DE102006016256B4

DE102006016256B4 - Aluminoborosilikatglas und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102006016256B4
Application number: DE102006016256A
Authority: DE
Inventors: Dr. Fechner Jörg; Dr. Brix Peter; Dr. Sprenger Dirk
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2026-04-01
Also published as: CN101045607A; DE102006016256A1; TW200800828A; US7470642B2; JP2007277084A; US20070243992A1; KR20070098661A

Abstract

Aluminoborosilikatglas mit einer Dichte von weniger als 2,40 g/cm3 und einem spezifischen Elastizitätsmodul von mehr als 31 GPa·cm3·g–1, das folgende Bestandteile (in Gew.-%) enthält:SiO2 58–70 Al2O3 12–20 B2O3 5–15 MgO 0–9 CaO 2–12 BaO 0,1–5 SnO2 0–1 As2O3 0–2, wobei das Glas, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen, frei von SrO und frei von Alkalioxiden ist, wobei das Glas ferner eine Viskositätstemperatur bei 104 dPas von weniger als 1320°C aufweist und wobei das Glas eine Viskositätstemperatur bei 102 dPas von weniger als 1690°C aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aluminoborosilikatglas mit einer besonders geringen Dichte und einem hohen spezifischen Elastizitätsmodul, sowie vorteilhafte Verwendungen eines solchen Glases.
LCD-Displays erfreuen sich zunehmender Verbreitung nicht nur als Computerbildschirme, sondern auch für großformatige Flachbildschirme. Insbesondere TFT-LCD-Displays (Active Matrix Thin Film Transistor LCD) weisen eine niedrige Leistungsaufnahme auf und werden deshalb in zahlreichen Anwendungen verwendet, wie z. B. in Notebooks, in Flachbildschirmen, in Digitalkameras und dgl. mehr. Dabei besteht das Display-Substrat im Allgemeinen aus einer Glasplatte.
An derartige Substrate werden hohe Anforderungen gestellt. Neben einer hohen Temperaturwechselbeständigkeit sowie einer guten Resistenz bezüglich der im Herstellungsverfahren der Flachbildschirme eingesetzten aggressiven Chemikalien sollten die Gläser über einen weiten Spektralbereich (VIS, UV) hohe Transparenz sowie zur Gewichtseinsparung eine geringe Dichte aufweisen. Der Einsatz als Trägermaterial für integrierte Halbleiterschaltkreise z. B. in TFT-Displays erfordert darüber hinaus die thermische Anpassung an das Dünnfilmmaterial Silizium. Werden durch Hochtemperaturbehandlungen oberhalb von 700°C bzw. durch direkte Abscheidung über CVD-Prozesse weitgehend kristalline Siliziumschichten erzeugt, so ist ein Substrat mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von möglichst weniger als 3,2·10^–6/K erforderlich. Für Anwendungen in der Display- und Photovoltaiktechnologie ist ferner die Abwesenheit von Alkali-Ionen Bedingung. Herstellungsbedingte Anteile von Natriumoxid unterhalb von 1000 ppm sind im Hinblick auf die ”vergiftende” Wirkung durch Eindiffusion von Na⁺ in die Halbleiterschicht noch tolerierbar.
Für den Einsatz in großformatigen Displays ist insbesondere ein großer E-Modul, eine geringe Dichte und ein hoher spezifischer E-Modul erforderlich.
Geeignete Gläser sollten großtechnisch in ausreichender Qualität (keine Blasen, Knoten, Einschlüsse) z. B. auf einer Float-Anlage oder in einem Down-Draw-Ziehverfahren wirtschaftlich produzierbar sein. Besonders die Herstellung dünner (< 1 mm) streifenfreier Substrate von geringer Oberflächenwelligkeit über Ziehverfahren erfordert eine hohe Entglasungsstabilität der Gläser. Um einem auf die Halbleiter-Mikrostruktur nachteilig wirkenden Schrumpf (”compaction”) des Substrates während der Herstellung, insbesondere im Falle von TFT-Displays, entgegenzuwirken, benötigt das Glas ferner eine geeignete temperaturabhängige Viskositätskennlinie, d. h. hinsichtlich der thermischen Prozess- und Formstabilität sollte es bei einer nicht zu hohen Viskosität im Schmelz- und Verarbeitungsbereich aufweisen und dennoch eine ausreichend hohe Transformationstemperatur, d. h. T_g ≥ 700°C, besitzen.
Im Stand der Technik sind zahlreiche Gläser beschrieben, die insbesondere für Display-Anwendungen wie etwa LCD und TFT-LCD verwendet werden.
Aus der WO 02/060831 A2 sind eine Reihe von alkalifreien Aluminoborosilikatgläsern bekannt, die zwar eine relativ geringe Dichte von teilweise weniger als 2,4 g/cm³ aufweisen, jedoch liegt der spezifische E-Modul durchweg unterhalb von 30 GPa·g^–1·cm³.
Aus der DE 100 00 836 A1 sind weitere alkalifreie Aluminoborosilikatgläser bekannt, die jedoch sämtlich eine Dichte von > 2,4 g/cm³ aufweisen, was insbesondere bei tragbaren Anwendungen wie z. B. bei Notebooks als nachteilig angesehen wird.
Aus der US 6 537 937 B1 ist eine Reihe weiterer Aluminoborosilikatgläser für derartige Anwendungen bekannt, die eine geringe Dichte, einen hohen E-Modul und einen hohen spezifischen E-Modul aufweisen.
Allerdings liegt die Transformationstemperatur dieser Gläser durchweg unterhalb von 700°C, was als nachteilig anzusehen ist.
Weitere Gläser ähnlicher Art sind aus der US 5 851 939 A , aus der US 6 060 168 A , aus der DE 100 64 804 A1 , aus der US 6 319 867 B1 , aus der EP 0 672 629 A2 , aus der DE 196 80 967 T1 , aus der JP 2004-91244 A , aus der JP 08-295530 A und aus der WO 02/060831 A2 bekannt.
Diese werden sämtlich jedoch nicht den eingangs genannten Anforderungen gerecht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein alkalifreies Aluminoborosilikatglas bereitzustellen, das eine möglichst geringe Dichte und einen hohen spezifischen Elastizitätsmodul aufweist und das für eine Anwendung insbesondere zur Herstellung von Displays, wie etwa LCD-Displays, besonders geeignet ist und das einen optimierten Viskositätsverlauf aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Aluminoborosilikatglas mit einer Dichte von weniger als 2,40 g/cm³ und einem spezifischen Elastizitätsmodul von mehr als 30 GPa·cm³·g^–1 gelöst, das folgende Bestandteile (in Gew.-%) enthält:

SiO₂ 58–70

Al₂O₃ 12–20

B₂O₃ 5–15

MgO 0–< 6

CaO 2–12

BaO 0,1–5

SnO₂ 0–1

As₂O₃ 0–2,

wobei das Glas, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen, frei von SrO ist und frei von Alkalioxiden ist. Außerdem weist das Glas eine Viskositätstemperatur bei 10⁴ dPas von weniger als 1320°C und von weniger als 1690°C bei 10² dPas auf. Vorzugsweise sind abgesehen von zufälligen Verunreinigungen keine weiteren Bestandteile enthalten.
Das erfindungsgemäße Glas weist somit einen für eine besonders günstige Verarbeitung optimierten Viskositätsverlauf auf.
Es hat sich gezeigt, dass sich durch den Zusatz von Bariumoxid bei gleichzeitiger Abwesenheit von Strontiumoxid einerseits eine sehr geringe Dichte erzielen lässt und andererseits gleichzeitig ein hoher spezifischer Elastizitätsmodul. Dabei werden außerdem die speziellen Anforderungen, die an den Viskositätsverlauf und an eine hohe Transformationstemperatur gestellt werden, erfüllt.
Überraschenderweise wird hierbei eine geringe Dichte von < 2,4 g/cm³ trotz des Bariumoxidgehaltes erreicht, der wiederum zu einem hohen E-Modul und einem hohen spezifischen E-Modul beiträgt.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist der Gehalt an Calciumoxid kleiner als 6 Gew.-%, beträgt jedoch mindestens 4 Gew.-%.
Der Gehalt an Magnesiumoxid beträgt vorzugsweise mehr als 0,5%, da hierdurch ebenfalls der Elastizitätsmodul erhöht wird. Außerdem wird durch den Zusatz von MgO die Schmelzbarkeit verbessert, da mit steigendem Gehalt an Magnesiumoxid die Viskosität des Glases bei 10⁴ dPas, also der VA, abgesenkt wird.
Ein Magnesiumoxidgehalt von 6 Gew.-% sollte jedoch nicht überschritten werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Gehalt an B₂O₃ vorzugsweise kleiner als 14 Gew.-%.
Da das Glas vorzugsweise frei von Strontiumoxid und frei von Alkalioxiden ist, sollte der Gehalt an Strontiumoxid kleiner als 0,1 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 0,02 Gew.-% sein. Der Gehalt an Alkalioxiden ist bevorzugt kleiner als 0,1 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 0,02 Gew.-%.
Die erfindungsgemäßen Gläser weisen bevorzugt einen spezifischen Elastizitätsmodul auf, der größer als 31 GPa·cm³·g^–1 ist, vorzugsweise größer als 32 GPa·cm³·g^–1 ist.
Die erfindungsgemäßen Gläser weisen ferner vorzugsweise einen Elastizitätsmodul von mehr als 71 GPa auf, vorzugsweise von mehr als 73 GPa, besonders bevorzugt von mehr als 75 GPa.
Bei den erfindungsgemäßen Gläsern beträgt die Viskositätstemperatur bei 10² dPas, vorzugsweise weniger als 1670°C.
Die erfindungsgemäßen Gläser weisen bevorzugt sämtlich eine Transformationstemperatur T_g von mindestens 700°C auf.
Die erfindungsgemäßen Gläser eignen sich bevorzugt als Substratgläser, insbesondere für OLED, für AMOLED (Active Matrix OLED), für FED (Field Emission Display), für SED (Surface Emission Display), als Filterglas, insbesondere Colorfilterglas, oder als Farbglas.
Ferner sind die erfindungsgemäßen Gläser insbesondere für LCD-TFT-Displays geeignet, für Displays mit Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen in Non-Self-Emitter-Systemen, insbesondere als Flachgläser für FFL (Flat Fluorescent Lamp), insbesondere für Systeme mit außen liegenden Elektroden EEFL (External Electrode Fluorescent Lamp).
In diesem Zusammenhang besitzen die dielektrischen Eigenschaften des Glases eine besondere Bedeutung. Die erfindungsgemäßen Gläser haben einen niedrigen Quotienten tanδ/ε' (Verlustwinkel/Dielektrizitätszahl).
Die erfindungsgemäßen Gläser lassen sich bevorzugt im Float-Prozess herstellen. Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Gläser auch für einen Herstellungsprozess nach dem Down-Draw-Verfahren und insbesondere nach dem Overflow-Fusion-Verfahren geeignet.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Beispiele
Die erfindungsgemäßen Gläser weisen vorzugsweise folgende Zusammensetzung auf (in Gew.-%):

SiO₂ 58–65

Al₂O₃ 15–18

B₂O₃ 8–12

MgO 0,5–5

CaO 4–< 6

BaO 0,1–2

SnO₂ 0–1

As₂O₃ 0–2.
In Tabelle 1 ist die Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Glases (Beispiel 1) nebst den charakteristischen Eigenschaften aufgeführt. Zusätzlich ist als Vergleichsbeispiel V1 ein nicht zur Erfindung gehörendes Glas aufgeführt, das frei von Bariumoxid ist und statt dessen Strontiumoxid aufweist. Es zeigt sich, dass dieses Vergleichsbeispiel V1 zwar eine Dichte von < 2,4 g/cm^–3 aufweist, dass der spezifische E-Modul jedoch kleiner als 30 GPa·cm³·g^–1 ist.

Das erfindungsgemäße Glas besitzt einen Bariumoxidgehalt von 1,0 Gew.-%, ist frei von Strontiumoxid (und Alkalioxiden) und besitzt einen spezifischen E-Modul von mehr als 30 GPa·cm³·g^–1, sowie eine Dichte von < 2,4 g·cm^–3. Ferner beträgt die Transformationstemperatur T_g bei den erfindungsgemäßen Gläsern mehr als 710°C, während die Temperatur bei einer Viskosität der Gläser von 10⁴ dPas geringer als 1320°C ist und die Viskositätstemperatur bei 10² dPas geringer als 1670°C ist. Gleichfalls liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient mit 3,11·10^–6/K in einem bevorzugten Bereich.

Beispiel	1	V1
Zusammensetzung (Gew.-%)
SiO₂	63,40	63,7
Al₂O₃	16,90	16,1
B₂O₃	9,90	10,3
MgO	2,80	0,2
CaO	5,90	7,8
BaO	1,00	-
SnO₂	0,20	-
As₂O₃	-	1,1
α (10^–6/K) (20–300°C)	3,11	3,21
T_g (°C)	719	716
ϱ (kg·m^–3)	2394	2367
T₄ (°C bei 10⁴ dPas)	1312	1330
T₂ (°C bei 10² dPas)	1678	1717
E-Modul (GPa)	79	70
spez. E-Modul (GPa·cm³·g^–1)	33,0	29,4

Tabelle 1

Claims

Aluminoborosilikatglas mit einer Dichte von weniger als 2,40 g/cm³ und einem spezifischen Elastizitätsmodul von mehr als 31 GPa·cm³·g^–1, das folgende Bestandteile (in Gew.-%) enthält: SiO₂ 58–70 Al₂O₃ 12–20 B₂O₃ 5–15 MgO 0–9 CaO 2–12 BaO 0,1–5 SnO₂ 0–1 As₂O₃ 0–2,

wobei das Glas, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen, frei von SrO und frei von Alkalioxiden ist, wobei das Glas ferner eine Viskositätstemperatur bei 10⁴ dPas von weniger als 1320°C aufweist und wobei das Glas eine Viskositätstemperatur bei 10² dPas von weniger als 1690°C aufweist.
Aluminoborosilikatglas nach Anspruch 1, bei dem der Gehalt an CaO kleiner als 6 Gew.-% ist.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gehalt an CaO mindestens 4 Gew.-% beträgt.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gehalt an MgO kleiner als 6 Gew.-% ist.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gehalt an MgO größer als 0,5 Gew.-% ist.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gehalt an B₂O₃ kleiner als 14 Gew.-% ist.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gehalt an SrO kleiner als 0,1 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 0,02 Gew.-% ist.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gehalt an Alkalioxiden kleiner als 0,1 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 0,02 Gew.-% ist.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der spezifische Elastizitätsmodul größer als 32 GPa·cm³·g^–1 ist.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Elastizitätsmodul größer als 71 GPa, vorzugsweise größer als 73 GPa, besonders bevorzugt größer als 75 GPa ist.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Viskositätstemperatur bei 10² dPas von weniger als 1670°C aufweist.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Transformationstemperatur T_g von wenigstens 700°C aufweist.
Verwendung eines Aluminoborosilikatglases nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Substratglas, insbesondere für Filter, OLED, AMOLED (Active Matrix OLED), FED (Field Emission Display), SED (Surface Emission Display), als Filterglas, insbesondere Colorfilterglas, oder als Farbglas.
Verwendung eines Aluminoborosilikatglases nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in LCD-TFT-Displays, in Displays mit Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen in Non-Self-Emitter-Systemen, insbesondere als Flachglas für FFL (Flat Fluorescent Lamp), insbesondere für Systeme mit außen liegenden Elektroden EEFL (External Electrode Fluorescent Lamp).