CN114772928A - 无碱铝硅酸盐基板玻璃及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无碱铝硅酸盐基板玻璃及其制备方法和应用,以各组分的摩尔百分比为基准,该组合物含有69‑71mol%SiO2、11‑15mol%Al2O3、3‑7mol%B2O3、3‑8mol%MgO、2‑8mol%CaO、1‑4mol%SrO、1‑3mol%BaO、0.01‑1.8%ZnO、0.001‑0.8mol%F、0.001‑0.01mol%Fe2O3、R2O<0.05mol%。本发明的铝硅酸盐玻璃具有高杨氏模量、高强度、高应变点、高耐化学腐蚀性、低密度、低膨胀系数、低液相线温度、不含碱金属、不含任何有毒有害物质的高比刚度。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃制造技术领域,具体涉及一种无碱铝硅酸盐基板玻璃及其制备方法和应用。
背景技术
随着光电行业的快速发展,对各种显示器件的需求正在不断增长,比如有源矩阵液晶显示(AMLCD)、有机发光二极管(OLED)、金属氧化物薄膜晶体管液晶显示(Oxide TFT-LCD)以及应用低温多晶硅技术的有源矩阵液晶显示(LTPS TFT-LCD)器件,这些显示器件都基于使用薄膜半导体材料生产薄膜晶体管(TFT)技术。目前,TFT可分为非晶硅(a-Si)TFT、多晶硅(p-Si)TFT、单晶硅(SCS)TFT及金属氧化物(Oxide)TFT,其中非晶硅(a-Si)TFT和金属氧化物(Oxide)TFT为现在主流大尺寸TFT-LCD显示及照明应用的技术,非晶硅(a-Si)TFT技术,在生产制程中的处理温度可以在300~450℃温度下完成。金属氧化物(Oxide)TFT在制程过程中需要在较高温度下多次处理,基板必须在多次高温处理过程中不能发生变形,这就对基板玻璃性能提出更高的要求,优选的应变点高于650℃,更优选的是高于670℃、700℃。同时玻璃基板的膨胀系数需要与薄膜的膨胀系数相近,尽可能减小应力和破坏,因此基板玻璃优选的线性热膨胀系数在28~40×10-7/℃之间。为了便于生产,降低生产成本,作为显示器基板用的玻璃应该具有较低的熔化温度和液相线温度。
大多数硅酸盐玻璃的应变点随着玻璃形成体含量的增加和改性剂含量的减少而增高。但同时会造成高温熔化和澄清困难,造成耐火材料侵蚀加剧,增加能耗和生产成本。因此,通过组分改良,使得低温粘度增大的同时还要保证高温粘度不会出现大的提升,甚至降低才是提高应变点的最佳突破口。
用于平面显示的玻璃基板,需要通过溅射、化学气相沉积(CVD)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(多晶硅、无定形硅等)膜及金属膜,然后通过光蚀刻(Photo-etching)技术形成各种电路和图形,如果玻璃含有碱金属氧化物(Na2O,K2O,Li2O),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,首选的是以SiO2、Al2O3、B2O3、碱土金属氧化物RO(RO=Mg、Ca、Sr)等为主成分的碱土铝硼硅酸盐玻璃。
平面显示向着两个大的方向发展:一方面是大型化、轻薄化;随着轻薄化趋势的发展,在G5代、G6代、G7代、G8代等更高世代玻璃基板生产中,水平放置的玻璃基板由于自重产生的下垂、翘曲成了重要研究课题。对玻璃基板生产者而言,玻璃板材成型后要经过退火、切割、加工、检验、清洗等多种环节,大尺寸玻璃基板的下垂将影响在加工点之间运送玻璃的箱体中装入、取出和分隔的能力。对面板制造商来讲,类似的问题同样存在。较大的垂度或翘曲会导致碎片率提高以及CF制程工艺报警,严重影响产品良率。如果在两端支撑基板两边时,玻璃基板的最大下垂量(S)可以表示如下:
k为常数,ρ为密度,E为杨氏模量,l为支撑间隔,t为玻璃基板厚度。其中,(ρ/E)为比刚度的倒数。比刚度是指材料杨氏模量与密度的比值,是结构设计对材料的重要要求之一。比刚度较高说明相同刚度下材料重量更轻,或相同质量下刚度更大。由上式可见,当l、t一定时,ρ变小E加大后可以降低下垂量,因此应该使基板玻璃具尽量低的密度和尽量高的杨氏模量,即具有尽量大的比刚度。
在另一方面,随着智能手机与平板电脑的普及,开启了智能移动的时代。以往的手机局限在通讯功能,但目前包括智能手机与平板电脑的智能设备的性能已与笔记本接近,使得让人们凭借无线通信的方便性无时无刻不在执行及享受较高层次的商务及娱乐活动。在这样的趋势下,对显示器性能要求也不断提高,尤其是对移动智能设备的画面质量、在户外的可视性能要求也正在提升。在这种发展潮流引导下,显示面板正在向轻薄化、超高清显示的方向发展,面板制程工艺想更高处理温度发展;同时单片玻璃经过工艺处理,厚度达到0.25mm、0.2mm甚至更薄。减薄后的玻璃由于厚度的急剧减小而出现机械强度降低,更容易变形。增大强度,降低玻璃脆性成为玻璃生产者需要重点考虑的因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高杨氏模量、高强度、高应变点、高耐化学腐蚀性、低密度、低膨胀系数、低液相线温度、不含碱金属、不含任何有毒有害物质的高比刚度的铝硅酸盐玻璃及其作为基板的应用。本发明的玻璃适合于行业常用的浮法及融合下拉法等工艺生产。
本发明的技术方案为:
第一方面,本发明提供了一种无碱铝硅酸盐基板玻璃组合物,以各组分的摩尔百分比为基准,该组合物含有69-71mol%SiO2、11-15mol%Al2O3、3-7mol%B2O3、3-8mol%MgO、2-8mol%CaO、1-4mol%SrO、1-3mol%BaO、0.01-1.8mol%ZnO、0.001-0.8mol%F、0.001-0.01mol%Fe2O3、R2O<0.05mol%,其中,R2O为Li2O、Na2O、K2O含量的总和;
所述组合物满足如下关系:以各组分的总摩尔量为基准,各组分的含量按摩尔百分比计算满足D值≥30;
其中,D值由下式计算得出:
D=(65.7×SiO2+110×Al2O3+135×B2O3+165×MgO+115×CaO+95×SrO+69×BaO+61×ZnO-1000*MO)/ρ;
式中,SiO2、Al2O3、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO各自代表该组分占组合物的摩尔百分比;MO代表除上述组分之外的其余所有组分之和;ρ代表由该组合物制得的玻璃在常温下的密度数值。
优选地,该组合物中,50ppm-0.8mol%F、0.002-0.008mol%Fe2O3。
优选地,35≥D≥31。
更优选地,33≥D≥32。
本发明的玻璃组合物中,SiO2是玻璃形成体,若含量过低,不利于热稳定性的增强,会使膨胀系数太高,玻璃容易失透;提高SiO2含量有助于玻璃轻量化,热膨胀系数减小,应变点增高,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。因此,综合考虑,以各组分的总摩尔数为基准,以氧化物计,SiO2的含量为69-71mol%,优选为70-70.5mol%。
本发明的玻璃组合物中,Al2O3用于提高玻璃结构的强度,若含量低于11mol%,玻璃容易失透,也容易受到外界水气及化学试剂的侵蚀。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,综合考虑,以各组分的总摩尔数为基准,以氧化物计,Al2O3的含量为11-15mol%,优选为12-14mol%。
本发明的玻璃组合物中,B2O3能单独生成玻璃,是一种很好的助熔剂,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会使玻璃应变点大幅降低。因此,综合考虑,以各组分的总摩尔数为基准,以氧化物计,B2O3的含量为3-7mol%,优选为4-6mol%,进一步优选为4.5-5.5mol%。
本发明的玻璃组合物中,MgO具有大幅提升玻璃杨氏模量和比模数,降低高温粘度,使玻璃易于熔化的特点。当玻璃中碱土金属合量较少时,引入电场强度较大的网络外体离子Mg2+,容易在结构中产生局部积聚作用,使短程有序范围增加。在这种情况下引入较多的中间体氧化物Al2O3,以[AlO4]状态存在时,由于这些多面体带有负电,吸引了部分网络外阳离子,使玻璃的积聚程度、析晶能力下降;当碱土金属合量较多、网络断裂比较严重的情况下,引入MgO,可使断裂的硅氧四面体重新连接而使玻璃析晶能力下降。因此在添加MgO时要注意与其他组分的配合比例。相对于其他碱土金属氧化物,MgO的存在会带来较低的膨胀系数和密度,较高的耐化学性能、应变点和弹性模量。如果MgO大于8mol%,玻璃耐化性会变差,同时玻璃容易失透。因此,综合考虑,以各组分的总摩尔数为基准,以氧化物计,MgO的含量为3-8mol%,优选为5-7mol%。
本发明的玻璃组合物中,CaO用以促进玻璃的熔解和调整玻璃成型性。如果氧化钙含量少于2mol%,不易降低玻璃的粘度,含量过多,玻璃则会容易出现析晶,热膨胀系数也会大幅变大,脆性增大,对后续制程不利。因此,综合考虑,以各组分的总摩尔数为基准,以氧化物计,CaO的含量为2-8mol%,优选为3-5mol%。
本发明的玻璃组合物中,SrO可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,导致产品的比模量下降。Sr2+为离子半径较大的二价金属离子,有较高的配位数,在无碱玻璃中往往填充于四面体网络骨架的间隙中,具有提高化学稳定性和机械稳定性的特点,但是其含量过多会使密度增加,裂纹、失透、分相的发生率均提高。因此,综合考虑,以各组分的总摩尔数为基准,以氧化物计,SrO的摩尔合量为1-4mol%,优选为2-3mol%。
本发明的玻璃组合物中,BaO的摩尔含量为1~3%,氧化钡作为助熔剂和防止玻璃出现析晶,如果含量过多,玻璃高温体积电阻率会升高,密度会太高,产品的比模量下降。所以BaO的含量确定为1-3%。
本发明的玻璃组合物中,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℃),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。在无碱玻璃或低碱玻璃体系中,添加适量ZnO有助于抑制析晶,可以降低析晶温度。在理论上,ZnO在无碱玻璃或低碱玻璃中,作为网络外体引入玻璃后,高温下一般以[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含量过多则会使玻璃的应变点大幅度降低。因此,综合考虑,以各组分的总摩尔数为基准,以氧化物计,ZnO的含量为1-1.5mol%。
在本发明中,不可避免的通过原材料固有杂质等途径会引入少量的碱金属氧化物,这对高温面板制程有不良影响,故应严格控制含碱量。以各组分的总摩尔数为基准,以氧化物计,碱金属氧化物R2O<0.05mol%,其中,R2O为Li2O、Na2O、K2O含量的总和。
在本发明中,不可避免的通过原材料固有杂质、生产过程接触等途径会引入少量的铁氧化物,导致玻璃在紫外光谱区(例如,308nm波长处)的透过率下降,降低各类原材料中铁氧化物的引入有利于提高紫外透过率;但是过分的降低会导致原材料成本大幅上升。当在玻璃制造过程中引入一定量的氟化物(例如,氟化钙)后,可以在不刻意降低铁氧化物含量的条件下提高308nm处透过率。因此,以各组分的总摩尔数为基准,以氧化物计,以Fe2O3形式表征的铁氧化物总量<0.01mol%,优选<0.008mol%;以单质F形式表征的F总量<0.8mol%,优选为0.2-0.5mol%。
优选地,所述组合物还含有化学澄清剂,化学澄清剂的含量不大于0.5mol%。
优选地,所述化学澄清剂为硫酸锶、硫酸钙、硝酸锶、氧化亚锡中的至少一种。
第二方面,本发明还提供了上述无碱铝硅酸盐基板玻璃组合物的制备方法,该方法包括将所述组合物的各组分混合料依次进行熔融、澄清、均化、成型、退火和机械加工处理。
优选地,所述混合料通过连续熔融池窑进行高温熔解;进一步优选地,使用电加热和/或燃气加热方式对混合料进行高温熔解;更进一步优选地,电加热提供能量比例占熔融玻璃全部能量比例的60%以上。所述电加热是指通过多组成对的电极直接向混合料和玻璃液加热,促使完成硅酸盐反应、玻璃形成、澄清均化等过程,所述电极可以为氧化锡电极、氧化钼电极和/或铂金电极等。
本发明的制备方法中,优选情况下,熔融处理的条件包括:温度低于1700℃,时间大于1h。本领域技术人员可以根据实际情况确定具体的熔融温度和熔融时间,此为本领域技术人员所熟知,在此不再赘述。
本发明的制备方法中,优选情况下,退火处理的条件包括:温度高于750℃,时间大于0.1h。本领域技术人员可以根据实际情况确定具体的退火温度和退火时间,此为本领域技术人员所熟知,在此不再赘述。
本发明的制备方法中,对于机械加工处理没有特别的限定,可以为本领域常见的各种机械加工方式,例如可以为将退火处理得到的产物进行切割、研磨、抛光等。
第三方面,本发明还提供了通过上述制备方法制备得到的无碱铝硅酸盐基板玻璃。
优选地,所述玻璃的杨氏模量≥78GPa;密度≤2.45g/cm3;应变点≥700℃;热收缩率≤10ppm;液相线粘度≥420千泊;50-350℃范围内的热膨胀系数<40×10-7/℃;波长为308nm处透过率≥73%;波长为550nm处透过率≥91%;粘度200泊时对应的温度≤1630℃;粘度为35000泊时对应的温度≥1250℃;液相线温度TL≤1200℃;粘度35000泊时对应的温度与液相线温度TL的差值≥50℃;500℃/10min条件下热收缩<10ppm,比模量大于30GPa/(g/cm3)。
第四方面,本发明还提供了上述无碱铝硅酸盐基板玻璃在制备显示器件、照明器件、太阳能电池中的应用。尤其适用于制备平板显示产品的衬底玻璃基板材料和/或屏幕表面保护用玻璃膜层材料、柔性显示产品的载板玻璃材料和/或表面封装玻璃材料和/或屏幕表面保护用玻璃膜层材料、柔性太阳能电池的衬底玻璃基板材料、安全玻璃、防弹玻璃、智能汽车玻璃、智能交通显示屏、智能橱窗和智能卡票以及用于其他需要高热稳定性、机械稳定性玻璃材料的应用领域。
本发明与现有技术相比,具有以下有益效果:
通过本发明提供的组成、限定配比、限定D数值范围及制备方法得到的无碱铝硅酸盐玻璃具有较高的耐热稳定性、具有较低的高温体积电阻率、具有较高的紫外可见光谱透过率、具有较高的杨氏模量、较高的强度、较高的应变点、较高的耐化学腐蚀性、较低的密度、较低的膨胀系数、较低的液相线温度,适合大型工业化制造,适合以部分或全部能量来源为电加热的方式制得熔融玻璃液,适合在制备显示器件、照明器件和/或太阳能电池中的应用。利用此方法和无碱玻璃用组合物制备得到的玻璃,其物理特性可以稳定的同时达到以下指标:密度<2.45g/cm3,50-350℃范围内的热膨胀系数<40×10-7/℃,杨氏模量>78GPa,波长为308nm处透过率≥73%,波长为550nm处透过率≥91%;粘度200泊时对应的温度≤1630℃;粘度为35000泊时对应的温度≥1250℃;液相线温度TL≤1200℃;粘度35000泊时对应的温度与液相线温度TL的差值≥50℃;应变点≥700℃;500℃/10min条件下热收缩小于10ppm,比模量大于30GPa/(g/cm3)。
具体实施方式
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中,如无特别说明,所用的各材料均可通过商购获得,如无特别说明,所用的方法为本领域的常规方法。
参照ASTM C-693测定玻璃密度,单位为g/cm3。
参照ASTM E-228使用卧式膨胀仪测定50-350℃的玻璃热膨胀系数,单位为10-7/℃。
参照ASTM C-623测定玻璃杨氏模量,单位为GPa。
参照ASTM C-965使用旋转高温粘度计测定玻璃高温粘温曲线,其中,1600℃对应的粘度即为η1600,单位为P;粘度为X泊对应的温度TX,单位为℃。
参照ASTM C-829使用梯温炉法测定玻璃液相线温度TL,单位为℃。
参照ASTM C-336使用退火点应变点测试仪测定玻璃应变点Tst,单位为℃。
使用岛津UV-2600型紫外可见分光光度计紫外-可见分光光度计测定玻璃透过率,玻璃样品厚度为0.5mm,分别取308nm、550nm处透过率,单位为%。
使用热电iCAP 6300MFC型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)测试玻璃中的铁含量(以Fe2O3形式表征)和氟含量,单位为mol%或ppm。
采用如下热处理的方法(差值计算法)测定经过热处理后的热收缩率:将玻璃从25℃(测定初始长度,标记为L0)以5℃/min的升温速率升温至500℃并在500℃保温10min,然后以5℃/min的降温速率降温至25℃,玻璃长度发生一定量的收缩,再次测量其长度,标记为Lt,则热收缩率Yt表示为:
实施例1-20
按照表1所示称量各组分,混匀,将混合料倒入高锆砖坩埚(ZrO2>85wt%)中,然后在1630℃电阻炉中加热24小时,并使用铂铑合金(80wt%Pt+20wt%Rh)搅拌器匀速缓慢搅拌。将熔制好的玻璃液浇注入不锈钢铸铁磨具内,成型为规定的块状玻璃制品,然后将玻璃制品在退火炉中退火2小时,关闭电源随炉冷却到25℃。将玻璃制品进行切割、研磨、抛光,然后用去离子水清洗干净并烘干,制得厚度为0.5mm的玻璃成品。分别对各玻璃成品的各种性能进行测定,结果见表1。
表1
由表1中的实施例及对比例可知,本发明方法对于获得高杨氏模量、高强度、高应变点、高耐化学腐蚀性、低密度、低膨胀系数、低液相线温度、不含碱金属、不含任何有毒有害物质的高比刚度的铝硅酸盐玻璃基板有明显效果,通过本发明提供的组成、限定配比、限定的D数值范围、不必过分控制原材料中铁氧化物含量、适当含量的氟化物及制造方法得到的无碱铝硅酸盐玻璃具有较高的耐热稳定性、具有较低的高温体积电阻率、具有较高的紫外可见光谱透过率、具有较高的杨氏模量、较高的强度、较高的应变点、较高的耐化学腐蚀性、较低的密度、较低的膨胀系数、较低的液相线温度,适合大型工业化制造,适合以部分或全部能量来源为电加热的方式制得熔融玻璃液,适合在制备显示器件、照明器件和/或太阳能电池中的应用。尤其适用于制备平板显示产品的衬底玻璃基板材料和/或屏幕表面保护用玻璃膜层材料、柔性显示产品的载板玻璃材料和/或表面封装玻璃材料和/或屏幕表面保护用玻璃膜层材料、柔性太阳能电池的衬底玻璃基板材料、安全玻璃、防弹玻璃、智能汽车玻璃、智能交通显示屏、智能橱窗和智能卡票以及用于其他需要高热稳定性、高紫外透过率和机械稳定性基板玻璃的应用领域。
Claims (10)
1.无碱铝硅酸盐基板玻璃组合物,其特征在于,
以各组分的摩尔百分比为基准,该组合物含有69-71mol%SiO2、11-15mol%Al2O3、3-7mol%B2O3、3-8mol%MgO、2-8mol%CaO、1-4mol%SrO、1-3mol%BaO、0.01-1.8mol%ZnO、0.001-0.8mol%F、0.001-0.01mol%Fe2O3、R2O<0.05mol%,其中,R2O为Li2O、Na2O、K2O含量的总和;
所述组合物满足如下关系:以各组分的总摩尔量为基准,各组分的含量按摩尔百分比计算满足D值≥30;
其中,D值由下式计算得出:
D=(65.7×SiO2+110×Al2O3+135×B2O3+165×MgO+115×CaO+95×SrO+69×BaO+61×ZnO-1000*MO)/ρ;
式中,SiO2、Al2O3、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO各自代表该组分占组合物的摩尔百分比;MO代表除上述组分之外的其余所有组分之和;ρ代表由该组合物制得的玻璃在常温下的密度数值。
2.如权利要求1所述的无碱铝硅酸盐基板玻璃组合物,其特征在于,该组合物中,50ppm-0.8mol%F、0.002-0.008mol%Fe2O3。
3.如权利要求1所述的无碱铝硅酸盐基板玻璃组合物,其特征在于,35≥D≥31。
4.如权利要求3所述的无碱铝硅酸盐基板玻璃组合物,其特征在于,33≥D≥32。
5.如权利要求1所述的无碱铝硅酸盐基板玻璃组合物,其特征在于,所述组合物还含有化学澄清剂,化学澄清剂的含量不大于0.5mol%。
6.如权利要求5所述的无碱铝硅酸盐基板玻璃组合物,其特征在于,所述化学澄清剂为硫酸锶、硫酸钙、硝酸锶、氧化亚锡中的至少一种。
7.如权利要求1-6任一项所述的无碱铝硅酸盐基板玻璃组合物的制备方法,其特征在于,该方法包括将所述组合物的各组分混合料依次进行熔融、澄清、均化、成型、退火和机械加工处理。
8.通过如权利要求7所述的制备方法制备得到的无碱铝硅酸盐基板玻璃。
9.如权利要求8所述的无碱铝硅酸盐基板玻璃,其特征在于,所述玻璃的杨氏模量≥78GPa;密度≤2.45g/cm3;应变点≥700℃;液相线粘度≥420千泊;50-350℃范围内的热膨胀系数<40×10-7/℃;波长为308nm处透过率≥73%;波长为550nm处透过率≥91%;粘度200泊时对应的温度≤1630℃;粘度为35000泊时对应的温度≥1250℃;液相线温度TL≤1200℃;粘度35000泊时对应的温度与液相线温度TL的差值≥50℃;500℃/10min条件下热收缩率<10ppm,比模量大于30GPa/(g/cm3)。
10.如权利要求8所述的无碱铝硅酸盐基板玻璃在制备显示器件、照明器件、太阳能电池中的应用。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220722 |