CN102173565B - 使用控制的冷却制造玻璃片的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种以玻璃流动速率FR制造玻璃片的熔融下拉机及其方法，该熔融下拉机包括：(a)在下部顶点会聚的成形表面；(b)在玻璃片中形成刻划线的分离设备。该方法包括：使熔融玻璃以流动速率FR从会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，冷却玻璃片，并在玻璃片中形成刻划线。该刻划线与所述顶点隔开距离D_SL。D_SL和FR满足以下关系：D_SL/FR≤8·(1.0+0.1·(T_s-667))，式中T_S是玻璃的应变点，单位为℃，D_SL单位为英寸，FR单位为磅/小时/英寸。上述熔融下位机和方法可有效应用工业上。

Description

使用控制的冷却制造玻璃片的方法

本申请是国际申请号为PCT/US2006/028461，国际申请日为2006年7月21日的PCT国际专利申请进入中国阶段后的国家申请号为200680026657.9，发明名称为“使用控制的冷却制造玻璃片的方法”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及形成玻璃片(玻璃带)的方法，具体来说涉及一种形成玻璃片的方法，该方法在形成玻璃片的位置(例如溢流管(isopipe)的根部)与从所述玻璃片上分离独立的基片的位置(例如对所述玻璃带进行刻划，作为分离工艺的初始步骤的位置)之间进行控制的冷却。

背景技术

液晶显示器(LCD)形式的玻璃显示板正在被越来越多地用于各种用途-从手持式个人数据助手(PDA)到计算机监视器到电视显示器。这些应用需要具有原始的无缺陷表面的玻璃片。LCD由至少若干玻璃薄片组成，这些玻璃薄片密封在一起，形成封套。人们非常需要组成这些显示器的玻璃片在切割的时候不会发生变形，从而在元件之间保持合适的配准或对齐。可能冻结在玻璃中的残余应力，如果因为将玻璃切割成较小的部分而释放，则可能会造成玻璃的变形，还可能造成合适的配准的损失。

通常LCD为无定形硅(α-Si)薄膜晶体管(TFT)类或多晶硅(ρ-Si或多-Si(poly-Si))TFT类。多-Si具有高得多的驱动电流和电子迁移率，从而缩短像素的响应时间。另外，可以使用ρ-Si工艺，直接在玻璃基片上建立显示器驱动电路。相反，α-Si需要分立的驱动器芯片，这些芯片必须使用集成电路封装技术连接在显示器周围。

从α-Si到ρ-Si的发展对玻璃基片的使用提出了很大的挑战。多-Si涂层需要比α-Si高得多的处理温度，为600-700℃。因此，玻璃基片在此温度下必须是热稳定的。热稳定性(即热压缩或热收缩)取决于特定玻璃组合物的固有粘度性质(通过其应变点表示)和由制造工艺决定的所述玻璃片的受热历程。高温处理(例如多-Si TFT所需的)可能需要对玻璃基片进行长时间加热处理，以确保低压缩，例如在600℃加热5小时。

制备用于光学显示器的玻璃的一种方法是采用溢流下拉法(也称为熔融下拉法)。该方法得到的原始表面质量堪与文献中所述的浮法和狭缝技术之类的其它工艺相媲美。美国专利第3,338,696号和第3,682,609号(Dockerty)揭示了一种熔融下拉法，该方法包括使熔融玻璃从成形楔形件(通常称为溢流槽)的边缘或堰上流过，这些文献全文参考结合入本文中。同样还参见美国专利公开第2005/0268657号和第2005/0268658号，这些专利的全部内容也都参考结合入本文。所述熔融玻璃在所述溢流槽的会聚成形表面上流过，在两个会聚的成形表面相遇的顶端即根部，独立的物流重新结合，形成玻璃带或玻璃片。因此，与成形表面接触的玻璃位于玻璃片的内部，而玻璃片的外表面是无接触的。所述玻璃片在展开的同时，在重力和牵拉设备的作用力之下，厚度减小。具体来说，将牵拉辊置于溢流槽根部的下游，俘获所述玻璃带的边缘部分，以调节所述玻璃带离开溢流槽的速率，从而帮助确定完成的玻璃片的厚度。所述牵拉设备位于下游足够远处，使得玻璃片在牵拉时已经冷却，具有足够的刚性。所述接触的边缘部分以后从完成的玻璃片除去。在玻璃带从溢流槽下降通过牵拉辊的时候，其冷却形成固态的弹性玻璃带，然后将该玻璃带切割形成较小的玻璃片。

所述熔融下拉生产线的建设需要相当大的资本投入。由于由这种生产线制造的基片通常用来制造消费产品(见上文)，因此一直存在需要降低成本的压力。这些成本降低可通过以下方式完成：提高生产线的产量和/或降低建设生产线的成本，例如基建成本等。如下文所讨论，本发明的各种方面可用来实施这些成本降低方法中的一种或两种，即本发明的这些方面可以用来加快牵拉速度，从而提高生产线的生产能力，以及/或者可用来缩短生产线的总体长度，例如形成玻璃片的溢流槽根部与基片从玻璃片分离的牵拉底部之间的垂直高度。(本领域已知，在基片从玻璃片分离之后，对基片进行进一步的处理，例如除去基片侧边的珠粒部分，将其再分成更小的玻璃片材，边缘研磨等，然后用来制造例如液晶显示器。在本文和本领域中，词语″基片″表示任意进一步处理之前的从玻璃带上分离下来的独立的玻璃块料(pane)，以及LCD制造者使用的最后的基片，从上下文可以很明显地看出应使用何种含义。)

用于制造液晶显示器的玻璃基片的热不稳定性是本领域中一个长期存在的问题。为了解决这个问题，玻璃制造者经常在将玻璃基片运输给消费者之前，对玻璃基片进行热处理，使得玻璃片在消费者的使用过程中不会发生收缩，或者收缩程度极小。这种热处理被称为″预收缩″或″预压缩″。所述热处理包括对基片进行进一步处理，这样会增大对基片表面造成破坏的机会，也会提高总体制造成本。

定量来说，压缩是玻璃基片因为热循环造成的玻璃结构的细微变化导致的每单位长度的长度变化(即压缩是玻璃的加热历程造成的应变)。可通过以下方式物理确定压缩程度：在玻璃基片上设置两个标记，测量这些标记之间的初始距离。然后对基片进行热处理循环，返回室温。然后再次测量这些标记之间的距离。然后通过下式给出压缩，单位为百万分之分数(ppm)：

压缩＝10⁶·(之前的距离-之后的距离)/(之前的距离)

可使用各种热处理循环来模拟在例如制造液晶显示器的过程中基片将会经历的加热和冷却。可用来确定玻璃基片预期的压缩的合适的加热处理循环的例子列于下表(见表4)。

除了对玻璃基片进行物理测量以外，还可使用计算机模型模拟玻璃材料在上述温度下处理上述时间的时候的应力弛豫，从而预测压缩。这些模拟的例子可参见Buehl，W.M.和Ryszytiwskyj，W.P.的“Thermal Compaction Modeling ofCorning Code 7059 Fusion Drawn Glass”，SID International Symposium，Digest ofTechnical Papers，SID 22，667-670(1991)。还可参见Narayanaswami，O.S.的″Stress and structural relaxation in tempering glass″，J.Amer.Ceramic Soc.，61(3-4)146-152(1978)。这些模型都是半经验的模型，对特定种类玻璃进行的各种热循环所得到的应变测量值进行拟合，然后使用该拟合预测相关加热历程的压缩，例如表4所示种类的加热历程。下面所列出的压缩数据是使用半经验模拟法而非物理测量得到的。

由于压缩是一种重要的最终客户指标，在历史上，随着流速的加快，即生产量的提高，人们将熔融法直线地放大，以使得在温度方面有足够的时间，以保持与流速加快之前的最终基片相同的压缩。尽管这种方法确实能够生效，但是其存在一些严重的缺陷，需要溢流槽根部和从玻璃片上分离基片的位置之间具有更长的距离。这些更长的距离占用了额外的地皮和资本。诚然，由于现有设备的物理约束条件，这种处理压缩的方法可能会限制特定玻璃成形设备可用的最大流速。将流速提高到超过这些历史性约束和物理约束的程度，将会获得显著而重要的成本方面的益处。

目前实施的熔融牵拉法的另一个局限涉及处理的玻璃的材料性质。众所周知当初始处于熔融态的玻璃组合物在较低温度下很长时间的时候，将会开始形成晶相。开始形成晶相的温度和粘度分别称为液相线温度和液相线粘度。

如目前已知和正在实施的，当使用熔融牵拉法的时候，需要使得离开溢流槽的玻璃的粘度保持在大于约100,000泊，更优选大于约130,000泊。如果玻璃的粘度约低于100,000泊，则玻璃片的质量会降低，例如关于保持玻璃片平坦度和在玻璃片的宽度上控制玻璃片厚度的方面，这些制得的玻璃片不再适于显示器应用。

根据此实施方式，如果在一定的条件下对液相线粘度约小于100000泊的玻璃组合物进行处理，使得玻璃片具有足够的尺寸质量，则在溢流槽上可能会产生失透，导致在玻璃片中形成晶体颗粒。这是显示器玻璃应用所不能接受的。

发明内容

本发明第一个方面(“快速冷却”方面)的实施方式提供了一种用来制造玻璃片的方法，该方法包括使熔融玻璃从会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，以一定的速率冷却所述玻璃片，使得在所述下部顶点与玻璃片达到最终形成的厚度位置的玻璃片上位置之间，玻璃片的平均热通量等于或大于40,000瓦/米²。

本发明的第一个方面还提供了一种制造玻璃片的方法，该方法包括使熔融玻璃在会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，以一定的速率冷却所述玻璃片，使得粘度随距离的平均变化速率R等于或大于6.0米^-1，其中R由下式得到：

R＝(log₁₀(μ_最终厚度/泊)-log₁₀(μ_顶点/泊))/D

式中：

(a)μ_顶点是下部顶点处玻璃片中线的粘度，

(b)μ_最终厚度是玻璃片达到最终厚度处的中线的粘度，

(c)D是所述两种粘度之间，沿中线的距离，

(d)所述粘度的单位为泊。

根据以上实施方式的某些应用，玻璃的液相线粘度约小于100,000泊；优选约小于80,000泊；更优选约小于50,000泊。

根据本发明第一个方面的一个实施方式，所述玻璃片优选以约高于12磅/小时/英寸、更优选约高于15磅/小时/英寸、最优选约高于20磅/小时/英寸宽度的流密度形成，在下部顶点下方约400毫米以内的距离内达到与其最终厚度相差1.5％以内。较佳的是，所述玻璃片在下部顶点下方大约300毫米以内的距离达到其最终厚度。该方法还可包括对所述玻璃片施加至少约50牛/米的总牵拉作用力。所述会聚的成形表面的顶点可通过加热元件进行加热。

较佳的是，所述平均热通量标准和R标准都满足，但是在一些情况下，在本发明第一方面的特殊应用中，仅一项标准得以满足。

本发明第二个方面(“缓慢冷却”方面)的实施方式提供了一种制造玻璃片的方法，该方法包括使熔融玻璃在会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，冷却所述玻璃片，使得随着玻璃片中线的粘度从10¹¹泊增大到10¹⁴泊，玻璃片的平均热通量小于或等于20,000瓦/米²。

本发明的第二个方面还提供了一种制造玻璃片的方法，该方法包括使熔融玻璃在会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，以一定的速率冷却所述玻璃片，使得随着玻璃片中线的粘度从10¹¹泊增大到10¹⁴泊，粘度随距离的平均变化速率R_11-14小于或等于4.0米^-1，其中R_11-14由下式得到：

R_11-14＝3/DX

式中D_11-14是所述两种粘度之间，沿中线的距离。

较佳的是，所述平均热通量标准和R标准都满足，但是在一些情况下，在本发明第二个方面的特殊应用中，仅一项标准得以满足。

本发明第三个方面的实施方式提供了一种加快通过熔融下拉机制得玻璃片的速率的方法，所述机器包括成形楔形件，所述方法包括(a)加快熔融玻璃从所述成形楔形件溢流的速率，(b)加快在所述玻璃片离开所述成形楔形件的时候的初始冷却速率。根据本发明这个方面的某些应用，在形成玻璃片的玻璃的粘度从10¹¹泊增大到10¹⁴泊的玻璃片区域中，减小玻璃片的冷却速率。

本发明第四个方面的实施方式提供了一种用来加快从熔融下拉机制造玻璃片的速率的方法，该方法包括加快所述熔融玻璃流过所述熔融下拉机的流速，改变所述玻璃片的粘性、粘-弹性和弹性区域的相对长度。

本发明第五个方面的实施方式提供了一种用来加快由熔融下拉机制造玻璃片的速率的方法，该方法包括提高从玻璃片上分离基片时的温度。

本发明第六个方面的实施方式提供了一种用来制造玻璃片的熔融下拉机，其包括：

(a)在下部顶点会聚的成形表面；

(b)与所述下部顶点隔开距离D_PR的牵拉辊；

(c)分离设备，该设备在玻璃片中形成刻划线，所述刻划线与所述顶点隔开距离D_SL；

其中：

D_PR/D_SL≥0.5.

本发明第七个方面的实施方式提供了一种以玻璃流动速率FR制造玻璃片的熔融下拉机，其包括：

(a)在下部顶点会聚的成形表面；

(b)在玻璃片中形成刻划线的分离设备，所述刻划线与所述顶点相隔距离D_SL；

D_SL和FR满足以下关系：

D_SL/FR≤8·(1.0+0.1·(T_s-667))，

式中T_S是玻璃的应变点，单位为℃，D_SL单位为英寸，FR为磅/小时/英寸。

本发明第八个方面的实施方式提供了一种用来制造玻璃片的熔融下拉机，其包括：

(a)具有下部顶点的成形楔形件；

(b)与所述成形楔形件相邻的冷却部分，其设置形式使得从所述成形楔形件拉制的玻璃片以一定的速率冷却，在所述下部顶点与玻璃片上该玻璃片达到最终形成厚度位置之间，玻璃片的平均热通量等于或大于40,000瓦/米²。

通过参照附图，通过以下非限制性的说明性描述，可以更容易理解本发明，而且本发明的其它目标、特征、细节和优点将会更清楚。所有这些另外的系统、方法、特征和优点都包括在该描述中，包括在本发明范围之内，受到所附权利要求书的保护。另外，应当理解本说明书和附图中揭示的本发明各种方面和实施方式可以以任意和全部的组合的形式使用。

附图说明

图1是熔融下拉设备的部分截面透视图。

图2是熔融下拉片材成形法的常规冷却曲线图。

图3是为了获得优良的基片和/或生产性质设计的特殊冷却曲线与图2的标准冷却曲线相比较的曲线图。

图4是三条冷却曲线图，其中″0″曲线是标准曲线，曲线″1″和″2″是为了获得更佳基片质量设计的冷却曲线。应当注意曲线″0″的进口温度低于曲线″1″和″2″。

图5是图4的曲线0、1和2的log₁₀(粘度/泊)和与溢流槽根部的距离之间的变化关系曲线图。

图6A是图4的曲线0(情况0)以及三条曲线的log₁₀(粘度/泊)和与溢流槽根部的距离之间的变化关系曲线图，所述三条曲线的冷却速率所得的减小的压缩与情况0类似。图6B显示了相同的数据，纵轴为温度而非log₁₀(粘度/泊)。

图7是对于标准情况(情况A)，玻璃片厚度作为温度的函数的曲线图。

图8是对于标准情况(情况A)，玻璃片厚度作为与根部之间距离的函数的曲线图。

图9显示了在标准情况下(情况A)，重力和牵拉辊产生的牵拉作用力的曲线图。

图10是通过下拉法拉制玻璃片的四个类似的假想实施例的工艺参数的图表。

图11是对于图10的四种假想情况，玻璃片厚度作为与熔融下拉设备根部之间距离的函数的曲线图。

图12是对于图10的四种假想情况，排热(热通量)作为与下拉设备根部之间距离的函数的曲线图。

图13是根据本发明一个实施方式的熔融牵拉设备的截面图，显示了加热器和/或冷却装置的设置。

图14是根据本发明另一个实施方式的熔融牵拉设备的截面图，显示了加热器和/或冷却装置的设置。

图15将本文揭示的本发明设备的规模(scaling)(右边的图片)与现有技术设备的规模(中间的图片)相比较。这两种设备的规模都应用于左边图片的现有技术方法。图中的缩写″ER″和″PR″分别表示边缘辊和牵拉辊。

图16显示了对于10℃的增量，停留时间增大50％(菱形数据点)以及减小50％(方形数据点)得到的压缩的变化与情况0的冷却曲线(三角形数据点)相比较。左边的纵轴显示了与溢流槽根部之间的距离，单位为英寸，用三角形数据点表示，右边的纵轴表示压缩的改进，单位为％。

图17显示了使用较热的切断温度(刻划线温度)以获得较高的流速，同时使得压缩，牵拉辊(PR)速度以及根部至牵拉辊的距离(D_PR)保持恒定。

图18是显示应变点的升高使得流动增大的曲线图，即乘以流量倍数，同时不会增大由玻璃片形成的基片的压缩。

具体实施方式

在以下的详述中，出于说明而非限制的目的，列出了揭示具体细节的示例性实施方式，以便完全理解本发明。但是，本领域普通技术人员通过阅读本说明书可以很清楚地了解，本发明可以在不同于本文揭示的具体细节的其它实施方式中实施。另外，可以略去众所周知的装置、方法和材料的描述，以免混淆本发明的描述。最后，在可能的情况下，同样的附图标记表示同样的元件。

在本文中，下拉玻璃片制造法表示如以下的任意形式的玻璃片制造法，其中在沿着向下的方向下拉粘性玻璃的同时，形成玻璃片。在熔融下拉成形法中，熔融玻璃流入凹槽，然后从溢流槽(pipe)的两侧溢流并流下，在被称为根部(溢流槽终止，两股溢流的玻璃部分重新结合之处)融合，并进行下拉，直至冷却。所述溢流玻璃片制造法可结合图1进行描述，其中溢流槽部件或成形楔形件10包括向上开放的通道20，该通道20的纵向侧边与壁部分30结合，其上部范围终止于相对的纵向延伸的溢流凸缘或堰40。所述堰40与成形楔形件10的相对外部片材成形表面相连。如图所示，成形楔形件10提供有一对基本垂直的成形表面部分50，其与堰40相连，还包括一对向下倾斜的会聚的表面部分60，它们终止于基本水平的下部顶点或根部70，形成优选为笔直的玻璃牵拉生产线。

通过与通道20相连的输送通道90将熔融玻璃80加入通道20。向通道20内的加料可以是一端进行的，或者如果需要的话，可以是两端的。在溢流堰40上方与通道20各端部相邻的位置提供一对限制坝100，以引导熔融玻璃80的自由表面110作为独立的物流溢流过所述溢流堰40，从相反的成形表面部分50，60流下，流到根部70，独立的物流在根部(用直线表示)汇合，形成具有无瑕疵(virgin)表面的玻璃片120。

在所述熔融过程中，牵拉辊130置于成形楔形件10根部70的下游，用来调节形成的玻璃带离开会聚的成形表面的速率，从而帮助确定完成的玻璃片的标称厚度。合适的牵拉辊见述于例如美国专利第6,896,646号，其全部内容参考入本文中。

所述牵拉辊优选设计成与玻璃带外部边缘接触，具体来说与位于玻璃带极靠边缘处的增厚的珠粒紧邻内部的区域相接触。随后从玻璃片上分离所述与牵拉辊接触的玻璃边缘部分140并舍弃。

在图1所示的牵拉设备中，当玻璃片(玻璃带)沿设备的牵拉部分向下移动的时候，玻璃片经历复杂的结构变化，不仅是物理尺寸变化，而且还经历分子水平的变化。通过小心地选择温度场，完成在例如成形楔形件或溢流槽根部从柔软但是粘稠的液相向大约0.5毫米厚的刚性玻璃片的转变，所述温度场精密地平衡了机械要求和化学要求，完成了从液态或粘稠态向固态或弹性态的转变。

更具体来说，当玻璃片从根部下方下降到牵拉辊下方的时候，玻璃从粘稠态转变为粘-弹态。所述玻璃片的粘-弹态区域近似从玻璃的软化点延伸到玻璃的应变点。在低于应变点的情况下，认为玻璃具有弹性性能。

上述熔融成形法的一个优点在于，可以在不使玻璃表面与任何耐火材料成形表面接触的情况下形成玻璃片。这样提供了平整无污染的表面。另外，该技术能够以极高的公差形成极为平坦的薄片。但是，其它玻璃片成形技术也可得益于本发明，包括但不限于狭缝牵拉和再拉制成形技术。在狭缝牵拉技术中，熔融玻璃流入底部具有机械加工的狭缝的凹槽中。玻璃片向下牵拉通过所述狭缝。很显然玻璃的质量取决于机械加工的狭缝的精密度等。再拉制法通常包括将玻璃组合物预成形制成块料，然后对玻璃进行再次加热，进行下拉，制成更薄的玻璃片产品。

如上文所讨论，根据本发明的各个方面，本发明涉及通过熔融牵拉机制造的玻璃片的冷却速率。可以考虑玻璃片的冷却速率与玻璃片温度的空间变化或时间变化有关，例如沿玻璃片中线的温度。如下文所讨论，时间和空间冷却速率与常量相关。

将空间冷却速率记作dT/dy，时间冷却速率记作dT/dt，可写出下式：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dy}}=\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{dy}}$

式中T是温度，t是时间，y是牵拉(即重力)方向的坐标值。

下面我们将牵拉方向的质量流速表示为‘M’(通常单位为磅/小时)，最终产物厚度表示为‘h’。在牵拉的时候，操作流速M和目标厚度h是具体的量。

达到目标厚度‘h’时玻璃片的速度通常称为‘牵拉速度’，有时称为‘牵拉速率’，PR(通常单位为英寸/分钟)。通过质量守恒，可以将牵拉速度写作：

$\mathrm{PR}\≡\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}=\frac{M}{\mathrm{\ρh}}=K$

式中ρ是玻璃组合物的密度，参数‘K’是常数，第一个‘恒’等号表示PR的定义，第二个等号遵循质量守恒。应当注意dy/dt项是恒定的，仅在达到玻璃片的最终形成厚度的区域被称为PR。最终形成厚度表示玻璃片在通过牵拉辊从成形楔形件拉制的时候，已经达到了一种粘度，使得玻璃变得基本被冻结，厚度不再发生显著变化。在粘性区域内，该项不是恒定的，会随着位置y而发生很大的变化。

将第一个方程式和第二个方程式结合起来，我们得到：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=K\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dy}}$

式中K如上文所定义。

应当注意一旦确定了牵拉流速M，玻璃组成和密度ρ，以及目标厚度h，则K便已确定。其不会独立变化。因此，术语′冷却速率′可表示玻璃片温度的空间变化或时间变化，以这样的含义用于本文中。

下面来看图2，此图总结了熔融下拉法中使用的常规冷却曲线。为了方便引用，在下文中将该曲线称为″标准冷却″或″情况0″。进口温度T_i(即溢流槽根部的温度)以及进口附近的曲线斜率的上限由“松垂极限(bagginess limit)”限制。对于得到高于该极限的温度的条件，玻璃片会保持过低的粘度，使其无法耐受任何牵拉作用力。另一方面，低温侧的冷却曲线极限由图2中的边界“热环境极限(thermal environment limit)”表示。简单地说，该极限是由于在辐射交换中从热源向散热器的最大热通量受到散热器温度、热源相对于散热器的可见性、以及表面的辐射率的限制而产生的。

人们众所周知，当玻璃片受到牵拉力作用的时候，其厚度会减小。牵拉作用力是冷却曲线以及流动条件(例如流速和玻璃密度)的函数。如图2所示，在温度T_t之后，玻璃片在前述牵拉作用力下达到其最终(最小的)形成厚度。开始的位置与达到最终厚度的位置之间的距离在图2中表示为H_t。所述粘性玻璃片在进一步冷却的时候，其温度会降至T_tr，此时会发生粘稠态和弹性态之间的转变。这种转变在ΔH_tr的间隔发生，其牵拉高度在H_tr1和H_tr2之间变化。然后，所述玻璃片冷却至T_e，在高度H_e脱离牵拉操作。

所述牵拉装置，例如牵拉辊优选正好位于转变区域之后，使得玻璃片的粘性足以进行牵拉，但是粘度不会过高，因此不会使其很容易地断裂。另外，所述牵拉装置优选设置在所述转变位置之后足够远的下游位置，使得可能向上游传播的残余应力效应被最小化。

图3显示了一种设计的冷却曲线，其使用本发明的快速冷却方面等，因此优于图2的″标准冷却″曲线。如此图所示，初始温度T_ib高于图2的T_i。图3的曲线至少由于以下原因是有益的：

(1)玻璃片以更热的温度(但是低于松垂极限)、而其它条件类似的情况进入牵拉操作，其较薄。

(2)在进入牵拉的时候玻璃片较热的温度使得玻璃片受到较小的作用力。而玻璃片作用力的减小又导致制得的玻璃片的尺寸比使用标准方法制得的尺寸更宽。

(3)玻璃片进行更急剧的冷却，因此更快地达到其最终厚度，即图3中的H_tb小于图2中的H_t，其中H_tb表示设计的冷却曲线中达到最终厚度时候的高度(或者更具体来说，与溢流槽根部之间的距离)。

(4)通过减小形成最终厚度的区域的长度，使得可将余下的牵拉长度(即H_e-H_tb)用于其它目的，例如用来改进压缩和/或残余应力。或者，通过减小形成最终厚度的区域的长度，使得能够减小牵拉的总长度，这样可以降低基建成本等。更具体来说，通过减小形成最终厚度的区域的长度，可以获得以下效果：

(i)通过允许冷却曲线以较小的斜率(即较慢的冷却)接近H_tr2和H_p，可以减小压缩。见下文的讨论。由于温度降低很大部分上是在H_t之前很早的时候完成的，因此可将余下的牵拉保留下来用于该缓慢冷却过程。

(ii)对于由于在粘弹性间隔中热膨胀系数突然变化而产生的热残余应力，可以在温度曲线中产生一定的弯曲部分，使得在粘弹性区域附近(即ΔH_tr附近)不会产生压缩带。

(iii)由于初始冷却在较小的间隔内发生，所以可以使牵拉作用力位置最优化，如果需要的话，可以将高度H_e缩短。牵拉高度的缩短会造成基本投资的减少，而且操作更容易。而且使用现有的设备(见下文)可以获得更高的流动密度(提高生产量)。

图4进一步说明了使用本发明的快速冷却方面的效果。此图显示了三种冷却曲线，即作为标准曲线的″0″曲线，以及设计用来达到改进的玻璃片质量的设计的冷却曲线″1″和″2″。图5是这三种情况下log₁₀(粘度/泊)与下拉距离之间的曲线图，其中粘度使用用于康宁有限公司(Corning Incorporated)的code Eagle玻璃的弗尔彻(Fulcher)拟合(见下文)来计算。很显然，曲线1和2可通过设定用于拉制的加热元件和冷却元件的位置、数量和容量很容易地获得。应当注意在图4中，曲线1和2都在高于曲线0的温度下进入牵拉处理。因此，在图5中，曲线1和2以低于曲线0的粘度进入牵拉处理。

情况0、1和2的对应的流动参数列于表1。此表中的厚度数值以及牵拉作用力使用有限元模拟(finite element simulation)计算。如表中所示，即使当情况0的进口粘度远大于情况1和情况2时，这三种情况的牵拉作用力也是相等的。从表中的厚度数值可以看出，与情况0相比，情况1和2的形成最终厚度的区域(H_t)显著减小。

这三种情况的作用力(每单位玻璃片宽度)可以使用一维作用力平衡来计算。该计算显示，情况1和2的玻璃片在进口处受到较小的作用力。这些减小的作用力的直接结果是表2所列的宽度方向上玻璃片的固有衰减的减小，以及其重量的减小。

当玻璃在其粘性态和弹性态之间发生转变的时候(见图2中的H_tr1和H_tr2)冷却曲线的曲率(即其为凸形或凹形的)是很重要的，这是因为在进行这种转变的时候，玻璃热膨胀系数(CTE)的急剧变化可能会造成玻璃中出现残余热应力。情况0，1和2在该转变区域内的曲率是显著不同的。因此，情况0不会形成能够补偿残余热应力的曲率，而情况1具有一定的曲率，情况2具有显著的曲率。因此，情况0将会需要局部温度的设定变化，情况1将会需要一定程度的设定变化，但是情况2仅需要很小的调节(如有进行调节的话)。

本发明的快速冷却方面可以以许多种方式进行定量。这种定量的两种具体的常规方法包括确定冷却曲线的快速冷却部分内来自玻璃片的平均热通量(本文中称为

值)或确定在该部分内随着向下牵拉距离而发生的粘度变化(增大)的速率(下文称为″R″数值)。各种方法使用以下位置作为参照点：用来制造玻璃片的会聚的成形表面的下部顶点(例如溢流槽的根部)，以及当玻璃片达到其最终厚度时的下拉位置。各方法还需要得知下部顶点处玻璃片的温度(例如分别参见图3的标准和设计的冷却曲线的T_i和T_ib)和玻璃片达到其最终厚度的位置(例如参见图3的T_t)。具体来说，该温度信息是关于沿玻璃片中线的玻璃片外表面温度。这些温度可通过本领域已知的各种技术测量，例如使用高温计和/或接触热电偶确定。

随着移动的玻璃片从温度T₁冷却至T₂(T₁＞T₂)，其必须以下式给出的速率Q_H(焦耳/秒或瓦)失去热能：

Q_H＝M·C_p·ΔT                (1)

式中M是玻璃的流速(克/秒)，C_p是玻璃的比热容(焦耳/克-℃)，ΔT＝T₁-T₂(℃)。

在本文中，在具有第一中线温度T₁的第一位置(例如溢流槽的根部)和具有第二中线温度T₂的第二位置(例如玻璃片达到其最终厚度的位置)之间的″来自玻璃片的平均热通量″(即

)如通式(1)定义，代表正在进行冷却的玻璃片部分的平均表面积。具体来说，所述面积等于W·D，其中W是由玻璃片切割下来的基片在修剪掉非质量边缘部分之后的宽度，D是在所述第一和第二位置之间沿玻璃片中线的距离。

由下式给出：

$\stackrel{\‾}{q}=(M\·C_p\·\mathrm{\ΔT})/(W\·D).---\left(2\right)$

应当注意，为了获得本发明各个方面所需的热量损失，使用方程式(2)计算的

表示一种更差的情况，其中W·D乘积等于玻璃片一侧的面积，在通常的情况下，将会从玻璃片的两侧以及从所述玻璃片侧面的珠粒区域移除热量。

例如，当从玻璃片的两侧失去等量的热量的时候，通过这两侧中的每一侧的热通量将约为

如果

为40千瓦/米²，则对于等量失热的情况，通过玻璃片两侧的每一侧的通量仅需要约为20千瓦/米²。然而，如果通过这些侧面一侧的失热较小，则通过另一侧的失热将会相应地较大，以达到总体的

值，例如，在极限情况中，如果通过所述两侧中的一侧的失热为0，则通过另一侧的热通量必须等于

从这种意义来说，

提供了当失热仅限于玻璃片主表面之一时可能需要的最大传热的度量。在常规的实施方式中，可使用两个表面，使得每个侧面需要的传热水平低得多，例如为

由上文可以看出，对于定量快速冷却的热通量法，除了了解下部顶点处玻璃片的温度以及玻璃片达到其最终厚度的位置以外，还需要了解玻璃的流速M和比热容C_p，以及从玻璃片切下的基片的宽度W，以及所述下部顶点和玻璃片达到最终厚度的位置之间的距离D。所有这些信息都是实施所述熔融下拉法的本领域技术人员很容易得到的。

根据本发明的快速冷却方面，

等于或大于40千瓦/米²，优选等于或大于60千瓦/米²，最优选等于或大于70千瓦/米²。

对于粘度变化法(R法)，除了了解下部顶点处的玻璃片温度(T_顶点)以及玻璃片达到其最终厚度的位置(T_最终厚度)以外，还需要了解随温度发生函数变化的玻璃粘度(μ)，以及下部顶点和玻璃片达到其最终厚度的位置之间的距离D。通过以下方式获得粘度-温度信息：在一系列温度下使用ASTM C1350M测量玻璃的粘度，然后将所得的数值拟合到以下表达式(弗尔彻方程式)以获得A，B和T₀(弗尔彻系数)的数值，式中T₀的单位为℃：

log₁₀(μ(T)/泊)＝A+B/(T/℃-T₀)        (3)

对被拉制的具体玻璃和上述方程式使用所述A，B和T₀的数值，随下拉距离发生的粘度变化的平均速率R(米^-1)如下计算：

R＝(log₁₀(μ(T_最终厚度)/泊)-log₁₀(μ(T_顶点)/泊))/D    (4)

(注意R也可看作相对于下拉发生的粘度变化的特征长度的倒数)

根据本发明的快速冷却方面，R等于或大于6.0米^-1，优选等于或大于8.0米^-1，最优选等于或大于9.0米^-1。

表3显示了图4的情况0、1和2的

和R值。

计算使用750磅/小时的质量流速，1300焦耳/千克-°K的比热容，对于情况0、1和2分别为294.5，379.2和364.9℃的ΔT，58.5英寸的W值，通过有限元模拟得到以下距离D：D_情况0＝88.3厘米；D_{情况 1}＝50.0厘米；D_情况2＝54.0厘米。对于R计算使用相同的D值，还使用以下对康宁有限公司的code Eagle玻璃的弗乐彻系数获得的粘度(即A＝-3.027，B＝7194.3，且T₀＝297)：情况0--log₁₀(μ_根部/泊)＝5.20，log₁₀(μ_最终厚度/泊)＝9.40；情况1--log₁₀(μ_根部/泊)＝4.70，log₁₀(μ_最终厚度/泊)＝9.50；情况2--log₁₀(μ_根部/泊)＝4.70，log₁₀(μ_最终厚度/泊)＝10.32。从该表中可以看出，对于情况0(标准情况)，

小于40千瓦/米²，R小于6.0米^-1，但是对于情况1和2(快速冷却情况)则高于这些数值。

如上文所讨论，如何减小玻璃基片表现出的压缩已经成为玻璃制造商的一个长期的问题，尤其是对于使用熔融下拉法的玻璃制造商。表4显示了图4中情况0、1和2预期的相对压缩水平，其中一些加热循环表示在制造液晶显示器的过程中将会经历的玻璃基片循环的种类，即在350℃加热15分钟，在450℃加热60分钟，在600℃加热30分钟，在450℃加热60分钟，然后立刻在600℃加热30分钟。

如图4所示，情况1和情况2的设计的冷却曲线预期的压缩低于情况0。特别给人印象深刻的是情况2的减小的压缩，在此情况下，对于所有的热循环，预期的压缩都比情况0低30％以上。在图4中可以看出，在其快速冷却阶段以后，情况2具有比情况0和情况1平坦得多的热曲线。下面将会显示，已经发现这类较平坦的热曲线(对应于较慢的冷却速率)，具体来说，在粘度至少为10¹¹-10¹⁴泊(优选10¹¹-10¹⁵泊，最优选10¹¹-10¹⁶泊)的这种较平坦的热曲线/较慢的冷却速率能够固定地得到低水平的压缩。

图6A和6B显示了冷却速率对压缩的影响的分析结果。这些图是通过进行一系列的最优化以发现最低的预测的压缩水平而得到的。起点是图4的情况0。在顶点下方最初对应于1025-265℃温度范围(粘度为大约10^6.8泊至超过弗尔彻曲线有效范围)的选定的点(距离，温度)，在拉制的时候，允许各种温度下的位置移到较高或较低的位置，直至模拟的压缩的绝对值之和最小化。更具体来说，情况0的根部温度(T＝1170℃)和位置保持恒定，与根部的距离超过428.5厘米(T＝200℃和更低)的所有位置和温度也是如此。结果，最优化的冷却曲线需要在根部相同的(距离，温度)点开始，然后在(428.5厘米，200℃)以及之下的位置与情况0汇合(距离，温度)，而在0-428.5厘米之间采取不同的最优化的途径。

图6A和6B中用星号、空心方块和实心方块显示这些数据点，它们分别表示50英寸/分钟，91英寸/分钟和150英寸/分钟的牵拉速度。在这三种牵拉速度下计算的压缩水平为相同牵拉速度下情况0曲线的计算的压缩水平的0.649，0.646和0.647倍。也即是说，在相同的牵拉速度下，相对于基本情况，较平坦的曲线将压缩减小了35％。很显著的是，尽管随着牵拉速度的增大，压缩的总体大小增大了，但是仍然减小了压缩的程度，即随着牵拉速度的加快，较平坦的曲线提供的改进程度也随之增大。

从图6A可以看出，所有的压缩最优化的曲线在大约10¹¹泊处都表现出一个拐点，以及延伸至大约10¹⁴泊的低斜率区域。然后，斜率表现出一定的增大，但是仍然低于大约10¹⁶泊时情况0的斜率。

对于本发明的快速冷却方面，关于缓慢冷却以获得减小的压缩的本发明方面可以各种方式定量。平均热通量以及随下拉距离产生的粘度变化速率又一次成为这种定量的特别方便的方法，这是因为它们基于在工业设定中很容易得到的数据(例如温度-距离测量，比热容，流速，弗乐彻系数等)。

平均热通量同样由方程式(1)给出，但是现在D是下拉过程中玻璃粘度为10¹¹泊的位置以及粘度为10¹⁴泊(或者10¹⁵泊或10¹⁶泊，视情况而定)的位置之间的距离，ΔT是这些位置之间的温度差。对于快速冷却，用来确定平均热通量的测定的数据是沿玻璃片中线的温度，粘度使用方程式(3)以及对于被处理的玻璃合适的弗乐彻系数决定。

根据本发明的缓慢冷却方面，至少在10¹¹-10¹⁴泊，优选10¹¹-10¹⁵泊，最优选10¹¹-10¹⁶泊范围内，

小于或等于20千瓦/米²，优选小于或等于18千瓦/米²，最优选小于或等于15千瓦/米²。

用来对缓慢冷却进行定量的粘度法同样使用方程式(4)，但是与热通量法一样，此时D是下拉过程中，玻璃粘度为10¹¹泊的位置以及粘度为10¹⁴泊(或者10¹⁵泊或10¹⁶泊，视情况而定)的位置之间的距离，当粘度上限为10¹⁴泊的时候，方程式(4)中的分子＝3，当该粘度为10¹⁵泊的时候，该分子为4，当粘度为10¹⁶泊的时候，该分子为5。因此，作为代表性的例子，对于10¹¹-10¹⁴泊的范围，方程式(4)为：

R_11-14＝3/D_11-14，

对于10¹¹-10¹⁶泊的范围，其为：

R_11-16＝5/D_11-16

式中D_11-14和D_11-16分别为从10¹¹到10¹⁴泊和从10¹¹到10¹⁶泊的沿中线向下的距离。

根据所述粘度法，至少在10¹¹-10¹⁴泊，优选10¹¹-10¹⁵泊，最优选10¹¹-10¹⁶泊范围内，缓慢冷却对应的R值小于或等于4.0米^-1，优选小于或等于3.0米^-1，最优选小于或等于2.0米^-1。

再来看图6A和6B，在这些图中，当质量流速为750磅/小时，在450℃进行1小时的热循环的时候，情况0的常规压缩为15-19ppm。将根部与玻璃达到200℃的位置之间的距离保持固定，在10¹¹-10¹⁴泊的范围内进行缓慢冷却(即

值小于或等于20千瓦/米²和/或R值小于或等于4.0米^-1)将会把压缩减小大约10％，当

值小于或等于15千瓦/米²和/或R值小于或等于2.0米^-1的时候，将会使得压缩减小至少20％。通过使用较长的缓慢冷却范围，例如10¹¹至10¹⁶泊，甚至可能会进一步减小这些压缩水平。例如，如上文所讨论，图6A和6B的压缩最优化的曲线显示压缩减小了超过1/3。

应当注意，这些压缩的改进还取决于在较高粘度(更低温度)下冷却的速率。尽管这些较高的粘度对压缩的影响要小得多，但是通过在高于该范围上限的粘度下使用过高的冷却速率，可以消除通过在10¹¹-10¹⁴(或10¹¹-10¹⁵，或10¹¹-10¹⁶)范围内进行缓慢冷却获得的压缩改进效果。用于情况0的这类冷却速率可在这些较高粘度下使用。也可使用略快的冷却速率，但是通常应当避免约超过10℃/厘米的冷却速率。

再来看图1，图中所示的熔融牵拉法能够制得极高质量的玻璃片，只要溢流槽成形表面50、60上的熔融玻璃具有足够高的粘度即可。目前认为需要不低于大约100,000泊的粘度。在低于该阈值的情况下，可观察到玻璃发生翘曲。其结果是液相线粘度约低于100000泊的玻璃不可能被拉制成工业上可接受的玻璃片。如果使用常规的粘度条件(例如流速，牵拉作用力，冷却速率等)，则溢流槽上可能出现失透，在玻璃片中引起缺陷；如果玻璃的粘度减小，可能出现翘曲。因此，如果能够对液相线粘度约低于100000泊的玻璃组合物进行拉制，将会具有很高的价值。具体来说，应变点约高于665℃的组合物可以用于某些显示器玻璃应用，例如用于p-Si沉积工艺。例如如果需要应变点为750℃的玻璃，迄今为止尚未能得到可制得可接受的拉制玻璃片的可熔融成形的组合物。如果能够通过熔融下拉法形成高应变点、低液相线粘度的玻璃，则将能够开发一种新的、潜在有用的玻璃组合物的方法。

目前的下拉法使用约50牛/米的牵拉作用力进行操作。也即是说，位于溢流槽根部下方的牵拉辊130以大约50牛/米的牵拉作用力将玻璃片向下牵拉。之所以保持这种显著的下拉作用力有以下双重原因：

(i)在此粘度区域中，垂直牵拉应力转化为比该垂直应力低数倍的横向应力。因此需要显著的垂直作用力以使得玻璃片保持横向张力。

(ii)高牵拉作用力将重力对玻璃的影响最小化。施加不充分的垂直牵拉作用力时，玻璃片表现出“松垂”或松垂的翘曲。

根据本发明的原理，可通过在玻璃从溢流槽下方下降的时候对玻璃进行快速冷却，以促进通过熔融下拉法对高应变点、低粘度玻璃的拉制。所述快速冷却原理可通过以下等粘度片材的方程来进一步解释。例如，所需的牵拉作用力可通过以下方程式表示：

$F_p=\frac{4\mathrm{\μQ}}{L}\ln \left(\frac{d}{h}\right)---\left(5\right)$

式中F_p是牵拉作用力，μ是在成形楔形件根部的玻璃粘度，Q是每单位宽度的玻璃体积流速，d是成形楔形件根部的玻璃片厚度，h是玻璃片的最终厚度(即玻璃片厚度已经“冻结”之后的厚度)，L是从所述根部到玻璃片第一次具有最终厚度的位置测得的拉制距离(即L分别等于图2和图3的H_t和H_tb)。通过方程式(5)说明，为了减小玻璃的粘度，同时保持特定的牵拉作用力以获得预定的最终厚度，可能需要减小L。这意味着更快地减小玻璃片的厚度，以便在较短的距离内获得最终厚度。在非等温条件下，厚度将持续减小，直至玻璃凝固，这意味着玻璃必须更快地凝固，例如更快地冷却。

另一种可能的方法是增大Q(每单位宽度的玻璃流速)，以在相同的距离L内获得预定的最终厚度。然而，在非等粘度条件下，这意味着要在与标准情况相同的距离内使玻璃凝固：由于玻璃流速加快，需要提高冷却(排热)。

可以使用许多种方式以与所述根部之间的距离的函数来表示玻璃温度变化。例如，可以观察到温度以一定的斜率变化，观察到所述玻璃的温度在固定温度部分内是恒定的，或者温度的变化可以用固定斜率来表示。或者，所述温度可通过方程式T＝a+(b/(x+c))表示的双曲线来描述，式中T是以℃为单位的温度，x是位于溢流槽根部以下的垂直距离。参数“c”的数值较小时对应于较大的初始温度斜率，具有较大的“c”值的曲线接近直线形曲线。

例如，考虑具有上面的式(3)(弗尔彻方程式)表示的玻璃粘度曲线的玻璃，其中A＝-3.027，B＝7194.3且T₀＝297(即可用来表示例如康宁code Eagle玻璃的常数)。为了简化该分析，使用从具有平行侧面的板材的11磅/小时/英寸的流速表示玻璃在成形楔形件(溢流槽)10的会聚的成形表面50、60上的流速，所述玻璃在板底部的粘度进一步假定为133,392泊，在底部的温度为1155℃，在所述板底部的下方(成形楔形件根部下方)1.27米的位置的温度为750℃。可以选择双曲线形温度曲线用于标准情况(情况A)，使得对于0.7毫米的最终玻璃片厚度，在所述根部下方1.27米处得到50牛/米的牵拉作用力。假定玻璃离开所述板底部时的初始厚度d₀是由沿所述垂直板材各侧面的流动得到的厚度：

$d_0=2\left(\sqrt[3]{\frac{3\mathrm{\μQ}}{2\mathrm{\ρg}}}\right)---\left(6\right)$

式中，按照常规，g是重力常数，ρ是密度。

使用以上温度分布(即T＝a+(b/(x+c)))，用于玻璃粘度作为温度的函数(使用以上常数)的方程式(3)，以及用于初始厚度的方程式(6)，人们可以使用以下方程式计算厚度，其作为与溢流槽根部之间的距离的函数，该方程式假设玻璃片的宽度是恒定的，在玻璃片的厚度范围内，温度不发生变化：

$\frac{\∂}{\∂x}\left[\frac{\mathrm{\μ}}{e}\frac{\∂e}{\∂x}\right]=\frac{\mathrm{\ρge}}{4Q}---\left(7\right)$

式中e是玻璃片厚度，μ是粘度，x是玻璃片下降的距离，Q是每单位宽度的体积流速(米²/秒)，ρ和g分别是密度和重力常数。方程式(7)没有分析解。但是可使用例如4次Runge Kutta技术进行求解。

图7-9中显示了上面方程式得到的一些结果。由图中可以看出，在低于950℃(约等于该玻璃的软化点)的时候，在板底部下方约390毫米的位置获得最终厚度(图7-8)。从图9可以很明显地看出，垂直作用力的重力分量仅约占总作用力的47％，在根部观察到最大的贡献。

可以如下所示对上面的分析进行一些改变，均得到相同的最终厚度：

情况A-如上所述的标准情况；

情况B-由较低的粘度开始(50,000相对于130,000泊)，同时保持固定的空间温度曲线和流速；

情况C-由较低的粘度开始(50,000相对于130,000泊)，流速与情况B相同，改变温度曲线以保持特定的牵拉作用力。在此情况下，在根部下方1米保持固定的750℃的温度；

情况D-从较低的粘度开始(50,000相对于130,000泊)，同时保持固定的空间温度曲线，改变流速，以保持特定的牵拉作用力。

上面分析的结果数值列于图10的表中，在图11-12中作图。如图10所示，将粘度从标准情况A中显示的大约130,000泊减小到情况B的大约50,000泊，同时保持与标准情况(情况A)基本相同的冷却曲线，使得牵拉作用力从50牛/米减小到3.5牛/米，而且重力的贡献有极为显著的提高，从47％提高到91％。因此，根据情况B形成的玻璃片在接近为0的牵拉作用力下形成，就玻璃质量方面来说可能证明是不可接受的。也即是说，牵拉作用力的减小以及相伴随的重力对牵拉作用力的贡献的增加，可能会造成所谓的玻璃片的松垂翘曲。参见图12，以约小于40,000瓦/米²的平均排热速率

完成了情况B，其大小与情况A的排热情况类似。

另一方面，如情况D所示，如果允许玻璃流速增大到标准情况的2.59倍(即28.45磅/小时/英寸)，可以在与情况A和B类似的冷却曲线下(尽管是在较高的排热速率下)拉制低粘度玻璃。在情况D中，使用50牛/米的总牵拉作用力，得到大约47％的低重力贡献，最终玻璃片厚度为0.7毫米。与情况A和B类似，在距离板底部约386毫米的位置，玻璃片达到最终厚度。

在图11中可以很明显地看出，如情况C的数据所示，通过在与板底部(例如溢流槽的根部)相距极短的距离内快速冷却玻璃，可以使牵拉作用力回到约50牛/米，玻璃片在比之前的情况快得多的时候达到最终形成的厚度。在情况C中，板底部的玻璃粘度也约为50,000泊。然而，重力对总牵拉作用力的贡献是这四种情况中最低的(约36％)，玻璃在其它情况距离的大约一半的位置达到其最终形成的厚度，仅离板底部187毫米。图12说明了对于约75000瓦/米²的平均排热速率

在板底部400毫米内所需的排热，在板底部约为120,000瓦/米²，但是在与底部相距400毫米的位置减小到仅约为20,000瓦/米²。如图10-12所示，在溢流槽根部的粘度仅为50000泊的玻璃可在一些条件下进行拉制，通过适当地调节拉制条件，使得所述低粘度玻璃的拉制特性与粘度高得多的玻璃的拉制特性非常类似。

可通过辐射或对流对溢流槽根部下方的玻璃带进行快速冷却。例如，如图13所示，可通过使用美国专利第3,682,609号描述的设备完成玻璃片的快速冷却，所述玻璃与板150接触，在此板下设置了加热元件和/或冷却元件160。板150可包括外壳部分170，其中容纳元件160。加热元件和/或冷却元件160可包括以下装置，例如电阻加热器或用来使加热的或冷却的液体流过的管子。板150置于加热装置和/或冷却装置160之间，用来使得加热或冷却效果扩散，从而使得加热或冷却作用更均匀地分散在玻璃片120的宽度上。在一些情况下可能需要在一个或多个位置加热成形楔形件10，优选在所述楔形件的结构内进行加热，以确保所述楔形件保持预定的温度。对成形楔形件的加热可通过例如在所述溢流槽的结构内嵌入加热元件180(例如电阻加热器)来完成。例如，可以如图13所示，将加热元件180嵌入所述成形楔形件根部附近。同样参见2005年12月8日提交的标题为″用来拉制低液相线粘度的玻璃的方法和设备(Method and Apparatus forDrawing a Low Liquidus Viscosity Glass″的美国临时申请第60/748,887号，其全部内容参考结合入本文中。其它加热溢流槽的方法是本领域已知的，可以在合适的情况下使用。

对于加热和/或冷却装置是上面的(相对于玻璃流动处于上游)第二加热和/或冷却元件190的补充的情况，加热和/或冷却元件160可以通过挡板200与溢流槽的上部隔开，以防溢流槽根部下方玻璃片的快速冷却影响玻璃在成形楔形件上的流动，这种情况可能由于所述楔形件周围空气中的温差造成的热空气流动造成(图14)。当然，可以在不背离本发明原则的前提下对这些结构进行组合。

总之，基于以上考虑，可以为熔融拉制法开发最优化的温度曲线，用于新的拉制设计，或者用于结合使用不同玻璃组合物和/或不同牵拉速度的现有的拉制设计。下面是在冷却曲线设计工艺中可以考虑的一些因素：

松垂极限：初始温度T_i及其附近的曲线斜率被‘松垂极限’所限制。如果根部粘度和温度降低速率过低，则玻璃片甚至在其自身重力作用下也会快速变薄，在牵拉辊处使用正的牵拉作用力将无法获得所需的最终玻璃片厚度。

失透：根部温度通常是靠近溢流槽的玻璃层的最低温度。其不能低于玻璃的失透点；否则晶体生长会造成玻璃质量的总体变差。

热控制/热通量限制：根部周围的玻璃片的冷却速率不能超过主要由所述热玻璃片和散热器(壁)温度之间的辐射传热、玻璃-壁视角因素和表面的发射率限制的最大数值。对温度降低的另一个限制来自使用美国专利第3,682,609号所示种类的设备来控制所述玻璃片厚度上的变化。如果温度曲线斜率过于陡峭，则变薄长度H_t可能会过短，无法提供足够的从所述玻璃向本专利设备的热交换。

残余应力：转变间隔ΔH_tr周围的玻璃温度降低速率的增大导致压缩残余应力，该应力造成翘曲(偏离平面的形变)。另一方面，此间隔中温度曲线的正曲率造成张力应力，从形变的角度来看，这是有利的。牵拉辊处的玻璃温度T_p需要低于转变间隔，否则所述牵拉辊可能会产生另外的残余应力。然而，T_p的数值不能比转变范围低太多。

最小化的压缩：如上文所讨论，当粘弹性转变范围内的玻璃温度降低具有较小的斜率的时候，玻璃片的耐压缩能力获得改进。

作为上面讨论的原理的一个应用的例子，可使用以下步骤设计冷却曲线：

(1)选择仅略(例如10℃)高于失透点的根部温度T_i。

(2)选择初始冷却曲线斜率作为允许稳定的热控制的最大值。

(3)基于点1和2，数值评价用于该过程的所需的牵拉作用力。如果该数值为负值，则该玻璃成形过程是有问题的。

(4)选择略低于所述转变范围的牵拉辊温度T_p。如果牵拉辊的位置是可以变化的，则可采用所得的位于牵拉辊下方的可用空间来减小冷却曲线剩余部分的斜率。或者可以减小总体牵拉长度。

(5)所述转变区域内冷却曲线的曲率(二次导数的符号)优选是正的。

再例如，可通过以下步骤设计冷却曲线：

(1)由之前通过熔融拉制操作制造玻璃的标准操作，确定允许稳定的热控制的最剧烈的冷却曲线。

(2)确定允许得到足够的牵拉作用力的最低根部粘度。

(3)设计从初始的急剧冷却向仔细控制的冷却的转变，以控制应力和压缩。

(4)使用通过更剧烈的初始冷却获得的空间，获得改进的应力和压缩操纵。

再例如，使用紧邻的上文所述的过程，但是不同之处在于，不是利用所述增大的空间来改进应力和压缩的操纵，而是增大产量，直至压缩/应力区域内的冷却速率等于设定的初始值。通过这种方式，可以在不改变最终基片的性质的前提下获得提高的生产率。

关于上面的各个设计实施例，可使用该方法的数字模拟，以确定沿拉制长度设置的加热/冷却元件的数量、位置和功率水平。

作为应用本发明各种原理的另外的例子，图15显示了在无需线性增大熔融拉制机的长度的前提下提高熔融拉制机的生产量(流速)的方法，而此前人们认为增大熔融拉制机的长度是避免不可接受的压缩增大所必需的。

如上所述，当玻璃按照其冷却曲线发生变化的时候，其经历许多玻璃状态：粘性、粘弹性和弹性。历史上，所用这些区域都与流速增大成比例(scaled withflow increases)，以将压缩不可接受地增大的风险减至最小。然而，如图15所示，如果对各种玻璃态应用不同的设定比例规则，则可以在将熔融拉制机保持在现有的物理外壳的同时保持压缩。在一些情况下，这可能意味着缩短片(带)的弹性部分，使得基片在从玻璃片分离的时候处于较高的温度。然后所述基片可以在从玻璃片上分离下来之后经历显著的冷却，但是由于玻璃处于弹性态，这种冷却对压缩的影响很小。

在图15中，左边的图片显示了现有技术方法的粘性、粘弹性和弹性区，中间的图片显示了对这些区域的改变，这些改变是根据现有技术的实施方式，将所有三个区域设定为相同范围的比例，该改变能够获得较高的流速，右边的图片显示了本文中本发明的方法，其中玻璃的各个不同的区域具有适于增大流速的长度，对这些长度进行选择，使得带的总长度的增大(如果存在的话)最小化。

当玻璃离开溢流槽的时候，其处于粘性态。因此，如果在类似的距离内获得等量的排热，则该区域无需与流速增大成比例。在此区域内，辐射支配了冷却曲线，有助于将厚度变化造成的风险最小化。如图16所示，保持进入玻璃的粘弹性区域的相同温度曲线和形状的任意冷却方法都将有效地防止压缩的过份增大。具体来说，图16显示了在用于所述熔融法的常规冷却曲线上的特定温度下增大或减小停留时间对计算的压缩的影响。从此图可以看出，在粘性区域内，停留时间增大和减小50％(分别为菱形和方形数据点)对压缩没有影响。因此，如图15中右边的图片显示，根据本发明的设定比例原理，粘性区域基本保持固定的长度，使用快速冷却(例如以大于或等于40千瓦/米²的平均热通量冷却；见上文)来配合较高的流速，使得玻璃片在与左图中类似的距离处达到其最终厚度。

在玻璃冷却曲线的粘弹性区域内，确定了压缩、残余形状和应力。这是玻璃成形过程中很重要的区域，要与流速成比例，以保持相同的压缩或改进压缩。图16显示了在此区域内改变停留时间可以影响压缩。因此，如图15的右图所示，根据流速对玻璃的粘弹性区域(具体来说，是玻璃粘度从10¹¹泊增大到10¹⁴泊的区域)进行调节(增大)，以保持相同程度的压缩，或者(如果需要的话)改进压缩。这种粘弹性区域的增大通常至少与流速成线性关系，但是优选如图15所示，大于线性的变化关系。

弹性区域继续改进压缩的过程，但是其程度低得多(见图16)。因此该区域可看作是该过程的“非增加值”区域，其仅仅作为从粘弹性区域向最终产物的转变。因此，该区域应最低限度地与流速成比例，以使得处理长带时伴随的风险以及该区域内不均匀冷却带来的临时应力的影响都最小化。这种最低限度的比例设定可通过升高刻划温度来完成。通常，需要分离操作尽可能接近粘-弹性区域，以保持拉制的总体长度，从而随着流速增大帮助确保稳定的过程。

尽管弹性区域可以一定程度地与流速成比例，但是优选出口温度(例如刻划线处的温度)根据需要简单地迁移(升高)，以获得所需的带的总长度，例如等于现有技术方法的长度。如图15中的右图所示，在一些情况下，这意味着弹性区终止的长度比用于现有技术的方法的长度更短。在基片已经从所述带上分离下来之后，在低于所述升高的刻划温度下，玻璃中剩余的低水平的结构变化仍将继续发生。

图17说明了将上述原理应用于情况0冷却曲线。具体来说，该图描绘了刻划线温度作为流速的函数而升高，这时，采用快速冷却使牵拉辊温度和根部到牵拉辊的距离保持恒定。总牵拉长度也保持恒定。计算的压缩水平基本不变，从而证明切断温度的升高也可用来在特定的牵拉长度下实现提高的流速，同时不会对压缩造成负面影响。

定量来说，以上比例设定原理可通过以下特性来表征：(1)溢流槽根部和牵拉辊之间的距离(图15中的PR)，以及(2)所述根部和刻划线之间的距离。将根部到牵拉辊的距离记作D_PR，将根部到刻划线的距离记作D_SL，根据本文所述的比例设定原理构建的熔融机的D_PR/D_SL比值优选等于或大于0.5，更优选等于或大于0.8。由于刻划线需要位于弹性区域内，由于牵拉辊通常位于粘弹性区域的端部或紧邻粘弹性区域之后，所以D_PR/D_SL比值的上限约为1.0。作为比较，现有技术方法(图15中的左图)的D_PR/D_SL比值约为0.24-0.42。对于现有技术的比例设定方法(图15的中图)，随着流速的增大，这些比值是保持而非增大的。

本发明的比例设定原理还可用D_SL与每单位宽度的玻璃流速(FR)的比值来表征。历史上，在450℃进行1小时浸渍之后，要达到19±3ppm的压缩程度，所需的D_SL/FR比值等于或大于10，其中D_SL的单位为英寸，FR的单位为磅/小时/英寸。根据本文所述的比例设定方法，该比例可减小到等于或小于8。这种减小表示与对设定熔融法的比例、用于另外的流动、得到另外的生产能力相关的基建投资会显著减小。具体来说，这意味着对于例如相同长度的拉制，产出量可以提高至少20％。另外，如上文所讨论，保持较短的总体过程允许获得更高的工艺稳定性以及更容易的工艺控制，从而使得在较长的工艺中无法避免地发生的损失所带来的成本减至最小。

上面的D_SL/FR比值的改进假定进行制造的玻璃的应变点保持一致，即保持在现有技术的工艺中使用的数值。对于应变点为667℃的玻璃，得到等于和高于10的现有技术的D_SL/FR比值。另一种提高流速而同时不对压缩造成负面影响的方法是提高玻璃的应变点。具体来说，已经发现应变点的升高允许流速根据以下方程式增大：

ΔFR/FR＝B·ΔT_s/(T_s)²

式中T_S是现有技术的玻璃的应变点，单位为开尔文，ΔT_s是应变点变化(ΔT_s≤20℃)，B是玻璃的活化能，通常为78000-89800°K^-1。图18是基于该方程式的曲线图，图中显示可以在其它因素都相等的情况下，通过应变点的升高来完成流速的增大。使用该图，假定现有技术的应变点为667℃，根据以上原理表征比例设定的D_SL/FR比值成为：

D_SL/FR≤8·(1.0+0.1·(T_s-667))

在此方程式中，T_s是玻璃的应变点，单位为℃。(注意对于ΔT_s＞20℃，T_s为687℃)。

由上文可以看出，本发明提供了形成玻璃片(玻璃带)的方法，该方法包括以下步骤：(1)在初始形成玻璃片之后，使玻璃片快速冷却，(2)在拉制过程的选定区域内使得所述玻璃片缓慢地冷却，和/或(3)在升高的温度下从所述玻璃片分离基片。通过该方法可以进行以下的一种或多种操作：(a)通过熔融下拉法拉制低液相线粘度玻璃，(b)使用熔融下拉法制造表现出低的热压缩水平的基片，因此该基片适合用来例如制造液晶显示器，(c)更有效地利用熔融下拉设备，以及/或者(d)减小这些设备的基建成本。

应当强调本发明的上述实施方式，特别是任意“优选的”实施方式，仅仅是可能的实施方式的例子，仅仅用来帮助清楚地理解本发明的原理。可以在基本不背离本发明精神和原理的前提下，对本发明的上述实施方式进行许多改变和改良。所有这些改良和改变都包括在本文内，包括在本说明书和本发明的范围之内，受到所附权利要求书的保护。

表1

表2

表3

表4

Claims (1)

1.一种以玻璃流动速率FR制造玻璃片的熔融下拉机，其包括:

(a)在下部顶点会聚的成形表面;

(b)在玻璃片中形成刻划线的分离设备,所述刻划线与所述顶点相隔距离D_SL;

D_SL和FR满足以下关系:

D_SL/FR  ≤8·(1.0+0.1·(T_s-667)),

式中T_S是玻璃的应变点，单位为°C,D_SL单位为英寸,FR单位为磅/小时/英寸。

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