CN109133616B - 一种适用于浮法生产的ltps-tft基板玻璃 - Google Patents
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Abstract
一种适用于浮法生产的LTPS‑TFT基板玻璃,涉及玻璃生产技术领域,本发明主要是以SiO2、Al2O3为玻璃网络形成体而形成玻璃,通过调整玻璃组分中的MgO、CaO、BaO和SrO含量,并加入一定量的ZrO2、ZnO,调整三者Ge、V和La含量,使基板玻璃具有良好的化学稳定性、较高的透过率、高的应变点(应变点为740~760℃),低的热膨胀系数(25℃~400℃)平均热膨胀系数为36×10‑7/℃~38×10‑7/℃,低的热收缩率(热收缩率为60ppm以下),同时满足浮法玻璃特殊的成型需求,玻璃粘度达到103dPa·s的温度T3为1550℃以下;玻璃粘度达到104dPa·s粘度的温度T4为1320℃以下。本发明具有平整度高、可见光透过率高、应变点高、热膨胀系数低、化学稳定性好等特点,适合大范围的推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃生产技术领域,具体涉及一种适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃。
背景技术
已知的,TFT-LCD因其质量轻、清晰度高、低能耗及环保性能好等优势广泛应用在手机、手表、相机、导航仪等小型终端显示设备及液晶电视、计算机显示器、大尺寸多媒体显示器等大型设备及各类数字多媒体产品。TFT-LCD基板玻璃是TFT-LCD显示器面板的前后两片关键玻璃材料,分别作为底层薄膜晶体管阵列基板和彩色滤光片的基板,在这两块玻璃基板之间注入液晶材料实现液晶显示。基板玻璃是TFT-LCD的基础和重要组成部分,不仅是液晶保持一定的厚度、承载驱动所需的透明电极和开关元件,而且LCD面板和显示器产品的分辨率、透光率、重量及视角等关键指标很大程度上取决于基板玻璃,基板玻璃已成为TFT-LCD发展关键材料之一。
近年来,在液晶显示器领域日益谋求高精细化,由于多晶硅的晶体管(P-Si)的特征比基于无定型硅的晶体管(a-Si)具有更高的电子迁移率,可以用于制造更小且更快的晶体管,最终产生更亮和更快的显示器,所以低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS-TFT)显示器是目前应用范围较为广阔的一种显示材料。对玻璃基板来说,由于LTPS-TFT在制造中需要450-600℃的加工温度,且小型移动设备的显示器近年来越来越谋求高精细化,因此对会引起像素间距偏差的制造显示面板时产生的玻璃基板的热收缩要求较为苛刻。这就要求玻璃具有高耐热性,高的应变点温度大于700℃以上,使玻璃的热收缩率降低。LTPS-TFT基板玻璃的热膨胀系数必须与薄膜晶体管阵列中的多晶硅材料相匹配,以抵消玻璃受热膨胀产生的热应力,如果基板玻璃与多晶硅材料的热膨胀系数相差过大,在热处理过程中,基板玻璃会发生翘曲。作为重要元件之一的玻璃基板,需要开发专用的玻璃组分与其相配套,以满足LTPS-TFT的制作及性能要求。
浮法成型工艺是目前世界上生产平板玻璃较先进的工艺方法,是由于它的成型特点所决定的。成型时不需要克服玻璃自身的重力,玻璃液表面在金属面上成型;充分发挥玻璃表面张力的作用,玻璃液的表面张力要使玻璃获得自然抛光、表面平整、生产的玻璃质量好;玻璃带横向温度均匀、成型过程中降温速度慢、拉引速度快、品种多、产量高、作业周期长。特别适合大尺寸LTPS-TFT玻璃基板的生产。
综上所述,为了促进国内基板玻璃产业的快速发展,降低购进成本,亟需加快推进浮法工艺生产LTPS-TFT基板玻璃的步伐。
发明内容
为克服背景技术中存在的不足,本发明提供了一种适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃,本发明主要是以SiO2、Al2O3为玻璃网络形成体而形成玻璃,通过优化碱土金属氧化物的比例、调整三者Ge、V和La含量,合理的使用澄清剂,使玻璃具有平整度高、可见光透过率高、应变点高、热膨胀系数低、热收缩率低、化学稳定性好等特点。
为实现如上所述的发明目的,本发明采用如下所述的技术方案:
一种适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃,所述LTPS-TFT基板玻璃中各组分按重量百分比具体包括如下组分:
SiO2 60~62%;
Al2O3 18.5~20%;
B2O3 1.5~2.0%;
MgO 3~4.5%;
CaO 3.5~6%;
SrO 2~3%;
BaO 2~4%;
ZrO2 0.1~2%;
ZnO 0.1~1%;
GeO2 0.1~0.5%;
V2O5 0~0.5%;
La2O3 1~2%;
CeO2 0.05~0.1%
SnO2 0.05~0.15%。
所述的适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃,所述重量SiO2+ Al2O3合量大于80%。
所述的适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃,所述重量ZrO2+ Al2O3合量大于19%。
所述的适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃,所述Al2O3/(MgO+ CaO+ BaO+ SrO+ZnO)的重量比值为1.2~1.4。
所述的适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃,所述GeO2/La2O3的重量比值为0.05~0.5。
所述的适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃,所述V2O5/La2O3的重量比值为0~0.5。
本发明所述的基板玻璃,其系列特征粘度点温度为:103dPa·s粘度的温度为1550℃以下;104dPa·s粘度的温度为1320℃以下 ;107.6dPa·s粘度的温度为835℃以下;1014.5dPa·s粘度的温度为760℃以下。满足浮法玻璃的生产特点。
本发明所述的基板玻璃,其温度—粘度曲线与普通浮法玻璃温度—粘度曲线经平移可实现较好重叠,在浮法成型时只需将普通浮法玻璃各工艺参数进行相应调整即可。
本发明所述的基板玻璃,其熔融温度在1650~1670℃,作业温度在1320℃~1380℃范围。利用该组分的玻璃进行澄清时,需要使用铂金通道进行澄清,采用浮法连续生产高质量的玻璃。
本发明所述的基板玻璃,其应变点为740~760℃,(25℃~400℃)平均热膨胀系数为36×10-7/℃~38×10-7/℃,玻璃粘度达到103dPa·s的温度T3为1550℃以下;玻璃粘度达到104dPa·s粘度的温度T4为1320℃以下。
本发明所述的基板玻璃的组分采用氧化铈CeO2和氧化锡SnO2作为浮法玻璃澄清剂,熔制用澄清剂不受熔化或成型气氛的影响。玻璃组分中CeO2用量占总量0.05~0.1%,SnO2用量占总量0.05~0.15%即可获得无气泡的玻璃,所选用澄清剂种类和引入量是考虑满足浮法玻璃成型需要,即所选用的澄清剂(变价氧化物)不能与浮法成型时浮抛介质锡液起反应,同时有利于提高玻璃的应变点、降低平均热膨胀系数。
本发明所述的基板玻璃组分直接影响到玻璃体的高温粘度,而高温粘度又影响到玻璃应变点、作业温度、反应产物的扩散以及随后的澄清、均化等,因此玻璃组分关系到所要生产的玻璃类型、玻璃性能、玻璃质量优劣的关键因素。
本发明通过加入少量的B2O3、限制SiO2+Al2O3合量、优化碱土金属氧化物的比例、调整三者Ge、V和La含量,使其性能稳定,该组分的玻璃具有良好的随温度变化的尺寸稳定性。
玻璃组分直接影响到玻璃体的高温粘度,而高温粘度又影响到玻璃应变点、作业温度、反应产物的扩散以及随后的澄清、均化等,因此玻璃组分是关系到所要生产的玻璃类型、玻璃性能、玻璃质量优劣的关键因素。本发明的玻璃成分是根据其性能要求(可见光透过率高、应变点高、热膨胀系数低、化学稳定性好以及高的热稳定性)而设计的,不同于普通浮法玻璃成分,该玻璃组分具有比普通浮法玻璃组分更高的Al2O3含量以提高玻璃产品的耐热性和热收缩性能,特别引入Ge、V和La组分,使其性能更好。
玻璃的性质是由玻璃结构决定的,玻璃成分决定了玻璃结构。为了固定玻璃组成以达到所需的玻璃性能,必须考虑浮法工艺的特点,因此对几种玻璃氧化物的变化范围进行限定,排除某些原料,选择适当的澄清剂以及合适的原料成分和原料粒度等。
SiO2是玻璃网络形成体氧化物,能提高玻璃的机械强度、化学稳定性、热稳定性等,但它又是较难熔化的物质。当SiO2含量低于60%时,玻璃硬度和机械强度过低,化学稳定性变差。但当SiO2含量高于62%时,则高温粘度将升高从而降低了玻璃的熔融性能。因此,优选SiO2含量不低于60%(更优选不高于62%),并且不高于62%。SiO2以硅氧四面体[SiO4]的结构单元形成不规则的连续网络,成为玻璃的“骨架”。 SiO2含量的确定一方面根据[AlO4]替代硅氧四面体[SiO4]的数量,另一方面考虑满足浮法成型工艺的要求,经过多次实验测试,SiO2用量为60~62% 且重量SiO2+ Al2O3合量大于80%,才能形成最佳配比。
Al2O3是提高玻璃膨胀软化温度的有效成分,同时也和SiO2共同构成玻璃主体。它的存在使玻璃具有高的化学稳定性和优良的材料力学性能。这一氧化物增加了玻璃的抗化学能力和应变点温度。本发明组分中含有18.5~20% Al2O3。如此高的Al2O3含量对增加玻璃液黏度的影响程度比SiO2大,会使熔化速度减慢和澄清时间延长,容易在玻璃板面形成波筋及线道,尤其是大尺寸的板状化玻璃波筋及线道更明显。为了改善此种情况,特意引入B2O3、ZnO ,在高温时降低玻璃液的黏度,有利于玻璃液流动,较好的改善玻璃质量。但是引入量不能过多。
B2O3和SiO2一样,是玻璃形成氧化物。在高温下起助熔作用,降低玻璃粘度,因此可加速玻璃熔化。B2O3还可降低玻璃的析晶性能,提高玻璃的热稳定性和化学稳定性、改善玻璃光泽、提高玻璃的机械性能。但是当B2O3引入量过高时由于硼氧三角体增多,应变点过低,成型温度范围较窄,不能满足浮法成型的需要,其含量为1.5~2.0%。
MgO具有不增大膨胀且不使应变点过度降低的特征,还提高熔化性。Mg0含量为3~5%。
碱土金属中,CaO仅次于MgO而具有不增大膨胀且不使应变点过度降低的特征,还提高熔化性。 CaO含量为3.5~6%。低于3.5%时,上述的由Ca0添加带来的效果不能充分表现。超过6%时,可能会使失透温度升高或者使作为CaO原料的石灰石(CaCO3)中的杂质磷大量混入。优选为6%以下。
SrO提高浮法玻璃配合料熔化性而不会使玻璃的失透温度升高,但低于2%时,该效果不能充分表现。含量较多时,使玻璃澄清困难。因此优选含量为2~3%。
BaO赋予玻璃的性能与氧化钙、氧化镁基本一样,引入BaO能增加玻璃光泽和化学稳定性,但引入过多时,使玻璃的膨胀和密度增加,因此优选含量为2~4%。BaO和SrO都是改进玻璃耐化学性和抗失透性的组分,都具有特别改进耐化学性能的组分。为了改进玻璃耐化学性,BaO+SrO合量应不低于5%,最好使BaO和SrO的含量满足:(BaO+SrO)/ BaO=1.5~2.5质量比。BaO含量最好不少于2%,且不高于4%。SrO含量优选为2~3%。
[RO](R=Ca,Mg,Ba,Sr)
MgO、CaO、BaO,SrO是网络外体氧化物,这几种二价金属氧化物能显著降低玻璃的高温粘度,提高玻璃的低温粘度,使玻璃既能够在高温时易于熔融又能满足应变点较高的使用要求,这为浮法生产的高速拉制创造了良好的条件。实验表明,MgO、CaO、BaO,SrO合量为15~18%能有效抑制玻璃的结晶。
ZrO2是改进玻璃的耐化学性,特别是耐酸性,并且是提高杨氏模量的组分。但是,ZrO2的含量高于2%将提高液相线温度,而且易于产生锆的失透结石,ZrO2的含量优选为0.1~2%。
本发明的组分中加入0.1~1%的ZnO,作为调整体加入玻璃组分中,由于氧化锌对于玻璃结构的影响类似于氧化铝,是一种中间体。当玻璃中游离氧较多时,氧化锌以锌氧四面体存在,进入硅氧四面体网络中充当网络形成体,也就是结构稳定剂;当游离氧比较少时,氧化锌则以锌氧八面体存在,作为网络变性体起作用,即成为网络修饰剂。与玻璃中某些组分形成低共熔物,在较低温度下即可形成液相,促进整体的熔融。
作为调整玻璃物化性能的锗, Ge与Si元素因属于同一主族,形成玻璃的网络体[GeO4]与[SiO4]相似,使玻璃具有良好的化学稳定性和抗热震性能。[GeO4]四面体以四点互相连结,因而结构较B2O3玻璃牢固,但由于Ge-O键较Si-O键弱,因又较SiO2差些。本发明中用少量GeO2替代SiO2降低了玻璃的高温粘度,对玻璃的熔化性能有所改善,但对玻璃的应变点等没有影响。本发明为了浮法成型需要,通过多次实验优化 GeO2的含量0.1~0.5%且GeO2/La2O3比值0.05~0.5较为合理。
本发明采用La2O3 , La 3+ 离子为无色且不发生变价,作为调整玻璃物化性能的镧,当氧化镧含量比较少时,La3+代替少量Ca2+填充在网络间隙中,La3+较Ca2+有比较大的静电场强和较大的配位数,容易在结构中产生局部积聚作用,使近程有序的范围增加。当氧化镧含量增加到一定值后,随着其不断增加Tg变大,这是由于此时的La3+与非桥氧之间的相互作用加强,因此加强了与非桥氧连接,同时La3+填充在玻璃结构体层与层之间的空隙间,较大的静电场强,加强了层与层之间的相互作用,使玻璃网链结构连接变得更强,从而表现出玻璃转变温度Tg的增加,在特定的玻璃形成范围内随着氧化镧含量的增加△T有了显著提高,即热稳定性能得到了提高,但La2O3高于2%会使玻璃的密度增加。
五氧化二钒(V2O5)的重量百分比介于0~0.5%之间。少量的加入五氧化二钒对降低玻璃的热膨胀系数、提高玻璃的应变点有效但浓度大了会使玻璃着色,降低玻璃的透光性。经过多次实验优化V2O5/ La2O3比值0~0.5能够满足浮法成型的特殊要求。
本发明的优点在于特别适合于浮法成型工艺。为保证本发明基板玻璃产品有一个良好的内在质量,要求引入氧化物的各种原料化学成分要稳定、水分含量尽量要少并稳定。尤其要求石英砂的颗粒大小分布均匀,形状规则,尖角原料和棱角料要少,由于石英砂在配合料中占主要成分,粒度分布均匀,形状规则的原料有利于配合料的混合。另外还要严格控制每一种原料批次间的波动,尤其是在铁含量的控制方面。为保证玻璃液流的稳定,严格控制玻璃的总铁含量。为保证玻璃液透热性的一致,采取控制玻璃液中的亚铁含量。
本发明主要以高质量的玻璃用粉料为主,较多地采用化工原料,化工原料均不改变现状。硅砂粉料粒度上限需做减低(小于70目),引入玻璃组分的各种原料化学组成、粒度、水分都有一定的要求。
本发明特别的优点是其特有的化学组成和物理性能可以采用最先进的浮法工艺进行规模化生产。
本发明的高应变点、低热膨胀系数、低热收缩率的LTPS-TFT超薄浮法玻璃产品厚度为0.33mm~0.7 mm。产品系列厚度为:0.7 mm、0.55 mm、0.33mm。可以满足不同用途和规格的需要。
本发明LTPS-TFT基板玻璃的应变点为740℃以上,因此能够抑制面板制造时的热收缩。另外,可以应用固相结晶化法作为p- Si TFT的制造方法。
本发明基板玻璃的应变点为740℃以上,因此适合于高应变点用途(例如,有机EL用显示器用基板或照明用基板,或者板厚100m以下的薄板的显示器用基板或照明用基板)。优选为745℃以上,更优选为750℃以上,进一步优选为760℃以上。
本发明基板玻璃的密度优选为2.59 g/cm3以下以下,更优选为2.58 g/cm3以下,进一步优选为2.56 g/cm3以下。另外,本发明的无碱玻璃的104泊(dPa·s)时温度T4 1320℃以下,102泊(dPa·s)时的温度T2为1670℃以下,优选1660℃以下。
本发明所述的基板玻璃可以通过如下方法制造。调配通常使用的各成分的原料以成为目标成分,将其连续投入到熔化炉中,并加热至1650℃~1660℃进行熔融。将该熔融玻璃通过浮法成形为规定的板厚,并在缓慢冷却后进行切割,由此可以得到平板玻璃。所述成形的规定板厚优选0.7mn以下,更优选0.55mm以下,可以为0.33mm以下。
采用如上所述的技术方案,本发明具有如下所述的优越性:
本发明主要是以SiO2、Al2O3为玻璃网络形成体而形成玻璃,通过调整玻璃组分中的MgO、CaO、BaO和SrO含量,并加入一定量的ZrO2 、ZnO,调整三者Ge、V和La含量,使基板玻璃具有良好的化学稳定性、较高的透过率、高的应变点(应变点为740~760℃),低的热膨胀系数(25℃~400℃)平均热膨胀系数为36×10-7/℃~38×10-7/℃,低的热收缩率(热收缩率为60ppm以下),同时满足浮法玻璃特殊的成型需求,玻璃粘度达到103dPa·s的温度T3为1550℃以下;玻璃粘度达到104dPa·s粘度的温度T4为1320℃以下。本发明具有平整度高、可见光透过率高、应变点高、热膨胀系数低、化学稳定性好等特点,适合大范围的推广和应用。
具体实施方式
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明,本发明并不局限于下面的实施例;
本发明的具体实施例如下:
实施例1:所述LTPS-TFT基板玻璃中各组分按重量百分比具体包括如下组分:
SiO2 :60.5%,Al2O3:19.6%, B2O3:1.7%,MgO: 3.3% ,CaO:6.0%,BaO:3.1%, SrO:2.1%,ZrO2:1.4%,ZnO: 0.6%,GeO2:0.1%,V2O5:0.2%,La2O3:1.2%, SnO2:0.15%,CeO2:0.05%;
按照该玻璃组成,采用砂岩、氧化铝、硼酸、镁盐、石灰石、白云石、钡盐、锶盐、锆英砂、氧化锌、氧化锗、五氧化二钒、氧化镧、氧化锡、氧化铈引入以上组分的氧化物。上述原料经过精确称量、均匀混合构成生产玻璃的配合料。在1650~1660℃温度下熔制三个小时,作业温度在1320℃~1380℃以下,经过浮法工艺成型,可分别得到0.7 mm、0.55 mm、0.33mm厚度的玻璃。
实施例2:所述LTPS-TFT基板玻璃中各组分按重量百分比具体包括如下组分:
SiO2 :62%,Al2O3:18.5%, B2O3:1.5%,MgO: 3.9% ,CaO:5.1%,BaO:3.4%, SrO:2.3%,ZrO2:0.6%,ZnO: 0.4%,GeO2:0.5%,V2O5:0.3%,La2O3:1.3%; SnO2:0.13%,CeO2:0.07%
按照该玻璃组成,采用砂岩、氧化铝、硼酸、镁盐、石灰石、白云石、钡盐、锶盐、锆英砂、氧化锌、氧化锗、五氧化二钒、氧化镧,氧化锡、氧化铈引入以上组分的氧化物。上述原料经过精确称量、均匀混合构成生产玻璃的配合料。在1650~1660℃温度下熔制三个小时,作业温度在1320℃~1380℃以下,经过浮法工艺成型,可分别得到0.7 mm、0.55 mm、0.33mm厚度的玻璃。
实施例3:所述LTPS-TFT基板玻璃中各组分按重量百分比具体包括如下组分:
SiO2 :61.2%,Al2O3:18.9%, B2O3:2%,MgO: 4.5% ,CaO:4.5%,BaO:2.9%, SrO:2.4%,ZrO2:1.5%,ZnO: 0.1%,GeO2:0.3%,V2O5:0%,La2O3:1.5, SnO2:0.10%,CeO2:0.1%;
按照该玻璃组成,采用砂岩、氧化铝、硼酸、镁盐、石灰石、白云石、钡盐、锶盐、锆英砂、氧化锌、氧化锗、五氧化二钒、氧化镧,氧化锡、氧化铈引入以上组分的氧化物。上述原料经过精确称量、均匀混合构成生产玻璃的配合料。在1650~1660℃温度下熔制三个小时,作业温度在1320℃~1380℃以下,经过浮法工艺成型,可分别得到0.7 mm、0.55 mm、0.33mm厚度的玻璃。
上述三个实施例采用如下测试方法:
[玻璃密度的测试方法]
玻璃密度采用阿基米德法进行测量。
[玻璃粘度的测试方法]
依据ASTM C965软化点以上的玻璃粘度的测定对样品进行了粘度测试。
[玻璃膨胀系数测试方法]
依据GB/T 679-1997进行平均热膨胀系数测试。
[玻璃软化点的测试方法]
依据GB/T28195-2011测定玻璃软化点。
[玻璃光学性能的测试方法]
依据GB/T2680-1994测试玻璃样品的可见光透过率、太阳光透过率、紫外透过率。
[收缩率的测定方法]
热收缩率是对玻璃基板实施如下热处理后的下述式所示的值,所述热处理是以10℃/ 分钟的升温速度进行升温,在550 ℃下保持2 小时,以55 分钟降温( 降温速度约为2.7℃/ 分钟) 至400℃,其后放置冷却至常温。热收缩率(ppm) =(热处理前后的玻璃的收缩量/ 热处理前的玻璃的长度)×106。
[蚀刻速度的测定方法]
对玻璃样品采用HF浓度1mol/kg、HCl浓度5mol/kg的40℃蚀刻液中浸渍1小时的情况下厚度的减少量(um),并计算出每单位时间内的玻璃基板的一个表面的厚度减少量(um/h)。使用探针式轮廓仪测试蚀刻前、蚀刻后的玻璃厚度差值。
上述测试结果如表1所示:
表1玻璃性能测试结果
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例,当前认为是适宜的,但是,应了解的是,本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。
Claims (3)
1.一种适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃,其特征是:所述LTPS-TFT基板玻璃中各组分按重量百分比具体包括如下组分:
SiO2 60~62%;
Al2O3 18.5~20%;
B2O3 1.5~2.0%;
MgO 3~4.5%;
CaO 3.5~6%;
SrO 2~3%;
BaO 2~4%;
ZrO2 0.1~2%;
ZnO 0.1~1%;
GeO2 0.1~0.5%;
V2O5 0~0.5%;
La2O3 1~2%;
CeO2 0.05~0.1%;
SnO2 0.05~0.15%;
所述SiO2+ Al2O3合量大于80%,所述ZrO2+ Al2O3合量大于19%,所述Al2O3/(MgO+ CaO+BaO+ SrO+ZnO)的重量比值为1.2~1.4。
2.根据权利要求1所述的适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃,其特征是:所述GeO2/La2O3的比值为0.05~0.5。
3. 根据权利要求1所述的适用于浮法生产的LTPS-TFT基板玻璃,其特征是:所述V2O5/La2O3的比值为0~0.5。
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- 2018-10-22 CN CN201811232299.8A patent/CN109133616B/zh active Active
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