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Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein alkalifreies Aluminoborosilikatglas mit optimierten Eigenschaften für eine vorteilhafte Verarbeitung, sowie vorteilhafte Verwendungen eines solchen Glases.

LCD-Displays erfreuen sich in den letzten Jahren zunehmender Verbreitung. Insbesondere TFT-LCD-Displays (Active Matrix Thin Film Transistor LCD) weisen eine geringe Dicke auf, eine niedrige Leistungsaufnahme, und werden deshalb in zahlreichen Anwendungen verwendet, wie z.B. in Notebooks, in Flachbildschirmen, in Digitalkameras und dgl. mehr. Dabei besteht das Display-Substrat im Allgemeinen aus einer Glasplatte.

An derartige Substrate werden hohe Anforderungen gestellt. Neben einer hohen Temperaturwechselbeständigkeit sowie einer guten Resistenz bezüglich der im Herstellungsverfahren der Flachbildschirme eingesetzten aggressiven Chemikalien sollten die Gläser über einen weiten Spektralbereich (VIS, UV) hohe Transparenz sowie zur Gewichtseinsparung eine geringe Dichte aufweisen. Der Einsatz als Trägermaterial für integrierte Halbleiterschaltkreise z.B. in TFT-Displays erfordert darüber hinaus die thermische Anpassung an das Dünnfilmmaterial Silizium. Werden durch Hochtemperaturbehandlungen oberhalb von 700°C bzw. durch direkte Abscheidung über CVD-Prozesse weitgehend kristalline Siliziumschichten erzeugt, so ist ein Substrat mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von möglichst weniger als 3,2·10–6/K erforderlich. Für Anwendungen in der Display- und Photovoltaiktechnologie ist ferner die Abwesenheit von Alkaliionen Bedingung. Herstellungsbedingte Toleranzen sollten vorzugsweise unterhalb von 1000 ppm, bevorzugt < 100 ppm liegen.

Geeignete Gläser sollten großtechnisch in ausreichender Qualität (keine Blasen, Knoten, Einschlüsse) z.B. auf einer Float-Anlage oder in Ziehverfahren (z.B. Down-Draw oder Overflow-Fusion) wirtschaftlich produzierbar sein. Besonders die Herstellung dünner (< 1 mm) streifenfreier Substrate von geringer Oberflächenwelligkeit über Ziehverfahren erfordert eine hohe Entglasungsstabilität der Gläser. Um einem auf die Halbleiter-Mikrostruktur nachteilig wirkenden Schrumpf ("compaction") des Substrates während der Herstellung, insbesondere im Falle von TFT-Displays, entgegenzuwirken, benötigt das Glas ferner eine geeignete temperaturabhängige Viskositätskennlinie, d.h. hinsichtlich der thermischen Prozess- und Formstabilität sollte es eine nicht zu hohe Viskosität im Schmelz- und Verarbeitungsbereich aufweisen und dennoch eine ausreichend hohe Transformationstemperatur, d.h. Tg ≥ 700°C.

Wegen der großtechnologischen Herstellung von Displays ist in jüngster Zeit ein optimierter Viskositätsverlauf erwünscht. Hierbei sollen die Temperaturen bei Viskositäten oberhalb von VA (104 dPas) möglichst gering sein. Besonders relevant ist der Bereich zwischen VA und einer Viskosität von ca. 101,9 dPas. So ist insbesondere im Bereich von 104 dPas bis 102 dPas (log&eegr; zwischen 4 und 2) ein steiler Abfall der Viskosität mit ansteigender Temperatur gefordert, d.h. das Glas soll in diesem Bereich möglichst "kurz" sein.

Für Display-Anwendungen, wie etwa LCD und TFT-LCD, geeignete Gläser sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt.

So sind etwa aus der DE 100 00 836 A1 alkalifreie Aluminoborosilikatgläser bekannt, die 58–65 Gew.-% SiO2, 6–10,5 Gew.-% B2O3, 14–25 Gew.-% Al2O3, 0–<3 Gew.-% MgO, 0–9 Gew.-% CaO, >3–8 Gew.-% BaO aufweisen, wobei der Summengehalt an MgO, CaO, BaO und ZnO 0–<2 ist.

Der Viskositätsabfall im Bereich zwischen 104 dPas bis 102 dPas wird hierbei jedoch noch nicht als ausreichend angesehen.

Aus der US 6 537 937 B1 ist eine Reihe weiterer Aluminoborosilikatgläser für derartige Anwendungen bekannt, die eine geringe Dichte, einen hohen E-Modul und einen hohen spezifischen E-Modul aufweisen.

Allerdings liegt die Transformationstemperatur dieser Gläser durchweg unterhalb von 700°C, was als nachteilig anzusehen ist.

Aus der WO 02/060831 sind weitere alkalifreie Aluminoborosilikatgläser bekannt, deren Viskositätsverlauf jedoch nicht bezüglich der Verarbeitung optimiert ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein alkalifreies Aluminoborosilikatglas bereitzustellen, das einen optimierten Verlauf der Viskositätskurve im Bereich zwischen 104 dPas bis 102 dPas aufweist. Das Glas soll insbesondere für Display-Anwendungen, etwa als Substratglas für LCDs und TFT-LCDs, besonders geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Aluminoborosilikatglas gelöst, mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE ≤ 3,3·10–6/K, das folgende Bestandteile (in Gew.-%) enthält: SiO2 58–70 Al2O3 17–18 B2O3 5–15 MgO 0–9 CaO 2–12 BaO 0,1–5 SrO 0–4 SnO2 0–1 As2O3 0–2,
wobei das Glas, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen, frei von Strontiumoxid und von Alkalioxiden ist, wobei das Verhältnis (in Gew.-%) von SiO2·B2O3/Al2O3 zwischen 32 und 38 liegt, und wobei die mittlere Steigung der Viskositätskurve im Bereich zwischen dem Zehnerlogarithmus der Viskositäten zwischen 4 und 2 (Viskosität zwischen 104 dPas und 102 dPas) kleiner oder gleich 5,50·10–3 dPas/K ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Die erfindungsgemäßen Gläser zeichnen sich nämlich dadurch aus, dass die mittlere Steigung der Viskositätskurve im Bereich zwischen dem Zehnerlogarithmus der Viskositäten zwischen 4 und 2 (Viskosität zwischen 104 dPas und 102 dPas) kleiner oder gleich –5,50·10–3 dPas/K ist. Die erfindungsgemäßen Gläser sind somit im interessierenden Bereich zwischen 104 dPas und 102 dPas besonders kurz.

Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Verarbeitbarkeit. Gleichzeitig ergibt sich eine hohe Transformationstemperatur von mehr als 700°C, vorzugsweise von mehr als 710°C. Der thermische Ausdehnungskoeffizient CTA liegt im bevorzugten Bereich und ist ≤ 3,3·10–6/K. Ferner weisen die erfindungsgemäßen Gläser eine geringe Dichte von weniger als 2500 kg/m3, bevorzugt < 2450 kg/m3 auf. Der gewünschte Viskositätsverlauf wird durch das spezielle Verhältnis zwischen SiO2, B2O3 und Al2O3 und die Freiheit von Strontiumoxid erreicht.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung liegt das Verhältnis SiO2·B2O3/Al2O3 zwischen 33 und 37.

Das erfindungsgemäße Glas kann ferner 0–10 Gew.-%, vorzugsweise 0–5 Gew.-% von Oxiden zur UV-Blockung aufweisen. Hierbei kann es sich etwa um Fe2O3, TiO2 oder CeO2 handeln.

Das Verhältnis SiO2/Al2O3 (in Gew.-%) liegt in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung zwischen 3,2 und 3,6, vorzugsweise zwischen 3,3 und 3,55.

In weiter vorteilhafter Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Glas folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) auf: SiO2 58–70 Al2O3 17–18 B2O3 9,5–11 MgO 1–4 CaO 3–6 BaO >3–4 SnO2 0–1 As2O3 0–2, Verunreinigungen < 0,5, vorzugsweise < 0,1.

Dabei beträgt der Gehalt an Alkalioxiden und an Strontiumoxid vorzugsweise weniger als jeweils 0,1 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 0,01 Gew.-%.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient CTA ist in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung geringer als 3,2·10–6/K.

Hierdurch wird eine besonders gute Anpassung an das gewünschte Ausdehnungsverhalten gewährleistet.

Die Transformationstemperatur Tg ist vorzugsweise größer als 710°C.

So ergibt sich eine hohe Beständigkeit gegen verschiedene Prozesse, die bei der Verarbeitung im Zusammenhang mit Display-Anwendungen auftreten können.

Das erfindungsgemäße Glas eignet sich insbesondere als Substratglas, insbesondere für OLED, AMOLED (Active Matrix OLED), FED (Field Emission Display), SED (Surface Emission Display), sowie für Filter, Farbfilter und als Colorfilter für TFT.

Darüber hinaus ist eine Verwendung in LCD-TFT-Displays, in Displays mit Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen in Non-Self-Emitter-Systemen, insbesondere auch in Beschichtungsstrukturen als Flachglas für FFL (Flat Fluorescent Lamp), insbesondere für Systeme mit außen liegenden Elektroden EEFL (External Electrode Fluorescent Lamp), vorteilhaft.

Das erfindungsgemäße Glas lässt sich bevorzugt im Floatprozess herstellen. Weiterhin ist auch eine Herstellung nach dem Down-Draw-Verfahren und insbesondere nach dem Overflow-Fusion-Verfahren vorteilhaft möglich.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.

BEISPIEL

Das erfindungsgemäße Glas weist vorzugsweise folgende Zusammensetzung auf (in Gew.-%): SiO2 58–65 Al2O3 17–18 B2O3 9,5–11 MgO 1–4 CaO 3–6 BaO >3–4 SnO2 0–1 As2O3 0–2,
wobei das Verhältnis (in Gew.-%) von SiO2·B2O3/Al2O3 zwischen 32 und 38 liegt.

Damit wird eine mittlere Steigung der Viskositätskurve im Bereich zwischen dem Zehnerlogarithmus der Viskositäten zwischen 4 und 2 (Viskosität zwischen 104 dPas und 102 dPas) von kleiner oder gleich –5,50·10–3 dPas/K erreicht, wodurch sich eine besonders günstige Verarbeitung ergibt.

In Tabelle 1 ist die Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Glases (Beispiel A1) nebst den charakteristischen Eigenschaften aufgeführt. Zusätzlich sind als Vergleichsbeispiele V1 und V2 nicht zur Erfindung gehörende Gläser aufgeführt, deren Zusammensetzung insbesondere im Siliziumgehalt, im Aluminiumoxidgehalt und im Boroxidgehalt und den betreffenden Verhältnissen dieser Oxide vom erfindungsgemäßen Glas abweicht.

Das erfindungsgemäße Glas A1 besitzt ein Verhältnis SiO2·B2O3/Al2O3 von 36, 80 (in Gew.-%) und ist frei von Strontiumoxid und Alkalioxiden.

Es besitzt ferner eine Dichte von < 2,5 g·m–3. Die Transformationstemperatur Tg liegt mit 719°C deutlich oberhalb von 700°C.

Die Viskosität im Bereich zwischen log&eegr; von 4 bis 2 beträgt –5,58·10–3 dPas/K und liegt somit in einem besonders günstigen Bereich für die Verarbeitung.

Gleichfalls liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient mit 3,15·10–6/K in einem bevorzugten Bereich.

Dagegen ergibt sich mit den beiden Vergleichsgläsern V1 und V2, die außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches liegen (mit einem Verhältnis SiO2·B2O3/Al2O3 von 38, 72 bei V1 bzw. von 40, 75 bei V2), ein weniger kurzes Verhalten im interessierenden Bereich zwischen 104 und 102 dPas.

Tabelle 1


Anspruch[de]
Aluminoborosilikatglas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE ≤ 3,3·10–6/K, das folgende Bestandteile (in Gew.-%) enthält: SiO2 58–70 Al2O3 17–18 B2O3 5–15 MgO 0–9 CaO 2–12 BaO 0,1–5 SnO2 0–1 As2O3 0–2
wobei das Glas, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen, frei von Alkalioxiden und frei von Strontiumoxid ist, wobei das Verhältnis (in Gew.-%) von SiO2·B2O3/Al2O3 zwischen 32 und 38 liegt, und wobei die mittlere Steigung der Viskositätskurve im Bereich zwischen dem Zehnerlogarithmus der Viskositäten zwischen 4 und 2 (Viskosität zwischen 104 dPas und 102 dPas) kleiner oder gleich –5,50·10–3 dPas/K ist.
Aluminoborosilikatglas nach Anspruch 1, bei dem das Verhältnis (in Gew.-%) von SiO2·B2O3/Al2O3 zwischen 33 und 37 liegt. Aluminoborosilikatglas nach Anspruch 1 oder 2, das 0–10 Gew.-%, vorzugsweise 0–5 Gew.-% von Oxiden zur UV-Blockung aufweist, insbesondere Fe2O3, TiO2, CeO2. Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis SiO2/Al2O3 (in Gew.-%) zwischen 3,2 und 3,6 beträgt, vorzugsweise zwischen 3,3 und 3,55. Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%): SiO2 58–70 Al2O3 17–18 B2O3 9,5–11 MgO 1–4 CaO 3–6 BaO >3–4 SnO2 0–1 As2O3 0–2, Verunreinigungen < 0,5, vorzugsweise < 0,1.
Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gehalt an Alkalioxiden und an Strontiumoxid vorzugsweise weniger als jeweils 0,1 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 0,01 Gew.-%, beträgt. Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der thermische Ausdehnungskoeffizient CTA < 3,2·10–6/K ist. Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Transformationstemperatur Tg größer als 710°C ist. Verwendung eines Aluminoborosilikatglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Substratglas, insbesondere für Filter, OLED, AMOLED (Active Matrix OLED), FED (Field Emission Display), SED (Surface Emission Display). Verwendung eines Aluminoborosilikatglas nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in LCD-TFT-Displays, in Displays mit Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen in Non-Self-Emitter-Systemen, insbesondere als Flachglas in Beschichtungssystemen für FFL (Flat Flourescent Lamp), insbesondere für Systeme mit außen liegenden Elektroden EEFL (External Electrode Flourescent Lamp).






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