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TFT-LCD基板玻璃配方及工艺性能研究

作　者: 张磊
导　师: 田英良
学　校: 北京工业大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: TFT-LCD基板玻璃无碱铝硼硅酸盐玻璃化学组成工艺性能
分类号: TQ171.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来随着平板显示技术的迅猛发展,已逐步取代了传统的CRT型（Cathode Ray Tube,阴极射线管）显示器产品,而TFT-LCD（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display,薄膜晶体管液晶显示器）是目前市场上的主流平板显示产品,其中TFT-LCD基板玻璃（以下简称基板玻璃）是TFT-LCD的重要组成部分,已成为制约TFT-LCD发展的关键原材料之一,每一块TFT-LCD面板由两片基板玻璃组成,分别用作薄膜晶体管阵列基板和彩色滤波片的基板。基板玻璃在化学组成,性能要求以及其生产工艺和条件都要求极高,所以到目前为止全球的TFT-LCD基板玻璃生产技术和市场一直掌握和垄断在美国康宁股份有限公司（Corning）,日本旭硝子（Asahi）,日本电气硝子（NEG）以及美日合资的安翰视特（AvanStrate）等四家公司手中,而基板玻璃的物理化学性能是由基板玻璃的化学组成来决定的,基板玻璃属于无碱铝硼硅酸盐玻璃,需要满足的基本要求包括较低的热膨胀系数（α50/300=30×10-7/℃～38×10-7/℃）,良好的耐热性（应变点温度大于650℃）和机械稳定性,精确的尺寸,良好的表面平整度,并且玻璃内部不包含有任何大于显示像素的缺陷,另外,基板玻璃中不能含有对薄膜晶体管有害的碱金属氧化物。本论文以无碱铝硼硅酸盐玻璃体系为研究对象,采用传统的熔融退火工艺,利用热膨胀测试仪测试了玻璃的热膨胀系数以及玻璃的应变点、玻璃转变点、退火点、膨胀软化点等特征粘度参考点温度,并通过旋转式高温粘度计测量了玻璃的高温粘度,然后将所测得的玻璃的特征粘度参考点温度利用VFT方程（Vogel-Fulcher-Tammann Equation,富尔切尔方程）拟合出玻璃的特征温度-粘度曲线。本论文研究了硅砂原料对无碱铝硼硅酸盐玻璃熔制的影响,掺杂稀土氧化物Y₂O₃对无碱铝硼硅酸盐玻璃性能的影响,以及碱土金属氧化物CaO和SrO相互替代对无碱铝硼硅酸盐玻璃工艺性能的影响,研究结果表明:（1）颗粒均匀且粒度小于75μm的石英砂适合作为熔制无碱铝硼硅酸盐玻璃化学组成中SiO₂的引入原料,在玻璃熔制过程中不会出现“富硅氧层”,符合TFT-LCD基板玻璃的熔制要求;（2）在无碱铝硼硅酸盐玻璃中掺入稀土氧化物Y₂O₃,可以改善玻璃的网络结构,提高玻璃的热膨胀系数、特征粘度参考点温度以及玻璃的密度,且Y₂O₃在无碱铝硼硅酸盐玻璃中的最佳外添加量为0.80 wt.%,继续增大添加量不会提高玻璃的各项性能。（3）在无碱铝硼硅酸盐玻璃中保持碱土金属氧化物总量为10.34 wt.%不变时,调节玻璃化学组成中的氧硅比在2.44和2.45之间时,可以使所设计的无碱铝硼硅酸盐玻璃的热膨胀系数达到α50/300=32×10^-7/℃。（4）在无碱铝硼硅酸盐玻璃化学组成（wt.%）为SiO₂ 63.20%,Al2O3 17.30%,B2O3 8.00%,（SrO+CaO）10.34%,Y2O3 0.80%,SnO₂ 0.16%,保持碱土金属氧化物总量不变时,逐渐用SrO替代CaO,随着n（SrO）/n（CaO）比值的增大,无碱铝硼硅酸盐玻璃的高温粘度逐渐增加,玻璃的工作温度和熔融温度逐渐增大,玻璃的成形温度范围也逐渐增大,玻璃的密度也逐渐增大,且玻璃的密度保持在2.41 g/cm³～2.46 g/cm³之间,符合TFT-LCD基板玻璃轻薄化发展的要求;玻璃的热膨胀系数逐渐减小,但热膨胀系数保持在29×10^-7/℃～38×10^-7/℃之间,玻璃的特征粘度参考点温度和显微维氏硬度呈现出先增大后减小并逐渐趋于平衡的趋势,并在n（RO）/n（Al₂O₃）=0.96时达到了极大值,且应变点温度均大于710℃,显微维氏硬度大于640 kgf/mm²,符合TFT-LCD基板玻璃热膨胀性能和耐热性的要求,且玻璃的耐化性优良。本论文通过研究TFT-LCD基板玻璃的化学组成及其工艺性能,为研究开发具有自主知识产权的适用于TFT-LCD用环保型无碱铝硼硅酸盐玻璃化学组成奠定了基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-24
  1.1 TFT-LCD 基板玻璃文献综述  10-17
    1.1.1 TFT-LCD 基板玻璃的背景介绍  10-12
    1.1.2 TFT-LCD 基板玻璃的性能要求  12-14
    1.1.3 商用TFT-LCD 基板玻璃的化学组成  14-16
    1.1.4 国内外TFT-LCD 基板玻璃的发展状况  16-17
  1.2 国内外的研究现状及进展  17-21
    1.2.1 TFT-LCD 基板玻璃基础理论研究  17-18
    1.2.2 TFT-LCD 基板玻璃产品开发与应用研究  18-19
    1.2.3 TFT-LCD 基板玻璃存在的问题  19-21
  1.3 本课题的主要研究内容  21-24
    1.3.1 研究目标和意义  21
    1.3.2 研究内容与思路  21-22
    1.3.3 研究特点与创新  22-24
第2章实验过程与性能测试  24-40
  2.1 实验过程  24-28
    2.1.1 实验原料与配料  24-25
    2.1.2 实验仪器与设备  25
    2.1.3 实验温度制度  25-27
    2.1.4 实验工艺流程  27-28
  2.2 玻璃的性能测试  28-40
    2.2.1 玻璃热膨胀系数的测试  28-29
    2.2.2 低温特征粘度点的测试  29-31
    2.2.3 高温粘度的测试  31-32
    2.2.4 玻璃液相线温度的测试  32-34
    2.2.5 玻璃成形温度范围  34-35
    2.2.6 玻璃的熔化澄清效果评价  35
    2.2.7 玻璃密度的测试  35-36
    2.2.8 显微硬度的测试  36-37
    2.2.9 耐化性的测试  37-38
    2.2.10 玻璃性能测试与相关标准  38-40
第3章 TFT-LCD 基板玻璃的化学组成设计  40-60
  3.1 TFT-LCD 基板玻璃化学组成的设计原理  40-42
  3.2 TFT-LCD 基板玻璃中各化学组成的作用  42-43
  3.3 玻璃配合料原料的选择  43-50
    3.3.1 澄清剂的选择  43-44
    3.3.2 硅砂原料的选择  44-49
    3.3.3 原料的挥散对玻璃化学组成的影响  49-50
  3.4 Y_20_3 对玻璃性能的影响  50-54
  3.5 α=32×10~(-7)/℃的玻璃化学组成设计  54-58
  3.6 本章小结  58-60
第4章 SrO/CaO 比对TFT-LCD 基板玻璃工艺性能的影响  60-78
  4.1 不同SrO/CaO 比化学组成设计  60-62
  4.2 不同SrO/CaO 比对工艺性能的影响  62-74
    4.2.1 对玻璃热膨胀系数的影响  62-64
    4.2.2 对低温特征粘度参考点的影响  64-65
    4.2.3 对高温特征粘度参考点的影响  65-68
    4.2.4 对玻璃成形温度范围的影响  68-69
    4.2.5 对玻璃澄清效果的影响  69-70
    4.2.6 玻璃的特征温度-粘度工艺曲线  70-72
    4.2.7 对玻璃液相线温度的影响  72-74
  4.3 不同SrO/CaO 比对玻璃其他性能的影响  74-77
    4.3.1 对玻璃的密度及显微硬度的影响  74-75
    4.3.2 对玻璃耐化性的影响  75-77
  4.4 本章小结  77-78
结论与展望  78-80
参考文献  80-86
附录A  86-87
附录B  87-88
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  88-90
致谢  90

TFT-LCD基板玻璃配方及工艺性能研究

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