KR20160023699A - 무알칼리 유리 - Google Patents

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가즈타카 오노
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아사히 가라스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 고비탄성률이고 고영률이며, 유리 전이점이 높고 콤팩션이 낮아 플로트 성형이 용이한 무알칼리 유리에 관한 것이며, 구체적으로는 영률이 90㎬ 이상이고 콤팩션 C1이 5ppm 이하이며 콤팩션 C2가 50ppm 이하이고, 산화물 기준의 질량％ 표시로 SiO2 40 내지 65, Al2O3 23.5 초과 내지 30, MgO 2.5 내지 20, CaO 2 내지 30을 함유하며, SiO2+Al2O3이 70 이상 90 이하인 무알칼리 유리에 관한 것이다.

Description

무알칼리 유리 {ALKALI-FREE GLASS}
본 발명은, 각종 플랫 패널 디스플레이(FPD)의 제조에 사용되는 디스플레이용 기판 유리나 포토마스크용 기판 유리로서 적합한, 알칼리 금속 산화물을 실질상 함유하지 않는, 플로트 성형이 가능한 무알칼리 유리에 관한 것이다.
종래, 각종 디스플레이용 기판 유리, 특히 표면에 금속 내지 산화물 박막 등을 형성하는 것에서는, 예를 들어 특허문헌 1에 개시된 바와 같은, 이하에 나타내는 특성이 요구되어 왔다.
(1) 알칼리 금속 산화물을 함유하고 있으면 알칼리 금속 이온이 박막 중에 확산되어 막 특성을 열화시키기 때문에, 실질적으로 알칼리 금속 이온을 포함하지 않을 것.
(2) 반도체 형성에 사용하는 각종 약품에 대하여 충분한 화학 내구성을 가질 것. 특히 SiOx나 SiNx의 에칭을 위한 버퍼드 불산(BHF: 불산과 불화암모늄의 혼합액) 및 ITO의 에칭에 사용하는 염산을 함유하는 약액, 금속 전극의 에칭에 사용하는 각종 산(질산, 황산 등), 레지스트 박리액의 알칼리에 대하여 내구성이 있을 것.
(3) 내부 및 표면에 결점(기포, 맥리, 인클루전, 피트, 흠집 등)이 없을 것.
상기 요구 외에, 최근에는 이하와 같은 상황에 있다.
(4) 디스플레이의 경량화가 요구되며 유리 자신도 밀도가 작은 유리가 요망됨.
(5) 디스플레이의 경량화가 요구되며 기판 유리의 박판화가 요망됨.
(6) 지금까지의 아몰퍼스 실리콘(a-Si) 타입의 액정 디스플레이 외에, 약간 열처리 온도가 높은 다결정 실리콘(p-Si) 타입의 액정 디스플레이가 제작되게 되었음(a-Si: 약 350℃ → p-Si: 350 내지 550℃).
(7) 액정 디스플레이 제작 열처리의 승강온 속도를 빠르게 하여 생산성을 높이거나 내열 충격성을 높이기 위하여, 유리의 평균 열팽창 계수가 작은 유리가 요구됨.
일본 특허 공개 제2001-348247호 공보
FPD의 고정밀화, 대형화가 진행됨에 따라, 제조 공정에 있어서 자중 휨에 기인하는 변형이 발생하여 수율이 저하될 것이 우려되고 있다. 또한 대형 FPD의 실용 강도를 충분히 확보하기 위해서는, 기판 유리의 파괴 인성을 향상시키는 것이 유용하다.
이 때문에, 각종 디스플레이용 기판 유리는 고비탄성률이고 고영률일 것이 요구된다.
또한 최근에는, 박막 형성 공정에서 고온에 노출될 때, 유리의 변형 및 유리의 구조 안정화에 수반하는 치수 변화를 최소한으로 억제하기 위하여, 유리의 콤팩션이 낮을 것이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 고비탄성률이고 고영률이며, 유리 전이점이 높고 콤팩션이 낮아 플로트 성형이 용이한 무알칼리 유리를 제공하는 데 있다.
본 발명은, 영률이 90㎬ 이상이고 콤팩션 C1이 5ppm 이하이며 콤팩션 C2가 50ppm 이하이고, 산화물 기준의 질량％ 표시로
SiO2 40 내지 65,
Al2O3 23.5 초과 내지 30,
MgO 2.5 내지 20,
CaO 2 내지 30
을 함유하며,
SiO2+Al2O3이 70 이상 90 이하인 무알칼리 유리를 제공한다.
본 발명의 무알칼리 유리는 각종 디스플레이용 기판 유리나 포토마스크용 기판 유리로서 적합하지만, 자기 디스크용 유리 기판 등으로서도 사용할 수 있다. 단, 각종 디스플레이용 기판 유리나 포토마스크용 기판 유리로서 유리판의 대형화나 박판화가 요구되는 것을 고려하면, 고영률인 점에서 각종 디스플레이용 기판 유리나 포토마스크용 기판 유리로서 유효하다.
다음으로, 각 성분의 조성 범위에 대하여 설명한다. SiO2는 65％(질량％, 이하 특기하지 않는 한 동일함) 초과이면 영률이 낮아져 버린다. 또한 점성도 높아져, 용해 온도의 상승이나, 청징 시에 기포가 끝까지 빠지지 않아 기포가 혼입될 우려가 있다. 또한 멀라이트의 실투가 발생하기 쉬워져 실투 온도 TL이 상승해 버린다. 40％ 미만이면 평균 열팽창 계수가 증가해 버린다. 또한 스피넬의 실투가 발생하기 쉬워져 실투 온도 TL이 상승해 버린다. 바람직하게는 42 내지 63％, 더욱 바람직하게는 44 내지 61％이다.
Al2O3은 유리의 분상성을 억제하여 평균 열팽창 계수를 낮추고 유리 전이점 Tg를 높이지만, 23.5％ 이하이면 이 효과가 나타나지 않게 되어 버린다. 또한 영률이 낮아져 콤팩션이 증가해 버린다. Al2O3은 SiO2와 마찬가지로 망목 형성제로서 작용하기 때문에, 30％ 초과이면 점성이 증가하여 용해 온도의 상승, 기포 혼입의 우려가 있다. 또한 멀라이트, 아노사이트, 스피넬과 같은 실투가 발생하기 쉬워져 실투 온도 TL을 상승시킬 우려가 있다. 바람직하게는 24 내지 29％, 더욱 바람직하게는 24.5 내지 28％이다.
MgO는 용해성을 향상시키고 영률을 향상시키기 위하여 2.5％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 20％를 초과하면 콤팩션이 증가해 버린다. 또한 스피넬의 실투가 발생하기 쉬워져 실투 온도 TL이 상승해 버린다. 바람직하게는 3 내지 19％, 더욱 바람직하게는 3.5％ 내지 18％이다.
CaO는 용해성을 향상시키며, MgO와 함께 함유함으로써 실투의 발생을 억제할 수 있기 때문에 2％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 30％를 초과하면 평균 열팽창 계수가 커져 버린다. 또한 콤팩션의 증가도 야기해 버린다. 바람직하게는 3 내지 29％, 더욱 바람직하게는 4 내지 28％이다.
SiO2+Al2O3이 90％를 초과하면, 영률이 저하되는 것 외에, 멀라이트의 실투가 발생하기 쉬워져 실투 온도 TL이 상승해 버린다. 또한 망목 형성제의 비율이 너무 많아져 점성이 증가하여, 용해 온도의 상승, 기포 혼입의 우려가 있다. 또한 70％ 미만이면 콤팩션이 증가해 버린다. 또한 평균 열팽창 계수도 증가한다. 바람직하게는 72％ 내지 88％, 더욱 바람직하게는 74％ 내지 86％이다.
본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 다른 성분, 예를 들어 이하의 성분을 함유해도 된다. 이 경우의 다른 성분은 영률의 저하 등을 억제하기 위하여 바람직하게는 5％ 미만, 보다 바람직하게는 3％ 미만, 더욱 바람직하게는 1％ 미만, 보다 더 바람직하게는 0.5％ 미만이고, 특히 바람직하게는 실질적으로, 즉, 불가피적 불순물을 제외하고 함유하지 않는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에 있어서 SiO2, Al2O3, CaO 및 MgO의 합계 함유량은 95％ 이상인 것이 바람직하고, 97％ 이상인 것이 보다 바람직하며, 99％ 이상인 것이 더욱 바람직하고, 99.5％ 이상인 것이 보다 더 바람직하다. 실질적으로, 즉, 불가피적 불순물을 제외하고 SiO2, Al2O3, CaO 및 MgO을 포함하는 것이 특히 바람직하다.
B2O3은 유리의 용해 반응성을 좋게 하고, 또한 실투 온도 TL을 저하시키기 위하여 5％ 미만 함유할 수 있다. 그러나 너무 많으면 영률이 저하되어 버린다. 따라서 3％ 미만이 바람직하고, 1％ 미만이 더욱 바람직하며, 0.5％ 미만이 보다 더 바람직하고, 실질적으로 함유하지 않는 것이 특히 바람직하다.
SrO는 유리의 실투 온도 TL을 상승시키지 않고 용해성을 향상시키기 위하여 5％ 미만 함유할 수 있다. 그러나 너무 많으면 평균 열팽창 계수가 증가해 버린다. 따라서 3％ 미만이 바람직하고, 1％ 미만이 더욱 바람직하며, 0.5％ 미만이 보다 더 바람직하고, 실질적으로 함유하지 않는 것이 특히 바람직하다.
BaO는 유리의 용해성을 향상시키기 위하여 5％ 미만 함유할 수 있다. 그러나 너무 많으면 평균 열팽창 계수가 증가해 버린다. 따라서 3％ 미만이 바람직하고, 1％ 미만이 더욱 바람직하며, 0.5％ 미만이 보다 더 바람직하고, 실질적으로 함유하지 않는 것이 특히 바람직하다.
ZrO2는 유리의 영률을 향상시키기 위하여 3％ 미만 함유할 수 있다. 그러나 너무 많으면 실투 온도 TL이 상승해 버린다. 따라서 2％ 미만이 바람직하고, 1％ 미만이 더욱 바람직하며, 0.5％ 미만이 보다 더 바람직하고, 실질적으로 함유하지 않는 것이 특히 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 유리의 용해성, 청징성, 성형성을 개선하기 위하여 유리 원료에는 ZnO, SO3, Fe2O3, F, Cl, SnO2를 총량으로 1％ 미만, 바람직하게는 0.5％ 미만, 보다 바람직하게는 0.3％ 미만, 보다 더 바람직하게는 0.1％ 미만 함유할 수 있다.
또한 본 발명의 유리는, 패널 제조 시에 유리 표면에 형성되는 금속 내지 산화물 박막의 특성 열화를 발생시키지 않기 위하여 알칼리 금속 산화물을 불순물 레벨을 초과하여(즉, 실질적으로) 함유하지 않는다. 또한 유리의 리사이클을 용이하게 하기 위하여 PbO, As2O3, Sb2O3은 실질적으로 함유하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 무알칼리 유리는 영률이 90㎬ 이상이기 때문에, 파괴 인성이 향상되어 있어 유리판의 대형화나 박판화가 요구되는 각종 디스플레이용 기판 유리나 포토마스크용 기판 유리에 적합하다. 92㎬ 이상이 보다 바람직하고 94㎬ 이상이 더욱 바람직하다.
또한 본 발명의 무알칼리 유리는 자중 휨을 저감시키기 위하여, 비탄성률(영률/밀도)이 바람직하게는 35㎬·㎤/g 이상이다. 이 때문에 제조 공정에 있어서 자중 휨에 기인하는 변형이 적어, 유리판의 대형화나 박판화가 요구되는 각종 디스플레이용 기판 유리나 포토마스크용 기판 유리에 적합하다. 36㎬·㎤/g 이상이 보다 바람직하고 37㎬·㎤/g 이상이 더욱 바람직하다.
본 발명의 무알칼리 유리는 콤팩션이 극히 낮다.
콤팩션이란, 가열 처리 시에 유리 구조의 완화에 의하여 발생하는 유리 열수축률이다. 본 발명에 있어서 콤팩션이란, 다음에 설명하는 방법으로 측정한 값을 의미하는 것으로 한다.
먼저, 대상으로 되는 유리를 1550℃ 내지 1650℃에서 용해시킨 후, 용융 유리를 흘려 내어 판상으로 성형 후 냉각한다. 얻어진 판상 유리를 연마 가공하여100㎜×20㎜×1㎜의 유리판을 얻는다.
다음으로, 얻어진 유리판을 유리 전이점 Tg+70℃까지 가열하고 이 온도에서 1분간 유지한 후, 강온 속도 40℃/분으로 실온까지 냉각한다. 그 후, 유리판의 표면에 압흔을 긴 변 방향으로 2군데, 간격 A(A=90㎜)로 형성하여 처리 전 시료로 한다.
다음으로, 처리 전 시료를 450℃까지 승온 속도 100℃/시간으로 가열하고 450℃에서 2시간 유지한 후, 강온 속도 100℃/시간으로 실온까지 냉각하여 처리 후 시료 1로 한다.
그리고 처리 후 시료 1의 압흔 간 거리 B1을 측정한다.
이와 같이 하여 얻은 A, B1로부터 하기 식을 사용하여 콤팩션 C1을 산출한다.
C1[ppm]=(A-B1)/A×106
또한 처리 전 시료를 600℃까지 승온 속도 100℃/시간으로 가열하고 600℃에서 1시간 유지한 후, 강온 속도 100℃/시간으로 실온까지 냉각하여 처리 후 시료 2로 한다.
그리고 처리 후 시료 2의 압흔 간 거리 B2를 측정한다.
이와 같이 하여 얻은 A, B2로부터 하기 식을 사용하여 콤팩션 C2를 산출한다.
C2[ppm]=(A-B2)/A×106
본 발명의 무알칼리 유리는 콤팩션 C1이 5ppm 이하이다. 한편, 콤팩션 C2가 50ppm 이하이다. 바람직하게는 47ppm 이하이고 더욱 바람직하게는 44ppm 이하이다.
본 발명의 무알칼리 유리는 패널 제조 시의 열수축을 억제하기 위하여, 또한 p-Si TFT의 제조 방법으로서 레이저 어닐링에 의한 방법을 적용 가능하게 하기 위하여 유리 전이점이 740℃ 이상인 것이 바람직하다.
유리 전이점이 740℃ 이상이면, 제조 프로세스에 있어서 유리의 가상 온도가 상승하기 쉬운 용도(예를 들어 판 두께 0.7㎜ 이하, 바람직하게는 0.5㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.3㎜ 이하의 유기 EL용 디스플레이용 기판 또는 조명용 기판, 또는 판 두께 0.3㎜ 이하, 바람직하게는 0.1㎜ 이하의 박판의 디스플레이용 기판 또는 조명용 기판)에 적합하다.
판 두께 0.7㎜ 이하, 나아가 0.5㎜ 이하, 나아가 0.3㎜ 이하, 나아가 0.1㎜ 이하의 판유리의 성형에서는 성형 시의 인출 속도가 빨라지는 경향이 있기 때문에, 유리의 가상 온도가 상승하여 유리의 콤팩션이 증대되기 쉽다. 이 경우, 고유리 전이점 Tg의 유리이면 콤팩션을 억제할 수 있다.
또한 본 발명의 무알칼리 유리는 용해를 용이하게 하기 위하여, 점도 η가 102 푸아즈(d㎩·s)로 되는 온도 T2가 바람직하게는 1730℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 1710℃ 이하, 더욱 바람직하게는 1690℃ 이하이다.
또한 본 발명의 무알칼리 유리는 플로트법에 의한 성형을 용이하게 하기 위하여, 점도 η가 104 푸아즈(d㎩·s)로 되는 온도 T4가 바람직하게는 1370℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 1350℃ 이하, 더욱 바람직하게는 1330℃ 이하이다.
본 발명의 무알칼리 유리는, 예를 들어 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다. 통상 사용되는 각 성분의 원료를 목표 성분으로 되도록 조합하고, 이를 용해로에 연속적으로 투입하고 1550 내지 1650℃로 가열하여 용융시킨다. 이 용융 유리를 플로트법에 의하여 소정의 판 두께로 성형하고 서냉 후 절단함으로써 판유리를 얻을 수 있다.
실시예
이하에 있어서, 예 1 내지 16, 20 내지 22는 실시예, 예 17 내지 19는 비교예이다. 각 성분의 원료를 목표 조성으로 되도록 조합하고, 백금 도가니를 사용하여 1550 내지 1650℃의 온도에서 용해시켰다. 용해에 있어서는 백금 교반기를 사용하여 교반하여 유리의 균질화를 행하였다. 이어서, 용해 유리를 흘려 내어 판상으로 성형 후 서냉하였다.
표 1 내지 표 3에는, 유리 조성(단위: 질량％)과, 밀도 ρ(g/㎤), 영률E(㎬)(초음파법에 의하여 측정), 비탄성률 E/ρ(㎬·㎤/g), 유리 전이점 Tg(단위: ℃), 유리 점도 η가 102 푸아즈로 되는 온도 T2(단위: ℃), 유리 점도 η가 104 푸아즈로 되는 온도 T4(단위: ℃) 및 콤팩션 C1, C2(상술한 방법에 의하여 측정, 단위: ppm)를 나타낸다.
또한 표 1 내지 표 3 중, 괄호를 씌워 나타낸 값은 계산값이다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
표로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예의 유리는 모두 영률이 90㎬ 이상으로 높고, 유리 전이점 Tg가 740℃ 이상이다. 또한 T2가 1730℃ 이하이고 T4가 1370℃ 이하이다. 또한 콤팩션 C1이 5ppm 이하이고 콤팩션 C2가 50ppm 이하이다.
본 발명을 상세히, 또한 특정한 실시 형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 여러 변형이나 수정을 가할 수 있음은 당업자에게 있어 명확하다.
본 출원은 2013년 6월 27일에 출원된 일본 특허 출원 제2013-134921에 기초하는 것이며, 그 내용은 본 명세서에 참조로서 도입된다.
본 발명의 무알칼리 유리는 각종 디스플레이용 기판 유리나 포토마스크용 기판 유리로서 적합하지만, 자기 디스크용 유리 기판 등으로서도 사용할 수 있다. 단, 각종 디스플레이용 기판 유리나 포토마스크용 기판 유리로서 유리판의 대형화나 박판화가 요구되는 것을 고려하면, 고영률인 점, 또한 박막 형성 공정에서 고온에 노출될 때, 유리의 변형 및 유리의 구조 안정화에 수반하는 치수 변화를 최소한으로 억제할 것이 요구되는 것을 고려하면, 콤팩션이 낮은 점에서 각종 디스플레이용 기판 유리나 포토마스크용 기판 유리로서 유효하다.

Claims (5)

  1. 영률이 90㎬ 이상이고 콤팩션 C1이 5ppm 이하이며 콤팩션 C2가 50ppm 이하이고,
    산화물 기준의 질량％ 표시로
    SiO2 40 내지 65,
    Al2O3 23.5 초과 내지 30,
    MgO 2.5 내지 20,
    CaO 2 내지 30
    을 함유하며,
    SiO2+Al2O3이 70 이상 90 이하인 무알칼리 유리.
  2. 제1항에 있어서,
    비탄성률이 35㎬·㎤/g 이상인 무알칼리 유리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유리 전이점이 740℃ 이상인 무알칼리 유리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    점도 η가 102 푸아즈로 되는 온도 T2가 1730℃ 이하인 무알칼리 유리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    점도 η가 104 푸아즈로 되는 온도 T4가 1370℃ 이하인 무알칼리 유리.
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