CN102584008B - 一种用于lcd的轻质环保型无碱硼铝硅酸盐玻璃的配方 - Google Patents
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Abstract
一种用于LCD的轻质环保型无碱硼铝硅酸盐玻璃的配方，本发明配方中的氧化亚锡SnO是容易得到的物质，且已知无有害性质，单独使用其作为玻璃澄清剂时，可以将无碱玻璃的气泡消除；ZnO可降低熔化温度，降低液相线温度，具有更加优良的抗析晶性能；用本配方制备的液晶玻璃基板的基本物理特性可以稳定的达到：热膨胀系数低于35×10-7/℃，应变点温度高于670℃，密度低于2.41g/cm3，液相线温度低于1100℃，液相线粘度大于250,000泊，每公斤玻璃基板中泡径在＞0.lmm内的气泡数目不可见。
Description
技术领域
本发明属于玻璃制造领域，涉及平板显示器LCD上用的基板玻璃的制作配方，特别是一种用于TFT-LCD的轻质环保型无碱硼铝硅酸盐玻璃的配方。
背景技术
目前随着便携式电子设备（如笔记本电脑、智能手机、PDA）的快速普及，对配件的轻量化提出了更高要求。由此对玻璃基板的成份提出了更高的要求，以保证适应现代液晶显示器的需要。玻璃基板必须具有下列特性：含有碱金属氧化物少于l000ppm；具耐化学性；热膨胀系数须与薄膜晶体管的硅相近；提高玻璃应变点，以减少热收缩量；具有较小的密度，以便于携带及手持。
TFT-LCD用的玻璃基板根据液晶显示器的技术标准，必须具备以下的基本物理特性：
1、玻璃基板的热膨胀系数必须够低，不高于40×10-7/℃；
2、玻璃基板的应变点温度应高于640℃；
3、密度低于2.6g/cm3，且越轻越好。
用于TFT-LCD的玻璃基板，需要通过溅射、化学气相沉积等技术在底层基板玻璃表面形成透明导电膜、绝缘膜、半导体（例如多晶硅、无定形硅等）膜及金属膜，然后通过光蚀刻技术形成各种电路和图形，如果玻璃含有碱金属氧化物，例如Na O，KO，LiO，在热处理过程中碱金属离子扩散进入沉积半导体材料，损害半导体膜特性，因此，玻璃应不含碱金属氧化物，必须采用无碱玻璃，因此制备无碱硼铝硅酸盐玻璃已成为一个热门话题。但是，在现有技术中，制备无碱硼铝硅酸盐玻璃是以SiO2、Al2O3、B2O3及碱土金属氧化物MgO为主成分，但是MgO容易使玻璃析晶，导致玻璃液相线温度升高。
另外，在制作玻璃过程中，各物质发生反应时会产生气体，为了得到无泡的无碱玻璃，利用澄清气体，从玻璃熔液中驱逐玻璃反应时产生的气体，另外在均质化熔化时，需要再次利用澄清气体，增大泡层径，使其上浮，由此取出参与的微小泡。可是，用作液晶显示器用玻璃基板的无碱玻璃，玻璃熔液的粘度高，与含有碱成分的玻璃相比，需用更高温度熔化。在此种的无碱玻璃基板中，通常在1300~1500度引起玻璃化反应，在1500度以上的高温下脱泡、均质化。因此，在澄清剂中，广泛使用能够在宽的温度范围（1300~1700度范围）产生澄清气体的As2O3。但是，As2O3的毒性非常强，在玻璃的制造工序或废玻璃的处理时，有可能污染环境和带来健康的问题，其使用正在受到限制。
曾尝试用锑澄清来替代砷澄清。然而，锑本身存在引起环境和健康方面的问题。虽然Sb2O3的毒性不像As2O3那样高，但是Sb2O3仍然是有毒的。而且与砷相比，锑产生澄清气体的温度较低，除去此种无碱玻璃的气泡的有效性较低。
发明内容
本发明为了解决现有的TFT-LCD用的玻璃基板的配方中的MgO使玻璃析晶、导致玻璃液相线温度升高；澄清剂As2O3的毒性非常强，污染环境和威胁人类健康的技术问题，设计了一种用于LCD的轻质环保型无碱硼铝硅酸盐玻璃的配方，提供了一种即使不使用澄清剂As2O3 ，也能使玻璃基板表面不存在气泡缺陷，本配方中的ZnO可降低熔化温度，降低液相线温度，具有更加优良的抗析晶性能。
本发明采用的技术方案是：一种用于LCD的轻质环保型无碱硼铝硅酸盐玻璃的配方，关键在于：上述无碱硼铝硅酸盐玻璃的配方中各组成成分的摩尔百分比分别是：
SiO2 63.0~73.0%，
Al2O3 6~13.0%，
B2O3 9.0~13.5%，
CaO 1.0~10.0%，
SrO 2.4~5.0%，
SnO 0.01~0.2%，
ZnO 0.0~2.6%。
本发明的有益效果是：1、本发明配方中不含钡砷锑等任何重金属，这样使得玻璃基板更加轻质；2、本发明配方中的氧化亚锡SnO是容易得到的物质，且已知无有害性质，单独使用其作为玻璃澄清剂时，可以将无碱玻璃的气泡消除；3、ZnO可降低熔化温度，降低液相线温度，具有更加优良的抗析晶性能；4、用本配方制备的液晶玻璃基板的基本物理特性可以稳定的达到：热膨胀系数低于35×10-7/℃，应变点温度高于670℃，密度低于2.41 g/cm3，液相线温度低于1100℃，液相线粘度大于250,000泊，每公斤玻璃基板中泡径在＞0.lmm内的气泡数目不可见等。
具体实施方式
一种用于LCD的轻质环保型无碱硼铝硅酸盐玻璃的配方，重要的是：上述无碱硼铝硅酸盐玻璃的配方中各组成成分的摩尔百分比分别是：
SiO2 63.0~73.0%，
Al2O3 6~13.0%，
B2O3 9.0~13.5%，
CaO 1.0~10.0%，
SrO 2.4~5.0%，
SnO 0.01~0.2%，
ZnO 0.0~2.6%。
本发明的技术方案中，SnO的优选摩尔百分比为0.02~0.2%。
本发明的技术方案中，ZnO的优选摩尔百分比为0.25~2%。
在具体实施时，先将包括有上述各玻璃基板对应氧化物摩尔百分比组分的原料混合均匀搅拌，再将混合原料熔融加工，用铂金棒搅拌排出气泡和使玻璃液均化，然后将其温度降低到成型所需要的玻璃基板成型温度范围，通过退火原理，制作出液晶显示器需要的玻璃基板的厚度，再对成型的玻璃基板进行简单的冷加工处理，最后对液晶玻璃基板的基本物理特性进行测试成为合格产品。
在本发明中，SiO2的摩尔百分比为63～73 %。提高SiO2含量而相对减小Al2O3的含量有助于玻璃轻量化，热膨胀系数减小，耐化学性增高，但高温粘度升高，这样不利于熔解，一般的窑炉难以满足，所以确定SiO2的摩尔含量百分比为63～73 %。
Al2O3的摩尔百分比为6.0～13 %，用以提高玻璃结构的强度，高含量的A12O3有助于玻璃应变点、抗弯强度的增高，但过高玻璃容易出现析晶现象，因此A12O3的摩尔百分比为6.0～13 %。
B2O3的摩尔百分比为9～13.5 %，B2O3的作用比较特殊，也是一种很好的助熔剂，它能单独生成玻璃，高温熔化条件下B2O3难于形成[BO4]，可降低高温粘度，低温时B有夺取游离氧形成[BO4]的趋势，使结构趋于紧密，提高玻璃的低温粘度，防止析晶现象的发生。但是过多的B2O3会使玻璃应变点降低，因此B2O3的摩尔百分比为9～13.5 %。
氧化铝Al2O3和氧化硼B2O3的作用是影响玻璃粘度和熔解温度。
CaO的摩尔百分比为1.0～10.0 %，氧化钙用以促进玻璃的熔解和调整玻璃成型性。如果氧化钙的摩尔百分比少于1.0 %，将无法降低玻璃的粘度，含量过多，玻璃会容易出现析晶，热膨胀系数也会大幅变大，对后续制程不利。所以CaO的摩尔百分比确定为1.0～10.0 %。
SrO的摩尔百分比为2.4～5.5 %，氧化锶作为助熔剂和防止玻璃出现析晶，如果含量过多，玻璃密度会太高，导致产品的质量过重。所以SrO的摩尔百分比确定为2.4～5.5 %。
ZnO的摩尔百分比为0~2.6 %，二价金属氧化物根据它在元素周期表中地位与对性质影响不同，可以分为两类：一类是位于主族的碱土金属氧化物，其离子R2+具有8个外电子结构；第二类位于周期表副族（如ZnO、CdO等），其离子R2+具有18个外层电子结构，在玻璃中两者的结构状态与对玻璃性质影响是不同的。ZnO可以降低玻璃高温粘度（如1500度），有利于消除气泡；同时在软化点以下有提升强度、硬度、增加玻璃的耐化学性，降低玻璃热膨胀系数的作用。在无碱玻璃体系中，添加少量ZnO有助于抑制析晶，可以降低析晶温度。在理论上，ZnO在无碱玻璃中，作为网络外体引入玻璃后，一般以[ZnO4]的形式存在，较[ZnO6]玻璃结构更加疏松，与不含ZnO的玻璃处于相同的高温状态下比较，含ZnO的玻璃粘度更小，原子运动速度更大，无法形成晶核，需要进一步降低温度，才有利于晶核的形成，因而，降低了玻璃的析晶上限温度。ZnO含量过多会使玻璃的应变点大幅度降低。所以ZnO的摩尔百分比确定为0~2.6 %。
本发明中，澄清剂为SnO的摩尔百分比为0.01～0.2 %，作为玻璃熔解时的澄清剂或除泡剂，以提高玻璃的熔解质量。如果含量过多，会导致玻璃基板失透，所以其添加量不超过0.2 %。
下面给出无碱硼铝硅酸盐玻璃中各组份以摩尔百分比计量的具体实施例（详见表1、表2）：
表1
| 组成（摩尔百分比） | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 |
| SiO2 | 63.9 | 69. 59 | 63.0 | 65.95 | 65.44 | 64.31 | 70.24 |
| Al2O3 | 12.62 | 11.00 | 11.28 | 11.22 | 10.5 | 11.93 | 9.17 |
| B2O3 | 12.58 | 10.55 | 12.46 | 11.6 | 12.39 | 12.61 | 13.5 |
| CaO | 8.4 | 5.95 | 10.0 | 7.19 | 7.86 | 7.22 | 2.4 |
| SrO | 2.4 | 2.58 | 2.65 | 3.25 | 2.9 | 2.8 | 2.6 |
| SnO | 0.1 | 0.08 | 0.2 | 0.11 | 0.09 | 0.13 | 0.09 |
| ZnO | 0 | 0.25 | 0.41 | 0.68 | 0.82 | 1.0 | 2 |
| 热膨胀系数(×10-7/℃) | 29.4 | 30.0 | 34.3 | 32.3 | 32.3 | 33.7 | 30.7 |
| 密度 (g/cm3) | 2.39 | 2.39 | 2.41 | 2.41 | 2.41 | 2.41 | 2.39 |
| 熔化温度 (℃) | 1648 | 1630 | 1623 | 1629 | 1637 | 1642 | 1645 |
| 玻璃液相温度 (℃) | 1050 | 1040 | 1060 | 1020 | 1025 | 1055 | 1080 |
| 应变点 (℃) | 680 | 702 | 675 | 672 | 679 | 677 | 679 |
| 光透过率 (%) | 92.2 | 92.0 | 92.6 | 92.7 | 92.1 | 92.7 | 92.5 |
表2
| 组成（摩尔百分比） | 实施例8 | 实施例9 | 实施例10 | 实施例11 |
| SiO2 | 73.0 | 70.85 | 63.53 | 65.95 |
| Al2O3 | 6.0 | 10.21 | 13.0 | 11.31 |
| B2O3 | 12.2 | 9.0 | 12.58 | 11.6 |
| CaO | 1.0 | 5.35 | 8.4 | 7.19 |
| SrO | 5.0 | 4.51 | 2.40 | 3.25 |
| SnO | 0.2 | 0.08 | 0.01 | 0.02 |
| ZnO | 2.6 | 0.0 | 0.08 | 0.68 |
| 热膨胀系数(×10-7/℃) | 30.7 | 32.9 | 34.3 | 32.3 |
| 密度 (g/cm3) | 2.39 | 2.41 | 2.41 | 2.41 |
| 熔化温度 (℃) | 1645 | 1675 | 1623 | 1629 |
| 玻璃液相温度 (℃) | 1080 | 1090 | 1060 | 1020 |
| 应变点 (℃) | 679 | 685 | 675 | 672 |
| 光透过率 (%) | 92.5 | 92.3 | 92.6 | 92.7 |
Claims (3)
1.一种用于LCD的轻质环保型无碱硼铝硅酸盐玻璃，其特征在于：上述无碱硼铝硅酸盐玻璃的配方中各组成成分的摩尔百分比分别是：
SiO2 63.0~73.0%，
Al2O3 6~13.0%，
B2O3 9.0~13.5%，
CaO 1.0~5.95%，
SrO 2.4~5.0%，
SnO 0.01~0.2%，
ZnO 0.0~2.6%。
2.根据权利要求1所述的一种用于LCD的轻质环保型无碱硼铝硅酸盐玻璃，其特征在于：SnO的优选摩尔百分比为0.02~0.2%。
3.根据权利要求1所述的一种用于LCD的轻质环保型无碱硼铝硅酸盐玻璃，其特征在于：ZnO的优选摩尔百分比为0.25~2%。
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