KR20180075696A - 증가된 배치 용해 및 유리 균질성을 위한 유리 용융 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

유리 제품 제조 장치 및 방법은 용융 용기와 상기 용융 용기로부터 하류에 위치한 혼합 용기를 포함한다. 상기 혼합 용기는 혼합 용기로 도입된 용융된 유리 스트림의 혼합 정도를 제어하여 소정의 수준 이상이 되도록 가스 공급원으로부터 상기 혼합 용기로 가스 거품을 도입하도록 구성된 다수의 오리피스를 포함한다.

Description

증가된 배치 용해 및 유리 균질성을 위한 유리 용융 시스템 및 방법
본 발명은 2015년 11월 23일에 제출된 미국 가출원 번호 62/258,765의 우선권을 주장하며, 그 내용 전체가 참조로 본원에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 유리 용융 시스템 및 방법에 대한 것이며 더욱 구체적으로는 증가된 배치(batch) 용해 및 유리 균질성을 위한 유리 용융 시스템 및 방법에 대한 것이다.
LCD 텔레비전 및 포켓용 전자 장치를 포함하는 디스플레이 용도를 위한 편평한 패널 유리로 사용되는 유리 재료는 특히 산업이 점점 더 높은 디스플레이 해상도를 지향해 가기 때문에 유리 품질에 대한 요구가 점점 더 엄격해지고 있다. 이러한 용도에서는, 완성된 유리 시트의 작은 결함 조차도 전체 시트를 불량품 처리되게 할 수 있다. 완성된 유리에 나타난 대부분의 결함은 배치 재료의 충분하지 않은 혼합 또는 충분하지 않은 용해로 인한 불균질성(inhomogeneity) 같은, 용융 유리의 부적합 때문일 수 있다.
불충분한 혼합 또는 불충분한 용해로 인한 불균질성은 배치 재료를 녹이는데 사용된 용기에서 나온 유리 조성물의 가변성(예를 들어, 시간 경과에 따른 다양한 슬러지 및/또는 쓰레기 혼입으로 인한)을 포함하여, 다수의 요인들로부터 야기될 수 있다. 이러한 불균질성은 결과물인 유리 시트에 가시적인 코드(cord) 또는 줄무늬를 야기할 수 있다. 시간의 함수로서의 유리 조성물의 변화는 또한 응력, 두께, 및 웨지(wedge)와 같은 특성에 영향을 줄 수 있는 유리 용융 유동 가변성을 초래할 수 있다.
지르코니아 스톤(zirconia stones)과 같은 결함은 또한 시간 경과에 따라 유리 접촉 내화물에서 방출된 입자 그룹으로부터 도입될 수 있다. 이러한 스톤이 유리 용융 시스템에 소정의 크기 이상으로 남아있을수록, 결과물인 유리 시트의 결함의 정도는 더 커진다.
게다가, 슬러지(예, 유리 용융물의 바닥에 가라앉은 고 지르코니아 물질) 또는 거품(scum)(예, 유리 용융물 정상에 부유하는 고 실리카 물질)와 같은 벗어난 조성물 코드(off composition cords)로 야기된 불균질성은 유리 용융물이 유리 성형 장치의 상대적으로 낮은 온도 영역과 접하게 되어 바람직하지 않은 결정화(crystallization) 또는 실투(devitrification)를 야기할 수 있다.
유리 용융물에서의 부적합을 최소화하기 위한 방법은 유리 용융 유동 경로를 따른 하나 위상의 위치에 교반기(stirrer)를 위치시키는 것과 더불어 유리 용융 온도를 증가시키는 것을 포함한다. 그러나, 이러한 교반기는, 그 형상 및 위치에 따라, 충분한 혼합을 제공하지 못할 수 있으며, 유리 용융물의 온도를 증가시키는 것은 유리 용융 시스템의 재료 특성에 의해 제한되며 높은 시스템 에너지 공급이 필요하다.
본원에 개시된 발명은 유리 제품을 제조하는 장치에 대한 것이다. 상기 장치는 용융 용기와 상기 용융 용기로부터 하류에 위치한 혼합 용기를 포함한다. 상기 혼합 용기는 다수의 오리피스(orifices)를 포함하며, 상기 다수의 오리피스는 상기 혼합 용기로 도입된 용융된 유리 스트림(stream)의 혼합 정도를 소정의 수준 이상이 되도록 제어하기 위해 가스 거품을 가스 공급원으로부터 혼합 용기로 도입하도록 구성된다.
또한, 본원에 개시된 발명은 유리 제품을 제조하는 방법에 대한 것이다. 상기 방법은 용융된 유리 스트림을 용융 용기 하류에 위치한 혼합 용기로 도입하는 단계를 포함한다. 상기 혼합 용기는 다수의 오리피스를 포함하며, 상기 다수의 오리피스는 상기 혼합 용기로 도입된 용융된 유리 스트림의 혼합 정도를 소정의 수준 이상이 되도록 제어하기 위해 가스 거품을 가스 공급원으로부터 혼합 용기로 도입하도록 구성된다.
이에 더해서, 본원에 개시된 발명은 상기 방법에 의해 만들어진 유리 시트와 더불어 이러한 유리 시트를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
이들 및 다른 실시예의 추가적인 특징 및 이점들은 하기에서 더 자세히 설명될 것이며, 일부는 그 설명으로부터 통상의 기술자에게 쉽게 이해되거나 또는 하기의 상세한 설명, 청구 범위, 및 첨부된 도면을 포함하는 본원에 기재된 실시예를 실행함으로써 이해될 것이다.
전술한 일반적인 설명과 하기의 상세한 설명 모두는 본 발명의 실시예를 제시하며 청구된 실시예의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 프레임워크를 제공하려는 것임을 이해해야 한다. 첨부된 도면들은 이들 및 다른 실시예에 대한 추가적인 이해를 제공하도록 포함되며, 본 명세서의 일부에 포함되고 이를 구성한다. 도면들은 이들 및 다른 실시예의 다양한 실시예를 도시하여, 설명과 함께 이들의 원리 및 작동을 설명한다.
도 1은 본 발명의 관점에 따른 성형 디바이스를 포함하는 유리 제품을 제조하는 장치의 개략도이다.
도 2는 본원에 개시된 실시예에 따른 혼합 용기를 포함하는 유리 제품을 제조하는 장치의 일부에 대한 개략도이다.
도 3은 본원에 개시된 실시예에 따른 혼합 용기의 바닥의 상부 절개도이다.
도 4는 본원에 개시된 실시예에 따른 혼합 용기의 바닥의 상부 절개도이다.
도 5는 유리 혼합 용기 및 연결 튜브에 대한 개략도이며, 여기서, 가스 거품기로 튜브를 연결하는 배출구는 정적 혼합기(static mixer)를 포함한다.
도 6은 혼합 거품 용기와 연결 튜브의 개략도이며, 여기서 튜브를 가스 거품기에 연결하는 유입구 및 배출구는 정적 혼합기를 포함한다.
도 7은 혼합 용기의 유리 온도와 유동에 대한 사시도이며, 여기서 어떤 거품도 외부 가스 공급원으로부터 혼합 용기로 도입되지 않는다.
도 8은 본원에 개시된 실시예에 따른 혼합 용기의 유리 온도와 유동에 대한 사시도이며, 여기서 가스 거품은 상대적으로 짧은 이격 거리로 이격된 2줄의 오리피스를 통해 혼합 용기로 도입된다.
도 9는 본원에 개시된 실시예에 따른 혼합 용기의 유리 온도와 유동에 대한 사시도이며, 여기서 가스 거품은 상대적으로 긴 이격 거리로 이격된 2줄의 오리피스를 통해 혼합 용기로 도입된다.
도 10은 다양한 혼합 용기 환경에서의 용융된 유리의 혼합 지수(mixing index)를 나타내는 차트이다.
하기에서 본 발명의 실시예를 참조할 것이며, 그 예시는 첨부된 도면들에 도시되어 있다. 가능한, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부품을 나타내도록 전체 도면에 걸쳐 사용될 것이다.
도 1은 추후 유리 시트로 가공하기 위한 유리 리본(103)을 융합 인발하기 위한 유리 성형 장치(101)의 예시의 개략도를 나타낸다. 다른 융합 성형 장치가 추가 예시에서 제공될 수 있지만 도시된 유리 성형 장치는 융합 인발 장치를 포함한다. 유리 성형 장치(101)는 용융 용기(105)(또는 용해로)를 포함할 수 있으며, 상기 용융 용기는 저장소(109)로부터 배치 재료(107)를 받도록 구성된다. 상기 배치 재료(107)는 모터(113)에 의해 동력을 받는 배치 전달 디바이스(111)에 의해 도입될 수 있다. 선택적 제어기(115)는 모터(113)를 작동시켜 원하는 양의 배치 재료(107)를 용융 용기(105)로 화살표(117)가 지시하는 것처럼 도입하도록 구성될 수 있다. 유리 수위계(119)는 스탠드파이프(123, standpipe) 내의 유리 용융물(또는 용융된 유리)(121) 수위를 측정하고 측정된 정보를 통신 라인(125)을 이용하여 상기 제어기(115)와 통신하는데 사용될 수 있다.
유리 성형 장치(101)는 또한 용융 용기(105) 하류에 위치하고 제1 연결 튜브(129)를 통해 용융 용기(105)에 유동하게 연결된, 청징 튜브와 같은 청징 용기(127)를 포함할 수 있다. 교반 챔버와 같은 혼합 용기(131)는 또한 청징 용기(127) 하류에 위치할 수 있으며, 보울(bowl)과 같은 전달 용기(133)는 혼합 용기(131) 하류에 위치할 수 있다. 도시된 바와 같이, 용융 용기(105), 청징 용기(127), 혼합 용기(131), 전달 용기(133), 및 성형 디바이스(143)는 유리 성형 장치(101)를 따라 연속하여 위치될 수 있는 유리 용융 스테이션의 예시이다.
용융 용기(105)는 통상적으로 내화(예, 세라믹) 벽돌과 같은, 내화 재료로 만들어진다. 유리 성형 장치(101)는 통상적으로 백금 또는 백금-로듐(platinum-rhodium), 백금-이리듐(platinum-iridium), 및 이들의 조합과 같은 금속을 함유하는 백금으로 만들어진 조성을 추가로 포함할 수 있지만, 또한 몰리브덴(molybdenum), 팔라듐(palladium), 레늄(rhenium), 탄탈륨(tantalum), 티타늄, 텅스텐, 루테늄(ruthenium), 오스뮴(osmium), 지르코늄, 및 이들의 합금 및/또는 이산화 지르코늄과 같은 내화 금속을 포함할 수 있다. 백금 함유 조성은 제1 연결 튜브(129), 청징 용기(127)(예, 청징 튜브), 제2 연결 튜브(135), 스탠드파이프(123), 혼합 용기(131)(예, 교반 챔버), 제3 연결 튜브(137), 전달 용기(133)(예, 보울), 하향관(139) 및 유입구(141) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 성형 디바이스(143)는 세라믹 같은 내화 재료로 만들어질 수 있으며, 유리 리본(103)을 형성하도록 설계된다.
도 2는 유리 성형 장치의 일부분에 대한 예시의 개략도이며, 여기서 장치는 혼합 용기(145)를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 청징 용기(127)는 용융 용기(105) 하류에 위치하며, 혼합 용기(145)는 용융 용기(105)의 하류에 위치하고 상기 청징 용기(127)의 상류에 위치한다. 혼합 용기(145)는 혼합 용기 유입구 튜브(129A)를 통해 용융 용기(105)와 유체 연통하며 혼합 용융 배출구 튜브(129B)를 통해 청징 용기(127)와 유체 연통한다. 가스(G)는 가스 공급(147)을 통해 혼합 용기(145)의 바닥으로 도입되며, 이는 궁극적으로 혼합 용기(145)에서 증가하는 가스 거품(148)의 형성을 초래한다.
혼합 용기(145)는, 특정 예시의 실시예에서, 또한 제2 용융 용기로 작동할 수 있으며, 즉, 혼합 용기(145) 내에 소정의 범위 내에서 용융된 유리의 평균 온도를 유지하기 위해 전기 저항 가열 및 연소 가열로부터 선택된 적어도 하나의 활성 가열 메커니즘과 같은 활성 가열 구성요소를 포함할 수 있다.
혼합 용기(145)는, 특정 예시의 실시예에서, 혼합 용기(145)를 떠나는 용융 유리의 조성 변화를 실질적으로 최소화하고 더불어 배치 재료의 불충분한 용해 또는 지르코니아 스톤과 같은 결함으로 야기된 불균질성을 최소화하기 위해 충분히 큰 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, 특정 예시의 실시예에서, 혼합 용기(145)의 체적은 용융 용기(105)의 80 % 내지 120 % 만큼을 포함하며, 용융 용기의 적어도 100 % 만큼 큰 것을 포함하여, 용융 용기(105)의 적어도 80 %, 예컨대 용융 용기의 적어도 90 % 만큼 큰 체적을 가질 수 있다.
도 3은 다수의 가스 공급 오리피스(146)를 가진 거품 용기(145)의 예시의 절개도를 도시하며, 다수의 가스 공급 오리피스는 가스 공급(147)을 통해 거품 용기(145)의 바닥으로 유도된 가스의 통행을 허용한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 가스 공급 오리피스(146)는 실질적으로 평행한 두 줄의 오리피스로 배열되며, 이는 서로 소정의 이격거리(D)로 배열된다. 게다가, 상기 실질적으로 평행한 2줄의 오리피스는 용융된 유리 스트림의 유동 방향(F)에 보통 수직한 방향(E)으로 연장된다.
도 4는 가스 공급(147)을 통해 거품 용기(145')의 바닥으로 도입된 가스의 통행을 허용하는 다수의 가스 공급 오리피스(146)를 가진 거품 용기(145')의 예시의 절개도를 도시한다. 도 4에 도시된 실시예에서, 가스 공급 오리피스(146)는 서로 소정의 이격거리(D)로 배열된 실질적으로 평행한 3줄의 오리피스로 배열된다. 게다가, 실질적으로 평행한 3줄의 오리피스는 용융된 유리 스트림의 유동 방향(F)에 대해 보통 수직한 방향(E)으로 연장된다. 도 4에 도시된 실시예에서, 거품 용기(145')는 도 3에 도시된 실시예에서보다 용융된 유리의 유동 방향(F)으로 더 길게 치수가 정해진다.
도 3 및 4의 실시예에서, 혼합 용기(145, 145')가 사각형으로 도시되지만, 본원에 개시된 실시예는 혼합 용기가 원형 또는 타원형 단면을 가진 실린더형과 같은 다른 형태를 가질 수 있는 것을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 게다가, 도 3 및 4의 실시예는 실질적으로 평행한 열로 배열된 가스 공급 오리피스(146)를 도시하고 있지만, 본원에 개시된 실시예는 가스 공급 오리피스가 타원 패턴, 사각 패턴, 직사각 패턴, 또는 다른 형태 또는 구성을 가진 패턴과 같은 다른 패턴으로 배열될 수 있는 것을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 도 3 및 4의 실시예는 각각 2줄 및 3줄의 오리피스를 도시하지만, 본원의 실시예는 다른 수의 줄, 예컨대 적어도 4줄, 적어도 5줄을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
특정 예시의 실시예에서, 혼합 용기(145), 가스 공급(147), 및 가스 공급 오리피스(146)는 거품이 연속적으로 형성되고 소정의 속도로 거품 용기에서 상승하도록 시간이 정해진다. 이러한 타이밍은, 가스 공급 오리피스(146)의 기하학적 배열과 함께, 강화된 혼합 효과를 가능하게 할 수 있고, 여기서 용융 유리의 거품의 견인 효과는 교반 동작을 제공하며, 이는 어떠한 아직 용해되지 않은 유리 배치 재료의 용해를 증가시키고 더불어 궁극적인 유리 제품의 코드 또는 결절(knot)을 초래할 수 있는 불균질성 형태와 같은, 다양한 유리 용융 불균질성을 최소화하거나 제거할 수 있다.
혼합 용기(145)의 용융 유리 내의 가스 거품(148)의 평균 크기는, 이에 한정하지 않지만, 예를 들어, 통상의 기술자에 의해 구성될 수 있는 것처럼, 예상된 혼합기 높이 및 온도(유리 용융 점도) 조건하에 충분한 거품 상승을 가능하게 하기 위해, 적어도 2 millimeters의 지름을 가질 수 있다. 예를 들어, 가스 거품(148)의 평균 크기는, 약 2 millimeters 내지 약 50 millimeters 지름의 범위에 있으며, 예컨대 약 5 millimeters 내지 약 20 millimeters, 또한 약 10 millimeters 내지 약 15 millimeters 지름의 범위에 있을 수 있다.
혼합 용기(145)로의 가스 거품(148)의 도입 속도는, 이에 한정하지 않지만, 혼합 용기를 통과하는 용융 유리의 유동 속도, 유리 조성, 혼합 용기의 온도, 혼합 용기의 압력, 원하는 혼합 효과의 정도, 그리고 특히 도입되는 가스 종류를 포함하는, 다수의 요인들에 따를 수 있다.
혼합 효과를 제공하는 것에 더해, 혼합 용기(145)의 용융 유리로의 거품의 도입은 특히 청징을 용이하게 하는 바람직한 가스를 추가하고 청징에 해로울 수 있는 가스를 최소화하거나 제거함으로써, 가스의 화학적 성질을 바꿀 수 있는 가스 종류를 유리 용융물로 도입할 수 있다. 예를 들어, 혼합 용기(145)의 유리 용융물 내의 특정 가스 종류의 도입은 많은 유리 용융물에서 높은 평형 압력을 가진 SO2 같은 가스의 감소를 야기할 수 있으며, 동시에 주석(tin)과 같은 산화된 청징 산화 환원제를 지원하며, 청징 용기(127)에서 가열될 때 O2를 방출할 수 있는 풍부한 산화된 종들이 있다. 이러한 맥락에서, 혼합 용기(145)에서의 유리 용융물 내의 특정 가스 종류의 도입은 청징 용기(127)에서 발생된 가스 거품의 감소를 야기할 수 있다.
어떤 특정한 가스 종류에 한정하지 않지만, 혼합 용기(145)의 바닥에 도입된 가스(G)는 예를 들어, 질소, 산소, 공기, 비활성 기체(예, He, Ne, Ar, Kr,등), 및 이들의 혼합으로 구성된 그룹 중 적어도 하나에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 특정 예시의 실시예에서, 혼합 용기(145)의 바닥으로 도입된 가스(G)는 적어도 50 mol% 질소, 예컨대, 적어도 60 mol% 질소, 적어도 80 mol% 질소를 포함하며, 예컨대 60 내지 90 mol% 질소와 같이, 적어도 50 내지 100 mol% 질소를 포함할 수 있다. 혼합 용기(145)의 바닥으로 도입된 가스(G)는 또한, 예컨대 적어도 50 mol% 질소와 최대 50 mol%의 산소를 포함하는 혼합물, 예컨대 50 내지 90 mol% 질소와 10 내지 50 mol% 산소를 포함하는 혼합물, 예컨대 60 내지 80 mol% 질소와 20 내지 40 mol% 산소를 포함하는 혼합물과 같은 적어도 질소와 산소의 혼합물을 포함할 수 있다.
혼합 용기(145)는, 예를 들어, 내화(예, 세라믹) 벽돌과 같은 내화 재료를 포함할 수 있다. 혼합 용기 유입구 튜브(129A), 및/또는 혼합 용기 배출구 튜브(129B)는 고온 금속, 특히 산소에 저항하는 고온 금속을 이용하여 구성될 수 있다. 적합한 금속은, 예를 들어, 백금 그룹 금속, 즉, 백금 이리듐, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 및 루데늄으로부터 선택될 수 있다. 백금 그륩 금속의 합금은 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 혼합 용기 유입구 튜브(129A), 및/또는 혼합 용기 배출구 튜브(129B)는 백금-로듐 합금과 같은, 백금 또는 백금 합금으로 구성될 수 있다.
혼합 용기(145)의 평균 온도는, 이에 한정하지 않지만, 특정 실시예에서, 유리 조성에 따라, 혼합 용기의 용융된 유리 스트림의 평균 점도가 250 내지 500 poise, 예컨대 300 내지 500 poise의 범위에 있도록 제어될 수 있다. 출원인은 본원에 개시된 혼합 용기 구성 및 작동 조건과 함께, 혼합 용기 내의 이러한 범위에서 용융된 유리 스트림의 점도를 유지하는 것이 증가된 혼합 효과를 제공할 수 있음을 발견했다.
특정 예시의 실시예에서, 혼합 용기(145)의 평균 온도는 용융 용기(105)의 평균 온도보다 낮고 용융 용기의 평균 온도는 청징 용기(127)의 평균 온도보다 낮다.
예를 들어, 특정 실시예에서, 혼합 용기(145)의 평균 온도는 용융 용기(105)의 평균 온도보다 적어도 50 ℃ 낮은 것을 포함하여, 적어도 40 ℃ 보다 낮을 것을 더 포함하여, 적어도 25 ℃ 낮을 수 있다. 이러한 실시예에서, 혼합 용기(145)의 평균 온도는, 예를 들어, 약 1540 ℃ 내지 약 1690 ℃의 범위, 예컨대, 약 1590 ℃ 내지 약 1640 ℃ 범위일 수 있으며, 반면 용융 용기(105)의 평균 온도는, 예를 들어, 약 1590 ℃ 내지 약 1740 ℃ 범위, 예컨대 약 1640 ℃ 내지 약 1690 ℃ 범위에 있을 수 있다.
특정 예시의 실시예에서, 혼합 용기(145) 및 용융 용기(105)의 평균 온도는 유리 조성에 따라, 용융 용기(105)의 용융된 유리 스트림의 평균 점도가 200 내지 400 poise 범위에 있고 혼합 용기(145)의 용융된 유리 스트림의 평균 점도가 300 내지 500 poise 범위에 있도록 제어될 수 있다.
게다가, 특정 예시의 실시예에서, 용융 용기(105)의 평균 온도는 청징 용기(127)의 평균 온도보다 적어도 10 ℃, 예컨대 적어도 20 ℃, 및 또한 예컨대 적어도 30 ℃ 낮을 수 있다. 이러한 실시예에서, 용융 용기(105)의 평균 온도는 예를 들어, 약 1590 ℃ 내지 약 1740 ℃ 범위, 예컨대, 약 1640 ℃ 내지 약 1690 ℃ 범위에 있을 수 있고, 청징 용기(127)의 평균 온도는 예를 들어, 약 1600 ℃ 내지 약 1750 ℃, 예컨대 약 1650 ℃ 내지 약 1700 ℃의 온도 범위에 있을 수 있다.
특정 예시의 실시예에서, 용융 용기(105)와 청징 용기(127)의 평균 온도는 유리 조성에 따라, 용융 용기(105)의 용융된 유리 스트림의 평균 점성은 200 내지 400 poise 범위에 있으며 청징 용기(127)의 용융된 유리 스트림의 평균 점도는 150 내지 400 poise 범위에 있다.
특정 예시의 실시예에서, 혼합 용기 배출구 튜브(129B)의 평균 온도는 혼합 용기(145)의 평균 온도보다 더 높을 수 있다. 특정 예시의 실시예에서, 혼합 용기 유입구 튜브(129A)의 평균 온도는 용융 용기(105)의 평균 온도보다 더 낮을 수 있다.
예를 들어, 특정 실시예에서, 혼합 용기 배출구 튜브(129B)의 평균 온도는 혼합 용기(145)의 평균 온도보다, 예컨대 25 ℃ 내지 75 ℃를 포함하여, 적어도 25 ℃, 예컨대 적어도 40 ℃, 및 또한 예컨대 적어도 50 ℃ 더 높을 수 있다. 특정 실시예에서, 용융 용기(105)의 평균 온도는 혼합 용기 유입구 튜브(129A)의 평균 온도보다, 예컨대 25 ℃ 내지 75 ℃를 포함하여, 적어도 25 ℃, 예컨대 적어도 40 ℃, 및 또한 예컨대 적어도 50 ℃ 더 높을 수 있다. 혼합 용기 유입구 튜브(129A), 혼합 용기 배출구 튜브(129B), 및 청징 용기(127)의 온도를 제어하는 것에서, 간접 또는 직접 가열 방법은 예를 들어, 통상의 기술자에 의해 공지된 것처럼, 채용될 수 있다.
도 5는 유리 혼합 용기(145), 혼합 용기 유입구 튜브(129A), 및 혼합 용기 배출구 튜브(129B)의 예시의 개략도를 도시하며, 여기서 배출구 튜브(129B)는 혼합기 및, 특히, 정적 혼합기(149B)를 포함한다. 정적 혼합기(149B)는 혼합 용기(145)를 나온 유리 용융물을 위한 일그러진 경로를 제공할 수 있으며, 이를 통해 유리 용융물의 개선된 혼합 및 증가된 균질성 및 궁극적인 유리 제품에 코드 또는 결절을 초래할 수 있는 불균질성을 더욱 줄이거나 제거할 수 있다.
도 6은 유리 혼합 용기(145), 혼합 용기 유입구 튜브(129A), 및 혼합 용기 배출구 튜브(129B)의 예시적 개략도를 도시하며, 여기서 유입구 튜브(129A)는 혼합기 및, 특히 정적 혼합기(129A)를 포함하며, 여기서 배출구 튜브(129B)는 혼합기 및, 특히, 정적 혼합기(149B)를 포함한다. 정적 혼합기(149A, 149B)는 혼합 용기(145)로 들어가고 나오는 유리 용융물을 위한 일그러진 경로를 제공할 수 있으며, 이를 통해 유리 용융물의 개선된 혼합 및 증가된 균질성 및 궁극적인 유리 제품에 코드 또는 결절을 초래할 수 있는 불균질성을 더욱 줄이거나 제거할 수 있다.
도 5 및 6은 정적 혼합기를 도시하지만, 본원에 개시된 실시예가 또한 다른 타입의 혼합기, 예컨대, 회전 블레이드 및 샤프트를 가지며, 여기서 블레이드가 전기 모터와 같은 모터의 작동을 통해 회전할 수 있는 혼합기와 같은 활성 혼합기와 같은 혼합기를 포함한다는 것을 이해해야 한다. 본원에 개시된 실시예는 또한, 도 5 및 6에 도시된 것과 다른 형상, 예컨대, 유입구 및/또는 배출구 튜브의 전체 지름을 확장하고 다양한 패턴의 개구를 가져 그를 통해 용융된 유리가 흐를 수 있는 플레이트와 같은 형상을 가진 정적 혼합기를 포함한다. 본원에 개시된 실시예는 또한 혼합 용기로의 유입구 튜브는 적어도 하나의 혼합기를 포함하고 혼합 용기로의 배출구 튜브는 적어도 하나의 혼합기(도시되지 않음)도 포함하지 않을 수 있는 것을 포함한다.
용융된 유리가 전달 장치를 통해 이송될 때, 이는 탈-가스 공정이 발생하는 청징 용기를 통과함으로써 조절된다. 용융 공정 중 다양한 가스가 발달된다. 용융된 유리 내에 남게 되는 경우, 이러한 가스는 완성된 유리 제품, 융합 공정으로부터의 유리 시트 같은 거품을 생성할 수 있다. 유리에서 거품을 제거하기 위해, 용융된 유리의 온도는 용융 온도보다 더 높은 온도로 청징 용기에서 증가된다. 배치에 포함되고 용융된 유리에 존재하는 다가 화합물(Multivalent compounds)은 온도가 상승하는 동안 산소를 방출하고 용융 공정에서 형성된 가스를 용융 유리에서 연소시키는 것을 돕는다. 가스는 용융된 유리의 자유 표면 위의 청징 용기의 통기된 체적으로 방출된다. 청징 용기의 온도는 일부의 경우, 예를 들어, 디스플레이 산업을 위한 유리 시트의 제조의 경우, 1650 ℃를 초과하고 1700 ℃도 초과하여 청징 용기 벽의 용융 온도에 접근할 수 있다.
청징 용기의 온도를 증가시키는 하나의 방법은 청징 용기에 전류를 발생시키는 것이며, 여기서 온도는 용기의 금속 벽의 전기 저항을 통해 증가된다. 이러한 직접 가열은 줄 발열(Joule heating)로 나타낼 수 있다. 이를 달성하기 위해, 또한 플랜지로 나타내는 전극은 청징 용기에 부착되어 전류를 위한 입출구 위치로서 작용한다.
도 7은 혼합 용기(145)에서의 유리 온도 및 유동의 사시도를 도시하며, 여기서 어떤 거품도 외부 가스 공급원으로부터 혼합 용기로 도입되지 않는다. 도 7에 도시된 눈금 표시는 혼합 용기(145)의 예상되는 용융된 유리의 유동 방향(선 각도) 및 유동 속도(선 길이)를 나타낸다. 도 7에 도시된 명암(shading)은 혼합 용기(145)의 예상되는 용융 유리 온도 상황을 나타낸다.
도 8은 본원에 개시된 실시예에 따른 혼합 용기(145)에서의 유리 온도 및 유동의 사시도를 나타내며, 여기서 가스 거품은 상대적으로 짧은 이격거리(예를 들어, 도 9에 도시된 실시예에 비해)로 이격된 두 줄의 오리피스를 통해 혼합 용기로 도입된다. 특히, 가스 거품은 실질적으로 평행한 두 줄의 6개의 오리피스를 통해 도입되며, 여기서 줄의 오리피스들 사이의 간격은 용융된 유리 스트림의 유동 방향(F)에서의 용융 용기의 길이의 약 12 %이다. 도 8의 눈금 표시는 혼합 용기(145)에서의 예상되는 용융된 유리 유동 방향(선 각도) 및 유동 속도(선 길이)를 나타낸다. 도 8과 도 7를 비교하여 알 수 있듯이, 도 8에 도시된 실시예는 도 7에 도시된 실시예에 비해 증가된 혼합 및 온도 균일성을 야기한다.
도 9는 본원에 개시된 실시예에 따른 혼합 용기(145)에서의 유리 온도 및 유동의 사시도를 나타내며, 여기서 가스 거품은 상대적으로 긴 이격거리(예를 들어, 도 8에 도시된 실시예에 비해)로 이격된 두 줄의 오리피스를 통해 혼합 용기로 도입된다. 특히, 가스 거품은 실질적으로 평행한 두 줄의 6개의 오리피스를 통해 도입되며, 여기서 줄의 오리피스들 사이의 간격은 용융된 유리 스트림의 유동 방향(F)에서의 용융 용기의 길이의 약 34 %이다. 도 9의 눈금 표시는 혼합 용기(145)에서의 예상되는 용융된 유리 유동 방향(선 각도) 및 유동 속도(선 길이)를 나타낸다. 도 9와 도 8를 비교하여 알 수 있듯이, 도 9에 도시된 실시예는 도 8에 도시된 실시예에 비해 증가된 혼합 및 온도 균일성을 야기한다.
본원에 개시된 실시예에 따른 혼합 용기 내에서의 혼합 정도는 용기와의 혼합 지수를 결정함으로써 정량적으로 근사될 수 있다. 상기 혼합 지수는 본질적으로 혼합 용기 내에서의 유리 용융물의 속도의 합이며 다음과 같이 산출될 수 있다:
Figure pct00001
여기서, "density"는 (kg/㎥) 단위의 용융된 유리의 밀도이며, "pull"은 (kg/sec) 단위의 시스템(예, 혼합 용기)을 통한 용융된 유리의 유동 속도이고, "nmax"는 용융된 유리의 모델링된 유리 체적의 총 수량이다.
Figure pct00002
, 그리고
Figure pct00003
이며,
여기서 u, v, 및 w는 각각 x, y, z 방향의 용융된 유리 속도 벡터이다.
도 10은 혼합 용기 크기, 유리 조성, 온도, 및 용융된 유리 유동 속도를 위해 제어된, 상이한 혼합 용기 환경에서의 용융된 유리의 혼합 지수를 나타내는 차트로서, 환경의 차이는 용기에서의 거품 구성이다. 용기에서의 거품 구성에 대해서, 4개의 다른 조건이 제공된다: (1) 외부 가스 공급원으로부터 혼합 용기로 어떤 거품도 도입되지 않음(도 7과 유사함); (2) 용융된 유리 스트림의 유동 방향에 보통 수직한 한 줄의 6개의 오리피스 형태에서 외부 가스 공급원으로부터 혼합 용기로 거품이 도입됨; (3) 용융된 유리 스트림의 유동 방향에 보통 수직한 실질적으로 두 줄의 평행한 6개의 오리피스 형태에서 외부 가스 공급원으로부터 혼합 용기로 거품이 도입됨, 여기서 실질적으로 두 줄의 오리피스 사이의 거리는 용융된 유리 스트림의 유동 방향으로 혼합 용기의 길이의 약 12 %임(도 8에 도시된 실시예와 유사함); 및 (4) 용융된 유리 스트림의 유동 방향에 보통 수직한 실질적으로 두 줄의 평행한 6개의 오리피스 형태에서 외부 가스 공급원으로부터 혼합 용기로 거품이 도입됨, 여기서 실질적으로 두 줄의 오리피스 사이의 거리는 용융된 유리 스트림의 유동 방향으로 혼합 용기의 길이의 약 34 %임(도 9에 도시된 실시예와 유사함). 도시된 바와 같이, 실질적으로 두 줄의 오리피스를 가진 실시예는 적어도 250의 혼합 지수에 상응한다. 특히, 조건 (1)은 50의 혼합 지수에 상응하며, 조건 (2)는 195의 혼합 지수에 상응하고, 조건(3)은 290의 혼합지수에 상응하며, 조건 (4)는 348의 혼합지수에 상응한다. 따라서, 본원에 개시된 실시예는 적어도 250, 예컨대 적어도 275, 또한 예컨대, 적어도 300, 또한 예컨대 적어도 325, 예컨대, 275 내지 325를 포함하여, 250 내지 350의 혼합지수가 가능할 수 있다.
도 8 및 9에 도시되고 명시된 실시예와 도 10에 도시되고 명시된 혼합지수에 따라, 출원인은 실질적으로 평행한 적어도 두 개의 오리피스 사이의 거리가 용융된 유리 스트림의 유동 방향으로 혼합 용기의 길이의 적어도 10 %, 예컨대 적어도 20 %, 예컨대 적어도 30 %, 예컨대 약 10 % 내지 약 60%, 예컨대 약 20 % 내지 약 50 %, 예컨대 약 30 % 내지 약 40 %일 때, 증가된 양의 혼합 및 온도 균일성이 달성될 수 있다는 것을 발견했다.
도 4의 혼합 용기(145')와 같이, 혼합 용기가 실질적으로 평행한 적어도 3줄의 오리피스를 가진 실시예에서, 각각의 실질적으로 평행한 적어도 3줄의 오리피스 사이의 거리는 용융된 유리 스트림의 유동 방향으로 혼합 용기의 길이의 적어도 10 %, 예컨대 적어도 20 %, 예컨대 적어도 30 %, 예컨대 약 10 % 내지 약 60%, 예컨대 약 20 % 내지 약 50 %, 예컨대 약 30 % 내지 약 40 %일 수 있다.
특정 예시의 실시예에서, 혼합 용기는 실질적으로 평행한 n개 줄까지의 오리피스를 가질 수 있으며, 여기서 n = [(1/D) x 100] - 1이고, 가장 가까운 정수로 반올림하며, 여기서 D는 실질적으로 평행한 줄들 사이의 평균 간격이며, 용융된 유리 스트림의 유동 방향으로 혼합 용기의 길이의 퍼센트로 표시된다. 예를 들어, 실질적으로 평행한 줄들 사이의 평균 거리가 용융된 유리 스트림의 유동 방향에서의 혼합 용기의 길이의 10%인 경우, 혼합 용기는 실질적으로 평행한 9([(1/10) x 100] - 1)줄까지의 오리피스를 가질 수 있다. 그리고 실질적으로 평행한 줄들 사이의 평균 거리가 용융된 유리 스트림의 유동 방향에서의 혼합 용기의 길이의 25 %인 경우, 혼합 용기는 실질적으로 평행한 3([(1/25) x 100] - 1)줄까지의 오리피스를 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 각각의 실질적으로 평행한 줄들 사이의 거리는 거의 같을 수 있으며 또는 다를 수 있다. 한 줄에서의 오리피스 평균 수량은, 이에 한정하지 않지만, 적어도 2개, 또한 예컨대 적어도 3개, 예컨대 적어도 4개, 예컨대 적어도 5개, 예컨대 적어도 6개, 예컨대 2개 내지 20개, 또한 예컨대 3개 내지 10개, 그리고 예컨대 4개 내지 약 8개일 수 있으며, 그리고 이들 모든 범위와 이들 사이의 하위 범위를 포함한다.
특정 예시의 실시예에서, 오리피스의 줄의 말단과 혼합 용기의 측벽 사이의 거리는 혼합 용기의 폭의 적어도 5 %, 예컨대 적어도 8 %, 또한 예컨대 적어도 10 %이다. 특정 예시의 실시예에서, 오리피스의 상부와 혼합 용기의 바닥 사이의 거리는 혼합 용기의 높이의 적어도 1 %, 예컨대 적어도 2 %, 및 또한 예컨대 적어도 5 %이다. 이러한 거리를 유지하는 것은 혼합 용기의 표면 상에 부식에 대한 가능성을 최소화하는데 도움을 줄 수 있다.
본원에 개시된 실시예는 다양한 유리 조성으로 사용될 수 있다. 이에 한정하지 않지만, 이러한 조성은 예를 들어, 예컨대 58-65wt% SiO2, 14-20wt% Al2O3, 8-12wt% B2O3, 1-3wt% MgO, 5-10wt% CaO, 및 0.5-2wt% SrO를 포함하는 무 알칼리 유리 조성을 포함할 수 있다. 이러한 조성은 또한 예컨대 58-65wt% SiO2, 16-22wt% Al2O3, 1-5wt% B2O3, 1-4wt% MgO, 2-6wt% CaO, 1-4wt% SrO, 및 5-10wt% BaO를 포함하는 무 알칼리 유리 조성을 포함할 수 있다. 이러한 조성은 예컨대 57-61wt% SiO2, 17-21wt% Al2O3, 5-8wt% B2O3, 1-5wt% MgO, 3-9wt% CaO, 0-6wt% SrO, 및 0-7wt% BaO를 포함하는 무 알칼리 유리 조성을 더욱 포함할 수 있다. 이러한 조성은 예컨대 55-72wt% SiO2, 12-24wt% Al2O3, 10-18wt% Na2O, 0-10wt% B2O3, 0-5wt% K2O, 0-5wt% MgO, 및 0-5wt% CaO를 포함하는 알칼리 포함 유리 조성을 추가로 포함할 수 있으며, 특정 실시예에서, 또한 1-5wt% K2O 및 1-5wt% MgO를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 실시예는 유리 용융물의 불충분한 혼합 또는 불충분한 용해로 야기된 불균질성과 연관된 많은 전술한 결함을 줄이거나 또는 제거할 수 있다. 예를 들어, 용융 용기의 하류에 혼합 용기를 배치함으로써(여기서 혼합 용기는, 특정 실시예에서, 제2 용융 용기로 작동할 수 있음), 시간의 함수로서의 유리 조성의 변화가 개선될 수 있다. 이러한 변화의 감소는, 결과적으로, 결과적인 유리 시트에서의 가시적인 코드 또는 줄무늬를 실질적으로 감소시킬 수 있다.
게다가, 시간의 함수로서의 유리 조성물의 변화의 감소는 유동 변동성을 줄일 수 있다. 유동 변동성은 1) 유리 레벨 또는 헤드 손실, 2) 온도, 3) 하겐-포아즈 방정식(Hagen-Poiseuille equation)에 의해 설명되는 것과 같은, 프론트 엔드 형상(front-end geometry)에 의해 또한 영향을 받는다:
Figure pct00004
여기서, ΔP는 압력 강하이며, L은 배관의 길이이고, μ는 동점성이고, Q는 체적유량이며, r은 배관의 반경이다. 온도와 유리 수준이 엄격하게 조절될 수 있기 때문에, 조성 변화는 유동 변동성의 가장 큰 원인이 되는 경향이 있다. 유동 변동성의 감소는 예를 들어 응력, 두께 및 웨지와 관련하여 특성을 향상시킬 수 있다.
혼합 용기가 용융 용기의 하류에 그리고 청징 용기의 하류에 위치하는, 본원에 개시된 실시예는, 또한 용융물 스트림이 청징 용기로 들어가기 전에 결함의 용해가 증가될 수 있게 함으로써, 지르코니아 스톤과 같은 결함을 줄일 수 있다. 지르코니아 스톤의 특정 경우에 있어서, 본원의 실시예는 유리 용융물이 청징 용기로 들어가기 전에 스톤으로부터 높은 지르코니아 유리가 제거될 수 있게 한다.
본원에 개시된 실시예는 유리 용융물이 유리 성형 장치의 상대적으로 낮은 온도 영역과 만나면서 바람직하지 않은 결정화 또는 실투를 야기할 수 있는 슬러지(예, 유리 용융물의 바닥에 침전되는 고 지르코니아 물질) 또는 거품(예, 유리 용융물의 정상에 부유하는 고 실리카 물질)과 같은, 벗어난 조성물 코드로 야기된 불균질성을 더욱 최소화할 수 있다.
따라서, 본원에 개시된 실시예는 기포(blisters), 코드, 및/또는 결절과 같은, 감소된 결함을 가진 유리 시트의 제조를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 본원에 개시된 실시예는 300 미크론보다 큰 길이를 가진 기포의 적어도 30 % 감소, 예컨대 적어도 50 % 감소, 및 또한 적어도 70 % 감소를 가진 유리 시트의 제조를 가능하게 할 수 있으며, 본원에 개시된 실시예를 포함하지 않는 방법에 대해, 200 미크론보다 큰 길이를 가진 기포의 적어도 30 % 감소, 예컨대 적어도 50 % 감소, 및 또한 예컨대 적어도 70 % 감소를 가진 유리 시트의 제조를 포함하며, 또한, 100 미크론보다 큰 길이를 가진 기포의 적어도 30 % 감소, 예컨대 적어도 50 % 감소, 및 또한 예컨대 적어도 70 % 감소를 가진 유리 시트의 제조를 포함하며, 또한, 100 내지 500 미크론보다 큰 길이를 가진 기포의 적어도 30 % 감소, 예컨대 적어도 50 % 감소, 및 또한 예컨대 적어도 70 % 감소를 가진 유리 시트의 제조를 가능하게 할 수 있다.
본원에 개시된 구체적인 실시예가 오버플로우 하향 인발 공정에 대해 설명되었지만, 이러한 실시예의 작동 원리는 또한 유동 공정 및 슬롯 인발 공정과 같은 다른 유리 성형 공정에 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 본 발명의 실시예에 다양한 변형 및 수적이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 범위 내에서 이러한 및 다른 실시예의 수정 및 변형이 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 유리 제품 제조 장치로서,
    용융 용기 및 상기 용융 용기로부터 하류에 위치한 혼합 용기, 여기서 상기 혼합 용기는 혼합 용기로 도입된 용융된 유리 스트림의 혼합 정도를 소정의 수준 이상이 되도록 제어하기 위해 가스 거품을 가스 공급원으로부터 상기 혼합 용기로 도입하도록 구성된 다수의 오리피스를 포함함;를 포함하는, 유리 제품 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 용기로 도입된 용융된 유리 스트림의 혼합 정도는 적어도 250의 혼합 지수에 상응하는, 유리 제품 제조 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 오리피스는 서로 소정의 이격 거리로 배열된 실질적으로 평행한 적어도 두 줄의 오리피스를 포함하는, 유리 제품 제조 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 실질적으로 평행한 적어도 두 줄의 오리피스는 용융된 유리 스트림의 유동 방향에 보통 수직한 방향으로 연장되는, 유리 제품 제조 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 실질적으로 평행한 적어도 두 줄의 오리피스 사이의 거리는 용융된 유리 스트림의 유동 방향에서 혼합 용기의 길이의 적어도 10 %인, 유리 제품 제조 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 용기로부터 하류에 위치한 청징 용기를 더욱 포함하는, 유리 제품 제조 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 혼합 용기의 평균 온도는 용융 용기의 평균 온도보다 낮고 용융 용기의 평균 온도는 청징 용기의 평균 온도보다 낮은, 유리 제품 제조 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융 용기는 적어도 하나의 혼합기를 포함하는 연결 튜브를 통해 혼합 용기와 유체 연통하는, 유리 제품 제조 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 용기의 용융된 유리 스트림의 평균 점도는 250 내지 500 poise 범위에 있는, 유리 제품 제조 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 거품은 질소, 산소, 공기, 비활성 기체, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 가스를 포함하는, 유리 제품 제조 장치.
  11. 유리 제품 제조 방법으로서,
    용융된 유리 스트림을 용융 용기로부터 하류에 위치한 혼합 용기로 도입하는 단계, 여기서 상기 혼합 용기는 혼합 용기로 도입된 용융된 유리 스트림의 혼합 정도를 소정의 수준 이상이 되도록 제어하기 위해 가스 거품을 가스 공급원으로부터 상기 혼합 용기로 도입하도록 구성된 다수의 오리피스를 포함함;를 포함하는, 유리 제품 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 혼합 용기로 도입된 용융된 유리 스트림의 혼합 정도는 적어도 250의 혼합 지수에 상응하는, 유리 제품 제조 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 다수의 오리피스는 서로 소정의 이격 거리로 배열된 실질적으로 평행한 적어도 두 줄의 오리피스를 포함하는, 유리 제품 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 실질적으로 평행한 적어도 두 줄의 오리피스는 용융된 유리 스트림의 유동 방향에 보통 수직한 방향으로 연장되는, 유리 제품 제조 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 실질적으로 평행한 적어도 두 줄의 오리피스 사이의 거리는 용융된 유리 스트림의 유동 방향에서 혼합 용기의 길이의 적어도 10 %인, 유리 제품 제조 방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 혼합 용기로부터 하류에 청징 용기가 위치하는, 유리 제품 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 혼합 용기의 평균 온도는 용융 용기의 평균 온도보다 낮고 용융 용기의 평균 온도는 청징 용기의 평균 온도보다 낮은, 유리 제품 제조 방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 용융 용기는 적어도 하나의 혼합기를 포함하는 연결 튜브를 통해 혼합 용기와 유체 연통하는, 유리 제품 제조 방법.
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 혼합 용기의 용융된 유리 스트림의 평균 점도는 250 내지 500 poise 범위에 있는, 유리 제품 제조 방법.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 가스 거품은 질소, 산소, 공기, 비활성 기체, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 가스를 포함하는, 유리 제품 제조 방법.
KR1020187017691A 2015-11-23 2016-11-21 증가된 배치 용해 및 유리 균질성을 위한 유리 용융 시스템 및 방법 KR20180075696A (ko)

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