TWI398414B - 形成玻璃片之方法及裝置 - Google Patents

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Description

形成玻璃片之方法及裝置
本發明係關於形成玻璃片之裝置，以及特別是關於形成玻璃片之形成物體，其能夠在玻璃中產生減少數量之固體雜質。
熔融法是用來製造平板玻璃的基本製造技術之一。跟其他業界已知的方法，例如浮式和細縫抽拉法作比較，熔融法所製造的玻璃片表面具有優越的平坦和平滑度。因此，熔融法在生產液晶顯示器製造上所使用的玻璃基板上變得特別重要。
熔融法特別是溢流抽拉式熔融法是本公司Stuart M. Dockerty之美國第3,338,696和3,682,609號專利編號中的主題。其中描述了將玻璃熔融物供給到由耐火物體形成，稱為等管的槽中。
在Dockerty專利所描述的熔融抽拉式法例子中，一旦達到穩定的作業狀態，玻璃熔融物會從兩側溢流過槽的頂端，而形成兩半平板玻璃向下流動，然後沿著等管的外表面向內。這兩半平板在等管底部或根部相遇，在該處熔融在一起形成單一玻璃片。然後將此單一平板餵到拉製裝置中，藉由將平板拉離根部的速率以控制平板的厚度。拉製裝置的位置要在根部下游足夠遠的地方，使得此單一平板在接觸裝置之前就已經冷卻。
在處理的任何部分，最終玻璃片的外側表面都不會接觸到等管的外側表面。相反的，這些表面只會接觸到周圍的大氣。形成最終平板之兩半平板的內表面的確會接觸等管，但是那些內表面在等管根部熔融在一起，因此被埋在最終平板的物體內。以這種方式，可以達到最終平板外側表面優越的特性。
當玻璃熔融物流入槽中，並且從外側表面溢流出來時，用於熔融處理中的等管會受到高溫以及相當的機械負荷。為了忍受這些嚴苛的條件，等管通常，而且最好由等靜壓耐火材料塊來製造(因此稱為"等管")。特別的，等管最好由等靜壓鋯石耐火材，也就是主要由ZrO2 和SiO2 構成的耐火材料製造出。例如，等管可以由ZrO2 和SiO2 合起來包含至少95%重量比的鋯石耐火材來製造，其中理論上材料的組成是ZrO2 ‧SiO2 或是，同等的ZrSiO4 。
在作為液晶顯示器基板之平板玻璃的製造中，損耗的來源是玻璃中存在鋯石晶狀包涵體(這裡稱為"二次鋯石晶體"或"二次鋯石缺陷")，這是玻璃進入並溢流過製造處理中所使用之鋯石等管的結果。二次鋯石晶體的問題，對於需要在較高溫下製造的去玻作用-敏感玻璃來說變得更為明顯。
會在最終玻璃片中產生鋯石晶體的鋯石，其來源在鋯石等管的上層部分。特別的，當氧化鋯(也就是，ZrO2 和/或Zr+4 +20-2 )在等管槽內，以及沿著等管外面上方壁板壁(堰)的溫度和黏度下，溶解到玻璃熔融物中時，最容易產生這些缺陷。跟等管的較低部分比較起來，等管這些部分的玻璃溫度較高，而黏度較低，因為當玻璃沿著等管向下流時，它會冷卻而變得更黏。
氧化鋯在玻璃熔融物中的溶解度和擴散度決定於玻璃的溫度和黏度(也就是，當玻璃的溫度降低，而黏度增加時會有較少的氧化鋯保存在溶液中，而擴散速率會降低)。當玻璃接近等管底部(根部)時，其中的氧化鋯會變得過飽和。結果，鋯石晶體(也就是，二次鋯石晶體)在鋯石等管的底部分(例如根部)晶核形成並生長。最後，這些晶體會生長得夠長而斷裂掉落至玻璃流中，在平板熔融線上或附近變成缺陷。
在一個實施例中，提出了製造玻璃片的裝置，其製造物體包含傾斜成形表面，跟傾斜成形表面相交的實質上直立成形表面，其中傾斜成形表面之間的角度小於42度。
在另一個實施例中，提出了製造玻璃片的方法，包括：提供玻璃熔融物，讓玻璃熔融物流過由結晶耐火材料構成的成形物體，此成形物體進一步包含傾斜成形表面，以及跟傾斜成形表面相交的實質上垂直成形表面，其中垂直成形表面的最大高度，和傾斜成形表面之間的角度經過選擇，讓溶解在玻璃熔體中的耐火材料濃度最小。
人們了解先前本發明之一般說明以及下列詳細說明之實施例預期作為提供概念或架構以了解本發明申請專利範圍之特徵。所提供附圖在於提供更進一步了解本發明以及在此加入構成部份說明書。附圖顯示出本發明各種實施例以及連同說明書作為解釋本發明之原理及操作。
在根據本發明之製造玻璃片的熔融抽拉式處理中，將玻璃形成先驅物(配料)在高溫爐中熔化，形成熔融原料，或玻璃熔融物，接下來流過成形物體來形成玻璃片。概略來說，這樣的成形物體包含上方成形表面，和傾斜成形表面，跟上方成形表面相交。傾斜成形表面在成形物體的底部或根部會合。上方成形表面通常實質上上垂直且平行。
成形物體或等管的設計必須考慮到很多競爭性的利害關係。熔融原料被引進側邊由壩(堰)圍住的成形物體槽中。熔融原料必須在黏度夠低，也就是溫度夠高下，被引進製造物體中以便讓玻璃熔融物均勻地流過堰的頂端。然後熔融原料流下成形物體的外側成形表面，包含傾斜成形表面，到達物體的底部。傾斜成形表面之間的角度不可以大到讓重力使得玻璃跟等管分離。
另一方面，離開成形物體底部或根部的熔融原料必須有夠高的黏度-夠低的溫度-讓熔融原料可以成功拉製，然而不能低到讓熔融原料的黏度小於熔融原料的液態黏度，這樣會使得玻璃熔融物結晶。
此外，成形物體應該要能夠忍受瞬變加熱狀態(例如，加熱或冷卻)的應力，而不會損壞到成形物體，並且要能夠對抗由於成形物體的質量，以及長時間在高溫下的作業，而造成成形物體下垂或潛變。
如果溢流過成形物體的玻璃熔融物在沿著成形表面下降的時候，維持在高溫的時間太長，構成成形物體的材料就可能溶解，然後在成形物體的較冷部分，例如根部，再-結晶。晶體會生長到斷開的程度，逸入玻璃流中，在最終玻璃產物中產生缺陷。本發明就是要限制成形物體材料溶解在玻璃熔融物中的量以降低晶體的再-生長量。
圖1和2顯示的是根據本發明一個實施例，用來製造玻璃片的成形物體或等管10。等管10包含槽12，用來透過入口14，從供料器(沒有顯示)接收玻璃熔融物，堰16,18，圍住槽12，垂直成形表面20,22，和傾斜成形表面24,26。垂直成形表面20,22分別沿著轉變線，或斷裂線28,30，跟傾斜成形表面24,26相交。傾斜成形表面24,26呈α角的角度偏移，在等管的底部或根部32相交。垂直成形表面20,22最好實質上上平行。等管10的長度是L，整體高度是H。根部32和斷裂線28,30之間的垂直距離是h，而斷裂線和堰16,18頂端之間的距離是h’，其中h’在最大值h’max 和最小值h’min 之間變動。而H在最大值Hmax 和最小值Hmin 之間變動。
玻璃熔融物34透過入口14供應給等管10，接下來玻璃熔融物在堰16,18頂端，例如垂直成形表面20,22頂端，溢流過等管10，而以兩個不同的流動，流下成形表面20,22和24,26。這兩個玻璃流在根部32重新一會合或熔融以形成玻璃平板36，由拉引滾軸38所代表的拉引裝置向抽拉製。等管10通常由陶瓷耐火材料，例如鋯石或氧化鋁，構成。等管10最好包在外殼40內，此外殼包含加熱元件42，在外殼內垂直排列以控制玻璃熔融物在等管成形表面上的溫度。
如圖2可以看出，垂直成形表面20,22通常跟由加熱元件42來加熱的內消音壁板44,46平行。一般來說，玻璃熔融物流下垂直成形表面20,22的溫度實質上上是固定的。另一方面，傾斜成形表面24,26是傾斜的，而且曝露到低於等管的較冷溫度。也就是說，傾斜或會合成形表面的方位有水平分量，以及垂直分量。結果，玻璃熔融物在沿著傾斜成形表面下降時會冷卻。所產生的溫度，相對於在等管上之位置的剖面圖，看起來就像圖3中的曲線50，顯示出在垂直成形表面上(從堰頂端到斷裂線-區段50a)的溫度大致固定。而從斷裂線到根部-區段50b沿著等管向下的溫度大致是線性下降。
人們已經發現，在長時間的高溫下會使得構成等管的材料溶解到玻璃熔融物中。因此，降低垂直成形表面的高度，可以降低溶解到玻璃熔融物中，因此會從玻璃熔融物流中沈澱出來的等管材料量。
不希望受限於任何特定理論，我們認為減少玻璃熔融物行經垂直成形表面的距離可以降低玻璃熔融物曝露到在等管頂端之高溫的時間。如此，就有較少的時間可以讓等管材料溶解到玻璃熔融物中，因此就有較少的溶解等管材料可以在等管的較冷區域例如近根部32區域沈澱出。
同時，僅僅減少垂直成形表面的高度會導致等管整體高度的降低。整體高度的降低是我們不期望的，因為等管會變得更容易下垂。因此，有必要降低垂直成形表面的高度，但是不要降低等管本身的整體高度H。這可以藉由降低傾斜成形表面之間的角度α來達成。假定等管的堰-到-堰寬度W不變，當垂直成形表面的高度h’變小，可以讓角度α變得較小以維持等管的整體高度H。
降低傾斜成形表面之間的角度，還有降低等管整體質量的附加優點可以造成下垂降低，以及在溫度瞬變(例如加熱或冷卻)期間較少的熱-誘發應力。
參考圖2，降低角度α會使得傾斜成形表面24,26移向24’,26’所代表的位置。結果，斷裂線28,30會分別向上移到28’,30’所代表的位置，h’降低，以及消除過剩的等管材料。這可以由參考圖3和曲線52的溫度內容以顯現出來。如圖所示，雖然曲線52的起點和終點溫度跟曲線50相同，但是曲線52所表示的整體溫度剖面更加平坦(更線性)，在新-定義斷裂線處的溫度更冷。也就是說，堰頂端(例如，垂直成形表面頂端)之間-區段52a-的溫度剖面，其溫度的下降比區段50a還快，而斷裂線和根部(區段52b)之間曲線50部分的溫度改變小於它的配對物50b。角度α最好小於42度。更好的是α小於大約35度，又更好的是小於30度。
圖4顯示長度大約295公分，而在等管入口端的整體最大高度Hmax 100公分之等管的模型資料。等管上的流量假定大約是1500磅/小時。曲線54代表α角度42度的等壓管，堰頂端的溫度為1246℃，斷裂線溫度為1238℃，而根部的溫度為1181.5℃；而曲線56代表相同的等管，但是傾斜成形表面之間的角度α是30度，堰頂端的溫度為1242℃，斷裂線溫度為1238℃，而根部的溫度1181.5℃。晶體生長的傾向由垂直軸來表示，描述溶解在玻璃熔融物中的氧化鋯量(C)，減掉玻璃熔融物中氧化鋯的飽和濃度(Cs)。圖4顯示當根部的角度從42度降低到30度時，從溶解氧化鋯形成鋯石再結晶的預期傾向會降低。例如，在距離等管成形表面20微米的地方，在某個溫度下，氧化鋯濃度C減掉氧化鋯飽和濃度Cs的值，對42度角來說大約是0.05%重量比，而對30度角來說，此濃度差異大約是0.046%重量比。同時從圖4還可以看出，當傾斜成形表面之間的角度從42度降低到30度時，溶解之氧化鋯的尖峰量會向內移動，更接近等管的成形表面。這意謂著對於較小的角度，晶體的生長被阻滯在更接近等管的表面。如此，超過某個長度的晶體生長會被阻滯，晶體比較不可能斷開而逸入玻璃熔融物流中。
底下的表格為最大整體高度Hmax 大約是97.8公分，而寬度W大約是28公分的等管例子，提供α和h’max 的近似值。等管的長度可以超過254公分。
在圖5的另一個實施例中，以截面圖來顯示成形物體(等壓管)60，包含槽62，堰64,66，第一組傾斜成形表面68,70，和第二組傾斜成形表面72,74。第二組傾斜成形表面72,74在等管底側的根部76相交。根據圖4顯示實施例，第一組傾斜成形表面68,70之間形成角度β。此角度β最好小於42度。第二組成形表面72,74跟第一組成形表面68,70相交。第二組成形表面72,74之間形成角度。等管60可以包含垂直成形表面78,80與跟第一組傾斜成形表面68,70相交。
角度最好小於角度β。角度β可以是例如，小於42度，最好是小於35度，更好的是小於25度，又更好的是小於20度。有利的是，在圖4的實施例中，鄰接根部之傾斜成形表面之間較小的角度，可以在特定垂直距離內達到。例如，對於特定的成形表面高度(根部和堰頂端之間的距離)，和特定的成形物體最大寬度(從一個堰外側到對立堰外側的距離)，在鄰接根部的傾斜成形表面之間所能達到的角度，比只有使用一組傾斜成形表面時還小。
圖6顯示在流經等管成形表面的玻璃熔融物中，在沿著等壓管長度的中點所取得之溶解等管材料濃度限制例子的模型資料，特別是包含鋯石的等管。假定玻璃熔融物流量是1500磅/小時，而溫度範圍(頂端到底部)在大約1243℃到1125℃之間。此圖顯示出由曲線82,84劃分的三個區域。
在產生區域I之氧化鋯濃度(在曲線82內)的條件下操作等壓管，建議是安全的操作，很少有機會造成晶體斷開。也就是說，如同圖4一樣，X-軸可以解釋成對於超過飽和濃度的特定溶解等管材料濃度，在等管上之晶體生長的最大長度。舉例來說，在C-Cs濃度為零時，曲線82建議最大晶體長度為70微米。超過70微米時，將沒有足夠的溶解等管材料來供應晶體的生長。而在小於或等於70微米下，晶體斷開比較不會造成問題。
在區域III條件下操作將產生不想要性能。在區域III下操作(曲線84外側)提供溶解等管材料充份濃度，其晶體成長會超過安全長度-晶體很容易會斷裂以及被傳輸至玻璃熔融物中。最終，區域II內操作(在曲線82及84之間)性能界於區域I及III之間。
必需強調本發明上述所說明實施例，特別是任何優先實施例只是實施可能之範例，僅揭示作為清楚地了解本發明之原理。能夠對上述所說明實施例作許多改變及變化而並不會實質上脫離本發明之精神及原理。所有這些改變及變化預期包含所揭示以及本發明及下列申請專利範圍內。
10．．．等管
12．．．槽
14．．．入口
16,18．．．堰
20,22．．．垂直成形表面
24,26．．．傾斜成形表面
28,30．．．斷裂線
32．．．根部
34．．．玻璃熔融物
36．．．玻璃片
38．．．拉引滾軸
40．．．外殼
42．．．加熱元件
44,46．．．內消音壁板
50,52,54,56,82,84．．．曲線
50a,50b,52a,52b．．．區段
60．．．成形物體(等管)
62．．．槽
64,66．．．堰
68,70．．．第一組傾斜成形表面
72,74．．．第二組傾斜成形表面
76．．．根部
78,80．．．垂直成形表面
圖1為依據本發明一項實施例之形成玻璃片之成形物體側視圖。
圖2為圖1成形物體之斷面圖，其顯示出傾斜成形表面間之角度。
圖3為在成形表面處由於傾斜成形表面與垂直成形表面高度間之角度減小對溫度分佈影響之曲線圖(向上或向下引導成形表面)。
圖4為溶解於玻璃熔融物中等管材料濃度(%重量比為單位)減去材料飽和濃度(%重量比為單位)之曲線圖為離兩個等管根部角度之等管成形表面的函數。
圖5為依據本發明成形物體之另一實施例，其包含一對傾斜成形表面。
圖6為曲線圖，其顯示出溶解於玻璃熔融物中超過飽和濃度之等管材料材料的濃度為離等管距離之函數。
10．．．等管
12．．．槽
14．．．入口
22．．．垂直成形表面
26．．．傾斜成形表面
30．．．斷裂線
32．．．根部
36．．．玻璃片
38．．．拉引滾軸

Claims (10)

  1. 一種成形玻璃片之裝置，該裝置包含：一成形物體，其包含：實質垂直形成表面；第一對傾斜成形表面，與實質垂直形成表面相交；第二對傾斜成形表面，與第一對傾斜成形表面相交；以及，其中該第一對傾斜成形表面之間的角度小於42度。
  2. 依據申請專利範圍第1項之裝置，其中該垂直成形表面之最大高度h’max 小於60公分。
  3. 依據申請專利範圍第1項之裝置，其中該成形物體之長度為至少265公分。
  4. 依據申請專利範圍第1項之裝置，其中該第二對傾斜成形表面之間的角度小於該第一對傾斜成形表面之間的角度。
  5. 依據申請專利範圍第4項之裝置，其中該第二對傾斜成形表面相交於該成形物體底部。
  6. 依據申請專利範圍第4項之裝置，其中該第二對傾斜成 形表面間之角度小於42度。
  7. 一種成形玻璃片的方法，該方法包括：提供一玻璃熔融物；使該玻璃熔融物溢流出包含結晶耐火材料之一成形物體，該成形物體包含實質垂直成形表面、與實質垂直形成表面相交的第一對傾斜成形表面、以及與第一對傾斜成形表面相交的第二對傾斜成形表面；以及其中該垂直成形表面的最大高度和該第二對傾斜成形表面之間的角度經過選擇，以使溶解在玻璃熔融物中的耐火材料濃度最小化。
  8. 依據申請專利範圍第7項之方法，其中該垂直成形表面之最大高度小於60公分。
  9. 依據申請專利範圍第7項之方法，其中該第一對傾斜成形表面間之角度小於42度。
  10. 依據申請專利範圍第7項之方法，其中該第二對傾斜成形表面之間的角度小於該第一對傾斜成形表面之間的角度。
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