專利名稱：平面顯示器用的基板玻璃組成物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種無堿玻璃，其質(zhì)量輕有較低之比重，且具有較高的比模數(shù)值、較低的熱膨脹系數(shù)及較高的應(yīng)變點和耐化學(xué)性，其特別適用于平面顯示器的基板玻璃。
制造平面顯示器基板玻璃需考慮的因素為(1)具有較高的玻璃應(yīng)變溫度，使玻璃基板轉(zhuǎn)化成具有高熱安定性；(2)與硅晶體有更接近的熱膨脹系數(shù)，以開啟在玻璃上能鑲合硅芯片(Chip On Glass)的可能性；(3)耐化學(xué)性，使制作工藝能在嚴苛的蝕刻條件下進行；(4)不會有堿金屬離子遷移出玻璃表面而破壞晶體管等組件。
US4824808(Corning Glass Works)中，提供一種無堿玻璃組成物，其玻璃組成物的熔化黏度較高，且應(yīng)變點較低。
US4994415(Nippon電器玻璃公司)提出另一類硼鋁硅酸鹽玻璃。此專利的玻璃組成物中，鍶為其主要成分之一，然鍶為相當(dāng)昂貴的物質(zhì)，因此若有可能，應(yīng)避免用到鍶。
US5116787號專利的無堿玻璃組成皆具有高應(yīng)變點，但其長期抗拒析晶的穩(wěn)定性低，且熱膨脹系數(shù)過高，無法與硅熱膨脹系數(shù)相匹配。
US5116789號專利說明其玻璃組成份具有高應(yīng)變點的特性，但膨脹系數(shù)亦太高而無法與硅在形成的高溫下相匹配。
US6128924、US6319867(Corning Glass Works)提出無堿玻璃組成，具有優(yōu)良的基板玻璃特性，然其未能有效提高比楊氏模數(shù)。
本發(fā)明的目的是提供一種具有較低熱膨脹系數(shù)的玻璃成分組成。
本發(fā)明的目的是提供具有較低的熱膨脹系數(shù)外，還具有較高的應(yīng)變點的玻璃成分組成。
本發(fā)明的目的是提供具有較低的熱膨脹系數(shù)、較高的應(yīng)變點外，還具有較高的楊氏模數(shù)及比楊氏模數(shù)的玻璃成分組成，此高楊氏模數(shù)可有效減低玻璃所受的應(yīng)力。
本發(fā)明的另外目的是所提供的玻璃成分組成可應(yīng)用于平面顯示器的基板玻璃。
本發(fā)明的另外目的是提供可不具氧化鋇的玻璃成份組成，可去除氧化鋇所帶來的工業(yè)安全及環(huán)保問題。
本發(fā)明的另外目的是提供亦可適用于玻璃熔融溢流成型法的玻璃成分組成。
一種具有高比楊氏模數(shù)(high specific Young′s modulus)可大于31.0×106(m/s)2以上平面顯示器基板玻璃的組成物，其基板玻璃組成物包括55-70wt％ SiO2、10-18wt％ Al2O3、8-15wt％B2O3、0-10wt％CaO、0-3wt％MgO、0-4wt％SrO、0.01-15wt％La2O3?；宀ＡУ膽?yīng)力點可達到680℃以上，熱膨脹系數(shù)可低至31×10-7/℃。
(2)低熱膨脹系數(shù)(與硅的膨脹系數(shù)接近)。
(3)強耐化學(xué)性。
(4)不含堿金屬離子(不特別加入堿金屬氧化物的原料)。
(5)高品質(zhì)且適合量產(chǎn)。
目前主要基板玻璃制作工藝可區(qū)分成三大類融流下拉式制作工藝(Over-flow Fusion Process)、水平浮式制作工藝(Floating/Tin BathProcess)、噴口下拉式制作工藝(Slit-down Draw Process)。其中又以融流下拉式制作工藝對成品合格率、單位成本、量產(chǎn)速度等最為有利。然隨著基板玻璃走向大尺寸的趨勢，在玻璃組成物熔融后的拉伸制作工藝中，大尺寸的基板玻璃重量較重，容易發(fā)生垂流現(xiàn)象(Sagging)，造成基板玻璃中間區(qū)域凹陷彎曲的情況，無法形成完全平面高品質(zhì)的玻璃。又在平面顯示器的制造輸送過程中，大尺寸母板玻璃的應(yīng)力是影響合格率的重要因素之一。因為在輸送過程中，基板玻璃必定會受到外力或重力的影響，因此如果基板玻璃本身的硬度不夠大且殘留應(yīng)力過大時，在輸送或運送過程中會產(chǎn)生垂流(sagging)影響，導(dǎo)致玻璃破裂等問題，嚴重影響生產(chǎn)合格率。因此改善垂流現(xiàn)象及玻璃應(yīng)力為已成為生產(chǎn)大尺寸基板玻璃的重點技術(shù)。
造成垂流現(xiàn)象的因素與楊氏模數(shù)(Young′s modulus)與密度的比值(又稱為比楊氏模數(shù)或比模數(shù)＝E/ρ，ρ為密度，E為楊氏模數(shù))有關(guān)。比楊氏模數(shù)與垂流現(xiàn)象成反比，也就是當(dāng)ρ越小，楊氏模數(shù)越大時，垂流現(xiàn)象越不明顯。
而玻璃本身應(yīng)力的量可以下式表示W(wǎng)＝K(ρ/E)(L/t2)(ρ為密度，E為楊氏模數(shù)，L為玻璃長度，t為玻璃厚度)由此可知，玻璃的應(yīng)力與其厚度的平方成反比，與長度成正比。當(dāng)玻璃厚度減薄，尺寸加大時，其應(yīng)力將會增加。因此如要使殘留應(yīng)力減小，減低玻璃破裂的風(fēng)險以提高合格率，除改善平面顯示器面板生產(chǎn)線上的機臺設(shè)計外，尚需針對基板玻璃本身的物性做改善。由上式可知密度ρ與楊氏模數(shù)E的比值，也就是比楊氏模數(shù)的倒數(shù)決定玻璃的應(yīng)力物性。若玻璃的ρ/E小，則玻璃的應(yīng)力亦隨之減小。
綜合上述所言，欲改良玻璃的物性，使其在玻璃成型制作工藝中不產(chǎn)生垂流現(xiàn)象，且殘留應(yīng)力小，在顯示器面板制造中不易破裂，皆需由其楊氏模數(shù)及密度著手。在目前的玻璃組成配方中，已具有相當(dāng)小的密度，因此如可再提高玻璃的楊氏模數(shù)，即可達到平面顯示器基板玻璃輕薄、應(yīng)力小及不產(chǎn)生垂流現(xiàn)象的目的。
傳統(tǒng)符合基板玻璃基本需求的組成成份為硼鋁硅酸鹽玻璃RO-R2O3-SiO2。其中，RO代表選自MgO，CaO，SrO，BaO的堿土族金屬氧化物，R2O3則代表B2O3及Al2O3的三價氧化物，然其皆無法有效提高glass的楊氏模數(shù)。本發(fā)明則在玻璃組成中，添加三氧化二鑭La2O3，因La2O3具有小且高的電荷離子，易增加玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特性，可顯著增加楊氏模數(shù)，提升比模數(shù)，又因其具有優(yōu)良的耐熱性，故也可提高玻璃的應(yīng)變點。本發(fā)明的玻璃各成份組成含量限度的實驗方式、影響及效應(yīng)，分別說明如后玻璃成份組成的研究實驗過程，是將各設(shè)計出的配方組成以其比例經(jīng)過稱料并加以研磨以有助于產(chǎn)生均質(zhì)融熔狀態(tài)再充份混合攪拌均勻，加料于白金坩鍋內(nèi)，移置于高溫電爐內(nèi)，熔解溫度1500℃至1650℃，依據(jù)不同組成的溫度需求熔融，以機械方式利用白金攪拌棒，充份攪拌并均勻化約30分鐘。倒出并模注成型后，再精密徐冷，雖然上述的說明了實驗的融熔步驟，但必需重視的是本發(fā)明玻璃能夠利用大型已商業(yè)化熔融及制造設(shè)備而加以熔融及制造完成。實驗熔融物中使用三氧化二銻Sb2O3(亦可使用三氧化二砷As2O3)做為澄清劑，其以適當(dāng)極少量的比例加入原料中，而其在玻璃中所保留的小部份殘余物對玻璃的特性基本上沒有影響。
SiO2(二氧化硅)，此為構(gòu)成玻璃的主體之一，高含量的SiO2雖可達到玻璃輕量化，低熱膨脹的目的，但會增加熔融的加工溫度及加工時間，造成能源浪費及產(chǎn)量的下降，而過低的SiO2會產(chǎn)生失透現(xiàn)象影響顯示品質(zhì)，且玻璃的耐化學(xué)強度變差，因此在本發(fā)明中，SiO2的含量其重量百分比為50～70％。
La2O3(三氧化二鑭)三氧化二鑭具有小又高的電荷離子(smallhighly charged ion)，易增加玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特性，由下列表1的實驗，可了解La2O3對玻璃組成成份的影響。增加La2O3的含量由0％到16％，有提高楊氏模數(shù)，增加比楊氏模數(shù)及應(yīng)變點的效應(yīng)，由此系列的實驗可歸納La2O3較理想的含量為2wt％～14wt％。
堿土金屬氧化物(RO)堿土金屬氧化物RO成份提供玻璃熔化及形成單相熔融液所需要的陽離子，但是RO型式的氧化物濃度太高會使所生成玻璃組合物的熱膨脹系數(shù)(Coefficent ThermalExpansion，CTE)過高，以致所生成的玻璃不適于作為制造硅為主的薄膜晶體管液晶顯示器。另一方面，若堿土金屬氧化物的總量過低，則玻璃熔化黏度僅能以增加氧化硼B(yǎng)2O3的含量以保持低值，且會產(chǎn)生玻璃不耐化學(xué)性的結(jié)果。而所有堿土金屬的氧化物，其降低玻璃熔化黏度約為相同程度，然而氧化鋇BaO較易增加熱膨脹系數(shù)，且其粉末具有害性，易產(chǎn)生工業(yè)安全及環(huán)保問題。而氧化鎂MgO增加的熱膨脹系數(shù)僅為BaO所增加量的一半，但是過多MgO會導(dǎo)致熔融液冷卻時發(fā)生相分離，產(chǎn)生失透。又BeO在自然界中存在量較少且劇毒，SrO亦不便宜，因此本發(fā)明人在不使用氧化鋇的情況下，平衡組合物中RO型式氧化物，以使玻璃CTE降低且不產(chǎn)生相分離。
三價氧化物R2O3三價成份氧化物(R2O3)如Al2O3、B2O3等皆為本發(fā)明的玻璃組成物的主要成份，B2O3可降低玻璃融化黏度，且不增加膨脹系數(shù)，適量的B2O3可增加耐氫氟酸能力，而使其易于加工。而使其易于加工，但當(dāng)B2O3濃度過高時，將會損及玻璃的抗酸能力，且應(yīng)變點太低。Al2O3含量為降低液相溫度的主要關(guān)鍵，然而當(dāng)Al2O3濃度過高或過低時，液相溫度皆會升高。
調(diào)整上述的各成份組成含量制成玻璃，并量測其各種特性，結(jié)果如表一所列。以表一觀之，并基于化學(xué)、物理及熔融特性的綜合考慮，則本發(fā)明的優(yōu)良組成其各成分含量限度為55-70wt％SiO2、10-18wt％Al2O3、8-15wt％B2O3、0-10wt％CaO、0-4wt％SrO、0-3wt％MgO、3-20wt％CaO+SrO+MgO、0.01-10wt％La2O3。
表1
表一(續(xù))
權(quán)利要求
1.一種平面顯示器用的基板玻璃組成物，其特征在于其組成物包括55-70wt％SiO2、10-18wt％Al2O3、8-15wt％B2O3、3-20wt％CaO+SrO+MgO、0.01-15wt％La2O3。
2.如權(quán)利要求1所述的基板玻璃組成物中，其特征在于其La2O3可介于0.01-10wt％。
3.如權(quán)利要求1所述的基板玻璃，其特征在于其比楊氏模數(shù)(specific Young′s modulus)大于29.0×106(m/s)2以上。
4.如權(quán)利要求1所述的基板玻璃，其特征在于其比楊氏模數(shù)(specific Young′s modulus)可大于31.0×106(m/s)2以上。
5.如權(quán)利要求1所述的基板玻璃，其特征在于其具有應(yīng)變點(strain point temperature)高于650℃。
6.如權(quán)利要求1所述的基板玻璃，其特征在于其具有應(yīng)變點(strain point temperature)可高于680℃。
7.如權(quán)利要求1所述的基板玻璃，其特征在于其具有徐冷點(annealing point temperature)高于700℃。
8.如權(quán)利要求1所述的基板玻璃，其特征在于其具有徐冷點(annealing point temperature)可高于740℃。
9.如權(quán)利要求1所述的基板玻璃，其特征在于其具有的熱膨脹系數(shù)低于38×10-7/℃。
10.如權(quán)利要求1所述的基板玻璃，其特征在于其具有的熱膨脹系數(shù)可低于32×10-7/℃。
11.如權(quán)利要求1所述的基板玻璃組成物，其特征在于其玻璃基板組成物包括60-65wt％SiO2、15-16wt％Al2O3、10-13wt％B2O3、5-10wt％CaO+SrO+MgO、0.01-8wt％La2O3。
12.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃組成物中，其特征在于其La2O3介于0.5-6wt％較佳。
13.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于其比楊氏模數(shù)(specific Young′s modulus)可大于30.0×106(m/s)2以上。
14.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于其比楊氏模數(shù)(specific Young′s modulus)可大于31.0×106(m/s)2以上。
15.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于其具有應(yīng)變點(strain point temperature)高于660℃。
16.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于其具有應(yīng)變點(strain point temperature)可高于680℃。
17.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于其具有徐冷點(annealing point temperature)可高于720℃。
18.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于其具有徐冷點(annealing point temperature)可高于740℃。
19.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于其具有的熱膨脹系數(shù)低于35×10-7/℃。
20.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于其具有的熱膨脹系數(shù)可低于32×10-7/℃。
21.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃組成物，其特征在于可加入澄清劑如0-1wt％As2O3(三氧化二砷)，0-1wt％Sb2O3(三氧化二銻)。
22.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于可用融流下拉式制作工藝(Over-flow Fusion Process)制得。
23.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于可用噴口下拉式制作工藝(Slit-down Draw Process)制得。
24.如權(quán)利要求11所述的基板玻璃，其特征在于可用水平浮式制作工藝(Floating/Tin Bath Process)制得。
全文摘要
一種具有高比楊氏模數(shù)(high specific Young′smodulus)可大于31.0×10
文檔編號C03C3/095GK1445187SQ0210719
公開日2003年10月1日 申請日期2002年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月14日
發(fā)明者林文彬, 蔡獻逸, 葉健生 申請人:碧悠國際光電股份有限公司