TWI498305B - 無鹼玻璃及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種玻璃製造技術,尤指一種未包含鹼金屬氧化物之無鹼玻璃組成物及其製造方法。
本發明主張分別於2011年9月2日及於2012年8月31日所申請之韓國專利申請號10-2011-0089046號及10-2012-0096358優先權,且其所揭示之內容均併入本發明以供參考。
玻璃,尤其是平面玻璃,係多樣應用於玻璃窗、車輛之屏幕窗(window screen)、及鏡子,且依照其型態及用途伴隨著多種形式。
由於含鹼金屬的玻璃基板因所含之鹼金屬離子擴散至薄膜而劣化薄膜特性,因此,在多種平面玻璃型態中,無鹼玻璃基板廣泛用於平面面板顯示裝置,例如液晶顯示器(LCD)、電漿顯示器(PDP)及有機電至發光體(EL)。
然而,用於平面面板顯示基板之玻璃需要多種特性。
例如,用於平面面板顯示基板之玻璃需輕重量,詳細而言,近年來電視及顯示器等顯示裝置日趨大型化,
故所需使用的玻璃尺寸亦隨之增大。而玻璃尺寸的增大可能會因其重量而提高玻璃基板之彎曲。據此,為了防止此問題,故需要製造一種重量輕的玻璃基板。並且,此種輕量玻璃基板可用於小型攜帶裝置(包括手機、PDP及筆記型電腦),以增加其攜帶性。
此外,用於平面面板顯示器基板之玻璃應具有
適當的熔融性質(流動性)。若該玻璃之熔融性質下降,則將需更多的時間和能量來使玻璃熔化,且玻璃中的氣泡或雜質可能會增加而導致缺陷。玻璃中存在氣泡或雜質可能會阻礙光穿透、劣化玻璃品質,進而使玻璃難以用於顯示裝置。
再者,用於平面面板顯示器基板之玻璃應具有
耐熱性。例如,平面面板顯示裝置如TFT-LCD,在其製造過程中可能會受到熱處理,其中玻璃基板可能會暴露在快速加熱及冷卻的條件下。若玻璃具有的耐熱性不足,玻璃可能會變形或彎曲,且亦可能因熱產生的張應力(tensile stress)而破裂。此外,關於TFT-LCD所使用之玻璃,若其耐熱性低,則引起玻璃與TFT材料間之熱膨脹差異性,進而使TFT之畫素節距損壞而導致顯示器缺陷。
據此,本發明係設計於解決上述問題,且本發明之目的係提供一種具有優良熔融性質及簡易操作性之重量輕的無鹼玻璃,以及其製造方法。
本發明之其他目的及優點可由以下描述了解,
且由實施例更加顯而易知。並且,可由申請專利範圍中所表示之方法及其組合而輕易了解並執行本發明之其他目的及優點。
為了達到上述目的,本發明一方面係提供一種無鹼玻璃,其實質上未包括鹼金屬氧化物,且以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,該無鹼玻璃包括:46至57 wt%之SiO2
;3.5至7.5 wt%之B2
O3
;21至29 wt%之Al2
O3
;3至14 wt%之MgO;11至16 wt%之CaO;以及1至5 wt%之SrO。
較佳地,基本上,無鹼玻璃中未包含BaO。
且較佳地,無鹼玻璃之密度係小於2.6 g/cm3
;且其熱膨脹係數係為3.0×10-6
/K至4.2×10-6
/K;其在102
dPas黏度下之溫度係少於1550℃,且其在104
dPas黏度下之溫度係少於1230℃。
本發明另一目的係提供一種包括上述玻璃之顯示裝置。
較佳地,該顯示裝置為液晶顯示裝置。
再者,本發明再一目的係提供一種製造無鹼玻璃之方法,包括組合玻璃之原料以得到一無鹼玻璃,該無鹼玻璃實質上未包括鹼金屬氧化物,且以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,該無鹼玻璃包括46至57 wt%之SiO2
;3.5至7.5 wt%之B2
O3
;21至29 wt%之Al2
O3
;3至14 wt%之MgO;11至16 wt%之CaO;以及1至5 wt%之SrO。
較佳地,原料組合係在實質上包含BaO之該無
鹼玻璃中進行。
並且,該由上述方法製備之無鹼玻璃之密度係小於2.6 g/cm3
;其熱膨脹係數係為3.2×10-6
/K至4.2×10-6
/K;其在102
dPas黏度下之溫度係少於1550℃;且其在104
dPas黏度下之溫度係少於1230℃。
本發明係提供一種實質上未包括鹼金屬氧化物之無鹼玻璃。
詳細而言,根據本發明之實施態樣,可提供一種具有低密度之無鹼玻璃。據此,即使基板尺寸大,具有低密度之無鹼玻璃可減少因重量大而造成的彎曲,進而可實際應用於大型顯示裝置,例如電視及螢幕。此外,本發明之玻璃可調整具有輕重量,故可應用於小型攜帶裝置(如手機、PDP及筆記型電腦)之玻璃基板,以增加攜帶性。
並且,根據本發明之實施態樣,該無鹼玻璃具有低T2
(T2
為在102
dPas黏度下之溫度),故可提升該玻璃之熔融性質;且該玻璃具有低T4
(T4
為在104
dPas黏度下之溫度),故該玻璃之處理溫度下降且能使該玻璃易於處理。因此,當玻璃之熔融溫度及操作溫度降低時,則可減少熔化和處理該玻璃所需之能量和時間。
此外,根據本發明之無鹼玻璃,其可呈現低熱膨脹係數,即使該玻璃在製造如TFT-LCD之平面面板顯示裝置之過程中暴露在多種熱處理溫度條件下,仍可防止玻璃之熱收縮、變形、彎曲或破裂。並且,玻璃之熱膨脹係數係相似於TFT之材料,因此有效防止發生因畫素節距損
毀而造成之顯示缺陷。
因此,本發明之無鹼玻璃係較佳應用於平面面板顯示裝置(如液晶顯示裝置(LCD)、電漿顯示面板(PDP)及有機電致發光器(EL))之基板。
S110‧‧‧組合原料
S120‧‧‧熔化
S130‧‧‧鑄型
S140‧‧‧緩慢冷卻
附圖描繪本發明之較佳實施例,連同上述描述內容以使更加了解本發明之技術精神。然而,本發明並未受限於圖式。
圖1係本發明一實施例之顯示製造無鹼玻璃之步驟方法之流程示意圖。
接著,本發明之較佳實施例將參照附圖而詳述。在描述之前,需了解用於說明書及申請專利範圍中的名詞不應受限於一般及字典中的意思,而應以本發明技術特徵之意義及觀念為基礎來詮釋,本發明係基於發明人為了最佳解釋而適當定義之名詞。
因此,在此提出的描述僅為說明可詮釋本案目的之較佳實施例,而非用以限制本發明之範圍,故應了解未背離本發明精神及範圍之其他對等或變化皆適用於本發明。
本發明之玻璃係一無鹼玻璃,其實質上未包含鹼金屬氧化物。也就是說,本發明之無鹼玻璃實質上不包含或僅包含極微量之鹼金屬氧化物。在此使用之「極微量」一詞係指極少的含量,其與玻璃中之其他成份相比下為可
忽略的成份。例如,於玻璃組成物中,當鹼金屬氧化物(如Li2
O、Na2
O及K2
O)含量為0.2 wt%或以下時,則可認為該鹼金屬氧化物實質上未包含在玻璃中。
本發明之無鹼玻璃之成分包括SiO2
、B2
O3
、Al2
O3
、MgO、CaO及SrO。
較佳地,以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,本發明之無鹼玻璃包括46至57 wt%之SiO2
。SiO2
係一種氧化物,其能形成玻璃成形的網路結構,並能增加玻璃之化學抗性且提供玻璃適當的熱膨脹係數。然而,當SiO2
之含量過高,則熱膨脹係數可能會下降,且可能會劣化玻璃之去玻化(devitrification)特性。當SiO2
之含量過低,可能會造成玻璃之化學抗性減低、密度及熱膨脹係數增加、及變形點(deformation point)降低。據此,本發明之玻璃的SiO2
含量包括46至57 wt%,較佳為49至54 wt%,更佳為50至53 wt%。
並且,以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,本發明之無鹼玻璃包括3.5至7.5 wt%之B2
O3
。B2
O3
係一種氧化物,其能形成玻璃的網路結構,並能強化玻璃性質,例如增加熔融反應性、降低熱膨脹係數、提升去玻化特性及化學抗性(如對緩衝級HF(BHF)之抗性)、以及減少密度。然而,當B2
O3
之含量過高,可能會引起玻璃之抗酸性降低、密度增加、以及形變點減低,進而破壞玻璃之耐熱性。當B2
O3
之含量過低,則可能會降低玻璃的熔融特性及減少穿透性損失的抗性。據此,本發明之玻璃包括3.5至
7.5 wt%之B2
O3
,較佳為4至6 wt%。
此外,以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,本發明之無鹼玻璃包括21至29 wt%之Al2
O3
。Al2
O3
用於提升玻璃之高溫黏度、化學穩定性及熱衝擊抗性,且增加玻璃之形變點及楊氏模數(Young’s modulus)。然而,當Al2
O3
之含量過高時,則可能會劣化去玻化特性、對氫氯酸及BHF之抗性降低、以及使黏度增加。當Al2
O3
之含量過低時,則可能會使玻璃之彈性模數下降。據此,本發明之玻璃包括21至29 wt%之Al2
O3
,較佳為25至29 wt%,更佳為26至29 wt%。
在本發明之無鹼玻璃中,SiO2
及Al2
O3
的總含量(SiO2
+Al2
O3
之含量)較佳係在74至83 wt%之範圍內。在此濃度範圍中,可更提升從內含SiO2
及Al2
O3
所得到之效果,進而可抑制熱膨脹係數之降低及去玻化特性之劣化。
並且,以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,本發明之無鹼玻璃包括3至14 wt%之MgO。MgO係鹼土金屬氧化物,期能抑制熱膨脹係數之提升及形變點之下降,並能增加玻璃中之熔融特性。詳述之,MgO可降低玻璃密度,進而使玻璃變輕。然而,當MgO的含量過高,則可能會引起去玻化性質劣化及降低玻璃對酸及BHF之抗性。當MgO的含量過低,由MgO所得到的效果便不足。據此,本發明之玻璃較佳包括3至14 wt%之MgO,更佳為3至8 wt%,再更佳為3至5 wt%。
此外,以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量
為基準,本發明之無鹼玻璃包括11至16 wt%之CaO。CaO係鹼土金屬氧化物,相似於MgO,係用來降低熱膨脹係數及密度、抑制變形點之下降、及增加玻璃之熔融特性。然而,當CaO的含量過高,可能會引起熱膨脹係數及密度增加,並會減少玻璃中如對BHF之化學抗性。當CaO的含量過低,則由CaO所得到的效果將會不足。據此,本發明之玻璃包括11至16 wt%之CaO,較佳為11至14 wt%,更佳為11至12 wt%。
再者,以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,本發明之無鹼玻璃包括1至5 wt%之SrO。SrO係鹼土金屬氧化物,並用於提升玻璃之去玻化特性及其抗酸性。然而,當SrO含量過高,可能會引起熱膨脹係數及密度之增加、以及玻璃之去玻化性質劣化。當SrO含量過低,由SrO所得到的效果將會因此而不足。據此,本發明之玻璃包括1至5 wt%之SrO,較佳為1至3 wt%,更佳為1至2 wt%。
在本發明之無鹼玻璃中,MgO、CaO及Sr
O的總含量(MgO+CaO+SrO之含量)較佳係在15至23 wt%之範圍內。在此濃度範圍中,可更改善由鹼土金屬所得到之效果,進而可抑制去玻化特性之劣化。更佳地,MgO+CaO+SrO之含量係在16至21 wt%之範圍內,再佳為17至19 wt%之範圍內。
較佳地,在無鹼玻璃中,實質上未包含BaO。即使BaO可提升玻璃之抗藥劑性或去玻化特性,但由於會
對環境造成影響,故屬於不佳的成分。根據本發明之實施態樣,無鹼玻璃係不包含BaO,排除BaO可讓玻璃之密度降低且製造出更環保的玻璃。
在本發明中,無鹼玻璃之密度較佳為低於2.6 g/cm3
。根據本發明之實施態樣,玻璃密度低進而容易使玻璃產品變輕。詳述之,由於使用玻璃之裝置越來越大,玻璃的尺寸亦隨之增加。在此情況下,玻璃密度之降低可減少玻璃因其重量(與使用該玻璃之裝置重量)造成之彎曲。並且,當用於小型攜帶裝置時,可減少玻璃之重量以增加小型攜帶裝置之攜帶性。
並且,根據本發明之實施態樣,該無鹼玻璃較佳為具有3.2×10-6
/K至4.2×10-6
/K之熱膨脹係數(CTE)。對該本發明之實施態樣,玻璃之熱膨脹係數低,進而對熱衝擊具有優良的抗性。據此,即使本發明之玻璃重複暴露在各種熱處理條件中,仍可抑制其熱收縮、變形、彎曲或破裂。此外,其熱膨脹係數係與TFT材料相似,藉此在使用本發明之玻璃製造TFT-LCD時,能有效抑制因玻璃與TFT材料間之熱膨脹係數差異而引起的顯示器缺陷。
較佳地,本發明無鹼玻璃所呈現的T2
係低於1550℃,較佳為低於1510℃;其中T2
為在102
dPas黏度下之溫度。根據該本發明之實施態樣,由於與玻璃熔化(擴散)相關之T2
低,可提升玻璃之熔融性質,並可減少對熔化玻璃所需之能量及時間。因此,可提升玻璃產品之產率及減少製成耗費。
並且,本發明之無鹼玻璃較佳為呈現低於1230℃之T4
,更加為低於1210℃;其中T4
為在104
dPas黏度下之溫度。根據該本發明之實施態樣,由於與玻璃之處理溫度相關的T4
低,因此玻璃容易處理,且可減少處理玻璃所需之能量及時間。
再者,本發明提供一種包括上述無鹼玻璃之顯示裝置,換言之,本發明之顯示裝置包括一實質上未包含鹼金屬氧化物之無鹼玻璃,以作為一玻璃基板,且以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,該無鹼玻璃包括:46至57 wt%之SiO2
;3.5至7.5 wt%之B2
O3
;21至29 wt%之Al2
O3
;3至14 wt%之MgO;11至16 wt%之CaO;以及1至5 wt%之SrO。用於本發明之顯示裝置之無鹼玻璃實質上未包含BaO,該無鹼玻璃之密度係小於2.6 g/cm3
;其熱膨脹係數係為3.2×10-6
/K至4.2×10-6
/K;其T2
低於1550℃,且其T4
係低於1230℃。
詳述之,本發明之顯示裝置較佳為一液晶顯示器(LCD)。如TFT-LCD之液晶顯示器可包括一玻璃基板(面板),且該玻璃基板可具有上述組成物和特性。並且,本發明之顯示裝置可包括各種顯示裝置,如PDP和LCD裝置。
再者,本發明提供一種製造上述無鹼玻璃之方法,將如以下描述。
圖1係本發明一實施例之顯示製造無鹼玻璃之步驟方法之流程示意圖。
請參照圖1,首先,包含在玻璃中之各成份原
料係互相組合以得到所需之組成物(S110)。在步驟S110中,以其中存在之氧化物之總重量為基準,組合原料係包含:46至57 wt%之SiO2
;3.5至7.5 wt%之B2
O3
;21至29 wt%之Al2
O3
;3至14 wt%之MgO;11至16 wt%之CaO;以及1至5 wt%之SrO,且不包含鹼金屬氧化物。較佳地,在步驟S110中,組合原料係包含:49至54 wt%之SiO2
;4至6 wt%之B2
O3
;25至29 wt%之Al2
O3
;3至8 wt%之MgO;11至14 wt%之CaO;以及1至3 wt%之SrO於玻璃中。更佳地,組合原料係包含:50至53 wt%之SiO2
;26至29 wt%之Al2
O3
;3至5 wt%之MgO;11至12 wt%之CaO於玻璃中;以及1至2 wt%之SrO。並且,在步驟S110中,可組合原料以使MgO+CaO+SrO之含量在15至23 wt%之範圍內,較佳係在16至21 wt%之範圍內,更佳為17至19 wt%之範圍內。
同時,原料之組合係在該無鹼玻璃中實質上未包含BaO時進行。
接著,將組合之原料加熱至上述溫度,例如1500至1600℃以使其熔化(S120),且將該熔化物鑄型為玻璃(S130)。在步驟S130中,可藉由使用浮動浴(float bath)之浮法以進行玻璃之鑄型,但本發明並未受限於此。例如,在步驟S130中,亦可藉由下拉(down draw)或融合方法進行玻璃之鑄型。
步驟S130之鑄型後,將成形之玻璃轉移至玻璃退火爐中,並緩慢冷卻(S140)。接著,將冷卻之玻璃切割成具所需尺寸之塊狀,再拋光以得到玻璃產物。
因此,由本發明之製造玻璃實施例所製備之無鹼玻璃,其密度係小於2.6 g/cm3
;其熱膨脹係數係為3.2×10-6
/K至4.2×10-6
/K;T2
溫度係少於1550℃;且T4
溫度係少於1230℃。較佳地,由本發明之製造玻璃實施例所製備之無鹼玻璃,其T2
溫度係少於1510℃;且T4
溫度係少於1210℃。
之後,本發明將伴隨以下實施例加以詳述本發明。然而,應了解提供之實施例係僅用於描繪本發明,並容易向本領域中具有通常技術者說明,但並非用於限制本發明之範圍,故未背離本發明之精神及範圍之對等及變化係適用於本發明。
表1顯示本發明實施例製造之玻璃之組成物及性質,而表2顯示比較例製造之玻璃之組成物及性質。
[實施例]
以表1所示之組成物(wt%)組合各成份之原料,再將組合材料置入白金坩鍋(platinum crucible)並加熱至1600℃ 3小時,使其熔化。在熔化步驟中,使用鉑攪拌器攪拌1小時,以使其均質化。將該熔化物緩慢冷卻至730℃,以得到對應各實施例之玻璃。所得之玻璃係利用X射線螢光分析(X-ray fluorescence analysis)確認其組成物。
並且,評估所得之玻璃之性質,例如密度、熱膨脹係數、T2
及T4
,其結果係顯示於表1。
<密度>
根據阿基米德原理(Archimedes’s principle)測
量玻璃之密度。
<熱膨脹係數(CTE)>
利用膨脹計(dilatometer)測量玻璃之平均熱膨脹係數。
<T2
>
利用高溫黏度計測量玻璃之黏度,且當黏度為102
dPas時測量其溫度T2
。若溫度為1600℃或更高時,利用富爾切爾方程式(Vogel-Fulcher-Tammann equation)計算對應之T2
。
<T4
>
利用高溫黏度計測量玻璃之黏度,且當黏度為104
dPas時測量其溫度T4
。
[比較例]
以表2所示之組成物(wt%)組合各成份之原料,再將組合材料置入白金坩鍋並加熱至1600至1700℃ 3小時以使其熔化。在熔化步驟中,使用鉑攪拌器攪拌1小時以使其均質化。將該熔化物緩慢冷卻至730℃,以得到對應各比較例之玻璃。
評估所得之玻璃之性質,例如密度、熱膨脹係數、T2
及T4
,其結果係顯示於表2。
[表1]
如表1及表2所示,實施例1至10之玻璃呈現低於2.6 g/cm3
之密度、3.2至4.2(×10-6
/K)之熱膨脹係數(CTE)、及少於1550℃之T2
及少於1230℃之T4
。其中,可
證明具有較佳範圍的實施例7至10之玻璃呈現較佳之特性。
相較之下,比較例1至12之玻璃證實呈現出高於實施例之密度、熱膨脹係數、T2
及T4
。
由實施例及比較例之比較,本發明之玻璃具有優異特性且可適用於顯示器之基板。並且,本發明之玻璃具有低T2
及T4
,且呈現現優良熔融性質及簡單操作性,藉此降低熔化及處理玻璃所需之能量及時間。
因此,本發明係以特定實施態樣及圖示詳述之,然而,應了解提供之特定實施態樣及圖示僅用於描繪本發明,並未用於限制本發明,且亦可由本領域中具有習知技術之人在下述申請專利範圍所定義之本發明範圍內加以變化或調整。
S110‧‧‧組合原料
S120‧‧‧熔化
S130‧‧‧鑄型
S140‧‧‧緩慢冷卻
Claims (14)
- 一種無鹼玻璃,實質上未包括鹼金屬氧化物,且以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,該無鹼玻璃包括:46至57wt%之SiO2 ;3.5至7.5wt%之B2 O3 ;25至29wt%之Al2 O3 ;3至14wt%之MgO;11至16wt%之CaO;以及1至5wt%之SrO,其在102 dPas黏度下之溫度係小於1510℃,且其在104 dPas黏度下之溫度係小於1210℃。
- 如申請專利範圍第1項所述之無鹼玻璃,其中,實質上未包含有BaO。
- 如申請專利範圍第1項所述之無鹼玻璃,以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,該無鹼玻璃包括:49至54wt%之SiO2 ;4至6wt%之B2 O3 ;25至29wt%之Al2 O3 ;3至8wt%之MgO;11至14wt%之CaO;以及1至3wt%之SrO。
- 如申請專利範圍第1項所述之無鹼玻璃,其中以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,MgO+CaO+SrO之含量係在15至23wt%之範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述之無鹼玻璃,其中以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,MgO+CaO+SrO之含量係在16至21wt%之範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述之無鹼玻璃,其之密度係小於2.6g/cm3 ,且其熱膨脹係數係3.2×10-6 /K至4.2×10-6 /K。
- 一種顯示裝置,係包括:如申請專利範圍第1至6項之任一項所述之無鹼玻璃。
- 如申請專利範圍第7項所述之顯示裝置,其係為一液晶顯示器。
- 一種製造無鹼玻璃之方法,包括組合複數之玻璃的原料以獲得一無鹼玻璃,該無鹼玻璃實質上未包括鹼金屬氧化物,且以該無鹼玻璃中存在之氧化物之總重量為基準,該無鹼玻璃包括:46至57wt%之SiO2 ;3.5至7.5wt%之B2 O3 ;25至29wt%之Al2 O3 ;3至14wt%之MgO;11至16wt%之CaO;以及1至5wt%之SrO,其在102 dPas黏度下之溫度係小於1510℃,且其在104 dPas黏度下之溫度係小於1210℃。
- 如申請專利範圍第9項所述之製造無鹼玻璃之方法,其中,原料組合係在實質上包含BaO之該無鹼玻璃中進行。
- 如申請專利範圍第9項所述之製造無鹼玻璃之方法,其中,以存在於該無鹼玻璃之氧化物之總重量為基準,原料組合使該無鹼玻璃包含:49至54wt%之SiO2 ;4至6wt%之B2 O3 ;25至29wt%之Al2 O3 ;3至8wt%之MgO;11至14wt%之CaO;以及1至3wt%之SrO。
- 如申請專利範圍第9項所述之製造無鹼玻璃之方法,其中,以該無鹼金屬玻璃中存在之氧化物總重量為基準,原料組合使該無鹼玻璃之MgO+CaO+SrO含量為15至23wt%之範圍內。
- 如申請專利範圍第9項所述之製造無鹼玻璃之方法,其中,以該無鹼金屬玻璃中存在之氧化物總重量為基準,原料組合使該無鹼玻璃之MgO+CaO+SrO含量為16至21wt%之範圍內。
- 如申請專利範圍第9項所述之製造無鹼玻璃之方法,其中,該製備之無鹼玻璃之密度係小於2.6g/cm3 ,且其熱膨脹係數係為3.2×10-6 /K至4.2×10-6 /K。
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