CN107337347A - 导光板玻璃 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种导光板玻璃。一种导光板玻璃，以下述氧化物基准的质量百分含量表示，包括如下组分：55％～75％的SiO2，1％～10％的Al2O3，0～15％的B2O3，5％～15％的R2O，10％～20％的MO，0％～10％的ZnO、0％～5％的ZrO2及0～2％的稀土氧化物；其中，所述R2O选自Li2O、Na2O及K2O中的至少一种，所述MO选自CaO、SrO及BaO中的至少两种。上述导光板光学性能较好。

Description

导光板玻璃
技术领域
本发明涉及光传导材料，尤其是涉及一种导光板玻璃。
背景技术
侧入式背光模组一般设计在底侧LED进行光源入射。在整个背光模组中最关键的零件就是导光板，其功能为将线光源或点光源变成的面光源。要得到高品质的显示画面，背光源射出的光的均匀性非常重要，导光板就是达到此目的的关键性光学元件，它能将光线导向所需要的方向，使其达到要求的亮度和均匀度。该技术源于光学的全反射原理，凡折射率大于l的透明材料，在其内部传播的光线会发生全反射现象，使得光线从薄板的一个侧面射入经材料内部后会从另一个侧面射出，而在导光板表面设计微结构可以破坏光的全反射，使多数光线垂直导光板平面射出。
目前，主流白光LED是由蓝光LED+黄色荧光粉所构成，是最常见也是最成熟的技术。由于蓝光激发光谱的峰值在波数440～480nm之间，发射光谱中黄绿光区的峰值在530～580nm之间，且人眼最为敏感的可见光波长在550nm附近，因此可以采用可见光范围内在紫光边界400nm对应的透过率T400与T550的比值，联合蓝光激发光中心450nm峰值对应的透过率T450与T550的比值，两者综合起来评估导光板材质的光学性能：T400/T550和T450/T550越高，对白光LED光谱还原度越高。然而，PMMA导光板不仅存在热加工处理过程发生黄化的问题，而且T450/T550一般不高于99.5％，T400/T550一般不高于98％。虽然这样的衰减并不明显，而且人眼对紫光的敏感度较弱，但随着显示器尺寸的增大，光线经过多次全反射后光路被放大数十倍，容易造成远光源区与近光源区的色域偏差加大，给导光板微结构和油墨结构的设计及工艺调整带来严重的负面影响。
发明内容
基于此，有必要提供一种光学性能较好的导光板玻璃。
一种导光板玻璃，所述导光板玻璃以下述氧化物基准的质量百分含量表示，包括如下组分：
55％～75％的SiO2，1％～10％的Al2O3，0～15％的B2O3，5％～15％的R2O，10％～20％的MO，0％～10％的ZnO、0％～5％的ZrO2及0～2％的稀土氧化物；
其中，所述R2O选自Li2O、Na2O及K2O中的至少一种，所述MO选自CaO、SrO及BaO中的至少两种。
在其中一个实施例中，以氧化物基准的质量百分含量表示还含有0.001％～0.01％的Fe2O3。
在其中一个实施例中，所述MO为SrO及BaO的混合物，且0.7≤BaO/SrO≤1.4，式中化学式代表该化合物的质量百分含量。
在其中一个实施例中，所述MO为CaO、SrO及BaO的混合物，且0.9≤(SrO+BaO)/CaO≤1.5，式中化学式代表该化合物的质量百分含量。
在其中一个实施例中，所述导光板玻璃中不含有Ti。
在其中一个实施例中，所述导光板玻璃换算为2.5mm的厚度在可见光波数为380nm～780nm内的透过率大于92％，内透过率大于99％，折射率nD大于1.49，透过率T400/T550大于99％，T450/T550大于99.5％。
在其中一个实施例中，所述导光板玻璃中的SiO2在导光板玻璃制备过程中以酸洗超白石英砂的形式引入。
在其中一个实施例中，所述酸洗超白石英砂中Fe2O3含量≤30ppm。
在其中一个实施例中，所述导光板玻璃中的Ca在导光板玻璃制备过程中以超白石灰石的形式引入。
在其中一个实施例中，所述超白石灰石中Fe2O3含量≤50ppm。
上述导光板玻璃为铝硅酸盐玻璃，铝硅酸盐玻璃的强度较高，刚性较佳，其弹性模量一般为PMMA材料的20倍以上，同等厚度下，玻璃导光板的刚性是PMMA导光板的20倍以上，应用于背光模组时可取消结构支撑件，简化背光模组的结构；铝硅酸盐玻璃具有良好的热稳定性、耐候性和化学稳定性，在其正常工作范围和使用环境条件下，其受热膨胀和吸湿膨胀较小，不会对显示效果和结构支撑造成影响；导光板玻璃换算为2.5mm的厚度在可见光波数为380nm～780nm内的透过率大于92％，内透过率大于99％，折射率nD大于1.49，透过率T400/T550大于99％，T450/T550大于99.5％。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
一实施方式的导光板玻璃，以下述氧化物基准的质量百分含量表示，包括如下组分：
55％～75％的SiO2，1％～10％的Al2O3，0～15％的B2O3，5％～15％的R2O，10％～20％的MO，0％～10％的ZnO、0％～5％的ZrO2及0～2％的稀土氧化物；
其中，R2O选自Li2O、Na2O及K2O中的至少一种，MO选自CaO、SrO及BaO中的至少两种。
二氧化硅(SiO2)是重要的玻璃形成氧化物。SiO2可以降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、软化点、机械强度和透紫外光能力。SiO2的含量在55～75％(wt)较为合适，优选在60～72％，特优选在65～70％。当含量较高时，需要较高的熔化温度，且析晶倾向增大，同时过多的SiO2原料比重会导致Fe含量偏高，最终影响玻璃的光学性能。
Al2O3属于中间体氧化物，能降低玻璃的析晶倾向，提高玻璃的化学稳定性、机械强度和折射率，并能减轻熔融玻璃液对耐火材料的侵蚀。Al2O3的含量在1～10％(wt)较为合适，优选在1～7％，特优选在2～5％。高含量的Al2O3，容易导致玻璃的熔制温度升高，但同样可以补强玻璃网络连接程度，可以获得较低的热膨胀系数，Al2O3的含量较多，需要较高的熔化温度，而且一般以长石类矿物原料引入Al2O3有利于玻璃配合料的熔化，但长石类矿物中的重金属成分不够稳定，容易对玻璃的光学性能造成负面影响。
导光板玻璃为铝硅酸盐玻璃，B2O3在硅酸盐玻璃体系中与硅氧四面体共同组成结构网络，能降低玻璃的膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性，增强玻璃的折射率和改善玻璃的光泽，但不是必需成分。B2O3在高温时能起到助熔作用，降低玻璃的高温粘度，在低温时提高玻璃的粘度玻璃网络结构中形成较多的[BO4]四面体，可以有效改善玻璃的热稳定性，但含量过高容易降低折射率，不利于光线做全反射传导。B2O3的含量在0～15％(wt)较为合适，优选在0～7％，根据不同碱金属和碱土金属含量可以确定更优的B2O3的含量。B2O3不是必需成分，一般在需要更低的热膨胀系数的玻璃时可引入一定量。当B2O3引入量过高时，由于硼氧三角体增多，容易发生“硼反常”现象。
R2O是玻璃网络外体氧化物，能提供游离氧是玻璃结构中的O/Si比值增加，发生断键，因而可以降低玻璃的粘度，作为原料成分中的主要助熔剂。然而，R2O会增大玻璃的热膨胀系数，降低玻璃的热稳定性、化学稳定性和机械性能。R2O的含量在5～15％(wt)较为合适，优选在5～13％，特优选在5～11％。较高含量的Li2O可以有效降低玻璃的高温粘度，但其作为原料价格较昂贵。
CaO是网络外体氧化物，在导光板玻璃结构中主要起稳定剂作用，提高玻璃的化学稳定性和机械强度。CaO的含量在3～12％(wt)较为合适，优选在5～10％，特优选在5～8％。CaO的含量较高时，增大玻璃的析晶倾向，且容易使玻璃发脆，成型后的退火速率需要提高，否则容易炸裂。
SrO及BaO的作用与CaO类似，可提高玻璃的折射率，修饰玻璃的光学常数。SrO的含量在0～10％(wt)较为合适，优选在2～8％，特优选在3～6％。BaO含量比例较高时，会使紫外吸收向长波方向移动，BaO的含量在1～10％(wt)较为合适，优选在2～7％，特优选在3～5％。
Sr2+和Ba2+可有效提高玻璃的折射率，以满足导光板玻璃较高折射率的要求。然而，随着碱土金属离子半径的增大，紫外截止波长向长波方向移动，容易增大紫光区的吸收。因此，借助三元或者二元混合碱效益，可以在光学性能方面达到最佳状态，折射率nD与透过率比例T400/T550、T450/T550达到理想状态。碱土金属含量配比中，0.9≤(SrO+BaO)/CaO≤1.5，优选1.1≤(SrO+BaO)/CaO≤1.2；0.7≤BaO/SrO≤1.4，优选1.0≤BaO/SrO≤1.1，式中化学式代表该化合物的质量百分含量。
ZnO在高温下具有较好的助熔效果，可以有效降低导光板玻璃的高温粘度，但不是必需成分，其可作为中间体氧化物，在游离氧充足时，可以形成锌氧四面体进入玻璃结构网络，使玻璃结构趋于稳定，能降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性和折射率。ZnO的含量在0～10％(wt)较为合适，优选在0～6％，特优选在0～4％。ZnO含量较高时，玻璃析晶倾向较高，容易导致玻璃失透。
ZrO2为中间体氧化物，能提高玻璃的粘度、弹性模量、折射率、热稳定性、化学稳定性和机械强度，不是必需成分。ZrO2的含量在0～5％(wt)较为合适，优选在0～3％。ZrO2含量较高时，玻璃较难熔化，熔制温度升高，同时玻璃析晶倾向较高，容易导致玻璃失透。
稀土氧化物作为网络外体氧化物，能降低玻璃粘度，显著提高玻璃的折射率，对玻璃的光学常数其修饰作用。其不是必需成分，在导光板某些特殊应用上需要更低的色散系数时，可引入少量La2O3。其含量在0～2％(wt)较为合适，优选在0～1％。稀土氧化物含量较高，容易造成玻璃着色，同时极大地增加玻璃的原料成本。
Fe2O3作为玻璃成分中的杂质，对玻璃透过率和颜色造成极大的影响，需要被严苛地控制其含量。为了获得良好的可见光透过率，其含量控制在0.001％～0.01％较为合适，优选≤80ppm，特优选≤50ppm。
主流的超白玻璃的可见光透过率一般大于91.5％，主要特点在于其Fe2O3含量控制在120ppm以内，优质的超白玻璃可控制在100ppm以内。在应用于导光板领域，超白玻璃虽然在机械强度、热稳定性、耐候性和化学稳定性上优于PMMA材料，但整体光学性能略低于PMMA，由于成分均一性和含有一定量Fe2O3使其对光的色散较大，容易使背光模组出光面的色偏和颜色均一性较差。
对于导光板而言，需要其在可见光波长380～780nm范围内的透过率尽可能的高，尽量不发生任何波数范围内光的吸收，从而可以匹配不同光谱特性的背光源。光学级PMMA在紫光区域的透过率较差，也说明其材质受紫光及紫外光长时间照射容易发生老化衰变等问题。在这一问题上，玻璃材质导光板拥有得天独厚的优势。然而，玻璃原料硅砂、石灰石等容易引入Fe等着色金属离子，含量较高时严重影响玻璃的光学性能。
铁在玻璃中以Fe2+和Fe3+的形式存在，玻璃的颜色主要取决于两者的平衡态。Fe2+离子从可见光区域的一部分至红外区域均有较宽的吸收，在可见光谱区的吸收能力约为Fe3+的10倍，着色能力也是Fe3+的10倍，但少量Fe3+的玻璃在光谱紫外区也能呈现出强烈的吸收，进而影响到玻璃在可见光紫光区的透过率。
另一方面，玻璃中引入R+和M2+离子后，硅酸盐玻璃网络结构断裂形成较多的非桥氧，电子容易从非桥氧上受激发，产生紫外光范围的吸收，紫外截止波长增大，进而影响可见光紫光区域的吸收。在保证铝硅酸盐玻璃熔化质量的前提下，尽量降低碱金属和碱土金属的含量，并利用混合碱效益可促使Fe3+离子在紫外区的吸收峰向低波数方向移动，进而可控制玻璃在紫光区域的吸收。
由于玻璃制备时，矿物原料中不可避免的存在着Fe2O3等杂质，在矿物原料的选择上尤为关键。引入Fe2O3等杂质的主要矿物原料为石英砂、石灰石，因此优选的，导光板玻璃中的SiO2在导光板玻璃制备过程中以酸洗超白石英砂的形式引入，酸洗超白石英砂中Fe2O3含量≤30ppm较为合适，优选≤20ppm，进一步优选≤10ppm；铝硅酸盐玻璃中的Ca在铝硅酸盐玻璃制备过程中以超白石灰石的形式引入，超白石灰石中Fe2O3含量≤50ppm较为合适，优选≤30ppm。
稀土氧化物作为网络外体氧化物，能降低玻璃粘度，显著提高玻璃的折射率，对玻璃的光学常数其修饰作用。其不是必需成分，在导光板玻璃某些特殊应用上需要更低的色散系数时，可引入少量La2O3。其含量在0～2％(wt)较为合适，优选在0～1％。稀土氧化物含量较高，容易造成玻璃着色，同时极大地增加玻璃的原料成本。
优选的，导光板玻璃中不含有Ti，目的就是避免其对紫光区域的吸收，只有尽量避免导光板玻璃对近紫外区到紫光区间产生任何的吸收，T400/T550和T450/T550才可能越高，才可以满足导光板玻璃对白光LED较高的光学还原度。
优选的，导光板玻璃换算为2.5mm的厚度在可见光波数为380nm～780nm内的透过率大于92％，内透过率大于99％，折射率nD大于1.49，透过率T400/T550大于99％，T450/T550大于99.5％。
上述导光板玻璃为铝硅酸盐玻璃，铝硅酸盐玻璃的强度较高，刚性较佳，其弹性模量一般为PMMA材料的20倍以上，同等厚度下，玻璃导光板的刚性是PMMA导光板的20倍以上，应用于背光模组时可取消结构支撑件，简化背光模组的结构；铝硅酸盐玻璃具有良好的热稳定性、耐候性和化学稳定性，在其正常工作范围和使用环境条件下，其受热膨胀和吸湿膨胀较小，不会对显示效果和结构支撑造成影响；导光板玻璃中引入R+和M2+离子后，导光板玻璃网络结构断裂形成较多的非桥氧，电子容易从非桥氧上受激发，产生紫外光范围的吸收，紫外截止波长增大，进而影响可见光紫光区域的吸收，在保证导光板玻璃熔化质量的前提下，尽量降低碱金属和碱土金属的含量，并利用混合碱效益可促使Fe3+离子在紫外区的吸收峰向低波数方向移动，进而可控制玻璃在紫光区域的吸收；导光板玻璃中严格控制Fe离子总量，并确定了Fe2+离子比例在最优范围，以获得对白光LED最佳的还原度。
上述导光板玻璃的制备方法，包括以下步骤：
步骤S100、按各氧化物基准的质量百分含量称取对应的原料混合后熔融得到玻璃液。
优选的，按各氧化物基准的质量百分含量称取对应的原料混合后在1350℃～1400℃下保温至少0.5小时继续升温值玻璃熔制温度得到玻璃液。
优选的，导光板玻璃中的SiO2在导光板玻璃制备过程中以酸洗超白石英砂的形式引入，酸洗超白石英砂中Fe2O3含量≤30ppm较为合适，优选≤20ppm，进一步优选≤10ppm；导光板玻璃中的Ca在导光板玻璃制备过程中以超白石灰石的形式引入，超白石灰石中Fe2O3含量≤50ppm较为合适，优选≤30ppm。
用于制备玻璃配合料的原料为：酸洗超白石英砂、铝粉、硼砂、碳酸锂、纯碱、碳酸钾、超白石灰石、碳酸锶、碳酸钡、氧化锌、锆石、硫酸钠、氧化镧等。但原料的种类并不限于此。
步骤S200、将玻璃液均化澄清后浇铸在模具中成型，并进行退火得到导光板玻璃。
优选的，将玻璃液在1570℃～1620℃下均化澄清至少5小时后浇铸在模具中成型，并在508℃～600℃下进行退火至少0.5h。
上述导光板玻璃的制备方法，工艺简单。
以下结合具体实施例对上述导光板玻璃进行详细说明。
实施例1～7
实施例1～7的导光板玻璃中的各组分的摩尔百分含量如表1所示。
表1
注：表1中，各组分的摩尔百分含量计算时未将Fe2O3的含量计算在内。
实施例1～7的导光板玻璃制备时，将原料充分混合均匀后待实验室高温电炉升温至1350℃时，将玻璃配合料装入铂金坩埚并一起放入电炉中，1350℃保温0.5h后继续升温至玻璃熔制温度，玻璃液在1620℃下均化澄清5h以上。然后，将玻璃液浇注在特制的成型模具中形成规定的形状，并在马弗炉中600℃下退火0.5h，通过切磨抛制备得到可用于测试的样片。其中，Fe2O3含量由试样的荧光X射线分析所得。如表1示，实施例1-7中导光板玻璃中铁含量均可控制在100PPM以内。
对实施例1-7的导光板玻璃、对比例1的普通超白玻璃及对比例2的PMMA制成相同的样品进行测试，测试结果见表2。
其中，102dPa.s温度采用GB/T 10247-2008测定；
热膨胀系数(CTE)、转变温度、折射率、透过率、内透过率、通过无色光学玻璃测试方法：GB/T 7962-2010测定。
表2
从表2中可以看出，实施例1～7的导光板的光学性能均明显优于对比例1及对比例2，且对白光LED光谱还原度非常高。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种导光板玻璃，其特征在于，所述导光板玻璃以下述氧化物基准的质量百分含量表示，包括如下组分：
55％～75％的SiO2，1％～10％的Al2O3，0～15％的B2O3，5％～15％的R2O，10％～20％的MO，0％～10％的ZnO、0％～5％的ZrO2及0～2％的稀土氧化物；
其中，所述R2O选自Li2O、Na2O及K2O中的至少一种，所述MO选自CaO、SrO及BaO中的至少两种。
2.根据权利要求1所述的导光板玻璃，其特征在于，以氧化物基准的质量百分含量表示还含有0.001％～0.01％的Fe2O3。
3.根据权利要求1所述的导光板玻璃，其特征在于，所述MO为SrO及BaO的混合物，且0.7≤BaO/SrO≤1.4，式中化学式代表该化合物的质量百分含量。
4.根据权利要求3所述的导光板玻璃，其特征在于，所述MO为CaO、SrO及BaO的混合物，且0.9≤(SrO+BaO)/CaO≤1.5，式中化学式代表该化合物的质量百分含量。
5.根据权利要求1所述的导光板玻璃，其特征在于，所述导光板玻璃中不含有Ti。
6.根据权利要求1所述的导光板玻璃，其特征在于，所述导光板玻璃换算为2.5mm的厚度在可见光波数为380nm～780nm内的透过率大于92％，内透过率大于99％，折射率nD大于1.49，透过率T400/T550大于99％，T450/T550大于99.5％。
7.根据权利要求1所述的导光板玻璃，其特征在于，所述导光板玻璃中的SiO2在导光板玻璃制备过程中以酸洗超白石英砂的形式引入。
8.根据权利要求7所述的导光板玻璃，其特征在于，所述酸洗超白石英砂中Fe2O3含量≤30ppm。
9.根据权利要求1所述的导光板玻璃，其特征在于，所述导光板玻璃中的Ca在导光板玻璃制备过程中以超白石灰石的形式引入。
10.根据权利要求9所述的导光板玻璃，其特征在于，所述超白石灰石中Fe2O3含量≤50ppm。
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