JP2006131482A

JP2006131482A - ディスプレイ装置用基板ガラス

Info

Publication number: JP2006131482A
Application number: JP2004325573A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Tsuzuki; 都築　　達也; Tadashi Muramoto; 正村本; Atsushi Tsuji; 篤史辻
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】フラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスで、歪点が高く、かつ高耐熱性、高靭性、低密度のものが望まれている。
【解決手段】実質的に重量％表示で、ＳｉＯ_２が６４〜７０、Ａｌ_２Ｏ_３が０．５〜５、Ｎａ_２Ｏが１〜７、Ｋ_２Ｏが５〜２０、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏが１０〜２０、ＭｇＯが３〜１７、ＣａＯが０〜１０、ＳｒＯが０〜５、ＢａＯが０〜５、ＲＯ（ただし、ＲはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）が１０〜２０、ＺｒＯ_２が０〜５からなり、かつ密度が２．６ｇ・ｃｍ^−３未満、３０℃〜３００℃における平均線熱膨張係数が７０〜９０×１０^―７／℃、ヤング率Ｅが７０〜８０ＧＰａで、かつ密度／ヤング率が０．０３５５ｇ・ｃｍ^−３／ＧＰａ以下、ヤング率×熱膨張係数が６５００ＧＰａ×１０^−７／℃以下であることを特徴とするフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐熱性に優れ、軽量でかつ高強度のガラス組成物に関する。特に通常のソーダライムシリカガラスと同程度の熱膨張係数と高い耐熱性が要求されるガラス基板、例えばＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）やＥＬ（エレクトロルミネセンス）、ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）等の電子ディスプレイ用基板に好適なガラス組成物に関する。

従来、ＰＤＰ製造分野においては、基板ガラスとして常温〜３００℃の熱膨張係数が８０〜９０×１０^ー７／℃程度、歪点が５１０〜５２０℃程度のソーダライムシリカガラスを使用してきた。ソーダライムシリカガラスは多方面に利用され、低価格で容易に調達できる点で有利とされている。しかし歪点が低いため、ガラス基板上に電極線パターンを配し、更に低融点ガラスによる絶縁被覆を形成する等、パネル製作上各種熱処理を施す際に、基板ガラスの反りや収縮などの変形を生じ易いという不具合が生じる。

上記不具合を解消するために、近年においてはソーダライムシリカガラスと同様なアルカリ・アルカリ土類・シリカ系ガラスで、熱膨張係数がソーダライムシリカガラスと近似し、歪点が５５０℃を越え、あるいは６００℃を超えるような高歪点ガラスが提案されている（例えば特許文献１〜３）。これらのガラスは、ディスプレイパネルの製造工程において、熱変形が少なく、また他の部材との膨張の整合性も良い。
特許第２７３８０３６号公報特開平８−２９０９３９号公報特開平１０−１５２３３９号公報

しかし、従来の高歪点ガラスは、成分組成自体ソーダライムシリカガラスに対しやや特異な組成であって、従来の高歪点ガラスの密度はソーダライムシリカガラスに比べて大きく、２.６を越えるものが多い。これは、ディスプレイ装置の軽量化が困難になるという問題がある上に、ガラス基板の自重によるたわみの問題も発生する。即ち、ガラス基板の自重によるたわみ量（Ｗ）は、式（１）で表されるように、ガラスの密度（ρ）に比例して増大する。そのためガラス基板が大型化するとたわみ量がより大きくなって、基板の搬送や移動の工程で破損などの不具合が起こる問題がある。

W=ｃ(ρ/E)(L⁴/t²) （１）
W：最大たわみ量、L：2辺支持間の距離、ｔ：板厚、ρ：ガラスの密度、E：ガラスのヤング率、ｃ：定数
また式（１）において、ヤング率もガラスの自重によるたわみ量にも関係することが分かる。即ち、同じ密度でもヤング率が小さくなると増大する。
さらに、ディスプレイ装置の製造工程中では、前述のように各種熱処理を施すため、加熱や冷却の工程でガラス基板に熱衝撃が加わり、温度勾配が生じてガラス基板に熱応力が発生する。この熱応力σは一般的に式（２）のような式で表される。

熱応力σ＝０．３１｛Ｅα／（１−ν）｝・ΔＴ（γｍ・ｈ／ｋ）（２）
ここで、Ｅはヤング率、αは膨張係数、νはポアソン比、ΔＴは温度変化、γｍは材料形状による因子、ｈは表面の熱伝達係数、ｋは材料の熱伝導率である。脆性破壊を示すガラスはこのような熱応力で比較的容易に破壊するため、熱応力の発生を極力小さくする必要がある。そのためには、上述の式（２）において、Ｅ、α、ΔＴ、γｍ、ｈおよびνを小さくし、ｋを大きくしなければならないが、この系のガラスにおいてはｈ、ｋおよびνはほぼ一定である。その上、ΔＴやγｍはディスプレイパネルの熱処理工程の条件やガラス基板の形状で決まる因子であるためそれを限定することは困難である。従って、ガラス基板に発生する熱応力の大きさは、ガラスの熱膨張係数αとヤング率Ｅに依存するところが大きく、熱膨張係数が大きく、またヤング率が大きいガラスでは熱処理工程で発生する熱応力が大きくなって、ガラス基板が破壊する確立が高くなるという問題がある。

従って、密度が大きく、ヤング率が小さいとガラス基板のたわみによる破損などの問題があり、また熱膨張係数とヤング率が大きいと前述の通り熱応力によるガラス基板の破壊の問題があるため、ガラスの密度、熱膨張係数とヤング率は適切な範囲にしなければならない。

さらに、従来の高歪点ガラスはソーダライムシリカガラスに比べて脆いために、様々な処理を施す際に割れやすい問題がある。一般的にガラスの割れは傷（クラック）を起点として起こる脆性破壊と考えられており、この破壊に対する抵抗性は破壊靭性（Ｋ_ＩＣ）と呼ばれる。従って、前記割れの問題を改善するためにはＫ_ＩＣが高いガラスが必要である。

本発明の目的は、これらの問題を解決するために、ソーダライムシリカガラスと同程度の線膨張係数を有すると共に、歪点とＫ_ＩＣが高く、密度が低いことを特徴とするガラス基板の組成を提供することにある。

実質的に重量％表示で、ＳｉＯ_２が６４〜７０、Ａｌ_２Ｏ_３が０．５〜５、Ｎａ_２Ｏが１〜７、Ｋ_２Ｏが５〜２０、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏが１０〜２０、ＭｇＯが３〜１７、ＣａＯが０〜１０、ＳｒＯが０〜５、ＢａＯが０〜５、ＲＯ（ただし、ＲはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）が１０〜２０、ＺｒＯ_２が０〜５からなり、かつ密度が２．６ｇ・ｃｍ^−３未満、３０℃〜３００℃における平均線熱膨張係数が７０〜９０×１０^―７／℃、ヤング率Ｅが７０〜８０ＧＰａで、かつ密度／ヤング率が０．０３５５ｇ・ｃｍ^−３／ＧＰａ以下、ヤング率×熱膨張係数が６５００ＧＰａ×１０^−７／℃以下であることを特徴とするフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

さらに、破壊靭性Ｋ_ＩＣが０．７ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

さらにまた、歪点が５７０℃以上であることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

本発明によれば、上記の問題を解決するため、フラットパネルディスプレイ装置の基板ガラスに適する高歪点を有し、また適切な密度、熱膨張係数とヤング率であり、かつ破壊靭性が高いため熱応力やたわみによるガラスの破損が少ないガラスの組成を提供することにある、これはＰＤＰ、ＥＬおよびＦＥＤなどの電子ディスプレイ用ガラス基板として極めて好適である。

ＳｉＯ_２はガラスの主成分であり、重量％において６４％未満ではガラスの耐熱性または化学耐久性を悪化させる。他方、７０％を超えるとガラス融液の高温粘度が高くなり、ガラス成形が困難となる。また、ガラスの線膨張係数が小さくなり過ぎて、ディスプレイパネルを構成する他の部材との整合性が悪くなる。従って６４〜７０％、好ましくは６５〜６９％の範囲とする。

Ａｌ_２Ｏ_３は、歪点を高くし、密度を低くする成分である。重量％において５％を超えるとガラス融液の高温粘度が高くなる上に、ヤング率が上昇し所望のヤング率が得られなくなる。従って０．５〜５％、好適には１〜４％の範囲がよい。

Ｎａ_２Ｏは、Ｋ_２Ｏとともにガラス溶解時の融剤として作用する。１％未満ではその効果が得られず、７％を超えると歪点が低下し過ぎる。従って１〜７％の範囲とする。

Ｋ_２Ｏは、Ｎａ_２Ｏと同様の作用効果を示すと共に、Ｎａ_２Ｏとの混合アルカリ効果によりアルカリイオンの移動を抑制し、ガラスの体積抵抗率を高める必須成分である。５％未満であるとそれらの作用が不十分であり、２０％を超えると線膨張係数が過大となり、また歪点も低下し過ぎるため、５〜２０％、好適には８〜１５％の範囲とする。

前記アルカリ成分（Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ）の量に関して、その合量を１０〜２０％にすることにより、歪点、線熱膨張係数、高温粘度および失透温度を適切な範囲に維持することができる。アルカリ成分の合量が１０％未満では線熱膨張係数が低下し過ぎる上に、ヤング率が上昇し所望のヤング率が維持できなくなる。またガラスの失透傾向が増大する。２０％を超えると歪点が低下し過ぎるうえに、ヤング率および体積抵抗率が低下する。従って、１０〜２０％の範囲とするものである。

ＭｇＯは、ガラス溶解時の溶融ガラスの粘度を下げる作用を有すると共に、歪点も上昇させる作用を有する。１５％を超えるとヤング率が上昇し所望のヤング率が得られなくなる。またガラスの失透傾向が増大し溶融ガラスの成形が困難になる。従って０〜１５％、好ましくは１〜１４％の範囲とする。

ＣａＯは、ガラス溶解時の溶融ガラスの粘度を下げる作用を有すると共に、ガラスの歪点を上昇させる作用を有するが、１０％を超えると失透傾向が大きくなり、また密度が上昇し所望の密度が得られなくなる。従って０〜１０％、好ましくは１〜８％の範囲とする。

ＳｒＯは、必須成分ではないが、ＣａＯとの共存下でガラス融液の高温粘度を下げて失透の発生を抑制する作用を有する。５％を超えると密度が高くなり過ぎるので、５％以下の範囲が望ましい。

ＢａＯは、必須成分ではないが、ガラス融液の失透傾向を抑制する作用を有すると共にヤング率を下げる効果があるが、５％を超えると密度が上昇するので、５％以下の範囲が望ましい。

さらに、上記組成範囲内において、二価の金属酸化物ＲＯ（Ｒは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）の合計量を１０〜２０％の範囲とすることによって、ガラスの溶融性を良好な範囲に維持しつつ、粘度―温度勾配を適度としてガラスの成形性を良好とし、耐熱性、化学的耐久性等に優れ、適切な範囲の熱膨張係数を有するガラスを得ることができる。ＲＯの合計が１０％未満では、高温粘度が上昇してガラスの溶融と成形が困難となる。また、歪点が下がり過ぎる上に、熱膨張係数が低下する。一方、２０％を超えると、特に密度が上昇するとともに失透傾向が増大し、化学的耐久性が低下する。より好ましい範囲は、１１〜１９％である。

ＺｒＯ_２は、ガラスの歪点を上昇させ、またガラスの化学的耐久性を向上させる効果を有する。５％を超えると密度が上昇し、いずれも所望の値が維持できなくなる。従って０〜５％、好ましくは１〜３％の範囲とする。

本発明の好ましい態様のガラスは実質的に上記成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲で他の成分を合量で３％まで含有してもよい。たとえば、ガラスの溶解、清澄、成形性の改善のためにＳＯ_３、Ｃｌ、Ｆ、Ａｓ_２Ｏ_３等を合量で１％まで含有してもよい。また、ガラスを着色するためにＦｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯ、ＮｉＯ等を合量で１％まで含有してもよい。さらに、ＰＤＰにおける電子線ブラウニング防止等のためにＴｉＯ_２およびＣｅＯ_２をそれぞれ１％まで、合量で１％まで含有してもよい。

密度、線熱膨張係数とヤング率は重要な特性であり、密度が２．６ｇ・ｃｍ^−３以上ではディスプレイ装置の軽量化ができなくなり、線熱膨張係数が７０未満あるいは９０×１０^―７／℃を超えるとパネルを構成する他の部材との熱膨張の整合性が悪くなる。また、密度／ヤング率はガラス基板の自重によるたわみ量に関係し、０．０３５５ｇ・ｃｍ^−３／ＧＰａを超えるとたわみ量が大きくなり過ぎて、たわみによる破損が起こりやすくなる。さらに、ヤング率×熱膨張係数は熱処理時のガラス基板に発生する熱応力に関係し、６５００ＧＰａ×１０^−７／℃を超えると熱応力が大きくなり過ぎて、熱衝撃による破壊が起こりやすくなる。

また、破壊靭性Ｋ_ＩＣが０．７ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。破壊靭性Ｋ_ＩＣが０．７ＭＰａ・ｍ^１／２未満では、ディスプレイ装置の製造工程中で割れやすい問題が出てくる。

さらに、歪点が５７０℃以上であることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。歪点はガラスの耐熱性を示す特性であり、５７０℃未満ではディスプレイパネルの製造工程において熱変形が多くなるため不適である。

以下、実施例に基づき、説明する。

（ガラスの作成）
珪砂、酸化アルミニウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、炭酸カリウム、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウムおよび珪酸ジルコニウムよりなる調合原料を白金ルツボに充填し、電気炉内で１５００〜１６００℃、約６時間加熱溶融した。加熱溶融の途中で白金棒によりガラス融液を攪拌してガラスを均質化させた。次に、溶融ガラスを鋳型に流し込み、ガラスブロックとし、５５０〜６５０℃に保持した電気炉に移入して該炉内で徐冷した。得られたガラス試料は泡や脈理の無い均質なものであった。

原料調合に基づくガラスの組成（酸化物換算）を表１に示す。これらのガラスについて、歪点（℃）、密度（ｇ／ｃｍ^３）、３０〜３００℃の平均線膨張係数（１０^−７／℃）、ヤング率（ＧＰａ）および破壊靱性Ｋ_ＩＣ（ＭＰａ・ｍ^１／２）を以下の方法により測定した。

歪点は、ＪＩＳＲ３１０３−２の規定に基づくビーム曲げ法により測定した。密度は、泡の無いガラス（約５０ｇ）を用いてアルキメデス法により測定した。膨張係数は、熱機械分析装置ＴＭＡ８３１０（理学電機（株）製）を用いて３０〜３００℃における平均線膨張係数を測定した。ヤング率は、シングアラウンド式音波測定装置ＵＶＭ―２（超音波工業（株）製）を用いて測定した。破壊靱性は、微小硬度計ＤＭＨ−２（松沢精機（株）製）を用いて、ＪＩＳＲ１６０７に記載のファインセラミックスの破壊靱性試験方法（圧子圧入法）により算出した。

（結果）
表１中の実施例１〜８は本発明におけるガラスであり、比較例１はソーダライムシリカガラスである。比較例２〜４は従来の高歪点ガラスである。比較例１のソーダライムシリカガラスにおいては、密度、熱膨張係数とヤング率および破壊靭性が適切の値であるものの、歪点が比較例２〜４の高歪点ガラスに較べて著しく低いことを現している。一方、比較例２〜４の高歪点ガラスは、歪点は５８０℃以上と高いものの、密度、密度／ヤング率あるいは熱膨張係数×ヤング率が所望の値を外れており、かつ破壊靭性が０．７ＭＰａ・ｍ^１／２未満と低いことを現している。

これらに対して実施例１〜８のガラスは、歪点が５７０℃以上と十分高い上に、密度、熱膨張係数とヤング率が所望の値であり、また密度／ヤング率あるいは熱膨張係数×ヤング率が適切な範囲にあり、さらに、破壊靭性は０．７ＭＰａ・ｍ^１／２以上と高い。従って、本願発明のガラスは、従来の高歪点ガラスと同等の耐熱性を有する上に、適正な密度、熱膨張係数とヤング率を有し、密度／ヤング率あるいは熱膨張係数×ヤング率が適切な範囲にあり、さらに破壊靭性が高いことから、従来の高歪点ガラスに較べて、ディスプレイパネル製造工程における熱処理工程でのガラス基板の自重によるたわみ量も少なく、また熱応力の発生が小さいことは明白であり、それによるガラスの破損が少なくなる。

Claims

実質的に重量％表示で、ＳｉＯ_２が６４〜７０、Ａｌ_２Ｏ_３が０．５〜５、Ｎａ_２Ｏが１〜７、Ｋ_２Ｏが５〜２０、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏが１０〜２０、ＭｇＯが３〜１７、ＣａＯが０〜１０、ＳｒＯが０〜５、ＢａＯが０〜５、ＲＯ（ただし、ＲはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）が１０〜２０、ＺｒＯ_２が０〜５からなり、かつ密度が２．６ｇ・ｃｍ^−３未満、３０℃〜３００℃における平均線熱膨張係数が７０〜９０×１０^―７／℃、ヤング率Ｅが７０〜８０ＧＰａで、かつ密度／ヤング率が０．０３５５ｇ・ｃｍ^−３／ＧＰａ以下、ヤング率×熱膨張係数が６５００ＧＰａ×１０^−７／℃以下であることを特徴とするフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。
破壊靭性Ｋ_ＩＣが０．７ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることを特徴とする請求項１に記載のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。
歪点が５７０℃以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。