KR101485273B1 - 조절된 냉각을 이용한 유리시트의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

다운드로우 공정을 통한 유리시트의 연신 방법이 제공된다. 특정 측면에서, 상기 방법은 형성 기구(10)의 루트(70)아래의 급속 냉각을 이용한다. 그러한 급속한 냉각은 예를 들어, 약 100,000포이즈 미만의 액상점도를 갖는 유리의 사용을 촉진할 수 있다. 다른 측면으로, 10¹¹ 내지 10¹⁴ 포이즈의 점도 사이에서 느린 냉각을 수행하는 방법이 사용된다. 그러한 느린 냉각은 응축율의 낮은 수준을 보이는 유리기판의 제조를 촉진시킬 수 있다. 추가적인 측면에서, 기판은 다운드로우 기계의 생산 속도가 증대될 수 있는 상승된 온도에서 유리시트로부터 제거된다. 보다 추가적인 측면에서, 루트 이하의 급속 냉각, 10¹¹ 내지 10¹⁴포이즈사이의 점도에서의 느린 냉각 및/또는 상승된 온도에서의 기판의 제거는 결합된다. 그러한 결합은 다운드로우 설비의 효과적인 사용을 촉진할 수 있다.

Description

조절된 냉각을 이용한 유리시트의 제조 방법{Method of making a glass sheet using controlled cooling}

본 발명은 유리 시트(유리 리본)을 형성하는 방법에 관한 것이며, 특히 유리가 형성되는 지점(즉, 아이소파이프의 루트) 및 개별적인 기판이 시트로부터 분리되는 지점(즉, 리본이 분리공정의 도입단계에서와 같이 세김질(score)되는 지점) 사이에서 조절된 냉각을 이용한 유리 시트의 형성방법에 관한 것이다.

액정 디스플레이의 형성에서 유리 디스플레이 패널은 점차로 다양한 응용제품-휴대용 개인 데이터 보조기(PDA)에서부터 컴퓨터 모니터나 텔레비젼 디스플레이에 이르기까지-에 사용되고 있다. 이러한 응용제품은 원형적이며 결함없는 표면을 가진 유리시트를 요한다. LCD는 서로 봉해져서 기밀유리(envelope)를 형성하는 적어도 여러 개의 유리 박판을 포함한다. 이러한 디스플레이를 포함하는 유리시트가 절삭되었을 때 변형되지 않고, 구성요소 사이에서 적절한 저항성, 또는 정렬을 유지하는 것이 매우 바람직하다. 유리 내로 유지되어 있을 잔류 응력은, 만일 유리를 더 작은 부분으로 절삭함에 따라 해소되면, 유리의 변형 및 적절한 저항성의 상실을 야기할 것이다.

일반적으로, LCD는 무정형 실리콘(α-Si) 박막 트랜지스터(TFT) 또는 다결정성-실리콘(ρ-Si 또는 poly-Si) TFT 타입이다. 폴리-Si는 훨씬 더 높은 구동 전류 및 전자 이동성을 가지므로 픽셀의 응답시간이 감소한다. 나아가, ρ-Si 공정을 사용하여 유리 기판상에 직접 디스플레이 구동 회로를 완성할 수도 있다. 이와 대조적으로, α-Si 는 통합 회로 패키징 기술을 이용한 디스플레이 주변기기와 결합되어야하는 개별 구동칩을 요한다.

α-Si에서 ρ-Si로의 발전은 유리 기판의 사용에 대한 중대한 도전을 나타낸다. 폴리-Si 코팅제는 α-Si에서의 공정온도보다 훨씬 더 높은 온도를 요하며 600 내지 700℃의 범위이다. 따라서 유리 기판은 그러한 온도에서 열 안정성이 있어야 한다. 열 안정성(즉, 열 응축률(thermal compaction) 또는 열수축률(thermal shrinkage))은 특정 유리 조성의 고유의 점도(변형점으로 표시됨) 및 제조 공정에 의하여 결정되는 것과 같은 유리 시트의 열이력(thermal history)의 모두에 의존한다. poly-Si TFT에 의해 요구되는 바와 같은 고온 공정은 낮은 응축률를 만족시키기 위하여 유리 기판에 대하여, 예컨대 600℃에서 5시간 동안의 긴 열처리 시간을 요할 수 있다.

광학 디스플레이를 위한 유리를 제조하는 하나의 방법은 오버플로우 다운드로우 공정(융합(fusion) 다운드로우 공정이라고도 알려져 있음)에 의한 것이다. 이 공정은 문헌에서 플로트 및 슬롯 기술이라 일컬어지는 기타 공정과 비교하여 본래의 표면성질을 만들어 낸다. 본 명세서에 참조문헌으로 전체적으로 포함되는 미국특허 제3,338,696호 및 제3,682,609호(Dockerty)는 일반적으로 아이소파이프(isopipe)로 일컬어지는 형성 웨지의 말단부(edge), 또는 둑(weir) 상에 용융 유리를 흘러주는 것을 포함하는 융합 다운드로우 공정을 개시하고 있다. 이에 대하여는 본 명세서에 참조문헌으로 전체적으로 포함되는 미국 공개 특허 제2005/0268677호 및 2005/0268658호도 참조할 수 있다. 상기 용융 유리는 상기 아이소파이프의 수렴하는 형성 표면상에 흐르고, 분리 흐름은 두 개의 수렴 형성 표면이 만나는 에이펙스(apex), 또는 루트(root)에서 재결합되어 유리 리본, 또는 시트를 형성한다. 따라서, 상기 형성표면과 접해있는 유리는 유리시트의 내부 부분에 위치하고, 상기 유리시트의 외부 표면은 비접촉되어 있다. 상기 시트는 진행해 가면서 중력과 인발 수단에 의하여 두께가 감소한다. 특히, 인발 롤러는 상기 아이소파이프 루트의 하부방향에 위치되어 상기 리본의 말단부를 붙잡고 상기 리본이 아이소파이프를 이탈하는 속도를 조절하여 최종 시트의 두께를 결정하도록 조력한다. 상기 인발 기구는 충분히 하부방향에 위치하여 상기 유리가 냉각되어 인발되기에 충분할 정도록 경화되게 한다. 접촉된 말단부 부분은 나중에 상기 최종 유리시트로부터 제거된다. 상기 유리 리본은 상기 인발 롤러를 지나 아이소파이프의 루트로부터 하강하면서, 냉각되어 고체인 탄성 유리 리본을 형성하는데, 이는 더 작은 유리 시트를 형성하기 위하여 그 다음에 절삭될 수 있다.

융합 다운드로우 라인의 구성은 현실적으로 자본 투자를 요한다. 왜냐하면 그러한 라인에 의하여 제조된 기판은 일반적으로 소비제 상품의 제조에 적용되며(상기 참조), 비용감소를 위한 지속적인 압력이 존재하기 때문이다. 그러한 비용 절감은 그 중에서도 라인의 생산량 및/또는 예를 들어 라인 구성에 소요되는 비용을 감소시킴으로써 달성될 수 있을 것이다. 이하에서 논의되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 측면은 예를 들어 본 발명의 그러한 측면이 연신속도 및 그에 따른 라인의 생산량을 증가시키는데 사용될 수 있으며, 또는 라인의 전체 길이, 예를 들어 유리시트가 형성되는 아이소파이프의 루트에서 기판이 시트로부터 분리되는 연신 바닥부 사이를 감소시키는데 사용될 수 있는 그러한 비용감소 접근의 어느 하나 또는 모두를 실행하는데 사용될 수 있을 것이다. (당업계에 알려진 바와 같이, 상기 유리시트로부터 분리된 후에 기판은 추가적인 공정, 예를 들어 기판의 면상의 비드(bead)부분의 제거, 더 작은 부분으로의 분할, 말단부 연마 등의 공정을, 예를 들어 액정 디스플레이의 제조에 사용되기 전에 거치게 된다. "기판"이라는 말은 본 명세서 및 당업계에서 어떠한 추가적인 공정 전의 유리 리본으로부터 분리된 개개의 판넬 및 LCD 제조업체에서 사용되는 궁극적인 기판 모두를 의미하며, 어떤 의미로 적용되는 가는 문맥으로부터 명확하다.)

액정 디스플레이의 제조에 사용되는 유리 기판의 열 안정성은 당업계에서 오랫동안 지속되어온 문제이다. 이 문제를 말하자면, 유리 제조업자는 소비자에게로 선적하기 전에 유리 기판을 종종 열처리하여, 상기 시트가 소비자의 처리과정에서 사용시 전혀 또는 거의 수축되지 않게 한다. 그러한 열처리는 "예비-수축" 또는 "예비-응축"이라 알려져 있다. 그러한 열처리는 기판의 추가적인 취급을 포함하여 기판 표면에 대한 훼손 기회를 늘릴 뿐 아니라 전체 제조 단가를 상승시킨다.

양적으로, 응축율(compaction)은 유리 기판에 나타나는 단위 길이당 길이의 변화에 해당하고 결과적으로 열 순환에 의하여 생산된 유리 구조의 미묘한 변화를 보이게 된다(즉, 응축율은 유리의 열이력에 기인한 응력변형이다). 응축율은 유리 기판 상에 위치한 두 지점 및 그 지점간의 초기 거리를 측정함에 의하여 물리학적으로 규정될 수 있다. 상기 기판은 그 후 열처리 순환공정으로 도입되며 실온으로 되돌려진다. 상기 지점간의 거리는 그 다음 재측정된다. 백만분율(ppm)로 응축율은 다음과 같이 주어진다;

응축율=10⁶·(이전 거리-이후 거리)/(이전 거리)

다양한 열처리 순환공정은 기판이 예를 들어 액정 디스플레이의 제조공정 동안에 겪게 될 가열 및 냉각과 유사하도록 이용될 수 있다. 적당한 열처리 순환공정의 예는 이하에서 설명되는 유리 기판의 예상 응축율을 판단하는데 사용될 수 있다(표 4를 참조할 것).

유리 기판을 물리적으로 측정하는 것 이외에, 응축율은 지정된 시간동안 지정된 온도에 도입되었을 경우 유리 물질의 응력 완화에 대한 컴퓨터 모델을 사용하여 예측될 수도 있다. 그러한 모델링은 Buehl, W.M, 및 Ryszytiwskyj, W.P, "코닝코드 7059 융합 드로우 유리의 열 응축율 모델", SID 국제 심포지움, 연구논문 요록, SID 22, 667-670(1991)에 나타나 있다. 또한 Narayamaswami, O.S., "담금질한 유리에서의 응력 및 구조 완화", J.Amer. Ceramic Soc., 61 (3-4) 146-152 (1978)도 참조된다. 상기 모델은 적합성이 특정 유형의 유리에 적용된 다양한 열 순환공정으로부터 도출된 측정 응력으로 이루어졌다는 점에서 준(semi)-경험적인 것이며, 그러한 적합성은 중요한 열이력, 예를 들어 표4에서 보이는 유형의 열이력에 대한 응축율을 예상하는데 사용된다. 이하에서 개시되는 바와 같은 응축율 데이터는 물리적인 시험에 대향한 준-경험적인 모델링 접근법을 사용하여 얻어진다.

응축율은 역사적으로 중요한 최종 소비자 목록에 해당하기 때문에, 흐름 증가가 이루어질수록, 즉 처리량이 증가하면, 상기 융합공정은 흐름 증가 전에 존재하였던 대로 최종 기판의 동일한 응축율을 유지하기 위한 온도에서 충분한 시간을 보내도록 선형적으로 설계된다. 이러한 접근법이 효용이 있더라도, 아이소 파이프의 루트와 기판이 상기 유리시트로부터 분리되는 지점 사이에서 더 긴 거리를 요구하는 심각한 단점을 가지고 있다. 이러한 더 긴 거리는 추가적인 입지 및 자금의 확보를 요한다.실제로, 존재하는 설비의 물리적 제한에 기하여, 응축율을 다루는 이러한 접근법은 일정한 유리 형성 설비에 사용가능한 최대 흐름을 제한할 수 있다. 이러한 이력적, 물리적 제한을 넘어선 흐름의 증가는 현저하고도 중요한 비용상의 이득을 제공할 수 있을 것이다.

현재 사용되는 융합 드로우 공정의 또 다른 제한은 제조되는 유리의 물성과 관련되어 있다. 용융 상태에서의 초기 유리 조성물이 충분한 시간 동안 더 낮은 온도에 노출되는 경우, 결정상의 성장이 시작될 것이라는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 결정상이 성장하기 시작하는 온도 및 점도는 액상 온도 및 액상 점도라고 각각 알려져 있다.

알려지고 현재 실시되고 있는 바와 같이, 융합 드로우 공정을 사용하는 경우 유리가 아이소파이프를 이탈하는 곳에서의 유리의 점도는 약 100,000 포이즈보다 크게, 더욱 바람직하게는 약 130,000 포이즈보다 크게 유지시킬 필요가 있다. 만일 상기 유리가 약 100,000 포이즈보다 낮은 점도를 갖는다면, 상기 시트의 품질은 저하될 것으로서, 예를 들면 시트 평탄성을 유지하는 것 및 너비에 걸쳐 시트의 두께의 조절하는 것의 관점에서 저하가 있으며, 따라서 제조되는 유리시트는 더 이상 디스플레이 장치에 적합하지 않게 된다.

현재 사용되는 바에 따르면, 약 100,000 포이즈 미만의 액상 점도를 갖는 유리 조성물이 유리시트의 형태적 성질이 적당하도록 조절되어 처리되면, 실투현상이 아이소파이프 상에 발달될 수 있으며 유리시트상의 결정 입자 생성을 초래할 수 있다. 이는 디스플레이 유리 제품에 적당하지 않은 것이다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 극복하고, 다운드로우 설비의 효과적인 사용을 촉진할 수 있는 유리 시트 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 측면("급속 냉각" 측면)의 구체예는 수렴 형성(converging forming) 표면상에 용융 유리를 흘려 유리 시트를 형성하는 단계, 상기 형성 표면은 하부 에이펙스(lower apex)에서 수렴하며, 상기 유리 시트를 상기 하부 에이펙스 및 유리 시트가 최종 형성 두께에 이르는 유리 시트에서의 지점 사이에서 40,000 W/㎡와 같거나 큰 평균 열유량(heat flux)의 비율로 냉각시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 제2 측면은 또한 수렴 형성 표면상에 용융 유리를 흘려 유리 시트를 형성하는 단계, 상기 형성 표면은 하부 에이펙스 주변에서 수렴하며; 및

거리에 대한 점도 변화의 평균율 R이 6.0 미터^-1과 같거나 큰 비율에서 상기 유리시트를 냉각하는 단계를 포함하는 유리 시트의 제조방법을 제공하며,

여기서 R은

R=(log₁₀(μ_최종두께/포이즈) - log₁₀(μ_에이펙스/포이즈))/D

여기서:

(a) μ_에이펙스는 하부 에이펙스에서의 유리시트의 중심선에서의 점도이다.

(b) μ_최종두께는 최종 두께에 이른 유리시트의 중심선에서의 점도이다.

(c) D는 상기 점도 사이에서의 중심선에 따른 거리이고,

(d) 상기 점도는 포이즈 단위이다.

상기 구체예의 특정 적용예에 따르면, 상기 유리의 액상 점도는 약 100,00 포이즈 미만이며; 바람직하게는 약 80,000 포이즈 미만이고; 더욱 바람직하게는 약 50,000 포이즈 미만이다.

본 발명의 제1 측면의 구체예에 따르면, 상기 유리시트는 바람직하게 시간당 인치당 약 12파운드 이상의 흐름밀도(flow density)로 형성되며, 보다 바람직하게는 시간당 인치당 약 15 파운드 이상으로, 가장 바람직하게는 시간당 인치폭당 약 20 파운드 이상으로 형성되고, 상기 하부 에이펙스로 부터 아래 약 400㎜ 미만의 거리에서 최종 두께의 1.5% 이내이다. 바람직하게는, 상기 유리 시트는 상기 하부 에이펙스 아래 약 300㎜ 미만의 거리에서 최종 두께에 이른다. 상기 방법은 상기 유리시트에 대하여 적어도 약 50N/m의 인발력을 적용하는 단계를 더 포함한다. 수렴 형성 표면의 에이펙스는 가열 부재에 의하여 가열될 수 있다.

바람직하게는, 상기 평균 열유량 기준과 상기 R기준 모두 만족하는 것인데, 일부 경우에 있어서는, 단 하나의 기준이 본 발명의 제1 측면의 특정 적용예에서 만족될 것이다.

본 발명의 제2 측면("서냉" 측면)의 구체예는 수렴 형성 표면상에 용융 유리를 흘려 유리 시트를 형성하는 단계, 상기 형성 표면은 하부 에이펙스에서 수렴하며, 상기 유리 시트의 중심선에서의 점도가 10¹¹ 포이즈에서 10^14포이즈로 증가함에 따라, 상기 유리 시트로부터의 평균 열유량(heat flux)이 20,000 W/㎡와 같거나 작도록 상기 유리시트를 냉각하는 단계를 제공한다.

본 발명의 제2측면은 또한 수렴 형성 표면상에 용융 유리를 흘려 유리 시트를 형성하는 단계, 상기 형성 표면은 하부 에이펙스 주변에서 수렴하며, 상기 유리시트의 중심선에서의 점도가 10¹¹포이즈에서 10¹⁴포이즈로 증가함에 따라, 거리에 대한 점도 변화의 평균율 R_{11 -14}는 4.0미터^-1과 같거나 더 작은 속도에서 상기 유리시트를 냉각하는 것을 특징으로 하는 유리시트의 제조방법을 제공한다. 여기서 R_{11 -14}는 R_11-14=3/D_11-14로 주어지고, 여기서 D_{11 -14}는 상기 두 점도 사이의 중심선에 따른 길이이다.

바람직하게는, 상기 평균 열유량 기준과 상기 R기준 모두 만족하는 것인데, 일부 경우에 있어서는, 단 하나의 기준이 본 발명의 제2 측면의 특정 적용예에서 만족될 것이다.

본 발명의 제3 측면은 형성 웨지(wedge)를 포함하는 융합 다운드로우 기계에 의하여 유리 시트의 제조율을 높이기 위한 방법으로서, (a) 용융 유리를 상기 형성 웨지상에 흘림을 증가시키는 단계, 및 (b) 상기 형성 웨지를 시트가 이탈할 때 상기 시트의 초기 냉각 속도를 증가시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 본 발명의 상기 측면에 따르면, 유리 시트의 냉각 속도는 시트가 제조되는 유리의 점도가 10¹¹ 포이즈 에서 10¹⁴ 포이즈로 증가하는 시트의 영역에서 감소한다.

본 발명의 제4 측면에 따른 구체예는 융합 다운드로우 기계를 이용하여 유리시트의 제조 속도를 높이는 방법으로서, 상기 방법은 상기 기계를 통하여 용융 유리의 흐름을 증가시키는 단계, 및 상기 시트의 점성, 점탄성, 및 탄성 영역의 상대적 길이를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

본 발명의 제5 측면에 따른 구체예는 융합 다운드로우 기계를 이용하여 유리의 제조 속도를 높이는 방법으로서, 상기 방법은 상기 유리시트로부터 분리된 기판에서의 온도를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

본 발명의 제6 측면에 따른 구체예는 유리 시트 제조용 융합 다운드로우 기계에 관한 것으로, 상기 기계는,

(a) 하부 에이펙스로 수렴하는 형성 표면;

(b) 거리 D_PR에 의하여 상기 하부 에이펙스로부터 분리되는 인발 압연기;

(c) 유리시트 내에 눈금 선을 형성하는 분리 기구를 포함하고, 상기 눈금 선은 거리 D_SL에 의해 상기 에이펙스로부터 분리되며, 여기서 D_PR/D_SL≥0.5이다.

본 발명의 제7 측면에 따른 구체예는 유리시트를 유리 흐름율(FR)에서 제조하기 위한 융합 다운드로우 기계는로서, 상기 기계는

(a) 하부 에이펙스로 수렴하는 형성 표면; 및

(b) 유리시트 내에 눈금 선을 형성하는 분리 기구를 포함하고, 상기 눈금 선은 거리 D_SL에 의해 상기 에이펙스로부터 분리되며,

여기서 상기 D_SL 과 FR은 다음 관계를 만족한다:

D_SL/FR ≤8ㆍ(1.0 + 0.1ㆍ(T_S-667)), 상기 T_S는 ℃로 나타나는 유리의 변형점이고, D_SL은 인치단위, 및 FR은 파운드/시간/인치 단위이다.

본 발명의 제8 측면에 따른 구체예는 유리 시트를 제조하는 융합 다운드로우 기계에 관한 것으로, 상기 기계는,

(a) 하부 에이펙스를 갖는 형성 웨지; 및

(b) 상기 형성 웨지 주변에 배치되어 상기 형성 웨지로부터 연신되는 유리시트가 상기 하부 에이펙스 및 상기 유리시트가 최종 형성된 두께에 이르는 지점 사이에서 상기 유리시트로부터의 평균 열유량이 40,000 W/㎡보다 크거나 같은 속도로 냉각되게 하는 냉각 영역을 포함한다.

상기 발명은 이하에서 보다 명확히 이해될 것이며 이에 대한 기타 대상, 특성, 구체화 및 이점은 후술되는 설명 및 첨부되는 도면과 참조문헌에 의하여 어떠한 형태의 제한없이 보다 명확히 이해될 것이다. 부가적인 시스템, 방법, 특징 및 이점의 모든 내용은 본 명세서에 포함될 것이며, 본 발명의 범주에 속하는 것이고 이에 따른 청구범위에 의하여 보호되도록 의도된 것이다. 나아가, 본 상세한 설명 및 도면상에 개시된 본 발명의 다양한 측면 및 구체예는 어떠한 조합에 의하여 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

본 발명은 유리 시트를 형성하는 방법에 관한 것으로서, 특히 유리가 형성되는 지점(즉, 아이소파이프의 루트) 및 개별적인 기판이 시트로부터 분리되는 지점(즉, 리본이 분리공정의 도입단계에서와 같이 새김질(score)되는 지점) 사이에서 냉각을 조절할 수 있다.

도 1은 융합 다운드로우 기구의 부분 단면도, 투시도이다.
도 2는 융합 다운드로우 시트 형성 공정에 사용되는 일반적인 냉각 곡선의 플롯이다.
도 3은 도 2의 기준 냉각 곡선에 비교하여 우수한 기판 및/또는 제품 특성에 대하여 설계된 조절된 냉각 곡선의 플롯이다.
도 4는 세 가지 냉각 곡선의 플롯으로, "0"곡선은 기준 곡선이고, 곡선 "1" 및 "2"는 우수한 기판 특성을 위하여 설계된 냉각 곡선이다. 곡선 "0"은 곡선 "1" 및 "2"에 비하여 더 낮은 도입부 온도를 갖는다는 점을 유의해야 한다.
도 5는 도 4의 곡선 0, 1, 및 2에 대한 아이소 파이프의 루트로부터의 거리 대 log₁₀(점도/포이즈)의 플롯이다.
도 6은 도 4의 곡선 0(케이스 0)에 대한 아이소 파이프의 루트로부터의 거리 대 log₁₀(점도/포이즈)의 플롯이고, 냉각속도를 갖는 세 가지 곡선은 케이스 0과 비교하여 응축율이 감소되었다. 도6B는 log₁₀(점도/포이즈) 보다 온도인 수직 축에 대한 동일한 데이터를 보여준다.
도 7은 기준 케이스(case A)에 대한 온도의 작용에 따른 유리시트의 두께에 대한 플롯이다.
도 8은 기준 케이스(case A)에 대한 루트로부터의 거리의 작용에 따른 유리시트의 두께에 대한 플롯이다.
도 9는 기준 케이스(case A)에서의 중력 및 인발롤러에 기한 인발력의 플롯을 도시하였다.
도 10은 다운드로우 공정을 통한 유리시트의 연신의 4 가지의 가설적 예에 대한 공정 파라이트의 차트이다.
도 11은 도 10의 4가지 가설적 케이스를 위한 융합 다운드로우 기구의 루트로부터의 거리의 작용에 따른 시트 두께에 대한 플롯이다.
도 12는 도 10의 4가지 가설적 케이스를 위한 융합 다운드로우 기구의 루트로부터의 거리의 작용에 따른 열추출(열유량)에 대한 플롯이다.
도 13은 본 발명의 일 구체예에 따른 가열기 및/또는 냉각 장치의 배치를 보여주는 융합 드로우 장치의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 구체예에 따른 가열기 및/또는 냉각 장치의 배치를 보여주는 융합 드로우 장치의 단면도이다.
도 15는 여기서 개시되는 (오른손 패널) 발명 크기조절(scaling)과 전통적 크기조절(중간 패널)을 비교한다. 두 가지 크기조절은 왼손 패널의 전통적인 공정에 적용된다. 본 도면에 사용되는 "ER" 및 "PR"의 용어는 각각 말단부 롤러 및 인발롤러를 의미한다.
도 16은 케이스 0 냉각 곡선(삼각 데이터 점)에 적용된 10℃ 증가에 대한 휴지 시간에서 50% 증가(다이아몬드 형 데이터 점) 및 50% 감소(사각형 데이터 점)에 기인한 응축율의 변화를 도시한다. 왼쪽 수선은 3각형 데이터 점에 대한 인치단위의 아이소파이프의 루트로부터의 거리를 보여주고, 오른쪽 수선은 %단위로 응축율의 개선을 보여준다.
도 17은 응축율, 인발롤러(PR) 온도, 및 루트-투-인발롤러 거리(DPR)를 일정하게 유지하는 동안 더 높은 흐름속도를 달성하기 위하여 하터(hotter) 중단 온도의 사용을 도시한 것이다.
도 18은 변형점의 증가가 어떻게 흐름을 증가시킬 수 있는 지, 즉 유리시트로부터 형성된 기판의 응축율을 증가시키지 않고 흐름 배율기(flow multiplier)에 의하여 배량이 되는지를 설명하는 플롯이다.

다음의 상세한 설명에서는, 설명의 목적에 대하여 제한없이, 상세한 설명에 개시되는 예시적인 구체예는 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위하여 개시된다. 그러나, 본 발명은 여기에 개시된 특별한 구체적 설명이외에 기타 구체예로 실행될 수 있음을 본 개시영역의 이점을 갖는 당업자에게 명확할 것이다. 나아가 잘 알려지 장치, 방법 및 물질은 본 발명의 설명을 불명확하게 하지 않기 위하여 생략될 수 있다. 덧붙여, 참조 번호와 같이 적용할 수 있는 어느 부분이든 같은 구성요소를 나타낸다.

본 명세서에 사용되는, 다운드로우 유리 시트 제조 공정은 점성 유리가 하부방향으로 연신되면서 유리시트가 형성되는 유리 제조 공정의 모든 형태를 의미한다. 융합(fusion) 다운드로우 형성 공정에서, 용융된 유리는 홈통(trough)으로 흘러들어가고, 오버플로우되고 파이프의 양쪽으로 흘러내려가고, 루트(유리의 재결합 부의 상기 파이프의 말단부 및 두 개의 오버플로우 부분)로 알려진 부분에서 서로 융합되고, 냉각될 때까지 하방으로 연신된다. 상기 오버플로우 유리 시트 제조공정은 도 1에서 설명될 수 있으며, 여기서 오버플로우 홈통 부재 또는 형성 웨지(10)는 상방향으로 개방된 채널(20)을 포함하며, 이는 벽부(30)에 의하여 길이방향 측에 결속되어 있으며, 상기 벽부는 반대되는 길이방향으로 연장된 오버플로우 립(lips) 또는 위어(weir)(40)내의 상측 연장에서 종결된다. 상기 위어(40)는 형성 웨지(10)의 마주보는 외측 시트 형성 표면과 연결된다. 보이는 바와 같이, 형성 웨지(40)는 위어(40)와 통하는 한쌍의 실질적으로 수직인 형성 표면 부분(50) 및 바람직하게 일직선의 유리 연신선을 형성하는 실질적으로 수평인 하부 에이펙스 또는 루트(70)에서 종결되는 하방 경사진 한 쌍의 수렴 표면 부분(60)으로 제공된다.

용융 유리(80)는 채널과 통하는 운송로(90)에 의하여 채널(20)으로 공급된다. 상기 채널(20)내의 공급원료는 단일 말단(single ended)일 수 있고, 또는 바람직하게는 이중 말단일 수 있다. 한쌍의 제한 댐(100)은 채널(20)의 각 말단에 인접한 오버플로우 위어(40) 위로 제공되어 용융 유리(80)의 자유 표면(110)의 오버플로우를 오버플로우 위어(40)상에 개별 스트림으로 향하도록 하고, 사슬선으로 보이는 개별 스트림이 표면 정련된(virgin-surfaced) 유리(120) 시트를 형성하도록 수렴되는 루트(70)로 반대되는 형성 표면 부분(50,60)을 내린다.

융합 공정에서, 인발 롤러(130)는 형성 웨지(10)의 루트(70)의 하부에 위치하며 형성된 유리 리본이 수렴 형성 표면을 이탈하는 속도를 조절하고 이에 따라 최종 시트의 명목상의 두께를 결정하는데 도움을 준다. 적합한 인발 롤러는 예를 들어, 미국 특허 제6,896,646호에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 전체로서 본원의 참조문헌으로 포함된다.

상기 인발롤러는 바람직하게 유리 리본을 외측 말단부, 특히 리본의 최 말단부에 존재하는 두꺼원진 비드의 중심부 영역에서 접촉하도록 설계된다. 상기 인발롤러에 의하여 접촉된 상기 유리 말단부 영역(140)은 나중에 시트로부터 분리된 후 기판으로부터 제거된다.

도 1에서 보이는 연신 기구에서, 유리 시트(유리 리본)은 상기 기구의 연신부 아래로 이동하고, 상기 시트는 복잡한 구조적 변화를 겪게되는데, 이는 물리적 수치변화 뿐 아니라, 분자 수준의 변화를 포함하는 것이다. 예를 들어 형성 웨지의 루트, 또는 아이소파이프에서 유연하지만 두꺼운 액상 형태로부터 거의 1.5 밀리미터 두께를 갖는 경화된 유리 시트로의 변하는 액체, 또는 점성 상태로부터 고체, 또는 탄성 상태로의 변화를 완수하기 위한 역학적 화학적 요구사항을 세밀히 조절하도록 조심스레 선택된 온도 영역에 의하여 달성된다.

더욱 구체적으로, 유리 시트가 루트아래로 상기 인발 롤러아래로 하강하면서, 점성 상태에서 점-탄성 상태로 유리가 전이된다. 상기 유리시트의 점탄성 영역은 대략 유리의 연화점으로부터 유리의 변형점까지 연장된다. 상기 변형점 이하에서, 상기 유리는 탄성적인 거동을 한다고 여겨진다.

상기에서 기술된 융합 형성 공정의 일 잇점은 유리시트가 어떠한 내화물 형성 표면과도 접촉함이 없이 형성될 수 있다는 것이다. 이는 부드럽고, 불순물이 없는 표면을 제공한다. 또한, 이러한 기술은 매우 높은 내성으로 매우 평평하고 얇은 시트를 형성할 수 있다.

그러나, 기타 시트 형성 기술은 본 발명으로부터의 이득을 볼 수 있는데, 슬롯 드로우 및 리드로우 형성 기술을 포함하며 이에 한정되지 않는다. 상기 슬롯 드로우 기술에서는, 용융 유리가 바닥부에 기계로 만든 슬롯을 갖는 홈통으로 흘러들어간다. 상기 유리 시트는 상기 슬롯을 통하여 인발된다. 상기 유리의 품질은 다른 것 보다도 명확히 기계로 형성된 슬롯의 정확성에 의존한다.

리드로우 공정은 일반적으로 유리 조성물을 블록으로 예비-형성시키고, 그 후 재가열 및 유리를 더 얇은 시트 제품으로 하방 연신하는 것을 포함한다.

이상에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 본 발명은 융합 드로우 기계를 이용하여 제조된 유리시트의 냉각 속도와 관련되어 있다. 유리 시트의 냉각 속도는 유리시트에 대한 공간 또는 시간 변화 중 어느 하나에 관계된 것이라 생각될 수 있다. 예를 들면 시트의 중심선을 따른 온도이다. 하기 논의에서 보이는 바와 같이, 시간적 공간적 냉각 속도는 상수에 관련된다.

공간 냉각속도는 dT/dy로 나타내고, 시간적 냉각속도는 dT/dt로 나타낼 수 있으므로, 다음과 같이 표현된다:

여기서 T는 온도, t는 시간, y는 인발(예를 들어, 중력) 방향에서의 좌표(coordinate)이다.

이제 연신 중의 질량 흐름속도를 'M'(일반적으로 lb/h로 특정됨)으로 표시할 것이며, 최종 제품의 두께는 'h'로 한다. 연신 중에서, 작업 흐름속도 M 및 목표 두께 h는 특정된 양이다.

목표 두께 'h'가 획득되는 지점에서의 시트의 속도는 일반적으로 '인발 속도'라고 일컬어지며, 때로는 '인발률'PR(통상 inch/min으로 특정됨)로도 표시된다. 질량 보전에 의하여, 상기 인발속도는 다음과 같이 표현될 수 있다:

여기서 ρ는 유리조성물의 밀도이고, 파라미터 'K'는 상수이며, 첫 번째 삼중등호는 PR의 정의를 의미하고, 두 번째 등호는 질량 보존에 의하여 유도된다. 상기 dy/dt 기호는 상수(constant)이고 시트의 최총 형성 두께가 달성되는 영역에서의 PR로 명명된다는 것을 유의하여야 한다. 최종 형성 두께가 의미하는 바는 유리시트가, 인발롤러에 의하여 형성 웨지로부터 연신되면서 어떠한 점성에 도달하여 유리가 실질적으로 냉각되고, 두께 상의 변화가 실질적으로 일어나지 않게 된다는 것이다. 점성 영역에서, 이러한 용어는 위치 y에 의하여 일정하지 않고 강하게 변화한다.

상기 제1 및 제2 방정식을 조합하면 다음과 같은 식이 얻어진다:

여기서 K는 상기에서 정해진 바와 같다.

연신 흐름 속도 M, 유리 조성물 및 그에 따른 밀도 ρ, 및 목표 두께 h가 일단 특정되고 나면, K는 결정되게 된다는 것을 유의해야 한다. 이는 독립적으로 변화할 수 없다. 따라서, '냉각 속도'라는 용어는 유리의 온도에 대한 공간적 또는 시간적 변화 중 어느 하나에 관련되는 것일 수 있으며 본 명세서에서 그렇게 사용된다.

이제 도 2를 참조하면, 이 도면은 융합 다운드로우 공정에 사용되는 전형적인 냉각곡선을 간추리고 있다. 참조의 용이함을 위하여, 상기 곡선은 이제부터 "표준 냉각" 또는 "케이스 0"이라고 지칭될 것이다. 주입구 온도 Ti(즉, 아이소파이프의 루트에서의 온도) 및 주입구 주변에서의 곡선의 구배는 '배기니스(bagginess) 한계'에 의하여 상기로부터 규정된다. 이러한 한계 이상의 온도에 이르는 온도 조건에서, 상기 시트 점도는 아주 낮은 채로 유지되어 어떠한 인발력(pulling force)에도 견딜 수 없다. 다른 한편으로, 더 낮은 온도 측에서의 상기 냉각 곡선 한계는 도 2에서 "열적 환경 제한"의 경계로 표시된다. 이러한 제한은 복사 교환(radiative exchange)중에 소스(source)에서 싱크(sink)에 이르는 최대 열 유량이 상기 싱크의 온도, 상기 소스의 싱크에 대한 투명도, 및 표면의 방사성(emissivity)에 의하여 제한된다.

잘 알려진 바와 같이, 시트의 두께는 인발력에 도입되면서 줄어들게 된다. 인발력은 냉각 곡선의 작용일 뿐 아니라, 흐름속도 및 유리 밀도와 같은 흐름조건의 작용이다. 도 2에서 보이는 바와 같이, 온도 T_t이후에, 시트는 소정의 인발력 하에서 그것의 최종(및 최소화) 형성 두께를 얻게된다. 출발점 및 최종 두께가 얻어지는 지점 사이의 거리는 H_t로 도 2에서 표시된다. 추가적으로 냉각되면, 점성 시트는 그 온도가 점성 및 탄성 체계 사이의 전이상태인 T_tr로 떨어진다. 상기 전이상태는 H_tr1 및 H_tr2 사이에서 높이 변경을 일으키는 간격 △H_tr에서 일어난다. 이후에, 상기 시트는 T_e로 냉각되고 높이 H_e에서 연신부를 빠져나온다.

*인발 장치, 예를 들어 인발 롤러는 상기 전이 영역의 바로 다음에 위치하도록 하여 상기 시트가 인발되기에 충분히 점성이 있되, 쉽게 파단되지 않을 정도로 너무 점성이 있지 않은 것이 바람직하다. 또한 상기 인발 장치는 바람직하게 상기 전이상태로부터 충분히 하향설치되어 상부방향으로 전달될 수 있는 잔류응력의 영향을 최소화하는 것이 바람직하다.

조절된(tailored) 냉각 곡선은, 본 발명의 급속 냉각 측면을, 다른 것들 중에서도 채용하여, 도 2의 "기준 냉각"곡선에 우수하다는 것이 도 3에 보여지고 있다. 상기 도면에 보이는 바와 같이, 초기 온도 T_ib는 도 2의 T_i보다 크다. 도 3의 고선은 적어도 다음과 같은 점에서 이점을 갖는다.

(1) 시트가 고열(hotter)의 온도(그러나 비밀집 한계 이하)에서 연신부에 유입되어 다른 비교가능한 조건에 대하여 더욱 얇게 된다.

(2) 상기 연신부의 입구부에서 시트의 고열의 온도는 상기 시트가 더 작은 힘에 도입되도록 한다. 시트 력(sheet force)의 감소는 이번에는 기준 공정에 따라 얻어지는 것과 비교하여 더 넓은 치수폭을 갖는 시트가 되게 한다.

(3) 상기 시트는 침지 냉각(steeper cooling)에 도입되어 최종 두께가 빨리 얻어지도록 한다. 즉 도 3에서 H_tb는 도 2에서 H_t보다 작고, 여기서 H_tb는 높이(또는 더욱 상세하게는, 아이소파이프의 루트로부터의 거리)를 지칭하며, 상기 최종 두께는 상기 조절된 냉각 곡선에 대하여 얻어진다.

(4) 최종 두께 발달(evolution) 영역의 길이 감소는 연신 거리(즉, H_e- H_tb)의 나머지가 기타의 목적, 즉 응축율의 및/또는 잔류 응력의 개선을 위하여 사용될 수 있도록 할 수 있다. 또는 상기 최종 두께 발달 영역의 길이 감소가 연신부 전체의 길이를 줄임으로써 다른 것보다 제조단가를 줄이게 할 수 있다. 보다 상세하게는, 최종 두께 발달 영역의 길이를 감소시킴으로써:

(i) 냉각 곡선이 더 작은 구배(즉, 서냉)에 의하여 H_tr2 및 H_p로 접근하도록 함으로써 응축율이 감소될 수 있다. 이하의 논의를 참조하면, 일질적인 온도 하강은 H_t 이전에 달성되기 때문에, 연신부의 나머지는 이러한 느린 냉각 공정을 위해 보류될 수 있다.

(ii) 점탄성 간격에서 열 팽창계수 상의 갑작스러운 변화에 기하여 일어나는 열 잔류 응력에 대하여, 온도 프로파일은 만곡(curvature)을 제공하여 어떠한 압착 밴드(compression bend)도 점탄성 영역, 즉 △ H_tr 근처에서 발생시키지 않게 될 수 있다.

(iii) 초기 냉각이 더 작은 간격에서 이루어지기 때문에, 상기 인발력의 위치는 최적화 될 수 있으며, 상기 높이 H_e은 바람직하게 줄어들 수 있다.

연신부 높이의 감소는 자본 투자의 감소 및 더욱 용이한 가동으로 나타난다. 또한 (산출량이 증가된) 더 높은 흐름 밀도는 현존하는 장비들에 의하여 달성될 수 있다(이하 참조).

*도 4는 본 발명의 급속 냉각의 측면을 사용함에 따른 효과를 추가로 도시한 것이다. 상기 도면은 세 개의 냉각 곡선을 보여주는데, 즉, "0"곡선은 기준 곡선이고, 곡선 "1" 및 "2"는 조절된 냉각곡선으로 증진된 시트 품질을 달성하기 위하여 설계된 것이다. 도 5는 상기 세 가지 케이스에 대하여 log₁₀(점도/포이즈) 대 연신부 하방의 길이를 플롯팅한 것으로, 상기 점도는 코닝 주식회사의 코드 Eagle glass에 대한 펼셔 식(Fulcher fit)을 사용하여 계산되었다(하기 참조). 명백하게, 곡선 1 및 2는 연신부에 사용되는 가열 및 냉각 요소의 위치, 개수 및 용량의 실제 배치에 의하여 용이하게 달성될 수 있다. 도 4에서 곡선 1 및 2 모두 곡선 0보다 더 높은 온도로 연신부에 도입되고 있다는 것을 주목하여야 한다. 대응적으로, 도 5에서 곡선 1 및 2는 곡선 0보다 더 낮은 점도로 연신부에 도입된다.

케이스 0, 1 및 2에 대한 대응 흐름 파라미터는 표 1에 주어진다. 상기 표의 두께치 및 인발력은 유한요소 시뮬레이션을 사용하여 계산되었다. 상기 표에서 보이는 바와 같이, 세 케이스에 대한 인발력은 케이스 0의 주입구 점도가 실질적으로 케이스 1 및 2에 비하여 큼에도 불구하고 동일하다. 상기 표의 두께 값으로부터 알 수 있는 바와 같이, 최종 두께 발달 영역(H_t)는 케이스 0에 비하여 케이스 1 및 2의 경우에 대하여 실질적으로 감소하고 있다.

유리가 점성 및 탄성 체계(도 2에서 H_tr1 및 H_tr2를 참조할 것) 사이의 전이상태를 겪는 때에 냉각 프로파일(예를 들어 그것은 볼록이거나 오목이다)의 만곡부는 전이상태가 일어나는 때 발생하는 유리의 열팽창계수(CTE)에서의 급작스러운 변화를 결과적으로 일으키는 유리에서의 잔류 열응력이라는 견지에서 중요한 것이다. 케이스 0, 1 및 2는 실질적으로 이러한 전이 영역에서 이들의 만곡부에 관하여는 실질적으로 상이하다. 따라서, 케이스 0는 잔류 열응력을 보상하는 만곡부를 형성하고 있지 않으나, 케이스 1은 일부 만곡부를 가지며, 케이스 2는 실질적으로 만곡부를 갖는다. 따라서, 국부 온도 설정 변화(local temperature setting change)는 케이스 0에 대하여 요구되고, 일부 설정 변화는 케이스 1에 대하여 요구될 것이며, 다만 부차적인 조절이 있다면, 케이스 2에 대하여 요구될 것이다.

본 발명의 급속 냉각의 측면은 여러 방법으로 정량화할 수 있다. 그러한 정량화를 위한 두 가지 특별한 손쉬운 접근법은 냉각 곡선의 급속 냉각 영역에서 유리시트로부터 평균 열유량을 결정하는 방법(여기서는 "

"값으로 나타낸다) 또는 연신부의 하부 영역에서 거리에 대한 점도 변화(증가)율을 결정하는 방법(여기서는 "R"값으로 나타낸다)이 포함된다. 각각의 접근법은 유리 시트를 제조하기 위하여 사용되는 수렴 형성 표면의 하부 에이펙스(즉, 아이소파이프의 루트) 및 상기 유리시트가 최종 두께에 도달하는 연신부 하부의 위치를 가리키는 참조방법으로 사용된다. 각각의 접근법은 또한 하부 에이펙스(예를 들어, 도 3의 조절된 냉각곡선 및 기준 곡선에 대한 각각의 T_i 및T_ib를 참조할 것) 및 시트가 최종 두께에 도달하는 지점(예를 들어, 도3의 T_t)에서의 유리시트의 온도에 대한 지식을 요구한다. 특히, 그러한 온도 정보는 유리의 중심선을 따라 유리 시트의 외측 표면에 대한 것이다. 이러한 온도들은 당업계에 알려진 다양한 방법으로 측정될 수 있는데, 파이로미터(pyrometer) 및/또는 접촉 열전대(thermocouple)와 같은 것이다.

유리시트의 이동이 온도 T₁ 에서 T₂(T₁>T₂)로 냉각되면서, 열에너지를 속도 QH(줄/초 또는 와트)로 잃게 되는데, 다음과 같이 주어진다:

식(1)

여기서 M은 유리의 흐름속도(그램/초), C_p는 유리의 비열용량(joule/gram-℃), 및 △T = T₁- T₂ (℃)이다.

여기에 사용된 "유리 시트로부터의 평균 열유량"(즉,

)의 문구는 제1 중심서 온도 T1을 갖는 제1 위치(예를 들어, 아이소파이프의 루트) 및 제2 중심선 온도 T2를 갖는 제2 위치(예를 들어, 상기 시트가 그의 최종 두께에 이르는 지점) 사이에서 식(1) 및 냉각되는 시트의 부분으로 표시되는 평균 표면적의 견지에서 정의된다. 특히, 상기 면적은 W·D와 동일한 것으로 간주되며 여기서 W는 비품질 말단부 영역의 트리밍 이후 유리시트로부터 절삭되는 기판의 너비이며, D는 상기 제1 및 제2 위치 사이에서 상기 시트의 중심선을 따른 거리이다. 그러면

는 다음과 같이 주어진다:

식(2)

본 발명의 다양한 측면에 따라 요구되는 열손실을 달성하려는 입장에서, 식(2)를 사용하여 계산되는

는 W·D 제품이 시트의 일면의 영역에 대응한다는 점에서 나쁜 케이스의 시나리오에 해당하나, 반면에 전통적인 케이스에서 열은 상기 시트의 양면으로부터 제거될 뿐 아니라 시트의 말단부를 따라 비드(bead) 영역으로부터도 제거될 것이다.

예를 들면, 동일한 양의 열이 시트의 두 면으로부터 제거되는 경우, 두 개의 면을 통하는 유량은

/2의 차수(order)가 될 것이다. 만일

가 40킬로와트/미터²이면, 그 때는 시트의 두 면에 각각 통하는 유량은 동일한 손실 케이스에 대하여 단지 20킬로와트/미터²의 차수가 되는 것이 필요하다. 그러나, 만일 일면을 통한 열손실이 더 작으면, 그 때는 외측을 통한 열손실이 전체

값을 달성하기 위하여 대응적으로 더 커야 한다. 즉, 한계내에서 만일 면들 중 일면을 통한 열손실이 0이었다면, 그때는 다른 면을 통한 유량은

과 같아져야 할 것이다. 이러한 점에서

는 열손실이 시트의 주요 표면 중 단지 일면에 한정되는 경우 필요로할 수 있는 최대 열전달의 측정치를 제공한다. 일반적인 실시 공정 내에서, 양 표면은 사용될 것이며, 따라서 각 면에 필요로하는 열 전달 수준은 예를 들어

/2처럼 훨씬 낮아질 것이다.

이상으로부터, 열유량에 대하여 급속 냉각을 정량화하려는 시도는 하부 에이펙스 및 상기 시트가 그것의 최종 두께에 이르는 지점에서의 유리시트의 온도에 대한 지식에 대하여, 유리의 흐름속도 M 및 비열용량 Cp 뿐 아니라, 시트로부터 절삭되는 기판의 너비 W와, 하부 에이펙스 및 상기 시트가 그의 최종 두께에 이르는 지점 사이의 거리 D에 대한 지식이 또한 요구된다는 것을 알 수 있었다. 이러한 모든 정보는 융합 다운드로우 공정을 실행하는 당업자에게는 용이하게 이용가능한 것이다.

본 발명의 급속 냉각의 측면에 따라,

는 40킬로와트/미터²과 같거나 크며, 바람직하게는 60 킬로와트/미터²이며, 가장 바람직하게는 70 킬로와트/미터²이다.

점도 변화 접근법(R 접근법)에서는, 하부 에이펙스에서의 유리시트의 온도(T_apex) 및 상기 시트가 그의 최종 두께에 이르는 지점에서의 온도(T_{final thickness})에 대한 지식이외에, 온도의 작용으로서 유리 점도(μ) 및 하부 에이펙스 및 시트가 최종 두께에 이르는 지점 사이의 거리에 대한 지식을 요한다. 점도 대 온도 정보는 온도의 설정에 따른 ASTM C1350M을 사용하여 유리의 점도를 측정함으로써 알 수 있으며, 도출된 값을 다음의 형식(펄셔 식)에 적용하면 A, B, 및 T₀(펄셔 계수)를 얻게 된다. 여기서 T0는 섭씨단위이다:

식(3)

log₁₀(μ(T)/포이즈) = A + B/(T/Celsius - T₀)

상기 식 및 연신되는 특정 유리에 대한 A, B, 및 T₀ 값을 사용하여, 연신부 아래의 거리에 대한 점도변화의 평균 속도 R(미터^-1)은 다음과 같이 계산된다:

식(4)

R = (log₁₀(μ(T_{final thickness})/포이즈)-log₁₀(μ(T_apex)/포이즈))/D

(R은 연신 하방의 점도 변화에 대한 특정 길이의 반대로도 나타내질 수 있다는 것을 유의)

본 발명의 급속 냉각의 측면에 따라, R은 6.0 미터^-1보다 크거나 같으며, 바람직하게는 8.0 미터^-1보다 크거나 같으며, 가장 바람직하게는 9.0 미터^-1보다 크거나 같다.

표 3은 도 4의 케이스 0, 1 및 2에 대한

및 R값을 보여준다. 상기

계산은 750 파운드/시간의 질량 흐름율, 1300 Joules/kg-°K의 비열용량, 294.5, 379.2 및 364.9℃의 △T를 케이스 0, 1 및 2에 대하여 각각 사용하였고, W값은 58.5인치, 한정요소 시뮬레이션으로부터 얻어진 길이 D는; D _{case 0} = 88.3 센티미터; D _{case 1} = 50.0 센티미터; 및 D _{case 2} = 54.0 센티미터였다. 동일한 D값은 코닝 주식회사의 코드 Eagle glass에 대한 펄셔 계수를 사용하여 얻어진 다음 점도에 따라 R계산을 위하여 사용되었다(즉, A = -3.027, B = 7194.3 및 T₀ = 297): 케이스 0--log₁₀(μ_root/포이즈) = 5.20, log₁₀(μ_{final thickness}/포이즈) = 9.40; 케이스 1 -- log₁₀(μ_root/포이즈) = 4.70, log₁₀(μ_{final thickness}/포이즈) = 9.50; 및 케이스 2--log₁₀(μ_root/포이즈) = 4.70, log₁₀(μ_{final thickness}/포이즈) = 10.32. 상기 표에서 보이는 바와 같이, 케이스 0(기준 케이스)에 대하여

는 40킬로와트/미터² 미만이며, R은 6.0 미터^-1이나, 케이스 1 및 2(급속 냉동 케이스)에 대하여는 이들 값 이상이다.

이상에서 논의된 바와 같이, 유리기판에 의해 나타나는 응축율을 줄이는 것은 유리 제조자에게 오랜 동안의 도전이었고, 특히 융합 다운드로우 공정을 이용하는 업자에게는 더욱 그랬다. 표 4는 예상되는 도4의 케이스 0, 1 및 2에 대한 상대적인 응축율 수준을 보이는데, 순환 형식으로 표현되는 몇 가지의 열 순환에 대하여, 유리 기판은 액정 디스플레이의 제조과정 동안에 예를 들어, 15분간 350℃에 노출, 60분 동안 450℃에 노출, 30분 동안 600℃, 및 60분 동안 450℃에 노출된 후 바로 30분 동안 600℃에 노출되는 과정을 겪는다.

표 4에서 보이는 바와 같이, 케이스 1 및 2의 조절된 냉각곡선은 케이스 0의 경우보다 더 낮은 응축율이 예상된다. 특히 모든 순환공정 동안에 케이스 0 보다 30% 이상 더 낮은 예상 응축율을 보인 케이스 2의 감소된 응축율이 인상적이다. 도 4에서 보이는 바와 같이, 급속 냉동 상태 이후에, 케이스 2는 케이스 0 또는 1의 어느 하나보다 훨씬 평평한 열 프로파일을 가진다. 이제 보일 바와 같이, 이러한 유형의 평평한 열 프로파일(느린 냉각 속도에 대응한다) 및 특히 적어도 10^11포이즈 내지 10^14포이즈(바람직하게는 10¹¹ 포이즈 및 10¹⁵ 포이즈 사이, 가장 바람직하게는 10¹¹ 포이즈 및 10¹⁶ 포이즈 사이)의 점도에서의 그러한 평평한 열프로파일/느린 냉각속도는 응축율의 낮은 수준이 일관적으로 예상되는 것으로 밝혀졌다.

도 6A 및6B는 응축율에 대하 냉각속도의 영향을 분석한 결과를 보여준다. 이러한 도렴은 예상되는 가장 낮은 응축율 수준을 발견하기 위하여 일련의 최적화 운전을 수행함으로써 얻어진다. 시작점은 도 4의 케이스 0이다. 1025 내지 265℃(약 10^6.8포이즈 내지 펼셔 곡선의 유효성을 벗어난 점도)의 온도 영역에 초기에 대응되는 에이펙스의 아래쪽에서 선택된 (거리, 온도) 지점에서, 각 온도에서의 위치는 모델화된 응축율의 절대값의 합이 최소화될 때까지 연신부에 대하여 더 높이 또는 더 낮게 이동하도록 한다. 더욱 구체적으로는, 상기 케이스 0 루트 온도(T=1170℃) 및위치가 루트로부터 428.5센티미터 벗어난 모든 위치 및 온도(T=200℃ 이하)인 것과 같이 일정하게 유지된다. 결과적으로, 상기 최적화된 냉각 곡선은 루트에서 동일한(거리, 온도)지점에서 시작될 것이 요구되며, 그 다음 케이스 0(거리, 온도) 지점(428.5 ㎝, 200℃)지점 및 그 이하에서 합쳐지고, 그동안 0과 428.5㎝ 사이의 상이하고 최적화된 경로가 적용된다.

도 6A 및 6B에서 별모양, 열린 상자모양 및 닫힌 상자모양으로 표시되는 데이터점은 각각 연신속도 50인치/분, 91인치/분 및 150인치/분을 나타낸다. 이러한 세 가지 연신속도에 대하여 계산된 응축율은 동일한 연신 속도에 대하여 케이스 0 의 프로파일에 대하여 계산된 응축율로 0.649, 0.646 및 0.647이었다. 이는, 더욱 평평한 곡선이 동일한 연신속도의 기본 케이스에 비하여 응축율을 35% 감소시킨 것이다. 명백히, 이러한 응축율에서의 감소는 전체 응축율 크기가 연신속도의 증가에 따라 증가되었다는 사실에도 불구하고 이루어졌으며, 이는 더 평평한 곡선에 의하여 제공된 정도의 개선이 연신속도의 증가에 따라 증가된 것이다.

도 6A로부터 알 수 있는 바와 같이, 모든 응축-최적화 곡선이 약 10^{11 포이즈} 돌출부(corner)를 보였고, 약 10^14포이즈로 연장되는 낮은 구배 영역을 보였다. 그 다음, 상기 구배는 어느 정도 증가하나 여전히 10¹⁶ 포이즈를 통하는 케이스 0 구배 이하였다.

본 발명의 급속 냉각의 측면과 함께, 감소된 응축율을 달성하기 위하여 느린 냉각과 관련된 본 발명의 측면은 다양한 방법으로 정량화될 수 있다. 평균 열유량 및 연신부 하방 거리에 대한 점도변화 속도는 이들이 데이터(즉, 온도 대 거리 측정, 비열용량, 흐름속도, 펄셔 계수 등)에 기초하는 것이므로, 다시 특별히 그러한 정량화를 위한 편리한 접근법이며, 이는 상업적 설정에서 용이하게 사용가능하다.

평균 열유량은 다시 식(1)에 의하여 재차 주어지나, D는 이제 유리가 10^11포이즈의 점도를 갖는 지점 및 10^14포이즈(또는 케이스에 따라 10^15포이즈 또는 10^16포이즈)의 점도를 갖는 지점 사이에서 연신부 하부의 거리이다. 그리고 △T는 그러한 위치 사이에서의 온도차이이다. 급속 냉각에 따라, 평균 열유량을 결정하기 위하여 측정된 데이터는 유리시트의 중심선을 따른 온도와 함께, 식(3)을 이용하여 결정된 점도 및 처리 중인 유리에 대한 적절한 펄셔 계수이다.

본 발명에 느린 냉각의 측면에 따르면,

는 20 킬로와트/미터²보다 작거나 같으며, 바람직하게는 18 킬로와트/미터², 가장 바람직하게는 15 킬로와트/미터²보다 작거나 같으며, 최소한 10¹¹ 내지 10¹⁴ 포이즈 범위, 바람직하게는 10¹¹ 내지 10¹⁵ 포이즈 범위, 그리고 가장 바람직하게는 10¹¹ 내지 10¹⁶ 포이즈 범위 이상이다.

느린 냉각을 정량화 하기위한 점도 접근법은 또다시 식(4)를 사용하나, 열유량 접근법과 같이, D는 유리가 10¹¹포이즈의 점도를 갖는 지점 및 10¹⁴포이즈(또는 케이스에 따라 10¹⁵포이즈 또는 10¹⁶포이즈)의 점도를 갖는 지점 사이에서 연신부 하부의 거리이고, 식(4)의 분자는 위측 점도가 10¹⁴포이즈이면 3이고, 10¹⁵포이즈면 4, 10¹⁶포이즈이면 5가 된다. 따라서 대표적인 실시예에 따라, 1011 내지 1014 포이즈 범위에서는, 식(4)는

R_{11 -14} = 3/ D_{11 -14}가 되며,

10¹¹ 내지10¹⁶ 포이즈 범위에서는 그 식은,

R_{11 -16} = 5/ D_{11 -16}가 된다.

여기서 D_{11 -14} 및 D_{11 -16}는 각각 10¹¹ 내지 10¹⁴ 포이즈 및10¹¹ 내지 10¹⁶포이즈 범위에서 중심선 하부의 거리이다.

점도 접근법에 따라서, 느린 냉각은 4.0미터^-1보다 작거나 같은 R값에 대응하며, 이는 바람직하게 3.0미터^-1보다 작거나 같고, 가장 바람직하게는 2.0미터^-1보다 작거나 같으며, 최소한 10¹¹ 내지 10¹⁴ 포이즈 범위, 바람직하게는 10¹¹ 내지 10¹⁵ 포이즈 범위, 그리고 가장 바람직하게는 10¹¹ 내지 10¹⁶ 포이즈 범위 이상이다.

도 6A 및 6B로 돌아와서, 상기 도면의 케이스 0에 대하 전형적인 응축율 및 750파운드/시간의 질량 흐름율은 1시간 동안 450℃의 열 순환에 대하여 15-19ppm이다. 루트 및 유리가 200℃의 온도에 이르는 지점 사이의 거리를 일정하게 유지하고 느린 냉각(즉,

값이 20킬로와트/미터² 이하이며, R값이 4.0미터^{- 1}이하)에 적용시키면 10¹¹ 내지 10¹⁴ 포이즈 범위 이상에서는 약 10퍼센트의 응축율이 감소될 것이며, 반면에

값은 15킬로와트/미터² 이하, 및/또는 R값이 2.0미터^{- 1}이하는 적어도 20퍼센트의 응축율 감소로 나타날 것이다. 장기의 느린 냉각 범위의 사용, 즉 10¹¹ 내지 10^{16포 이즈}는 이러한 응축율 수준을 추가적으로 감소시킬 것이다. 예를 들어, 상술한 바와 같이, 도 6A 및 6B의 응축율-최적화 곡선은 1/3이상의 응축율 감소를 나타냈다.

이러한 응축율의 개선은 또한 더 높은 점도(더 낮은 온도)에서의 냉각속도에 의존한다는 것을 유의하여야 한다. 이러한 높은 점도가 응축율에 큰 영향을 주지 않더라도, 10¹¹ 내지 10¹⁴ 범위(또는 10¹¹에서 10¹⁵범위, 또는 10¹¹ 내지 10¹⁶범위)에서의 느린 냉각에 의하여 달성되는 응축율 개선은 상기 범위의 상측말단부 이상의 점도에서 높은 냉각속도를 사용함으로써 해제할 수도 있다. 케이스 0에 대하여 사용되는 유형의 냉각속도는 이러한 고 점도에서 이용될 수 있다. 어느정도 더 빠른 냉각속도도 사용될 수 있으나, 약 10℃/㎝를 초과하는 냉각속도는 일반적으로 회피되어야 한다.

도 1을 다시 참조하면, 아이소파이프 형성 표면(50, 60) 상의 용융 유리가 매우 큰 점도를 갖는 한, 이 도면에 설명된 융합 드로우 공정은 매우 고품질의 유리 시트를 생산할 수 있다. 현재 100,000 포이즈 이상의 점도가 요구되는 것으로 생각되고 있다. 이 한계값(threshold) 미만에서는 유리의 왜곡(warping)이 관찰될 수 있다. 결론은 약 100,000 포이즈 미만의 액체 점도를 갖는 유리가 상업적으로 허용가능한 시트로 드로잉될 수 없다는 것이다. 명목상의 점도 조건(예를 들어, 유속, 인발력(pulling force), 냉각 속도 등)이 사용되는 경우, 아이소파이트 상에 실투(devitrification)가 발생하여 시트에 결점을 야기할 수 있으며, 유리의 점도가 감소되는 경우, 왜곡(warp)이 일어날 수 있다. 약 100,000 포이즈 미만의 액체 점도를 갖는 유리 조성물을 드로잉하는 능력은 따라서 큰 가치가 있다. 특히, 약 665℃ 보다 높은 변형점을 갖는 조성물은 p-Si 증착 공정에서와 같은 특정한 디스플레이 유리 애플리케이션에 유용할 수 있다. 예를 들어, 750℃ 변형점을 갖는 유리가 요구되는 경우, 허용가능한 드로잉된 유리 시트를 제조할 수 있는 융합-형성(fusion-formable) 조성물이 현재까지 알려지지 않고 있다. 융합 다운드로우 공정을 통하여 고 변형점 및 저 액상 점도 유리를 형성할 수 있는 능력은 새롭고 잠재적으로 유용한 유리 조성물의 범위를 넓힐 것이다.

현행 다운드로우 공정은 약 50 N/m의 인발력으로 진행된다. 즉, 아이소파이프의 루트 아래 위치된 인발 롤(130)이 약 50 N/m의 인발력으로 유리 시트를 아래로 잡아당긴다. 이러한 큰 아래 방향으로의 인발력을 유지하는 이유는 두 가지이다:

(i) 점도 영역에서, 수직 인발 응력은 수직 응력보다 몇 배 적은 횡단 응력(transverse stress)으로 변형된다. 따라서 시트가 횡단 장력에서 존속하기 위해서는 큰 수직의 힘이 요구된다.

(ii) 높은 인발력은 유리의 무게의 영향을 감소시킨다. 충분하지 않은 수직 인발력을 갖는 경우, 유리 시트는 "배기니스(bagginess)" 또는 불룩한 왜곡을 나타낸다.

본 발명의 원리에 따라, 아이소파이프 루트 아래로 내려갈 때 유리의 급속 냉각은 융합 다운드로우 공정을 통한 고 변형점, 저 점도의 유리의 드로잉을 용이하게 하기 위해 이용될 수 있다. 급속 냉각의 원리는 아이소-비스코스(iso-viscous) 시트 드로우의 다음 식에 의하여 더 설명될 수 있다. 예를 들어, 요구되는 인발력은 다음 식으로 표현될 수 있다:

식 (5)

여기에서, Fp는 인발력이고, μ는 형성 웨지(wedge)의 루트에서의 유리 점도이며, Q는 단위 폭당 유리의 부피 유량이고, d는 형성 웨지의 루트에서의 유리 시트의 두께이며, h는 유리의 최종 두께(즉, 유리 두께가 냉각 고정된 후의 두께)이고, L은 루트로부터 처음 최종 두께를 갖는 유리 시트의 위치까지 측정된 드로우 거리이다(즉, L은 도 2 및 도 3에서의 H_t 및 H_tb에 대응된다). 식(5)에 의해 나타난 바와 같이, 소정의 최종 두께를 달성하기 위한 주어진 인발력을 유지하면서 유리 점도를 감소시키기 위해서는 L의 감소가 필요할 수 있다. 이는 더 짧은 거리에서의 최종 두께를 얻기 위해 유리 시트의 두께를 빠르게 감소시키는 것을 의미한다. 유리가 생성될 때까지 두께가 계속 감소하는 비-등온 조건하에서, 이것은 유리가 빠르게 생성된다는 것, 예를 들어 더 빠르게 냉각된다는 것을 의미한다.

다른 가능한 시도는 동일한 거리(L)에 대한 소정의 최종 두께를 얻기 위해 Q(단위 폭당 유리 흐름)를 증가시키는 것이다. 그러나, 비-등점도 조건 하에서, 이는 표준의 경우에서와 같은 거리 상에 유리가 생성되는 것을 의미하며: 증가된 유리 흐름으로 인해 냉각(열 추출)의 증가가 필요하다는 것을 의미한다.

루트로부터의 거리 함수로서 유리 온도 변화를 나타내기 위한 다양한 시도가 이용될 수 있다. 예를 들어, 온도의 변화는 상승되는 것으로 보여질 수 있는데, 유리 온도는 일정한 온도 구간 내에 존재하는 것으로 보여지거나, 온도 변화가 일정한 기울기로 나타날 수 있다. 또는 온도는 T=a+(b/(x+c))의 식으로 표현되는 쌍곡선 커브로 표현될 수 있는데, 여기에서 T는 ℃의 온도이고, x는 아이소파이프의 루트로부터 아래 방향의 수직 거리이다. 작은 값의 파라미터 "c"는 큰 시작 온도 기울기에 대응되는데 반해, 큰 "c" 값에 대응하는 커브는 선형 커브에 근접한다.

예를 들어, 상기 식 (3)(Fulcher 식)에 의해 표현되고 A=-3.027, B=7194.3, 및 T₀=297(즉, 예를 들어 코닝 코드 이글 유리를 나타내기 위해 사용되는 상수들)인 유리 점도 곡선을 갖는 유리를 고려해보라. 분석의 간략화를 위해서, 평행한 면들을 갖는 플레이트로부터 11 lb/hr/inch의 유량이 형성 웨지(아이소파이프)(10)의 수렴하는 형성 표면(50, 60)에의 유리 흐름을 나타내기 위해 이용되며, 베이스에서 1155℃ 및 플레이트의 베이스 아래 1.27 m 위치(형성 웨지의 루트 아래)에서 750℃의 온도로, 플레이트의 베이스에서 유리의 점도는 또한 133,392 포이즈일 것으로 예측된다. 이후, 온도 쌍곡선은 50 N/m 인발력이 최종 유리 시트 두께 0.7 mm에 대해 루트 아래 1.27 m에서 얻어지는 표준 케이스(케이스 A)에 대해 선택될 수 있다. 플레이트의 베이스를 떠날 때의 유리의 최초 두께(d₀)는 수직 플레이트의 각 면을 따르는 흐름으로부터 생성되는 두께일 것으로 예측된다.

식 (6)

여기에서 기존의 경우와 마찬가지로, g는 중력상수이고 ρ는 밀도이다.

상기 온도 분포(즉, T=a+(b/(x+c)), 상기 상수를 갖는 온도 함수로서 유리의 점도에 대한 식(3) 및 최초 두께에 대한 식(6)을 이용하여, 시트의 폭이 일정하고 온도가 시트의 두께를 통하여 변하지 않는 것으로 가정하는 다음 식을 사용하는 아이소파이프의 루트로부터의 거리 함수로서 두께를 계산할 수 있다:

식(7)

여기에서 e는 시트 두께이고, μ는 점도이며, x는 시트 아래 거리이고, Q는 단위 폭당 부피 유량(m²/초)이며, ρ 및 g는 각각 밀도 및 중력상수이다. 식(7)은 분석적 해법을 갖지 않는다. 그러나 예를 들어 4차 Runge Kutta 기술을 이용하여 해석할 수 있다.

상기 식들로부터의 몇몇 결과를 도 7 내지 도 9에 나타내었다. 이들 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유리의 연화점에 거의 대응되는 950℃ 미만에서, 최종 두께는 플레이트의 베이스 아래 390 mm로 얻어진다(도 7 내지 도 8). 도 9로부터 수직 힘의 중력 성분은 루트에서 관찰된 가장 넓은 분포를 가지며 전체 힘의 약 47%로 계산된다.

동일한 최종 두께를 얻는 상기 분석의 몇 가지 변형이 다음과 같이 수행될 수 있다:

케이스 A - 상술된 표준 케이스;

케이스 B - 일정한 공간온도 프로파일 및 유속을 유지하면서 저점도(50,000 대 130,000 포이즈)로부터 출발;

케이스 C - 주어진 인발력을 유지하기 위해 온도 프로파일을 변형하면서 케이스 B에서와 동일한 유속으로 저점도(50,000 대 130,000 포이즈)로부터 출발, 이 경우, 루트 1m 아래의 750℃ 온도가 일정하게 유지되었다.

케이스 D - 일정한 공간온도 프로파일을 유지하고, 주어진 인발력을 유지하기 위해 유속을 변화시키면서 저점도(50,000 대 130,000 포이즈)로부터 출발.

상기 분석 결과는 도 10에 나타난 표와 도 11 내지 도 12의 그래프에 수치적으로 요약된다. 도 10에 나타난 바와 같이, 표준 케이스(케이스 A)에서와 본질적으로 동일한 냉각 곡선을 유지하면서 표준 케이스 A에서 주어진 바와 같이 약 130,000 포이즈로부터 케이스 B의 약 50,000 포이즈까지 점도를 감소시키는 것은 인발력을 50 N/m에서 3.5 N/m로 감소시키고 중량 분포를 47%에서 91%로 증가시키는 결과를 가져온다. 따라서, 케이스 B에 따라 형성된 유리 시트는 0에 가까운 인발력으로 형성되며 유리 품질 관점으로부터 허용가능하지 않은 것으로 판명될 수 있다. 즉, 인발력에 대한 중력 분포의 증가와 결합된 인발력의 감소는 유리 시트의 소위 부불음 왜곡(baggy warp)을 초래할 수 있다. 도 12를 참조하면, 케이스 B는 케이스 A에 나타난 열 추출의 양과 유사한 약 40,000 W/m² 미만의 평균 열추출율(

)을 달성한다.

한편, 케이스 D에 나타난 바와 같이 유리 유속이 표준 케이스(즉 28.45 lbs/hr/in)의 2.59배까지 증가할 수 있는 경우, 저점도 유리는 케이스 A 및 B와 유사한 냉각 곡선 하에 드로잉될 수 있다. 케이스 D에서, 50 N/m의 총 인발력은 약 47%의 낮은 중력 분포와 0.7 mm의 최종 유리 두께를 달성한다. 유리 시트의 최종 두께는 케이스 A 및 B와 비슷하게 플레이트의 베이스로부터 약 386 mm 거리에서 이루어진다.

케이스 C의 데이타로 나타난 바와 같이, 플레이트의 베이스(예, 아이소파이프의 루트)로부터의 매우 짧은 거리 내에서 유리의 급속 냉각에 의해, 인발력은 약 50 N/m로 되돌려지며, 유리 시트는 도 11로부터 명백하게 입증되는 바와 같이 최종 형성된 유리 두께에 이전의 케이스보다 먼저 도달한다. 케이스 C에서, 플레이트의 베이스에서의 유리 점도는 다시 약 50,000 포이즈가 된다. 그러나 총 인발력에 대한 중력분포는 네 가지 케이스 중 가장 낮으며(약 36%), 유리는 다른 케이스의 절반 거리인 플레이트의 베이스로부터 187 mm에서 최종 형성 두께에 도달한다. 도 12는 플레이트 베이스의 400 mm 내에서 요구되는 플레이트의 베이스에서의 약 120,000 W/m²이나, 베이스로부터 400 mm 위치에서 약 20,000 W/m²로 감소되어, 평균 열추출율(

)이 약 75,000 W/m²임을 나타낸다. 도 10 내지 도 12에 나타난 바와 같이, 아이소파이프에서 단지 50,000 포이즈의 점도를 갖는 유리는 저점도 유리의 드로인 특성이 드로잉 조건의 적절한 조정에 의해 보다 고점도 유리의 특성과 유사해지는 조건하에서 드로잉될 수 있다.

아이소파이프의 루트 아래 유리 리본의 급속 냉각은 복사 또는 대류에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 13에 설명된 바와 같이, 유리 시트의 급속 냉각은 미국특허 제3,682,609호에서 교시된 장치의 사용을 통하여 달성될 수 있는데, 여기에서 유리는 가열 및/또는 냉각 요소(16)가 배치된 플레이트(150) 뒤에 노출된다. 플레이트(150)은 요소(16)을 포함하는 인클로저부(portion of enclosure)(170)를포함할 수 있다. 가열 및/또는 냉각 요소(160)는 열 저항 히터 또는 가열 또는 냉각된 액체가 통과하는 파이프와 같은 장치를 포함한다. 가열 및/또는 냉각 수단(160) 사이에 배치된 플레이트(150)는 가열 또는 냉각을 확산시키는 작용을 함으로써 유리 시트(120)의 폭 전체에 고르게 가열 또는 냉각 효과가 전파되도록 한다. 몇몇 예에서 형성 웨지(10)를 하나 이상의 위치에서 가열하는 것이 바람직하며, 바람직하게는 웨지가 소정의 온도를 유지하도록 하기 위해 웨지의 구조 내부를 가열하는 것이 바람직하다. 형성 웨지의 가열은 예를 들어 아이소파이프의 구조 내에, 전기저항 히터와 같은 가열 요소(180)를 설치함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 가열 요소(180)는 도 13에 나타난 바와 같이, 루트에 가까운 형성 웨지 내에 설치될 수 있다. 2005년 12월 8일에 "Method and Apparatus for Drawing a Low Liquidus Viscosity Glass"라는 명칭으로 출원되고 여기에 전적으로 참고로서 포함된 미국 임시출원 제60/748,887로를 또한 참조하라. 기술 분야에 공지된 다른 아이소파이프의 가열 방법도 적절한 경우 이용될 수 있다.

가열 및/또는 냉각 수단이 제2 가열 및/또는 냉각요소(190) 위에(유리 흐름에 대해 업스트림) 부가되는 경우에, 웨지를 둘러싼 공기에서의 온도 차이에 의해 발생되는 열공기 흐름에 의해 발생할 수 있는 바와 같은, 아이소파이프 아래 유리 시트의 급속 냉각에 의한 형성 웨지에의 유리 흐름 방해를 방지하기 위해, 가열 및/또는 냉각 요소(16)는 배플(200)에 의해 아이소파이프의 상부로부터 분리될 수 있다(도 14). 물론, 본 발명의 원리를 벗어나지 않고 이들 배열의 조합이 이용될 수 있다.

요약하자면, 상술된 사항을 기초로, 융합 드로우 공정을 위해 최적화된 온도 곡선은 다른 유리 조성 및/또는 다른 드로잉 속도로 사용될 새로운 드로우 또는 기존의 드로우 설계와 관련하여 개발될 수 있다. 다음은 냉각 곡선 설계과정에서 고려되어야 할 몇 가지 사항이다:

배기니스 제한 : 초기 온도 T_i 및 그 근처의 곡선 기울기는 "배기니스 한계"에 의하여 제한된다. 루트 점도 및 온도 강하율이 너무 낮은 경우, 유리 시트는 그 중량 하에서라도 빠르게 약화되며 요구되는 최종 시트 두께가 인발 롤에서 양의 인발력으로 얻어질 수 없다.

실투성 : 루트 온도는 통상 아이소파이프 다음의 유리층의 최저 온도이다. 유리의 실투점 미만일 수 없으며; 그렇지 않으면 결정 성장이 유리 질의 심각한 악화를 가져온다.

온도 제어/열 플럭스 제한: 루트 주위의 유리 시트 냉각율은 주로 뜨거운 유리 시트와 싱크(벽)의 온도 사이의 방사열 전달, 유리-벽 시각 인자 및 표면의 방사율에 의하여 제한되는 그 최대값을 초과할 수 없다. 온도 강하에 대한 다른 제한은, 시트를 통한 두께 변화를 조절하기 위한 미국특허 제3,682,609호에 나타난 형태의 장치 사용으로부터 도출된다. 온도 곡선 기울기가 너무 가파른 경우에는 감쇠 길이 H_t가 유리로부터 이 특허의 장치에의 충분한 열교환을 하기에 너무 짧아진다.

잔류 응력 : 전이 간격 ΔH_tr 주위의 유리 온도 강하율의 증가는 (평면 변형으로부터의)왜곡을 야기하는 압축 잔류 응력을 생성한다. 한편, 간격 내 온도 곡선의 양의 곡률은 변형 관점으로부터 유리한 인장 응력을 야기한다. 인발롤에서의 유리 온도 T_p는 전이 간격 이하로 될 필요가 있고, 그렇지 않으면 인발롤은 추가적인 잔류 응력을 야기할 수 있다. 그러나, T_p의 값은 전이 범위보다 많이 낮을 수 없다.

최소화된 응축률: 상술한 바와 같이, 유리시트의 응축률 저항은 점탄성(viscoelastic) 전이 범위에서 유리 온도 강하가 작은 경사를 가질 때 향상된다.

상기 이론 적용의 일 예로써, 냉각 곡선이 하기 단계를 사용하여 디자인될 수 있다.

(1) 루트 온도(T_i)가 실투점(devitrification point) 약간 위(약 10°)에서 선택된다.

(2) 초기 냉강 곡선 경사가 안정한 온도 제어가 허용되는 최대값으로 선택된다.

(3) 점(1, 2)에 기초하여, 공정에서 요구되는 인발력이 수치적으로 산출된다. 음의 값인 경우, 공정을 형성하는 유리는 문제가 발생할 것이다.

(4) 인발 롤에서 온도(T_p)는 전이 범위 약간 아래에서 선택된다. 인발 롤의 위치가 변할 수 있는 경우, 인발 롤의 결과적인 이용가능 공간은 냉각 곡선의 나머지 부분의 경사를 줄이는데 사용될 수 있다. 대안으로, 전체적인 인발 길이가 감소할 수 있다.

(5) 전이 영역의 냉각 곡선의 곡률(제2 유도체(derivative)의 사인)은 양인 것이 바람직하다.

다른 예로써, 냉각 곡선은 하기에 의해 디자인될 수 있다.

(1) 용융 인발 공정으로 미리 제조된 유리에 표준 공정으로부터, 안정한 열 제어를 허용하는 가장 적극적인(aggressive) 냉각 곡선을 결정한다.

(2) 유지될 수 있는 충분한 인발력을 허용하는 가장 낮은 루트 점성을 결정한다.

(3) 응력 및 응축률을 제어하기 위해 초기 적극적인 냉각으로부터 신중하게 제어되는 냉각으로 전이를 디자인한다.

(4) 향상된 응력 및 응축률 관리를 위해 보다 적극적인 초기 냉각에 의해 얻어진 공간을 사용한다.

또 다른 예로써, 향상된 응력 및 응축률 관리를 위해 증가한 공간의 장점을 취하는 대신에 바로 위의 절차가 사용되어, 응축률/응력 영역에서 냉각률이 초기 설정과 동일할 때까지 처리량이 증가한다. 이러한 방식으로, 완성된 기판에 변하지 않는 물성으로 생산률 증가가 달성된다.

상기 각각의 디자인 예들과 관련하여, 공정의 수치적인 모델링이 인발의 길이를 따라 배치되는 가열/냉각 요소의 파워 레벨, 수, 및 위치를 결정하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 이론의 다양한 적용의 또 다른 예로써, 도 15는, 이전에 응축률의 허용될 수 없는 증가를 피하기 위해 필요한 것으로 여겨진 바와 같이, 그것의 길이의 선형 증가 없이 용융 인발 장치의 처리량(유동률)을 증가시키기 위한 방법을 도시한다.

상술한 바와 같이, 유리가 그것의 냉각 프로파일을 통해 이동할 때 많은 유리 상태를 거친다; 점성, 점탄성, 및 탄성. 전통적으로, 응축률의 허용될 수 없는 증가의 위험을 최소화하기 위해 이들 영역 전부는 유동 증가로 스케일 되었다. 그러나 도 15에 도시된 바와 같이, 다른 스케일 규칙이 각 유리 상태에 적용된 경우, 용융 인발 장치를 존재하는 물리적 기밀유리에 유지하면서, 응축률이 유지될 수 있다. 어떤 경우에, 이것은 기판이 시트로부터 분리되었을 때 높은 온도에 있도록 시트(리본)의 탄성 영역을 단축하는 것을 의미할 수 있다. 기판은 시트로부터 분리된 후에 실질적인 냉각을 겪을 수 있지만, 유리가 탄성 상태에 있기 때문에, 냉각이 응축률에 최소한의 효과를 가진다.

도 15에서, 좌측 패널은 점성, 점탄성, 및 탄성 영역의 전통적(historical) 공정을 도시하고, 중간 패널은 세 개 영역 모두를 같은 정도로 스케일링하는 것의 전통적인 실행에 따라 높은 유동을 달성하기 위해 만들어질 수 있는 이들 영역의 변화를 도시하고, 우측 패널은 리본의 전체적인 길이의 증가(만약 있다면)를 최소화하도록 선택된 길이로 유리의 각각의 다른 영역이 증가한 유동에 적합한 길이로 주어지는 본 개시의 독창적인 접근을 도시한다.

유리가 아이소파이프에 남겨지면, 그것은 점성 상태에 있다. 따라서, 유사한 거리 이내에 등가의 열 추출이 달성되면 이 영역은 유동 증가로 스케일될 필요가 없다. 방사(radiation)가 냉각 곡선의 이 영역을 지배하고, 두께 변화와 관련된 위험의 최소화를 돕는다. 도 16에 도시된 바와 같이, 유리의 점탄성 영역으로 진입하는 형상 및 온도 프로파일을 동일하게 유지하는 모든 냉각 어프로치가 응축률이 과도하게 증가하지 않는다는 점에서 효과적이 된다. 특히, 도 16은 용융 공정에서 사용된 통상적인 냉각곡선을 따르는 특이 온도에서 드웰(dwell) 시간을 증가 또는 감소시키는 계산된 응축률의 효과를 보여준다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 50%의 드웰 시간 증가 및 감소는(각각 다이아몬드 및 사각 데이타 지점) 이들 증가/감소 가 점성영역에서 발생한 때 응축률에 효과가 없다. 따라서, 도 15의 우측 패널에 도시된 바와 같이, 독창적인 스케일링 이론에 따르면, 좌측 패널에서 사용된 것과 유사한 거리에서 시트가 그것의 최종 두께에 도달하도록 빠른 유동률을 수용하도록 사용되는 빠른 냉각(예를 들면, 40kilowatts/meter²과 동일 또는 이보다 큰 평균 열유동에서 냉각; 상기 참조)으로 실질적인 접촉길이에서 점성 영역이 유지된다.

유리 냉각 곡선의 점탄성 영역에서, 응축률, 잔류 형상, 및 응력이 결정된다. 이는 동일한 응축률 또는 향상된 응축률을 유지하는 유동으로 스케일하는 유리 형성 공정의 중요한 영역이다. 이 영역에서 응축률에 영향을 주는 드웰 시간의 변화 능력이 도 16에 도시된다. 따라서, 도 15의 우측 패널에 도시된 바와 같이, 유리의 점탄성 영역 및, 특히, 유리 점성이 10¹¹에서 10¹⁴ 포이즈로 증가하는 상기 영역이 동일한 응축률로 유지하는 또는 원하는 경우 응축률을 향상하는 유동률로 조절(증가)된다. 이러한 점탄성 영역의 증가는 일반적으로 적어도 유동률에 선형이지만, 도 15에 도시된 바와 같이 선형보다 큰 것이 바람직하다.

탄성 영역은 응축률을 향상하는 공정을 지속하지만, 아주 낮은 레벨이다(도 16 참조). 이 영역은 단지 점탄성 영역에서 최종 생산물까지의 전이로서 작용하는 공정의 "가산 값 없는(non-value add)" 영역으로 생각될 수 있다. 따라서, 이 영역은 이 영역에서 고르지 않은(uneven) 냉각에 의해 발생한 일시적인 응력의 효과 및 긴 리본의 취급에 관련한 위험을 최소화하는 유동으로 작게 스케일되어야 한다. 이러한 작은 스케일링은 세김질(score) 온도를 올리는 것에 의해 달성될 수 있다. 일반적으로, 인발의 전체적인 높이를 유지하고 유동률이 상승할 때 안정한 공정을 보장하기 위해 가능한 한 점탄성 영역에 가깝게 분리하는 것이 바람직하다.

탄성 영역은 어느 정도 유동으로 스케일 될 수 있지만, 출구온도(예를 들면, 세김질 선에서의 온도)는 리본의 바람직한 전체길이, 예를 들면, 이력적인 공정의 것과 동일한 길이를 달성하는데 필요한 이동(증가)을 단순하게 허용한다. 도 15의 우측 패널에 도시된 바와 같이, 어떤 경우에, 이것은 이력적인 공정에서 사용된 것보다 짧은 길이로 탄성 영역이 끝나는 것을 의미할 수 있다. 기판이 리본으로부터 분리된 후에 계산된 새김질 온도 아래에서 발생하는 유리의 모든 잔류한 저레벨 구조 변화는 발생이 지속될 것이다.

도 17은 0 냉각 곡선 경우에 상기 이론의 적용한 것을 도시한다. 특히, 본 도면은, 빠른 냉각이 인발 롤 온도 및 루트와 인발 롤 거리(root-to-pulling roll distance)를 일정하게 유지하는데 사용된 유동률의 함수로 새김질 선 온도의 증가를 도시한다. 전체적인 인발 길이 또한 일정하게 유지된다. 계산된 응축률 레벨은 본질적으로 불변하고, 차단(cutoff) 온도의 증가가 응축률의 손상 없이 주어진 인발 길이로 확장된 유동률을 달성하는데 사용될 수 있음을 보여준다.

정량적으로, 상기 스케일링 이론은 (1) 아이소파이프의 루트와 인발 롤 사이의 거리(도 15의 PR) 및 (2) 루트와 새김질 선(score line) 사이의 거리로 특징지어질 수 있다. 루트와 인발 롤의 거리를 D_PR로 지칭하고, 루트와 새김질 선 거리를 D_SL로 지칭하고, 여기에서 서술되는 스케일링 이론에 따라 구성된 융융 장치는 바람직하게는 0.5와 같거나 이보다 큰, 보다 바람직하게는, 0.8과 같거나 이보다 큰 D_PR/D_SL 비를 가진다. 새김질 선은 탄성 영역에 있어야 하고, 인발 롤은 통상적으로 점탄성 영역의 끝 또는 약간 뒤에 있어야 하기 때문에, D_PR/D_SL 비의 상부 제한은 약 1.0이다. 비교해 보면, 이력적인 공정(도 15의 좌측 패널)에서 D_PR/D_SL 비는 0.24-0.42에 속한다. 스케일링에 이력적인 접근(도 15의 중간 패널)으로, 유동률이 증가할 때 이들 비는 증가하기보다는 유지된다.

또한, 독창적인 스케일링 이론은 단위 폭(FR)당 유리 유동률에 D_SL의 비로 특징지어질 수 있다. 이력적으로, 450℃에서 1시간 동안 담근(soak) 19±3ppm의 응률을 달성하는데 필요한 D_PR/D_SL 비는, D_SL 이 인치이고, FR이 파운드/시간/인치 일 때 10 또는 그보다 크다. 여기서 서술되는 스케일링 접근에 따르면, 상기 비는 8로 또는 이보다 작게 감소할 수 있다. 이러한 감소는 추가 유동 및 이에 따른 추가 생산 용량에 대한 용해 공정의 스케일링에 관련한 중요 손실(capital expense)의 상당한 감소를 나타낸다. 특히 이것은 예를 들면, 동일한 인발길이에 대해 출력의 적어도 20%의 증가가 달성될 수 있음을 의미한다. 게다가, 상술한 바와 같이, 단축된 전체 공정을 유지하는 것은 보다 큰 공정 안정성 및 간편한 공정 제어를 가능하게 하여, 긴 공정에서 불가피하게 발생하는 손실과 관련된 비용을 최소화한다.

상기 D_SL/FR 비의 개선은 생산되는 유리의 변형점(strain point)이 동일하게 즉, 이력적인 공정에서 사용된 값으로 유지되는 것을 가정한다. 10 및 이보다 큰 이력적인 D_SL/FR 비는 667℃의 변형점을 가지는 유리에 대해 달성된다. 응축률의 손실없이 유동을 증가시키는 추가적인 시도는 유리의 변형점을 증가시키는 것이다. 특히, 변형점의 증가가 하기 방정식에 따라 유동률을 증가시키는 것이 밝혀졌다.

△FR/FR=B＊△T_S/(T_S)²

여기서 T_S는 이력적인 변형점의 켈빈온도이고, △T_S는 변형점(△T_S≤-20℃)의 변화이고, B는 통상적인 범위가 78000-89800°K^-1인 유리시트의 활성 에너지이다. 도 18은 다른 것들이 동일하게 유지될 때 변형점의 증가가 유동의 증가를 달성하는데 어떻게 사용될 수 있는지를 보여주는 본 방정식에 기초한 도면이다. 본 도면을 사용하고, 667℃의 이력적인 변형점을 가정하면, 상기 이론에 따른 스케일링을 특징 짓는 D_SL/FR 비는 다음 식과 같이 된다.

D_SL/FR ≤8*(1.0+0.1*(T_S-667))

본 방정식에서, T_S는 ℃인 유리 변형점이다(△T_S＞20℃에 대해서는, TS는 687℃가 된다).

전술한 바로부터, 다른 것들 중에서, 본 발명은 (1) 초기 형성 이후에 유리시트를 빠르게 냉각하고 (2) 인발공정의 선택된 영역에 걸쳐 시트를 천천히 냉각하고, (3) 계산된 온도에서 시트로부터 기판을 분리하는 것을 포함하는 유리시트(유리 리본)를 형성하는 방법을 제공한다. 본 방법은 (a) 용융 하방인발 공정으로 낮은 액상 점성 유리의 인발, (b) 열 낮은 레벨의 열 응축률을 보여 예를 들면, 액정 디스플레이의 제조에 사용이 적합한 용융 하방 인발 공정을 사용하는 기판의 제조, (c) 보다 효율적인 용융 하방인발 공정의 사용, 및/또는 (d) 이러한 장치에 대한 절감된 자본 비용을 가능하게 한다.

상술한 본 발명의 실시예, 특히 바람직한 실시예는 실행 가능한 예를 단지 예시한 것이고, 본 발명의 이론을 명확하게 이해하기 위해 제시된 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 이론 및 기술사상을 실질적으로 벗어나지 않고 상술한 실시에 대한 많은 수정 및 변형이 이루어질 수 있다.이러한 모든 수정 및 변형은 보호되는 하기 특허청구범위 및 본 발명 및 여기의 개시 범위에 포함된다.

Claims (3)

1. 최종 두께를 갖는 유리 시트 제조방법으로서,
   수렴 형성 표면상에 용융 유리를 흘려 유리 시트를 형성하는 단계, 상기 형성 표면은 하부 에이펙스 주변에서 수렴하며, 상기 하부 에이펙스에서 용융 유리의 분리된 스트림(separate streams)이 유리 시트를 형성하기 위해 수렴하며; 및
   상기 하부 에이펙스에서 형성된 상기 유리시트를 냉각시키는 단계를 포함하며, 상기 유리시트는 상기 유리시트의 중심선에서의 점도가 10^11포이즈에서 10^14포이즈로 증가함에 따라, 거리에 대한 점도 변화의 평균율 R_11-14는 4.0미터^-1이하의 비율로 냉각되고, 여기서 R_11-14=3/D_11-14이고, D_11-14는 상기 두 점도 사이의 중심선에 따른 길이이며,
   상기 유리시트로부터 형성되는 기판은 450℃의 온도에 60분 동안 노출된 경우 19±3 ppm 이하인 응축률을 보이는 것을 특징으로 하는 유리 시트의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 유리시트의 중심선에서의 점도가 10¹¹ 포이즈에서 10¹⁶ 포이즈로 증가하면, 거리에 대한 점도 변화의 평균율 R_{11 -16}는 4.0미터^{- 1}이하인 것을 특징으로 하는 유리 시트의 제조 방법.
   여기서 R_11-16= 5/D_11-16
   여기서 D_{11 -16}는 상기 두 점도 사이의 중심선에 따른 길이.
3. 삭제

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