JP5319560B2 - オーバーフロー式ダウンドロー融着プロセスによる板ガラスを作成するためのプロセス - Google Patents

Description

関連出願のための説明

本出願は２００２年１２月２１日に出願された米国仮特許出願第６０/３４３４３９号に対する優先権の利益を主張するものである。

本発明は板ガラスを作成するための融着プロセスに関し、特にジルコンアイソパイプを使用する融着プロセスに関する。さらに一層詳しくは、本発明はジルコンアイソパイプを使用する融着プロセスにより作成される板ガラス内のジルコン含有欠陥の形成の制御に関する。

本発明の技法は、融着プロセスが、液晶ディスプレイ、例えばＡＭＬＣＤの製造に際して基板として使用される板ガラスを作成するために用いられる場合に特に有用である。

融着プロセスは板ガラスを作成するためにガラス製造技術において用いられる基本技法の１つである。例えば、非特許文献１を参照されたい。業界周知の他のプロセス、例えば、フロートアンドスロット引出プロセスと比較すると、融着プロセスでは、表面の平坦性及び平滑性に優れたガラス板が作成される。この結果、融着プロセスは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の製造に用いられるガラス基板の作成に特に重要となっている。

融着プロセス、詳しくは、オーバーフロー式ダウンドロー融着プロセスは、共通に譲渡された、スチュアート・エム・ドカーティ（Stuart M. Dockerty）の特許の特許文献１及び特許文献２の主題である。これらの特許文献に説明されるプロセスの略図を図１に示す。図１に示されるように、“アイソパイプ”として知られる、耐火体に形成されたトラフに溶融ガラスが供給される。

定常状態動作に達すると、溶融ガラスがトラフの最上部から両側面上にオーバーフローし、よってアイソパイプの外表面に沿って下方に流れ、次いで内向きにも流れる、２枚のガラスシートを形成する。２枚のシートはアイソパイプの底部すなわちルートで合し、融着して単一シートになる。単一シートは次いで、シートがルートから引き離される速度によりシート厚を調節する引出装置（図１ではガラス引張ローラーとして示される）に送られる。引出装置は、単一シートが冷却されて、硬くなってからこの装置と接触するように、ルートの十分下流に配置される。

図１からわかるように、最終ガラス板の外表面はいかなる部分プロセス期間においてもアイソパイプの外表面のどの部分とも接触しない。それどころか、最終ガラス板の外表面は周囲雰囲気にしか接触しない。最終ガラス板を形成する２枚の半シートの内表面はアイソパイプに接触するが、これらの内表面はアイソパイプのルートで融着し合い、よって最終ガラス板内に埋まる。このようにして、最終ガラス板の外表面の優れた特性が達成される。

米国特許第３３３８６９６号明細書 米国特許第３６８２６０９号明細書

アールン・ケイ・ヴァーシュネヤ（Arun K. Varshneya）著，「平板ガラス（Flat Glass）」，無機ガラスの基礎（Fundamentals of Inorganic Glasses），（米国ボストン），アカデミック・プレス社（Academic Press, Inc.），１９９４年，第２０章，第４.２節，ｐ.５３４−５４０

融着プロセスに用いられるアイソパイプは、溶融ガラスがアイソパイプのトラフに流入し、アイソパイプの外表面上を流過する際に、高温にさらされ、かなりの機械荷重を受ける。これらの過酷な条件に耐えることができるように、アイソパイプは一般に、また好ましくは、耐火性材料の等方静的（アイソスタティック）にプレス加工されたブロックからつくられる（よって“アイソ−パイプ”と命名された）。特に、アイソパイプは等方静的にプレス加工されたジルコン耐火物、すなわち主としてＺｒＯ_２及びＳｉＯ_２からなる耐火物からつくられることが好ましい。例えば、アイソパイプは、ＺｒＯ_２及びＳｉＯ_２が合せて材料の少なくとも９５重量％になる、ジルコン耐火物でつくることができ、材料の理論組成はＺｒＯ_２・ＳｉＯ_２または、等価的に、ＺｒＳｉＯ_４である。

本発明により、ＬＣＤ基板として使用される板ガラス製造時の減損の主原因が、製造プロセスに用いられるジルコンアイソパイプへのガラスの流入及びジルコンアイソパイプ上の流過の結果としての、ガラス内の（本明細書では“二次ジルコン結晶”または“二次ジルコン欠陥”と称される）ジルコン結晶の存在であることが判明した。さらに、二次ジルコン結晶の問題は、より高温で形成される必要がある高失透性ガラスでより顕著になることが判明した。

本発明により、完成ガラス板内に見られるジルコン結晶を生じさせるジルコニアの源が、ジルコンアイソパイプの上部にあることが分かった。詳しくは、これらの欠陥は最終的に、アイソパイプのトラフ内に、及びアイソパイプの外側面の上部壁（堰）に沿って存在する、溶融ガラス内にその温度及び粘度において溶け込んでいるジルコニア（すなわち、ＺｒＯ_２及び/またはＺｒ^＋４＋２Ｏ^−２）の結果として生じる。ガラスは、アイソパイプを流れ下りながら、冷却され、より高粘度になるから、アイソパイプの下部に比較して、アイソパイプの上記部分においては、ガラスの温度は高く、ガラスの粘度は低い。

溶融ガラス内のジルコニアの溶解度及び拡散率はガラスの温度及び粘度の関数である（すなわち、ガラスの温度が低くなり、粘度が高くなるにつれて、溶融ガラス内に保持され得るジルコニアは少なくなり、拡散率は低くなる）。ガラスがアイソパイプの底部（ルート）に近づくにつれて、ガラス内のジルコニアは過飽和になる。この結果、ジルコン結晶（すなわち二次ジルコン結晶）の核が形成され、ルート領域においてアイソパイプ上にジルコン結晶が成長する。

ついには、これらの結晶が破断してガラス流に入り、ガラスシートの融着線において、またはその近くで、欠陥となるに十分な長さに成長する。一般に、破断は結晶が約１００μｍの長さに成長するまでは問題にならない。この長さまで成長するにはかなりの、例えば連続作業で３ヶ月またはそれより長い、時間がかかり得る。この結果、完成ガラス内の二次ジルコン欠陥の源の同定自体が本発明の重要な側面であった。

本発明にしたがえば、完成ガラス内の二次ジルコン欠陥の問題は、
（ａ） アイソパイプのトラフ及び上部において溶融ガラス内に入るジルコンを少なくする、及び／または
（ｂ） アイソパイプの底部において溶融ガラスから出現し、二次ジルコン結晶を形成するジルコンを少なくする（この溶融ガラスからの出現は失透及び／またはジルコン結晶の析出をもたらすと考えることができる）、
条件の下で融着プロセスの作業を行うことにより解決される。

上記の効果が得られるであろう作業条件は、（ａ）アイソパイプ上部（トラフ及び堰領域）における作業温度（特にガラス温度）を下げる、または（ｂ）アイソパイプ底部（ルート領域）における作業温度（特にガラス温度）を上げる条件、または（ｃ）最も好ましくは、アイソパイプ上部における作業温度を下げ、アイソパイプ底部における作業温度を上げる、などである。

アイソパイプ上部における作業温度を下げることは、それだけで、またはアイソパイプ底部における温度を上げる条件と組み合わせて、二次ジルコン問題を解決するために用いられることが好ましい。一般的に言って、二次ジルコン問題の解決において、アイソパイプ上部における温度変更の効果はアイソパイプ底部における同じ温度変更の効果のほぼ２倍である。

アイソパイプの上部及び／または下部における所望の温度調節は、ガラス形成作業においてガラス温度を制御するために通常用いられるタイプの加熱装置を用いて達成される。例えば、アイソパイプ上部において作業温度を下げる条件は、アイソパイプ上部またはその近くに配置されたいずれの加熱器の熱出力も下げる（または絶つ）ことにより達成することができ、一方、アイソパイプ底部における作業温度の上昇は、アイソパイプ底部またはその近くに配置された加熱器の熱出力を増加させることにより、及び／またはより強力な加熱器を用いることにより、及び／またはより多くの加熱器を付加することにより、達成することができる。

同様に、温度調節は、アイソパイプ周りの断熱材または空気流パターンを変えることにより達成できる。例えば、ルート領域における温度を高くするためにアイソパイプのルート領域の断熱材を増やすこともできるし、やはりアイソパイプのその領域における温度を高くするために、その領域における空気流を少なくすることもできる。

アイソパイプ上部における温度は、ガラス板がつくられる原材料を処理するために用いられる溶融／清澄装置からアイソパイプに供給されるガラスの温度を下げることにより、下げることもできる。いずれの手段によっても、与えられたガラス組成に対して、アイソパイプ上部における温度が低められ、その結果、ガラスの粘度が高くなり、この領域におけるジルコニア溶解度が低くなるであろう。

平板ガラスを作成するための代表的なオーバーフロー式ダウンドロー融着プロセスを示す略図である。 本発明の実施に用いることができる代表的な温度変更を示す略図である。

図２は、二次ジルコン欠陥レベルの、１ポンド（約４５３.６ｇ）当りほぼ０.３個の欠陥から１ポンド当りほぼ０.０９個の欠陥への低減を達成するために設定された、代表的な作業温度の変更を示す。すなわち、本発明を用いたときの欠陥レベルは本発明を用いないときの欠陥レベルの１/３より低い。ルート先端は、アイソパイプのルート上で二次ジルコン結晶がより形成されやすい場所であるから、ルート先端における温度変化（上昇）がルート中央における温度変化（上昇）より大きいことに注意すべきである。

図２に示される温度は、アイソパイプのトラフに供給されるガラスの温度の低下、例えばほぼ１２７０℃からほぼ１２３５℃への低下、と組み合わせて用いられることが好ましい。

図２に示される温度は、業界周知の様々な技法を用いて測定することができるガラス温度である。一般的に言って、アイソパイプ上部（トラフ及び堰）については、測定されるガラス温度はアイソパイプの外表面の温度とほぼ同じであろうが、下部（ルート）については、ガラス温度は一般にアイソパイプの外表面の温度より低いであろう。

図２に示される温度変更は、コーニング社（Corning Incorporated）から１７３７という商標で販売されているタイプのＬＣＤガラスの製造においての使用に適する。ダンボー二世（Dumbaugh, Jr.）等への米国特許第５３７４５９５号の明細書を参照されたい。他のガラスに適する作業温度（ガラス温度）は、本開示から容易に決定することができる。用いられる特定の温度は、ガラス組成、ガラス流速及びアイソパイプ形状のような変数に依存するであろう。すなわち、実際上、経験的手法が用いられて、完成ガラス内の二次ジルコン欠陥レベルが市場に受け入れられるレベル、すなわち、完成ガラス１ポンド当り０.１個の欠陥より低いレベルになるまで、温度が調節される。一般的に言って、ＬＣＤ基板の作成に適するガラスについて１ポンド当り０.１個の欠陥より高い二次ジルコン欠陥レベルを回避するためには、アイソパイプ上部（例えば堰の上面）におけるガラスの温度とアイソパイプ底部（例えばルート）におけるガラスの温度の間の差は、約９０℃より低くなければならず、場合によっては８０℃より低くなければならない。

上述したことから、本発明が、ジルコンアイソパイプを使用する融着プロセスを用いて作成される板ガラス内のジルコン含有欠陥レベルを低減させるための方法を提供することは明らかである。本方法は、最も高温のガラスがアイソパイプに接触する場所で実質的な量のジルコニアが溶融ガラス内に入らず、最も低温のガラスがアイソパイプに接触する場所で実質的な量のジルコンが溶融ガラスから出現して結晶を形成することのないように、アイソパイプに接触する最も高温のガラスと最も低温のガラスの間の温度差を制御する工程を含む。詳しくは、アイソパイプのルートで形成される二次ジルコン結晶が、破断して完成ガラス内に市場で受け入れられない欠陥レベル、例えば、完成ガラス１ポンド当り０.１個の欠陥より高い欠陥レベルを生じるであろう長さに達しないように、温度差が制御される。

さらに一層簡潔に言えば、本発明は、トラフ及び堰レベルにおいて拡散して溶融ガラスに入るジルコニアの量と、ルートレベルにおいて溶融ガラスから出現して結晶を形成するジルコンの量との両方を最小限に抑えるように、ジルコンアイソパイプ上を流過するときの溶融ガラスの温度プロファイルを制御することにより、二次ジルコン欠陥問題を解決する。

Claims (3)

1. 上部にトラフ及び堰を有し且つ底部にルートを有するジルコンアイソパイプに溶融ガラスを供給する融着プロセスにより板ガラスを作成する方法において、
   前記ルートにおいてジルコンが前記溶融ガラスから出てきて結晶を形成する結果生じる板ガラス内のジルコン含有欠陥レベルが、１ポンド（４５３.６ｇ）当りの欠陥数が０.１個を超えないように、前記アイソパイプの前記ルートの先端における前記溶融ガラスの温度を１１２０℃より高くするとともに、前記ルートの中央における前記溶融ガラスの温度を１１５０℃より高くすることにより、前記板ガラス内のジルコン含有欠陥の形成を抑制することを特徴とする方法。
2. 前記ルートにおいて形成されるジルコン結晶の長さが１００μｍより短く保たれることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記板ガラスが液晶ディスプレイ製造用基板として用いられるものであることを特徴とする請求項１または２記載の方法。

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