专利名称：显示用薄型平板玻璃及将该薄型平板玻璃切割成显示板的方法
技术领域：
本发明涉及一种采用激光切割光束尤其通过Nd:YAG激光器的切割光束而具有改进切割性能的显示用薄型平板玻璃。
本发明还涉及一种将该薄型平板玻璃切割成显示板的方法。
背景技术：
对于很多技术应用场合来说，需要不同尺寸和轮廓的薄型平板玻璃片。此外，一种特别现实而有实际意义的应用场合是用于显示目的的薄玻璃片，尤其是用于移动电话显示元件、电视机和计算机的显示屏，以及数字相机和便携式摄像机。这类显示玻璃的厚度数量级为毫米，其中包括低至0.2mm的更小厚度趋势。
平板玻璃常规切割方法的主要步骤是，借助金刚石或带有金属刃的切割小齿轮，先在玻璃上形成划痕(Ritzspur)，以便接着使玻璃在外加机械力作用下沿所产生的破断敏感部位折断(刻痕折断法)。这种方法的不足之处是，划痕使颗粒(碎渣)从表面脱落下来，可以积聚在玻璃上，并能在玻璃上比如引起刮痕。同样，断缘(Schnittkante)上还能产生所谓的贝壳状断纹(Ausmuschelungen)，使玻璃边缘不平整。除此之外，刻划痕迹时断缘中产生的微裂缝还导致部件机械强度或负荷能力减小，也就是说，导致所分割部件的破裂危险提高。因此，断缘须予随即研磨、抛光，这又要对玻璃基体进行清理。
激光切割技术与这种工本大的机械方法相比，省却了研磨工序和抛光工序，从而在切割玻璃时，省却了随即的玻璃基体清理工序。在激光切割技术中，将聚焦激光束与后随的骤冷(Kühlspot)相结合，通常借助扫描仪沿分割线进行切割，其中聚焦激光束局部加热与外部冷却相结合，诱发热机械应力直至超过材料断裂强度。在此情况下，不但可以先用激光束割破(ritzen)玻璃，以便随后结合机械力所致的起始裂缝(Startriβ)，也称划痕(Anritz)或初始裂缝(Initialriβ)；而且也可以直接地完全用激光束割开玻璃，也即切割玻璃。这种激光束切割技术，可由许多文献资料得知，例如EP 0 872 303 A2、US-A-5,609,254及EP 0 062 484 A1，这些专利的公开内容在此特别强调一并并入本文资作参考。故而在此不需再予详述。
用CO2-激光器，可通过激光诱导的应力释放(Spannungstrennug)，成功地切割玻璃片。此时，激光束产生所希望的轮廓，激光能量沿切割线将玻璃局部加热，并且蒸发一部分玻璃成分。通过即刻冷却，在玻璃中产生热应力，使玻璃片在所需部位上破裂。同常规刻痕和折断技术一样，采用CO2-激光器时也需要刻痕和折断这两步工序。但由于边缘质量大有改进，所以常规机械切割时必需的研磨和洗涤工序在此就不必采用。
另外一种激光切割法利用固体激光器，尤其是用Nd:YAG激光器，在运用“多重激光束吸收”(MLBA)的条件下进行工作。举例来说，这种技术在EP 1341 730 B1中作了记叙。跟CO2-激光辐照(在10.6μm波长下，远红外区)相反，Nd:YAG激光器发出的辐照(在1,064μm波长下，近红外区)仅被玻璃很少量吸收，并转变成热能。借助一种能将光束多次通过玻璃反射的光学系统，则可使被吸收的辐照能量倍增，导致局部加热膨胀。经此过程诱发的热应力一直被提高，直至达到玻璃的临界应力极限为止。因此，此时形成的应力裂纹可用激光器有控制地加以引导。由于玻璃材料仅在一步工序中就完全切割，所以这种MLBA法可以省却了后续的折断工序。因为完全没有微裂缝和玻璃碎渣，故而所得断缘的质量可研磨和抛光过的玻璃边缘与媲美。由于因此而不需在研磨和抛光工序之后对玻璃产品进行清洗，所以不仅节省了加工时间，而且还节省了必需的装置、设备、洗涤附加机件等。此外，由于不存在微裂缝或碎渣，还可比常规玻璃切割时获得更高的元件强度。不仅钙-钠玻璃和硼硅酸盐玻璃，而且涂有覆层的玻璃、化学腐蚀过的玻璃，以及化学预应力的玻璃都可以在0.3～12mm厚度时效果良好地切割。当波长10.6μm的CO2-激光器辐照所有种类的玻璃时，在各初始表面层中已被吸收掉，后续的机械折断步骤倒是必不可少，而Nd:YAG激光器在玻璃中进行辐照，吸收却非常小。由于这种微小吸收，正常用于波长1,064μm光的玻璃用已知的MBLA法，通过同一位置上多次透射产生足够大的功率输入。为此所需的光学系统借助反光镜来工作，该反光镜置于玻璃片低下，激光光线重又透过玻璃反射回来。
根据已知公式
-lnτi=(ϵ0+Σi=1nϵici)d]]>(等式1)在一定波长下，吸收量-ln τi(τi为玻璃的内透射)与玻璃试样的厚度d、主透镜的消光ε0与某一种(或多种)吸光性玻璃组分i的消光εi以及浓度ci有关。因此，在MBLA法中，通过有目的地延长光路来实现足够高的吸收，这在形式上相当于增大了参数d。在玻璃厚度非常薄时，例如对于显示用途的玻璃片而言厚度为0.7mm，需要很多光路(激光束反射)，来确保玻璃分裂所需的足够吸收。由于必要的辐照光路很多，所以对断缘进行加热则需要较长时间，这就不利地限制了切割加工时间，由此也不利地限制了生产的经济性。
本发明赖以为基础的目的是，这样来完善本说明书开头所述用于显示目的的薄型平板玻璃特别借助Nd:YAG激光器和MBLA法，能使该玻璃比现有技术更快地加热，并因而更快地切割。
本发明用于显示目的的薄型平板玻璃这样来成功地解决上述目的的技术问题为通过激光束来改进平板玻璃的切割性能，该平板玻璃组合物含有至少一种能有效吸收1,064μm波长辐照的附加玻璃组分。
正如试验所表明，由于按照MBLA法多次反射，玻璃中不再存在该玻璃组分的添加物，这使激光能量，尤其是Nd:YAG激光器的激光能量在玻璃中更好地传递，这就导致断缘更快加热，并从而最终导致更快的切割过程。在由硼硅酸盐玻璃制造的TFT(TFT＝薄膜晶体管)显示玻璃情况下，尤其希望这样，因为在此情况下，由于仅只0.7mm的典型小的玻璃厚度和达到约3ppm/K的微小热膨胀，产生切割所必需的热应力要比例如在比较厚(数毫米)和高膨胀(约9ppm/K)的钙-钠-玻璃情况下明显困难得多。
在这一层关系上，1,064μm辐照的有效吸收应当意味着，附加玻璃组分的吸收≥0.001。
按照本发明的一个实施方案，附加玻璃组分由氧化钐(Sm2O3)构成，也即该实施方案涉及氧化钐在平板玻璃中作助剂以改善用Nd:YAG激光器进行切割的切割性能方面的应用。在此情况下，为显著改进可切割性能起见，添加0.001～5％(重量)氧化钐就足够了。
钐是元素周期表中一种已知的化学元素，元素符号为Sm，原子序数为62。这种具有银白光泽的元素在周期表中属镧系元素，也属稀土金属。它与氧反应生成所谓的倍半氧化物Sm2O3(氧化钐)。
钐在技术上有着多种多样的用途。根据公开版权的百科全书Wikipedia，氧化钐以及其他钐的化合物一般添加到光学玻璃中，按照滤光效应用来吸收红外光。但未见关于含有附加氧化钐的平板玻璃借助Nd:YAG激光器经有目的地加热可以改进切割性能的提示。
钐也可以添加到某些玻璃中，用以改进图像对比度。举例来说，US 4,769,347这样记载了一种用于阴极射线彩色显像管荧光屏的着色玻璃，该种玻璃含有至多3％(重量)的Sm2O3，用以改进图像对比度。在该专利中，利用了这种具有小的吸收强度并且另外还掺杂Er2O3的玻璃。JP 61083645 A还另外记叙了一种用于提高对比度的彩色电视眼镜的含钐的玻璃组合物，其中钐特别用作着色组分。
US 3,216,308记载了一种吸收中子的玻璃，其中含有2～25％(重量)范围的钐添加剂，用以改进中子吸收能力。
此外，含钐玻璃还用来制造Nd:YAG激光器的所谓流量管(Flowtubes)，用以衰减横对YAG棒发射的1,064μm波长激光光线。这里涉及的也是滤光效应，而不涉及有目的地在玻璃中加热。
最后，在光学开关电路小型化方面的研究中，由于玻璃中钐离子的化合价能通过将激光辐照到非常小的玻璃体中而可逆改变，所以把含钐玻璃用于玻璃块上光波导体直接书写。在此情况下，含钐玻璃在室温下持续进行光谱洞烧，并可用于全息光学存储器。
在切割不含碱金属玻璃制造的平板玻璃时，本发明的措施起着特别有利的作用。
按照本发明的另一个实施方案，用不含碱金属的硼硅酸盐玻璃制造的平板玻璃组成为(重量％)
向待切割玻璃中添加一定量在1064nm波长处具有吸收作用的附加组分(这里为Sm2O3)之后，为了测量吸收量提高的程度，将8个具有表1和表2所列不同组成的铝硼硅酸盐玻璃实施例予以熔融，并进行光谱测量，下面还借助
图1和图2中的两个曲线图来阐明测量吸收量提高的程度。此外，图1还示明就两种波长而言，最大切割速度对Sm2O3含量的依赖关系。图2示明内部透射对可达到的最大切割速度的影响。
附图的简要说明图1示明最大切割速度对Sm2O3含量的依赖关系。
图2示明内部透射对可达到的最大切割速度的影响。
表1
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将组成为惯常不计及的无法避免杂质、基本上是不含碱金属的原料，的表中的硼硅酸盐玻璃置于在煤气加热的石英坩锅中，在1620℃下熔融120分钟。在该温度下，将熔体精炼90分钟，然后在1580℃下，转移到感应加热的白金坩锅中。在1520℃下将熔体再搅拌45分钟，使之均质化。以20℃/分钟的冷却速度，从730℃起使浇注后的玻璃块冷却。
由室温下厚度为“d”的玻璃块上测得的透射光谱可得知下列参数，将之列入表中·根据最佳标示玻璃颜色色板几何位置(Farborte)的CIELAB体系笛卡尔坐标中的色值L*(辉度＝亮度)、a*(绿/红-轴)与b*(蓝/黄-轴)，也就是说，按照相应于所属CIELAB体系极座标，对于标准光D65和10°标准观察员以及由此得出的色度值C*(色饱和、杂色)以及色调角h°(色调)。
·透射值恰好为50％时观察的波长WL50％0.7mm。
·波长为1064nm时的透射T1064nm0.7mm。
由实施例2可见，仅仅掺杂氧化钐就能明显减低1064nm处的透射，因而按照等式(1)，提高了吸收。仅掺杂氧化钐就在1064nm处产生吸收带，而其他可比较的稀有氧化物则在该区域不吸收。在这些实施例中，氧化钐的重量百分含量为1-0-2-1。限制因数(Der begrenzende Faktor)是颜色掺杂(Farbverf_lschung)(黄色玻璃)和配料费用。正如表中的a*、b*及C*数值所示，这些值与无色玻璃接近。
表1所列组成的玻璃样品用Nd:YAG激光器按MBLA法进行实验性切割。可以观察到断缘很快被加热，也就是说，玻璃样品的可切割性能提高了。虽然，低膨胀系数的不含碱金属玻璃硬度(Glassst_rke)小，但是断缘质量非常好，没有肉眼可见的微裂缝、贝壳状断纹或者玻璃碎渣。
表2
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在另一系列试验中，按前述方法制备了另外组成示如上列表2的范例玻璃(实施例5～8)；实施例9中的玻璃是一种(未掺杂的)TFT玻璃，在试验中作对比之用。
由玻璃块制造尺寸为130mm×65mm×0.7mm的玻璃片。由室温下测得的透射光谱得知下面的参数，并列于表2。表中，Ti表示“内”透射，可经下式校正反射衰耗后，由测得的透射值T算得Ti＝T/P，式中P＝2n/n2+1)，式中n表示折射值。
然后，用激光器按MBLA法切割玻璃片。在此情况下，将以mm/min为单位计的、用1064nm波长和1030nm波长所达最高切割速度Vmax1064nm和Vmax1030nm记录下来。未掺杂的对比玻璃(实施例9)用所选择的设定条件不能切割(Vmax＝0)，将激光器功率提高到750瓦也不能切割。相反，掺杂Sm2O3的玻璃(实施例5～8)，在激光功率为500瓦时就能以高切割速度分割。甚至在仅为0.1％(重量)Sm2O3的小掺杂量(实施例5)情况下，也能切割。Sm2O3含量更高时，可以实现更大的切割速度。此种情况下，最大切割速度对Sm2O3含量的依赖关系示如图1。图中，上面的曲线是关于1064nm波长的。图2示明了内透射Ti对可达到的最大切割速度的影响。在工作波长范围内(1030或1064nm)，通常未掺杂玻璃上测得的内透射约为0.995，不足以在玻璃中进行激光功率输入耦合。只有内透射小于0.985才开始进行在玻璃中激光功率输入耦合，从而可切割玻璃片。
本发明的另一个方面是在玻璃中附加二氧化钛和二氧化铈(ceroxid)，以阻挡紫外线辐照。紫外线吸收光谱端，以WL50％0.7mm表征，会向较长波长偏移，也就是说，有害的紫外线因而不能透射玻璃。这在一些要求材料具有良好长时间稳定性的应用场合有着诸多优点，特别是有机化合物可以经过长久紫外线辐照作用才变质。
玻璃掺杂Sm2O3、TiO2或CeO2一般或多或少会显著着上黄色，这会导致颜色掺杂。正如由实例玻璃的低色度值可见，由于掺杂量比较小，而且玻璃厚度小，这种配色效应倒是可以忽略不计。
薄型平板玻璃的厚度(st_rke)数量级为毫米，优选在12mm～0.2mm范围内。结合MLBA技术，本发明创造了一种特种掺杂硼硅酸盐玻璃分割技术，该技术允许堆叠玻璃，例如还有分开放置的移动电话光电显示元件的显示板，或者相应的厚的平板玻璃，经一步工序，不经后续折断过程和加工过程即能分割。
权利要求
1.显示用薄型平板玻璃，其特征在于，该平板玻璃的玻璃组合物中含有至少一种有效吸收波长1,064μm辐照的附加玻璃组分，以便用激光切割束改进其可切割性能。
2.权利要求1所述的平板玻璃，其特征在于，所述附加玻璃组分由氧化钐(Sm2O3)构成。
3.权利要求2所述的平板玻璃，其特征在于，添加0.001～5重量％的氧化钐。
4.权利要求1至3中任何一项所述的平板玻璃，其特征在于，该玻璃系不含碱金属的玻璃。
5.权利要求3及4所述的平板玻璃，该玻璃包括一种不含碱金属的玻璃，以重量％计，其组成为
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6.权利要求1至5中任何一项所述的平板玻璃，其特征在于，还添加二氧化钛及/或二氧化铈。
7.权利要求6所述的平板玻璃，该玻璃含有1～2重量％二氧化钛和0.5～1重量％二氧化铈。
8.权利要求1至7中任何一项所述的平板玻璃，其特征在于，所述平板玻璃厚度为毫米数量级。
9.权利要求8所述的平板玻璃，其特征在于，所述平板玻璃厚度在12mm至0.2mm的范围之内。
10.平板玻璃的切割方法，该玻璃组合物包含至少一种附加玻璃组分，在使用Nd:YAG激光器聚焦辐照的条件下，显示板中的该附加玻璃组分显著吸收1,064μm波长的辐照。
11.权利要求10所述的方法，该方法使用“多重激光束吸收(MLBA)”技术来进行。
全文摘要
显示用薄型平板玻璃通常借助聚焦激光束分割成所需的显示屏。在此情况下，借助Nd∶YAG固体激光器，可以不采用后续的碎裂步骤就可直接切割平板玻璃。为了借助激光切割束改进平板玻璃的可切割性，本发明规定该玻璃组合物含有至少一种附加的玻璃组分，该玻璃组分有效吸收波长1,064μm的辐射。在此情况下，优选的是，附加玻璃组分由氧化钐(Sm
文档编号C03C3/093GK1974452SQ20061014229
公开日2007年6月6日 申请日期2006年7月6日 优先权日2005年7月6日
发明者P·布里克斯, T·查豪, W·贝尔, R·利巴尔德, D·斯普伦格 申请人:肖特股份有限公司