含むことを特徴とする請求項６または７記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の説明】

【0001】

本出願は、米国法典第３５編第１１９条（ｅ）の下で、２０１０年５月２７日に出願された米国特許出願第１２／７８８５２５号の優先権の恩恵を主張するものである。

【技術分野】

【0002】

本発明は、イオン交換可能なガラスに関する。

【背景技術】

【0003】

化学強化ガラスが、タッチスクリーンおよびアプリケーションに使用されている。現在、多くのガラスは、表面で少なくとも５００ＭＰａの圧縮応力を有する、５０マイクロメートル超の深さの圧縮層を得るために、８から１０時間に亘り溶融塩浴中の浸漬によってイオン交換されなければならない。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅を含むイオン交換可能なガラスが提供される。Ｐ₂Ｏ₅の存在により、Ｐ₂Ｏ₅を含有しない類似のガラスよりも、より速く、より深く、ガラスをイオン交換できる。

【0005】

したがって、本開示の１つの態様は、イオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスを提供することにある。このイオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスは、リチウムを含まず、０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅および少なくとも５モル％のＡｌ₂Ｏ₃を含む。このガラスは、少なくとも１００キロポアズの液相線粘度を有する。

【0006】

本開示の別の態様は、イオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスを強化する方法を提供することにある。この方法は、０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅、少なくとも５モル％のＡｌ₂Ｏ₃、および複数の第１の一価陽イオンを含むイオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスを提供する工程、およびガラス物品中の少なくとも２０μｍの深さまで、前記第１の一価陽イオンの少なくとも一部分を、該第１の一価陽イオンとは異なる第２の一価陽イオンと交換する工程を有してなる。ガラス物品中の第１の陽イオンが第２の陽イオンによる交換で、ガラス物品の表面に隣接した領域に圧縮応力が形成される。

【0007】

これらと他の態様、利点、および顕著な特徴は、以下の詳細な説明、添付図面、および付随の特許請求の範囲から明白になるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】イオン交換により強化されたガラス板の断面図

【図2】Ｐ₂Ｏ₅の含有量の関数としてイオン交換済みアルカリアルミノケイ酸塩ガラス中の圧縮層の深さと圧縮応力をプロットしたグラフ

【図3】Ｐ₂Ｏ₅の含有量の関数としてイオン交換済みアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの質量変化をプロットしたグラフ

【図4】アルカリアルミノケイ酸塩ガラスへのＰ₂Ｏ₅の添加の関数として圧縮層の深さと圧縮応力をプロットしたグラフ

【図5】アルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＰ₂Ｏ₅の濃度の関数としてカリウム拡散係数をプロットしたグラフ

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下の説明において、類似の参照文字が、図面に示されたいくつかの図に亘り類似のまたは対応する部品を指す。別記しない限り、「上」、「下」、「外側」、「内側」などの用語は、便宜上の単語であり、制限用語と考えるべきではない。その上、群が、成分およびその組合せの群の内の少なくとも１つを含むと記載されているときはいつでも、その群が、列挙されたそれらの成分のどれも、個別かまたは互いの組合せのいずれかで、含む、から実質的になる、またはからなるものであってよいと理解される。同様に、群が、成分およびその組合せの群の内の少なくとも１つからなると記載されているときはいつでも、その群が、列挙されたそれらの成分のどれも、個別かまたは互いの組合せのいずれかで、からなるものであってよいと理解される。別記しない限り、値の範囲は、列挙された場合、その範囲の上限と下限の両方を含む。別記しない限り、成分および化合物の全ての濃度は、モルパーセント（モル％）で表される。

【0010】

一般に図面を、特に図１を参照すると、図解は、特定の実施の形態を説明する目的のためであり、本開示または付随の特許請求の範囲をそれに制限することは意図されていないことが理解されよう。図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、その図面の特定の特徴および特定の視野は、明瞭さと簡略さのために、縮尺または図式において誇張されて示されているかもしれない。

【0011】

化学強化ガラスは、携帯電話、携帯式インターネット端末、エンターテインメント装置、ラップトップコンピュータおよびノート型コンピュータなどを含む、携帯式家庭用家電製品におけるタッチスクリーンおよび高耐久化ディスプレイなどのディスプレイ用途に使用されている。アルミノケイ酸塩ガラスおよびアルカリアルミノケイ酸塩ガラスなどのある種のガラスは、イオン交換として知られているプロセスによって化学的に強化することができる。このプロセスにおいて、ガラスの表面層中のイオンが、ガラスの表面層中のイオンと同じ価数または酸化状態を有するより大きなイオンにより置換される、すなわち、交換される。ガラスが、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含む、から実質的になる、またはからなる実施の形態において、ガラスの表面層中のイオンおよびより大きなイオンは、Ｌｉ⁺（ガラス中に存在する場合）、Ｎａ⁺、Ｋ⁺、Ｒｂ⁺、およびＣｓ⁺などの一価のアルカリ金属陽イオンである。あるいは、表面層中の一価の陽イオンは、Ａｇ⁺、Ｃｕ⁺、Ｔｌ⁺などの、アルカリ金属陽イオン以外の一価の陽イオンにより交換されてもよい。その上、そのような陽イオンは、最初に、ガラス自体に存在し得る。

【0012】

イオン交換プロセスは、概して、アルミノケイ酸塩ガラスを、そのガラス中のより小さいイオンと交換されるべきより大きいイオンを含有する溶融塩浴中に浸漬する工程を含む。一例として、アルカリ金属含有ガラスのイオン交換は、以下に限られないが、より大きいアルカリ金属イオンの硝酸塩、硫酸塩、および塩化物などの塩を含有する少なくとも１つの溶融塩浴中の浸漬により行ってよい。溶融塩浴の温度は、概して、約３８０℃から約４５０℃までの範囲にあり、浸漬時間は約２時間から約１６時間に及ぶ。そのようなイオン交換処理は、概して、圧縮応力（ＣＳ）下にある外側表面層（ここでは、「層の深さ」または「ＤＯＬ」とも称する）を有する強化済みアルカリアルミノケイ酸塩ガラスをもたらす。

【0013】

イオン交換により強化されたガラス板の断面図が図１に示されている。強化ガラス板１００は、厚さｔ、互いに実質的に平行な第１の表面１１０と第２の表面１２０、中央部分１１５、および第１の表面１１０を第２の表面１２０に接続する縁１３０を有する。強化ガラス板１００は、イオン交換により化学的に強化されており、各表面の下に、それぞれ、深さｄ₁，ｄ₂まで、第１の表面１１０および第２の表面１２０から延在する強化表面層１１２，１２２を有する。強化表面層１１２，１２２は圧縮応力下にあるのに対し、中央部分１１５は引張応力下、または張力下にある。中央部分１１５における引張応力は、強化表面層１１２，１２２における圧縮応力と釣り合い、それゆえ、強化ガラス板１００内に平衡を維持する。強化表面層１１２，１２２が延在する深さｄ₁，ｄ₂は、一般に、「層の深さ（ＤＯＬ）」と個別に称される。縁１３０の一部分１３２も、強化プロセスの結果として強化されているであろう。強化ガラス板１００の厚さｔは、一般に、約０．１ｍｍから約３ｍｍまでの範囲にある。１つの実施の形態において、厚さｔは、約０．５ｍｍから約１．３ｍｍまでの範囲にある。平面のガラス板１００が図１に示されているが、三次元形状などの他の非平面構造も可能である。その上、そのガラス板の１つの表面をイオン交換によって強化しても差し支えない。

【0014】

表面で５０μｍ超の圧縮層の所望の深さおよび／または少なくとも５００ＭＰａの所望の圧縮応力を達成するために、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、概して、８から１０時間に亘りイオン交換によって化学強化を受ける。

【0015】

イオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスであって、そのようなガラスに以前に観察された速度より４倍まで速い速度でイオン交換を受けられるガラスおよびそのガラスから製造された物品がここに記載されている。アルミノケイ酸塩ガラスは、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、銅、銀、タリウムなどの内の少なくとも１つによりイオン交換可能である。

【0016】

ここに記載されたガラスは、リチウムを実質的に含まず（すなわち、リチウムは、最初のバッチ配合中またはその後のイオン交換中に積極的に加えられないが、不純物として存在するかもしれない）、約０．１モル％から約１０モル％のＰ₂Ｏ₅および少なくとも５モル％のＡｌ₂Ｏ₃を含む。このガラスは、ガラスを当該技術分野に公知のダウンドロー（例えば、スロットドローまたはフュージョンドロー）方法により形成できるようにする、少なくとも１００キロポアズの、いくつかの実施の形態において、少なくとも１３５キロポアズの液相線粘度を有する。選択された実施の形態において、そのガラスは、少なくとも２メガポアズ（Ｍポアズ）の液相線粘度を有する。

【0017】

いくつかの実施の形態において、Ｐ₂Ｏ₅濃度は、金属酸化物改質剤の総濃度Σ（Ｒ₂Ｏ）とＡｌ₂Ｏ₃濃度との間の差以下である、すなわち、Ｐ₂Ｏ₅≦［Σ（Ｒ₂Ｏ）−Ａｌ₂Ｏ₃］。１つの実施の形態において、ガラスは、少なくとも１種類の一価の金属酸化物改質剤−例えば、Ａｇ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、Ｒｂ₂Ｏ、および／またはＣｓ₂Ｏを含むアルカリアルミノケイ酸塩ガラスである。そのようなガラスにおいて、Ｐ₂Ｏ₅濃度は、アルカリ金属酸化物改質剤の総濃度とＡｌ₂Ｏ₃濃度との間の差以下である、すなわち、Ｐ₂Ｏ₅≦［（Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ＋Ｒｂ₂Ｏ＋Ｃｓ₂Ｏ）−Ａｌ₂Ｏ₃］。Ｐ₂Ｏ₅濃度がアルカリ改質剤の量を超えると、耐火性バッチ石およびリン酸アルミニウム包有物がガラス中に形成し始める。ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、およびＢａＯなどのアルカリ土類酸化物が相分離および／または失透を生じさせ得る。その結果、アルカリ土類酸化物の総濃度は、Ｐ₂Ｏ₅濃度のほぼ半分以下に制限すべきである、すなわち、ΣＲ’Ｏ（Ｒ’＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）≦０．５Ｐ₂Ｏ₅。同様に、改質剤が、Ａｇ₂Ｏ、Ｃｕ₂Ｏ、またはＴｌ₂Ｏなどの他の金属酸化物である実施の形態において、Ｐ₂Ｏ₅濃度は、金属酸化物改質剤の総濃度とＡｌ₂Ｏ₃濃度との間の差以下である、すなわち、Ｐ₂Ｏ₅≦［（Ｒ₂Ｏ＋Ａｇ₂Ｏ＋Ｔｌ₂Ｏ＋Ｃｕ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃）］、式中、Ｒ₂Ｏ＝（Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ＋Ｒｂ₂Ｏ＋Ｃｓ₂Ｏ）。

【0018】

１つの実施の形態において、イオン交換可能なアルミノケイ酸塩ガラスは、５６〜７２モル％のＳｉＯ₂、５〜１８モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０〜１５モル％のＢ₂Ｏ₃、０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅、３〜２５モル％のＮａ₂Ｏ、および０〜５モル％のＫ₂Ｏを含み、から実質的になり、またはからなり、かつリチウムを含まない。アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、いくつかの実施の形態において、０〜４モル％のＣａＯ、０〜１モル％のＭｇＯ、および０．５モル％までのＳｎＯ₂の内の少なくとも１つをさらに含む。ここに記載されたガラスの例示の組成が、表１に列挙されている。これらのガラスの歪み点、徐冷点、軟化点、熱膨張係数（ＣＴＥ）、密度、モル体積、応力光係数（ＳＯＣ）、および液相線温度を含む物理的性質が表２に列挙されている。表３は、４１０℃または３７０℃いずれかでのＫＮＯ₃浴中の８時間に亘るイオン交換後の選択されたガラスに関する圧縮応力（ＣＳ）、層の深さ（ＤＯＬ）、およびカリウム拡散係数（Ｄ）を列挙している。別の実施の形態において、５６〜７２モル％のＳｉＯ₂、５〜１８モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０〜１５モル％のＢ₂Ｏ₃、０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅、および２〜２０モル％のＡｇ₂Ｏを含む、から実質的になる、またはからなるアルミノケイ酸塩ガラスである。このガラスは、同様に、いくつかの実施の形態において、リチウムを含まない。

【0019】

アルミノケイ酸塩またはアルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＰ₂Ｏ₅の存在により、ガラス中に存在するより小さい陽イオンのより大きい陽イオンによるイオン交換速度が加速する。特に、Ｐ₂Ｏ₅の存在により、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＮａ⁺イオンのＫ⁺イオンによるイオン交換速度が加速する。表１〜３に列挙されたデータは、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスのイオン交換および物理的性質へのＰ₂Ｏ₅濃度の影響を示している。図２の曲線ａ〜ｄは、Ｐ₂Ｏ₅濃度が増加するにつれて、イオン交換済みアルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＤＯＬが増加することを示しているのに対し、曲線ｅ〜ｈは、異なる浴温度（４１０℃、３７０℃）および時間（８、１５、および６４時間）で、イオン交換済みアルカリアルミノケイ酸塩ガラスに関して、Ｐ₂Ｏ₅濃度が増加するにつれて、圧縮応力ＣＳが減少することを示している。点１および２は、イオン交換され、徐冷された、Ｐ₂Ｏ₅を含有しないアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの基準サンプル（表１〜３のサンプル１）の、それぞれ、圧縮応力および層の深さを表す。表３に列挙された選択されたイオン交換済みアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの質量増加が、図３のＰ₂Ｏ₅濃度の関数としてプロットされている。図３に示された質量増加は、異なるイオン交換条件について−異なる浴温度（４１０℃、３７０℃）および時間（８、１５、および６４時間）について、測定し、ガラス中のＮａ⁺イオンのより重いＫ⁺イオンによる交換の程度を反映している。図３の点３は、徐冷され、イオン交換された、Ｐ₂Ｏ₅を含有しないアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの基準サンプル（表１〜３のサンプル１）について観察された質量変化を表す。Ｐ₂Ｏ₅含有量による質量の安定した増加は、ここに記載されたガラス中のＰ₂Ｏ₅の存在が、Ｎａ⁺イオンのＫ⁺イオンによる交換を促進するおよび／または加速させることを示す。図４は、６６モル％のＳｉＯ₂、２５モル％のＮａ₂Ｏ、および９モル％のＡｌ₂Ｏ₃の組成を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの層の深さおよび圧縮応力へのＰ₂Ｏ₅の添加の影響をプロットしたグラフである。図４に示されるように、２モル％のＰ₂Ｏ₅の添加により、層の深さが５０％増加する。

【0020】

表３に列挙され、図２にプロットされたイオン交換データは、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスのＤＯＬを２倍にするのに４モル％のＰ₂Ｏ₅で十分であることを示している。ＤＯＬは、ほぼ拡散係数および時間の平方根として増加するので、このことは、連動したＫ⁺←→Ｎａ⁺の拡散係数は４倍増加することを意味する。それゆえ、ガラスにＰ₂Ｏ₅を添加すると、所定の層の深さを達成するのに必要な時間を４分の１減少させることができる。リンを含まない徐冷されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス（表１〜３のサンプル１）におけるＫ+イオンの拡散係数Ｄは、式：
Ｄ＝ｅｘｐ（−３．８９６５−１３２４０／Ｔ）
により与えられ、式中、拡散係数Ｄは（ｃｍ²／秒）で表され、温度Ｔはケルビン（Ｋ）で表される。Ｎａ⁺イオンのＫ⁺イオンによる交換が主として行われる温度である、４１０℃（６８３Ｋ）では、ここに記載されたガラス中のＫ⁺イオンの拡散係数は７．８×１０^-11ｃｍ²／秒である。先に与えられた式は、徐冷されたガラスのために導かれる。ここに先に記載したように、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、フュージョンドロープロセスなどのダウンドロープロセスによって形成することができる。フュージョン法により形成されたガラス中のＫ⁺イオンの拡散係数は、徐冷されたガラス中のこれらのイオンの拡散係数よりも約１．４倍大きいとみなすことができる。それゆえ、フュージョン法により形成されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＫ⁺イオンの拡散係数は、４００℃（６７３Ｋ）で約１．１×１０^-10ｃｍ²／秒であると推測される。ここに記載されたリン含有ガラス中のアルカリ金属イオンの増加した拡散係数により可能となるより速いＫ⁺←→Ｎａ⁺のイオン交換速度は、以前は、Ｋ⁺←→Ｎａ⁺のイオン交換よりも低い圧縮応力を生じるＮａ⁺←→Ｌｉ⁺などのより小さいイオンでしか達成されていなかった。それゆえ、ここに記載された組成により、Ｋ⁺←→Ｎａ⁺イオン交換で達成できる圧縮応力を、Ｎａ⁺←→Ｌｉ⁺イオン交換の速度で行うことが可能になる。１つの実施の形態において、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、６時間未満に亘り４１０℃でＫＮＯ₃溶融塩浴中に浸漬された場合、少なくとも５０μｍの深さまで、ガラス中でＮａ⁺をＫ⁺で交換することができる。いくつかの実施の形態において、ここに記載されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、イオン交換された場合、少なくとも２０μｍの層の深さおよび少なくとも４００ＭＰａの圧縮応力を有する圧縮層を備える。他の実施の形態において、前記ガラスは１５０μｍまでの層の深さまでイオン交換され、さらに他の実施の形態において、前記ガラスは１００μｍまでの層の深さまでイオン交換される。

【0021】

図５に、カリウムの拡散係数が２種類のアルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＰ₂Ｏ₅濃度の関数としてプロットされている。４モル％（図５のａ）または８モル％（図５のｂ）いずれかのＢ₂Ｏ₃を含有する２種類のガラスに関するデータが図５にプロットされている。４モル％のＰ₂Ｏ₅の添加により、４モル％のＢ₂Ｏ₃を含有するガラス中のＫ⁺拡散係数が約５０％増加するのに対して、そのガラスへの同量のＰ₂Ｏ₅の添加により、Ｋ⁺拡散係数は約三分の一しか増加しない。後者のガラスに観察される拡散係数の少ない増加は、増加した量のＢ₂Ｏ₃のせいであり得、これにより、カラス中のＫ⁺拡散係数が減少する傾向がある。

【0022】

アルカリアルミノケイ酸塩ガラスへのＰ₂Ｏ₅の添加を使用して、低い液相線温度を得ることもできる。表１に列挙された全てのガラスは、約７００℃未満の液相線温度を有する。ガラス２は、２４８メガポアズ（ＭＰ）超の液相線粘度を有し、したがって、当該技術分野に公知のスロットドロー法およびフュージョンドロー法などのダウンドロー法により形成可能である。あるいは、ここに記載されたガラスは、当該技術分野に公知のフロート法、成形法、および注型法などの他の方法によっても形成可能である。Ｐ₂Ｏ₅の存在によっても、高温でのガラスの粘度が減少する。２モル％のＰ₂Ｏ₅の添加により、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスの２００Ｐ温度を５０℃低下させることができ、これにより、カラスの溶融および清澄が促進される。

【0023】

ガラス物品を強化する方法も提供される。ここに記載されたガラスなどの、０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅および少なくとも５モル％のＡｌ₂Ｏ₃を含むアルミノケイ酸塩ガラスからなるガラス物品を最初に提供する。このガラスは、例えば、アルカリ金属陽イオンなどの複数の第１の一価の陽イオン、およびＡｇ⁺、Ｃｕ⁺、Ｔｌ⁺などの一価の陽イオンも含む。いくつかの実施の形態において、アルミノケイ酸塩ガラスは、リチウムを含まず、かつ５６〜７２モル％のＳｉＯ₂、５〜１８モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０〜１５モル％のＢ₂Ｏ₃、０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅、３〜２５モル％のＮａ₂Ｏ、および０〜５モル％のＫ₂Ｏを含む、から実質的になる、またはからなるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスである。このアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、いくつかの実施の形態において、０〜４モル％のＣａＯ、０〜１モル％のＭｇＯ、および０．５モル％までのＳｎＯ₂の内の少なくとも１つをさらに含み得る。前記ガラスは、少なくとも１００ｋＰの、いくつかの実施の形態において、少なくとも１３５ｋＰの液相線粘度を有し、ダウンドロー法（例えば、スロットドロー法、フュージョンドロー法などの）により製造できる。その上、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、ここに先に記載され、表１の後半に報告された性質（歪み点、徐冷点、および軟化点、熱膨張係数（ＣＴＥ）、密度、モル体積、応力光係数（ＳＯＣ）、および液相線温度）を有する。他の実施の形態において、ガラスは、５６〜７２モル％のＳｉＯ₂、５〜１８モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０〜１５モル％のＢ₂Ｏ₃、０．１〜１０モル％のＰ₂Ｏ₅、および２〜２０モル％のＡｇ₂Ｏを含む、から実質的になる、またはからなるアルミノケイ酸塩ガラスである。

【0024】

次の工程において、ガラスの表面に隣接した領域において第１の一価の陽イオンの少なくとも一部を第２の一価の陽イオンで交換する、すなわち、置換する。第２の一価の陽イオンは、第１の陽イオンとは異なり、いくつかの実施の形態において、第１の一価の陽イオンより大きい。第２の陽イオンが第１の陽イオンより大きい場合、ガラスの表面に隣接する領域における第１の陽イオンの第２の陽イオンによる置換で、その領域において圧縮応力が生じる。ガラスがアルカリアルミノケイ酸塩ガラスである場合、先にここに記載された方法を使用して、イオン交換により、例えば、Ｋ⁺イオンで、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス中のＮａ⁺イオンを交換する。カリウムイオンでＮａ⁺イオンを、ガラス物品において１００μｍまで、いくつかの実施の形態において、１５０μｍまでの深さまでイオン交換する。いくつかの実施の形態において、Ｋ⁺イオンでＮａ⁺イオンを、ガラス物品において少なくとも２０μｍ、他の実施の形態において、少なくとも５０μｍ、さらに他の実施の形態において、１５０μｍの深さまでイオン交換する。

【0025】

ここに記載されたガラスは、以下に限られないが、電話、他の通信装置、エンターテインメント装置、携帯型コンピュータ、ラップトップコンピュータおよびノート型コンピュータを含む、タッチスクリーンおよび携帯型電子装置などの用途の、ディスプレイウィンドウ、カバープレート、スクリーン、構造上の特徴などとして使用するための平面板に形成することができる。他の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、湾曲板などの、三次元の非平面形状に形成できる。

【表1-1】

【表1-2】

【表1-3】

【表2-1】

【表2-2】

【表2-3】

【表3-1】

【表3-2】

【表3-3】

【0026】

説明目的で典型的な実施の形態を述べてきたが、先に記載は、本開示の範囲または添付の特許請求の範囲への制限であると見なすべきではない。したがって、本開示または添付の特許請求の範囲から逸脱せずに、様々な改変、適用、および変更が当業者に想起されるであろう。

【符号の説明】

【0027】

１００ 強化ガラス板
１１０ 第１の表面
１１５ 中央部分
１２０ 第２の表面
１３０ 縁
１１２，１２２ 強化表面層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】