DE102007025687B3

DE102007025687B3 - Verwendung einer Glasscheibe aus Borosilikatglas in einer Flachanzeigevorrichtung und Flachanzeigevorrichtung mit dieser Glasscheibe

Info

Publication number: DE102007025687B3
Application number: DE200710025687
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Brix; Wilfried Linz; Nikolaus Dr. Schultz
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-06-02
Also published as: WO2008145693A1

Abstract

Es konnte gefunden werden, dass ein gefloatetes Bo-% Al2O3, 2-5 Gew.-% Na2O und 0-1 Gew.-% K2O enthält, ohne weitere Nachbehandlung als Scheibe in einer Flachanzeigevorrichtung, insbesondere als Frontscheibe (Color-Filter-Plate) in einer Flüssig-Kristall-Anzeigevorrichtung verwendet werden kann, wenn sie derart eingebaut wird, dass ihre bei dem Floatvorgang mit der Atmosphäre über dem Floatbad in Kontakt stehende Oberfläche zu der optisch aktiven Schicht in der Anzeigevorrichtung hinweist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer gefloateten Glasscheibe aus Borosilikatglas in einer Flachanzeigevorrichtung, insbesondere einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung oder einer Vorrichtung mit organischen Leuchtdioden (OLED), sowie eine Flachanzeigevorrichtung mit einer solchen Glasscheibe.
Bei Flachanzeigevorrichtungen, z. B. OLED-Anzeigen, insbesondere aber bei Flüssigkristallanzeigen, die in weitem Umfang in Mobiltelefonen, Computer-Bildschirmen und Fernsehgeräten zur Anwendung kommen, ist es nötig, Gläser einzusetzen, die keine oder möglichst wenig Alkali- und Erdalkaliionen abgeben. Durch die Migration der Alkali- und Erdalkaliionen verändern sich wesentliche elektrische Eigenschaften der Anzeige, z. B. durch erhöhtes Grundrauschen und auch die Eigenschaften der Flüssigkristalle und der organischen Leuchtdioden werden negativ beeinflusst.
Es gibt verschiedene Lösungsansätze, die durch die Alkali- und Erdalkaliionen verursachten Nachteile zu vermeiden.
In EP 1 038 663 A2 wird eine Flachanzeigevorrichtung (FPD flat Panel device) beschrieben, das aus zwei flexiblen Kunststoff-Substraten, z. B. Folien besteht, zwischen denen die optisch aktive Schicht, z. B. eine Flüssigkristall-Schicht, angeordnet ist. Da Kunststoff-Substrate bekanntlich Gase wie Sauerstoff oder Wasserdampf hindurch diffundieren lassen, wird in dieser Anmeldung vorgeschlagen, die Flachanzeigevorrichtung nach ihrer Herstellung zumindest einseitig mit einer Dünnglasscheibe zu laminieren. Als geeignetes Glas kann auch ein Borosilikatglas mit einer Zusammensetzung von (in Gew.-% auf Oxidbasis) 79,0–81,0 SiO₂, 12,5–13,0 B₂O₃, 2,0–4,0 Al₂O₃, 2,0–3,5 K₂O, 1,0–2,0 Li₂O, 0,025–2,0 Reduktionsmittel und 0–3,0 Läutermittel, wie es in DE 43 38 128 C1 ( US 5547904 A ) beschrieben ist, verwendet werden.
Der nahe liegendste Ansatz besteht darin, Gläser einzusetzen, die von Natur aus alkalifrei sind. Solche Gläser werden auch in erheblichem Umfang in der Praxis verwendet. Nachteilig ist bei diesen Gläsern, dass sie in der Herstellung aufwendig sind, da aufgrund ihrer Alkalifreiheit hohe Schmelz- und Verarbeitungstemperaturen erforderlich werden, die einen deutlichen Kostenfaktor darstellen. Ferner haben diese Gläser im Allgemeinen ein spezifisches Gewicht von oberhalb 2,35 g·cm^–3, was bei Bildschirmen für Laptop-Computer, bei denen mit jedem Gramm gerechnet wird, unerwünscht ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Ionen-abgebende Oberfläche der Glasscheibe zu versiegeln, so dass die Migration der Ionen aus dem Glas unterbunden wird. Bekannt ist z. B. eine Schicht aus SiO₂ auf die Glasoberfläche aufzubringen. Die Aufbringung geschieht in der Regel durch Pyrolyse, CVD (Chemical Vapour Deposition), Aufdampfen von SiO₂ im Hochvakuum oder dergleichen. Diese Verfahren sind schwierig zu handhaben und stellen einen hohen Kostenfaktor dar und machen das Glas teuer.
Weiterhin ist bekannt, aus der Oberfläche der Glasscheiben die störenden Alkali- und Erdalkaliionen weitestgehend zu entfernen, was z. B. durch Auslaugen geschehen kann, siehe z. B. US 5,093,196 wo die Oberfläche mit gasförmigem SO₃ behandelt wird, oder US 5,985,700 wo mit wässrigem Ammoniumhydroxid, und ca. 15%-iger Salzsäure geätzt wird. Da in US 5,985,700 noch ein kurzes Tauchen in wässrige HF erfolgt, die einen Teil der verarmten Oberfläche entfernt und so die Eigenschaften wieder verschlechtert, wird hier zusätzlich abschließend noch eine SiO₂-Schicht aufgetragen, die die Oberfläche versiegelt. Eine Oberfläche der Glasscheibe kann auch durch Anlegen eines elektrischen Feldes bei erhöhten Temperaturen an Alkaliionen verarmt werden. Infolge des elektrischen Feldes wandern die leicht beweglichen Alkaliionen von der Anode in Richtung der Katode, so dass die Glasscheibe an der Anodenseite oberflächlich an Alkaliionen verarmt. Bevorzugt wird dazu ein kontaktloses Verfahren, die Korona-Entladung, die zur Erzeugung von alkali-verarmten Glasoberflächen für elektrische Zwecke z. B. aus US 3,879,183 bekannt ist. Eine neuere Anmeldung auf diesem Gebiet, US 5,648,172 zeigt, dass auch Borosilikatgläser mit niedrigem Alkali- und Erdalkaligehalt von zusammen 15 Gew.-% oder weniger mittels einer Korona-Entladung oberflächlich an Alkaliionen verarmt werden können, was nicht gerade überraschend ist.
Alle diese zusätzlich zu der Glasherstellung erforderlichen Verfahrensschritte verursachen eine Kostenbelastung des Produktes.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Glasscheibe für eine Flachanzeigevorrichtung zu finden, die preiswert herstellbar ist und auch ohne spezielle Nachbehandlung den Anforderungen, die an eine solche Scheibe gestellt werden, genügt und weiterhin eine Flachanzeigevorrichtung, die wenigstens eine entsprechende Scheibe besitzt.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Scheibe und eine Flachanzeigevorrichtung mit dieser Scheibe gelöst.
Es konnte gefunden werden, dass bei einem gefloateten Borosilikatglas, das in Gew.-% auf Oxidbasis 75 bis 85 SiO₂, 11,5–14 B₂O₃, 1–4 Al₂O₃, 2–5 Na₂O und 0–1 K₂O enthält, die mit dem Badmetall (in der Regel Zinn) in Berührung gekommene Seite des Glases und die mit der Atmosphäre oberhalb des Floatbades in Berührung gekommene Seite des Glases (Atmosphärenseite) ein unterschiedliches Diffusionsverhalten bezüglich der Alkaliionen aufweisen. Die Alkaliionen auf der Atmosphärenseite des Glases diffundieren nur in einem derart geringen Maß aus der Oberfläche, dass eine solche Glasplatte ohne eine weitere Nachbehandlung zur Reduzierung des Alkaliionen-Gehalts in der Oberfläche als Scheibe in einer Flachanzeigevorrichtung verwendet werden kann, wenn sie so verbaut wird, dass ihre Atmosphärenseite zu der elektrisch erregbaren optisch aktiven Schicht hinzeigt.
Besonders geeignet ist ein gefloatetes Glas, das in Gew.-% auf Oxidbasis enthält 78,5–82,5 SiO₂, 12–13,5 B₂O₃, 3–4,5 Na₂O, 0–1 K₂O und 1 bis 3 Al₂O₃.
Mit diesen Gläsern lassen sich auch noch andere, von den Display-Herstellern geschätzte Eigenschaften erfüllen, z. B. eine geringe Dichte des Glases von weniger als 2,4 g·cm^–3, insbesondere weniger als 2,3 g·cm^–3. Ferner besitzen diese Gläser einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α von 3,2·10^–6·K^–1 bis 3,4·10^–6·K^–1, insbesondere von etwa 3,3·10^–6·K^–1, durch den sie sehr gut an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der rückwärtigen Scheibe des Displays (Back Plate) sowie der darauf aufgebrachten Schichten und an den Ausdehnungskoeffizienten der als transparente elektrische Leiter verwendeten ITO-Schichten angepasst sind.
Die erfindungsgemäßen Scheiben sind für alle flachen Anzeigevorrichtungen geeignet, bei denen die Abgabe von Alkaliionen aus der Glasoberfläche zu Problemen führt. Das ist insbesondere bei Flachanzeigevorrichtungen mit elektrisch erregbaren optisch aktiven Schichten der Fall. Anzeigevorrichtungen mit elektrisch erregbaren optisch aktiven Schichten sind z. B. Vorrichtungen, die mit organischen Leuchtdioden (OLED) arbeiten und insbesondere Flüssigkristallanzeigevorrichtungen, z. B. Flachbildschirme von Fernsehapparaten und Flachbildmonitore für Computer, Displays in Mobiltelefonen, Fotoapparaten und dergleichen.
Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen gefloateten Scheiben als Frontscheibe, z. B. als Color-Filter-Plate, in den Anzeigevorrichtungen eingesetzt, da hier die geringe Alkalilässigkeit besonders wichtig ist. Die Rückseite der Anzeigevorrichtungen wird häufig aus einem einfachen Glas hergestellt, da hier durch das z. B. bei TFT-Bildschirmen vorhandene Transistor-Array die Migration von Alkaliionen aus dem Glas in die nematische Flüssigkeit stark eingeschränkt wird. Bei hohen Ansprüchen können auch hier alkalifreie Gläser oder Gläser mit geringer Alkalilässigkeit eingesetzt werden. Dazu können ebenfalls mit Vorteil die erfindungsgemäßen Gläser dienen, insbesondere wird diese Qualitätsverbesserung durch die größere Wirtschaftlichkeit gegenüber den alkalifreien Gläsern ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der erfindungsgemäßen Scheibe sowohl für die Vorder- als auch für die Rückseite einer Anzeigevorrichtung besteht darin, dass damit alle Probleme, die sich aus unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Vorder- und Rückseitenglas ergeben können, vollständig ausgeschaltet werden.
Die Herstellung der Glasscheiben erfolgt nach dem bekannten Floatverfahren, bei dem flüssiges Glas auf ein Metallbad, im allgemeinen ein Zinnbad, aufgegossen und dort auf die gewünschte Dicke ausgezogen wird. Aus Gewichtsersparnisgründen werden die als Color-Filter-Scheibe eingesetzten Scheiben mit einer Dicke von 0,3 bis 2,5 mm, bevorzugt 0,6 bis 0,8 mm, hergestellt. Zur Zeit ist die Standard-Dicke für die Scheiben, insbesondere die Frontscheiben von Flachanzeigevorrichtungen 0,7 mm. Bei sehr großen Flachanzeigevorrichtungen mit Diagonalen von mehr als etwa 125 cm (50''-Bildschirme) können aus Stabilitätsgründen auch Scheiben mit einer Dicke von 1,1 mm zur Anwendung kommen.
Anhand der Abbildung wird die Erfindung am Beispiel eines Flüssigkristall-Bildschirms weiter erläutert.
1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer TFT-Flüssigkristallanzeige,
2–5 zeigen die Migration von K⁺- und Na⁺-Ionen jeweils aus der Oberfläche der Badseite und der Atmosphärenseite einer erfindungsgemäßen Floatglasscheibe nach unterschiedlichen Auslaugzeiten.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einem klassisch aufgebauten Dünnfilm-Transistor-Flüssigkristall-Flachbildschirm (TFT-LCD Flat Panel Display). Die Frontscheibe 1 wird durch eine allgemein als Color-Filter-Plate bezeichnete Glasplatte gebildet, den rückwärtigen Abschluss des Bildschirms bildet die als Back Plate bezeichnete Glasscheibe 2. Zwischen Frontscheibe 1 (Color-Filter-Plate) und Back Plate 2 befindet sich die Flüssigkristallschicht 3. Der genaue Abstand zwischen den Scheiben 1 und 2 wird durch Abstandshalter (Spacer) 6 gewährleistet. Die Frontscheibe 1 ist so in dem Display angeordnet, dass ihre bei der Herstellung nach dem Floatverfahren mit dem Zinnbad in Kontakt gekommene Oberfläche 4 nach außen zeigt, während die bei der Herstellung mit der Atmosphäre über dem Floatbad in Kontakt gekommene Atmosphärenseite 5 der Scheibe 1 nach innen in Richtung auf die Flüssigkristallschicht 3 zeigt. Frontscheibe 1 und Back Plate 2 sind an ihren Außenseiten mit Polarisatorschichten 7, 8 versehen. Die Frontscheibe 1 trägt auf ihrer Unterseite die Black Matrix 9, die Farbfilterschicht 10 für die Farben Rot, Grün, Blau sowie die transparente gemeinsame Elektrode (Common Electrode) 11, die üblicherweise aus einer ITO-Schicht besteht. Die Back Plate 2 trägt den in dem gestrichelten Oval gezeigten Dünn-Film-Transistor 12, der die Pixel-Elektrode 13 ansteuert. Weiterhin ist auf der Frontscheibe 1 und Back Plate 2 noch jeweils eine so genannte Orientierungsschicht (Alignment Layer) 14 angeordnet. Zum Rand hin ist das Display mittels der Dichtung 15 abgedichtet. Die Common Electrode 11 der Frontscheibe 1 ist mittels des Verbinders (Short) 17 mit der gemeinsamen Elektrode (Common Electrode) 16 der Back Plate 2 elektrisch leitend verbunden. Wird die Pixel-Elektrode 13 von dem TFT-Transistor 12 angesteuert, so drehen sich die Flüssigkristalle 18 des betreffenden Pixels in der Flüssigkristallschicht 3, der betreffende Pixel wird aktiviert.
Beispiel 1
Die 2 bis 5 zeigen den Gehalt an Na⁺- und K⁺-Ionen in der Oberfläche der beiden unterschiedlichen Seiten in verschiedenen Tiefen, nämlich auf der Badseite und der Atmosphärenseite einer Floatglasscheibe gemäß der Erfindung anhand von Auslaugversuchen. Die Floatglasscheibe hatte eine Zusammensetzung von (in Gew.-% auf Oxidbasis) 80,7 SiO₂, 12,7 B₂O₃, 2,4 Al₂O₃, 3,5 Na₂O, 0,6 K₂O.
Die Auslaugversuche wurden wie folgt durchgeführt: Prüfplatten der Größe 35 × 35 × 6,5 mm wurden in einem Kunststoffbecher mit 6-molarer HCl unterschiedlich lange ausgelaugt. Die Auslaugdauer betrug jeweils 30 min, 60 min und 120 min. Die 6-m Salzsäure hatte dabei eine Temperatur von 60°C.
Nach dem Auslaugevorgang wurden die Platten mit deionisiertem Wasser gespült, getrocknet und die Tiefenprofile für Na⁺- und K⁺-Ionen in den beiden Oberflächen der Platten mittels Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) bestimmt. Die angegebenen Werte sind jeweils das Mittel aus 2 Versuchen.
Auf der Ordinate ist die Zählrate in Zählschritten pro Sekunde (cps) angegeben, auf der Abszisse die Sputterzeit in Sekunden. Eine Sputterzeit von 40 s entspricht etwa einer Tiefe von 25 nm.
Es zeigt sich deutlich, dass die K⁺-(3) und Na⁺-(2)Profile auf der der Atmosphärenseite (Feuerseite) des Zinnbades ausgesetzten Glasoberfläche auch nach dem Auslaugen praktisch unverändert geblieben sind, d. h. bei dem Auslaugen sind keine Na⁺- und K⁺-Ionen aus der Oberfläche ausgetreten. Im Gegensatz dazu zeigt die mit dem Zinnbad in Kontakt gekommene Oberfläche der Scheibe eine deutliche Verarmung an Na⁺-(4) und K⁺-(5)Ionen, d. h. aus dieser Oberfläche ist eine erhebliche Anzahl von Alkaliionen ausgetreten.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wird das Auslaugverhalten des erfindungsgemäßen Glases einem für Displayzwecke einsetzbaren alkalifreiem Glas sowie einem nicht geeigneten Kalk-Natron-Glas gegenübergestellt.
Das erfindungsgemäße Glas hatte eine Zusammensetzung gemäß Beispiel 1, das alkalifreie Glas hatte eine Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis von 61,3 SiO₂, 16,2 Al₂O₃, 7,8 B₂O₃, 2,7 MgO, 8,2 CaO, 3,5 BaO, 0,3 SnO und das Kalk-Natron-Glas hatte eine für Fensterglas übliche Zusammensetzung von (in Gew.-% auf Oxidbasis) 73 SiO₂, 1 Al₂O₃, 3 MgO, 9 CaO, 13 Na₂O, 0,1 K₂O.
Auf die jeweilige Glasoberfläche wurde ein säurebeständiger Kunststoffzylinder mit einer inneren Querschnittsfläche von 350 cm² dichtend aufgesetzt, mit 3 l 0,5-molarer HCl befüllt und jeweils 1 bzw. 3 Stunden bei einer Temperatur von 98°C gehalten.
Anschließend wird der Natrium-Ionengehalt in der Lösung flammenphotometrisch gemessen und als μg/dm² Na₂O angegeben. Es ergaben sich folgende Ergebnisse für das Auslaugverhalten:
Erfindungsgemäßes Glas: Auslaugzeit 1 Stunde: Atmosphärenseite 2,2 μg/dm², Zinnbadseite 3,8 μg/dm²; Auslaugzeit 3 Stunden: Atmosphärenseite 3,6 μg/dm², Zinnbadseite 13,5 μg/dm².
Alkalifreies Glas: Auslaugzeit 1 Stunde: 1,7 μg/dm², Auslaugzeit 3 Stunden: 2,1 μg/dm² (kein Unterschied zwischen Atmosphärenseite und Zinnbadseite)
Kalk-Natron-Glas (gefloated): Auslaugzeit 1 Stunde: Atmosphärenseite 90 μg/dm², Zinnbadseite 62 μg/dm²; Auslaugzeit 3 Stunden: Atmosphärenseite 130 μg/dm², Zinnbadseite 106 μg/dm².
Dass auch aus dem alkalifreiem Glas Na⁺-Ionen ausgelaugt werden können, liegt an den unvermeidbaren Verunreinigungen der Rohstoffe mit Natriumverbindungen. Überraschend ist auch, dass bei Kalk-Natron-Glas im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Borosilikatglas die Atmosphärenseite mehr Na⁺-Ionen abgibt als die Zinnbadseite.
Aus den Werten ist erkennbar, dass die Alkaliabgabe des erfindungsgemäßen Glases zwar höher liegt als die des alkalifreien Glases, jedoch auf der Atmosphärenseite nur etwa um den Faktor 1,5 bis 2 höher, so dass das erfindungsgemäße Glas (Atmosphärenseite) für den beanspruchten Verwendungszweck brauchbar ist.

Claims

Flachanzeigevorrichtung mit einer vorderen Glasscheibe, einer rückseitigen Glasscheibe und einer zwischen den Scheiben angeordneten elektrisch erregbaren optisch aktiven Schicht, bei der wenigstens die vordere Glasscheibe aus einer mittels des Floatverfahrens hergestellten Glasscheibe, enthaltend (in Gew.-% auf Oxidbasis) 75–85 SiO₂, 11,5–14 B₂O₃, 1–4 Al₂O₃, 2–5 Na₂O und 0–1 K₂O, besteht und die Scheibe oder die Scheiben derart in der Anzeigevorrichtung angeordnet ist oder sind, dass ihre bei dem Floatvorgang zu der Atmosphärenseite des Floatbades weisende Seite zu der optisch aktiven Schicht hinweist.
Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasscheibe 78,5–82,5 SiO₂, 12–13,5 B₂O₃, 3–4,5 Na₂O, 0–1 K₂O und 1–3 Al₂O₃ enthält.
Verwendung einer mittels des Floatverfahrens hergestellten Glasscheibe, die (in Gew.-% auf Oxidbasis) 75–85 SiO₂, 11,5–14 B₂O₃, 1–4 Al₂O₃, 2–5 Na₂O und 0–1 K₂O enthält, in einer Flachanzeigevorrichtung, derart, dass die bei der Herstellung der Glasscheibe zu der Atmosphärenseite des Floatbades zeigende Seite der Glasscheibe zu der optisch aktiven Schicht zeigt.
Verwendung der Glasscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie 78,5–82,5 SiO₂, 12–13,5 B₂O₃, 3–4,5 Na₂O, 0–1 K₂O und 1–3 Al₂O₃ enthält.
Verwendung der Glasscheibe nach Anspruch 3 oder 4 als Frontscheibe (Color-Filter-Plate) bei einem Flachbildschirm, insbesondere einem TFT-Flachbildschirm.