JP4807024B2

JP4807024B2 - ディスプレイ装置用基板ガラス

Info

Publication number: JP4807024B2
Application number: JP2005282514A
Authority: JP
Inventors: 篤史辻
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: JP2007091522A

Description

本発明は、直接通電溶融を含めた溶融、フロート法成形に適しているため生産性が高く、かつ耐熱性に優れ、軽量で高強度のガラス組成物に関する。特に通常のソーダライムシリカガラスと同程度の熱膨張係数と高い耐熱性が要求されるガラス基板、例えばＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）やＥＬ（エレクトロルミネセンス）、ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）等の電子ディスプレイ用基板に好適なガラス組成物に関する。

現在、ＰＤＰ製造分野においては高歪点ガラス、ＬＣＤ製造分野においては無アルカリガラスが使用されている。

従来、ＰＤＰ製造分野においては、基板ガラスとして常温〜３００℃の熱膨張係数が８０〜９０×１０^ー７／℃程度、歪点が５１０〜５２０℃程度のソーダライムシリカガラスを使用してきた。ソーダライムシリカガラスは多方面に利用され、低価格で容易に調達できる点で有利とされている。しかし歪点が低いため、ガラス基板上に電極線パターンを配し、更に低融点ガラスによる絶縁被覆を形成する等、パネル製作上各種熱処理を施す際に、基板ガラスの反りや収縮などの変形を生じ易いという不具合が生じる。

上記不具合を解消するために、現在、ソーダライムシリカガラスと同様なアルカリ・アルカリ土類・シリカ系ガラスで、熱膨張係数がソーダライムシリカガラスと近似し、歪点が５５０℃を越え、あるいは６００℃を超えるような高歪点ガラスが使用されている（特許文献１〜３参照）。これらのガラスを用いた基板は、ディスプレイパネルの製造工程において、熱変形が少なく、またパネルを構成する他の部材との熱膨張の整合性も良い。

一方、ＬＣＤ製造分野においては、アルカリ金属酸化物を含まない無アルカリガラスが使用されている。これらのガラスを用いた基板は、ディスプレイパネルの製造工程において、３０〜３００℃における平均線膨張係数が４０×１０^−７／℃以下と小さく、歪点も６４０℃以上と高いため、熱収縮が小さいという利点がある(特許文献４，５参照)。
特開平１０−４５４２３号公報特開平１１−２４０７３５号公報特開２０００−１０３６３８号公報特開２００２−２９７７６号公報特開２００２−３０８６４３号公報

しかし、上記従来の高歪点ガラスは、ディスプレイパネルの製造工程において、熱膨張係数がソーダライムシリカガラスに近いため、熱収縮が大きく、パネル製造工程において熱変形が多いという問題点がある。

これに対して上記の無アルカリガラスは、熱膨張係数が小さく熱変形を抑えられるものの、アルカリ酸化物やアルカリ土類酸化物がないことから、溶融・成形温度の上昇等が起こる。また、ガラスの高温粘度が高くなるため、ガラスの溶融温度や成形温度を高くしなければならず、溶融や成形が困難となる。特に、フロート法による成形ではガラスの高温粘度が高いと、窯やフロートバスの錫等に悪影響を及ぼす。そのため主にフュージョン法で生産せざるを得ず、生産性が悪いという問題点がある。

本発明のガラスは上記不具合を解消するために、熱膨張係数が高歪点ガラスよりも低く、無アルカリガラスよりも高いガラスである。ＰＤＰ製造工程においてこのガラスを用いた基板は、熱膨張係数が低いために熱変形が少なく、またパネルを構成する他の部材との熱膨張の整合性も低い分には大きな問題とはならない。さらに、歪点が５８０℃を超える高歪点ガラスであるため、ディスプレイパネル製造工程において各種熱処理を行う際、基板の反りや収縮が起こりにくい。

一方、ＬＣＤ製造工程においてこのガラスを用いた場合も、歪点が５８０℃を超える高歪点ガラスであるため、ディスプレイパネル製造工程において各種熱処理を行う際、基板の反りや収縮が起こりにくい上、このガラスはＦＬ法で製造できるため、生産性が高く、大面積化も容易である。

以上のことから、本発明のガラスはＰＤＰとＬＣＤ用ガラス基板の問題点をそれぞれ改善でき、かつ中間的な特性を持つため、両方に使用することが出来るものである。

実質的に重量％表示で、ＳｉＯ_２が５９〜６９、Ａｌ_２Ｏ_３が０．５〜３、Ｎａ_２Ｏが２〜４、Ｋ_２Ｏが１．５〜３．５、Ｒ_２Ｏ（ただし、ＲはＮａ、Ｋ）が３．５〜７．５、Ｎａ_２Ｏ／Ｒ_２Ｏが０．３〜１、ＭｇＯが３〜５．５、ＣａＯが５〜８、ＳｒＯが６〜７．５、ＢａＯが４〜１４、Ｒ’Ｏ（ただし、Ｒ’はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）が２０〜２９、ＺｒＯ_２が１〜４．５であるディスプレイ装置用基板ガラスである。

また、３０〜３００℃における平均線膨張係数が（５５〜７０）×１０^−７／℃であることを特徴とする上記のディスプレイ装置用基板ガラスである。

また、歪点が５８０℃以上であることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

また、ヤング率が７５〜８５ＧＰaであることを特徴とする上記のディスプレイ装置用基板ガラス。

また、破壊靭性Ｋ_ＩＣが０．６ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

さらに、密度が２．９ｇ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

本発明によれば、ＰＤＰとＬＣＤ用ガラス基板の問題点をそれぞれ改善でき、かつ中間的な特性を持つため、両方に使用することが出来るうえに、フロート法のような大量生産にも適した、ディスプレイ用ガラス基板として極めて好適なものを得ることができる。

実質的に重量％表示で、ＳｉＯ_２が５９〜６９、Ａｌ_２Ｏ_３が０．５〜３、Ｎａ_２Ｏが２〜４、Ｋ_２Ｏが１．５〜３．５、Ｒ_２Ｏ（ただし、ＲはＮａ、Ｋ）が３．５〜７．５、Ｎａ_２Ｏ／Ｒ_２Ｏが０．３７〜０．７２、ＭｇＯが３〜５．５、ＣａＯが５〜８、ＳｒＯが６〜７．５、ＢａＯが４〜１４、Ｒ’Ｏ（ただし、Ｒ’はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）が２０〜２９、ＺｒＯ_２が１〜４．５であるディスプレイ装置用基板ガラスである。

ＳｉＯ_２はガラスの主成分であり、重量％において５９％未満ではガラスの耐熱性または化学的耐久性を悪化させる。他方、６９％を超えるとガラス融液の高温粘度が高くなり、ガラス成形が困難となる。また、ガラスの線膨張係数が小さくなり過ぎて、ディスプレイパネルを構成する他の部材との整合性が悪くなる。従って５９〜６９％、好ましくは５９〜６３％の範囲とする。

Ａｌ_２Ｏ_３は、歪点を高くし、密度を低くする成分である。重量％において０．５％未満ではガラスの耐熱性または化学的耐久性を悪化させる。他方、３％を超えるとガラスの失透傾向が大きくなり、溶融ガラスの成形が困難になる。従って０．５〜３％の範囲である。

Ｎａ_２Ｏは、Ｋ_２Ｏとともにガラス溶解時の融剤として作用する。２％未満ではガラス融液の高温粘度が高くなり、ガラス成形が困難となる。他方、４％を超えると熱膨張係数が大きくなる。従って２〜４％の範囲とする。

Ｋ_２Ｏは、Ｎａ_２Ｏと同様の作用効果を示す。１．５％未満ではガラス融液の高温粘度が高くなり、ガラス成形が困難となる。他方、３．５％を超えると熱膨張係数が増加する。従って、１．５〜３．５％の範囲とする。

前記アルカリ成分（Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ）の量に関して、その合量を３．５〜７．５％にすることにより、線熱膨張係数、高温粘度および失透温度を適切な範囲に維持することができる。アルカリ成分の合量が３．５％未満ではガラス融液の高温粘度が高くなり、ガラス成形が困難となる。またガラスの失透傾向が増大する。７．５％を超えると熱膨張係数が増加し過ぎる。従って、３．５〜７．５％の範囲とするものである。

ＭｇＯは、ガラス溶解時の溶融ガラスの粘度を下げる作用を有する。３％未満ではガラス融液の高温粘度が高くなり、ガラス成形が困難となる。他方、５．５％を超えるとガラスの失透傾向が増大し溶融ガラスの成形が困難になる。従って３〜５．５％、の範囲とする。

ＣａＯは、ガラス溶解時の溶融ガラスの粘度を下げる作用を有すると共に、ガラスの熱膨張係数を上昇させる作用を有する。５％未満ではガラスの熱膨張係数が低くなりすぎる。他方、８％を超えると失透傾向が大きくなり、溶融ガラスの成形が困難になる。従って５〜８％の範囲とする。

ＳｒＯは、必須成分ではないが、ＣａＯとの共存下でガラス融液の高温粘度を下げて失透の発生を抑制する作用を有する。６％未満ではガラス融液の高温粘度が高くなり、ガラス成形が困難となる。他方、７．５％を超えると密度が高くなり過ぎるので、６〜７．５％以下の範囲が望ましい。

ＢａＯは、必須成分ではないが、ガラス融液の失透傾向を抑制する作用を有すると共にヤング率を下げる効果がある。４％未満ではガラスの失透傾向が大きくなり、溶融ガラスの成形が困難になる。１４％を超えると密度が上昇するので、４〜１４％以下の範囲が望ましい。

さらに、上記組成範囲内において、二価の金属酸化物Ｒ’Ｏ（Ｒ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）の合計量を２０〜２９％の範囲とすることによって、ガラスの溶融性を良好な範囲に維持しつつ、粘度―温度勾配を適度としてガラスの成形性を良好とし、耐熱性、化学的耐久性等に優れ、適切な範囲の熱膨張係数を有するガラスを得ることができる。

Ｒ’Ｏの合計が２０％未満では、高温粘度が上昇してガラスの溶融と成形が困難となる。また、歪点が下がり過ぎる上に、熱膨張係数が低下する。一方、２９％を超えると、特に密度が上昇するとともに失透傾向が増大し、化学的耐久性が低下する。より好ましい範囲は、２５〜２９％である。

ＺｒＯ_２は、ガラスの歪点を上昇させ、またガラスの化学的耐久性を向上させる効果を有する。１％未満ではガラスの歪点が所望の範囲を維持できなくなる。４．５％を超えると密度が上昇し、いずれも所望の値が維持できなくなる。従って１〜４．５％、好ましくは１〜４．５％の範囲とする。

本発明の好ましい態様のガラスは実質的に上記成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲で他の成分を合量で１％まで含有してもよい。たとえば、ガラスの溶解、清澄、成形性の改善のためにＳＯ_３、Ｃｌ、Ｆ、Ａｓ_２Ｏ_３等を合量で１％まで含有してもよい。また、ガラスを着色するためにＦｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯ、ＮｉＯ等を合量で１％まで含有してもよい。さらに、ＰＤＰにおける電子線ブラウニング防止等のためにＴｉＯ_２およびＣｅＯ_２をそれぞれ１％まで、合量で１％まで含有してもよい。

熱膨張係数および歪点はガラスの耐熱性を示す特性であり、熱膨張係数は７０×１０^−７/℃以上ではディスプレイパネルの製造工程において熱変形が大きくなりすぎるため不適である。また、歪点も５８０℃以下ではディスプレイパネル製造工程において熱変形が大きくなりすぎるため不適である。

また、本発明は密度が２．９ｇ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。密度が２．９ｇ・ｃｍ^３以上ではディスプレイ装置の軽量化ができなくなる。

また、破壊靭性Ｋ_ＩＣが０．６ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることおよび、ヤング率が７５〜８５ＧＰaであることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。これらの特性はガラスの割れやすさに関係し、これらの範囲外では、ディスプレイ装置の製造工程中で割れやすい問題が出てくる。

以下、実施例に基づき、説明する。

（ガラスの作成）
珪砂、酸化アルミニウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、炭酸カリウム、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウムおよび珪酸ジルコニウムよりなる調合原料を白金ルツボに充填し、電気炉内で１４５０〜１６００℃、約６時間加熱溶融した。加熱溶融の途中で白金棒によりガラス融液を攪拌してガラスを均質化させた。次に、溶融ガラスを鋳型に流し込み、ガラスブロックとし、６００〜７００℃に保持した電気炉に移入して該炉内で徐冷した。得られたガラス試料は泡や脈理の無い均質なものであった。

原料調合に基づくガラスの組成（酸化物換算）を表１に示す。これらのガラスについて、歪点（℃）、密度（ｇ／ｃｍ^３）、３０〜３００℃の平均線膨張係数（１０^−７／℃）、ヤング率（ＧＰａ）、および破壊靱性Ｋ_ＩＣ（ＭＰａ・ｍ^１／２）を以下の方法により測定した。

歪点は、ＪＩＳＲ３１０３−２の規定に基づくビーム曲げ法により測定した。密度は、泡の無いガラス（約５０ｇ）を用いてアルキメデス法により測定した。膨張係数は、熱機械分析装置ＴＭＡ８３１０（理学電機（株）製）を用いて３０〜３００℃における平均線膨張係数を測定した。ヤング率は、シングアラウンド式音波測定装置ＵＶＭ―２（超音波工業（株）製）を用いて測定した。破壊靱性は、微小硬度計ＤＭＨ−２（松沢精機（株）製）を用いて、ＪＩＳＲ１６０７に記載のファインセラミックスの破壊靱性試験方法（圧子圧入法）により算出した。

（結果）
表１中の実施例１〜７は本発明におけるガラスであり、比較例１はソーダライムシリカガラスである。比較例２〜４は従来の高歪点ガラスであり、比較例５〜７は従来の無アルカリガラスである。比較例１のソーダライムシリカガラスおよび比較例２〜４の高歪点ガラスにおいては、密度、ヤング率および破壊靭性が適切の値であるものの、熱膨張係数がいずれも７０×１０^−７/℃以上である。また、比較例５〜７の無アルカリガラスにおいては、密度、歪点が適切の値であるものの、熱膨張係数がいずれも５５×１０^−７／℃以下であり、ヤング率がいずれも７５ＧＰa以下である。

これらに対して実施例１〜７のガラスは、熱膨張係数が５５〜７０×１０^−７/℃の範囲内である上に、密度、歪点、破壊靭性値とヤング率が所望の値である。従って、本願発明のガラスは、従来の高歪点ガラスと同等の密度、歪点、破壊靭性値およびヤング率を有する上に、熱膨張係数が高歪点ガラスよりも低いことから、従来の高歪点ガラスに較べて、ディスプレイパネル製造工程における熱処理工程でのガラス基板の熱変形が少なく、また熱応力の発生が小さいことは明白である。

また、従来の無アルカリガラスに比べて、ディスプレイパネル製造工程における熱処理工程でのガラス基板の熱変形は同等程度である上、ＦＬ法で製造できるため、生産性が向上し、かつ大面積化が容易であることは明白である。

Claims

実質的に重量％表示で、ＳｉＯ_２が５９〜６９、Ａｌ_２Ｏ_３が０．５〜３、Ｎａ_２Ｏが２〜４、Ｋ_２Ｏが１．５〜３．５、Ｒ_２Ｏ（ただし、ＲはＮａ、Ｋ）が３．５〜７．５、Ｎａ_２Ｏ／Ｒ_２Ｏが０．３７〜０．７２、ＭｇＯが３〜５．５、ＣａＯが５〜８、ＳｒＯが６〜７．５、ＢａＯが４〜１４、Ｒ’Ｏ（ただし、Ｒ’はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）が２０〜２９、ＺｒＯ_２が１〜４．５であるディスプレイ装置用基板ガラス。
３０〜３００℃における平均線膨張係数が（５５〜７０）×１０−^７／℃であることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ装置用基板ガラス。
歪点が５８０℃以上であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。
ヤング率が７５〜８５ＧＰaであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のディスプレイ装置用基板ガラス。
破壊靭性Ｋ_ＩＣが０．６ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。
密度が２．９ｇ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。