CN1902045A - 低翘曲平坦玻璃的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种玻璃片制造方法，该方法包括改变玻璃中的热应力，使得在玻璃的特定温度区域内，该热应力为抗张应力或基本为零的应力，选择所述区域，使得形成的玻璃片的帘形翘曲减少。在一示例性实施方式中，当玻璃通过其玻璃化转变温度范围时，不均匀地冷却玻璃，由此改变热应力。这种不均匀的冷却可以例如由一些线性的冷却阶段来实施，其中至少两个阶段具有不同的斜率。

Description

低翘曲平坦玻璃的制造方法

I.发明领域

本发明涉及玻璃片材的制造，所述玻璃片材是例如用作液晶显示器(LCD)之类的显示器装置的基材。更具体来说，本发明涉及用来减少被称为“帘形翘曲(curtain warp)”的问题的方法，所述翘曲在通过(例如)熔融下拉法(fusiondowndraw process)制造这种玻璃片材时容易发生。

II.发明背景

A.显示器装置

显示器装置被用于各种用途。例如，薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)被用于笔记本电脑、台式电脑平板显视器、LCD电视以及因特网和通讯装置，等等。一些显示器装置，例如TFT-LCD面板和有机发光二极管(OLED)面板直接由平板玻璃片制成。对于许多显示器装置，面板中所用玻璃的表面平整度必须在大约150微米和250微米以内。玻璃中的任何翘曲或波动都会对显示器的质量造成负面影响。

例如，在如上所述的许多显示器装置中，可以有效地将电子元件结合在显示器装置中所用的玻璃片材(玻璃基材)上。电子元件经常是包括TFT在内的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件。在这些应用中，宜在显示器的玻璃材料上直接形成半导体结构。

因此，许多LCD显示器经常包括一层与玻璃基材相连的液晶(LC)材料，玻璃基材上已经形成了晶体管。所述晶体管以具有一定图案的阵列排列，被外围电路驱动以提供(接通)所需的电压，使LC材料的分子以所需的形式取向。晶体管是显示器图像元件(像素)的重要组成。

可以很容易地理解，玻璃板材平整度的任何变化都会导致晶体管和像素之间间距的变化。这会造成显示板畸变。因此，在LCD和其他玻璃显示器应用中，提供在可接受的平整度公差范围内的玻璃基材是非常有益的，至少可以避免上述翘曲玻璃的问题。

B.翘曲

翘曲是一种玻璃片材的缺陷，其特征是偏离平面。翘曲已成为LCD玻璃基材制造中最棘手而持续出现的问题。已知有各种类型的翘曲，本发明涉及帘形翘曲。如图1所示，帘形翘曲的特征是沿片材的宽度具有正弦波状的偏移。具体来说，对于由拉伸玻璃带制备的玻璃片，例如通过熔融下拉法(见图2)由玻璃带制备的玻璃片，帘形翘曲是在与带拉伸方向横切的方向上的正弦波状偏移。从图1可以很清楚地看出，术语“帘形翘曲”是很合适的，这是由于玻璃中垂直拉伸方向的波动与悬挂的窗帘很相似。

迄今为止，对帘形翘曲的原因尚无根本的了解，因此也没有用来减少/控制该现象的系统性方法。因此，需要至少能够克服现有技术中这些缺点而形成基本平坦的玻璃的方法。

III.发明简述

根据第一个方面，本发明提供制造玻璃片的方法，该方法包括改变玻璃中的热应力，使得在玻璃成形过程中的特定温度范围内，热应力为拉伸应力(抗张应力)或基本为零，使用者预先对所述温度区域(下文称为“TZ”)进行选择，使得最终完全固化的玻璃片的帘形翘曲在特定的(即指定的)程度以下。较佳的是，所述最终完全固化的玻璃片基本无帘形翘曲。

本领域技术人员可以理解，最终玻璃片中可接受的帘形翘曲的程度取决于所述玻璃片的用途。一般来说，沿玻璃片宽度方向的峰到峰帘形翘曲程度优选小于1000微米，更优选小于600微米，最优选约等于或小于200微米。

在本发明该方面优选的实施方式中，根据玻璃的玻璃化转变温度范围(GTTR)内的非线性热膨胀系数(CTE)预先选定TZ。下文中将会详细讨论，根据本发明，我们发现：(1)用作显示器基材的那些种类的玻璃在其GTTR中具有非线性CTE；(2)在制造过程中，这些非线性特性与玻璃的冷却模式(coolingpattern)相互作用，在玻璃中产生热致压缩和拉张带。通过考虑这些非线性特性，可以预先选择冷却模式，具体来说是非线性冷却模式，以减少帘形翘曲，这是由于通过冷却模式/非线性CTE相互作用，在冷却过程中决定玻璃最终形状的部分生成了拉张带或基本零压缩的带。

根据另一方面，本发明提供了制造玻璃片的方法，该方法包括在玻璃化转变温度范围(GTTR)提供(选择)一种或多种基本为非线性的冷却程序(冷却模式)，使用这一种或多种程序获得代表至少一部分玻璃片的玻璃样品的模拟应力数据。本方法还可包括选择一种或多种基本为非线性的冷却程序中的一种，使得在所需区域内，例如在TZ中，在玻璃样品中基本不产生压缩应力，或者在玻璃样品中产生拉伸应力。然后可使用该基本为非线性的冷却程序制造帘形翘曲低于特定(指定的)程度的玻璃片。

根据另一个方面，本发明提供一种使用具有根部的熔融成形设备(例如异型管(isopipe))制造玻璃片的方法，所述玻璃具有玻璃化转变温度范围(GTTR)，所述方法包括对玻璃施加随与根部的距离而变化的冷却模式，以确保冷却模式在玻璃GTTR中包括至少一种足以使制得的玻璃片的帘形翘曲低于特定(指定的)程度(例如玻璃片可基本无帘形翘曲)的非线性特性。在某些优选实施方式中，所述至少一种非线性特性包括能够在GTTR的低温端范围内产生拉张带或基本零压缩的带。

根据本发明上述各方面，玻璃冷却模式中的非线性特性可包括玻璃的冷却速率随(例如)与异型管根部的距离(或者等价地，时间)而减小或增大。冷却速率的减小可看作玻璃的温度-距离(或时间)曲线中的向上“弯曲(kinks)”，冷却速率的增大可看作该曲线中的向下“弯曲”。通过故意引入这种弯曲，并且考虑到玻璃在其GTTR中显示的非线性CTE，帘形翘曲可得到控制，例如基本消除。

在以下详述中列出了本发明的其他特征和优点，本领域技术人员通过阅读本发明或依照本文所述实施本发明，可以很容易地部分了解这些特征和优点。应当理解以上的简述和以下的详述都仅仅是用来示例性地说明本发明，用来提供理解下文所要求的本发明特征和特性的概览或框架。上述本发明的各个方面以及下文讨论和要求的优选实施方式和其他实施方式，也可单独使用或以任意或全部组合的形式使用。

附图是用来进一步理解本发明的，附图结合在本说明书中，构成本说明书的一部分。附图显示本发明的各种实施方式，附图与描述一起用来解释本发明的原理和操作。应当注意附图中所示的各种结构未必是按照比例绘制的。实际上为了说明清楚，尺寸可任意增大或减小。

IV.附图简述

图1是说明帘形翘曲的示意图。

图2是根据一示例性实施方式的熔融玻璃制造设备的示意图。

图3是显示具有非线性热膨胀系数(CTE)的玻璃片线性冷却产生的应力带的图。正割曲线图的Tref为25℃。

图4是康宁有限公司编号为1737的玻璃中CTE随温度变化的图。

图5是各种冷却速率下玻璃应力的图，根据一示例性实施方式，使用该图最优化玻璃热应力。

图6是表示在300-650℃范围内各种冷却速率下的玻璃应力的图。

图7是根据一示例性实施方式，制造基本平坦的熔融玻璃的过程的流程图。

图8是实施例1中测试的各种冷却模式的图。

图9是实施例2中讨论的三种冷却模式的图。

图10是比较康宁有限公司的编号为1737和Eagle 2000的玻璃预计膨胀曲线的图。

                    V.发明详述及其优选实施方式

在以下详述中，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，以全面地理解本发明。然而，通过阅读本说明书，本领域普通技术人员可以很显而易见地看出，可以用不同于本文所述具体细节的其他实施方式实施本发明。另外，略去了对公知的器件、方法和材料的描述，以免淡化对本

发明的描述。

如上所述，本发明涉及显示器玻璃中的翘曲，具体来说是帘形翘曲。这些玻璃通过包括熔融下拉法在内的各种拉制法制成。

图2是通常用于熔融法的玻璃制造设备100的示意图。该设备包括成形设备(异型管)101，该成形设备在凹槽102中接收熔融玻璃(未显示)。图中显示该异型管的根部为103，玻璃片104在离开根部之后，横向经过边缘辊105。异型管101的根部103表示从异型管101的两个外侧流下的熔融玻璃结合在一起的位置。最后，图中显示了一套管子(doctari)106的一部分。这些管子用来控制玻璃片(玻璃带)的局部温度，从而控制其厚度。熔融设备是本领域中已知的，略去其细节以免淡化对本发明示例性实施方式的描述。然而，应当注意可将其他种类的玻璃制造设备用于本发明。这些设备是玻璃制造领域中普通技术人员已知的。

在熔融或其他种类的玻璃制造设备中，当玻璃片(玻璃带)在设备的拉制部分向下移动时，玻璃片发生复杂的结构变化，不仅在物理尺寸发生变化，而且在分子水平发生变化。通过仔细选择温度场，精密地平衡由液态转化为固态的机械需求和化学需求，使(例如)异型管根部50微米厚的柔软液态形式的玻璃转变为约半微米厚的硬质玻璃片。温度梯度的不完美会造成玻璃片偏离平面，即产生帘形翘曲。

尽管已经将通过反复试验改变玻璃冷却速率作为一种降低玻璃片中的帘形翘曲或不平整性的方法，但是这种反复试验的改变完全是经验性的，因此通常会造成最终产品产量降低和成本升高。另外，每当改变玻璃组成和/或玻璃生产设备的设计时，都必须重复进行反复试验过程。

为了解帘形翘曲的起因，根据本发明，开发了一种可以收集玻璃片中的温度分布对暂时热应力的影响的模型。具体来说，根据本发明一示例性实施方式，使用ANSYS有限元软件建立了一个模型。该模型中所包括的玻璃片从距离根部的某一距离(″上边界″)开始，延伸到生产过程中将要对玻璃带进行切割的位置。采用SHELL63元件(element)表示玻璃片，在模型输入时指定上边界的位置。

玻璃片中的温度分布也和与温度相关的弹性模数以及与温度相关的热膨胀系数(CTE)一起指定给模型。然后将玻璃片看作弹性的，用ANSYS软件计算玻璃片中的热应力。所用的具体方程式列于附录A。将玻璃片向面外弯曲和膜应力的影响考虑在内，但不是粘弹性的。如此计算得到的应力作为玻璃片中应力的度量方式，但不是实际的应力。

上边界选在根部以下足够远的位置，使得玻璃片在到达上边界之前便可达到其最终厚度。另外，所选的上边界的位置不能包括玻璃过软、使得应力立刻得到释放的区域，但是要包括玻璃中向面外的变形开始固定在玻璃中的区域。

尽管发现上述ANSYS弹性模型在本发明实施方式中可成功运用，但是应当理解可以使用许多种其他模型、模拟技术和模型软件。例如，如果需要的话可以使用包括粘弹性影响的模型。

为研究帘形翘曲的起因，起初使上述热应力模型沿玻璃片长度方向以线性温度曲线向下运行。结果见图3。从此图中可以看出，在大约650-830℃(具体来说，图3中的650-800℃)的范围内，线性温度图线在玻璃中产生了一种应力分布图，这种应力型式的特征是一个拉张峰，然后是一个压缩峰，接着又是一个拉张峰，即图3所示的正-负-正应力分布图。该分布图中的压缩应力带是特别重要的，这是由于在产生这个带的玻璃转化区中，玻璃片软得足以变形，但是又硬得足以使这种变形在玻璃向下拉伸移动时得以保持，产生永久性扭曲的玻璃片。在玻璃转化区以上，玻璃基本为牛顿流体，此时应力可快速释放；在此区域以下，玻璃的硬度足以抗弯曲。

根据本发明，发现对应于图3所示类型的压缩应力的玻璃转化区的存在是造成帘形翘曲的原因。换句话说，已经发现如果允许玻璃在其玻璃化转变温度区域(GTTR)线性冷却，玻璃片将弯曲，进而产生帘形翘曲。

图3的应力分布图是在其GTTR中具有非线性热膨胀系数(CTE)的玻璃的结果。图4显示康宁有限公司的编号为1737的玻璃中典型CTE与温度的曲线图。此图中显示的在GTTR中CTE与温度的非线性关系使得当玻璃片经过该范围冷却时产生不均匀收缩。这形成了图3中的拉张-压缩-拉张应力分布图。该分布图中的压缩部分会使最终玻璃中产生弯曲，从而形成帘形翘曲。很重要的是，应当注意图4的非线性CTE并非是1737玻璃所独有的，而是显示器玻璃普遍具有的性质。

根据本发明，发现可通过在玻璃成形过程中控制玻璃片冷却速率来控制帘形翘曲问题。具体来说，如上所述，本发明提供一种制造玻璃材料的方法，该方法包括改变热应力，使得在特定区域内热应力为抗张应力，或基本为零，使得制得的玻璃片的帘形翘曲程度得到控制，例如制得的玻璃片基本无帘形翘曲。

根据本文所述的示例性实施方式，在玻璃化转变温度范围(GTTR)内，冷却与同根部的距离之间基本是非线性关系，从而在可能产生不利的帘形翘曲玻璃的区域基本避免内部压缩应力。所述GTTR的非线性冷却可由大量冷却阶段组成。每个阶段可以基本是线性的，但是不一定完全是线性的。也就是说，其中一个或多个阶段本身可以是非线性的。最终选择这些冷却阶段的斜率和持续长度以减少或基本消除在不希望的区域产生压缩应力。

例如，示例性实施方式中的玻璃是厚度约为0.1-2.0毫米的平坦玻璃。根据基材的尺寸，这种玻璃沿基材的平整度宜约为150微米至250微米。所述玻璃可用于(例如)上述的玻璃显示器，或者可用于宜使用平坦、基本无波动的玻璃表面的其他用途。例如，这种玻璃可为康宁有限公司的编号为1737或编号为Eagle 2000的玻璃，或者是其他制造商生产的用于显示器应用的玻璃。

图5显示了使用上述ANSYS计算机模型计算出的代表性非线性冷却模式对应力分布图的影响。如图5所示，非线性冷却使得温度曲线偏离了其与下拉距离的相关性，从而在玻璃中产生了不同于图3的应力分布图。

具体来说，从图5可以看出，在温度曲线中每个向上的拐点处，应力分布图中都添加了被压缩带所包围的拉张带，在每个向下的拐点处，都添加了被拉张带所包围的压缩带。向上的拐点对应于当玻璃片下拉移动时，冷却速率由快变到慢，向下的拐点对应于冷却速率由慢变到快。通过选择冷却速率变化的位置，无论这些变化是由快到慢或由慢到快，都会在玻璃冷却曲线上的一个或多个所需的位置形成抗张应力带(或基本零压缩的带)。具体来说，例如，可在TZ中形成抗张应力带或基本零压缩的带，使得最终玻璃的帘形翘曲程度小于某特定值，例如最终玻璃可基本无帘形翘曲。

图5的图线300具体显示了应力(左侧纵轴)和温度(右侧纵轴)与同异型管根部的距离的关系。或者，该图线的横轴可以是距离根部的时间而非距离。图线300是使用(例如)上述模型之类的计算机模型数学模拟出来的。该模型中所用的玻璃样品(例如)是能够形成用作上述种类玻璃显示器的玻璃片的玻璃材料。

应当注意，图线300可用来在下图7的示例性实施方式中选择所述最佳的冷却方法。也就是说，可以在三种模拟的冷却程序(冷却曲线301，302，303)中选择一种，使得由选定玻璃材料制成的玻璃片具有最佳的平整度。

图线300包括用于由(例如)已知的熔融技术形成的特定玻璃材料的三种独立模拟的冷却程序。图5的冷却程序是在特定被加工玻璃的玻璃化转变区域中，例如约850-650℃。第一个程序显示为基本线性的第一曲线301。第二个程序，非线性曲线显示为第二曲线302，与第一曲线相比，其初始冷却速率降低。第三个程序显示为曲线303，与第一曲线相比，其初始冷却速率增大。

第一曲线301产生图5中的应力曲线304。使用该冷却程序制造的玻璃将具有正(拉伸)应力，但是具有显著的压缩应力。在此实施例中，该玻璃片具有无法接受的压缩量。因此，该示例性实施方式的模拟方法可以在不需要实际进行样品冷却的前提下排除该冷却程序。在保持本发明这些实施方式的益处的同时，这减少了浪费而提高了制造的产量。

第二曲线302具有三个冷却阶段。第一阶段305、第二阶段306和第三阶段307。在此实施方式中，第一阶段305和第二阶段306的斜率基本相同，第三阶段冷却曲线的斜率不同于阶段305和306。这些冷却阶段造成曲线309所示的玻璃中的应力。最终(第四)阶段308也是线性的，其斜率与曲线301和303的最终(第四)阶段相等。

第二曲线302的起始冷却阶段305的冷却速率，与曲线301的斜率相比减小了。如应力曲线309所示，这造成一些初始的张力。然而，第三阶段307与第二阶段306相比具有较陡的斜率，在玻璃中造成显著的压缩。其表示为应力峰310。同样，第二曲线所表示的第二程序也无法使用，这是由于对应于玻璃形状开始固定的位置的压缩峰会使玻璃具有无法接受的程度的帘形翘曲。本发明的模拟方法也可以在不需实际冷却样品的前提下排除该冷却程序。在保持本发明这些实施方式的益处的同时，这减少了浪费而提高了制造的产量。

曲线303所表示的第三冷却程序也包括三个冷却阶段，即第一阶段311，第二阶段312和第三阶段313。第三冷却阶段在玻璃中产生应力曲线314中所示的应力。在此示例性实施方式中，与曲线301以及其他阶段312和313相比，第一阶段311具有较大的斜率。如图所示，第一冷却阶段311产生一些压缩。第二和第三冷却阶段312和313与第一阶段311和曲线301的斜率相比，分别具有较小的斜率。该第二冷却阶段312产生了非常显著的向上的正应力峰315。该冷却曲线在玻璃化转变温度中提供了对非线性热膨胀系数影响的补偿，从而当玻璃通过玻璃转化区域时产生所需的拉张热应力。

从图线300可以看出，通过选择性地改变冷却阶段的斜率，可以产生许多种应力曲线。另外也可改变各个阶段的长度。各组冷却阶段为特定受加工的玻璃材料提供非常独特的应力曲线。这样，可产生许多种应力数值。例如可确定一类曲线，这类曲线的特征是玻璃在大约780-720℃的范围内由快到慢地冷却，这是该实施方式中玻璃样品的玻璃转化区域的下端区域。从这类曲线选择特定的曲线，以满足玻璃片中所需的特定结果。类似的，可确定一类曲线，这类曲线的特征是在所制造的特定玻璃的玻璃化转变温度范围内和/或附近，玻璃由快到慢地冷却。可通过这另一类曲线中选择特定的曲线，以满足具体的帘形翘曲要求。同样，如果需要，可以将由快到慢和由慢到快模式相结合，以达到特定的平整度标准。

定量地来讲，在所述依照第三条曲线303的示例性实施方式的冷却程序中，为了基本消除帘形翘曲，在第一阶段311之前的一个冷却阶段(未显示)在高于玻璃化转变区域的温度下具有较高的冷却速率。例如，该冷却速率约为6℃/英寸至15℃/英寸。这在距离根部大约25-40英寸的区域发生。

接下来，在玻璃转化区域的上部，沿第一阶段311，冷却速率减小到大约4℃/英寸至10℃/英寸。在接下来的大约10-15英寸持续这种较慢的冷却速率。

在此实施例中，在第二和第三冷却阶段312和313中，冷却速率在玻璃化转变区域的下端改变至大约2-5℃/英寸。在接下来的大约15-25英寸保持该冷却速率。当玻璃通过了玻璃化转变区域之后，冷却速率保持在基本恒定的水平，例如像阶段308一样。因此，该示例性实施方式在冷却过程中包括非线性温度曲线，通过在玻璃中提供所需的拉伸应力，显著降低或基本消除了玻璃中压缩应力造成的帘形翘曲。

图6显示了基于模拟的其他发现，也即是说，临界玻璃化转变区域中的应力分布图基本独立于进一步下拉的位置的冷却速率。如此图所示，在650-300℃的温度范围内的三种斜率与在650-850℃的较高温度范围产生了相同的应力分布图。这种基本独立性使得可以更容易地控制帘形翘曲，这是由于该方法可以致力于仅在GTTR获得高效的冷却模式，而不是在整个拉制温度范围内获得。

总之，由上文可以看出，玻璃片应力和玻璃冷却速率在玻璃化转变温度范围(GTTR)内的关系是控制帘形翘曲的基础。通过这种关系可以产生拉伸应力，当玻璃片由转化区较软的玻璃转化为该区以下的坚硬固态玻璃时，保持玻璃片平坦。具体来说，在对应于固态玻璃片开始阶段的GTTR下端的拉张带提供的最终产品与不含这种抗张带的产品相比，减少了帘形翘曲。

图7是说明用来控制玻璃制造过程中的帘形翘曲的示例性方法200的流程图。图7的示例性实施方式可用于，例如，使用上图2中所述的制造设备制造基本平坦的玻璃板。

在图7的步骤201中，通过基于计算机的数学模拟获得了当特定玻璃样品形成玻璃片时的均匀或线性冷却数据。如上所述，可使用许多众所周知的数学模拟技术中的一种或多种进行计算机模拟。由于是已知的，我们省略了细节，以免淡化对示例性实施方式的描述。这些冷却数据包括玻璃样品在制造过程中冷却时的应力(单位通常为p.s.i.)。例如，当玻璃从其离开异型管时的熔融态变为室温下的最终态时，这些数据可以是应力以及相关的温度和时间(或与根部的距离)。或者，这些数据可以仅对应于玻璃化转变温度范围以上到将玻璃带分割成独立的玻璃片时的冷却过程部分。

如上所述，玻璃的均匀或线性冷却之所以会造成帘形翘曲，是由于在玻璃从液态转化为玻璃状材料的玻璃化转变温度区域中，玻璃发生压缩造成的。在许多玻璃中，该玻璃化转变温度区域在大约850-650℃。例如，这种均匀的冷却可以是玻璃在通过制造装置时冷却到室温或略高于室温的冷却。玻璃转化区域中的压缩应力(负应力)是由于当玻璃材料在玻璃化转变温度均匀冷却时的非线性热膨胀造成的。在玻璃化转变温度区域中，热膨胀系数随着温度的线性变化而发生非线性的改变。因此，玻璃随温度的膨胀也是非线性、即不均匀的。如果未检验，这会导致玻璃中的压缩，在玻璃中形成帘形翘曲。

在步骤201获得玻璃的线性或均匀冷却应力数据之后，该方法包括在步骤202中改变冷却程序，特别是在玻璃化转变温度区域中的冷却程序。该实施方式中，步骤202的一个目的是最优化玻璃应力，使得在玻璃化转变温度范围内，玻璃具有基本为零的应力或正应力，或拉张应力。在玻璃化转变温度区域的最后，通过在此区域中选择性地改变冷却速率，产生了正的热应力，使玻璃基本为平坦的，从而降低了产生有害的帘形翘曲的可能性。应当注意可以用外部加热/冷却装置进行加热/冷却，控制冷却速率，以使冷却速率以比使用无辅助热辐射和对流的情况更慢/更快。可使用本领域普通技术人员已知的加热/冷却装置来控制冷却速率。

应当注意，将冷却程序由步骤201的线性冷却程序做出改变可在玻璃化转变区域中有益地优化玻璃的冷却，以基本消除压缩，以及可能由此产生的帘形翘曲。然而，如上所述，可通过各种冷却程序消除玻璃中的压缩。其中一些程序会使玻璃在玻璃化转变区域的末尾具有净的正应力，其他程序将导致玻璃在玻璃转化区域的末尾基本无应力。

在一示例性实施方式中，为了基本消除帘形翘曲，玻璃在玻璃转化区域以上的温度以较高的速率冷却，例如约6-15℃/英寸。该区域可距离根部约25-40英寸。应当注意，在此区域以及根部以下的其它区域中，通过调节对玻璃表面提供的加热/冷却功率来控制冷却速率。

接下来，在玻璃化转变区域的上部，可将冷却速率降至约4-10℃/英寸。在接下来的大约10-15英寸可保持这种较慢的冷却速率。

在接下来的15-25英寸，可以在玻璃化转变区域的下端将冷却速率变为大约2-5℃/英寸。当玻璃经过了玻璃化转变区域之后，冷却速率可保持在恒定值，从而产生接近线性的温度曲线。

应当注意，在玻璃化转变区域的起始处减缓冷却速率能使玻璃分子在结构中重新排列，以达到降低的能态，压缩或收缩更少。在玻璃化转变区域的下端进一步降低冷却速率会在玻璃片的水平宽度方向产生抗张应力带。例如，在冷却曲线斜率减小的区域内产生抗张应力带。当玻璃由玻璃态/半液态转化为固态时，这种玻璃中的拉张应力可有效地促进玻璃的拉伸。这可非常有效地避免玻璃由于压缩而产生帘形翘曲。

最后，在玻璃化转变区域以下对冷却速率的控制比较不严格，这是由于此时不会对易于产生帘形翘曲的玻璃化转变区域造成很大影响。换句话说，当玻璃从玻璃化转变区的末尾冷却至室温时，玻璃中的应力不会有显著的影响。然而，应当注意可优选地控制玻璃化转变区域以下的冷却速率，以产生基本无斜率突变的曲线(即平滑的温度曲线)，使玻璃中所产生的暂时弯曲最小化，所述暂时弯曲可以传递给仍处于玻璃转化区内的玻璃，在玻璃片中形成另外的形状缺陷。

示例性实施方式的各个冷却区域在温度-距离曲线中可具有基本恒定的斜率。可根据由线性冷却(温度)模拟确定的应力曲线确定冷却变化速率(相对于距离)。例如，当达到对应于内部压缩应力峰值(相对最大值)的温度时，可改变冷却速率。在实际中，这可在相对于根部选定的位置实行，或者在冷却过程中当玻璃达到该温度时进行。

更具体来说，在上述示例性实施方式中，在玻璃化转变区域的冷却速率是一系列的两个或更多个受控冷却阶段，其中各个阶段以特定的速率提供线性冷却，各个线性阶段在开始时其冷却速率发生几乎是瞬时的变化。然而，应当注意这仅仅是示例性的实施方式，也可使用其他实施方式来在玻璃化转变区域内消除玻璃中的压缩。例如，应当注意可使用不同于上述的线性冷却速率来进行所需的压缩消除。另外，根据所用的玻璃材料，也可能需要其它的线性冷却速率来满足所需的结果。另外，应当注意可采用另外的冷却阶段使相同或不同的玻璃材料满足所需的结果。最后，应当注意，在玻璃化转变过程中的冷却程序不一定是大量的线性冷却阶段。可以选择一个或多个非线性冷却阶段，通过改变冷却速率的斜率以减少压缩，或者在冷却过程中产生拉张，或同时达到这两种效果。

图7所示方法的步骤203是一任选的步骤，其包括通过在玻璃化转变区域中选择不同的冷却速率重复改变冷却程序。这可根据需要完成，以最优化冷却程序，以达到特定的应力程度或较低的帘形翘曲。

最后，图7的步骤204是将选定的冷却程序用于生产过程中。上述示例性的制造玻璃方法显著降低了制造帘形翘曲程度较低的玻璃的复杂性。可以理解，使用模拟技术进行这些方法，以确定最佳的冷却程序，而不需使用反复试验的技术。因此，通过该示例性实施方式可以显著地减少停工时间和废物。为此，通过该示例性实施方式，可以通过快捷地选择所需的冷却程序，而不是通过低效率高成本的反复试验技术，在生产中获得新的玻璃材料或达到对帘形翘曲的要求，或同时达到这二者。这些示例性实施方式的上述优点和其它优点对玻璃制造领域的技术人员将是显而易见的。

不希望受到任何方式的限制，通过以下实施例可以更全面地描述本发明。

                            实施例1

该实施例说明利用本发明选择新安装的玻璃成形设备的冷却模式，所述玻璃成形设备具体来说是设计成每小时能够比现有设备制造出更多磅玻璃，以制造具有更大尺寸的玻璃片的玻璃成形设备。

首先，将可成功用于此前的设备的冷却模式用于新的设备。该冷却模式产生1000-1200微米的令人无法接受的帘形翘曲。然后用反复试验法来寻找能够产生200微米范围内的帘形翘曲的冷却模式。图8中无数的曲线表示测试不成功的示例性的曲线。

然后使用上述模拟过程，得到图8的曲线402。该冷却曲线将玻璃的帘形翘曲由1000-1200微米范围降低到250-300微米。从图8可以看出，冷却曲线402在720-780℃具有由快至慢的冷却变化，这处于在所制造玻璃(即康宁有限公司的编号为1737的玻璃)的玻璃化转变温度范围的下端。

曲线402在距离异型管底部40-60英寸范围的距离要求有很高的冷却能力。为了减小对冷却能力的要求，进行了进一步的模拟，发现在760-780℃左右向上的较小拐点也可减小最终玻璃中的帘形翘曲程度。曲线400显示了该进一步模拟所得的冷却曲线。760-780℃的温度范围在720-780℃范围的上端，但是仍然在编号为1737的玻璃的玻璃化转变温度范围的下端内。发现冷却曲线400可以在不需要提高新设备的冷却能力的基础上稳定地达到200微米范围内的帘形翘曲。

                            实施例2

该实施例说明在改变所加工玻璃种类时(具体来说是将康宁有限公司的编号为1737的玻璃换成康宁有限公司的编号为Eagle 2000的玻璃)利用本发明选择冷却模式。

图9中的曲线408显示了当在特定的熔融玻璃成形机上加工1737玻璃时，能够制造具有低程度帘形翘曲的玻璃片的冷却模式。然后使用相同的设备，采用形状与成功的1737模式中基本相同的冷却模式加工Eagle 2000玻璃。曲线404显示了Eagle 2000的模式，可以看出，该模式平行于1737模式，但是温度略高，这是由于Eagle 2000玻璃是在略高的温度下加工的。

令人惊讶的是，404模式在Eagle 2000玻璃中得到了无法接受的帘形翘曲水平。然后使用上述模拟技术来解释和解决这两种玻璃行为的差别。

图10是1737(曲线410)和Eagle 2000(曲线412)的预期膨胀曲线图。如图所示，Eagle 2000的膨胀小于1737。在此图中还看到了这些玻璃的GTTR的下端，即其通常是大约780℃的膨胀曲线峰和大约720℃的曲线线性部分起点之间的区域。

尽管本领域普通技术人员可能认为由于Eagle 2000玻璃的膨胀率较低，这种玻璃可能对帘形翘曲问题较不敏感，但是实际上通过使用本发明的模拟法，发现Eagle 2000的较低膨胀率实际上使得其在GTTR下端需要比1737更剧烈的冷却模式来控制帘形翘曲。

如上所述，通过使用本发明的模拟技术，发现帘形翘曲与当玻璃被冷却经过其GTTR时的温度梯度造成的热应力有关。应力的大小和符号又与GTTR中玻璃的非线性CTE有关。比较图10中1737和Eagle 2000的CTE曲线发现，尽管大致类似，但是Eagle 2000的CTE(曲线412)的温度依赖性小于1737(曲线410)。Eagle2000较低的CTE斜率意味着在GTTR中，其应力对温度变化比较不敏感。因此，为了在此临界区中产生类似的应力分布图，需要更陡峭的温度曲线来补偿Eagle 2000玻璃较低的CTE斜率。

图9中的曲线406显示了基于上述分析，试验用于Eagle 2000的冷却模式。可以看出，该曲线的温度变化要比曲线404更为陡峭，如上所述，曲线404使Eagle2000玻璃的帘形翘曲性能较差。如模拟所预示的，发现具有更陡峭温度变化的曲线406可制得具有较低帘形翘曲水平的玻璃。

因此，如该实施例所述，当改变玻璃组成时，需要检测CTE曲线，并基于这些曲线调节冷却曲线，以达到低帘形翘曲水平。

由上文可以看出，显示器玻璃最敏感的帘形翘曲形成/控制区是在大约650-850℃。这一区域如此重要的原因在于：第一，在此区域中CTE对温度的非线性依赖性使得当玻璃片在此温度范围内冷却时发生不均匀的收缩。第二，在此区域内，玻璃片软得足以变形，而又硬得足以使变形保持下来，从而形成永久性的玻璃片形变，即永久性帘形翘曲。通过模拟非线性CTE对应力的影响，并考虑到这些影响调节冷却速率，可以制得具有低水平帘形翘曲的玻璃片。

尽管已经描述和列举了本发明的具体实施方式，但是应当理解可以在不背离本发明精神和范围的前提下进行改变。例如，像上述实施方式那样由线性冷却阶段组成的非线性冷却曲线仅用来说明本发明。该方法可由三个以上或少于三个冷却阶段组成。另外，其中一个或多个冷却阶段可以是非线性的。最后，可以用线性和非线性冷却阶段的组合在玻璃化转变区域温度范围内实现非线性冷却程序。

尽管已经详细描述了示例性实施方式，但是很明显，本领域普通技术人员通过阅读本发明可以对其进行改变。这些修改和改变均包括在所附的权利要求书的范围内。

                            附录A

                          热应力方程

玻璃片中的应力和应变必须满足以下场方程。

相容性

$\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}}{\∂y\∂z}=\frac{\∂}{\∂x}(-\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}}{\∂x}+\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂y}+\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}}{\∂z})$

$\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}}{\∂z\∂x}=\frac{\∂}{\∂y}(-\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂y}+\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}}{\∂z}+\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}}{\∂x})$

$\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}}{\∂x\∂y}=\frac{\∂}{\∂z}(-\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}}{\∂z}+\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}}{\∂x}+\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂y})---\left(1\right)$

$2\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}}{\∂x\∂y}=\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}}{\∂x^2}$

$2\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}}{\∂y\∂z}=\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}}{\∂z^2}+\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}}{\∂y^2}$

$2\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂z\∂x}=\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}}{\∂z^2}$

式中ε是总应变，下标按照常规方式表示组成，x，y，z为直角坐标。例如，参见Sokolnikoff，I.S.，1956，Mathematical Theory of Elasticity，Robert E.KriegerPublishing Company，Malabar，Florida。相容方程表示位移场是连续的。也即是说，它们表示在体内不会形成孔，而且相同的空间不会被体的一个以上部分所占据。

在弹性模型中，总应变是弹性应变和热应变之和。弹性应变

为：

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{xx}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}-\mathrm{\αT}$

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{yy}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}-\mathrm{\αT}$

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{zz}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}-\mathrm{\αT}---\left(2\right)$

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{xy}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}$

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{yz}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}$

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{xz}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}$

式中α是热膨胀系数，这里认为是各向同性的，T是与热应力为0的基准温度的温差。注意T可以是空间位置的函数。

本构定律

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{xx}}=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}-v({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}))$

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{yy}}=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}-v({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}))$

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{zz}}=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}-v({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}))$

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{xy}}=\frac{1-v}{E}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}---\left(3\right)$

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{xz}}=\frac{1-v}{E}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}$

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{yz}}=\frac{1-v}{E}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}$

式中σ_ij是应力，E是杨氏模数，v是泊松比。E和v可以是温度的函数。此组方程描述了材料的应力-应变行为，可认为是线弹性的，但是如果需要的话，也可以是粘弹性的。

平衡

$\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}}{\∂x}+\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}}{\∂y}+\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂z}=0$

$\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}}{\∂x}+\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}}{\∂y}+\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}}{\∂z}=0---\left(4\right)$

$\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂x}+\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}}{\∂y}+\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}{\∂z}=0$

为了发现热致应力，使用边界条件和给定的温度分布对以上耦合方程组求解。在此帘形翘曲模型中，边界条件是玻璃片不受外力作用。

如果热应变本身满足相容性，总应变可简化为热应变，这时就没有应力。例如，如果热应变是均匀的，或者如果它们具有均匀的梯度，它们本身可满足相容性，因此将不存在应力。当热应力不满足亲合性时，则具有弹性(或粘弹性)应变，使得总应变满足相容性。

使用ANSYS有限元软件建立翘曲模型。上文列出的方程组及其求解过程构成了ANSYS。将几何结构、作为温度函数的材料性质(E，v，α)，以及温度分布输入ANSYS软件。

Claims (30)

1.一种玻璃片的制造方法，该方法包括在制造过程中，当玻璃片经过某一特定温度范围的至少一部分时，在此温度范围的至少一部分内提供的热应力为抗张应力或基本为零，在制造之后，所述玻璃片的帘形翘曲不超过预定水平，其中在所述特定温度范围内的至少某些温度下，所述玻璃片的玻璃满足以下条件：(i)其热膨胀系数随温度发生非线性变化，(ii)发生由基本呈液态向基本呈玻璃状材料的转化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特定温度范围是所述玻璃的玻璃化转变温度范围的全部或一部分。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述特定温度范围约为60℃。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述特定温度范围约为20℃。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述玻璃的玻璃化转变温度范围约为650-850℃。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述玻璃的玻璃化转变温度范围约为700-850℃。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述特定温度范围约为720-780℃。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述特定温度范围约为760-780℃。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在所述特定温度范围的至少一部分中以不均匀方式冷却玻璃片来提供所述热应力。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，使用玻璃片的计算机模型确定冷却玻璃片的不均匀方式，所述计算机模型结合了玻璃的热膨胀系数随温度的非线性变化关系。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述冷却包括在至少一个具有第一斜率的第一冷却阶段和具有第二斜率的相邻第二冷却阶段冷却玻璃片，所述第一斜率与第二斜率不同。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一冷却阶段在第二冷却阶段之前，所述第一斜率大于第二斜率。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一冷却阶段在第二冷却阶段之前，所述第一斜率小于第二斜率。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述冷却阶段中至少一个阶段的斜率是非线性的。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预定的帘形翘曲水平约为250微米。

16.一种玻璃片制造方法，该方法包括在所述玻璃片的玻璃的玻璃化转变温度范围内提供一个或多个基本为非线性的冷却程序，使用一个或多个程序获得代表至少一部分玻璃片的玻璃样品的模拟应力数据。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法包括选择一种或多种基本为非线性的冷却程序中的一种，在所需区域内，使玻璃样品中基本无压缩应力，或者使玻璃样品中产生拉伸应力。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所选的基本为非线性的冷却程序包括具有第一斜率的第一冷却阶段和具有第二斜率的相邻第二冷却阶段，所述第一斜率与第二斜率不同。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一冷却阶段在第二冷却阶段之前，所述第一斜率大于第二斜率。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一冷却阶段在第二冷却阶段之前，所述第一斜率小于第二斜率。

21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述冷却阶段中至少一个阶段的斜率是非线性的。

22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用所选的基本为非线性的冷却程序制造玻璃片。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，制得的玻璃片的帘形翘曲不超过预定水平。

24.如权利要求16所述的方法，其特征在于，重复地提供大量基本为非线性的冷却程序。

25.一种玻璃片制造方法，该方法使用具有根部的熔融成形设备，所述玻璃具有一定的玻璃化转变温度范围，即GTTR，所述方法包括对玻璃施用一定的冷却模式，该冷却模式随与根部之间的距离而变化，并确保该冷却模式在玻璃的GTTR内包括至少一种非线性特性，该特性足以使制得的玻璃片的帘形翘曲低于预定水平。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述至少一种非线性特性包括能够在GTTR低温端区域内提供拉张带或基本零压缩的带的非线性特性。

27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，在冷却模式中，冷却的斜率是可变的。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述冷却模式包括大量冷却阶段。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述大量冷却阶段各自具有一个线性斜率，其中至少一个斜率与至少另一斜率不同。

30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述大量冷却阶段中至少有一个阶段具有非线性斜率。

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