JP5246605B2 - 液晶ディスプレイ用ガラス基板及び液晶ディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイ用ガラス基板及び液晶ディスプレイに関するものである。

従来より、液晶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の表面には、透明導電膜、絶縁膜、半導体膜、金属膜等が成膜され、しかもフォトリソグラフィーエッチング（フォトエッチング）によって種々の回路やパターンが形成される。これらの成膜、フォトエッチング工程において、ガラス基板には、種々の熱処理や薬品処理が施される。

例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）型アクティブマトリックス液晶ディスプレイの場合、ガラス基板上に絶縁膜や透明導電膜が成膜され、さらにアモルファスシリコンや多結晶シリコンのＴＦＴが、フォトエッチングによって多数形成される。また、ＴＦＴが形成されるガラス基板（ＴＦＴガラス基板）と対を成すカラーフィルター（ＣＦ）と呼ばれるもう一つのガラス基板（ＣＦガラス基板）上には、液晶ディスプレイにおいてカラー表示を行うために種々の有機物の薄膜が形成される。

このような工程において、ガラス基板は、数百度の熱処理を受けると共に、硫酸、塩酸、アルカリ溶液、フッ酸、バッファードフッ酸等の種々の薬品による処理を受ける。

従って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、以下のような特性が要求される。

（１）ガラス中にアルカリ金属酸化物が含有されていると、熱処理時に成膜された半導体物質中にアルカリイオンが拡散し、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。

（２）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。

（３）成膜等の液晶製造工程でガラス基板が熱収縮してパターンずれを起こさないように、高い歪点、具体的には、６４０℃以上の歪点を有すること。例えば多結晶シリコンＴＦＴ−ＬＣＤの場合、その工程温度が６００℃以上であるため、このような用途のガラス基板には、歪点が６４０℃以上であることが要求される。

また、これ以外にも、次のような特性が要求される。

（４）ガラス中に基板として好ましくない溶融欠陥が発生しないよう溶融性に優れていること。

（５）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。

更に、液晶ディスプレイパネルは、ＴＦＴガラス基板とＣＦガラス基板を貼り合わせた後、これらのガラス基板の間に液晶を注入することにより、作製される。この２枚のガラス基板の貼り合わせ、及び液晶注入後の注入口の封止には紫外線硬化樹脂が用いられる。ところで紫外線硬化樹脂の硬化に用いられる紫外線はＴＦＴ素子のアモルファスシリコンあるいは多結晶シリコン、有機薄膜であるＣＦ及び液晶層を破壊する恐れがある。画素が破壊されると、その部分だけ、光った状態（輝点）となり、映像がうまく表示されない問題が生じる。

そのため、紫外線硬化樹脂の硬化の際に、紫外線が液晶ディスプレイの有効画素部分に照射されることは避けなければならない。

特開平１０−３２４５２６号公報 特開平１０−２２６５３４号公報 特開平８−１５２８５７号公報 特開平１１−１３３４４７号公報

近年、液晶ディスプレイの軽量化、及び大型化の要求に応えるために、有効画素部分をできる限り拡大することが試みられている。その結果、ガラス基板の貼り合わせ部分、及び液晶注入口の封止部分の面積が減少し、紫外線硬化樹脂の硬化の際に漏れた紫外線が画素部分に照射される可能性が高くなってきている。

また、液晶ディスプレイを軽量化するためにガラス基板の厚みを薄くすると、紫外線がガラス基板を透過しやすくなる。

更に、生産性向上の目的で、より強い紫外線ランプを用いて紫外線硬化樹脂を短時間で硬化させる傾向にあり、画素が破壊される可能性が益々高くなってきている。

本発明の目的は、上記した要求特性項目（１）〜（５）の全てを満足し、しかも、ＴＦＴガラス基板とＣＦガラス基板の貼り合わせ工程、及び液晶封止工程における紫外線照射によって画素の破壊や液晶の劣化が起こりにくいガラス基板と、これを用いて作製した液晶ディスプレイを提供することである。

本発明者は、種々の実験を繰り返した結果、ＴＦＴガラス基板、及びＣＦガラス基板の画素の劣化、破壊を起こすことなく紫外線硬化樹脂による封止、貼り合わせが十分に行えるようなガラス基板の光学特性を見いだし、本発明として提案するものである。

即ち、本発明の液晶ディスプレイ用ガラス基板は、ガラス中の３価のＦｅイオン（Ｆｅ³⁺）の含有量が、Ｆｅ₂Ｏ₃に換算して、質量％で０．００８〜０．０５０％であり、全Ｆｅイオンに占める３価のＦｅイオンの割合が質量比で８５％以上であり、且つ、０．３〜１．１ｍｍの板厚において、波長３００ｎｍにおける透過率が１０〜７０％、波長３６５ｎｍにおける透過率が８０％以上、波長４００〜８００ｎｍにおける透過率が９０％以上であることを特徴とする。

また、本発明の液晶ディスプレイは、上記ガラス基板を有してなることを特徴とする。

本発明の液晶ディスプレイ用ガラス基板は、ＴＦＴガラス基板及びＣＦガラス基板の画素の劣化、破壊を起こすことなく紫外線硬化樹脂による封止、貼り合わせが行える。このため、特に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として好適である。

また、上記液晶ディスプレイ用ガラス基板を用いて作製したパネルは、工程中に画素の破壊が起こりにくいため、輝点等の欠陥のない高画質な画像が得られる。

一般にＴＦＴガラス基板とＣＦガラス基板の貼り合わせや液晶層注入後の注入口の封止に用いられる紫外線硬化樹脂は、主として３６５ｎｍを中心とした波長の紫外線で硬化する。

このため、波長３６５ｎｍにおけるガラス基板の透過率は８０％以上にすればよいことを見いだした。この透過率が８０％未満であると樹脂の硬化に時間がかかり、生産性に支障をきたすとともに、特に液晶の封止工程において、紫外線硬化樹脂が液晶に溶解して表示特性に大きなダメージを与える恐れがある。

また、より短波長側の紫外線については、液晶、有機薄膜、及びアモルファスシリコンあるいは多結晶シリコンのＴＦＴ素子に有害な影響を与えるので、波長３００ｎｍにおけるガラス基板の透過率は１０〜７０％の範囲内にすればよいことを見いだした。この透過率が１０％未満では、樹脂の硬化に必要な透過率が得られず、７０％より高くなると画素の破壊が起こる。波長３００ｎｍにおける透過率の更に好ましい範囲は１５〜５５％である。

更に、液晶ディスプレイは非発光型ディスプレイであるため、光の利用効率の損失は少ないほうが良い。このため、液晶ディスプレイ用ガラス基板の４００〜８００ｎｍにおける可視域の透過率は、できるだけ高い方が良く９０％以上であることが重要である。

可視域の透過率を９０％以上に保ち、且つ、紫外域の透過率を下げるためには、ガラス中にＦｅイオンを導入すればよい。

ガラス中でＦｅイオンはＦｅ²⁺又はＦｅ³⁺の状態で存在するが、紫外域の透過率を低下させる効果を持つのは３８０ｎｍ付近にピーク波長を持つＦｅ³⁺である。そこで本発明においては、Ｆｅ³⁺の含有量をＦｅ₂Ｏ₃に換算して質量％で０．００８〜０．０５０％の範囲内に入るように調整している。Ｆｅ³⁺の含有量が０．００８％より少ないとガラス基板の紫外域の透過率が高くなりすぎ、封止時に透過した紫外線がＴＦＴ素子や有機薄膜を破壊する恐れがある。一方、含有量が０．０５０％より多くなると短波長側の可視透過率が低下し、波長４００〜８００ｎｍにおける透過率を９０％以上に保つことができなくなると同時に、紫外線硬化樹脂の硬化に要する時間が非常に長くなるため好ましくない。

また、Ｆｅ²⁺は１０８０ｎｍ付近にピークを持つ吸収があり、Ｆｅ²⁺含有量が増加しすぎると長波長側の可視透過率が低下し、波長４００〜８００ｎｍにおける透過率を９０％以上に保つことができない。従って、全Ｆｅイオン中のＦｅ²⁺の占める割合を制御する必要があり、全Ｆｅイオン中のＦｅ²⁺（Ｆｅ₂Ｏ₃換算）の占める割合を１５％以下、即ちＦｅ³⁺の占める割合（Ｆｅ³⁺／全Ｆｅイオン）を８５％以上に保つことが好ましい。

尚、Ｆｅイオンを必要以上に導入すると可視域の透過率が低下し、ディスプレイ用ガラス基板としての仕様に適さないばかりか、紫外域の透過率も低下し、紫外線硬化樹脂の硬化にかかる時間が長くなり好ましくない。そのため、Ｆｅイオンの含有量はＦｅ₂Ｏ₃に換算して質量％で０．００９〜０．０５５％に制御することが好ましい。

また、Ｆｅ³⁺の量の制御は、全Ｆｅ量を制御する以外に、ガラス中に含まれるＦｅのイオン状態を制御することによっても行うことができる。Ｆｅイオンの状態は、ガラス中の塩基度、溶融ガラス中の酸素濃度等の溶融条件を調整することで制御できる。例えば、全Ｆｅ中のＦｅ³⁺の割合を増加させるためには、使用する原料に硝酸塩等の酸化剤を添加すればよい。

上記透過率以外にも、耐薬品性、熱収縮性、溶融性、成形性及び熱膨張係数を考慮して、本発明の液晶ディスプレイ用ガラス基板は、質量百分率で、実質的にアルカリ金属酸化物を含まず、ＳｉＯ₂ ５０〜７０％、Ａｌ₂Ｏ₃ １０〜２５％、Ｂ₂Ｏ₃ ５〜１７％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜１５％、ＢａＯ ０〜１５％、ＺｎＯ ０〜１０％、ＴｉＯ₂ ０〜３％の組成を有することが好ましい。

このようにガラス組成を限定した理由は、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、ガラスの耐薬品性、特に耐酸性が低下すると共に、歪点が低くなり、熱収縮しやすくなるため好ましくない。一方、７０％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。

Ａｌ₂Ｏ₃は、歪点を高くする成分であり、１０％より少ないと、歪点が低くなるため好ましくない。一方、２５％より多いと、耐バッファードフッ酸性が低下し、ガラス基板表面が白濁する。また、溶融性も悪化するため好ましくない。

Ｂ₂Ｏ₃は、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るが、５％より少ないと、このような効果が得られず好ましくない。一方、１７％より多いと、ガラスの歪点が低下して６４０℃以上にすることが困難となると共に、耐塩酸性も悪化するため好ましくない。

ＭｇＯとＣａＯは、ＲＯの中でも、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成分であるが、多量に含有させると、耐バッファードフッ酸性が低下し、ガラス基板表面が白濁する恐れがある。また、ガラスの歪点も低下するため、いずれも１０％以下に抑えることが好ましい。

ＳｒＯとＢａＯは、ガラスの耐薬品性を向上させる成分であるが、多量に含有させると、ガラスの溶融性が悪化するため、いずれも１５％以下に抑えることが好ましい。より好ましくはＳｒＯとＢａＯの合量で２０％以下に抑えるほうがよい。

ＺｎＯは、溶融性を改善するための成分であるが、多量に含有させると、歪点が低下するため、１０％以下に抑えることが好ましい。

ＴｉＯ₂は、ガラスの耐薬品性を改善すると共に、高温粘性を低下させ、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、３％以下に抑えることが好ましい。

尚、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、ＳｎＯ₂、Ｆ₂、Ｃｌ₂、ＳＯ₃、ＣｅＯ₂等を各々３％まで添加することが可能である。但し、ＣｅＯ₂は、可視域の透過率を低下させるため、できるだけ添加を避けるべきである。

Ｎｂ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂については耐薬品性を高める成分であり、これらの成分も５％まで添加することができる。

また、Ｐ₂Ｏ₅については耐失透性を高める成分であり、５％まで添加することができる。

更に、前記した理由から、アルカリ金属酸化物（Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、Ｌｉ₂Ｏ）の添加は避けるべきである。

次に本発明の液晶ディスプレイを説明する。

本発明の液晶ディスプレイは上記ガラス基板をＴＦＴガラス基板やＣＦガラス基板として使用する。これにより、貼り合わせや封入時に紫外線照射されても画素に照射される紫外線をガラス基板で吸収されるため、画素の破壊が起こらず、輝点等の欠陥のない高画質の画像を得ることができる。

本発明の液晶ディスプレイを作製するには、次のようにすればよい。

まず、上記液晶用ガラス基板上にＩＴＯ等の透明導電膜を形成し、更に金属膜や半導体薄膜を成膜及びパターン形成して駆動回路部分を形成してＴＦＴガラス基板を作製する。

次に、ＴＦＴガラス基板とは別の上記液晶用ガラス基板上にＩＴＯ等の透明導電膜、Ｃｒ等からなるブラックマトリクス及び有機物からなるＲ／Ｇ／Ｂ各カラーフィルター膜を形成してＣＦガラス基板を作製する。

このようにして作製したＴＦＴガラス基板及びＣＦガラス基板を紫外線硬化樹脂で貼り合わせた後、液晶を注入して封止することで本発明の液晶ディスプレイを作製することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

表１〜４は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜１９）を、表５は、比較例（試料Ｎｏ．２０〜２３）をそれぞれ示している。

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、カーボン板上に流し出し、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３００ｍｍ、横寸法が３００ｍｍ、厚みが０．７ｍｍの大型で薄肉のガラス基板を作製した。

このようにして作製した各試料について、各種の特性を評価した。結果を表に示す。

Ｆｅ³⁺の含有量については化学分析で求め、Ｆｅ₂Ｏ₃換算で表した。

透過率については、分光光度計にて波長３００ｎｍ、３６５ｎｍ、４００ｎｍ、５５０ｎｍ、８００ｎｍにおける試料の透過率を測定した。

密度については、周知のアルキメデス法によって測定した。

歪点は、ＡＳＴＭ Ｃ３３６−７１の方法に基づいて測定し、この値が高いほど、ガラスの熱収縮は小さくなる。ｌｏｇη ａｔ １０^2.5は、高温粘度である１０^2.5ポイズの粘度に相当する温度を示すものであり、この温度が低いほど、溶融性に優れていることになる。

耐ＨＣｌ性は、各試料を８０℃に保持された１０質量％塩酸水溶液に３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。また、耐バッファードフッ酸性は、各試料を２０℃に保持された３８．７質量％弗化アンモニウム、１．６質量％フッ酸からなるバッファードフッ酸に１０分間浸漬した後、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。ガラス基板の表面に全く変化のないものは○、変色したものは×で示した。

熱膨張係数は、ディラトメーターを用いて、３０〜３８０℃における平均熱膨張係数を測定したものである。

更に、各試料を用いてＴＦＴガラス基板及びＣＦガラス基板を作製し、エポキシ系の紫外線硬化樹脂を用いてＴＦＴガラス基板とＣＦガラス基板の貼り合わせを行って液晶ディスプレイを作製し、貼り合わせの状態、及び基板上の画素の破壊について評価した。貼り合わせの状態については、十分な接着が行えたものを○、行えなかったものを×で示した。また、画素の破壊については、紫外線照射後に画素の特性に問題がなかったものを○、不具合が生じたものを×で示した。尚、貼り合わせは、基板から５０ｍｍの距離に３００Ｗの高圧水銀灯を設置して紫外線を３０秒間照射した。

表１〜４から明らかなように、実施例である試料Ｎｏ．１〜１９はいずれもＦｅ³⁺の含有量がＦｅ₂Ｏ₃換算で０．００９〜０．０４３％の間にあり、ガラスの透過率は、波長３００ｎｍで２５〜５９％、波長３６５ｎｍで８３％以上、また、波長４００〜８００ｎｍにおいて９１％以上であった。このガラス基板を用いてディスプレイを作製したところ、ＴＦＴガラス基板及びＣＦガラス基板の貼り合せは十分な接着が得られており、且つ、紫外線照射後の画素の特性も問題は発生しなかった。

一方、比較例である試料Ｎｏ．２０は、Ｆｅ₂Ｏ₃に換算したＦｅ³⁺の含有量が０．００３％と低く、波長３００ｎｍにおける透過率が７３％と高いため、貼り合わせ後に画素の破壊が見つかった。

試料Ｎｏ．２１及び２２は、Ｆｅ₂Ｏ₃に換算したＦｅ³⁺の含有量が０．０６％以上と高く、波長３００ｎｍにおける透過率が５％以下、波長３６５ｎｍにおける透過率が７７％以下と低いため、紫外線照射後も樹脂が硬化せず、十分な貼り合わせが行えなかった。しかも、波長４００ｎｍにおける透過率が８８％以下と低く液晶ディスプレイ用ガラス基板としては適していなかった。

試料Ｎｏ．２３については、Ｆｅ₂Ｏ₃に換算したＦｅ³⁺の含有量が０．０３％であり、貼り合わせに関しては問題なかったが、Ｆｅ₂Ｏ₃に換算した全Ｆｅ量が０．０６５％と高く、また、全Ｆｅイオン中のＦｅ³⁺（Ｆｅ₂Ｏ₃換算）の割合も４６％と低いため、波長８００ｎｍの透過率が８５％と低く液晶ディスプレイ用ガラス基板として適していなかった。

Claims (8)

1. ガラス中の３価のＦｅイオン（Ｆｅ³⁺）の含有量が、Ｆｅ₂Ｏ₃に換算して、質量％で０．００８〜０．０５０％であり、全Ｆｅイオンに占める３価のＦｅイオンの割合が質量比で８５％以上であり、且つ、０．３〜１．１ｍｍの板厚において、波長３００ｎｍにおける透過率が１０〜７０％、波長３６５ｎｍにおける透過率が８０％以上、波長４００〜８００ｎｍにおける透過率が９０％以上であることを特徴とする液晶ディスプレイ用ガラス基板。
2. ガラス中の全Ｆｅの含有量が、Ｆｅ₂Ｏ₃に換算して、質量％で０．００９〜０．０５５％であることを特徴とする請求項１記載の液晶ディスプレイ用ガラス基板。
3. 質量％で、ＳｉＯ₂ ５０〜７０％、Ａｌ₂Ｏ₃ １０〜２５％、Ｂ₂Ｏ₃ ５〜１７％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜１５％、ＢａＯ ０〜１５％、ＺｎＯ ０〜１０％、ＴｉＯ₂ ０〜３％含有し、実質的にアルカリ金属酸化物を含まないことを特徴とする請求項１及び２記載の液晶ディスプレイ用ガラス基板。
4. 紫外線硬化樹脂を用いた貼り合わせに供されることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の液晶ディスプレイ用ガラス基板。
5. ガラス中の３価のＦｅイオン（Ｆｅ³⁺）の含有量が、Ｆｅ₂Ｏ₃に換算して、質量％で０．００８〜０．０５０％であり、全Ｆｅイオンに占める３価のＦｅイオンの割合が質量比で８５％以上であり、且つ、０．３〜１．１ｍｍの板厚において、波長３００ｎｍにおける透過率が１０〜７０％、波長３６５ｎｍにおける透過率が８０％以上、波長４００〜８００ｎｍにおける透過率が９０％以上のガラス基板を有してなることを特徴とする液晶ディスプレイ。
6. ガラス基板が、質量％で、ＳｉＯ ₂ ５０〜７０％、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ １０〜２５％、Ｂ ₂ Ｏ ₃ ５〜１７％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜１５％、ＢａＯ ０〜１５％、ＺｎＯ ０〜１０％、ＴｉＯ ₂ ０〜３％含有し、実質的にアルカリ金属酸化物を含まないことを特徴とする請求項５記載の液晶ディスプレイ。
7. ガラス基板が紫外線硬化樹脂にて貼り合わせられてなることを特徴とする請求項５又は６記載の液晶ディスプレイ用ガラス基板。
8. 紫外線硬化樹脂を用いて、液晶注入口が封止されてなることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の液晶ディスプレイ用ガラス基板。