-
Diese Erfindung betrifft Dünngläser mit hohem Brechwert (nd), einen Schichtverbund, der diese Dünngläser umfasst, ein Verfahren zur Herstellung der Dünngläser und deren Verwendungen.
-
Gläser mit Brechungsindizes im Bereich oberhalb nd = 1,5 bis hin zu nd = 1,7 sind durchaus bekannt. Im Bereich der technischen Gläser werden diese jedoch durch hohe Zusätze des ökologisch bedenklichen und auch für wirtschaftliche Großprozesse schädlichen Bleioxids erreicht. Bekannte klassischoptische Gläser mit optischen Lagen im erhöhten Brechwertbereich, die für Licht- und Bildleitung eingesetzt werden und damit die klassischen Applikationsfelder bedienen (u.a. Abbildung, Mikroskopie, Medizintechnik, digitale Projektion, Photolithographie, optische Nachrichtentechnik, Optik/Beleuchtung im Sektor Automotive), werden in der Regel aufgrund der Geometrie ihrer nachfolgend produzierten Erzeugnisse (Linsen, Prismen, Fasern, u.a.) als Bulkmaterial gefertigt. So sind Barrenabschnitte kontinuierlicher Barrenfertigung, Faserkernglasstäbe sowie optische Blöcke Standardformate des Fertigungsprozesses optischer Gläser. Als wirtschaftlich und applikativ sinnvolle Mindestabmessung in Richtung der kleinsten geometrischen Ausdehnung, üblicherweise die Dicke (Barrenabschnitte) oder der Durchmesser (Faserkernglasstäbe) werden 20 mm angesehen, erwünscht sind Dicken ab 40 mm und optische Blöcke beginnen erst bei etwa 150 mm.
-
Technische Gläser (nach technischen Heißformgebungsprozessen hergestellt) weisen typischerweise Brechungsindizes um 1,50 auf. Gläser mit Brechungsindices >1,6 sind generell kaum geeignet für technische Heißformgebungsprozesse, da sie zumeist eine „steile“ Viskositätskurve aufweisen (starke Änderung der Viskosität mit der Temperatur) und zumeist eine hohe Kristallisationsneigung aufweisen. Die Kristallisationsneigung ist bei der Barrenfertigung kein Problem, weil die Glasschmelzen so schnell abgekühlt werden, dass keine Kristallisation auftritt. Dabei ist der schnelle Anstieg der Viskosität mit sinkender Temperatur sogar von Vorteil.
-
In genau diesen Eigenschaften unterscheiden sich die klassisch-optischen Gläser von den technischen Standardgläsern, deren physiko-chemischen Eigenschaftsprofile speziell auf die technischen Rahmenbedingungen der im Vergleich zu den Fertigungsaggregaten optischer Gläser signifikant größeren Fertigungsaggregaten technischer Gläser, eben Flach-, Dünn- und Rohrgläser, zugeschnitten sind.
-
Technische Gläser besitzen üblicherweise ein „langes“ Viskositätsprofil, das heißt, ihre Viskosität variiert nicht so stark mit sich ändernder Temperatur. Hieraus resultieren längere Zeiten der jeweiligen Einzelprozesse, sowie im Allgemeinen erhöhte Prozesstemperaturen, was sich bei den technischen Großaggregaten weniger ausgeprägt negativ auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt. Hinzu kommen signifikant erhöhte Verweilzeiten der Materialien in den Aggregaten, aufgrund von Strömungsbedingungen und Aggregatgröße. Dies ist sehr kritisch für Gläser, die eine hohe Kristallisationsneigung haben. Lange Gläser sind in kontinuierlichen Großaggregaten vorteilhaft, weil diese Gläser eine größere Temperaturspanne aufweisen, in der sie verarbeitet werden können. Das Verfahren muss also nicht auf eine möglichst schnelle Verarbeitung des noch heißen Glases ausgerichtet sein.
-
Wollte man nun klassisch-optische Materialien in einem technischen Standard-Flachglasprozess (z.B. Ziehen, Overflow Fusion, Down Draw, Walzen) produzieren, müsste die chemische Zusammensetzung der optischen Gläser gerade auf eine Änderung, normalerweise Reduzierung, des Gehaltes derjenigen Komponenten abzielen, welchen den optischen Gläsern, die gewünschten optischen Eigenschaften verleihen. Solche Maßnahmen wären beispielsweise die Reduktion der Anteile an TiO2, ZrO2, Nb2O5, BaO, CaO, ZnO, SrO oder La2O3. Dies führt dann in der Tat zu längeren und weniger kristallisationsempfindlichen Gläsern, aber auch zu einem deutlichen Verlust an Brechwert- und Dispersionseigenschaften.
-
Erschwerend kommt hinzu, dass die aktuell aus wirtschaftlichen Gründen favorisierten Flach-/Dünnglasprozesse bestimmte chemische Anforderungen an die zu verarbeitenden Gläser stellen, die von den klassisch-optischen Gläsern nicht eingehalten werden: Es dürften beispielsweise in einem Floatprozess keine redox-anfälligen Komponenten im Glas vorhanden sein. Somit verbieten sich beispielsweise optische Standardkomponenten, wie die Oxide von Blei, Bismut, Wolfram sowie die klassischen polyvalenten Läutermittel (Arsen), deren effektive Wirkung eben genau auf der Verschiebung des Redox-Gleichgewichtes beruht.
-
Insgesamt unterscheiden sich damit diese beiden klassischen Materialgruppen, die optischen und die technischen Gläser im Hinblick auf ihre Verarbeitbarkeit in unvereinbarer Art und Weise.
-
Es gibt zahlreiche Anwendungen für Dünngläser mit hohem Brechungsindex abseits der klassischen Anwendungsfelder. Natürlich besteht die Möglichkeit, solche dünnen Gläser durch Nachbearbeitung eines Barrens optischen Glases herzustellen. Es liegt aber auf der Hand, dass das Schneiden und Polieren solcher Barrenabschnitte extrem teuer ist und außerdem das Glas sehr stark beansprucht. Sehr geringe Dicken sind in großen Abmessungen somit gar nicht zu erzielen. Wo dünne Gläser mechanisch poliert werden, ist die Oberflächenbeschaffenheit nicht optimal.
-
WO 2012/055860 A2 betrifft transparente Schichtverbunde, die optotechnische Hybridgläser umfassen, welche Brechwerte von mehr als 1,6 aufweisen. Die dort beschriebenen Hybridgläser enthalten allerdings kein Zinkoxid. Der Grund ist, dass angenommen wurde, Zinkoxid würde zu Kristallisation während der Heißformgebung führen. Tatsächlich kann Zinkoxid in Verbindung mit der richtigen Menge an Bariumoxid aber die Kristallisation wirksam verhindern und so eine sehr wirtschaftliche Herstellung ermöglichen.
-
GB 2447637 A betrifft einen OLED-Schichtverbund, der für Beleuchtungs- oder Displayzwecke eingesetzt werden kann. Hier wird allerdings ein Substratglas verwendet, welches einen Brechwert von lediglich etwa 1,5 aufweist. Die damit einhergehenden Nachteile müssen mit einer Antireflexschicht abgeschwächt werden.
-
US 2012/0114904 A1 betrifft Flachglas, das Eisenoxid enthält und in OLEDs eingesetzt werden kann. In diesem Glas ist das besondere Verhältnis von BaO zu ZnO nicht erfüllt, die Gläser enthalten nämlich wesentlich mehr BaO als ZnO. Durch die abweichende Zusammensetzung haben diese Gläser im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Dünngläsern deutlich höhere Schmelztemperaturen wie auch Heißverarbeitungstemperaturen. Dadurch greifen die entsprechenden Schmelzen das verwendete Feuerfestmaterial wesentlich stärker an. Außerdem wird die Einschlussfreiheit und die geometrische Konstanz der fertigen Produkte beeinträchtigt.
-
US 2012/194064 A1 beschreibt eine Diffusionsschicht für OLEDs. Das dort verwendete Glas enthält sehr viel Bi
2O
3 und sehr wenig SiO
2 und BaO. Gleiches gilt für
US 2011/287264 A1 .
-
Gerade für die Anwendung als Substrat bzw. Superstrat in einer OLED oder einem Photovoltaikmodul ist es wichtig, das zwischen einem Flachglas und einer angrenzenden Schicht keine oder nur wenig Totalreflexion auftritt. Der Brechungsindex des verwendeten Glases soll möglichst hoch sein. Denn bei vielen Anwendungen in Schichtverbunden grenzt das Glas an eine Schicht mit hohem Brechungsindex, wie beispielsweise ITO in OLEDs. Beim Austritt des in der OLED erzeugten Lichts, muss das Licht aus der ITO-Schicht in das Superstrat aus Glas eindringen. Je größer die Differenz des Brechungsindex zwischen ITO-Schicht und Glas ist, desto ausgeprägter ist die Totalreflexion an der Grenzfläche. Somit können wirtschaftlich hergestellte Dünngläser mit hohem Brechungsindex hier sehr vorteilhaft eingesetzt werden.
-
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, ein Dünnglas bereit zu stellen, welches in einem in line-Fertigungsprozess verarbeitet werden kann und dabei die optischen Eigenschaften eines klassischen optischen Glases aufweist. Mit anderen Worten: das Glas soll die Verarbeitbarkeit eines technischen Glases mit den optischen Eigenschaften eines optischen Glases vereinen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche gelöst.
-
Die Dünngläser dieser Erfindung sind hochtransparent, kristallisationsresistent, chemisch beständig und hochbrechend. Ihr Viskositäts-Temperatur-Verhalten ist auf den Herstellungsprozess mit in line-Flachglasverfahren abgestimmt.
-
Das Glas dieser Erfindung ist ein Flachglas, insbesondere ein Flachglas mit geringer Dicke von vorzugsweise weniger als 2 mm (hiernach „Dünnglas“). Die erfindungsgemäßen Dünngläser unterscheiden sich von klassischen optischen Gläsern nicht nur durch ihre Dicken, sondern auch durch ihre Oberflächenbeschaffenheit. Das hängt mit den Herstellungsverfahren zusammen, mit welchen sie erhältlich sind. Bei dem Versuch, klassisch optische Gläser in Dicken von 2 mm oder weniger herzustellen, würden je nach gewähltem Herstellungsprozess bestimmte Probleme auftreten. Wie oben beschrieben, würde bei den großtechnischen in line-Fertigungsverfahren aufgrund der Kürze der Gläser und ihrer Kristallisationsneigung kein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden. Würde hingegen versucht, die Gläser durch Schneiden und Polieren aus Barrenabschnitten herzustellen, würde dies einerseits die Kosten in die Höhe treiben und andererseits eine Oberflächenbeschaffenheit erzielt werden, die kaum den Anforderungen an das Glas gerecht würde. Die Dünngläser dieser Erfindung haben Brechwerte von > 1,60 und vorzugsweise sogar > 1,65.
-
Die Dünngläser dieser Erfindung sind aufgrund ihrer Zusammensetzung mit in line-Fertigungsverfahren herstellbar. In line-Fertigungsverfahren dieser Erfindung sind insbesondere Down Draw, Overflow Fusion, Floaten und Walzen. Besonders bevorzugt sind Down Draw und Overflow Fusion. Durch diese Herstellungsverfahren lassen sich Dünngläser herstellen, die besondere Oberflächenbeschaffenheiten aufweisen. Die Dünngläser haben aufgrund der Herstellungsverfahren, mit denen sie erhältlich sind, wenigstens eine, insbesondere zwei, feuerpolierte Oberfläche/n. Feuerpolierte Oberflächen sind sehr glatt, d.h. sie weisen nur geringe Rauheit auf. Im Gegensatz zum mechanischen Polieren wird eine Oberfläche beim Feuerpolieren nicht abgeschliffen, sondern das zu polierende Material wird so hoch erhitzt, dass es glattfließt. Daher sind die Kosten für die Herstellung einer glatten Oberfläche durch Feuerpolieren wesentlich geringer als für die Herstellung einer sehr glatten mechanisch polierten Oberfläche.
-
Mit den erfindungsgemäßen in line-Fertigungsverfahren werden Dünngläser erhalten, die wenigstens eine feuerpolierte Oberfläche aufweisen. Wenn für die Herstellung ein Down Draw oder Overflow Fusion Verfahren verwendet wird, so weisen die erhaltenen Gläser sogar zwei feuerpolierte Oberflächen auf.
-
Mit „Oberflächen“ sind bezogen auf das erfindungsgemäße Dünnglas die Ober- und/oder Unterseite gemeint, also die beiden Flächen, welche im Vergleich zu den übrigen Flächen die größten sind.
-
Feuerpolierte Oberflächen zeichnen sich durch eine besonders geringe Rauheit aus. Die Rauheit einer feuerpolierten Oberfläche ist geringer als die einer mechanisch polierten Oberfläche.
-
Die feuerpolierte/n Oberfläche/n der Dünngläser dieser Erfindung weisen vorzugsweise eine quadratische Rauheit (Rq oder auch RMS) von höchstens 5 nm, bevorzugt höchstens 3 nm und besonders bevorzugt höchstens 1 nm auf. Die Rautiefe Rt beträgt für die Dünngläser vorzugsweise höchstens 6 nm, weiter bevorzugt höchstens 4 nm und besonders bevorzugt höchstens 2 nm. Die Rautiefe wird gemäß DIN EN ISO 4287 bestimmt.
-
Bei mechanisch polierten Oberflächen sind die Rauheitswerte schlechter. Außerdem sind bei mechanisch polierten Oberflächen Polierspuren unter dem Rasterkraftmikroskop (AFM) erkennbar. Des Weiteren können ebenfalls unter dem AFM Reste des mechanischen Poliermittels, wie Diamantpulver, Eisenoxid und/oder CeO2, erkannt werden. Da mechanisch polierte Oberflächen nach dem Polieren stets gereinigt werden müssen, kommt es zu Auslaugung bestimmter Ionen an der Oberfläche des Glases. Diese Verarmung an bestimmten Ionen kann mit Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) nachgewiesen werden. Solche Ionen sind beispielsweise Ca, Zn, Ba und Alkalimetalle.
-
Das Dünnglas dieser Erfindung weist eine Dicke von weniger als 2 mm, bevorzugt höchstens 0,8 mm und mehr bevorzugt höchstens 0,6 mm auf. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke höchstens 0,35 mm und insbesondere höchstens 0,2 mm. Ein so dünnes Glas ist hinreichend elastisch, um z.B. flexible OLED-Schichtverbunde zu ermöglichen. Um hinreichende Stabilität zu gewährleisten soll die Dicke vorzugsweise wenigstens 0,02 mm betragen.
-
Damit die Dünngläser dieser Erfindung in in line-Fertigungsverfahren hergestellt werden können, sollten sie hinsichtlich ihrer Kristallisationseigenschaften bestimmte Parameter einhalten. Diese Parameter sind bei klassischen optischen Gläsern nicht in dem Maße wichtig, weil die optischen Gläser üblicherweise schnell abgekühlt werden. Die optischen Gläser werden also schnell von einer Temperatur oberhalb der oberen Entglasungsgrenze (OEG) bis auf eine Temperatur unterhalb der unteren Entglasungsgrenze (UEG) abgekühlt.
-
Bei der Verarbeitung mit in line-Fertigungsverfahren werden die Gläser allerdings für einen längeren Zeitraum bei einer vergleichsweise hohen Temperatur gehalten. Daher sollen die erfindungsgemäßen Dünngläser eine solche Resistenz gegen Kristallisation aufweisen, dass sie selbst dann keine bzw. keine sichtbaren Kristalle zeigen, wenn sie während eines Zeitraumes von 60 Minuten bei Temperaturen von 800°C bis 1050°C (OEG/60) gehalten werden. Dieser Test wird in einem kalibrierten Gradientenofen mit der Pt-Trägerblechmethode durchgeführt. Sichtbare Kristalle sind erfindungsgemäß Kristalle, die einen Durchmesser von mehr als 10 µm aufweisen.
-
Die Dünngläser dieser Erfindung kommen mit vergleichsweise wenig SiO2 aus. SiO2 ist zwar eine wichtige Komponente im Glas, weil sie die Viskositätskurve weniger steil macht. Allerdings kann dann, wenn viel SiO2 verwendet wird, nur verhältnismäßig weniger an solchen Komponenten zugesetzt werden, die den Brechwert wirksam erhöhen können. Die Dünngläser dieser Erfindung enthalten daher nur bis zu 60 Mol%, vorzugsweise nur bis zu 56 Mol%, weiter bevorzugt bis zu 52 Mol% und besonders bevorzugt bis zu 50 Mol% SiO2. Gleichwohl müssen die Dünngläser dieser Erfindung gewissen Anforderungen an die chemische Stabilität und die Steilheit der Viskositätskurve Rechnung tragen, so dass mindestens 30 Mol%, bevorzugt mindestens 32 Mol%, weiter bevorzugt mindestens 38 Mol% und besonders bevorzugt mindestens 43 Mol% SiO2 im Dünnglas enthalten sind.
-
Die Dünngläser dieser Erfindung können B2O3 enthalten, vorzugsweise in einem Anteil von wenigstens 6 Mol% und höchstens 20 Mol%. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Menge dieser Komponente auf höchstens 17 Mol%, weiter bevorzugt höchstens 15 Mol% und besonders bevorzugt höchstens 8 Mol% begrenzt. Ist der Anteil an B2O3 im bevorzugten Glas zu gering, wird die Viskosität des Glases zu hoch. Wird hingegen eine zu große Menge an B2O3 verwendet, wird die notwendige chemische Beständigkeit nicht erreicht. Dies ist kritisch für die Verarbeitbarkeit des Glases z.B. im Halbleiterprozess (z.B. Reinigung). Ferner erhöhen hohe B2O3-Anteile im Glas den Eintrag des Feuerfestmaterials während der Herstellung in das Glas. Dies führt zu Inhomogenität, Streuung, heterogenen Keimen und wiederum Kristallisation.
-
B2O3 ist wie SiO2 ein Glasbildner; es ist vorteilhaft, wenn der Gehalt von SiO2 und B2O3 so gewählt wird, dass die Summe von SiO2 und B2O3 in einem Wertebereich von 40 bis 65 Mol% angesiedelt ist. Weiter bevorzugt ist eine Summe in einem Bereich von 45 bis 60 Mol% und besonders bevorzugt in einem Bereich von 48 bis 55 Mol%. Werden diese bevorzugten Werte überschritten, werden Gläser mit zu geringem Brechwert erhalten. Werden die Werte unterschritten würde ein solches Glas zu Kristallisation neigen und eine schlechte chemische Resistenz aufweisen.
-
Ein wichtiges Kriterium im Hinblick auf den gewünschten Brechwert und die benötigte Kristallisationsstabilität ist ein ausgewogenes Verhältnis der Komponenten SiO2 und BaO im erfindungsgemäßen Dünnglas. Dieses Verhältnis SiO2 zu BaO ist ein Stoffmengenverhältnis und beträgt vorzugsweise wenigstens 1,5 und höchstens 3,8, weiter bevorzugt wenigstens 1,8 und höchstens 3,0 und besonders bevorzugt wenigstens 2,5.
-
Die Komponente BaO ist ein wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Dünngläser. BaO trägt dazu bei, dass der hohe Brechwert erreicht werden kann. Zu diesem Zweck ist BaO in einem Anteil von wenigstens 10 Mol% und höchstens 25 Mol% in dem erfindungsgemäßen Dünnglas enthalten. Bevorzugt beträgt der BaO-Gehalt wenigstens 12 Mol% und mehr bevorzugt wenigstens 15 Mol%. Zu hohe Anteile können allerdings die chemische Resistenz reduzieren und die Kristallisationstendenz der Gläser verstärken, was bei den erfindungsgemäß bevorzugten Herstellungsverfahren unbedingt vermieden werden muss. Daher ist der BaO-Gehalt vorzugsweise auf höchstens 22 Mol%, weiter bevorzugt höchstens 19 Mol% beschränkt.
-
Das Glas dieser Erfindung umfasst ZnO in einem Gehalt von mindestens 10 Mol% und höchstens 25 Mol%. Weiter bevorzugt ist ein Mindestgehalt an ZnO von wenigstens 12 Mol%, mehr bevorzugt wenigstens 14 Mol% und besonders bevorzugt wenigstens 16 Mol%. Ein Mindestgehalt an ZnO ist notwendig, um einen hohen Brechungsindex zu erhalten. Der Gehalt darf nicht zu hoch sein, da die Gläser sonst zu „kurz“ werden und nicht mehr im technischen HFG-Prozess hergestellt werden können. Daher sollte der Gehalt an ZnO einen Wert von 21 Mol% und insbesondere 19 Mol% vorzugsweise nicht übersteigen.
-
Es hat sich für die Einstellung eines sehr guten Brechwerts bei gutem Viskositätsverhalten und guter Kristallisationsstabilität als sinnvoll erwiesen, ZnO in solchen Mengen einzusetzen, dass es mit SiO2 in einem Stoffmengenverhältnis ZnO zu SiO2 von wenigstens 0,1 und höchstens 0,8, weiter bevorzugt wenigstens 0,25 und höchstens 0,65 steht. In besonders bevorzugten Ausführungsformen beträgt dieses Verhältnis höchstens 0,5.
-
Optimale Brechwerte werden erzielt, wenn die brechwerterhöhenden Komponenten ZnO und BaO in Gesamtmengen von vorzugsweise wenigstens 25 Mol% und mehr bevorzugt wenigstens 30 Mol% im Dünnglas eingesetzt werden. Wie gesagt, kann ein zu hoher Gehalt dieser Komponenten, der zwangsläufig zu Lasten des SiO2-Gehaltes geht, dazu führen, dass die Kristallisationsstabilität leidet. Daher ist die Gesamtmenge der Komponenten ZnO und BaO vorzugsweise auf höchstens 40 Mol% und insbesondere höchstens 35 Mol% beschränkt.
-
Ein optimales Resultat im Hinblick auf die Kristallisations-, Viskositäts- und Brechwerteigenschaften wurde mit einer Mischung der brechwerterhöhenden Komponenten erzielt, bei der das Stoffmengenverhältnis von BaO zu ZnO unterhalb von 1,5 und bevorzugt unterhalb von 1,2 sowie besonders bevorzugt unterhalb von 1,05 lag. Dieses Stoffmengenverhältnis sollte vorzugsweise wenigstens 0,5 und besonders bevorzugt wenigstens 0,8 oder sogar wenigstens 0,9 betragen. Offenbar trägt die Einhaltung dieses Verhältnisses besonders dazu bei, dass die erfindungsgemäßen Gläser im Wege eines in line-Fertigungsprozesses herstellbar sind.
-
Al2O3 erhöht die chemische Resistenz des Glases. Es ist in den erfindungsgemäßen Dünngläsern in Mengen von vorzugsweise bis zu 6 Mol%, weiter bevorzugt bis zu 4 Mol% und besonders bevorzugt bis zu <1 Mol% enthalten. Wird ein zu hoher Anteil an Al2O3 gewählt, so erhöhen sich die Einschmelztemperaturen des Glases, was zu erhöhtem Energieverbrauch und verringerten Aggregatsstandzeiten führt. In Ausführungsformen der Erfindung ist das erfindungsgemäße Dünnglas daher frei von Al2O3.
-
Es ist bevorzugt, dass die erfindungsgemäßen Dünngläser Li2O in Gehalten von nur 0 bis 2 Mol% aufweisen. Diese Komponente kann zur Feineinstellung der Viskositätseigenschaften verwendet werden. In Kombination mit B2O3 kann diese Komponente die Herstellungsanlagen stark angreifen, was zu Trübung, heterogener Keimung und geringen Standzeiten der Aggregate führt. Ferner führt Li2O zu erhöhter Ionenmobilität, zusätzlich verstärkt es die Kristallisationsneigung des Glases. Außerdem wird die chemische Resistenz des Glases verringert. Daher sind bevorzugte Dünngläser frei von Li2O.
-
Die erfindungsgemäßen Dünngläser können K2O umfassen. K2O dient der Feineinstellung der Viskosität. Es ist bevorzugt in Mengen von 0 bis 8 Mol%, insbesondere bis 4 Mol% oder nur bis 1 Mol% im Glas enthalten. Ähnlich wie Li2O führt ein zu großer Anteil am Glas zu erhöhter Ionenmobilität und geringer chemischer Resistenz, so dass bevorzugte Dünngläser keinerlei K2O enthalten.
-
Die erfindungsgemäßen Dünngläser können Na2O umfassen. Na2O dient der Feineinstellung der Viskosität. Es ist bevorzugt in Mengen von 0 bis 10 Mol%, insbesondere bis 4 Mol% oder nur bis 1 Mol%, im Glas enthalten. Ähnlich wie Li2O führt ein zu großer Anteil am Glas zu erhöhter Ionenmobilität und geringer chemische Resistenz. Daher sind bevorzugte Ausführungsformen frei von Na2O.
-
Aus den vorhergehenden Absätzen wird deutlich, dass der Gehalt an Alkalimetalloxiden im erfindungsgemäßen Dünnglas begrenzt werden sollte, um Auslaugeffekte während der Prozessierung zu verhindern. Aus diesem Grund ist der Anteil an den Alkalimetalloxiden Li2O, Na2O und K2O bevorzugt auf einen Gehalt von höchstens 4 Mol%, weiter bevorzugt höchstens 2 Mol% begrenzt. Die erfindungsgemäßen Dünngläser enthalten also bevorzugt keine bzw. nur geringe Anteile an Alkalimetalloxiden, die durch unvermeidliche Verunreinigungen in den Rohstoffen eingetragen werden. Alkalimetalloxide verringern die chemische Beständigkeit des Glases.
-
Einige Ausführungsformen der Dünngläser weisen MgO auf. Bevorzugt liegt dessen Gehalt bei bis zu 3 Mol%, weiter bevorzugt bis zu 2 Mol%. MgO wird eingesetzt, um die Viskosität des Glases einzustellen. Wird zu viel MgO eingesetzt, erhöht dies die Kristallisationsneigung der Gläser. Deshalb sind bevorzugte Ausführungsformen frei von MgO.
-
Die Dünngläser können SrO umfassen. Dieses liegt dann in Mengen von bis zu 12 Mol% oder bis zu 11 Mol% vor, bevorzugte Ausführungsformen weisen höchstens 10 Mol% oder höchstens 8 Mol% auf, um die Viskosität des Glases einzustellen. Wird zu viel SrO eingesetzt, werden zu kurze Gläser erhalten.
-
Die Dünngläser dieser Erfindung können CaO enthalten, um die Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur einzustellen. Zu diesem Zweck wird CaO in Mengen von bis zu 10 Mol% eingesetzt, bevorzugte Ausführungsformen weisen bis zu 8 Mol% auf. Wird zu viel CaO eingesetzt, wird ein zu kurzes Glas erhalten.
-
Um die Länge des Glases optimal einzustellen, soll der Anteil der Summe der Oxide BaO, SrO, CaO, MgO und ZnO zusammen vorzugsweise einen Wert von 30 bis 50 Mol% annehmen, weiter bevorzugt sind 35 bis 46 Mol%, am meisten bevorzugt sind 39 bis 44 Mol%.
-
Um die Brechwerte des Dünnglases anzuheben, können TiO2 und/oder ZrO2 verwendet werden. Dabei liegt der Gehalt an TiO2 bei vorzugsweise 0 bis 9 Mol% und besonders bevorzugt bei 1 bis 6 Mol%. In besonders bevorzugten Ausführungsformen werden wenigstens 3 Mol% TiO2 verwendet. Durch die Zugabe von TiO2 und/oder ZrO2 wird auch die chemische Stabilität verbessert.
-
Der Gehalt von ZrO2 beträgt bevorzugt 0 bis 5 Mol% und besonders bevorzugt 0,25 bis 4 Mol% oder bis 3 Mol%. Werden diese Komponenten in zu großer Menge eingesetzt, erhöht sich die Kristallisationsneigung der Gläser. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung, weisen die Dünngläser beide Komponenten TiO2 und ZrO2 auf, wobei vorzugsweise der Gehalt an TiO2 stets größer ist als der Gehalt an ZrO2. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist der Gehalt an TiO2 sogar mindestens doppelt so hoch wie derjenige an ZrO2.
-
Die erfindungsgemäßen Gläser können Y2O3 in Mengen von 0 bis 7 Mol% umfassen. Bevorzugte Ausführungsformen sind allerdings frei von Y2O3. Ferner können die Dünngläser Nb2O5 enthalten, bevorzugt in einem Anteil von 0 bis 9 Mol%, weiter bevorzugt von 0,25 bis 5 Mol% oder bis 3,5 Mol% oder bis 3 Mol%. Eine weitere optionale Komponente ist La2O3, die in einem Gehalt von 0 bis 10 Mol% und besonders bevorzugt von 0,1 bis 5 Mol% verwendet werden kann. Die in diesem Absatz genannten Komponenten dienen der Einstellung der erfindungsgemäß benötigten hohen Brechwerte. Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass die Mengen, in denen diese Komponenten eingesetzt werden, begrenzt werden müssen, weil ansonsten die Kristallisationsneigung stark zunimmt. Es hat sich erwiesen, dass die hier diskutierten Oxide (Y2O3, Nb2O5, La2O3) am besten in Mengen von insgesamt 0 bis 8 Mol%, bevorzugt 0 bis 5 Mol% im erfindungsgemäßen Dünnglas eingesetzt werden. Zu berücksichtigen ist auch, dass diese hier genannten Komponenten sehr teuer sind und auch aus diesem Grund die eingesetzte Menge begrenzt werden sollte.
-
Damit der hohe Brechungsindex der erfindungsgemäßen Dünngläser erreicht werden kann, wird die Glaszusammensetzung vorzugsweise so gewählt, dass die Summe der stark brechwerterhöhenden Komponenten TiO2, ZrO2, Nb2O5 La2O3, Y2O3 wenigstens 2,5 Mol%, weiter bevorzugt wenigstens 3 Mol%, mehr bevorzugt wenigstens 4 Mol% beträgt. Diese Summe sollte allerdings zur Begrenzung der Kristallisationsneigung einen Wert von vorzugsweise 15 Mol%, weiter bevorzugt 12 Mol%, mehr bevorzugt 9,5 Mol% und besonders bevorzugt 8 Mol% nicht übersteigen.
-
Wenn es in dieser Beschreibung heißt, die Gläser seien frei von einer Komponente oder enthalten eine gewisse Komponente nicht, so ist damit gemeint, dass diese Komponente allenfalls als Verunreinigung in den Gläsern vorliegen darf. Das bedeutet, dass sie nicht in wesentlichen Mengen zugesetzt wird oder enthalten ist. Nicht wesentliche Mengen sind erfindungsgemäß Mengen von weniger als 1000 ppm, bevorzugt weniger als 500 ppm und am meisten bevorzugt weniger als 100 ppm. Bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Dünngläser frei von in dieser Beschreibung nicht als Glasbestandteil genannten Komponenten. Insbesondere sind die Dünngläser dieser Erfindung vorzugsweise frei von PbO, weil PbO eine nicht umwelt- und gesundheitsverträgliche Komponente ist. Ferner ist das Glas vorzugsweise frei von Bi2O3, weil diese Komponente die Kristallisationstendenz und die Rohstoffkosten der Gläser stark erhöht und die Transmission erniedrigt. Das Glas enthält vorzugsweise kein Fe2O3, weil Fe2O3 die Transmission verringert.
-
Zusätzlich können dem Dünnglas zur Läuterung die üblichen Läutermittel zugesetzt werden wie insbesondere SnO2, Sb2O3, Sulfate und/oder Chloride.
-
As2O3 könnte ebenfalls zugesetzt werden, darauf wird aber aus toxikologischen und umweltkritischen Gründen bevorzugt verzichtet.
-
Wie zuvor erwähnt, weisen die erfindungsgemäßen Gläser vergleichsweise geringe Schmelz- und Heißverarbeitungstemperaturen auf. Die Heißverarbeitungstemperaturen (VA) der erfindungsgemäßen Gläser liegen bei vorzugsweise weniger als 1000°C, weiter bevorzugt in einem Bereich von 800°C bis 1000°C und besonders bevorzugt in einem Bereich von 820°C bis 970°C. Niedrige Verarbeitungstemperaturen schonen die Aggregate und erhöhen somit die Wirtschaftlichkeit der Herstellung.
-
Die Schmelztemperaturen der Gläser – ausgedrückt durch die Temperaturen, bei denen die Gläser eine Viskosität von 102 dPas aufweisen – liegen erfindungsgemäß bevorzugt in einem Bereich von wenigstens 800°C und höchstens 1150°C, weiter bevorzugt in einem Bereich von mindestens 900°C und höchstens 1100°C.
-
Die Transformationstemperaturen (Tg) der erfindungsgemäßen Gläser liegen vorzugsweise in einem Bereich von mehr als 550°C, weiter bevorzugt mehr als 600°C und vorzugsweise weniger als 750°C, weiter bevorzugt weniger als 700°C.
-
Die Dünngläser dieser Erfindung werden vorzugsweise in einem Flachglasverfahren hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte
- a. Schmelzen eines Glasgemenges, das die folgenden Komponenten in Mol% umfasst
| von | bis |
SiO2 | 30 | 60 |
B2O3 | 0 | 20 |
ZnO | 10 | 25 |
BaO | 10 | 25 |
- b. Verarbeiten der Glasschmelze zu einem Dünnglas.
-
Die Verarbeitung der Glasschmelze zu einem Dünnglas erfolgt vorzugsweise in einem in line-Fertigungsverfahren bzw. Flachglasverfahren. Es zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Glasschmelze in geschmolzenem Zustand weiter verarbeitet wird, ohne dass sie zuvor abgekühlt wird.
-
Die Flachglasverfahren sind vorzugsweise Down Draw oder Overflow Fusion. Andere Verfahren wie Floaten und Walzen sind auch möglich, aber aufgrund einer tendenziell schlechteren Glasoberfläche nicht bevorzugt. Falls das Glas gefloatet werden soll, sind außerdem redox-spezifische Eigenschaften bestimmter Einzelkomponenten zu beachten. Daher ist dieser Heißformgebungsprozess nicht bevorzugt.
-
Die erfindungsgemäßen Flachglasverfahren sind vorzugsweise sogenannte in-line-Verfahren, bei denen das Dünnglas geschmolzen und unmittelbar im Anschluss geformt wird. Das Dünnglas wird also nicht zunächst in Barren gegossen und dann weiter verarbeitet, sondern direkt nach der Schmelze zu einem Dünnglas geformt.
-
Bevorzugte Verfahren sind das Down Draw- sowie das Overflow Fusion-Verfahren. Das Down Draw-Verfahren ist in
WO 02/051757 A2 und das Overflow Fusion-Verfahren in
WO 03/051783 A1 beschrieben.
-
Im Down Draw-Verfahren wird eine Glasschmelze, die aus einem Ziehtank durch eine Düse fließt, ggf. unter Verwendung eines Leitkörpers zu einem Glasband geformt, welches von seitlich angeordneten Walzen auf die gewünschte Dicke und Breite nach unten gezogen wird.
-
Im Overflow Fusion-Verfahren wird eine Glasschmelze in eine Überlaufwanne geleitet, aus der die Glasschmelze an mindestens zwei Seiten über den Rand läuft (Overflow). Die beiden Bänder herabfließender Glasschmelze laufen an den Wänden der Überlaufwanne hinab und vereinigen sich (Fusion) am unteren Teil der spitz zulaufenden Wände zu einem Glasband.
-
In beiden Verfahren wird die Glasschmelze relativ lang in einem flüssigen Zustand gehalten und bewegt. Dadurch ist die Gefahr der Kristallisation vergleichsweise hoch. Somit muss der Aspekt der Kristallisation besonders beachtet werden. Ein anderer wichtiger Aspekt ist das Temperatur-Viskositäts-Profil der Gläser. Die Verarbeitung gelingt wesentlich besser, wenn die Gläser mit abnehmender Temperatur nicht zu schnell zu dickflüssig werden und die Verarbeitungstemperatur nicht zu hoch ist. Die Gläser dieser Erfindung haben diese Eigenschaften, wodurch die Prozessführung stabiler gestaltet werden kann sowie die Standzeit der verwendeten Produktionsgeräte (Ziehtanks, Overflow Fusion-Rinne etc.) merklich gesteigert werden kann.
-
Erfindungsgemäß ist auch ein Schichtverbund, der wenigstens eines der Dünngläser dieser Erfindung umfasst. Der Schichtverbund ist vorzugsweise transparent oder mindestens zu einer Seite hin transparent.
-
Der erfindungsgemäße Schichtverbund umfasst vorzugsweise eine Halbleiterschicht und zwei Elektroden. Eine Elektrode kann dabei eine leitfähige transparente Oxidschicht (z.B. ITO) oder auch eine Elektrode aus Silbernanodrähten sein, die durch ihre Anordnung eine elektrische Leitung ermöglichen. Der Schichtverbund umfasst ferner bevorzugt eine Substrat- oder Superstratschicht, wobei die Substratschicht bzw. Superstratschicht das erfindungsgemäße Dünnglas umfasst oder daraus besteht.
-
Da die erfindungsgemäßen Dünngläser in der Regel sehr alkalimetalloxidarm sind, kann in einer bevorzugten Ausführung des Schichtverbunds auf eine Sperr- oder Barriereschicht zwischen Dünnglas und Halbleiterschicht verzichtet werden. Diese Sperrschicht ist bei bestimmten Halbleiterschichten normalerweise notwendig um eine Diffusion von Alkaliionen in die Halbleiterschicht zu vermeiden. Alkaliionen, die in die Halbleiterschicht diffundieren, können zu Defekten bis hin zum kompletten Ausfall des Systems führen (z.B. bei Anwendungen im TFT-Display).
-
Auch ein System mit Glassubstraten auf beiden Seiten des Schichtverbundes ist möglich, besonders bevorzugt bei transparenten OLED-Beleuchtungssystemen, oder auch, um mit dem Glas eine hermetische Verkapselung eines OLED- oder PV-Systems zu erreichen.
-
In bevorzugten Ausführungsformen wird der Schichtverbund für den Aufbau eines lichterzeugenden OLED-Systems verwendet.
-
Ein erfindungsgemäßer Schichtverbund mit dem erfindungsgemäßen Dünnglas als Substrat- oder Superstratschicht ist allgemein besonders geeignet für alle Anwendungen bei denen Strahlung wie z.B. sichtbares Licht, UV-, IR- oder sonstige Strahlung durch das System geleitet werden soll und eine bzw. mehrere Schichten einen erhöhten Brechungsindex aufweisen, wobei es an der Grenzfläche zwischen der bzw. den Schichten zu Reflexionen kommen kann.
-
Dies sind z.B. ganz allgemein optische und insbesondere Halbleiteranwendungen z.B. OLED-Systeme (als Display und insbesondere auch zur Flächenbeleuchtung als Leuchtmittel). Eine andere Halbleiteranwendung ist z.B. Dünnschicht-Photovoltaik, besonders bevorzugt organische Dünnschicht-PV.
-
In alternativen Ausführungsformen können die erfindungsgemäßen Schichtverbunde auch in Solarmodulen oder als Solarmodule zum Einsatz kommen. Es liegt auf der Hand, dass mit Hilfe der erfindungsgemäß verwendeten Gläser auch für Solarmodule vorteilhafte Eigenschaften im Schichtverbund erzielt werden können, weil es auch dort auf den ungehinderten Durchgang von Licht durch ein Substratglas ankommt. Folglich können unter Verwendung der Schichtverbunde Solarmodule mit verbessertem Wirkungsgrad erhalten werden. Auch in solchen Solarmodulen wird der Schichtverbund zusammen mit Elektroden eingesetzt.
-
Das erfindungsgemäße Dünnglas ist über einen Flachglasprozess herstellbar. Unter „Flachglasprozess“ wird erfindungsgemäß bevorzugt ein Prozess verstanden, der Zugang zu Glas in dem im Weiteren beschriebenen Aspektverhältnis (Dicke zu Flächenausdehnung) von Scheiben gewährt. Diese Scheiben zeichnen sich durch minimale Dicken von 0,02 mm (Dünnstgläser) über Standarddicken von 0,1–1 mm, bis hin zu Dicken von 3 mm aus. Die Breiten liegen vorzugsweise zwischen 0,1 bis 3 m. Die Art des Flachglasprozesses variiert mit dem angestrebten Aspektverhältnis zwischen den bevorzugten Verfahren Down Draw- und Overflow Fusion- und verwandten Prozessen. Dadurch wird erfindungsgemäß die erforderliche Dicke des Dünnglases in der Substratschicht erreicht. Mit üblichen optischen Gläsern, die einen Brechungsindex von > 1,6 aufweisen, können diese Flachglasprozesse nicht durchgeführt werden, weil sie Komponenten enthalten bzw. Zusammensetzungen aufweisen, welche zu einer geringen Kristallisationsstabilität der Gläser führen.
-
Die Substratschicht im Schichtverbund weist vorzugsweise eine Schichtdicke von weniger als 3 mm auf. Weiter bevorzugt beträgt diese Schichtdicke weniger als 2 mm und besonders bevorzugt weniger als 1 mm oder weniger als 0,5 mm. In der bevorzugten flexiblen Form des Schichtaufbaus beträgt die Schichtdicke bevorzugt < 500 µm, besonders bevorzugt < 200 µm. Dies ist vorteilhaft, weil die Elastizität des Glases mit sinkender Dicke steigt. Der Schichtverbund würde also mit steigender Dicke insgesamt weniger elastisch. Wird die Schichtdicke aber zu klein gewählt, erschwert sich zum einen die Verarbeitbarkeit, zum anderen wird der Schichtverbund insgesamt weniger resistent gegen Beschädigung. Daher beträgt die Schichtdicke der Substratschicht vorzugsweise wenigstens 0,03 mm und weiter bevorzugt wenigstens 0,05 mm. Die vorteilhafte Elastizität des Dünnglases wird durch geeignete Auswahl der Inhaltsstoffe erzielt.
-
Der Schichtverbund ist vorzugsweise Bestandteil eines OLED-Beleuchtungssystems (Leuchtmittel). Erfindungsgemäß ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Gläser als Substratgläser für eine OLED bzw. in einem OLED Beleuchtungssystem.
-
Erfindungsgemäß ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Glases in Form eines Dünnglases als Substrat oder Superstrat, insbesondere in einem Schichtverbund mit einer Halbleiterschicht. Bevorzugt erfolgt die Verwendung in einem oben beschriebenen Schichtverbund.
-
Beispiele
-
Die folgenden Beispiele zeigen Synthesezusammensetzungen, der Dünngläser dieser Erfindung sowie einige Parameter, die diesen Gläsern eigen sind. Die Angaben sind in Mol% außer bei Verhältnisangaben. Die angegebenen Verhältnisse betreffen Stoffmengenverhältnisse.
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX |
SiO2 | 47,15 | 47,16 | 46,63 | 47,10 | 47,10 | 40,86 | 54,58 | 47,64 | 50,67 |
B2O3 | 6,70 | 6,83 | 6,75 | 6,82 | 6,82 | 11,52 | | 6,89 | 7,33 |
Al2O3 | | | | | | | | | 3,05 |
CaO | 7,15 | 7,15 | 7,07 | 7,14 | | | | 7,21 | |
SrO | | | | | 7,14 | 7,25 | 6,84 | | |
BaO | 16,46 | 16,47 | 16,28 | 16,44 | 16,45 | 16,68 | 15,74 | 16,63 | 17,13 |
ZnO | 17,06 | 17,06 | 16,88 | 17,04 | 17,04 | 17,29 | 16,32 | 17,24 | 18,34 |
TiO2 | 3,42 | 2,56 | 4,38 | 3,41 | 3,41 | 4,32 | 4,89 | | |
ZrO2 | 0,68 | 1,32 | 1,30 | 0,68 | 0,68 | 1,38 | 0,98 | 3,02 | 0,74 |
La2O3 | | | | | | | | | |
Nb2O5 | 1,36 | 1,46 | 0,70 | 1,36 | 1,36 | 0,69 | 0,65 | 1,38 | 2,75 |
SiO2/BaO | 2,86 | 2,86 | 2,86 | 2,86 | 2,86 | 2,45 | 3,47 | 2,86 | 2,96 |
ZnO/SiO2 | 0,36 | 0,36 | 0,36 | 0,36 | 0,36 | 0,42 | 0,30 | 0,36 | 0,36 |
ZnO+BaO | 33,52 | 33,53 | 33,16 | 33,48 | 33,49 | 33,97 | 32,06 | 33,87 | 35,47 |
BaO/ZnO | 0,96 | 0,97 | 0,96 | 0,96 | 0,97 | 0,96 | 0,96 | 0,96 | 0,93 |
| X | XI | XII | XIII | XIV | XV | XVI | XVII | XVIII |
SiO2 | 47,45 | 34,43 | 33,82 | 43,42 | 39,57 | 33,49 | 32,49 | 46,63 | 30,92 |
B2O3 | 6,87 | 16,01 | 15,71 | 7,83 | 11,23 | 15,58 | 15,04 | 6,75 | 14,14 |
Al2O3 | | | | | | | | | |
CaO | 7,19 | | | | | | | 7,07 | |
SrO | | 6,57 | 9,08 | 7,20 | 7,29 | 6,60 | 9,13 | | 9,19 |
BaO | 16,57 | 17,19 | 16,89 | 16,67 | 16,78 | 17,25 | 16,98 | 16,28 | 17,09 |
ZnO | 17,18 | 17,82 | 17,51 | 17,28 | 17,40 | 17,87 | 17,60 | 16,88 | 17,72 |
TiO2 | 1,20 | 4,89 | 4,81 | 3,46 | 4,35 | 4,91 | 4,83 | 4,38 | 5,30 |
ZrO2 | 0,69 | 1,42 | 1,40 | 1,04 | 1,39 | 1,43 | 1,41 | 1,30 | 1,59 |
La2O3 | 1,49 | 0,89 | | 1,73 | 1,16 | 2,08 | 1,75 | | 2,92 |
Nb2O5 | 1,37 | 0,78 | 0,77 | 1,38 | 0,83 | 0,78 | 0,77 | 0,70 | 1,13 |
SiO2/BaO | 2,86 | 2,00 | 2,00 | 2,60 | 2,36 | 1,94 | 1,91 | 2,86 | 1,81 |
ZnO/SiO2 | 0,36 | 0,52 | 0,52 | 0,40 | 0,44 | 0,53 | 0,54 | 0,36 | 0,57 |
ZnO+BaO | 33,75 | 35,01 | 34,40 | 33,95 | 34,18 | 35,12 | 34,58 | 33,16 | 34,81 |
BaO/ZnO | 0,96 | 0,96 | 0,96 | 0,96 | 0,96 | 0,97 | 0,96 | 0,96 | 0,96 |
-
Alle Beispielgläser konnten mit erfindungsgemäßen in line-Fertigungsverfahren zu Dünngläsern dieser Erfindung verarbeitet werden, ohne dass Kristallisation auftrat.