特許 7062035 機械的接触時のガラス基材上の擦傷の可能性を低下させる方法

(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】

(24)【登録日】2022-04-21

(45)【発行日】2022-05-02

(54)【発明の名称】機械的接触時のガラス基材上の擦傷の可能性を低下させる方法

(51)【国際特許分類】

   C03C 17/245 20060101AFI20220422BHJP

【ＦＩ】

C03C17/245 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020118791

(22)【出願日】2020-07-09

(62)【分割の表示】P 2017518526の分割

【原出願日】2015-10-21

(65)【公開番号】P2020180046

(43)【公開日】2020-11-05

【審査請求日】2020-07-09

(31)【優先権主張番号】14190324.5

(32)【優先日】2014-10-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】510191919

【氏名又は名称】エージーシー グラス ユーロップ

【氏名又は名称原語表記】ＡＧＣ ＧＬＡＳＳ ＥＵＲＯＰＥ

【住所又は居所原語表記】Ａｖｅｎｕｅ Ｊｅａｎ Ｍｏｎｎｅｔ ４， １３４８ Ｌｏｕｖａｉｎ－ｌａ－Ｎｅｕｖｅ， Ｂｅｌｇｉｑｕｅ

(73)【特許権者】

【識別番号】000000044

【氏名又は名称】ＡＧＣ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】511214772

【氏名又は名称】ケルテック アンジェニウリ

(74)【代理人】

【識別番号】100103816

【弁理士】

【氏名又は名称】風早 信昭

(74)【代理人】

【識別番号】100120927

【弁理士】

【氏名又は名称】浅野 典子

(72)【発明者】

【氏名】ナヴェ， バンジャマン

(72)【発明者】

【氏名】ブーランジェ， ピエール

(72)【発明者】

【氏名】ヴェンテロン， ライオネル

(72)【発明者】

【氏名】ブサルド， デニス

(72)【発明者】

【氏名】ゲナレック， フレデリック

【審査官】若土 雅之

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／１２５２１１（ＷＯ，Ａ２）

【文献】国際公開第２０１４／１５５００８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－２３８３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－２３４１７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０３Ｃ ２３／００

Ｃ２３Ｃ １４／４８

Ｈ０１Ｊ ３７／３１７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

機械的接触時のガラス基材上の擦傷の可能性を低下させる方法であって、注入深さあたりの注入された窒素の量の比率として表わされるイオン濃度Δ／Ｄが少なくとも４．５μｍ^－１であり、かつ２１．３μｍ^－１未満である窒素イオン注入ゾーンを形成するようにガラス基材中に一価及び多価の窒素イオンを同時に注入することを特徴とする方法。

【請求項2】

前記イオン濃度Δ／Ｄが少なくとも４．５μｍ^－１であり、かつ１６．５μｍ^－１未満である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記イオン濃度Δ／Ｄが４．５μｍ^－１～７．７μｍ^－１に含まれる、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記イオン濃度Δ／Ｄが５μｍ^－１～６μｍ^－１に含まれる、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

機械的接触時のガラス基材上の擦傷の可能性を低下させる方法であって、
－ 処理される前記ガラス基材の領域の温度を、前記ガラス基材のガラス転移温度以下である温度に維持するステップと、次に、
－ 一価及び多価の窒素イオンを抽出するための加速電圧を１５ｋＶ～６０ｋＶに含まれる値に設定するステップと、
－ イオン線量を、１０^１４イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２に含まれる値に設定するステップと
により、一価及び多価の窒素イオンを同時に注入することを特徴とする方法。

【請求項6】

前記ガラス基材が、建築用窓ガラス、自動車用窓ガラス、家具、白物家電、シャワーパーティション、スクリーン、ディスプレイ、構造用グレージング、バーコードスキャナ、および時計のためのガラスである、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガラス基材およびそれらの製造に関し、特に、機械的接触にさらされるガラス基材およびそれらのイオン注入による処理に関する。本発明によるガラス基材は、種々の用途を有し得る。これらは、建築用窓ガラス、自動車用窓ガラス、家具、白物家電、シャワーパーティション、スクリーン、ディスプレイ、構造用グレージング、バーコードスキャナ、および時計に使用することができる。

【背景技術】

【0002】

ガラスは擦傷の影響を受けやすいことがよく知られている。擦傷は、ガラスの機械的耐久性を低下させ、ガラスの美的価値を低下させ、ガラスを通した視認性を低下させる。これは、特に、ガラスが頻繁に機械的接触にさらされる任意の用途の場合である。これは、たとえば家具または床に使用されるガラスの場合であるが、あらゆる種類のディスプレイに使用されるガラスの場合でもある。より一般的には、洗浄が行われる任意のガラスでさえも、ガラス表面上の粒子汚染により、および研磨性の洗浄器具の使用により擦傷が生じ得る。ガラスの機械的耐久性の向上に関しては、いくつかの可能性が存在する。

【0003】

たとえば、ガラス基材の機械的強度の増加のために、熱強化および化学強化が一般に使用されている。しかし、この方法で強化されると、ガラス基材は、のこぎりによる切断、切断、穴あけ、および加工が不可能となる。さらに強化ガラス上の擦傷は、擦傷に沿ったガラスの欠けのため、より見えやすくなることが報告されている。このため、強化によって破壊に関する機械的強度は増加するが、擦傷のある外観は減少しない。

【0004】

ガラス表面の擦傷に対する感受性を低下させるある種のハードコーティング材料が利用可能である。このようなコーティング材料の１つは、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）である。しかし、ＤＬＣコーティングのガラスへのコーティングは、高価な真空蒸着装置を必要とし、透過率が低下する原因となる。別のこのようなコーティング材料は酸化スズである。酸化スズは、通常、化学蒸着（ＣＶＤ）によって堆積される。酸化スズのＣＶＤは、通常、高温で行われ、多くの場合にフロートガラス製造ライン上で直接行われる。これは、高価な化学物質を使用する必要があり、結果として得られるコーティングはガラス基材の光学的性質を大きく変化させる。

【0005】

イオン注入によってガラスの機械的性質を変化させ得ることも知られている。特に、これらの注入プロセスは、単一の正電荷を有するＨ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ、Ｏ、Ｆのイオンなどのイオンの注入に依拠している。

【0006】

たとえば、国際公開第２００５／０８０２８５Ａ１号パンフレットには、強化の目的のためにガラス中へＨおよびＨｅのイオンを注入することが開示されている。数百ｋｅＶのイオンエネルギーおよび１０^１３～１０^１５イオン／ｃｍ^２の線量を用いると、５０００ｎｍを超える注入深さが得られる。しかし、この方法では、表面付近で高い応力が発生し、それによってガラスが湾曲する傾向がある。さらにこのような高イオンエネルギーでイオンを生成するために必要な装置は非常に高価である。この方法で注入されるイオンが単一の正電荷を有する場合、ガラス中に注入されるイオンの深さ分布が狭い範囲に限定され、狭い深さ分布プロファイルが得られる。限定された領域中に注入されるイオンの量が非常に多くなると、たとえばガラス中の応力が増加するため、ガラス基材が劣化する危険性が存在することが知られている。ガラス中のイオンの深さ分布が狭い場合、所定のイオン線量に対して局所濃度がより高くなるため、この危険性がより高くなる。したがって、この技術によって特定の領域中に注入できるイオンの量は非常に限定される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の目的は、耐擦傷性を改善するためのガラス基材中へのイオン注入方法を提供することである。耐擦傷性が向上すると、機械的接触時の擦傷の可能性が低下する。本発明の特定の目標は、狭い深さ分布プロファイルを回避しながら、高線量のイオンを注入できる、ガラス基材中へのイオン注入方法を提供することである。

【0008】

本発明の別の目的は、向上した耐擦傷性を有するイオン注入されたガラス基材である。

【0009】

本発明の別の目的は、機械的接触時のこれらのガラス基材の擦傷の可能性を低下させるための、建築用窓ガラス、自動車用窓ガラス、家具、白物家電、シャワーパーティション、スクリーン、ディスプレイ、構造用グレージング、バーコードスキャナ、および時計におけるイオン注入されたガラス基材の使用である。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明によれば、以下の（１）～（１１）の構成が提供される。
（１）Ｎの一価および多価イオンの注入により、ガラス基材の耐擦傷性を向上させる方法であって、
－ 処理される前記ガラス基材の領域の温度を、前記ガラス基材のガラス転移温度以下である温度に維持するステップと、
－ 前記イオンを抽出するための加速電圧を２５ｋＶ～６０ｋＶに含まれる値に設定するステップと、
－ イオン線量を１０^１４イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２に含まれる値に設定するステップと
を含む方法。
（２）前記加速電圧が２５ｋＶ～３５ｋＶに含まれる値、好ましくは３５ｋＶに設定される、（１）に記載の方法。
（３）前記イオン線量が５．０×１０^１４イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２、好ましくは２．５×１０^１５イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２、好ましくは２．５×１０^１５イオン／ｃｍ^２～５×１０^１６イオン／ｃｍ^２に含まれる値に設定される、（２）に記載の方法。
（４）前記ガラス基材がソーダ石灰ガラスおよびアルミノケイ酸塩ガラスから選択される、（１）～（３）のいずれか一項に記載の方法。
（５）（１）～（４）のいずれか一項に記載の一価および多価イオンの注入によって処理された領域を含むガラス基材。
（６）機械的接触時の前記ガラス基材上の擦傷の可能性を低下させるために、イオン濃度Δ／Ｄが少なくとも４．５μｍ^－１であり、かつ２１．３μｍ^－１未満である窒素イオン注入ゾーンを含むガラス基材の使用。
（７）前記イオン濃度Δ／Ｄが少なくとも４．５μｍ^－１であり、かつ１６．５μｍ^－１未満である、（６）に記載のガラス基材の使用。
（８）前記イオン濃度Δ／Ｄが４．５μｍ^－１～７．７μｍ^－１に含まれる、（６）に記載のガラス基材の使用。
（９）前記イオン濃度Δ／Ｄが５μｍ^－１～６μｍ^－１に含まれる、（６）に記載のガラス基材の使用。
（１０）ガラス基材の使用であって、前記ガラス基材は、機械的接触時の前記ガラス基材上の擦傷の可能性を低下させるために、
－ 処理される前記ガラス基材の領域の温度を、前記ガラス基材のガラス転移温度以下である温度に維持するステップと、次に、
－ 注入されるイオンをＮ、Ａｒ、およびＨｅのイオンから選択するステップと、
－ 前記イオンを抽出するための加速電圧を１５ｋＶ～６０ｋＶに含まれる値に設定するステップと、
－ イオン線量を、前記注入されるイオンがＮのイオンである場合には１０^１４イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２に含まれ、前記注入されるイオンがＡｒのイオンである場合には７．５×１０^１６イオン／ｃｍ^２～２．５×１０^１７イオン／ｃｍ^２に含まれ、前記注入されるイオンがＨｅのイオンである場合には１０^１５イオン／ｃｍ^２～５×１０^１６イオン／ｃｍ^２に含まれる値に設定するステップと
により、一価および多価イオンが注入されている、ガラス基材の使用。
（１１）前記ガラス基材が、建築用窓ガラス、自動車用窓ガラス、家具、白物家電、シャワーパーティション、スクリーン、ディスプレイ、構造用グレージング、バーコードスキャナ、および時計のためのガラスである、（６）～（１０）のいずれか一項に記載のガラス基材の使用。
本発明によるガラス基材は、ガラスの全重量の重量パーセント値で表される以下の組成範囲を有する任意の厚さのガラス板であってよい。
ＳｉＯ_２ ５５～８５％
Ａｌ_２Ｏ_３ ０～３０％
Ｂ_２Ｏ_３ ０～２０％
Ｎａ_２Ｏ ０～２５％
ＣａＯ ０～２０％
ＭｇＯ ０～１５％
Ｋ_２Ｏ ０～２０％
ＢａＯ ０～２０％
全鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３として表される） ０．００２～０．１％。

【0011】

本発明によるガラス基材は、好ましくはソーダ石灰ガラス板またはアルミノケイ酸塩ガラス板から選択されるガラス板である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の一実施形態によると、ガラス基材は、テクスチャー加工されたガラス、酸エッチングされたガラス、またはサンドブラストされたガラスである。

【0013】

本発明の一実施形態によると、ガラス基材は、化学強化ガラスまたは熱処理されたガラスである。

【0014】

本発明は、ガラス基材のある領域をイオンビームに曝露することで、ビームのイオンをガラス基材中のある深さまで注入して、３次元注入ゾーンを形成することによるガラス基材の処理方法を提案し、ここで、
１．一価および多価イオン（２つ以上の正電荷を有するイオン）を同時に生成するイオン源により、正に帯電したイオンが生成される。このようなイオン源の１つは、たとえば電子サイクロトロン共鳴（ＲＣＥ）イオン源であり、
２．ビームのイオンは、Ａｒ、Ｎ、およびＨｅのイオンから選択される。イオン源によって同時に生成される一価および多価イオンがビームのイオンを構成し、
３．イオン加速電圧は、５～２００ｋＶに含まれる値に設定され、
４．ビーム出力は、１Ｗ～５００Ｗに含まれる値に設定され、
５．単位表面積当たりのイオン線量は、１０^１２イオン／ｃｍ^２～１０^１８イオン／ｃｍ^２、好ましくは１０^１４イオン／ｃｍ^２～２．５×１０^１７イオン／ｃｍ^２に含まれる値に設定される。

【0015】

本発明の一実施形態では、イオンビームはＡｒ^＋、Ａｒ^２＋、Ａｒ^３＋、Ａｒ^４＋、およびＡｒ^５＋を含む。本発明は、異なるＡｒイオンを種々の量で含むイオンビームを使用することができ、それぞれのＡｒイオンの強度の例を以下の表１に示す。

【0016】

【表1】

【0017】

Ａｒイオンは、５ｋＶ～２００ｋＶに含まれ、好ましくは１０ｋＶ～１００ｋＶ、より好ましくは２０ｋＶ～６０ｋＶ、より好ましくは２０～３５ｋＶに含まれ、最も好ましくは約３５ｋＶの加速電圧で抽出される。

【0018】

Ａｒイオンのイオン線量は、１０^１２イオン／ｃｍ^２～１０^１８イオン／ｃｍ^２、好ましくは１０^１６イオン／ｃｍ^２～１０^１８イオン／ｃｍ^２、好ましくは５×１０^１６イオン／ｃｍ^２～５×１０^１７イオン／ｃｍ^２、最も好ましくは７．５×１０^１６イオン／ｃｍ^２～２．５×１０^１７イオン／ｃｍ^２に含まれる。

【0019】

本発明の別の一実施形態では、イオンビームはＮ^＋、Ｎ^２＋、およびＮ^３＋を含む。本発明は、異なるＮイオンを種々の量で含むイオンビームを使用することができ、それぞれのＮイオンの強度の例を以下の表２に示す。

【0020】

【表2】

【0021】

Ｎイオンは、１０ｋＶ～１００ｋＶに含まれ、好ましくは１５ｋＶ～６０ｋＶに含まれ、より好ましくは２５ｋＶ～６０ｋＶ、より好ましくは２５ｋＶ～３５ｋＶに含まれ、最も好ましくは約３５ｋＶの加速電圧で抽出される。

【0022】

Ｎイオンのイオン線量は、１０^１２イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２、好ましくは１０^１４イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２、より好ましくは５×１０^１４イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２、より好ましくは２．５×１０^１５イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２、最も好ましくは２．５×１０^１５イオン／ｃｍ^２～５×１０^１６イオン／ｃｍ^２に含まれる。

【0023】

Ｎイオンは、０．１μｍ～０．５μｍに含まれる深さまで基材中に注入される。

【0024】

本発明の別の一実施形態では、イオンビームはＨｅ^＋およびＨｅ^２＋を含む。異なるＨｅイオンを種々の量で含むイオンビームを使用することができ、それぞれのＨｅイオンの強度の例を以下の表３に示す。

【0025】

【表3】

【0026】

Ｈｅイオンは、５ｋＶ～１０００ｋＶに含まれ、好ましくは５ｋＶ～２００ｋＶに含まれ、より好ましくは１０ｋＶ～１００ｋＶ、最も好ましくは２０～６０ｋＶに含まれる加速電圧で抽出される。

【0027】

Ｈｅイオンのイオン線量は、１０^１２イオン／ｃｍ^２～１０^１８イオン／ｃｍ^２に含まれる。好ましくは、Ｈｅイオンのイオン線量は、少なくとも１０^１５イオン／ｃｍ^２であり、かつ１０^１７イオン／ｃｍ^２未満であり、最も好ましくは１０^１５イオン／ｃｍ^２～５×１０^１６イオン／ｃｍ^２に含まれる。

【0028】

加速器電圧およびビーム出力ならびに単位表面積当たりのイオン線量は、ビームからのイオンを０．１μｍ～１μｍ、好ましくは０．１μｍ～０．５μｍの厚さＤを有する注入ゾーンに注入できるように選択される。

【0029】

一定加速電圧の場合、それぞれ異なる電荷のイオンは異なるエネルギーを有する。たとえば、Ａｒ^＋、Ａｒ^２＋、Ａｒ^３＋、Ａｒ^４＋、およびＡｒ^５＋を含み、加速電圧が３５ｋＶであるイオンビームでは、Ａｒ^＋、Ａｒ^２＋、Ａｒ^３＋、Ａｒ^４＋、およびＡｒ^５＋のイオンは、それぞれ３５ｋｅＶ、７０ｋｅＶ、１０５ｋｅＶ、１４０ｋｅＶ、および１７５ｋｅＶ（キロ電子ボルト）のエネルギーを有する。最大注入深さは、最小エネルギーのイオン（Ａｒ^＋）から最大エネルギーのイオン（Ａｒ^５＋）まで増加する。

【0030】

より高いエネルギーを有するため、より多い電荷を有するイオンは、より少ない電荷を有するイオンよりも深く基材中に注入される。したがって、所定の全イオン線量の場合、一価イオンのみが注入される場合には狭い深さ分布が得られ、一価および多価イオンが同時に注入される場合にはより幅広の深さ分布が得られる。

【0031】

本発明の好ましい一実施形態では、処理される領域の下にある、処理されるガラス基材の領域の温度は、ガラス基材のガラス転移温度以下である。この温度は、たとえば、ビーム中のイオン強度、ビーム中の処理される領域の滞留時間、および基材の任意の冷却手段による影響を受ける。

【0032】

本発明の一実施形態では、ガラス基材が徐々に処理されるように、ガラス基材およびイオンビームが互いに対して移動する。好ましくは、これらは、０．１ｍｍ／ｓ～１０００ｍ／ｓに含まれる速度Ｖ_Ｄで互いに対して移動する。Ｖ_Ｄは、処理される領域のイオン線量および温度に影響を与えるビーム中のサンプルの滞留時間が適切に制御されるように選択される。

【0033】

一実施形態では、ガラス基材は、その表面の一方または両方の一部が少なくとも処理される。

【0034】

一実施形態では、ガラス基材は、その表面の一方または両方の全体が少なくとも処理される。

【0035】

本発明の一実施形態では、ガラス基材を処理するために数種類のイオンビームが同時にまたは連続して使用される。

【0036】

本発明の一実施形態では、ガラス基材の単位表面積当たりのイオンの全線量は、イオンビームによる１回の処理で得られる。

【0037】

本発明の別の一実施形態では、ガラス基材の単位表面積当たりのイオンの全線量は、イオンビームによる数回の連続する処理によって得られる。

【0038】

したがって、選択されたイオンの特定の線量をガラス基材中の大きい深さまで導入することにより、ガラス基材の表面の耐擦傷特性を向上させることが可能である。

【0039】

選択されたイオンを種々の線量でガラス基材上の異なる注入ゾーン中に導入することにより、ガラス基材の表面の種々の耐擦傷特性を得ることも可能である。

【0040】

本発明の目的は、一価および多価イオンの注入により、ガラスの耐擦傷性を向上させる方法を提供することである。

【0041】

したがって、希望する耐擦傷性に基づいてこれらの条件を選択することができる。

【0042】

本発明によるガラス基材は、切断および端部の研磨、化学強化、熱強化、または表面の親水性もしくは疎水性を変化させるための処理などのさらなる処理および改質を行うことができる。

【実施例】

【0043】

一価および多価イオンのビームを発生させるためのＲＣＥイオン源を用いて、以下の表に詳細が示される種々のパラメータにより、イオン注入例を作製した。

【0044】

すべてのサンプルは、１０×１０ｃｍ^２のサイズおよび４ｍｍの厚さを有し、８０ｍｍ／ｓの速度でイオンビームを通過するようにガラス基材を移動させることによって表面全体を処理した。

【0045】

処理されるガラス基材の領域の温度は、ガラス基材のガラス転移温度以下の温度に維持した。

【0046】

すべての例の場合で、１０^－５ｍｂａｒの圧力の真空室中で注入を行った。

【0047】

ガラス基材の耐擦傷性は、漸増荷重スクラッチ試験によって測定した。この試験は、下にあるサンプルの規定された変位中に加えられた荷重の変化に相当する。ここで、測定は、ＣＳＭ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのマイクロスクラッチ試験機「ＭｉｃｒｏＣｏｍｂｉ ｔｅｓｔｅｒ」を用いて行った。このスクラッチ試験は、線形的に増加する垂直力下で、指定の線に沿って基材表面上に配置されるダイヤモンドスタイラスを一定速度で移動させることを含む。ソーダ石灰型のガラスサンプルの場合、擦傷は、チップ半径が２００μｍであるロックウェルダイヤモンド圧子（２００μｍチップ）と、チップ半径が１００μｍであるロックウェルダイヤモンド圧子（１００μｍチップ）とを用いて形成した。アルミノケイ酸塩型のガラスサンプルの場合、擦傷は、チップ半径が１００μｍであるロックウェルダイヤモンド圧子（１００μｍチップ）を用いて形成した。

【0048】

スタイラスは、長さ１．５ｃｍの直線に沿って移動させた。速度は５ｍｍ／分で一定に維持した。スタイラス上に加えられる垂直力（荷重）は、スクラッチ開始時の０．０３Ｎから、スクラッチ終了時の３０Ｎまで増加させた。スクラッチ中、侵入深さ、アコースティックエミッション、および接線力を記録し、侵入深さの関数として擦傷の外観を観察する。

【0049】

ガラス表面上に最初に亀裂が表されるときのスタイラスに加えられた荷重は、使用したロックウェルダイヤモンド圧子の半径により、１００μｍチップを用いた臨界荷重または２００μｍチップを用いた臨界荷重とする。１００μｍチップを用いて行われるスクラッチ試験は、２００μｍチップを用いて行われるスクラッチ試験よりも過酷になる。特定のチップを用いたサンプルの耐擦傷性は、スクラッチ試験でこのチップを用いて得られる臨界荷重に比例する。

【0050】

各サンプルに対して、少なくとも３回の測定の平均を求める。耐擦傷性が高いほど、最初に亀裂が表される荷重が大きくなる。擦傷に沿った亀裂の外観により、肉眼による擦傷の検出がより容易になる。同一サンプル上では、１００μｍチップ上のより小さい荷重、および２００μｍチップ上のより大きい荷重で亀裂が表される。

【0051】

本明細書の実験に使用した装置上では、可能な最大荷重は３０Ｎに制限された。

【0052】

非常に高い耐擦傷性を有する一部のサンプル上では、２００μｍチップを有するスタイラスに最大荷重を加える場合でさえも亀裂が全く見られない。

【0053】

ガラス基材の注入ゾーン中の、ガラス中の窒素の深さ分布プロファイルを二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって測定した。ＳＩＭＳ深さ分布プロファイルは、Ｃａｍｅｃａ ｉｍｓｆ－４装置上で実施した。スパッタエロージョン条件は以下の通りである：一次ビーム５．５ＫｅＶ Ｃｓ＋、電流密度０．１６ｍＡ／ｃｍ^２；スパッタ領域１２５×１２５μｍ^２。分析される領域は直径６０μｍである。ＭＣｓ＋イオンが検出され、ここで、Ｍは検出される元素を意味する。スパッタリング時間に対する各元素Ｍの検出強度信号Ｉ（Ｍ）を所定の時間間隔で記録することで、時間スケールに対するこの元素の強度プロファイルが得られる。深さスケールは、ＳＩＭＳ測定後にステッププロファイラーを用いてスパッタエロージョン後に得られるクレーターの全体の深さを測定することによって得られる。スパッタリング速度が一定であると仮定して、時間スケールが深さスケールに変換される。

【0054】

各サンプル（処理済みおよび基準としての未処理のもの）に対して、同位体比およびＣｓ強度に関して規格化したＭＣｓ^＋イオンの強度Ｉ（ＣｓＭ）の深さ分布（μｍ）の積分が計算される。この場合、Ｍは元素ＮおよびＳｉを意味する。注入された窒素量の半定量は、処理済みガラスの注入深さにわたって積分したＩ（ＣｓＮ）／Ｉ（ＣｓＳｉ）の値と、未処理の基準ガラスのＩ（ＣｓＮ）／Ｉ（ＣｓＳｉ）の値との間の差Δを計算することによって行われる。処理済みサンプルの注入深さＤは、Ｉ（ＣｓＮ）／Ｉ（ＣｓＳｉ）の値が未処理の基準ガラスのＩ（ＣｓＮ）／Ｉ（ＣｓＳｉ）のレベルまで低下する深さである。

【0055】

本発明の目的では、強度比Ｉ（ＣｓＮ）／Ｉ（ＣｓＳｉ）は、窒素の場合のＮＣｓ＋の強度信号Ｉ（ＣｓＮ）、およびケイ素の場合のＳｉＣｓ＋の強度信号Ｉ（ＣｓＳｉ）から計算され、ここで、検出される窒素同位体は^１４Ｎであり、検出されるケイ素同位体は^２８Ｓｉである。

【0056】

注入ゾーン中のＮイオン濃度の半定量は、比Δ／Ｄを計算することによって行われる。

【0057】

ガラス中に注入されたＡｒまたはＨｅの分布プロファイルを求めるための適切な方法は見つけることができなかった。

【0058】

表４は、未処理のソーダ石灰ガラスである基準例Ｒ１、およびアルゴンイオンビームで処理したソーダ石灰ガラス基材を示している。未処理のソーダ石灰ガラスは、２００μｍチップを用いた臨界荷重が１２．５Ｎである。

【0059】

実施例１～３は、注入された一価および多価アルゴンイオンのイオン線量が増加すると、臨界荷重が増加することを示している。したがって、ソーダ石灰ガラスの耐擦傷性はアルゴンイオンの注入によって向上する。

【0060】

【表4】

【0061】

表５は、ヘリウムイオンビームで処理したソーダ石灰ガラス基材を示している。

【0062】

実施例４および５は、１０^１５～１０^１６イオン／ｃｍ^２のイオン線量を用いると、２００μｍチップを用いた臨界荷重が未処理のソーダ石灰ガラスの場合よりも大きくなることを示している。

【0063】

比較例Ｃ１は、１０^１７イオン／ｃｍ^２のイオン線量の場合、２００μｍチップを用いた臨界荷重が未処理のソーダ石灰ガラスの場合よりも小さくなることを示している。したがって、少なくとも最大１０^１６イオン／ｃｍ^２のイオン線量までヘリウムを注入することで、ソーダ石灰ガラスの耐擦傷性が向上する。１０^１７イオン／ｃｍ^２のより高い線量では、注入されるヘリウムイオン量が多すぎ、耐擦傷性が低下する。

【0064】

【表5】

【0065】

表６は、窒素イオンビームで処理したソーダ石灰ガラス基材を示している。

【0066】

Ｎで処理したサンプルをＡｒまたはＨｅで処理したサンプルと比較すると分かるように、はるかに高い耐擦傷性が得られ、２００μｍチップを用いたマイクロスクラッチ試験機上で利用可能な最大荷重に到達することが多い。

【0067】

実施例７～９は、２０ｋＶのイオン加速電圧において１０^１５～１０^１７イオン／ｃｍ^２のイオン線量を用いると、２００μｍチップを用いた臨界荷重が未処理のソーダ石灰ガラスの場合よりも大きいことを示している。

【0068】

実施例１０～１２は、３５ｋＶのイオン加速電圧において５×１０^１５～１０^１６イオン／ｃｍ^２のイオン線量を用いると、２００μｍチップを用いた臨界荷重が未処理のソーダ石灰ガラスの場合よりも大きいことを示している。

【0069】

比較例Ｃ２は、３５ｋＶのイオン加速電圧において５×１０^１７イオン／ｃｍ^２のイオン線量の場合、２００μｍチップを用いた臨界荷重が未処理のソーダ石灰ガラスよりも小さくなることを示している。したがって、最大１０^１７イオン／ｃｍ^２のイオン線量までの窒素の注入で、ソーダ石灰ガラスの耐擦傷性が向上する。５×１０^１７イオン／ｃｍ^２以上のより高い線量では、注入される窒素イオン量が多すぎ、耐擦傷性が低下する。

【0070】

【表6】

【0071】

表７は、窒素を注入したソーダ石灰ガラスのさらなるサンプルの耐擦傷性の未処理のソーダ石灰ガラスサンプル（Ｒ１）との比較を示している。これらの実施例および比較例において、耐擦傷性は１００μｍチップを用いて測定した。それぞれ１５ｋＶ（実施例１３～１６）または２５ｋＶ（実施例１７～２０）のイオン加速電圧を用いて注入したサンプルの各グループの場合、線量を５．０×１０^１４イオン／ｃｍ^２から７．５×１０^１６イオン／ｃｍ^２まで増加させると、臨界荷重が増加し、したがって耐擦傷性が改善される。３５ｋＶのイオン加速電圧を用いて注入したサンプルのグループの場合、イオン線量を５．０×１０^１４イオン／ｃｍ^２から７．５×１０^１５イオン／ｃｍ^２まで増加させると、臨界荷重が増加し（実施例２１～２３）、５．０×１０^１６イオン／ｃｍ^２の線量では再びわずかに減少する（実施例２４）。１０^１７イオン／ｃｍ^２を超えるイオン線量（例Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７）では、臨界荷重が大きく減少し、したがって耐擦傷性が大きく低下する。これらのサンプルでは、臨界荷重は、未処理のソーダ石灰ガラスサンプルＲ１で得られた臨界荷重よりもさらに小さくなる。これも以下の表から分かるように、同じ線量の場合、イオン加速電圧が高い場合に臨界荷重が大きくなる。

【0072】

【表7】

【0073】

表６および７から分かるように、５．０×１０^１４イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２に含まれるイオン線量で窒素を注入したソーダ石灰ガラスサンプルは、未処理のソーダ石灰ガラスと比較して耐擦傷性の向上を示している。

【0074】

２．５×１０^１５イオン／ｃｍ^２～１０^１７イオン／ｃｍ^２に含まれるイオン線量では、耐擦傷性が特に高い。２．５×１０^１５イオン／ｃｍ^２～５．０×１０^１６イオン／ｃｍ^２に含まれるイオン線量で最良の耐擦傷性結果が得られた。

【0075】

１５ｋＶ～３５ｋＶに含まれるイオン加速電圧においてこれらの実施例で耐擦傷性の向上が確認されたが、イオン加速電圧は６０ｋＶまで上昇させることができる。耐擦傷性の向上は、１５ｋＶのイオン加速電圧よりも２５ｋＶ～３５ｋＶに含まれるイオン加速電圧の方が大きかった。これらの実施例では、耐擦傷性の向上は３５ｋＶのイオン加速電圧で最も大きかった。

【0076】

表８は、窒素イオンビームで処理した未処理のアルミノケイ酸塩ガラスである基準例Ｒ２、および窒素イオンビームで処理したアルミノケイ酸塩ガラス基材を示している。

【0077】

この未処理のアルミノケイ酸塩ガラスサンプルＲ２は、１００μｍチップを用いた臨界荷重が５．０Ｎである。

【0078】

実施例２５は、一価および多価窒素イオンを３５ｋＶの加速電圧において１０^１６イオン／ｃｍ^２の線量で注入すると、臨界荷重が増加することを示している。したがって、アルミノケイ酸塩ガラスの耐擦傷性は、窒素イオンの注入によって向上する。したがって、本発明によるＮの注入は、アルミノケイ酸塩型のガラス基材にも適用可能である。

【0079】

【表8】

【0080】

表９は、注入された窒素の量および深さと、２００μｍチップを用いた臨界荷重との間にどのような関係があるかを示している。驚くべきことに、一方の臨界荷重によって測定される耐擦傷性と、他方の注入された窒素の量および深さの分布（比Δ／Ｄによって求められる）との間に関係が存在することが分かった。

【0081】

大きいΔ／Ｄ値の場合、窒素量が多くなり、その分布深さは小さくなり、それによって耐擦傷性は最大値より小さくなる（実施例９参照）。

【0082】

Δ／Ｄ値が多すぎる場合、窒素量が多くなりすぎ、その分布深さは小さくなりすぎ、そのために十分な耐擦傷性が得られない（例Ｃ２参照）。

【0083】

少なくとも４．５μｍ^－１および２１．３μｍ^－１未満のΔ／Ｄ値の好ましい範囲内では、ガラス基材の耐擦傷性が向上する。少なくとも４．５μｍ^－１および１５．４μｍ^－１未満のΔ／Ｄ値のより好ましい範囲内では、ガラス基材の耐擦傷性がさらに向上する。

【0084】

【表9】