携帯ディスプレイ用カバーガラス

（株）機能性ガラス研究所　代表取締役　藤田 卓

※この内容は（株）情報機構より2009年1月末に刊行されました書籍
「ガラスの加工技術と製品応用」に掲載されたものです

1. カバーガラスが使用される背景
携帯電話のパネル上に配置されるカバー材料がある。携帯電話における携帯カバーはメインディスプレイの他、サブディスプレイ、カメラのディスプレイ用でも使用されている。
カバー用の材料としては元々片面あるいは両面にハードコートを施した耐傷性のアクリル、ポリカーポネートが多く使用されてきた。ポリカーポネートはアクリルよりは
コスト高になるが、比較的に機械強度が強く、割れた場合に「鋭利」にならないといった特徴がある。更にガラスが採用され出したのは時計用カバーガラスとして実績の
ある材料が先駆けであった。先行した材料は160×500サイズの材料を素板としてアルカリ溶融塩(硝酸カリウム)による化学強化の度合いが大きい組成を持っている。
(この材料は板材としては160mmと比較的幅が狭く、粗磨り～仕上げ研磨を前提とする)　
化学強化の原理はガラスの表面にあるナトリウムをイオン半径の大きいカリウムで置換することで密度を高めるという方式を採用する例が多いが、
強度を更に高めるために材料及び処理液に手を加えることにより、強度を大きくアップさせたカバーガラスが生まれた。

2.カバーガラスに求められる特性
携帯電話用にガラスが採用され、業界にインパクトを与えたのはMotorolaのRAZRで採用された2004年～2005年からで、筐体の薄型化に対処することが主目的であった。
同時にサブディスプレイ用カバーの需要も拡大し始めた。 2007年度からはAppleのiphone、国内では東芝、シャープ、日立製作所(CHモバイル)などの端末メーカーにおいても
カバーガラスの採用が増大している。ガラスが採用される前提としてガラスが割れやすいという問題を先ずはクリアーする必要がある。
（1）ガラスの表面強化
ガラスの理論強度は103kg/mm2に近い数値であるが、実用のガラス強度は3～5kg/mmと非常に低い。これはガラスの表面に微細なキズ、クラックが発生するからである。
そこでガラスの強度を大にするために、ガラス表面に圧縮応力層を作る方法が考えられた。強度アップのためには物理的な方法と化学的な方法が考案されている。
（2）物理強化としての表面急冷法
ガラスを軟化点に近い温度に加熱しておいて、これを一様に冷却する。その時にガラスの内外面に生じる温度差により生じる熱応力を利用して、
固化された表面に圧縮応力層を残存させるのが表面急冷法である。表面急冷する時にエアジェットを使う風冷強化法を用いても３mm程度以上の板厚を必要とするのが一般である。
（3）化学強化
化学強化の基本原理は、化学的にガラス表面の性質または組成を変えることにより、ガラスの強度を増すことである。その１つは化学エッチング処理によりガラス表面に存在する
所謂Griffithのキズを除くことであり、もう１つはイオン交換法によりガラス表面の組成を変えることである。
（4）化学エッチング処理法
ガラスにピロ硫酸カリ(K2S2O7)を接触させて熱し、脱アルカリ反応を行なわせ、強度拡大させたり、フッ酸系の溶液でブラウン管の封着ガラスの接着強度を高めたという試みが
なされてきた。但し限定的なものであった。
（5）イオン交換による強化法
ガラスを熔融塩に浸し、ガラス中のアルカリイオンと熔融塩中のアルカリイオンとを相互拡散により交換させ、交換層に圧縮応力を生じさせて強化する方法である。
イオン交換による強化法として次の２つがある。
(5-1) 高温型イオン交換法
Na2OまたはK2Oを含むガラスを転移温度以上、軟化温度以下の温度域でLi熔融塩に浸し、ガラス中のNa+またはK+とそれらよりも小さいLi+とを置換させ、これを室温まで冷やす。
表面層中のLi+を含むガラスと内部のNa+またはK+を含むガラスとの膨張係数の差によって、ガラス表面に圧縮応力が残って強化される。
またガラス中にAl2O3、TiO2が含まれていると、イオン交換中に膨張係数の非常に小さいβ-spodumene(Li2O・Al2O3・4SiO2)結晶ができ、
冷却後のガラス表面に非常に強い圧縮応力が生じ、強度70kg/mm2に近い数値のガラスが得られる。実例としてSiO257～66、Al2O313.5～22、Na2O 8～11、
Li2O 10～13(重量%)のガラスを600～750℃でLi、Na、Ag塩の融液中に浸し、ガラス中のNa+をAg+及びLi+でイオン交換を行なわせて2層の交換層を作る。
外側はβ-eucryptite、内側はLi-metasilicateの2つの結晶化ガラス層作ることで強度が非常に増大する。但し、この方法は強化中のガラス変形を生じさせやすいという問題点がある。
(5-2) 低温型イオン交換法
ガラスを転移温度を超えない温度域で、そのガラスに含まれるアルカリイオンよりイオン半径の大きいアルカリ熔融塩に浸す。例えばガラス中のLi+をNa+で、
またはNa+をK+で置換させる。そして冷却すると、アルカリイオンの占める容積の差によってガラス表面層に圧縮応力が発生するので強化されることになる。
高温型に比べ交換速度は小さいが、強化中にガラスの変形を生じることが殆どないので、一般的に多く実用化されているのはこの方法である。
（6）物理強化法(風冷強化法)と化学強化法(イオン交換法)の比較
風冷強化法とイオン交換による強化法を比較すると下表のようになる。
表1 強化法の違いによる差異

イオン交換法で実用上充分な圧縮応力層を得るには、かなりの時間を要するため、風冷強化に比べてコスト的には高くつく。
しかし(1)高い強度が要求される場合、(2)薄肉あるいは形状の複雑なガラス、(3)寸法精度が厳密に要求される場合にはイオン交換法に頼らなければならない。
（7）イオン交換法の方向性　
前記の基本的なイオン交換法に加えて、熱処理により結晶を造らせたガラスセラミックスを融液に浸して、ガラスセラミックス中のアルカリイオンと融液中のアルカリイオンとを
交換させ、多種類の結晶を表面層に造らせるといった強化法も見出されている。またイオン交換に適したガラス材料も多く生み出されてきた。
（8）イオン交換に対応するガラス材料
ガラス材料として実績のあるもの、または可能性を有するタイプとしては次のような材料が挙げられる。時計用カバーガラスとして実績のあるもの。ソーダまたはリチウム系のガラスで
ディスプレイ用として実績のあるもの、航空機用窓ガラスとして実績のあるもの、ハードディスク用として実績のあるものが使用され、また採用候補となっている。
またコストと化学強化処理後の性能バランスを考えた場合、一般のソーダガラスでも充分使用に耐えるものも多くある。この辺はユーザー側の判断によって決定される。
各種ガラス材料の比較データをまとめると次の通りである。
(8-1) 物性の比較（同一加工形状にて各材料を化学強化処理した後の測定数値）
表2 ガラスの種類の違いによる差異

(8-2) 圧縮応力値と応力深さについて
更に化学強化の条件を変更させて、複数の素材についての傾向を把握したのが次の下図データである。

即ち物性の比較を化学強化を最適条件に設定しながら行なうと強化用ガラス2のように圧倒的に表面圧縮応力層が他より深いタイプがあることがわかる。
一方でソーダガラスのような一般的な材料でも処理条件によっては表面圧縮応力値を高めることが可能となる。
(8-3) 化学強化設備と製品評価
実際に行われている化学強化の設備(松浪硝子工業株式会社)と製品評価のために採用されている試験方法を示す。

3.カバーガラスの製造工程
カバーガラスの加工は次のようなフローで製造される。_【ガラス素板】→【切断/穴あけ/切り欠き/研磨/糸面取り】→【化学強化】→【コート】→【印刷/飛散防止フイルム
の貼り合せ】→【ユーザー】
（1）素材の選択
化学強化処理に適した材料を選択することになるが、コスト優先に考えればソーダガラスが先ずは候補として挙げられる。
但し薄ガラス化ということを考えれば強化用に製板された材料も選択肢に入る。その場合、応力深さが浅くても圧縮強度が高くなるタイプを選ぶか、
または微細なキズを最初から想定して、より応力深さが得られるタイプを選択するかという視点で判断が分かれる。
また加工ということから考えると研磨加工の磨き代が少ない材料が有利であり、フロート法、またはフュージョン法で製板され、また板厚バージョンの多いものが有利である。
但しフロート法の場合は大量生産に適した方法であり、少量のカスタム対応が行ないにくいという問題はある。
（2）切断/穴あけ/切り欠き/糸面取り/研磨
この種の加工品は最低限、糸面取りを含んだ外形加工が必要であり、平面研磨を行ない、後工程に化学強化が入ることから、ワールドワイド市場で上位5社のうち2社は
時計用カバーガラスの加工からスタートした会社である。これら上位社は月産500万枚（3インチ換算）以上のキャパを持って生産に当たっている。
但し時計用カバーガラスの加工の延長方式の場合、穴あけ加工は別工程（超音波加工）で処理しているケースも多い。基本的にはCNC加工で穴あけを含めた外形加工を行ない
糸面取り仕上げもCNC加工によることが望ましい。
(2-1) 切断/穴あけ/切り欠き
ウォータージェットでの一貫加工方式を採用するメーカーはまだ限定的であるが今後、この方式で加工するメーカーが主流になる可能性が強い。
本来、ウオータージェット方式はガラスの加工に採用する例は少なかった。一般的には金属、石材、プラスチック、複合素材、ガラス、セラミックス、ゴムなど大半の素材を
切断できる方式である。板厚はｔ0.2～200mm までの対応が可能である。携帯電話用カバーガラスではt0.5～1.0mmまでの板厚が一般的であり、
また上部にはスピーカーホン用の穴が必要となることが多いので外形及び穴あけ加工が一連のプログラム設定で処理されることが望ましい。
(2-2) 糸面取り加工
携帯電話用カバーの糸面仕上げ装置での面取り面の研磨仕上げは湿式型のスイング方式を採用し、研磨ホイールが設定値まで摩耗すると自動でホイール面を移動する。
ワーク端面から研磨ホイールの追込み量、押し付け力の設定が可能である。ワークの切断精度が多少ラフでも端面研磨、仕上げを行なうことができる構造となっている。
先に述べたウオータージェットによる切断、糸面取りといったCNC加工装置は単に携帯電話用カバーだけでなくR加工ディスプレイパネル、
デジタル一眼レフカメラモジュールの中の部品として使用される比較的大サイズの水晶の加工にも応用することができる。
(2-3) コーティング
カバー材表面の反射率を抑えるための蒸着によるARコートについては特に樹脂性のカバーの場合は多く採用されている。 またガラスカバーについても既にデジカメ用の
液晶ディスプレイのカバーでは採用されているケースが多い。現在、この種のコーティングはARコートが主体であるが、カバーガラス外周部の額縁状の加飾印刷を蒸着で
対応できないかということが検討されている。蒸着面の高品位感を着色ガラスとして展開できないかということである。
(2-4) 印刷/飛散防止フイルムの貼り合せ
携帯用カバーは表面加飾印刷を行なうものが一般的である。またカバーガラスの強度アップに関しては材料面からの取組み、また加工面での改善による強度アップの成果が
出て来ているものの、現時点では飛散防止のフイルムを貼り合せるタイプが大半である。ガラス自体に印刷加工を施す方法の他に、飛散防止機能を有する加飾フイルムを
貼り合せる方式も紹介されている。ディスプレイ面と筐体面の段差を感じさせない処理技術がポイントになる。

ウオータージェット設備のスペック例を示すが実用的には_カスタマイズされた仕様で対応することになる

CNC Table Condition

4.カバーガラス用材料の将来動向
携帯電話の薄板化、ディスプレイの高品位化、需要拡大に応じた低コストプロセスの導入が重要テーマとなる。現在、海外での加工が主体であるが、
難易度の高いスペック品に関しては歩留まり低下に伴い、高コスト商品となっている。従来の専用カムで1枚ずつ外形を一体加工する、所謂芯取り加工方式では限界がある。
切断加工については省力化も兼ね合わせたCNC加工によるウオータージェット方式、更には同じくＣＮＣによる糸面取り加工が主力方式になると思われる。
表面加飾技術についてはグラビア印刷、シルク印刷が一般的であるが、蒸着による着色を要望する声もあり、今後 周辺部材を含め他更なる技術向上が期待される。

【参考文献】
土橋正二「ガラス表面の物理化学」(株)講談社
土橋正二「ガラスの化学」(株)講談社
石塚硝子(株)「CRYSTERNA」
CORNING「Corning_ GorillaTM Glass」
日本写真印刷(株)「ラミナガラス」

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