TWI410386B - 澄清玻璃製程及系統 - Google Patents

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Description

澄清玻璃製程及系統 【相關申請案的交互引用】
本申請案主張2007年11月8日申請之美國第61/002425號臨時申請案的優先權，將上述申請案之全文以參考方式併入本文中。
本發明係關於澄清熔融玻璃之製程以及系統。特別是，本發明係關於玻璃澄清製程以及包含金屬澄清容器之系統。本發明有用於例如製造LCD玻璃基板之直接加熱鉑澄清系統。
製造玻璃製品的範例製程開始是先熔融原始進料(譬如，金屬氧化物)以形成熔融玻璃。熔融製程不只造成玻璃的形成，還會形成各種不需要的副產品，不需要的副產品包括各種氣體和水，各種氣體諸如氧、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、三氧化硫、氬、氮。除非將其移出，這些氣體會一直繼續存在整個製造製程，最後在完成的玻璃製品中出現小型，有時是微小的氣體夾雜物或氣泡。
對有些玻璃製品而言，小型氣體夾雜物的出現是無傷的。然而，對其他製造的製品，小到直徑50μm的氣體夾 雜物就無法令人接受。一種上述製品為顯示器裝置(譬如，液晶和有機發光二極體顯示器)製造上所用的玻璃片。對這種應用而言，玻璃必須有非常乾淨、清新的表面，且基本上沒有扭曲或夾雜物。
為了從熔融玻璃移除氣體夾雜物，通常會在進料中加上澄清劑。澄清劑可以是多價的氧化物，譬如As2O3。在玻璃融化製程，As2O3會轉換成As2O5。在澄清階段過程中會發生下列反應作用：As2O5 --> As2O3+O2(氣體)釋出的氧氣會在熔融玻璃或融體中形成氣泡。氣泡可收集其他溶解的氣體並上升到融體表面，氣泡在融體表面處被從製程中移除。加熱通常是在高溫的澄清容器中執行。
顯示器等級玻璃的澄清溫度可高達1700℃。這麼高的溫度需要使用特製的金屬或合金以避免容器的毀壞。一般是使用鉑或鉑合金，譬如鉑銠。鉑有利地具有高的熔化溫度，且不容易溶解在玻璃內。然而，在這麼高溫下鉑或鉑合金很容易氧化。因而，必須採取預防熱鉑澄清容器和空氣中的氧接觸的措施。在玻璃澄清和輸送期間，其他用來減少Pt氧化的措施也是很樂見的。
樂見熔融玻璃的較高澄清溫度，以在澄清容器中停留一段已知時間而得到較高品質的玻璃。然而，形成澄清系統的材料，譬如金屬或金屬合金，有其最大的運作溫度。因而，玻璃澄清系統最好可以提供熔融玻璃很高的澄清溫度，而不會超過金屬的最大運作溫度。
本發明將滿足該需求。
據此，本發明的第一態樣是玻璃製造製程，玻璃製造製程包括在澄清容器中澄清熔融玻璃的步驟，澄清容器包含不會和熔融玻璃直接接觸的頂壁部分，以及會和熔融玻璃直接接觸的側壁部分，其中頂壁部分的溫度是T(頂)，側壁部分的溫度是T(側)，而且T(頂)-T(側)≦10℃。
在本發明第一態樣的特定實施例中，T(頂)-T(側)≧5℃。
在本發明第一態樣的特定實施例中，容器之壁部分由金屬所構成。
在本發明第一態樣的特定實施例中，藉著從壁部分通過電流來加熱容器。
在本發明第一態樣的特定實施例中，容器的壁部分包括Pt。
在本發明第一態樣的特定實施例中，T(側)≧1600℃，在特定實施例中，T(側)≧1630℃，在特定實施例中，T(側)≧1650℃，在特定實施例中，T(側)≧1660℃，在特定實施例中，T(側)≧1670℃，在特定實施例中，T(側)≧1680℃，在特定實施例中，T(側)≧1690℃，在特定實施例中，T(側)≧1700℃。
在本發明第一態樣的特定實施例中，熔融玻璃是硼矽酸玻璃，在特定實施例是鋁硼矽酸玻璃。
在本發明第一態樣的特定實施例中，澄清容器是以 一個托架支撐且容器放置於托架中。
在本發明第一態樣的特定實施例中，澄清容器由多層隔熱材料所包圍。
在本發明第一態樣的特定實施例中，澄清容器至少由一層運作溫度至少1650℃的隔熱材料所包圍。
在本發明第一態樣的特定實施例中，澄清容器至少由一層防火板所包圍。
在本發明第一態樣的特定實施例中，澄清容器的側壁部分以補充加熱方式更進一步進行差別加熱，譬如通過電流到Pt加熱系統或其他直接金屬加熱系統。
在本發明第一態樣的特定實施例中，冷卻片和散熱座被安置在澄清容器頂壁部分的外面。
在本發明第一態樣的特定實施例中，澄清容器頂壁部分比側壁部分有較大的厚度。
在本發明第一態樣的特定實施例中，澄清容器的壁部分包括金屬，而且和T(頂)-T(側)≧30℃的情況比起來金屬的氧化作用會減少。
本發明的第二態樣是玻璃澄清系統，其包括：-金屬容器，用來在玻璃澄清製程期間使熔融玻璃在其中澄清，具有不會和熔融玻璃直接接觸的頂壁部分，以及會和熔融玻璃直接接觸的側壁部分；-第一溫度感測器和第二溫度感測器，第一溫度感測器可用來偵測頂壁部分的溫度，而第二溫度感測器可用來偵測側壁部分的溫度； -電流供應，可用來提供電流通過金屬容器的壁部分以加熱澄清容器的頂壁部分和邊壁部分；-支撐金屬容器的托架；和-包含金屬容器的隔熱外圍；-其中可操作澄清系統以在澄清製程期間維持容器的頂壁部分溫度T(頂)和側壁部分溫度T(側)的差異，其中T(頂)-T(側)≦10℃。
在本發明第二態樣的特定實施例中，本系統更進一步包括加熱元件，可用來差別加熱金屬容器的側壁部分，譬如直接Pt加熱系統或其他直接金屬加熱系統。
在本發明第二態樣的特定實施例中，冷卻片和散熱座被安置在金屬容器頂壁部分的外面。
在本發明第二態樣的特定實施例中，金屬容器頂壁部分比側壁部分有較大的厚度。
在本發明第二態樣的特定實施例中，隔熱外圍包括至少一層防火板。
在本發明第二態樣的特定實施例中，金屬容器包括Pt和/或其合金。
本發明的一個或多個實施例有下列一個或多個優點：(i)可生產較少缺陷的較高品質玻璃；(ii)可減少澄清容器構造中所使用金屬(譬如，貴重金屬)的氧化作用，藉此延展系統的壽命；(iii)可達到系統的優異熱絕緣；(iv)使用本發明可達到熔融玻璃最佳的溫度一致性；(v)可以明顯的節省資金；(vi)可得到生產玻璃的較高選擇。
103‧‧‧頂壁部分
105‧‧‧側壁部分
107‧‧‧第一溫度感測器
109‧‧‧第二溫度感測器
111‧‧‧熔融玻璃
201a‧‧‧第一側壁
201b‧‧‧基座
201c‧‧‧第二側壁
203‧‧‧墊層材料
205‧‧‧金屬容器
207a,207b‧‧‧蓋板
209‧‧‧熔融玻璃
211‧‧‧熱絕緣層
213‧‧‧防火板
圖1為依據本發明一項實施例所使用金屬澄清容器之斷面示意圖。
圖2為依據本發明一項實施例所使用澄清系統之斷面示意圖。
圖3為圖式，其顯示出在不同溫度及溫度梯度下Pt-Rh合金氧化情況(以重量損失表示)。
除非另有說明，在說明書及申請專利範圍中所使用數目例如成份重量百分比，尺寸以及特定物理特性之數值在所有情況中能夠加上「大約」加以變化。人們亦了解在說明書及申請專利範圍中所使用精確數目形成本發明額外實施例。已作嘗試以確保範例中所揭示數目精確性。不過任何量測之數目本質上含有來自於各別量測技術標準偏差之特定誤差。
必需說明說明書及申請專利範圍中，所使用單數形式之冠詞「一個」係指「至少一個」以及並不受限於「只有一個」，除非另有說明以表示相反意思。例如「澄清容器」包含該兩個或多個澄清容器，除非另有清楚地說明。
一般的玻璃澄清系統包括澄清容器，在其中包含熔融玻璃，放置一段時間後熔融玻璃內的氣泡會從熔融玻璃內部上升到表面。當所有其他條件相同時，熔融玻璃的黏滯係數越低，越容易讓融體內的氣泡形成並上升。最好是將澄清容器內的熔融玻璃加熱到足夠高溫使玻璃為低的玻璃黏滯係 數。玻璃融體可達到的最高溫度，有部分是因澄清容器的材質而定。舉一個包含Pt澄清容器的澄清系統為例。熔融玻璃的溫度無法超過Pt的熔化溫度。純的Pt的熔化點是1768℃。如果加熱到接近熔化點的溫度，Pt澄清容器的機械完整性就可能遭到嚴重折損。
如上面提及的，澄清系統的澄清容器的不同部分在澄清製程期間可能受到差別的加熱，這有部分是由於其暴露在不同的環境。澄清容器的較低部分是作為熔融玻璃的置物架或支架功能，因此會直接接觸玻璃。然而，其較上方部分是保留讓氣體逸出之用，因此在澄清製程階段，通常不會和玻璃融體直接接觸。玻璃和氣體不同的熱傳輸率可能造成澄清容器的頂部和邊緣/底部之間不可忽略的溫度梯度。在目前的應用中，頂端部分的溫度是在澄清容器的頂部測量。這個區域的溫度傾向具有澄清容器的最高溫度。澄清容器邊緣部分的溫度是在熔化玻璃表面線以下的澄清容器邊緣測量。這個區域的溫度非常接近在那裡直接接觸的玻璃融體溫度。
本發明已知道在澄清容器的頂部和邊緣/底部之間維持低的溫度梯度，可允許較高的玻璃融體澄清溫度，提升澄清的效率和功效，以及改善玻璃品質。
除此之外，我們也發現藉著降低澄清容器的頂部和邊緣/底部之間的溫度梯度，可以減少金屬的氧化作用，因而延長澄清系統的使用壽命。
特定澄清系統藉著將電流通過容器的壁直接加熱澄清容器。特定其他澄清系統使用分開的，間接和獨立的加熱 裝置，譬如金屬線圈，SiC加熱桿等來加熱澄清容器。特定其他澄清系統則結合使用直接和間接加熱方式。本發明可以應用到所有這些澄清系統。
本發明以下的說明是依據直接加熱鉑澄清系統(DHPS)。應該要注意的是DHPS只是本發明的一個實施例，因此本發明也可以使用在其他玻璃製造系統。
圖1是包含熔融玻璃111的金屬容器斷面的示意圖。金屬容器的頂壁部分103不直接接觸熔融玻璃111；容器的側壁部分105直接接觸熔融玻璃111；第一溫度感測器107(譬如熱耦合器)可用來偵測頂壁部分的溫度；和第二溫度感測器109可用來偵測側壁部分的溫度。藉由使用這兩個溫度感測器，可監控澄清容器的頂部和邊緣/底部之間的溫度梯度。在DHPS的例子，可以據此調節並調整進入澄清容器的電流，差別加熱頂部和邊緣/底部，以維持溫度梯度在所欲的範圍內。
圖2是依據本發明一個特定實施例澄清系統的斷面示意圖。熔融玻璃209被包含在金屬容器205內加以澄清。包含金屬容器205的是深入托架的第一側壁201a、基座201b和第二側壁201c。墊層材料203是放在托架壁和容器之間。蓋板207a和207b是用來覆蓋容器和墊層材料。熱絕緣層211和213包圍住托架和容器。防火板213最好是由陶瓷纖維作成的耐高溫纖維板製成。在這個實施例中，除了完全絕緣的澄清容器還使用深入的托架，在澄清製程造成最小的熱耗損，並維持澄清容器的溫度梯度在所欲的範圍內。
典型的直接加熱澄清系統是由高熱導性材質所構成，譬如礬土絕緣防火磚，這本質上在澄清器的頂部和其下方管形段之間發展出相當大的溫度梯度。原因是玻璃線低於澄清器頂部的高度，因此留下一些空間或空的玻璃表面，用來讓氣泡逸出。澄清器頂部的區域沒有和較熱的玻璃接觸，因為沒有熱損耗到玻璃中。於是，可得到的最大玻璃溫度限制在澄清器頂部的溫度，這是由澄清器材質的熔化溫度所決定。溫度梯度(△T)越大，玻璃的溫度越低，會降低澄清的效能。
可使用各種方式來減少澄清容器的頂端部分和邊緣部分之間的溫度梯度。減少澄清器頂部和底部(△T)的範例方法包括，但不限制是：(a)經由鉑或KanthalTM線圈補充性加熱；(b)絕緣防火磚和防火板的絕緣包裝；(c)冷卻片或散熱座位在澄清器的「熱」部分；和(d)更換頂部設計，譬如兩片結構或增加厚度，和其組合。在特定實施例中，使用主動加熱或冷卻，譬如方法(a)和/或(c)，最好加熱或冷卻是利用反饋迴圈來控制。因此，可偵測和監控澄清容器的頂部和邊緣部分之間的溫度梯度，而且如果有的話，聯合直接加熱系統，調整和控制補充的加熱元件和/或外部冷卻裝置，一起運作以達到頂部和邊緣部分之間所欲的溫度梯度。即使頂端部分加熱到比邊緣部分更高溫，澄清容器還是使用較厚的頂端部分，以增加澄清容器頂端部分的機械完整性。這種方式會明顯地增加澄清容器的成本，尤其是使用譬如Pt和/或Pt-Rh合金的貴重金屬來建構耐高溫的澄清容器。
最佳的實施例是使用絕緣防火磚和/或防火板，因為其他的方法，像是線圈的情況，需要額外的能量和功率設備。冷卻片或散熱座可能產生PtO2局部的凝縮點，有可能產生鉑夾雜物。此外，當使用較少功率時，增加的絕緣值可允許同樣或甚至更高的玻璃溫度。
提高玻璃溫度以改善澄清之能力：資料顯示依據本發明的澄清系統，使用多層防火板作為熱絕緣托架，以達到T(頂)-T(側)≒10℃。而在另一個用來比較的，具有同樣大小和形狀但沒有足夠熱絕緣的澄清器，可觀察到T(頂)-T(側)≒40℃的溫度差異。
資料顯示本發明的澄清系統的功率消耗明顯較低。依據本發明的澄清器包含一個深入的托架和多層熱絕緣防火板，其所需功率和包含一個不太深入的托架且沒有多層熱絕緣防火板的比較澄清器比起來，只消耗約60-80%的功率。
使用依據本發明澄清系統所澄清的玻璃品質，明顯高於比較的澄清系統所澄清的玻璃。使用比較的澄清系統所澄清的玻璃，比依據本發明澄清的玻璃包含大約1.7~6倍的氣泡。不想被限制於任何特定的理論，我們相信這是由於澄清器的熔融玻璃達到較高的溫度。
因而本發明玻璃的總耗損比較低。
經由低熱導絕緣還原貴重金屬氧化以控制玻璃漏隙：直接加熱鉑系統包圍跨越金屬的電壓，在特定實施例是鉑或其合金，接下來使金屬加熱。使用這種方法加熱LCD 玻璃輸送系統的貴重金屬元件。於是，比起週遭環境或圍繞的元件，貴重金屬達到明顯較高的溫度。高溫以及鉑和週遭環境之間的大溫度梯度，一起導致鉑的氧化率增加。這種情形比沒有直接加熱貴重金屬造成更高的氧化率。圖3的資料顯示直接加熱貴重金屬的氧化率比不直接加熱的氧化率還高的多，根據溫度梯度而定。這個圖中垂直軸顯示的是在1670℃時Ph-20Rh板的重量耗損(以克/平方英吋/月為單位)。水平軸顯示的是在室溫執行的Ph-20Rh板試驗。因此，任何可降低溫度梯度效應的方式，可明顯減少貴重金屬的氧化率。本發明因而可降低金屬容器壁的氧化作用。
使用較佳的絕緣包裝會減少最佳化運作所需的功率，這意味著鉑表面，尤其是頂壁部分可在較低的溫度下進行。較低的功率意味著較低的氧化率，這也表示貴重金屬將可維持其完整性較久。因此，譬如玻璃澄清器的直接加熱元件，由於玻璃洩漏或結構上弱點而造成失效的時間也會延後。
業界熟知此技術者能夠對本發明作各種變化及改變而並不會脫離本發明之精神及範圍。因而，預期本發明將含蓋本發明各種變化及改變，只要其屬於下列申請專利範圍及其同等情況範圍內。
103‧‧‧頂壁部分
105‧‧‧側壁部分
107‧‧‧第一溫度感測器
109‧‧‧第二溫度感測器
111‧‧‧熔融玻璃

Claims (12)

  1. 一種玻璃製造製程，其包括在一澄清容器中澄清熔融玻璃的步驟，該澄清容器包含一不會和該熔融玻璃直接接觸的頂壁部分，以及一會和該熔融玻璃直接接觸的側壁部分，其中該頂壁部分的溫度是T(頂)，該側壁部分的溫度是T(側)，而且T(頂)-T(側)≦10℃。
  2. 依據申請專利範圍第1項之玻璃製造製程，其中該容器藉由將一電流通過該些壁部分進行加熱。
  3. 依據申請專利範圍第1或2項之玻璃製造製程，其中該容器之該些壁部分包括鉑。
  4. 依據申請專利範圍第1或2項之玻璃製造製程，其中T(側)≧1600℃。
  5. 依據申請專利範圍第1或2項之玻璃製造製程，其中該熔融玻璃為硼矽酸鹽。
  6. 依據申請專利範圍第1或2項之玻璃製造製程，其中該澄清容器由一托架所支撐，且該容器放置於該托架中。
  7. 依據申請專利範圍第1或2項之玻璃製造製程，其中該澄清容器由多層熱絕緣材料包圍著。
  8. 依據申請專利範圍第7項之玻璃製造製程，其中該澄清容器由至少一層運作溫度為1650℃的隔熱材料所包圍。
  9. 依據申請專利範圍第1或2項之玻璃製造製程，其中該容器之該側壁部分藉由輔助加熱作更進一步差別式加熱。
  10. 依據申請專利範圍第1或2項之玻璃製造製程，其中冷卻片和散熱座被安裝在該澄清容器的該頂壁部分的外面。
  11. 依據申請專利範圍第1或2項之玻璃製造製程，其中該澄清容器之頂壁部分比起該側壁部分具有較大的厚度。
  12. 依據申請專利範圍第1或2項之玻璃製造製程，其中該澄清容器之該些壁部分包括一金屬，以及與T(頂)-T(側)≧30℃作比較，該金屬之氧化將減少。
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