TW201434780A - Ｔｆｔ－ｌｃｄ用環保玻璃之組成 - Google Patents

Abstract

一種TFT-LCD用環保玻璃之組成，該TFT-LCD用環保玻璃係應用於薄膜電晶體液晶顯示器中(Thin film transistor liquid crystal display，又稱TFT-LCD)，其組成成份之重量百分比分別為59%至63%之氧化矽(SiO2)、13%至17%之氧化鋁(Al2O3)、7%至14%之氧化硼(B2O3)、0.1%至3%之氧化鋇(BaO)、0.5%至3.5%之氧化鎂(MgO)、7%至11%之氧化鈣(CaO)、0.2%至6%之氧化鍶(SrO)及0.05%至0.4%之氧化錫(SnO2)，其中氧化鈣、氧化鋇、氧化鎂及氧化鍶等成份之總含量，以在7.8%至23.5%間為最佳，如此，即可將前述組成材料熔融形成堅韌的TFT-LCD用環保玻璃，且使玻璃耐化學性與抗失透性上升，以及黏度及膨脹係數下降，以解決習知玻璃的強度及硬度不足，以及含氧化鉛、氧化砷或氧化銻等對環境有害的成份。

Description

TFT-LCD用環保玻璃之組成

本發明係關於一種強化結構，提升耐化學性與抗失透性的TFT-LCD用環保玻璃之組成，其中不含氧化鉛、氧化砷或氧化銻等對環境有害的成份，有利於回收再利用。

一般移動式電子設備(例如手機、平板或筆記型電腦)所使用之顯示器，多屬薄膜電晶體液晶顯示器(Thin film transistor liquid crystal display，簡稱TFT-LCD)，主要使用薄膜電晶體技術改善影像品質，基本上，一片TFT-LCD面板需使用到二片平板玻璃，分別供製作積體電路及彩色濾光(COLOR FILTER)片使用，由於TFT之製程較為要求耐熱性，且鹼成分會影響TFT之特性，故一般TFT-LCD用平板玻璃係使用不含鹼成分(如鋰、鈉、鉀等鹼金族元素)之無鹼鋁硼矽酸玻璃；由於鹼金族元素為較佳的助熔劑，在無助熔劑的情況下，熔解溫度及黏性相對也會提高，使得玻璃的熔解、澄清、均勻化和成型的難度較高。

承上所述，一般TFT-LCD用平板玻璃可利用浮式技術(float technology)、流孔下拉技術(slot downdraw technology)和熔融溢流下拉技術(fusion overflow downdraw technology)等成型法來製作，其中由於熔融溢流下拉技術係使用非接觸成型方法，因此製成的平板玻璃表面平滑不須研磨，適合做為TFT-LCD用平板玻璃之成形方法。

一般而言，利用下拉法製造平板玻璃時，高溫且具流動性之熔融態玻璃液，係依序先經玻璃熔解爐、澄清槽及冷卻管等裝置，流到具有平均分配玻璃流量功能之分配槽，再經玻璃板抽引裝置，將熔融玻璃下拉，徐緩冷卻，而製成平板玻璃。在其製程中，當熔融態玻璃液流經熔解爐及澄清槽時，其溫度較高，且具流動性，俟流經冷卻管時，冷卻管將令其溫度降低，俾流到具有平均分配玻璃流量功能之分配槽時，能降低到成型所需之溫度，令其黏度範圍保持恆定。

一般而言，熔融態玻璃液溫度降低時，極易引發玻璃產生結晶現象而失透(即因玻璃析出結晶而失去透明性)，而定義玻璃失透或產生結晶之最高溫度，即玻璃液相溫度(LT，Liquidus Temperature)，因此，熔融態玻璃液溫度在玻璃液相溫度(LT)以上時，即使經長時間之熱處理，也不致產生失透或結晶現象。然而，由於玻璃之成型溫度往往和玻璃液相溫度接近，故若熔融態玻璃液溫度長時間處於玻璃液相溫度以下時，極易產生失透或結晶，造成玻璃表面或內部產生雜質，如此將改變玻璃內部的應力分佈，降低了玻璃硬度及強度，導致產品良率 下降，因此，在玻璃成型製程中，玻璃成型溫度與玻璃液相溫度間應有適當區隔，而根據實務經驗，玻璃成型溫度應較玻璃液相溫度高約40℃以上，才能有效防止玻璃在成型過程中發生失透或結晶現象。

傳統上，利用下拉成型法製作平板玻璃時，其溫度均係控制在約1085~1250℃間，因此，為了減少玻璃表面或內部發生失透或結晶等缺陷，一般均採提高玻璃成型溫度或降低玻璃液相溫度等二種做法，使玻璃成型溫度較玻璃液相溫度高40℃以上。首先，在提高玻璃成型溫度方面，由於熔融態玻璃液之黏度會隨熔融態玻璃液溫度升高而降低，因此，提高成型溫度將使成型中之熔融態玻璃液黏度降低，不易維持製品形狀之尺寸精度，而提高成型溫度亦將使冷卻管、具有平均分配玻璃流量功能之分配槽及玻璃板徐冷裝置等，維持在較高之溫度狀態，如此，除了增加能源之耗損外，還會減短上述裝置之使用壽命，更會因熔融態玻璃液及上述裝置在高溫反應下，令更多雜質及污染物混入成型後之平板玻璃內，致產品良率始終無法提高，不符經濟效益。因此，在實務上，較不傾向採用提高玻璃成型溫度之方式，而係以降低玻璃液相溫度，為較常採用之方案。

在調控玻璃液相溫度時，一般係藉調整玻璃組成成份，亦即將玻璃組成成份之液相溫度，調降到較成型下限溫度1085℃低40℃(即1045℃)，或更低之溫度，但玻璃組成成份一經變動，除了玻璃液相溫度將隨之變動外，其他重要之物理特性，如：熱膨脹係數、應變點及 密度等，往往也會隨之變動，甚至部份特性會劣化到妨礙玻璃產品之正常使用。因此，如何調整組成成份，使得在降低玻璃液相溫度之同時，其他重要之物理特性，亦不至過度劣化，即成為調整玻璃組成成份時之關鍵重點。

針對生產液晶顯示器所使用之玻璃，特別是生產薄膜電晶體液晶顯示器所使用之玻璃，在其物理特性上之要求，特別嚴格，因此，玻璃之熱膨脹係數、應變點及密度等重要特性，應必須一併列入評估考量之重點。

近年來，液晶顯示器用基板玻璃之設計及製造業者，亦針對該等基板玻璃之組成成份，開發設計出諸多新的製作技術，如：美國專利第5811361號、第5851939號及第6060168號等，依該等專利所揭露之玻璃組成成份製作之玻璃基板，其玻璃液相溫度仍偏高，約在1090℃以上，因此，該等玻璃在利用下拉法成型時，將會發生前述種種困擾，即引發玻璃產生結晶現象，導致玻璃強度下降，以及最終產品良率不佳的問題。

再者，習知玻璃組成分中的氧化鉛(PbO)、氧化砷(As₂O₃)及氧化銻(Sb₂O₃)會對人體及環境造成傷害，例如中華民國公告第I365861號及第I319384號專利案所揭示的玻璃，其成份含有大量的氧化鉛，會對人體及環境造成傷害，不符環保之要求，另外，中華民國公告第I252844號專利案所揭示的玻璃成份中則含有對人體有害的氧化砷及氧化銻(在製程中作為消泡劑)；然而，若以不同成分 替代氧化砷及氧化銻，必定會改變玻璃原有的光學與物理特性，故必須對玻璃之組成成份、重量百分比及消泡劑進行廣泛的研發與變化，方能克服上述的問題。

經由上述可知，本發明之改良方向，即為如何設計出一種創新的TFT-LCD用環保玻璃組成物，能藉由添加及改變組成分比例的方式來取代氧化鉛、氧化砷或氧化銻等對環境有害的成份，進而生產出具有強化結構及耐失透性的TFT-LCD用環保玻璃，以解決習知TFT-LCD用玻璃強度及硬度不足，以及不符合環保標準，導致回收困難而無法再利用的問題。

有鑑於上述的需求，本發明人係依據多年來從事相關行業及實驗設計的經驗，針對玻璃組成物進行研究及分析，期能設計出較佳的TFT-LCD用環保玻璃；緣此，本發明之主要目的在於藉由添加及改變組成分比例的方式來取代氧化鉛、氧化砷或氧化銻等對環境有害的成份，進而生產出具有強化結構及耐失透性的TFT-LCD用環保玻璃。

為達上述的目的，本發明主要係藉由添加及改變玻璃組成物中組成成分之重量百分比例的方式來強化TFT-LCD用環保玻璃的結構，所述TFT-LCD用環保玻璃之組成成份之重量百分比分別為59.0%至63.0%之氧化矽(SiO₂)、13.0%至17.0%之氧化鋁(Al₂O₃)、7.0%至14%之氧 化硼(B₂O₃)、0.1%至3%之氧化鋇(BaO)、0.5%至3.5%之氧化鎂(MgO)、7%至11%之氧化鈣(CaO)、0.2%至6%之氧化鍶(SrO)及0.05%至0.4%之氧化錫(SnO₂)，其中氧化鋇、氧化鎂、氧化鈣及氧化鍶等成份之總含量，以在7.8%至23.5%間為最佳，如此，即可將前述組成材料熔融形成堅韌的玻璃，且可藉氧化矽在玻璃中形成網絡結構，並藉氧化鋁使玻璃生成堅韌之表面，進而增加玻璃耐熱性與抗失透性，減少玻璃膨脹率，且藉氧化硼、氧化鎂及氧化鈣降低玻璃的黏度及膨脹係數，同時藉由氧化鋇及氧化鍶增加玻璃的耐化學性與抗失透性，以解決習知TFT-LCD用玻璃強度及硬度不足的問題，同時藉由氧化錫來取代氧化鉛、氧化砷或氧化銻等成分，作為玻璃熔解時的澄清劑或除泡劑，進而解決習知TFT-LCD用玻璃不符合環保標準，導致回收困難而無法再利用的問題。

為使 貴審查委員得以清楚了解本發明之結構、組成及其實施後之功效，茲以下列說明搭配表格進行說明，敬請參閱。

本發明主要提供一種TFT-LCD用環保玻璃之組成，該TFT-LCD用環保玻璃係由下列材料，依一定之重量百分比，組合而成：(1)重量百分比59.0%至63.0%之氧化矽(SiO₂)； (2)重量百分比13.0%至17.0%之氧化鋁(Al2O3)；(3)重量百分比7.0%至14%之氧化硼(B2O3)；(4)重量百分比0.1%至3%之氧化鋇(BaO)；(5)重量百分比0.5%至3.5%之氧化鎂(MgO)；(6)重量百分比7%至11%之氧化鈣(CaO)；(7)重量百分比0.2%至6%之氧化鍶(SrO)；及(8)其中氧化鈣、氧化鋇、氧化鎂及氧化鍶等成份之總重量百分比，係介於7.8%至23.5%之間。

在本發明中，由於各該組成物之重量百分比，將依其物理特性，對TFT-LCD用環保玻璃之特性、結構及製作等方面，造成不同程度之影響，故各該組成物在重量百分比上必須有所限制。在該等組成物中，氧化矽、氧化鋁及氧化硼等三種成份所佔之重量百分比較多，且對基板用玻璃之特性、結構及製作等方面，所造成之影響，較為重要，故該等成份乃基板用玻璃之主要成份，其中氧化矽(SiO₂)係玻璃網路形成之主體，且在玻璃中形成網絡結構，其較佳之重量百分比含量為59%至63%，若氧化矽(SiO₂)含量少於59%，所製作出之玻璃將容易失透，另一方面，若氧化矽含量多於63%，將導致玻璃之熔解溫度太高，所製成之玻璃也容易失透；氧化鋁(Al₂O₃)係用以提高玻璃結構之強度，使玻璃生成堅韌之表面，進而增加玻璃耐熱性與抗失透性，減少玻璃膨脹率，其較佳之重量百分比含量係在13%至17%間，若氧化鋁(Al₂O₃)含量少於13%，玻璃將容易失透，也容易受到外界水氣或化學試劑之侵蝕，另若氧化鋁(Al₂O₃)含量多於 17%，亦將導致玻璃之熔解溫度太高，而不利於以一般熔解爐製造；氧化硼(B₂O₃)之作用係作為助熔劑，主要係用以降低熔製玻璃時玻璃之黏度，其較佳之重量百分比含量為7.0%至14%，若氧化硼含量少於7%，其助熔劑效果即無法充分發揮，若氧化硼含量多於14%，將大幅降低玻璃之應變點，不利於後續製程之應用。

在本發明之TFT-LCD用環保玻璃中，除前述氧化矽(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)及氧化硼(B₂O₃)等三種成份外，其餘成份，如：氧化鈣(CaO)、氧化鋇(BaO)、氧化鎂(MgO)及氧化鍶(SrO)等四種成份，雖佔整體重量之百分比較低，但對熔融態玻璃液黏度及熔解度，有著極為重要之影響，故在該TFT-LCD用環保玻璃之製程中，仍具有舉足輕重之份量；氧化鈣之作用係促進玻璃之熔解，其較佳含量係介於7%至11%間，若氧化鈣含量少於7%，將無法有效降低玻璃之黏度，若氧化鈣含量多於11%，玻璃將容易失透，且熱膨脹係數會大幅提高，不利於後續製程之應用，氧化鋇(BaO)之較佳重量百分比含量係在0.1%至3%之間，若氧化鋇(BaO)含量少於0.1%，玻璃將容易失透，若氧化鋇(BaO)含量多於3%，玻璃密度會太高，且應變點會大幅降低；氧化鍶(SrO)之作用與氧化鋇(BaO)相似，其較佳之重量百分比含量係在0.2%至6%間，若氧化鍶(SrO)含量少於0.2%，玻璃將容易失透，若氧化鍶(SrO)含量多於6%，玻璃密度會太高，不利於產品之應用；氧化鎂(MgO)用以降低熔製玻璃時玻璃之黏度及膨脹係數，以減少其中之氣泡或不純物之含量，其較佳之含量 係介於0.5%至3.5%間，但若氧化鎂(MgO)含量多於3.5%，玻璃將容易失透。氧化錫(SnO₂)為甚佳之澄清劑，若使用氧化錫作為熔爐的輔助電極(Auxiliary Boosting)，隨著電極的逐漸消耗，氧化錫也將逐漸融入玻璃中；再者，氧化錫亦可由配方原料中獲得，但熔解後的氧化錫極易於白金系統中的低溫處凝結，造成生產良率下降；又，過多的氧化錫將影響玻璃的透光度，不利顯示器玻璃之應用，故氧化錫的含量不得超過0.4%。

在此尤須特別注意者，乃前述氧化鈣、氧化鋇、氧化鍶及氧化鎂等成份雖係用以促進玻璃之熔解度，及調整玻璃之熱膨脹係數，但氧化鈣、氧化鋇、氧化鍶及氧化鎂等成份之總含量，以在7.8%至23.5%間為最佳，若氧化鈣、氧化鋇、氧化鍶及氧化鎂等成份之總含量少於7.8%，玻璃之熔解溫度將會太高，反之，若氧化鈣、氧化鋇、氧化鍶及氧化鎂等成份之總含量多於23.5%，則玻璃將容易失透，且玻璃的熱膨脹係數會太高。

本發明在實施時，係先將前述組成物，均勻混合後，再將混合原料導入一玻璃熔解槽，俟混合原料熔解成玻璃液後，將其溫度降低到成型所需之溫度範圍，即令其黏度範圍保持在(10^4.6至10^4.8)poise(泊)之溫度範圍，再以下拉成型法，製作出預定厚度之玻璃基板，待玻璃基板徐緩冷卻，即可切割加工成液晶顯示器用之玻璃基板成品。

以下謹就本發明前述之各組成物，以不同之重量百分比，加以混合，再依前述程序製作出不同之玻璃樣品，並以該等玻璃樣品為例，列表說明其熱膨脹係數、應變點、密度及玻璃液相溫度等特性值間之差異： 在表一(例1)顯示本發明所製成玻璃樣品的組成及特性，即本發明的實施例。在表一的玻璃樣品，係以如下方法製造；各組成成份係取常用原料，依對應之重量百分比加以均勻混合，再以(1680℃)之溫度，在白金加熱系統內熔解攪拌均勻，然後將呈熔融態的玻璃液以下拉成形法冷卻成型為片狀。此時，針對各玻璃樣品進行檢測，可分別得到熱膨脹係數、應變點、密度及玻璃液相溫度等特性值，並表列在表一之對應欄位上。

本發明在檢測各玻璃樣品之各特性值時，主要係依下列方法進行檢測：

(1)熱膨脹係數(單位：10^-7/℃)之檢測：以機械推桿式熱膨脹儀，加熱並量測玻璃樣品之伸長量，溫度範圍自室溫量到玻璃不再伸長，甚至因軟化而收縮為止之溫度(一般為0~300℃)。

(2)應變點(單位：℃)之檢測：加熱並量測玻璃樣品之變形率與溫度之關係，以特定變形率所對應之溫度作為應變點。

(3)密度(單位：g/cm³)之檢測：取約2公克重不含氣泡之塊狀玻璃，以玻璃樣品在比重液中浮沉之情形量測其密度。

(4)玻璃液相溫度(單位：℃)之檢測：將小於850μm之玻璃屑放入白金皿中，置於梯度爐24小時後，以顯微鏡測量玻璃之結晶情形，判定其液相溫度而得。

由表一所示例1中之各檢測數據，可清楚觀察出，依本發明之組成分所製成之TFT-LCD用環保玻璃，具有低於33之熱膨脹係數(10^-7/℃)，且其應變點高於660℃，密度小於2.39g/cm3等特性值，與一般高強度液晶顯示器用之基板玻璃極為相近，故適於作為前述液晶顯示器用玻璃基板之材料。

綜上所述可知，本發明係主要藉由添加及改變玻璃組成物中組成成分之重量百分比例的方式來強化結 構，以藉氧化矽在玻璃中形成網絡結構，並藉氧化鋁使玻璃生成堅韌之表面，進而增加玻璃耐熱性與抗失透性，且藉氧化硼、氧化鎂及氧化鈣降低玻璃的黏度及膨脹係數，同時藉由氧化鋇及氧化鍶增加玻璃的耐化學性與抗失透性，據此，藉由添加及改變組成分比例的方式來強化結構，本發明其據以實施後，確實可以達到提供一種提升耐化學性與抗失透性且強化結構的TFT-LCD用環保玻璃之目的。

唯，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

綜上所述，本發明之功效，係符合申請專利要件之「實用性」、「新穎性」與「進步性」；申請人爰依專利法之規定，向 鈞局提起發明專利之申請。

Claims (2)

1. 一種TFT-LCD用環保玻璃之組成，包括：重量百分比為59%至63%之氧化矽；重量百分比為13%至17%之氧化鋁；重量百分比為7%至14%之氧化硼；重量百分比為0.1%至3%之氧化鋇；重量百分比為0.5%至3.5%之氧化鎂；重量百分比為7%至11%之氧化鈣；重量百分比為0.2%至6%之氧化鍶；以及重量百分比為0.05%至0.4%之氧化錫。
2. 如申請專利範圍第1項所述的TFT-LCD用環保玻璃之組成，其中，該氧化鈣、該氧化鋇、該氧化鎂及該氧化鍶等成份之總重量百分比，係介於7.8%至23.5%之間。