JP2005281101A - ディスプレイ装置用基板ガラス - Google Patents

Abstract

【課題】フラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスで、歪点が高く、かつ高耐熱性、高靭性、低密度のものが望まれている。
【解決手段】実質的に重量％表示で、ＳiＯ_２が６３〜６９、Ａｌ_２Ｏ_３が２〜６、ＳiＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３が６６〜７２、Ｎａ_２Ｏが２〜５、Ｋ_２Ｏが９〜１２、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏが１２〜１７、ＭｇＯが２〜１０、ＣａＯが５〜１０、ＳｒＯが０〜３、ＢａＯが０〜２、ＭｇＯ＋ＣａＯが１０〜１５、ＳｒＯ＋ＢａＯが０〜３、ＲＯ（ただしＲはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）が１０〜１５、ＺｒＯ_２が０．８〜４からなり、かつ歪点が５７０℃以上であることを特徴とするフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。３０℃〜３００℃における平均線熱膨張係数が（７５〜８５）×１０^−７／℃、ヤング率Ｅが７１〜７６ＧＰａ、密度が２．６ｇ／ｃｍ^３未満である特徴も有す。
【選択図】 なし

Description

本発明は、プラズマディスプレイ装置用基板ガラス、特にプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）用基板ガラスとして好適なディスプレイ装置用基板ガラスに関する。

従来、ＰＤＰ製造分野においては、基板ガラスとして常温〜３００℃の熱膨張係数が８０〜９０×１０^−７／℃程度、歪点が ５１０〜５２０℃程度のソーダライムシリカガラスを使用してきた。ソーダライムシリカガラスは多方面に利用され、低価格で容易に調達できる点で有利とされている。しかし歪点が低いため、ガラス基板上に電極線パターンを配し、更に低融点ガラスによる絶縁被覆を形成する等、パネル製作上各種熱処理を施す際に、基板ガラスの反りや収縮などの変形を生じ易いという不具合が生じる。

上記不具合を解消するために、近年においてはソーダライムシリカガラスと同様なアルカリ・アルカリ土類・シリカ系ガラスで、熱膨張係数がソーダライムシリカガラスと近似し、歪点が５５０℃を越え、あるいは６００℃を超えるような高歪点ガラスが提案されている。これらはガラスの成分を調製することにより求める物性を得ようとするものであり、ソーダライムガラスと比較して、ＳiＯ_２を少なくし、アルカリ土類酸化物（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ）成分やＺｒＯ_２成分を多くすることで、高歪点にするものである。（例えば特許文献１〜３）。これらのガラスを用いた基板は、ディスプレイパネルの製造工程において、熱変形が少なく、またパネルを構成する他の部材との熱膨張の整合性も良い。
特開平８−２９０９３９号公報 特開平１０−１５２３３９号公報 特許第２７３８０３６号公報

しかし、上記のようなＳｉＯ_２が少なく、アルカリ土類酸化物（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ）成分やＺｒＯ_２成分が多い高歪点ガラスは、ヤング率が高く７６ＧＰａを超えるものが多い。また、密度が高く２．６を超えるものが多い。

ディスプレイ装置の製造工程中では、前述のように各種熱処理を施すため、過熱や冷却の工程でガラス基板に熱衝撃が加わり、温度勾配が生じてガラス基板に熱応力が発生する。この熱応力σは一般に式(1)のような式で表される。

熱応力σ＝０．３１｛Ｅα／（１−ν）｝・ΔＴ（γｍ・ｈ／ｋ） (1)
ここでＥはヤング率、αは熱膨張係数、νはポアソン比、ΔＴは温度変化、γｍは材料形状による因子、ｈは表面の熱伝達係数、ｋは材料の熱伝導率である。脆性破壊を示すガラスはこのような熱応力で比較的容易に破壊するため、熱応力の発生を極力小さくする必要がある。そのためには、上述の式（１）において、Ｅ、α、ΔＴ、γｍ、ｈおよびνを小さくし、ｋを大きくしなければならないが、αはディスプレイ装置を構成する他材料との整合性の面から適切な範囲を変えることが出来ず、また、この系のガラスにおいてはｈ、ｋおよびνはほぼ一定である。その上、ΔＴやγｍはディスプレイパネルの熱処理工程の条件やガラス基板の形状で決まる因子であるためそれを限定することは困難である。従って、ガラス基板に発生する熱応力の大きさは、ガラスのヤング率Ｅに依存するところが大きく、ヤング率が大きいガラスでは熱処理工程で発生する熱応力が大きくなって、ガラス基板が破壊する確率が高くなるという問題がある。

さらに、ヤング率はガラスの自重によるたわみ量にも関係する。即ち、ガラス基板の自重によるたわみ量（Ｗ）は、式（２）で表されるように、ヤング率が小さくなると増大する。

Ｗ＝ｋ（ρ／Ｅ）（Ｌ⁴／ｔ²） (2)
ここで、Ｗは最大たわみ量、Ｌは二辺支持間の距離、ｔは板厚、ρはガラスの密度、Ｅはガラスのヤング率、ｋは定数である。そのため、ガラス基板が大型化するとたわみ量がより大きくなって、基板の搬送や移動の工程で破損などの不具合が起こる問題がある。

従って、ヤング率が大きいと前述の通り熱応力によるガラス基板の破壊の問題があり、ヤング率が小さいとガラス基板のたわみによる破損などの問題があるため、ガラスのヤング率の値には適切な範囲が存在する。

一方、ガラス基板の密度が高いとディスプレイ装置の軽量化が困難になるという問題がある上に、上記のガラス基板の自重によるたわみの問題も発生する。即ち、ガラス基板の自重によるたわみ量（Ｗ）は式（２）で表されるように、ガラスの密度（ρ）に比例して増大する。そのためガラス基板が大型化するとたわみ量がより大きくなって、基板の搬送や移動の工程で破損などの不具合が起こる問題がある。
本発明の目的は、上記の問題を解決するため、線熱膨張係数がソーダライムシリカガラスと同様であり、フラットパネルディスプレイ装置、特にプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）の基板ガラスに適する高歪点を有し、さらに適切なヤング率と低密度であるために熱応力やたわみによるガラスの破損が少ないガラスの組成を提供することにある。

本発明は、実質的に重量％表示で、ＳiＯ_２が６３〜６９、Ａｌ_２Ｏ_３が２〜６、ＳiＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３が６６〜７２、Ｎａ_２Ｏが２〜５、Ｋ_２Ｏが９〜１２、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏが１２〜１７、ＭｇＯが２〜１０、ＣａＯが５〜１０、ＳｒＯが０〜３、ＢａＯが０〜２、ＭｇＯ＋ＣａＯが１０〜１５、ＳｒＯ＋ＢａＯが０〜３、ＲＯ（ただしＲはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）が１０〜１５、ＺｒＯ_２が０．８〜４からなり、かつ歪点が５７０℃以上であることを特徴とするフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

また、３０℃〜３００℃における平均線熱膨張係数が（７５〜８５）×１０^−７／℃であることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

さらに、ヤング率Ｅが７１〜７６ＧＰａであることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

さらにまた、密度が２．６ｇ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする上記のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

本発明によれば、上述のように線熱膨張係数がソーダライムシリカガラスと同様であり、フラットパネルディスプレイ装置、特にプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）の基板ガラスに適する高歪点を有し、さらに適切なヤング率と低密度であるために熱応力やたわみによるガラスの破損が少ないガラスが得られる。このガラスをフラットパネルディスプレイ用のガラス基板に用いることにより、ディスプレイパネル製造工程におけるガラス基板の、熱および自重による変形や割れが減少し、ディスプレイ装置の製造効率が向上する。

本発明は、実質的に重量％表示で、ＳiＯ_２が６３〜６９、Ａｌ_２Ｏ_３が２〜６、ＳiＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３が６６〜７２、Ｎａ_２Ｏが２〜５、Ｋ_２Ｏが９〜１２、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏが１２〜１７、ＭｇＯが２〜１０、ＣａＯが５〜１０、ＳｒＯが０〜３、ＢａＯが０〜２、ＭｇＯ＋ＣａＯが１０〜１５、ＳｒＯ＋ＢａＯが０〜３、ＲＯ（ただしＲはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）が１０〜１５、ＺｒＯ_２が０．８〜４からなり、かつ歪点が５７０℃以上であることを特徴とするフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスである。

ＳｉＯ_２はガラスの主成分であり、重量％において６３％未満ではガラスの耐熱性または化学耐久性を悪化させる。他方、６９％を超えるとガラス融液の高温粘度が高くなり、ガラス成形が困難となる。また、ガラスの線熱膨張係数が小さくなり過ぎて、ディスプレイパネルを構成する他の部材との整合性が悪くなる。従って６３〜６９％、好ましくは６４〜６８％の範囲とする。

Ａｌ_２Ｏ_３は、歪点を高くする成分であり、必須成分である。重量％において２％未満ではガラスの歪点が低下し、他方６％を超えるとガラス融液の高温粘度が高くなる上に、ヤング率が上昇し、所望のヤング率が得られなくなる。従って２〜６％、好適には３〜５％の範囲がよい。

ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３の合量を６６〜７２％にすることにより、ガラスの耐熱性や化学的耐久性を適切な範囲に維持することが出来る。その合量が６６％未満だとガラスの耐熱性や化学的耐久性が低下しすぎる。また、密度が上昇し所望の密度が維持できなくなる。７２％を超えるとガラスの線熱膨張係数が低くなりすぎ、またガラス融液の高温粘度が高くなるためガラスの成形が困難となる。

Ｎａ_２Ｏは、Ｋ_２Ｏとともにガラス溶解時の融剤として作用し、またガラスの線膨張係数を適度な大きさに維持する上で不可欠である。２％未満であると融剤としての効果が不十分であり、また線膨張係数が低くなりすぎる。５％を超えると、歪点が低下しすぎる。従って２〜５％、好ましくは３〜４％の範囲とする。

Ｋ_２Ｏは、Ｎａ_２Ｏと同様の作用効果を示すと共に、Ｎａ_２Ｏとの混合アルカリ効果によりアルカリイオンの移動を抑制し、ガラスの体積抵抗率を高める必須成分である。９％未満であるとそれらの作用が不十分であり、１２％を超えると線膨張係数が過大となり、また歪点も低下し過ぎるため、９〜１２％、好適には１０〜１１％の範囲とする。

前記アルカリ成分（Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ）の量に関してその合量を１２〜１７％にすることにより、歪点、線熱膨張係数、高温粘度および失透温度を適切な範囲に維持することが出来る。アルカリ成分の合量が１２％未満では線熱膨張係数が低下しすぎる上に、ヤング率が上昇し所望のヤング率が維持できなくなる。また、ガラスの失透傾向が増大する。１７％を超えると歪点が低下しすぎる上に、ヤング率および体積抵抗率が低下する。従ってこの範囲を１２〜１７％とする。

ＭｇＯは、ガラス溶解時の溶融ガラスの粘度を下げる作用を有すると共に、歪点も上昇させる作用を有する。２％未満ではそれらの作用が不十分である。他方１０％を超えるとヤング率が上昇し所望のヤング率が得られなくなる。また、ガラスの失透傾向が増大し、ガラスの成形が困難になる。従って２〜１０％、好ましくは４〜８％の範囲とする。

ＣａＯは、ガラス溶解時の溶融ガラスの粘度を下げる作用を有すると共に、ガラスの歪点を上昇させる作用を有するが、５％未満ではその作用が不十分であり、他方１０％を越えると失透傾向が大きくなり、また密度が上昇し所望の密度が得られなくなる。従って、１０〜１５％の範囲、好ましくは１１〜１４％とする。

ＳｒＯは、必須成分ではないが、ＣａＯとの共存下でガラス融液の高温粘度を下げて失透の発生を抑制する作用を有する。３％を超えると密度が高すぎるので、３％以下の範囲が望ましい。

ＢａＯは、必須成分ではないが、ガラス融液の失透傾向を抑制する作用を有すると共にヤング率を下げる効果があるが、２％を超えると密度が上昇するので、２％以下の範囲が望ましい。

さらに、上記組成範囲内において、二価の金属酸化物ＲＯ（Ｒは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）の合計量を１０〜１５％の範囲とすることによって、ガラスの溶融性を良好な範囲に維持しつつ、粘度−温度勾配を適度としてガラスの成形性を良好とし、耐熱性、化学的耐久性に優れ、適切な範囲の線膨張係数を有するガラスを得ることが出来る。ＲＯの合量が１０％未満では、高温粘度が上昇してガラスの溶融と成形が困難となる。また、歪点が下がりすぎる上に、線熱膨張係数が低下する。一方１５％を超えると、特に密度が上昇するとともに失透傾向が増大し、化学的耐久性が低下する。より好ましい範囲は１１〜１４％である。

ＺｒＯ_２は、ガラスの歪点を上昇させ、またガラスの化学的耐久性を向上させる効果を有するので、０．８％以上含有させることが好ましい。４％を超えると、ヤング率および密度が上昇し、いずれも所望の値が維持できなくなる。従って０．８〜４％、好ましくは１〜３％の範囲とする。

本発明の好ましい態様のガラスは実質的に上記成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲で他の成分を合量で３％まで含有してもよい。たとえば、ガラスの溶解、清澄、成形性の改善のためにＳＯ_３、Ｃｌ、Ｆ、Ａｓ_２Ｏ_３等を合量で１％まで含有してもよい。また、ガラスを着色するためにＦｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯ、ＮｉＯ等を合量で１％まで含有してもよい。さらに、ＰＤＰにおける電子線ブラウニング防止等のためにＴｉＯ_２およびＣｅＯ_２をそれぞれ１％まで、合量で１％まで含有してもよい。

本発明の上記組成によれば、歪点が５７０℃以上のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスを得ることが出来る。歪点が５７０℃未満では、ガラス基板上に電極線パターンを配し、更に低融点ガラスによる絶縁被覆を形成する等、パネル製作上各種熱処理を施す際に、基板ガラスの反りや収縮などの変形を生じ易いという不具合が生じる。

また、上記組成によれば、３０℃〜３００℃における平均線熱膨張係数が（７５〜８５）×１０^−７／℃であるようなフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスを得ることが出来る。平均線熱膨張係数が（７５〜８５）×１０^−７／℃を外れるとディスプレイパネルを構成する他の部材との整合性が悪くなる。

さらに、上記組成によれば、ヤング率Ｅが７１〜７６ＧＰａであるフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスを得ることが出来る。ヤング率が７１ＧＰａ未満では、ガラス基板のたわみ量が大きくなり、基板の搬送や移動の工程で破損などの不具合が起こりやすくなる。一方、７６ＧＰａを超えると、熱応力により破損しやすくなる。

さらにまた、上記組成によれば、密度が２．６ｇ／ｃｍ^３未満であるようなフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラスを得ることが出来る。密度が２．６ｇ／ｃｍ^３以上では、一般的なソーダライムシリカガラスよりも大きな値となり、ディスプレイ装置が大型化した場合にガラス基板の自重による変形や割れなどの不具合を生じる恐れがある。

以下、実施例に基づき、説明する。

（ガラスの作成）
ＳiＯ_２源として珪砂を、Ａｌ_２Ｏ_３源として酸化アルミニウムを、Ｎａ_２Ｏ源として炭酸ナトリウムおよび硫酸ナトリウムを、Ｋ_２Ｏ源として炭酸カリウムを、ＭｇＯ源として酸化マグネシウムを、ＣａＯ減として炭酸カルシウムを、ＳｒＯ源として炭酸ストロンチウムを、ＢａＯ源として炭酸バリウムを、ＺｒＯ_２源として珪酸ジルコニウムを使用した。これらを表１及び表２の高歪点ガラス組成となるように調合したうえで白金ルツボに充填し、電気炉内で１５５０℃、約６時間加熱溶融した。加熱溶融の途中で白金棒によりガラス融液を攪拌してガラスを均質化させた。次に、溶融ガラスを鋳型に流し込み、ガラスブロックとし、６５０℃に保持した電気炉に移入して該炉内で徐冷し、表１の実施例１〜６、表２の比較例１〜４に示す組成のガラスを得た。得られたガラス試料は泡や脈理の無い均質なものであった。

これらのガラスについて、歪点（℃）、３０〜３００℃の平均線熱膨張係数（１０^−７／℃）、ヤング率（ＧＰａ）、および密度（ｇ／ｃｍ^３）を以下の方法により測定した。

歪点は、ＪＩＳ Ｒ３１０３−２の規定に基づくビーム曲げ法により測定した。線熱膨張係数は、熱機械分析装置ＴＭＡ８３１０（理学電機（株）製）を用いて室温〜３００℃における平均線熱膨張係数を測定した。ヤング率は、シンクアラウンド式音波測定装置ＵＶＭ−２（超音波工業（株）製）を用いて測定した。密度は、泡のないガラス（約５０ｇ）についてアルキメデス法により測定した。

（結果）
各種試験結果を表に示す。なお、表２中の比較例１は一般的なソーダライムシリカガラスである。

表１における実施例１〜６に示すように、本発明の組成範囲内においては、歪点が５７０℃以上と十分高い上に、ヤング率Ｅが７５ＧＰａ程度であり、平均線熱膨張係数も、（７６〜８２）×１０^−７／℃と、ディスプレイ装置用基板ガラスに好適な結果となった。また、密度も、２．５２〜２．５６ｇ／ｃｍ^３）となり、２．６未満のものが得られた。これは比較例１のソーダライムシリカガラスの密度の値に近いものである。

他方、本発明の組成範囲を外れる表２における比較例１〜４は、比較例１のソーダライムシリカガラスにおいては、ヤング率Ｅが７２ＧＰａで、密度は２．６ｇ／ｃｍ^３未満であるものの、歪点が他のガラスに比べて著しく低いことを表している。また、比較例２〜４のガラスは、歪点は５７０℃以上と高いものの、ヤング率Ｅが７６ＧＰａを超えていること、さらに密度が２．６を超えていることを表している。

Claims (4)

1. 実質的に重量％表示で、ＳiＯ_２が６３〜６９、Ａｌ_２Ｏ_３が２〜６、ＳiＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３が６６〜７２、Ｎａ_２Ｏが２〜５、Ｋ_２Ｏが９〜１２、Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏが１２〜１７、ＭｇＯが２〜１０、ＣａＯが５〜１０、ＳｒＯが０〜３、ＢａＯが０〜２、ＭｇＯ＋ＣａＯが１０〜１５、ＳｒＯ＋ＢａＯが０〜３、ＲＯ（ただしＲはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）が１０〜１５、ＺｒＯ_２が０．８〜４からなり、かつ歪点が５７０℃以上であることを特徴とするフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。
2. ３０℃〜３００℃における平均線熱膨張係数が（７５〜８５）×１０^−７／℃であることを特徴とする請求項１に記載のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。
3. ヤング率Ｅが７１〜７６ＧＰａであることを特徴とする請求項１または２に記載のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。
4. 密度が２．６ｇ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフラットパネルディスプレイ装置用基板ガラス。