JP4457410B2 - 無アルカリガラス基板 - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイ、ＥＬディスプレイ等のディスプレイ基板として用いられる無アルカリガラス基板に関するものである。

従来より、液晶ディスプレイ、ＥＬディスプレイ等のディスプレイ基板としては、矩形状のガラス基板が広く使用されている。

この種のガラス基板には、用途に応じて様々な特性が要求され、例えばＴＦＴ型アクティブマトリックス液晶ディスプレイに使用されるガラス基板の場合には、ガラス中にアルカリ金属酸化物が含有されていると、熱処理中にアルカリイオンが成膜された半導体物質中に拡散し、膜特性の劣化を招くため、実質的にアルカリ金属酸化物を含有しないことが要求される。

また近年、ＴＦＴ型アクティブマトリックス液晶ディスプレイ等の電子機器は、パーソナルな分野への応用が進められており、機器の軽量化が要求されている。これに伴ってガラス基板にも軽量化が要求され、薄肉化が進められている。

さらにこの種の電子機器は、大型化も進められており、これに伴って大型のガラス基板も要求されている。すなわち、この種の電子機器を製造する場合には、ガラスメーカーで成形された大型のガラス基板（素板）の上に複数分のデバイスを作製し、デバイス毎に分割切断して製品とするため、電子機器が大型化するほど、ガラス基板をより大きくする必要がある。

しかしながら、このようにガラス基板が大型化するほど、ガラス基板の強度が低下するため、その厚みを極端に薄くすることは不可能である。そこでガラスの密度を低下することによって、軽量化を実現する試みがなされており、現在では量産化されている低密度ガラス基板も幾つか存在する。
特開平９−４８６３２号公報 特開平９−１５６９５３号公報 国際公開第９７／１１９１９号 国際公開第９７／１１９２０号

上記したようにＴＦＴ型アクティブマトリックス液晶ディスプレイに用いられるガラス基板は、大型化、薄肉化が進められているが、これに伴い各種の問題が生じている。

すなわちこの種のガラス基板は、ガラスメーカーで成形された後、切断、徐冷、検査、洗浄等の工程を通過され、これらの工程中、ガラス基板は、複数段の棚が形成されたカセットに出し入れされる。このカセットは、左右の内側面に形成された棚に、ガラス基板の両辺を載置するようにして水平方向に保持できるようになっているが、大型のガラス基板はたわみ量が大きいため、ガラス基板をカセットの棚に入れる際に、ガラス基板の一部がカセットに接触して破損したり、カセットの棚からガラス基板を取り出す際に、大きく揺動して不安定となりやすい。このような形態のカセットは、電子機器メーカーでも使用されるため、同様の問題が発生している。

またこのような大型のガラス基板をガラスメーカーから電子機器メーカーに輸送する際、実開平５−１２０９８号に開示されているような箱状の上下支持部材を用いて上下方向から挟み込む形態の梱包体が使用されることがあるが、下側の支持部材に形成された複数の保持溝にガラス基板を１枚づつ挿入した後で、ガラス基板が大きくたわむと、上側の支持部材に形成された複数の保持溝に各ガラス基板を挿入するのが困難となり、作業性が大幅に低下する。

さらに電子機器が大型化するほど、これに装着されるガラス基板が、たわみやすくなるため、電子機器の画像面が歪んで見える虞れがある。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、大型で、薄肉のガラス基板であっても、製造工程におけるカセットへの出し入れが容易で、また実開平５−１２０９８号に開示されているような梱包体への収納も容易であり、しかも電子機器に装着した時の画像面の歪みが少ない無アルカリガラス基板を提供することを目的とする。

ガラス基板のたわみ量は、ガラスの密度に比例して変化するため、低密度のガラス基板は、たわみ量が小さくなる傾向にはあるが、ガラスの密度を低下することによって、ガラス基板のたわみ量を小さくするには限界がある。

その理由は、ガラス基板のたわみ量が、ヤング率によっても変化するためであり、ヤング率／密度（比ヤング率）の値を大きくしなければ、たわみ量の大幅な低減は困難である。

しかしながら現在、市販されている低密度ガラス基板は、比ヤング率の小さいガラスから作製されているため、これらのガラス基板の大型化、薄肉化を図ると、たわみ量が大きくなり、上記したような問題が生じる。

本発明の無アルカリガラス基板は、縦寸法が５００ｍｍ以上、横寸法が６００ｍｍ以上、厚みが０．７ｍｍ以下であり、重量％で、ＳｉＯ_２ ５０〜６８％、Ａｌ_２Ｏ_３ １４〜２５％、Ｂ_２Ｏ_３ ３〜１５％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＢａＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ ５〜２０％、ＺｒＯ_２ ０〜５％、ＴｉＯ_２ ０〜５％、Ｙ_２Ｏ_３ ２〜５％の組成を有し、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３を合量で１６重量％以上含有し、密度が２．６ｇ・ｃｍ^−３以下、ヤング率／密度が２９ＧＰａ／ｇ・ｃｍ^−３以上であることを特徴とする。

また本発明の無アルカリガラス基板は、好ましくは、重量％で、ＳｉＯ_２ ５０〜６８％、Ａｌ_２Ｏ_３ １４〜１８．５％、Ｂ_２Ｏ_３ ７．５〜１５％、ＭｇＯ ０〜５％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜２％、ＢａＯ ０〜７％、ＺｎＯ ０〜０．５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ ５〜２０％、ＺｒＯ_２ ０〜１％、ＴｉＯ_２ ０〜５％、Ｙ_２Ｏ_３ ２〜５％の組成を有し、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３を合量で１６重量％以上含有し、密度が２．５１ｇ・ｃｍ^−３以下、ヤング率／密度が３０．２ＧＰａ／ｇ・ｃｍ^−３以上であることを特徴とする。

また本発明の無アルカリガラス基板は、好ましくは、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃を合量で１８重量％以上含有することを特徴とする。

本発明の無アルカリガラス基板は、軽量であり、またたわみ量が小さいため、大型で薄肉であっても、製造上、梱包上の問題が発生せず、しかも良好な画像面を得ることができる。

本発明の無アルカリガラス基板は、密度が２．６ｇ・ｃｍ^-3以下であり、比ヤング率が２９ＧＰａ／ｇ・ｃｍ^-3以上であるため、大型で薄肉のガラス基板、具体的には、ガラス基板の縦寸法が５００ｍｍ以上、横寸法が６００ｍｍ以上、厚みが０．７ｍｍ以下であっても、軽量で、問題とならない程度のたわみ量に抑えることができる。

本発明のガラス基板の構成成分の内、比ヤング率の上昇に効果のある成分は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃の５成分であり、これらの成分の合量が１６重量％未満になると、比ヤング率を２９ＧＰａ／ｇ・ｃｍ^-3以上にすることが困難となるため、合量で１６重量％以上、好ましくは１８重量％以上含有させる。

またＴＦＴ型アクティブマトリックス液晶ディスプレイに使用されるガラス基板には、フォトエッチング工程において使用される種々の酸、アルカリ等の薬品によって劣化しないような耐薬品性を有することや、成膜、アニール等の工程における熱処理によって熱収縮しないように、高い歪点、具体的には６５０℃以上の歪点を有することが望まれる。また製造コストや良品率等を考慮すると、溶融性や成形性に優れていることや、ＴＦＴの材料の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有することも望まれる。

このような特性を満足し、しかもガラス基板の密度を低下し、比ヤング率を上昇させやすい組成は、重量％で、ＳｉＯ₂ ５０〜６８％、Ａｌ₂Ｏ₃ １４〜２５％、Ｂ₂Ｏ₃ ３〜１５％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＢａＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ ５〜２０％、ＺｒＯ₂ ０〜５％、ＴｉＯ₂ ０〜５％、Ｙ₂Ｏ₃ ０〜５％であり、各成分の限定理由は、次のとおりである。

ＳｉＯ₂は、ガラスのネットワークフォーマーとなる成分であり、５０％より少ないと、ガラスの密度を２．６ｇ・ｃｍ^-3以下にすることが困難となる。また耐薬品性、特に耐酸性が低下すると共に、歪点が低くなるため好ましくない。一方、６８％より多いと、高温粘度が大きくなり、溶融性が悪くなるため好ましくない。ＳｉＯ₂のより好ましい含有量は、５５〜６４％である。

Ａｌ₂Ｏ₃は、ガラスの密度を低下させると共に、比ヤング率を上昇させ、且つ、歪点を高くする成分であり、１４％より少ないと、比ヤング率を２９ＧＰａ／ｇ・ｃｍ^-3以上にすることが困難となり、歪点が低くなるため好ましくない。一方、２５％より多いと、耐酸性が悪くなるため好ましくない。Ａｌ₂Ｏ₃のより好ましい含有量は、１６〜２２％である。

Ｂ₂Ｏ₃は、ガラスの密度を低下させると共に、融剤として作用し、ガラスの粘性を下げ、溶融性を改善する成分であり、３％より少ないと、ガラスの密度を２．６ｇ・ｃｍ^-3以下にすることが困難となり、融剤としての作用も不十分となるため好ましくない。一方、１５％より多いと、ガラスの歪点が低下し、耐酸性も悪くなるため好ましくない。

ＭｇＯは、二価のアルカリ土類酸化物の中でも、比較的密度を上げずに比ヤング率を上昇させやすい成分であり、また歪点を下げることなく、高温粘性を下げ、ガラスの溶融性を改善する作用も有しているが、１０％より多いと、密度を２．６ｇ・ｃｍ^-3以下にすることが困難であり、耐酸性も悪化するため好ましくない。ＭｇＯのより好ましい含有量は、０〜８％である。

ＣａＯも、ＭｇＯと同様に歪点を下げずに高温粘性を下げ、ガラスの溶融性を改善する成分であるが、１０％より多いと、ガラスの歪点が低下するため好ましくない。

ＳｒＯとＢａＯは、いずれもガラスの耐薬品性を向上させる成分であるが、これらを多量に含有させると、密度を２．６ｇ・ｃｍ^-3以下にすることが困難となるため、各々１０％以下に抑えることが好ましい。

ＺｎＯは、溶融性を改善するための成分であるが、５％より多いと、歪点が低下するため好ましくない。

但し、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｎＯの合量が、５％より少ないと、ガラスの高温での粘性が高くなり、溶融性が悪くなると共にガラスが失透しやすくなり、一方、２０％より多いと、密度を２．６ｇ・ｃｍ^-3以下にすることが困難となるため好ましくない。

ＺｒＯ₂は、比ヤング率を上昇させると共に、ガラスの耐薬品性、特に耐酸性を改善する作用を有する成分であるが、５％より多いと、ガラス中にジルコニアの失透物が析出するため好ましくない。

ＴｉＯ₂は、ガラスの耐薬品性を改善すると共に、高温粘性を低下し、溶融性を向上させる成分であるが、多量に含有させると、ガラスに着色を生じ、透過率が低下するため、５％以下に抑えることが好ましい。

Ｙ₂Ｏ₃も、比ヤング率を上昇させる作用を有する成分であるが、５％より多いと、ガラスの耐薬品性が悪化するため好ましくない。

また本発明においては、上記の成分以外にも、特性を損なわない範囲で他の成分を添加させることも可能であり、例えば清澄剤として、Ａｓ₂Ｏ₃、Ｓｂ₂Ｏ₃、Ｆ₂、Ｃｌ₂、ＳＯ₃等を各々３％まで添加することが可能である。

但し、一般に融剤として使用されるＰｂＯやＰ₂Ｏ₅は、ガラスの耐薬品性を著しく低下させるため、添加を避けるべきである。特にＰｂＯは、ガラス溶融時に融液の表面から揮発し、環境を汚染する虞れもあるため好ましくない。

以下、本発明の無アルカリガラス基板を実施例に基づいて詳細に説明する。

表１〜３は、本発明のガラス基板（試料Ｎｏ．６）、参考例のガラス基板（試料Ｎｏ．１〜５、７〜１１）、比較例のガラス基板（試料Ｎｏ．１２〜１５）を示すものである。

表中の各試料は、次のようにして作製した。

まず表の組成となるようにガラス原料を調合し、白金ポットで１５８０℃で２４時間溶融した後、スロットダウン法を用いて板状に成形した。次いでこれらの板状ガラスの両面を光学研磨することによって、縦寸法が５５０ｍｍ、横寸法が６５０ｍｍ、厚みが０．７ｍｍの大型で薄肉のガラス基板を作製した。

表から明らかなように実施例であるＮｏ．６及び参考例であるＮｏ．１〜５、７〜１１の各試料は、いずれも密度が２．５８ｇ・ｃｍ^−３以下であるため軽量で、また比ヤング率が２９．３ＧＰａ／ｇ・ｃｍ^−３以上であるため、たわみ量が１９．０ｍｍ以下と小さかった。

それに対し、比較例であるＮｏ．１２〜１５の各試料は、いずれも比ヤング率が２７．６ＧＰａ／ｇ・ｃｍ^-3以下であるため、たわみ量が２０．２ｍｍ以上と大きかった。またＮｏ．１２、１３及び１５の各試料は、密度が高かった。

尚、表中の密度は、周知のアルキメデス法によって測定し、ヤング率は、曲げ共振法により測定したものであり、１ＧＰａ≒１０１．９Ｋｇｆ／ｍｍ²である。また、たわみ量は、図１に示すように、ガラス基板１０の縦方向の両辺付近１０ａ、１０ａを支持片１１、１１で支持し、スパン６４０ｍｍで水平方向に配置した時の最大たわみ量を測定したものである。

さらに歪点は、ＡＳＴＭ Ｃ３３６−７１の方法に基づいて測定した。１０^2.5ポイズに相当する温度は、高温粘度である１０^2.5ポイズに相当する温度を示すものであり、この温度が低いほど、溶融成形性に優れていることになる。

また耐塩酸性は、各試料を８０℃に保持された１０重量％塩酸水溶液に２４時間浸漬した後、それらの表面状態を目視で観察することによって評価した。ガラス基板の表面が変色したものは×、全く変化のないものは○で示した。熱膨張係数は、ディラトメ−ターを用いて、３０〜３８０℃における平均熱膨張係数を測定したものである。

ガラス基板の最大たわみ量の測定方法を示す説明図である。

符号の説明

１０ ガラス基板
１１ 支持片

Claims (4)

1. 縦寸法が５００ｍｍ以上、横寸法が６００ｍｍ以上、厚みが０．７ｍｍ以下であり、重量％で、ＳｉＯ_２ ５０〜６８％、Ａｌ_２Ｏ_３ １４〜２５％、Ｂ_２Ｏ_３ ３〜１５％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＢａＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ ５〜２０％、ＺｒＯ_２ ０〜５％、ＴｉＯ_２ ０〜５％、Ｙ_２Ｏ_３ ２〜５％の組成を有し、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３を合量で１６重量％以上含有し、密度が２．６ｇ・ｃｍ^−３以下、ヤング率／密度が２９ＧＰａ／ｇ・ｃｍ^−３以上であることを特徴とする無アルカリガラス基板。
2. 重量％で、ＳｉＯ_２ ５０〜６８％、Ａｌ_２Ｏ_３ １４〜１８．５％、Ｂ_２Ｏ_３ ７．５〜１５％、ＭｇＯ ０〜５％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜２％、ＢａＯ ０〜７％、ＺｎＯ ０〜０．５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ ５〜２０％、ＺｒＯ_２ ０〜１％、ＴｉＯ_２ ０〜５％、Ｙ_２Ｏ_３ ２〜５％の組成を有し、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３を合量で１６重量％以上含有し、密度が２．５１ｇ・ｃｍ^−３以下、ヤング率／密度が３０．２ＧＰａ／ｇ・ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項１記載の無アルカリガラス基板。
3. Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３を合量で１８重量％以上含有することを特徴とする請求項１又は２記載の無アルカリガラス基板。
4. ディスプレイ基板として用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の無アルカリガラス基板。

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