JP6284681B2 - 薄板ガラスロールおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は一般的には、薄板ガラスおよび極薄ガラスの製造に関する。とりわけ本発明は、巻き取られたガラスリボンの形態の長いリボン形の薄板ガラスフィルムおよび極薄ガラスフィルムの工業的生産に関する。
たとえばコンシューマーエレクトロニクス分野、たとえば半導体モジュール用、有機LED光源用もしくは薄型もしくは曲面のディスプレイデバイス用のカバーガラスとしての用途、または、太陽電池等のエネルギー技術もしくは再生エネルギー分野等の非常に多岐にわたる用途において、薄板ガラスが用いられることがますます多くなってきている。その例としては、タッチパネル、キャパシタ、薄膜電池、フレキシブルプリント配線板、フレキシブルOLED、フレキシブル太陽電池モジュールまたは電子ペーパーもある。薄板ガラスは多くの用途において、その優れた特性、たとえば化学物質耐性、温度変動耐性、耐熱性、気密性、高い電気絶縁性能、整合された熱膨張係数、可撓性、高い光学的品質および光透過性のため、または、薄板ガラス両面の表面がファイアポリッシュされていることにより粗さが非常に小さい高い表面品質のため、ますます注目されることが多くなってきている。ここで「薄板ガラス」とは、約1.2mm未満の厚さで、5μm以下の厚さに及ぶガラスフィルムを指す。その可撓性により、薄板ガラスはガラスフィルムとして、製造後に巻き取られてガラスロールとして保管され、または仕上げ処理もしくは後続処理のために輸送されることが、ますます多くなってきている。ロール・ツー・ロール法では中間処理後、たとえば表面のコーティングまたは仕上げ処理後にガラスフィルムを巻き取った状態に戻し、後続の使用へ供給することができる。このようにガラスを巻き取ることは、面状に広げられた状態の材料を保管および輸送する場合と比較して、保管、輸送および後続処理における取扱いが低コストでコンパクトであるという利点を有する。後続処理では、ガラスロールから、または面状に保管もしくは輸送された材料から、要求に応じたより小さいガラスフィルム片にカットする。多くの用途では、かかるガラスフィルム片も、曲げられた状態またはロール状のガラスとして用いられる。
その優れた特性全てをもってしても、ガラスは、引張応力に対する耐性が低いため、破壊強度が比較的低い脆性材料である。ガラスを曲げると、曲げられたガラスの外側表面に引張応力が生じる。かかるガラスロールを破壊無しで保管し、破壊無しで輸送し、または、小さいガラスフィルム片を亀裂や破壊無しで使用する際には、第一にエッジの品質および完全性が、巻き取られた状態または曲げられた状態のガラスフィルムにおいて亀裂または破壊の発生を回避するための重要事項となる。エッジの損傷、たとえばマイクロクラック等の僅かな亀裂等でさえ、ガラスフィルムのより大きな亀裂または破壊の原因や起点となり得る。さらに、ロール状または曲げられた状態のガラスフィルムの表面に引張応力がかかるので、巻き取られた状態または曲げられた状態のガラスフィルムに亀裂または破壊が生じるのを回避するためには、表面の完全性、または表面に傷、筋または他の表面欠陥が無いことも重要になる。3番目として、巻き取られた状態または曲げられた状態のガラスフィルムに亀裂または破壊が生じるのを回避するため、製造に起因して生じるガラスの内部応力も、可能な限り小さくし、または完全に無くす必要もある。とりわけガラスフィルムエッジの性状は、亀裂発生の観点で、またはガラスフィルムの破壊に至るまでの亀裂伝播の観点で、特に重要になる。
従来技術では薄板ガラスないしはガラスフィルムは、特殊研削加工されたダイヤモンドまたは特殊鋼製もしくは炭化タングステン製のホイールを用いてスクライブされて機械的に割断される。かかる割断時には、表面へのスクライブにより、ガラスに意図的に所定の応力を生成する。これにより形成されたひびに沿って、ガラスは制御下で圧力、張力または曲げにより破断される。これによって一般的には、エッジ周縁部の粗さが大きく、マイクロクラックおよびチッピングまたはスポーリングが多いエッジが生じてしまう。
次に、エッジ強度を向上させるためにエッジを面取り、べべリングまたは研削および研磨することができる。しかし、とりわけ200μm未満の厚さ領域のガラスフィルムの場合、ガラスの亀裂や破壊のおそれの増大になることなく、機械的なエッジ加工を実現することはできなくなる。ガラスの性状と、とりわけガラスエッジの性状とに応じて、ガラスの曲げ強度が異なってくる。ここでは、まさにこのエッジの性状が決定的に重要となる。よって、材料および表面性状において同様である2つのガラスフィルムは、エッジの性状が異なる場合、ガラスエッジの曲げ時に非常に異なる破壊確率を示し得る。よって、かかる場合において、製造された薄板ガラスフィルムを巻き取った形態で提供する場合、ロール芯の可能な直径ないしはガラスロールの内径に関して不確実性が大きくなる。したがって、ガラスロールの内側面を成す、ガラスロールの最内側のガラス層の曲げ半径が最小となり、これにより、最内側のガラス層の曲げ荷重も最大になる。外側に位置するガラス層ほど、その曲げ半径は小さくなる。しかし典型的には、ガラスリボンの大部分が、ガラスロールの内側半径と同等の曲げ半径を有する。ここで破壊のおそれを最小限にし、および/または、ガラスリボンの寿命を最大限にするためには、もちろん、ロール芯径を大きくすることが常に可能ではある。しかしこのことは、非常に扱いにくいフォーマットになってしまうという欠点をはらんでいる。したがって、ガラスロールの後続処理のため、またガラスロールの保管のためにも、特にコンパクトな寸法、とりわけ具体的には小さい内径が、もちろん望ましい。それと同時に、所定の保管期間中のガラスリボンの破壊率を可能な限り低くする必要もある。
よって本発明の課題は、上述の長寿命かつコンパクトな寸法という要求に関して最適化された、ガラスロールの形態のガラスリボンを実現することである。前記課題は、独立請求項に記載の発明によって解決される。各従属請求項に、本発明の有利な実施形態が記載されている。本発明の基礎となる認識は、上述の要求を満たす、ガラスロールの内側における曲げ半径を求めるために、ガラス材料の試料に破壊試験を行い、破壊試験に基づいて統計的パラメータを求め、有利には、寿命を含む指数項によりスケーリングを行って、ガラスロールの寿命および可能な限りコンパクトな寸法の要求を充足する曲げ半径の範囲に当該統計的パラメータを換算することができることである。
以下、添付図面も参照して、本発明を詳細に説明する。
巻き取られた薄板ガラスリボンを含む薄板ガラスロールを示す図である。 曲げ荷重下での薄板ガラス試料の破壊時の曲げ半径の平均値および偏差を求めるための構成を示す図である。 曲げ荷重下での薄板ガラス試料の破壊時の引張応力のヒストグラムである。 本発明の方法に組み込むことができる、薄板ガラスリボン(3)を硬化させる工程の概略図である。 他の一実施形態の硬化工程の概略図である。 水溶液の形態のカリウムイオンを薄板ガラスリボン(3)に塗布する、他の一実施形態の硬化工程の概略図である。 ステップa)とc)とを同一の炉内で行う硬化工程の概略図である。
図1は薄板ガラスロール1を示しており、これは、互いに反対側の面34,35を有する薄板ガラスリボン3を巻き取ることによって得られるものである。薄板ガラスリボン3の両エッジ32,33、ないしは、より具体的には薄板ガラスリボン3の両長辺エッジは、ロール3の端面または当該端面の少なくとも一部分を成す。場合によっては、ロール3の内側がスピンドルの外周面に密着するように、ロール3をスピンドルに巻き付けることができる。
薄板ガラスリボン3はこの形態では、後続の処理工程のためにロール1から繰り出すことができる。薄板ガラスのこの工業的生産形態は、たとえば電子部品の貼り合わせまたはディスプレイの製造等の自動製造プロセスに特に適している。
製造プロセスの自動化がなされる場合には、巻き取られた状態の薄板ガラスリボン3全体が破損を有せず、かつ、自動繰出し時に薄板ガラスリボン3が分割されることが重要になる。しかし、薄板ガラスは巻き取られるときに曲げられる。この曲げによって引張応力が付随して生じ、この引張応力は薄板ガラス1の両面のうち片面にかかる。曲げ半径が小さいほど、この引張応力は大きくなる。巻き取られた状態の薄板ガラスリボン3において曲げ半径が最小になるのは、ロール1の内側1である。ここで、最小曲げ半径Rと引張応力σとは、以下の関係にある:
(1) σ=(E/1−v)(d/2R)
上記の関係式中、Eは弾性率を表し、dは薄板ガラスの厚さを表し、vは当該ガラスのポアソン数を表す。
ロール3に巻き取ることによる薄板ガラスの後続処理と、その後の製造プロセスにおける繰出しとの間に、ある程度の時間が経過し得る。典型的には、ロール3は製造された後、ある程度の時間にわたって保管される。また、輸送も時間を要する。上述の不都合なガラス破壊は、巻き取られた後の時間遅延後にも、ガラス厚さが小さいにもかかわらず、曲げにより生じる片面の引張応力に起因して生じることが判明している。
本発明により、損傷を受けずに所定の期間、たとえば平均保管期間または最大保管期間を高い確率で耐えられる寸法に内側半径がなっている薄板ガラスロール1に、薄板ガラスリボン3を巻き取ることが可能になる。
本発明は、図1にて一例として示されている、少なくとも10mの長さと最大200μmの厚さとを有する巻き取られた薄板ガラスリボン3を含む薄板ガラスロール1であって、巻き取られた薄板ガラスリボン(3)の内側半径は、
Figure 0006284681
の範囲内であり、ここで<R>は、薄板ガラスリボンのガラス材料と同一のガラス材料から成り、かつ等しい厚さおよび同一性状のガラスエッジを有する複数個Nの試料の破壊時における、曲げ半径Rの平均値であり、
Figure 0006284681
は当該破壊時における曲げ半径Rの偏差であり、Rは、各試料が破壊したときの曲げ半径であり、tは、薄板ガラスロールが破壊せずに耐える、有利には予め決まった最小期間(単位:日)である、薄板ガラスロール1を包含する。このような時間遅延後の破壊は、とりわけ応力腐食割れに起因するものである。
よって、上述のガラスロールに対応する、少なくとも10mの長さおよび最大200μmの厚さを有する巻き取られた薄板ガラスリボン3を含む薄板ガラスロール1の製造方法は、
・破壊試験により、曲げ荷重を漸増して加えたときの複数個Nの各試料(10)の破壊時における曲げ半径Rの平均値<R>と偏差sとを、数式1に従って求め、
・試料10のガラス材料と同一のガラス材料から成り、かつ等しい厚さおよび同一性状のガラスエッジを有する薄板ガラスリボン3を準備して、薄板ガラスロール1に巻き取り、ここで、薄板ガラスロール1における薄板ガラスリボン3の最内側の層の半径である、当該薄板ガラスロール1の内側半径は、数式(2)のRminから数式(3)のRmaxまでの範囲内になるように選択され、tは、薄板ガラスロールが破壊せずに耐えるべき予め決まった最小期間(単位:日)である、
ことに基づく。
しかし、曲げ半径が非常に大きい場合であっても、一般的にはガラスリボンにおいてある程度の破壊確率が存在するのが典型的である。しかし数式(2)および(3)のパラメータは、予め決まった最小期間内における破壊率が一般的に0.1未満、有利には0.05未満になるように調整される。
ガラス表面を保護するため、図1に示された実施例と同様に、さらにウェブ材7も共に巻き込むことができる。このウェブ材はこのようにして、ロールにおいて、連続するガラス層を分離し、ないしは、薄板ガラスリボン3の各ガラス層または各巻き層間に挟まれる。有利には、紙またはプラスチックがウェブ材7として使用される。場合によっては、ウェブ材は薄板ガラスリボン1のエッジ32,33から突出できることもある。
薄板ガラス試料は、ガラス材料、厚さおよびエッジ性状において同等の他の薄板ガラスリボンから得ることもできる。また、試料を薄板ガラスリボン3から、たとえば両端のうち一端においてカットすることも可能である。
薄板ガラスリボン3の厚さdは、有利には最大200μmであり、特に有利には最大100μmである。また一般的には、ガラス厚さを少なくとも5μmとすることも有利である。
図2は、曲げ荷重下での薄板ガラス試料10の破壊時の曲げ半径の平均値<R>および偏差sを求めるための構成を示す図である。
数式(2)および(3)により定義された範囲内に曲げ半径を確実に定めるために十分に信頼できる統計的結果を得るためには、本発明の一実施形態では、薄板ガラスの少なくとも20個、有利には少なくとも50個の試料に、破壊するまで曲げ荷重ひいては引張応力をかけて、曲げ半径Rの平均値<R>およびその偏差を求める。
図2の構成を用いて行われる方法は、パラメータ<R>およびsが、薄板ガラス試料10を単方向に破壊まで曲げる曲げ試験により求められることに基づいている。図2に示された構成では、薄板ガラス試料10を2つの万力口金15,16の間に挟む。薄板ガラス試料10を連続的に歪ませるように、これらの万力口金15,16を互いに向かって移動させる。その曲げは、一方向にのみ行う。その最小曲率半径Rは、両万力口金間の中間に位置する。たとえば、両万力口金が互いに僅かに斜めになっている場合、両万力口金15,16の、互いに近接する方のエッジは、その反対側のエッジより強い荷重を受けることになる。よって、かかるエッジにも最小曲率半径が見られる。また、両エッジ22,23に均一に荷重をかけることもできる。
試料10が破壊するまで、両万力口金を互いに向かって移動させる。この時点における最小曲げ半径Rを記録する。その後、このようにして記録された複数の半径から平均値<R>を算出し、測定値のばらつきから偏差sを算出することができる。
試料10のエッジ22,23のうち少なくとも1つは、薄板ガラスリボン3の1つの長辺エッジ34,35の一区間により形成される。このことは、曲げ試験においてエッジ強度を評価できるようにするために有利である。エッジの強度は一般的に、ガラス表面の強度より格段に低い。よって破壊は、大部分のケースではエッジも起点とする。
典型的には試料10の幅は、当該試料10を切り出した元の薄板ガラスリボン3の幅より小さい。かかる場合、エッジ22,23のうち1つのエッジのみが、薄板ガラスリボン3の長辺エッジ34,35の一区間となる。その際には、万力口金を互いに向かって移動させるときに、薄板ガラスリボン3の長辺エッジにより形成されたエッジにおいて試料10をより強く曲げるため、万力口金15,16を斜めに立てることが有利である。
図3は、薄板ガラス試料10の破壊時の曲げ荷重のヒストグラムである。破壊試験を2回行い、第1の試験では、試料10を両側面のうち一方の面で曲げ、第2の試験では反対側の面で曲げた。このことに応じて、図3では2つのヒストグラムを示しており、各ヒストグラムをそれぞれ「面1」ないしは「面2」と表示している。各棒は、引張応力σの各期間中に破壊した試料10の数を表す。
これらのヒストグラムが相違することが明確に認識できる。「面1」と表示されたヒストグラムは、「面2」のヒストグラムと比較して狭い破壊応力分布を示しており、破壊応力の平均値は低くなっている。かかる相違は、ガラスエッジの形成手法により生じ得る。図3の実施例では、ガラスエッジはペネットホイールを用いたスクライブと、その次の割断とによって形成されたものであり、面1は、ガラスのスクライブされた側の面である。ヒストグラム「面1」については、破壊試験時、スクライブされた側の面に引張応力をかけた。したがって図2に示された構成の場合には、当該面は凸状に曲げられる面となる。
上述のスクライブにより、当該面に対するエッジの角においてさらに損傷が生じ、これにより平均破壊強度が低下し、これにより、ヒストグラム「面1」と「面2」との相違を説明することができる。
「面1」と表示されたヒストグラム例に基づき、本発明では、同種のガラスから成る薄板ガラスリボン1の内側半径の範囲を求めることができる。試料の破壊時の引張応力の平均値<σ>は、ヒストグラムによれば約230MPaである。偏差は約20MPaである。
上述の薄板ガラスは、係数E/(1−v)=79.3×10MPaおよび50μmの厚さを有する無アルカリホウケイ酸ガラスである。よって数式1から、平均曲げ半径<R>の値は7.74mmとなり、その偏差sの値は0.41mmとなる。
ここで、破壊せずに最低限耐えなければならない保管期間tを5日間に設定すると、数式(2)および(3)により、値Rmin=14.98mmおよびRmax=57.86mmとなる。よって、同種のガラスから成る薄板ガラスリボンを巻き取って作成されるガラスロール1の内径を30mmから116mmまでの間に選択して、試料10の面1に相当する側の面を凸状に曲げてリボンを巻き取る。
非常に驚くべき点は、ヒストグラム「面2」から得られる値との対比である。面2を凸状に曲げたときの試料10の曲げ強度は、格段に高い。その限りにおいては、面2を凸状に曲げて薄板ガラスリボン3を適切に巻き取ることにより、ガラスロールは格段に安定的になることを期待することができる。ヒストグラム「面2」を分析すると、平均値<R>の値は2.35mmとなり、偏差は0.612mmとなる。ここでも保管期間を5日間に設定すると、数式(2),(3)から、値Rmin=70.9mm、Rmax=127.3mmとなる。よって、ガラスロールの内径はここでは、142mmから254mmまでの間にしなければならない。したがって、面2で曲げたときのガラスの平均強度は格段に高くなり、かつ破壊までの曲げ半径は小さくなるが、同じまたはより良好な寿命および破壊確率の場合、反対方向に曲げることによりガラスをより密に巻き取ることができる。その理由は、面1で曲げたときの偏差が小さいからである。かかる場合、スクライビングホイールにより傷を付けられたエッジ線は引張応力を受けることになるが、この傷によって、非常に均一な欠陥態様および欠陥分布が顕著に得られる。
上述のことによって、本発明は一般的に、面の性状および特にエッジ線の性状が異なる場合に、ガラスリボンの短期安定性および長期安定性を向上できるようにガラスを巻き取ることもできる。これについて決定的に重要なのは、とりわけ数式(2)のパラメータRminである。つまり、この最小半径Rminの評価に基づいて、2つの互いに反対側の面34,35と長辺エッジ32,33とを有する薄板ガラスリボン3を巻き取ったものを含むガラスロール1であって、薄板ガラスリボン3から長辺エッジ32,33で試料10を切り取った側の面34,35が当該長辺エッジ32,33において薄板ガラスリボン3と同一方向に曲がり、すなわち当該面が凸状に曲がり、当該面34,35が、試料10を逆方向に曲げた場合より数式(2)において小さい値Rminを示すように薄板ガラスリボンを巻き取ったガラスロール1を提供することができる。指数係数を含む項2−e−tも同様に、Rminの各値をスケーリングするものであるから、比較に際しては当該項を省略することもできる。よって本発明の一実施形態では、巻取方向を決定するために、数式(2)に代えてパラメータとして
Figure 0006284681
を設定することができる。
上記にて述べたように、薄板ガラスリボンの破壊強度および寿命は曲げる方向に依存し得るので、本発明の一実施形態では、第1のセットの試料10を1つの曲げ方向に曲げ、かつ複数の第2の試料(10)を逆の曲げ方向に曲げ、試料10の両セットの各パラメータRminおよびRmaxを別個に求める。
その後、求められたRminの値が小さい方の試料10のセットの曲げ方向に、薄板ガラスロール1の製造用の薄板ガラスリボン3の曲げ方向が一致するように、薄板ガラスロール1の製造用の薄板ガラスリボン3の曲げ方向を選択することができる。
当業者であれば、本発明は図示の実施例に限定されず、特許請求の範囲内で多岐にわたる変更を行えることが明らかである。たとえば、図2を参酌すると、RminおよびRmaxを求めるための破壊試験は2点曲げ手法を用いて行われている。図3に示されている測定値も、かかる2点曲げ手法に基づいている。しかしこれに代えて、破壊時に半径Rに基づいて求めることができる他の破壊試験、または、かかる半径を算出できる他の破壊試験を使用することも可能である。
薄板ガラスロールの製造はいかなる場合においても巻取りを含み、これは場合によっては、上述の中間層を用いて行われる。さらに他のステップを追加することも可能である。とりわけ薄板ガラスリボン3の準備は、溶融物または加熱されたプリフォームの延伸を含むことができる。
アルカリ含有ガラスから成る薄板ガラスリボンの場合、本発明の一実施形態では、薄板ガラスリボン(以下「ガラスリボン」ともいう)をイオン交換によって化学的に硬化する工程を本発明の方法に組み込むことができる。かかる工程により、ガラスリボンの強度を向上させることができる。
かかる化学的硬化は、イオン交換により行われる。化学的硬化の工程(「化学強化」ともいう)は、少なくとも以下のステップa)からc)までを含む:
(a)300℃から550℃までの範囲内の温度までガラスリボンを予熱するステップ。
(b)300℃から550℃までの範囲内の硬化温度で表面領域におけるイオン交換によりガラスリボンを化学的に硬化するステップ。
(c)硬化されたガラスリボンを、150℃未満の温度まで冷却するステップ。
上述の化学的硬化の工程の後、本発明の方法を用いてガラスリボンを巻き取る。
硬化工程の一実施形態では、ガラスリボンは有利には、30μmから144μmまでの範囲内の厚さを有する。ガラスリボンはイオン交換によって化学的に硬化される。この化学的硬化ではとりわけ、ガラスリボンの表面付近領域のナトリウムイオンおよび/またはリチウムイオンの少なくとも一部が、カリウムイオンに置換される。こうするためには、ステップa)の前および/またはステップb)において、カリウムイオンをガラスリボンの両面34,35に塗布する。
最初にステップa)において、ガラスリボンを300℃から550℃までの範囲内の温度まで加熱する。ここで薄板ガラスは、ステップb)において化学的硬化が行われる温度まで予熱される。硬化温度まで予熱することによって、薄板ガラスにおいて化学的硬化中に温度差が過度に大きくなることにより、ないしは、ガラスが過度に迅速に加熱されることにより、ガラスに応力が形成されて硬化中に薄板ガラスを破壊することが防止される。この予熱はたとえば、連続炉内において行うことができる。かかる態様はとりわけ、ガラスリボンが既にガラスロールの形態で提供され、本発明の方法を用いて再び巻き取ってガラスロールにするために当該ガラスリボンを繰り出す場合に有利である。このようにして、上記硬化方法をたとえばロール・ツー・ロールプロセスに統合することができる。
他の一態様では、ガラスリボンはたとえば、当該方法に前置される延伸工程により、ステップa)の前に既に硬化温度Tの範囲内の温度を有する。これにより、ステップa)においてガラスリボンを能動的に加熱することを省略することができる。
ステップa)において薄板ガラスリボンを硬化温度まで予熱した後、ステップb)において薄板ガラスを、ガラスリボンの表面付近領域におけるイオン交換により化学的に硬化する。かかる化学的硬化では、ガラスの表面付近の領域のリチウムイオンおよび/またはナトリウムイオンの一部が、既にガラスリボンの両側の面上に塗布されたカリウムイオンに置換されるイオン交換が行われる。
次のステップc)において、上述の硬化されたガラスリボンを150℃未満の温度まで冷却する。ステップa)乃至c)は、有利には連続炉内で行われる。
上述の硬化工程の一実施形態では、ステップa)においてガラスリボンを連続炉内において、温度勾配を以て加熱する。かかる加熱により、ガラスリボンを特に丁寧に加熱することができ、これによりガラスリボンに応力が発生するのを回避することができる。ここで使用される炉は有利には、当該炉の一端から他端に向かって上昇していく温度勾配を有する。よって、炉の一端は下方温度Tを有し、かつ他端は上方温度Tを有し、T<Tが成り立つ。炉の温度はガラスリボンの搬送方向との関係において上昇していく。すなわちガラスリボンは、炉の温度Tの端部から当該炉内に入る。150℃未満の下方温度Tと350℃から500℃までの範囲内の上方温度Tとの間の温度勾配は、ガラスリボンにおける応力の消失と、プロセス時間の観点において特に有利であることが判明した。有利には、上方温度Tは硬化温度Tに等しい。
ステップb)においてガラスリボンの化学的硬化は、当該ガラスリボンの表面付近領域のナトリウムイオンおよび/またはリチウムイオンの少なくとも一部をカリウムイオンに置換することにより行われる。このカリウムイオンは、硬化工程前にガラスリボンの両側の面に塗布される。カリウムイオンの所望の侵入深さ(depth of layer、DOL)と、強度向上の程度Csとは、硬化温度Tおよび硬化時間tのプロセスパラメータを介して調整することができる。硬化時間tすなわち硬化炉内における滞留時間は、ガラスリボンの送り速度と、硬化炉の長さ、ないしは、ガラスリボンが硬化炉内にて通る搬送経路の長さとによって調整することができる。硬化炉内のローラに適した材料はとりわけ、ガラス、セラミック、金属、またはこれらの材料から成る複合材料である。
硬化ステップb)の後、ステップc)において、硬化されたガラスリボンの冷却を行う。硬化されたガラスにおいて応力を回避するために有利なのは、温度勾配を有する炉を用いることである。この炉は有利には連続炉であり、一端では上方温度Tを示し、他端では下方温度Tを示すものである。硬化されたガラスリボンは炉内に通され、上方温度Tの炉端部において炉内に入り、炉内において冷却されて、温度Tで炉から出る。下方温度Tが150℃未満であることが有利であることが判明している。有利には、炉の上方温度Tは350℃から550℃までである。特に、次のステップb)における硬化温度Tと同等の上方温度Tの場合、特に有利であることが判明している。炉の温度はガラスリボンの搬送方向との関係において上昇していく。すなわちガラスリボンは、炉の温度Tの端部から当該炉内に入る。150℃未満の下方温度Tと350℃から500℃までの範囲内の上方温度Tとの間の温度勾配は、ガラスリボンにおける応力の消失と、プロセス時間の観点において特に有利であることが判明した。有利には、上方温度Tは硬化温度Tに等しい。
ステップb)においてガラスリボンの化学的硬化は、当該ガラスリボンの表面付近領域のナトリウムイオンおよび/またはリチウムイオンの少なくとも一部をカリウムイオンに置換することにより行われる。このカリウムイオンは、硬化工程前にガラスリボンの表面に、すなわちガラスリボンの両側の面に塗布される。カリウムイオンの所望の侵入深さ(depth of layer、DOL)と、圧縮応力の大きさCsとは、硬化温度Tおよび硬化時間tのプロセスパラメータを介して調整することができる。硬化時間tすなわち硬化炉内における滞留時間は、ガラスリボンの送り速度と、硬化炉の長さ、ないしは、ガラスリボンが硬化炉内にて通る搬送経路の長さとによって調整することができる。硬化炉内のローラに適した材料はとりわけ、ガラス、セラミック、金属、またはこれらの材料から成る複合材料である。
硬化ステップb)の後、ステップc)において、硬化されたガラスリボンの冷却を行う。硬化されたガラスにおいて応力を回避するために有利なのは、温度勾配を有する炉を用いることである。この炉は有利には連続炉であり、一端では上方温度Tを示し、他端では下方温度Tを示すものである。硬化されたガラスリボンは炉内に通され、上方温度Tの炉端部において炉内に入り、炉内において冷却されて、温度Tで炉から出る。下方温度Tが150℃未満であることが有利であることが判明している。有利には、炉の上方温度Tは350℃から550℃までである。特に、次のステップb)における硬化温度Tと同等の上方温度Tの場合、特に有利であることが判明している。
硬化工程の一発展形態では、ステップa)とステップc)とにおいて、温度勾配を有する同一の連続炉を用いる。当該発展形態で必要な炉は1つだけであるから、装置をよりコンパクトな構成とすることができ、かつ、エネルギーを削減することもできる。
本発明の搬送中の硬化工程は、延伸工程の次であって、かつガラスロールに巻き取る前に行うことができる。延伸成形されたガラスリボンを洗浄、乾燥、硬化する。ガラスは高温で延伸され、これにより、硬化工程前には相応の高温を有するので、予熱の時間を短縮することができ、または、そのステップを完全に省略することもできる。このことはとりわけ、延伸工程後にガラスリボンが硬化温度Tの範囲内の温度を有する場合に当てはまる。
一態様では、ステップb)においてガラスリボンをカリウム含有溶融物中に、たとえばKNO含有溶融物中にくぐらせることにより、カリウムイオンをガラスリボンの表面に塗布することができる。
これに代えて、またはこれと共に、カリウム含有塩溶液をガラスリボンの上面と下面とに、すなわち、ガラスリボンの上側面と下側面とに塗布することもできる。かかる場合、カリウムイオンの塗布は、ガラスリボンを硬化炉内に通す前に行われる。有利にはカリウム含有塩溶液は、ガラスリボンの予熱(ステップa))前に、ガラスリボンの両側の面に塗布される。ステップa)では、ガラスリボンの予熱の他、さらに溶剤も蒸発する。
上述のカリウム含有塩溶液はたとえば、噴霧プロセスによりガラスリボンの表面に塗布することができる。このカリウム含有塩溶液は有利には、塩KNO,KPO,KCl,KOHおよび/またはKCOの水溶液である。
これにより、厚さ200μm未満のアルカリ含有化学強化薄板ガラスのガラスロールを得ることができる。ガラス厚さが30μmから145μmまでのみである化学強化薄板ガラスを有するガラスロールも、上述のようにして得ることができる。
とりわけ、ガラスリボンは表面付近領域において、カリウムイオンが高濃度化される。一実施形態では、侵入深さDOLは最大30μmである。有利には、ガラスロールのガラスの侵入深さDOLは2μmから8μmまでの範囲内であり、特に有利には3μmから5μmまでの範囲内である。
かかる侵入深さを有するガラスは、たとえば移動用電子機器のタッチディスプレイ用のカバーガラスとして使用するのに十分に高い強度を有する。それと同時に、このように比較的小さい交換深さでは、必要な硬化時間は短くなり、このことはプロセス技術の観点において有利である。たとえば、硬化時間tを1時間未満の時間まで、または30分未満の時間に短縮することも可能である。よって、10分から20分までのみの範囲内の硬化時間tも可能になる。
ガラスリボンの搬送に硬化工程が統合されている場合、硬化時間tが可能な限り短いことは、ガラスがイオン交換の際に溶融塩中に据え置かれる従来の手法よりも重要性を増す。たとえば、硬化プロセスが統合されている場合、硬化時間tが長くなると全巻取りプロセスが緩慢になり、かつ、搬送区間を長くすること、および/または、送り速度を非常に低くすることを要することとなる。
上述のことに代えて、または上述のことと共に、種々のエッジ加工を行うことも可能である。このエッジ加工はとりわけ、エッジ強度の改善の観点で行うことができる。エッジ強度が改善すると一般的には、パラメータRmin,Rmaxによって定まる範囲の、より小さい値の方向へのシフトも生じる。
効果的なエッジ加工は、図3の実施例に基づいて説明したように、平均破壊強度を向上させるだけのものではない。むしろ偏差も、破壊のおそれを上昇させないように薄板ガラスリボン3をどの程度密に巻き取ることができるかを決定する重要なものである。ここでは、絶対値の偏差のみが重要なのではなく、特に、数式(2),(3)の指数にも含まれている相対的な偏差s/<R>も重要である。よって本発明の他の一実施形態では、ガラスロール(1)における薄板ガラスリボン(3)と同一の曲げ方向の場合の試料10の破壊時における平均値<R>に対する相対的な偏差ないしは偏差sの比が低減するように、薄板ガラスリボン1の長辺エッジ34,35を加工する。かかる相対的な偏差はとりわけ、薄板ガラスリボン3の長辺エッジ34,35の一部区間により形成されるエッジ22,23の破壊に関わるものである。
よって一般的に、本発明のガラスロール1を作製するためには、薄板ガラスリボン3からの試料10の破壊時の相対的な偏差が0.15未満である薄板ガラスリボン3も有利である。比較すると、「面1」と表示されているヒストグラムの場合の曲げ半径の相対的な偏差s/<R>は0.05279であり、それに対して「面2」と表示されたヒストグラムの場合、相対的な偏差は0.2633である。まさにこれが、平均強度が高いにもかかわらず密に巻き取ると薄板ガラスリボンの破壊リスクが高くなる原因となる。本実施例を参酌すると明らかであるように、エッジ加工は驚くべきことに、平均強度を低下させ得るものではあるが、それと同時に偏差も減少すれば、薄板ガラスをより密に巻き取ることができる。
図4から図7までにおいて、硬化工程の各ステップを概略的に示す。図中の硬化工程は、本発明の方法に組み込むことができる。
図4に概略的に示されている硬化工程では、薄板ガラスは、30μmから144μmまでの範囲内の厚さを有する。ここで矢印は、ローラ130,131,132,133,134を用いて搬送されるガラスリボン3の移動方向を示す。本実施例では、ガラスロール100からガラスリボン3が繰り出され、化学的に硬化され、本発明の方法を用いてガラスロール1に巻き取られる。
まず最初に、繰り出されたガラスリボン3を洗浄して乾燥させる。このステップは、四角形140によって概略的に示されている。次に、ガラスリボン3を炉150内に通す。連続炉150内においてガラスリボン3は300℃から550℃までの範囲内の温度まで加熱され、硬化温度Tの範囲内の温度で連続炉150から出る。これにより、後続のステップc)において、温度差によってガラスリボンに誘導される応力が回避される。その際に特に有利なのは、連続炉150内において温度勾配を以てガラスリボン3を加熱することであることが判明した。炉150のこの温度勾配は、矢印220によって概略的に示されている。炉の温度勾配は、炉の下方温度Tと上方温度Tとによって形成される。ガラスリボン3が炉内に入るときに通過する、当該炉150の開口は、温度Tを有する。炉内において温度は温度Tまで上昇し、ガラスリボン3は炉から出るときには温度TまたはT付近の温度を有する。有利には、温度Tは20℃から150℃までの範囲内であり、および/または、上方温度Tは350℃から550℃までの範囲内である。適切な温度勾配でガラスリボン3が加熱されることにより、ガラスに応力が発生するのが回避される。ここで特に有利なのは、ステップb)における硬化温度Tと同等の温度までガラスリボンを加熱することであることが判明した。
ステップa)において予熱されたガラスリボン3を、ステップb)において硬化炉160内に通す。この硬化炉は、300℃から550℃までの範囲内の硬化温度Tを有する。この硬化温度Tすなわちイオン交換が行われる温度は、ガラスリボンの実際のガラス組成と、達成すべき交換深さDOLと、所望の圧縮応力Csとに依存する。
硬化炉160内には溶融塩170が入っており、これによってガラスリボン3が延伸加工される。溶融塩170はカリウムイオンを含んでおり、これにより、ガラスリボンの表面付近の領域において、ナトリウムイオンおよび/またはリチウムイオンがカリウムイオンに置換されるイオン交換が生じる。
本実施形態では、硬化炉160のローラ132の一部または全部が溶融塩170中に入っているので、ローラ132の材料は溶融塩に対して不活性、または少なくとも十分に不活性である必要がある。ローラ132に適した材料は、ガラス、金属およびセラミックであることが判明している。ガラス、金属および/またはセラミックから成る複合材料も使用することができる。
ガラスリボン3の送り速度は、ガラスリボンが所要硬化時間tにわたってガラス溶融物中に入っているように調整される。硬化時間tは、硬化温度Tと、達成すべき交換深さDOLとに依存する。たとえば、10分から20分までの間の硬化時間だけで既に、3μmから5μmまでの範囲の侵入深さを達成することができる。
硬化工程後、硬化されたガラスリボンをステップc)において、別の連続炉180において冷却する。この連続炉180により、ガラス中の応力が回避されるようにガラスリボン3が緩慢に冷却されることが保証される。図中の実施形態では、炉180も温度勾配を有する。この温度勾配は矢印221によって示されている。炉180は、ガラスリボン3が当該炉180内に入るときに通過する開口において、温度Tを有する。ガラスリボン3の移動方向に炉180内の温度は低下していき、炉は、ガラスリボン3が当該炉から出るときに通過する開口において、温度Tを有し、T>Tが適用される。有利には、温度Tは硬化温度Tの範囲内である。特に有利なのは、150℃未満の温度まで冷却することであることが判明している。
図5に、薄板ガラスリボン3を製造するための延伸工程(図示されていない)の次に硬化法を実施する、硬化工程の一変形態様が示されている。延伸工程後のガラスリボン3の温度は硬化温度Tの範囲またはこれを上回るので、図5に示された実施態様では、ステップa)のガラスリボン3の予熱を省略することができる。よって当該実施形態は、エネルギーの観点において特に有利である。
ガラスリボン101は洗浄されて乾燥されるだけで、その次に、図1に示された態様の硬化工程と同様、ステップb)およびc)を経る。
イオン交換に必要なカリウムイオンは、溶液の形態でガラスリボン3の両側の面に塗布することもできる。かかる塗布は、図6にて概略的に示されている。まず最初に、ガラスリボン3を洗浄して乾燥させる。次のステップにおいてガラスリボン3は、カリウム塩の溶液211をガラスリボン3の上面および下面に塗布するための装置210内を通過する。これは、有利には水溶液である。図中の実施形態では、溶液211はガラスリボンの表面上に噴霧される。次に、上述のように処理されたガラスリボン3は、ステップa)において炉150内を通過し、炉150内において、硬化温度Tの範囲内の温度まで加熱される。このとき、溶剤が蒸発する。次に、ガラスリボン110は硬化炉160内を通過する。この硬化炉160は、300℃から550℃までの範囲内の温度Tを有する。このステップb)においてイオン交換が生じ、このイオン交換では、ガラスリボンの表面付近の領域においてナトリウムイオンおよび/またはリチウムイオンが、ガラス表面に塗布されたカリウムイオンに置換される。選択される通過時間tは、所望の交換深さDOLに依存する。
図7に、本発明の他の一実施態様の方法を示しており、かかる態様では、ステップa)とステップc)とにおいて、温度勾配を有する同一の連続炉230内にガラスリボン3を通す。炉230は、下方温度Tと上方温度Tとを有する温度勾配を有し、この温度勾配は矢印220によって示されている。互いに反対側の両開口231および232を通過して、ガラスリボン3は炉230を出入りする。炉は、開口231では下方温度Tを有し、開口232では上方温度Tを有する。ここで、T>Tが適用される。
本実施態様ではガラスリボン3は、ステップa)において開口231を通って炉230内に導入される。ガラスリボン110は、ステップa)において炉230内を通過する間に加熱され、開口232を通って温度Tで炉230から出る。次のステップb)において、炉160内においてイオン交換が行われる。本発明の本実施形態では、この硬化炉160は1つの開口161のみを有する。本発明の本実施形態では硬化ローラ131は、当該硬化ローラによってガラスリボン3の移動方向を変化させるように、偏向ローラとして構成されている。ガラスリボン3が硬化時間tにわたって炉160内において硬化温度Tまで加熱された後、ガラスリボン110は開口161を通って当該炉160から出る。このようにして硬化されたガラスリボン3を冷却するため、ステップc)においてガラスリボン3を開口232から炉230内に引き込む。その際にはガラスリボンは、炉の温度勾配によって下方温度Tまで緩慢に冷却され、炉230の開口231から出て、ガラスロール1に巻き取られることができる。

Claims (28)

  1. 少なくとも10mの長さと最大200μmの厚さとを有する巻き取られた薄板ガラスリボン(3)を含む薄板ガラスロール(1)であって、
    前記巻き取られた薄板ガラスリボン(3)の内側半径は、
    Figure 0006284681
    の範囲内であり、
    ここで<R>は、前記薄板ガラスリボン(3)のガラス材料と同一のガラス材料から成り、かつ等しい厚さと同一性状のガラスエッジとを有する複数個Nの試料(10)の破壊時における、曲げ半径の平均値であり、
    Figure 0006284681
    は、前記試料(10)の破壊時における前記曲げ半径の偏差であり、Rは、前記料(10)が破壊したときの曲げ半径であり、tは、前記薄板ガラスロールが破壊せずに耐える、単位を日とする最小期間であり、
    前記曲げ半径Rの平均値<R>および当該曲げ半径Rの偏差を求めるため、薄板ガラスの少なくとも20個の前記試料(10)に、破壊するまで曲げ荷重をかける
    ことを特徴とする、薄板ガラスロール(1)。
  2. 前記薄板ガラスロール(1)の厚さは、最高100μmかつ最低5μmである、
    請求項1記載の薄板ガラスロール(1)。
  3. 薄板ガラスは、50μmの厚さを有する無アルカリホウケイ酸ガラスであり、
    前記薄板ガラスロールのロール芯の芯径は、30mmから83mmまでの間である、
    請求項1または2記載の薄板ガラスロール。
  4. 前記薄板ガラスロール(1)において連続するガラス層を分離するウェブ材(7)が共に巻き込まれている、
    請求項1から3までのいずれか1項記載の薄板ガラスロール(1)。
  5. つの互いに反対側の面(34,35)と長辺エッジ(32,33)とを有する巻き取られた薄板ガラスリボン(3)を含む薄板ガラスロール(1)であって、
    前記薄板ガラスリボン(3)から試料(10)が前記長辺エッジ(32,33)で切り取られた側の面(34,35)が、当該長辺エッジ(32,33)において前記薄板ガラスリボン(3)と同一方向に曲げられて、凸状に曲げられ、値
    Figure 0006284681
    が、前記試料(10)を逆方向に曲げた場合より小さくなるように、前記薄板ガラスリボン(3)は巻き取られており、
    ここで<R>は、前記試料(10)の破壊時における曲げ半径の平均値であり、
    Figure 0006284681
    は、前記試料(10)の破壊時における曲げ半径の偏差であり、Rは、前記料(10)が破壊したときの曲げ半径であり、
    前記曲げ半径Rの平均値<R>および当該曲げ半径Rの偏差を求めるため、薄板ガラスの少なくとも20個の前記試料(10)に、破壊するまで曲げ荷重をかける
    ことを特徴とする薄板ガラスロール(1)。
  6. 前記薄板ガラスリボン(3)からの試料(10)の破壊時における、比s/<R>により与えられる相対的な偏差は、0.15未満である、
    請求項1から5までのいずれか1項記載の薄板ガラスロール。
  7. 前記薄板ガラスリボン(3)はルカリガラスから成り、化学的に硬化されている、
    請求項1、2または4から6までのいずれか1項記載の薄板ガラスロール。
  8. 前記薄板ガラスリボン(3)は、3μmから5μmまでの範囲内の交換深さDOLを有する、
    請求項7記載の薄板ガラスロール(1)。
  9. 少なくとも10mの長さおよび最大200μmの厚さを有する巻き取られた薄板ガラスリボン(3)を含む薄板ガラスロール(1)の製造方法であって、
    破壊試験により、曲げ荷重を漸増して加えたときの複数個Nの料(10)の破壊時における曲げ半径Rの平均値<R>と偏差
    Figure 0006284681
    とを求め、
    前記試料(10)のガラス材料と同一のガラス材料から成り、かつ等しい厚さおよび同一性状のガラスエッジを有する薄板ガラスリボン(3)を準備して、薄板ガラスロール(1)に巻き取り、ただし、前記薄板ガラスロール(1)における前記薄板ガラスリボン(3)の最内側の層の半径である、当該薄板ガラスロール(1)の内側半径を、
    Figure 0006284681
    の範囲内になるように選択し、tは、前記薄板ガラスロールが破壊せずに耐えるべき、単位を日とする予め決まった最小期間であり、
    前記曲げ半径Rの平均値<R>および当該曲げ半径Rの偏差を求めるため、薄板ガラスの少なくとも20個の前記試料(10)に、曲げ荷重をかける
    ことを特徴とする製造方法。
  10. 前記曲げ半径Rの平均値<R>および当該曲げ半径Rの偏差を求めるため、薄板ガラスの少なくとも50個の前記試料(10)に、破壊するまで曲げ荷重をかける、
    請求項9記載の製造方法。
  11. 第1のセットの試料(10)を1つの曲げ方向に曲げ、かつ複数の第2のセットの試料(10)を逆の曲げ方向に曲げ、
    前記試料(10)の両セットの各パラメータRminおよびRmaxを別個に求める、
    請求項9または10記載の製造方法。
  12. 求められたRminの値が小さい方の前記試料(10)のセットの曲げ方向に、前記薄板ガラスロール(1)の製造用の薄板ガラスリボン(3)の曲げ方向が一致するように、当該薄板ガラスロール(1)の製造用の薄板ガラスリボン(3)の曲げ方向を選択する、
    請求項11記載の製造方法。
  13. 前記薄板ガラスリボン(3)の長辺エッジ(34,35)の一部区間により形成されるエッジ(22,23)において前記試料(10)の破壊時における平均値<R>に対する偏差sの比により与えられる相対的な偏差が低減するように、前記薄板ガラスリボン(3)の長辺エッジ(34,35)を加工する、
    請求項9から12までのいずれか1項記載の製造方法。
  14. 前記薄板ガラスリボン(3)を巻き取る間に化学的に硬化させ、
    化学的硬化の工程は、少なくとも、
    (a)300℃から550℃までの範囲内の温度まで前記ガラスリボン(3)を予熱するステップと、
    (b)350℃から550℃までの範囲内の硬化温度Tで表面領域におけるイオン交換により前記ガラスリボン(3)の化学的硬化を行うステップと、
    (c)前記ガラスリボン(3)を、150℃未満の温度まで冷却するステップと
    を有し、
    ただし、ステップ(a)の前および/またはステップ(b)において、前記ガラスリボン(3)の上面と下面とにカリウムイオンを塗布し、ステップ(b)において当該ガラスリボン(3)を硬化温度Tまで加熱し、ステップ(a)乃至(c)を連続炉(150,160,180,230)内で実施する、
    請求項9から13までのいずれか1項記載の製造方法。
  15. ステップ(a)の前に、前記薄板ガラスリボン(3)の上面と下面とにカリウム塩の溶液(211)を塗布または噴霧する、
    請求項14記載の製造方法。
  16. 前記カリウム含有塩溶液(211)は水溶液であり、かつ、KNO,KPO,KCl,KOH,KCOおよび/またはこれらの混合物から成る群から選択された塩を含む、
    請求項15記載の製造方法。
  17. 前記カリウム含有塩溶液(211)を、前記薄板ガラスリボン(3)の表面に噴霧する、
    請求項15または16記載の製造方法。
  18. ステップb)において前記薄板ガラスリボン(3)をカリウム含有塩溶融物(170)中にくぐらせる、
    請求項14記載の製造方法。
  19. ステップ(a)において、温度勾配を有する連続炉(150,230)内に前記薄板ガラスリボン(3)を通過させる、
    請求項14から18までのいずれか1項記載の製造方法。
  20. 前記炉の下方温度Tは150℃未満であり、当該炉の上方温度Tは350℃から550℃までの範囲内である、
    請求項19記載の製造方法。
  21. 前記ステップ(c)において、温度勾配を有する炉(180,230)内において前記薄板ガラスリボン(3)を冷却し、
    前記炉の下方温度Tは150℃未満であり、当該炉の上方温度Tは350℃から550℃までの範囲内である、
    請求項14から20までのいずれか1項記載の製造方法。
  22. ステップ(c)において、ステップ(a)と同一の炉(230)を使用する、
    請求項14から21までのいずれか1項記載の製造方法。
  23. 前記硬化炉(132)のローラは、ガラス、セラミック、金属、または、ガラス、セラミックならびに/もしくは金属から成る複合材料から成る、
    請求項14から22までのいずれか1項記載の製造方法。
  24. 1μmから10μmまでの範囲内の交換深さDOL達成するように、硬化時間tを選択する、
    請求項14から23までのいずれか1項記載の製造方法。
  25. 前記薄板ガラスリボン(3)は145μm未満の厚さ有する、
    請求項14から24までのいずれか1項記載の製造方法。
  26. 独立した炉内でのステップa)の予熱を省略する、
    請求項14から25までのいずれか1項記載の製造方法。
  27. 前記製造方法は、ロール・ツー・ロールプロセスである、
    請求項14から26までのいずれか1項記載の製造方法。
  28. コーティングステップおよび/または部品を実装するための処理ステップを含むロール・ツー・ロールプロセスにおける、請求項14から27までのいずれか1項記載の製造方法により製造されたガラスロール(1)の使用。
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