携帯ディスプレイ用カバーガラス［PAGE2］
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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。
