DE102004052568A1

DE102004052568A1 - Dünnglas-Substrat und Verfahren zur Herstellung von Dünnglas

Info

Publication number: DE102004052568A1
Application number: DE102004052568A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Langsdorf; Ulrich Dr. Lange; Armin Vogl; Andreas Morstein; Andreas Dr. Roters
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2024-10-30
Also published as: US20060110603A1; KR20060052293A; TW200621660A; JP2012140326A; US7814765B2; JP5805000B2; TWI401221B; US20100291347A1; JP2006124275A; JP5911546B2; JP5004456B2; CN1827543A; DE102004052568B4; JP2015091749A; CN1827543B

Abstract

Es wird ein Dünnglassubstrat, insbesondere für Displayanwendungen, beschrieben, das eine Dicke von weniger als 1,5 mm, eine Länge von wenigstens 1800 mm, eine Breite von wenigstens 1800 mm und eine Differenz zwischen der kleinsten und der größten Dicke von weniger als 50 mum besitzt. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnglassubstrats nach dem Floatverfahren beschrieben, bei dem Flags im Hot-Spread-Bereich eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dünnglassubstrat mit einer Dicke von weniger als 1,5 mm sowie ein Herstellungsverfahren für Dünnglas.

Dünnglassubstrate werden unter anderem benutzt zur Herstellung von Flachbildschirmen, z.B. Plasma-Bildschirmen (PDP = Plasma Display Panel), Feld-Emissions-Bildschirmen (FED = Field Emission Display), TFT-Flüssigkristall-Bildschirmen (TFT = Thin Film Transistor), STN-Flüssigkristall-Bildschirmen (STN = Super Twisted Nematic), Plasmaunterstützte Flüssigkristall-Bildschirme (PALC = Plasma Assisted Liquid Crystal), Elektroluminiszenz-Displays (EL) und dergleichen.

Bei den Flachbildschirmen wird je nach dem Typ des Displays zwischen zwei Glasscheiben entweder eine dünne Schicht einer Flüssig-Kristall-Verbindung eingebracht oder es werden auf Vorder- und Rückseite der rückwärtigen bzw. vorderseitigen Scheibe jeweils dielektrische Schichten aufgebracht, aus denen Zellen geformt werden, in denen die Phosphore untergebracht sind.

Es ist wichtig, dass die Schichtdicke der Flüssigkristall-Schicht bzw. die Dicke der dielektrischen Schicht genau eingehalten wird, damit insbesondere bei großen Abmessungen eines Bildschirms keine störenden Farbverfälschungen oder Helligkeitsabweichungen (Schattierung) auftreten. Da die Schichtdicken (derzeit ca. 30 μm) immer kleiner und die Bildschirme immer größer werden, kommt dieser Bedingung eine wachsende Bedeutung zu.

Obwohl Floatglas aufgrund seiner feuerpolierten Oberfläche vorzüglich für Displayanwendungen geeignet ist, ist es bei den heutzutage geforderten großen Substratformaten mit Kantenlängen von oberhalb 1800 mm nicht möglich, Displayglas nach dem Floatverfahren herzustellen, bei dem Dickendifferenzen von kleiner als 50 μm auftreten.

Eine Erklärung für die Entstehung von Dickenschwankungen bei gefloatetem Glas ist das Vorhandensein von Strömungen im Floatbad, das üblicherweise aus geschmolzenem Zinn besteht. Diese sehr komplexen Strömungen sind das Ergebnis von sich gegenseitig beeinflussenden mechanisch und thermisch induzierten Strömungen, d.h. strömungsdynamische und thermische Effekte überlagern sich.

Durch die Bewegung des Glasbandes auf dem Zinnbad entsteht direkt unter dem Glasband eine Strömung in Bewegungsrichtung des Glasbandes, d.h. eine Strömung von den heißen Abschnitten des Zinnbades in Richtung auf die kälteren Abschnitte, während sich in der freien Oberfläche des Zinnbades seitlich neben dem Glasband eine Rückströmung, d.h. eine Strömung in Gegenrichtung ausbildet, wobei kälteres Zinn in Richtung auf die heißeren vorderen Abschnitte des Zinnbades strömt. Bei Vermischungen dieser beiden Strömungen entstehen Temperatur-Inhomogenitäten, die sich wiederum auf das heiße zu verformende Glasband übertragen und dort zu Viskositäts-Inhomogenitäten führen. Diese Viskositätsänderungen führen dann zu unerwünschten Dickenschwankungen und Welligkeiten in dem Glasband, wo sie sich um so stärker bemerkbar machen, je stärker das Band ausgezogen wird, d.h. je dünner es hergestellt wird.

Es ist bereits sehr früh (z.B. DE-PS 1771 762 oder DE-PS 2146 063) versucht worden, diese seitliche Rückströmung durch den Einbau von Strömungsbarrieren, sogenannten Flags, zu unterdrücken bzw. zu behindern. Gemäß DE-PS 1771 762 wird der Rückstrom mittels rechts und links parallel zur Seitenwand angeordneter Dämme kanalisiert und der sich zwischen Seitenwand der Floatwanne und dem jeweiligen Damm ausbildende Rückstrom wird mittels in den Rückstrom eintauchende, in ihrer Höhe verstellbare Widerstandskörper behindert bzw. unterdrückt. DE-PS 2146 063 beschreibt eine besondere Bodenkonstruktion eines Floatbades zur Führung der Unterströmung der Badflüssigkeit am Boden des Floatbades, die seitliche Rückströmung wird mittels seitlich in die Badflüssigkeit tauchende Prallbleche (8) behindert. EP 031 772 B1 beschreibt sehr ausführlich die Anordnung und Wirkungsweise von Flags. In dieser Schrift wird auch gezeigt, dass die Flags nicht nur quer zur Laufrichtung des Bandes angeordnet sein können, sondern auch einen Winkel dazu bilden können. In JP 2000-313628 A wird ein Flag gezeigt, das im wesentlichen unterhalb der Badoberfläche angeordnet ist. Bei diesem Flag kann der Winkel, mit dem das Flag in das geschmolzene Metall eintaucht, eingestellt werden und ebenfalls die Entfernung zwischen dem Flag und dem Glasband.

Trotz aller Verbesserungen bei der Floatglasherstellung gibt es bisher keine großflächigen Dünnglassubstrate mit einer Dicke von weniger als 1,5 mm, die hohen Qualitätsanforderungen entsprechen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein großflächiges Dünnglassubstrat mit einer Dicke von weniger als 1,5 mm zu finden, das hohen Qualitätsanforderungen entspricht und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben. Dabei soll das Dünnglassubstrat insbesondere für die Display-Technik geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beschriebene Dünnglassubstrat sowie das in Patentanspruch 8 beschriebene Verfahren zu seiner Herstellung gelöst.

Das Dünnglassubstrat erfüllt die beanspruchten hohen Qualitätsanforderungen so, wie es aus der Floatanlage kommt, d.h. ohne nachträgliches Polieren. Ist aus irgendwelchen Gründen dennoch eine Politur erforderlich, so kann sie besonders wirtschaftlich durchgeführt werden, da durch die hohe Oberflächenqualität die Polierarbeit sehr gering gehalten werden kann.

Es konnte gefunden werden, dass ein Dünnglassubstrat mit einer Dicke von weniger als 1,5 mm, einer Kantenlänge von jeweils über 1800 mm und einer Differenz zwischen der kleinsten und der größten Dicke von weniger als 50 μm höchsten Anforderungen der Display-Technik entspricht. Bei sehr großen Flächen ist es aus Gewichtsersparnisgründen von Vorteil, das Glassubstrat möglichst dünn zu machen, wobei Dicken von 0,4 bis 1,1 mm bevorzugt werden. Unterschreitet man eine Dicke von 0,4 mm, so ist das Glassubstrat zwar immer noch für die Herstellung von Displays geeignet, jedoch erfordert das Handling derartig dünner Substrate, insbesondere bei großen Abmessungen, einen deutlich höheren Aufwand. Die Dünnglassubstrate haben Breiten von über 1800 mm, wobei in der Praxis allein aus Handhabungsgründen bei dem Weiterverarbeiten eine Breite von 3,5 bis 4 m selten überschritten werden dürfte. Auch wenn breitere Formate hergestellt werden, werden diese in der Praxis durch Längsteilung in das angegebene Breitenformat gebracht. Besonders einfach handhabbar sind Breiten bis etwa 2,5 m, und werden daher bevorzugt. Die Länge der Dünnglassubstrate liegt ebenfalls aus Gründen der einfachen Handhabung in der Größenordnung der auch für die Breite angegebenen Abmessungen. Theoretisch sind der Länge der Substrate infolge des kontinuierlichen Herstellungsverfahrens keine Grenzen gesetzt. Da sich sehr dünnes Glas aber gut biegen lässt, kann bei entsprechend geeignetem Biegeradius das Substrat auch in aufgerollter Form, d.h. als Rolle, vertrieben werden. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Differenz zwischen der kleinsten und der größten Dicke weniger als 30 μm, insbesondere weniger als 15 μm beträgt, da damit zu rechnen ist, dass die Anforderungen seitens der verarbeitenden Industrie steigen werden. Wegen der guten Oberflächenqualität von Floatglas, bei der die Oberfläche die Qualität einer Feuerpolitur besitzt, ist ein Floatglas mit den genannten Parametern bevorzugt. Das erfindungsgemäße Glas ist insbesondere für die Verwendung in TFT-Displays geeignet. Für diese Anwendungen wird ein bis auf unvermeidbare Verunreinigungen Natriumionen-freies Glas benutzt. Natriumionen als Verunreinigungen dürfen in solchen Gläsern 1000 ppm nicht überschreiten.

Bei dem bekannten Floatverfahren zur Herstellung von Flachglas wird eine Glasschmelze auf ein Bad aus einer Metallschmelze gegossen und das flüssige Glas breitet sich auf der Metallschmelze aus, wobei man diesen Bereich als Hot-Spread-Bereich bezeichnet. Die Ausbreitung des Glases wird anschließend unterstützt durch sogenannte Top-Roller, die am Rand des Glasbandes eingreifen und das Glasband weiter auseinanderziehen. In Strömungsrichtung des Glasbandes hinter den Top-Rollern wird dem Glasband durch Beschleunigung eine Endabzugsgeschwindigkeit erteilt, was eine Mitnahme des Metalls unter dem Glas stromabwärts bedingt und zu der kälteren Rücklaufströmung in Richtung stromaufwärts führt. Den sich in der freien Oberfläche im Abzugsbereich seitlich neben dem Glasband ausbildenden Teil der Rückströmung (ein weiterer Teil der Rückströmung verläuft in tieferen Schichten des Bades) be- bzw. verhindert man durch das Einbringen von Barrieren (Flags) in die seitliche Oberfläche des Zinnbades in diesem Bereich.

Überraschenderweise konnte gefunden werden, dass durch die Anwendung von Flags in einem Bereich des Floatbades, in dem keine Rückströmung in der Oberfläche herrscht und wo die Flags gemäß dem herkömmlichen Verständnis ihre Wirkungsweise eigentlich keinerlei Wirkung zeigen sollten, sich die Dickenschwankungen des erzeugten Floatglases noch einmal deutlich verringern lassen. Dieser Bereich des Floatbades ist der Hot-Spread-Bereich, also der Bereich, in dem sich das Glas unter dem Einfluß der Schwerkraft noch weitgehend frei spreitet. Er liegt in Strömungsrichtung des Glasbandes gesehen vor den Top-Rollern, Das Glas hat in diesem Bereich eine Viskosität von weniger als 10⁶ dPas, insbesondere eine Viskosität von 10⁴ bis 10⁶ dPas.

Anhand der Abbildung wird die Erfindung weiter erläutert.
Es zeigen:
1 die Darstellung einer langgestreckten Floatglaswanne gemäß dem Stand der Technik in Draufsicht
2 eine Floatglaswanne mit erfindungsgemäß positionierten Flags
3a–3c einen Ausschnitt aus einer Floatglaswanne mit einem Flag.
1 zeigt eine langgestreckte Floatglaswanne gemäß dem Stand der Technik in Draufsicht. Die Wanne besitzt die Seitenwände 1 und enthält ein Bad 2 aus geschmolzenem Zinn. Auf dem Zinnbad schwimmt das Glasband 3, das sich in Pfeilrichtung bewegt. Die Wanne besitzt mehrere unterschiedliche Abschnitte I bis IV, die sich wie folgt unterscheiden lassen:

– In Abschnitt I wird das flüssige Gas auf das Zinnbad aufgegossen und breitet sich aus (Hot-Spread-Bereich).
– In Abschnitt II werden longitudinale Kräfte und Kräfte nach außen unter dem Einfluß der Top-Roller und der Abzugwalzen ausgeübt, das Glas wird bereits ausgezogen und wird dünner.
– In Abschnitt III erhält das Glasband seine endgültige Form durch die Tätigkeit der Abzugswalzen. Die Abschnitte II und III bilden gemeinsam die Auszugszone, d.h. den Bereich, in dem das Glas ausgezogen wird und seine endgültige Form erhält.
– In Abschnitt IV erfolgt die Verfestigung des Glases und seine fortschreitende Abkühlung.

Das flüssige Glas 4 wird anfangs der Zone I auf das Zinnbad 2 aufgegossen und breitet sich dort bis zu seiner Gleichgewichtsdicke von ca. 6–7 mm aus. Es bildet sich schließlich das fertige Glasband 3', das durch die Abzugswalzen 5 aus der Floatkammer abgezogen wird. Die gewünschte Dicke des Glasbandes wird durch die gemeinsame Aktion der Top-Roller 6 und der Abzugswalzen 5 erreicht, wobei die Top-Roller von außerhalb der Wanne mit an die steigende Geschwindigkeit des Glasbandes angepasster Geschwindigkeit angetrieben werden. Die Top-Roller sind leicht schräg zur Laufrichtung gestellt, werden über die Schäfte 8 und nicht dargestellte Antriebsmotoren angetrieben und üben dadurch einen Zug nach außen auf das Glas aus, womit einer vorzeitigen Verschmälerung des Glasbandes entgegengewirkt wird. Die Bewegung des Glasbandes in der Auszugszone bewirkt eine Strömung des Metalls direkt unterhalb des Glasbandes in dieselbe Richtung, wobei diese Strömung eine entsprechende Gegenströmung am Boden und an der Seite des Bades hervorruft. Diese seitliche Strömung wird mittels seitlich in das Bad hineinragender Flags 7 behindert bzw. unterdrückt.
2 zeigt eine konventionelle Floatglaswanne entsprechend 1 mit dem Unterschied, dass im Hot-Spread-Bereich, d.h. in dem Bereich vor (in Strömungsrichtung des Glasbandes gesehen) den Top-Rollern, in dem sich das Glas unter Einwirkung der Gravitation ausbreitet, Flags 9 eingebracht sind. Die Anzahl der Flags hängt von der Größe der Floatkammer bzw. des Hot-Spread-Bereiches ab. Für optimale Ergebnisse benutzt man 1 bis 3 Flags auf jeder Seite der Wanne pro laufenden Meter Wannenlänge im Hot-Spread-Bereich. Eine deutliche Verbesserung erreicht man jedoch bereits mit jeweils einem Flag auf jeder Seite der Wanne. Mit den erfindungsgemäßen Flags im Hot-Spread-Bereich lässt sich die Glasqualität in jeder Floatwanne verbessern, auch dann, wenn die Wanne keine Flags im Auszugsbereich (Zonen II und III in 1 und 2) enthält. Als Flags 9 können alle in Floatwannen gewöhnlich eingesetzten Modelle benutzt werden. Die Flags sind Platten, die zwischen Wandung des Floatbades und dem Rand des Glasbandes in das Bad eintauchen und die im wesentlichen quer zur Laufrichtung des Glasbandes angeordnet sind.
3a bis 3c zeigen jeweils einen seitlichen Ausschnitt aus einem Floatbad mit Seitenwand 10 und Boden 11 des Floatbades, dem Zinnbad 12 und dem auf dem Zinnbad schwimmenden Glasband 13. Zwischen dem seitlichen Rand des Glasbandes 13 und der Behälterwandung 10 ist ein Flag 14 angebracht, das von oben in das Zinnbad 12 hineinragt. Das Flag 14 reicht vorzugsweise bis auf den Boden 11 des Floatbades, kann aber auch, wie in 3b gezeigt, mit einem Abstand vom Boden angeordnet sein. Der Abstand zwischen Flag 14 und der Seitenwand 10 wird möglichst gering gehalten, um eine maximale Wirkung zu erzielen. Es ist nicht schädlich, wenn ein geringer Abstand der Flags zur Behälterwandung besteht. Der Abstand sollte aber nicht zu groß werden, da sich anderenfalls die wirksame Fläche des Flags verringert. Der seitliche Abstand des Flags zum Rand des Glasbandes 13 soll ebenfalls möglichst gering sein, wobei die direkte Berührung des Glases durch das Flag jedoch unerwünscht ist. Aus Gründen der leichteren Handhabung und Einstellung werden Abstände von etwa 10 bis 50 cm bevorzugt. Das Flag kann, wie in den 3b und 3c gezeigt, auch unter den Rand des Glasbandes 13 reichen. In 3b wird das durch eine Abstufung in dem Flag bewirkt, in 3c kommt ein Flag mit einer schrägen oberen Kante zum Einsatz. Das Flag ist an einem Halter 15 befestigt, der durch die Behälterwand 10 hindurchgeführt ist und dort in üblicher, hier nicht dargestellter Weise befestigt ist. Das Flag 9 ist üblicherweise in einem Winkel von 90° zur Laufrichtung des Glasbandes 3 (2) angeordnet, zur besonders genauen Abstimmung der Wirkung kann es aber auch in einem Winkel dazu angeordnet sein. Der Winkel kann bis zu 30° betragen, sollte aber in der Regel nicht kleiner als 45° sein. Es ist ferner günstig, wenn das Flag mit einer Verstelleinrichtung ausgerüstet ist, mit der Höhe, Winkel und Abstand von Seitenwandung 10, Glasband 13 und Abstand zum Behälterboden 11 eingestellt werden können. Diese Verstellmittel sind nicht besonders dargestellt, da sie mit gängigem Ingenieurswissen unschwer erstellt werden können. Die Oberkante des Flags soll im Seitenbereich oberhalb des Badspiegels liegen. Die Verwendung von vollständig untergetauchten Flags, z.B. aus JP 2003313628 A bekannt, führt zu einer verringerten Wirkung.
Das Material, aus dem die Flags (9, 14) bestehen, muss gegenüber dem Metall und dem Schutzgas des Floatbades inert sein und den dort und im Gasraum darüber herrschenden hohen Temperaturen widerstehen können. Als geeignet für das Flag hat sich z.B. Graphit, Mullit, Sillimanit, Quarzal (Quarzgut) sowie Verbundmaterialien daraus erwiesen. Als Material für den Halter ist z.B. warmfester Stahl geeignet.
Durch die im Hot-Spread-Bereich angeordneten Flags kann noch einmal eine deutliche Verringerung der Dickenschwankungen des hergestellten Dünnglases erreicht werden. Weiterhin konnte die Stabilität des Glasbandes hinsichtlich seiner Breite und seiner Positionierung auf dem Floatbad deutlich verbessert werden.
Beispiel:
In einer üblichen Floatanlage gemäß dem Stand der Technik wurde ein Dünnglas mit einer Dicke von etwa 0,7 mm gezogen. Über einen Zeitraum von mehreren Stunden wurde kontinuierlich die Dickenkonstanz des die Floatanlage verlassenden Glasbandes gemessen und in 1 graphisch dargestellt. Die Messung erfolgte nach dem Doppelreflexverfahren, bei dem eine Laserschichtlinie auf das Glasband projiziert wird und aus dem Abstand der empfangenen Reflexe von Vorder- und Rückseite des Glasbandes die Dicke errechnet wird. Die Dickenschwankungen sind in Bild 1 dargestellt. Nunmehr wurde je ein Flag zu beiden Seiten des entstehenden Glasbandes im Abstand von etwa 3,5 m von der Stirnseite des Floatbades (Badeingang) entfernt eingebaut. Der Winkel des Flags zur Seitenwand betrug 90°, der Abstand zur Seitenwand 0 cm und der Abstand zu dem Glasstrom 2020 cm. Das Flag hatte eine Größe von 70 cm und liegt auf dem Zinnbadboden auf. Die nach diesem Einbau erhaltenen Dickenschwankungen sind in Bild 2 dargestellt. Man erkennt, dass die Dickenschwankungen von ca. 57 μm in Bild 1 auf ca. 18 μm in Bild 2 zurückgegangen sind.

Claims

Dünnglassubstrat, insbesondere für die Displaytechnik, mit einer Dicke von weniger als 1,5 mm, einer Länge von wenigstens 1800 mm, einer Breite von wenigstens 1800 mm und einer Differenz zwischen der kleinsten und größten Dicke weniger als 50 μm.
Dünnglassubstrat nach Anspruch 1 mit einer Dicke von 0,4 bis 1,1 mm.
Dünnglassubstrat nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Kantenlänge von bis zu 2500 mm.
Dünnglassubstrat nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Differenz zwischen der kleinsten und größten Dicke von weniger als 30 μm.
Dünnglassubstrat nach Anspruch 4 mit einer Differenz zwischen der kleinsten und größten Dicke von weniger als 15.μm.
Dünnglassubstrat nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es nach dem Floatverfahren hergestellt ist.
Dünnglassubstrat nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es bis auf unvermeidbare Verunreinigungen frei von Natrium-Ionen ist.
Verfahren zur Erzeugung von Flachglas nach dem Floatverfahren, bei dem man eine heiße Glasschmelze (4) auf ein Bad (2) aus geschmolzenem Metall aufgießt, worauf sich das Glas darauf infolge der Schwerkraft ausbreitet (Hot-Spread-Bereich), und man dem sich formenden Glasband (3, 3') durch Beschleunigung eine Endabzugsgeschwindigkeit erteilt, dadurch gekennzeichnet, dass man im Hot-Spread-Bereich Barrieren (Flags) (9) zu beiden Seiten des Glasstromes anordnet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man Flags (9) verwendet, die sich über die gesamte Tiefe des Bades (2) erstrecken.
Verfahren nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass man Flags (9) aus Graphit verwendet.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man die Flags (9) in einem Winkel von 90° bis 30° zur Laufrichtung des Glasbandes (3, 3') anordnet.