WO2016038178A1 - Dünnglas-rolle und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2016038178A1
WO2016038178A1 PCT/EP2015/070804 EP2015070804W WO2016038178A1 WO 2016038178 A1 WO2016038178 A1 WO 2016038178A1 EP 2015070804 W EP2015070804 W EP 2015070804W WO 2016038178 A1 WO2016038178 A1 WO 2016038178A1
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thin glass
glass
glass ribbon
roll
thin
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PCT/EP2015/070804
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Clemens Ottermann
Rainer Liebald
Andreas Habeck
Kurt Nattermann
Markus HEISS-CHOUQUET
Jürgen Vogt
Thomas Wiegel
Andreas Ortner
Ning DA
Feng He
Pengxiang QIAN
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Schott Ag
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C21/00—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface
    • C03C21/001—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface in liquid phase, e.g. molten salts, solutions
    • C03C21/002—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface in liquid phase, e.g. molten salts, solutions to perform ion-exchange between alkali ions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D85/00—Containers, packaging elements or packages, specially adapted for particular articles or materials
    • B65D85/30—Containers, packaging elements or packages, specially adapted for particular articles or materials for articles particularly sensitive to damage by shock or pressure
    • B65D85/48—Containers, packaging elements or packages, specially adapted for particular articles or materials for articles particularly sensitive to damage by shock or pressure for glass sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
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    • B65D85/676—Containers, packaging elements or packages, specially adapted for particular articles or materials for web or tape-like material wound in helical form on cores
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    • B65H—HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL, e.g. SHEETS, WEBS, CABLES
    • B65H18/00—Winding webs
    • B65H18/28—Wound package of webs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B27/00—Tempering or quenching glass products
    • C03B27/02—Tempering or quenching glass products using liquid
    • C03B27/03—Tempering or quenching glass products using liquid the liquid being a molten metal or a molten salt
    • C03B27/035—Tempering or quenching glass products using liquid the liquid being a molten metal or a molten salt the liquid being sprayed on the object
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65H—HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL, e.g. SHEETS, WEBS, CABLES
    • B65H2801/00—Application field
    • B65H2801/61—Display device manufacture, e.g. liquid crystal displays

Definitions

  • the invention generally relates to the production of thin and thin glasses.
  • the invention relates to the assembly of long strip-shaped thin and
  • Thin-glass foils in the form of a rolled up glass ribbon are in the form of a rolled up glass ribbon.
  • Thin-glass foils in the form of a rolled up glass ribbon are in the form of a rolled up glass ribbon.
  • Thin-film batteries flexible printed circuit boards, flexible OLEDs, flexible photovoltaic modules or even e-papers.
  • Thin glass is becoming more and more the focus of many applications
  • Thin glass is understood to mean glass foils having thicknesses of less than about 1.2 mm and thicknesses of 5 ⁇ m and less. Due to its flexibility, thin glass is increasingly rolled up as a glass sheet after production and stored as a glass roll or for packaging or
  • the glass sheet can also after a Intermediate treatment, such as coating or finishing the surface, in turn rolled up and fed to another use.
  • a Intermediate treatment such as coating or finishing the surface
  • the glass roll or else material stored or transported in a planar manner becomes smaller, corresponding to the requirements
  • Strains in the glass should be as small as possible or not present in order to avoid the occurrence of a crack or break in the rolled or bent glass sheet.
  • the nature of the glass sheet edge is of particular importance with regard to cracking or crack propagation until the glass sheet is broken.
  • Tungsten carbide scratched and broken.
  • scoring the surface targeted a voltage generated in the glass.
  • the glass is controlled by pressure, tension or bending broken.
  • Edges can increase the edge strength
  • Glass foils in particular in the range of thicknesses less than 200 pm but no longer feasible without representing an additional risk of cracking and breaking for the glass.
  • Texture of the glass and in particular the glass edge result in different bending strengths of the glass. Especially the condition of the edge is decisive here. Two similar in material and surface texture glass sheets can therefore at different procured edges very different fracture probabilities have a bend of the glass edge. If the
  • the innermost glass layer of the glass roll, which forms the inside of the glass roll, has the least
  • the object of the invention is therefore to provide a glass ribbon in the form of a glass roll, which is optimized in terms of the above-mentioned requirements of a long service life at the same time compact dimensions. This task is governed by the subject matter of the independent
  • Fig. 1 is a thin glass roller with a rolled up
  • Fig. 3 histograms of the tensile stress at break of
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a process for hardening the thin-glass strip (3), which can be integrated into the method according to the invention
  • FIG. 5 is a schematic representation of another
  • Embodiments of the curing process, 6 shows a schematic illustration of a further embodiment of the curing process, in which the potassium ions are applied in the form of an aqueous solution to the thin glass band (3),
  • Process steps a) and c) are carried out in the same oven.
  • Fig. 1 shows a thin glass roll 1, which is obtained by rolling a thin glass ribbon 3 with opposite side surfaces 34, 35.
  • the roller 3 may be wound on a spindle, so that the inside of the roller 3 rests on the outer surface of the spindle.
  • the thin glass band 3 can be unwound from the roll 1 in this form for subsequent processing steps again.
  • This form of packaging of thin glass is particularly well suited for automated manufacturing processes such as the lamination to electronic components or the manufacture of displays.
  • Thin glass band 3 separates. However, the thin glass is bent during winding. The bending is a tensile stress accompanied, under which one of the sides of the thin glass 1 is set. The tensile stress is greater, the smaller the bending radius. The smallest bending radius occurs when wound thin glass ribbon 3 on the inside 1 of the roll 1.
  • the minimum bending radius R with the tensile stress ⁇ is in the following relationship:
  • E denotes the modulus of elasticity
  • d the thickness of the thin glass
  • V the Poisson's value of the glass.
  • the roll 3 is stored for some time after its production. Also, the transport takes time. It now turns out that such adverse
  • the invention now makes it possible to wind up thin glass bands 3 to form thin-glass rolls 1 which, with regard to the
  • Inner radius are dimensioned so that they survive a predetermined period, such as an average or maximum storage period with high probability unscathed.
  • the invention now provides a thin glass roller 1, as exemplified in FIG. 1, with a rolled-up roll Thin glass ribbon 3 with a length of at least 10 meters and a thickness of at most 200 microns before, wherein the inner radius of the rolled thin glass ribbon (3) in the range of
  • ⁇ R> is the mean and the variance of the bending radii R x when a plurality N of samples of the same glass material of equal thickness and glass edges are the same as the glass material of the thin glass ribbon
  • R ⁇ are the bending radii at which the specimens each break
  • t is a preferably predetermined one Minimum duration in days is which the
  • Thin glass roller 1 with a rolled-up thin glass ribbon 3 with a length of at least 10 meters and a thickness of at most 200 micrometers is accordingly based thereon, with a fracture test, the mean value ⁇ R> of the bending radii R when a plurality N of samples (10) under
  • a thin glass ribbon 3 of the same glass material of equal thickness and glass edges is provided as the glass material of the samples 10 and wound into a thin glass roll 1, the inside radius of the thin glass roll 1 being the radius of the innermost layer of the thin glass ribbon 3 on the thin glass roll 1 is chosen to be in the range of R min according to equation (2) to R max according to equation (3), where t is a predetermined minimum duration in days, which the thin glass roll without
  • equations (2) and (3) are adjusted such that the breakage ratio within a predetermined minimum duration is generally less than 0.1, preferably less than 0.05.
  • a sheet material 7 can be wrapped with it. This web material then separates the successive glass layers in the roll, or is arranged between the individual glass layers or windings of the thin glass strip 3.
  • paper or plastic is used as web material 7.
  • the thin glass samples can be obtained from a further thin glass ribbon similar in terms of glass material, thickness and edge finish. Also it is possible to separate the samples from the thin glass band 3, for example at one of the ends.
  • the thickness d of the thin glass ribbon 3 is preferably at most 200 pm, more preferably at most 100 pm. It is further generally preferred that the glass thickness is at least 5 pm.
  • FIG. 2 shows a structure for determining the mean value of the bending radius ⁇ R> and its variance s during the fracture of thin glass samples 10 under bending load.
  • equations (2) and (3) to obtain a defined area are at least twenty, preferably at least 50, samples of the thin glass until they break with a bending load and thus with it
  • the method performed with the arrangement according to FIG. 2 is based on the fact that the parameters ⁇ R> and s are determined by a bending test in which a thin glass sample 10 is bent uniaxially until it breaks.
  • the thin glass sample 10 is clamped between two jaws 15, 16.
  • the jaws 15, 16 are
  • the minimum curvature radius Ro lies in the middle between the two jaws. For example, if the jaws are slightly skewed, the edge becomes in which the jaws 15, 16 are closer to each other, more heavily loaded, as the opposite edge.
  • the jaws are now moved together until the sample breaks 10.
  • the minimum bending radius Ro at the time is recorded. From several such recorded radii then the mean value ⁇ R> and from the scatter of the measured values the variance s can be calculated.
  • At least one of the edges 22, 23 of the sample 10 is defined by a portion of one of the longitudinal edges 34, 35 of the
  • the samples 10 will have a smaller width than the thin glass ribbon 3 from which the samples 10 are cut out. In this case, only one of the two edges 22, 23 forms a portion of a longitudinal edge 34, 35 of the thin glass band 3.
  • a longitudinal edge 34, 35 of the thin glass band 3 is a portion of a longitudinal edge 34, 35 of the thin glass band 3.
  • FIG. 3 shows bending strain histograms on the breakage of thin glass samples 10. The fracture tests were made twice
  • FIG. 3 two histograms are shown in FIG. 3, which are labeled "page 1" and "page 2", respectively.
  • the bars represent the number of samples 10 which are broken at the respective intervals of tensile stress ⁇ .
  • Samples are about 230 MPa according to the histogram.
  • the variance is about 20 MPa.
  • the thin glass is an alkali-free
  • Glass roll 1 an inner diameter between 30 mm and
  • the invention thus makes it possible in general, with different textures of the side surfaces and in particular the edge lines to wind the glass so that a higher short and long term stability of the glass ribbon is achieved. Decisive for this is in particular the
  • Parameter R min according to equation (2).
  • a glass roll 1 with a rolled-up thin glass strip 3 can be provided, the thin glass strip 3 having two opposite side surfaces 34, 35 and longitudinal edges 32, 33, the thin glass strip being wound such that the side surface 34, 35 convexly bent, for which samples 10 attached to the
  • Equation (2) Since the term with the
  • Exponential factor 2-e _t scales the respective values for R min in the same way, this term can be used for the comparison omitted here as well. Accordingly, to determine the sense of winding according to an embodiment of the invention instead of equation (2) as a parameter
  • a first set of samples 10 having a bending direction and a second plurality of samples (10) of opposite bending direction are bent and the parameters R min and R max are separated for both sets of samples 10 be determined.
  • Production of the thin glass roller 1 are selected so that this the bending direction of the set of samples 10th
  • the production of the thin glass roll involves winding, if necessary with the described
  • the provision of the thin glass ribbon 3 may include drawing from a melt or a heated preform.
  • Thin glass ribbon hereinafter also referred to as glass ribbon, be integrated by ion exchange. As a result, the strength of the glass ribbon can be increased.
  • chemical hardening takes place by ion exchange.
  • chemical hardening also called chemical
  • Preloading comprises at least the following method steps a) to c):
  • the glass ribbon is rolled up by the method according to the invention.
  • the glass ribbon preferably has a thickness in the range of 30 to 144 pm.
  • the glass ribbon is chemically cured by ion exchange.
  • sodium and / or lithium ions in areas near the surface of the glass ribbon are at least partially replaced by potassium ions.
  • potassium ions are applied to the opposite side surfaces 34, 35 of the
  • step a) a heating of the
  • step b) the chemical curing takes place.
  • Preheating to the hardening temperature prevents the formation of too much temperature difference in the thin glass during chemical hardening or too rapid heating of the glass
  • the preheating can for example in a
  • the glass ribbon for example, by a drawing process upstream of the process, already before step a) a temperature in the range of the curing temperature T H. In this case, it is thus possible to actively heat the glass ribbon in step a).
  • Curing temperature was preheated, the thin glass is chemically cured in step b) by ion exchange in the near-surface regions of the glass ribbon.
  • ion exchange in which partial lithium and / or sodium ions are exchanged in the near-surface regions of the glass for potassium ions, which were previously applied to the opposite side surfaces of the glass ribbon.
  • step c) the hardened glass ribbon is cooled to a temperature ⁇ 150 ° C.
  • the process steps a) to c) are preferably carried out in continuous furnaces.
  • the glass ribbon is in step a) in a continuous furnace with
  • the furnace used preferably has a temperature gradient which increases from one end of the furnace to the other end thereof.
  • the furnace has at one end a lower temperature T u and at the other end an upper temperature T Q , where T u ⁇ T 0 .
  • Transport direction of the glass ribbon ie the glass ribbon enters the oven through the end of the oven at temperature T u .
  • T u Transport direction of the glass ribbon, ie the glass ribbon enters the oven through the end of the oven at temperature T u .
  • T u Transport direction of the glass ribbon, ie the glass ribbon enters the oven through the end of the oven at temperature T u .
  • T Q upper temperature
  • the upper temperature T Q corresponds to the
  • the glass ribbon is chemically hardened by at least partial replacement of sodium and / or lithium ions in near-surface regions of the glass ribbon by potassium ions.
  • the potassium ions are applied before the curing process on the opposite side surfaces of the glass ribbon.
  • the desired penetration depth of the potassium ions (depth of layer, DOL) and the degree of increase in strength Cs can be adjusted via the process parameters hardening temperature T H and hardening time t H.
  • the hardening time t H ie the residence time in the
  • Hardening oven can be adjusted by the feed rate of the glass ribbon and the length of the curing oven or the length of the transport path, which traverses the glass ribbon in the curing oven.
  • Suitable materials for the role in the curing oven are in particular glass, ceramic, metal or composites of these materials.
  • step c) After the curing step b) takes place in step c)
  • the furnace is preferably designed as a continuous furnace and has at one end an upper temperature T Q and at the other end a lower temperature T u on.
  • the tempered glass ribbon is passed through the furnace, with the top of the furnace at the end of the furnace
  • Temperature T Q enters the oven, cools in the oven and leaves the oven at temperature T u .
  • a lower temperature T u of ⁇ 150 ° C has proven to be advantageous.
  • the upper temperature T Q of the furnace is 350 to 550 ° C.
  • the temperature of the furnace increases relative to the transport direction of the glass ribbon, ie the glass ribbon enters the furnace through the end of the furnace at the temperature T u .
  • the upper temperature T Q corresponds to the
  • the glass ribbon is chemically hardened by at least partial replacement of sodium and / or lithium ions in near-surface regions of the glass ribbon by potassium ions.
  • the potassium ions are thereby applied to the surface of the glass ribbon prior to the curing process, i. its opposite side surfaces applied.
  • the desired depth of penetration of the potassium ions (DOL) and the magnitude of the compressive stress Cs can be determined by the
  • Curing temperature T H and curing time t H are set.
  • the hardening time t H ie the
  • Dwell time in the curing oven can by the
  • Feed rate of the glass ribbon and the length of the Hardening furnace or the length of the transport path, the glass band travels in the curing oven can be adjusted.
  • Suitable materials for the role in the curing oven are in particular glass, ceramic, metal or composites of these materials.
  • step c) After the curing step b) takes place in step c)
  • the furnace is preferably designed as a continuous furnace and has at one end an upper temperature T Q and at the other end a lower temperature T u .
  • the tempered glass ribbon is passed through the furnace, with the top of the furnace at the end of the furnace
  • Temperature T Q enters the oven, cools in the oven and leaves the oven at temperature T u .
  • a lower temperature T u of ⁇ 150 ° C has proven to be advantageous.
  • the upper temperature T Q of the furnace is 350 to 550 ° C.
  • step a) and step c) the same continuous furnace with a temperature gradient is used. Since only one oven is necessary here, both the device can be made more compact and energy can be saved.
  • the curing process during the invention provides that in step a) and step c) the same continuous furnace with a temperature gradient is used. Since only one oven is necessary here, both the device can be made more compact and energy can be saved.
  • Transports can be made following the drawing process prior to winding into a glass roll.
  • the drawn Glass ribbon is cleaned, dried hardened. Because the glass is pulled at high temperatures and thus before the
  • Hardening process has a correspondingly high temperature, the duration of preheating can be reduced or this process step can even be completely eliminated. This is especially true when the glass ribbon has a temperature in the range of the curing temperature T H after the drawing process.
  • the potassium ions can according to a variant on the
  • a potassium-containing melt for example, a KNO 3- containing melt
  • Potassium ions are in this case before the glass ribbon is passed through the curing oven.
  • the glass ribbon is passed through the curing oven.
  • step a) potassium salt solution prior to preheating the glass ribbon (step a)) applied to the opposite side surfaces of the glass ribbon.
  • step a) potassium salt solution
  • the potassium-containing saline solution may be applied to the surface of the glass ribbon by, for example, a spray process.
  • the potassium-containing salt solution is preferably an aqueous solution of the salts KNO 3, K 3 PO 4, KCl, KOH and / or K 2 CO 3 .
  • a glass roll of an alkali-containing, chemically tempered thin glass with a thickness ⁇ 200 pm can be obtained. Also glass rolls with chemically tempered
  • Thin glasses with a glass thickness in the range of only 30 to 145 pm can thus be obtained.
  • the glass ribbon is enriched in the near-surface areas with potassium ions.
  • the penetration depth DOL is in one embodiment up to 30 pm.
  • Penetration depth DOL in the range of 2 to 8 pm, particularly preferably in the range of 3 to 5 pm.
  • the cure times tH can be reduced to a duration of less than one hour or even ⁇ 30 minutes. Even hardening times t H in the range of only 10 to 20 minutes are thus possible.
  • the shortest possible curing time t H is in the in the
  • Winding process slow down and very low Feed rates and / or a long
  • Edge processing possible. These can in particular with a view to improving the edge strength
  • Edge strength then also shifts in general to the range specified by the parameters R min , R ma x to smaller values.
  • Successful edge processing can, as explained with reference to the example of FIG. 3, not only be to increase the average breaking strength. Rather, the variance is decisive for how close a
  • Thin glass ribbon 3 can be rolled up without increasing the risk of breakage. Not only the variance in absolute values is crucial, but in particular the relative variance s / ⁇ R>, which is also in the exponent of the
  • Equations (2), (3) is included. According to one more of Equations (2), (3) is included. According to one more of Equations (2), (3) is included. According to one more of Equations (2), (3) is included. According to one more of Equations (2), (3) is included. According to one more of Equations (2), (3) is included. According to one more of Equations (2), (3) is included. According to one more of Equations (2), (3) is included. According to one more of Equations (2), (3) is included. According to one more
  • the longitudinal edges 34, 35 of the thin glass band 1 are processed such that the relative variance, or the ratio of variance s to average value ⁇ R>, for the rupture of samples 10 with the same bending direction as the thin glass band (3). on the glass roller (1) sinks.
  • This relative variance relates in particular to the breakage at edges 22, 23, which are defined by sections of the longitudinal edges 34, 35 of FIG.
  • Thin glass bands 3 are formed. Accordingly, for a glass roll 1 according to the invention, thin glass tapes 3 are also generally preferred in which the relative variance in the breakage of samples 10 from the thin glass tape 3 is less than 0.15.
  • the relative variance s / ⁇ R> for the bend radii for the histogram labeled "Page 1" is 0.05279, for the histogram labeled "Page 2"
  • Thin glass band has a higher risk of breakage when winding tightly.
  • edge processing can surprisingly reduce even the average strength and still allow for a narrower winding of the thin glass, if at the same time also decreases the variance.
  • Hardening process shown schematically.
  • the illustrated curing process can be integrated into the process according to the invention.
  • the thin glass has a thickness in the range from 30 to 144 ⁇ m.
  • the arrows symbolize the direction of movement of the rollers 130, 131, 132, 133, 134
  • the glass ribbon 3 is unrolled from a glass roll 100, chemically cured and rolled up to the glass roll 1 by the method according to the invention.
  • the unrolled glass ribbon 3 is first cleaned and dried. This process step is schematically by the rectangle 140 is shown. Subsequently, the glass ribbon 3 is passed through a furnace 150. In the continuous furnace 150, the glass ribbon 3 is heated to a temperature in the range of 300 to 550 ° C and leaves the continuous furnace 150 at a temperature in the range of the curing temperature T H. This is induced by a temperature difference
  • Heating the glass ribbon 3 exposed in a continuous furnace 150 with temperature gradient is schematically indicated by the arrow 220
  • the temperature gradient of the furnace is formed by the lower temperature Tu and the upper temperature T Q of the furnace.
  • the opening of the furnace 150 through which the glass ribbon 3 enters the furnace in this case has the temperature T u .
  • the temperature rises to the temperature T Q , so that the glass ribbon 3 when leaving the furnace has a temperature T Q or near To.
  • the temperature T u is in the range of 20 to 150 ° C.
  • the heating of the glass ribbon has been found to a temperature that the
  • Curing temperature T H in step b) corresponds.
  • the glass strip 3 preheated in step a) is passed through the curing oven 160 in step b).
  • the curing oven has a curing temperature T H in the range of 300 to 550 ° C.
  • the curing temperature T H ie the temperature at which the ion exchange takes place, is dependent here from the respective glass composition of the glass ribbon as well as the exchange depth DOL to be achieved and the
  • molten salt 170 In the curing oven 160 is a molten salt 170 through which the glass ribbon 3 is pulled.
  • the molten salt 170 contains potassium ions, so that in the near-surface
  • An ion exchange takes place in areas of the glass ribbon, in which sodium and / or lithium ions are exchanged for potassium ions.
  • the roller 132 of the curing oven 160 is in this embodiment wholly or partly in the molten salt 170, so that the material of the roller 132 is inert or
  • roller 132 glass should be at least largely inert to the molten salt.
  • suitable materials for the roller 132 glass metals and ceramics have been found. Also
  • Composite materials of glass, metal and / or ceramic can be used.
  • the feed rate of the glass ribbon 3 is adjusted so that the glass ribbon for the required
  • Hardening time t H is located within the molten glass.
  • the curing time t H is dependent on the curing temperature T H and the replacement depth DOL to be achieved. For example, penetration depths in the range of 3 to 5 ⁇ m can already be achieved with hardening times of between 10 and 20 minutes. After the hardening process, the hardened glass ribbon is in
  • the continuous furnace 180 ensures a slow Cooling of the glass ribbon 3, so that stresses in the glass are avoided.
  • the furnace 180 also has a temperature gradient.
  • the oven 180 has a temperature T Q at the opening through which the glass ribbon 3 enters the oven 180.
  • Direction of movement of the glass ribbon 3 decreases the temperature in the furnace 180, so that the furnace at the opening through which the glass ribbon 3 leaves the furnace has a temperature T u , where T Q > T u .
  • the temperature T Q is preferably in the range of the curing temperature T H.
  • FIG. 5 shows a variant of the curing process, in which the curing process following a
  • Thin glass band 3 connects. Since the glass ribbon 3 after the drawing process has a temperature which is in the range of the curing temperature T H or even higher, in the variant shown in FIG. 5, a preheating of the glass ribbon 3 after the drawing process has a temperature which is in the range of the curing temperature T H or even higher, in the variant shown in FIG. 5, a preheating of the glass ribbon 3 after the drawing process has a temperature which is in the range of the curing temperature T H or even higher, in the variant shown in FIG. 5, a preheating of the glass ribbon 3 after the drawing process has a temperature which is in the range of the curing temperature T H or even higher, in the variant shown in FIG. 5, a preheating of the glass ribbon 3 after the drawing process has a temperature which is in the range of the curing temperature T H or even higher, in the variant shown in FIG. 5, a preheating of the glass ribbon 3 after the drawing process has a temperature which is in the range of the curing temperature T H or even higher, in the variant shown in FIG.
  • the glass ribbon 101 is merely cleaned and dried and then passes through the process steps b) and c) analogously to the variant of FIG. 1 shown in FIG.
  • the potassium ions required for the ion exchange can also be in the form of a solution on the opposite Side surfaces of the glass ribbon 3 are applied. This is shown schematically in FIG.
  • the glass ribbon 3 is first cleaned and dried by the. In a subsequent step, the glass ribbon 3 passes through the
  • the solution 211 is sprayed onto the surfaces of the glass ribbon. Subsequently, the thus treated glass band 3 passes in
  • Step a) the furnace 150, in which it is heated to a temperature in the range of the curing temperature T H. In this case, the solvent evaporates. Subsequently, the glass ribbon 110 passes through the curing oven 160, which has a temperature T H in the range of 300 to 550 ° C. In this step b) takes place the ion exchange, in which in the
  • the selected cycle time t H is dependent on the desired exchange depth DOL.
  • FIG. 7 shows a further variant of the method according to the invention, in which the glass ribbon 3 in step a) and step c) are passed through the same continuous-flow furnace 230 with temperature gradient.
  • the furnace 230 has a temperature gradient, represented by the arrow 220, having a lower temperature T u and an upper one
  • the glass ribbon 3 is passed in accordance with this variant in step a) through the opening 231 in the furnace 230.
  • the glass ribbon 110 passes through the furnace 230 in step a), it is heated and exits the furnace 230 through the opening 232 at the temperature T 0 .
  • the ion exchange takes place in the oven 160.
  • the curing oven 160 according to this variant of the invention has only one opening 161.
  • the hardening roller 131 is formed in this variant of the invention as a deflection roller, so that the glass sheet 3 by the hardening roller a change of
  • Curing temperature TH was heated, the glass ribbon 110 leaves the oven 160 through the opening 161. To cool the thus cured glass sheet 3 this is pulled in step c) through the opening 232 in the furnace 230. In this case, the glass ribbon slowly cools down to the lower temperature T u through the temperature gradient of the furnace, exits the opening 230 from the furnace 230 and can be rolled up to the glass roll 1.

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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Glasband in Form einer Glasrolle bereitzustellen, welches hinsichtlich der vorstehend Anforderungen einer langen Lebensdauer bei gleichzeitig kompakten Abmessungen optimiert ist. Zur Ermittlung eines Biegeradius an der Innenseite der Dünnglasrolle (1), welcher die oben genannten Anforderungen erfüllt, werden Bruchtests an Proben des Glasmaterials durchgeführt, statistische Parameter anhand der Bruchtests ermittelt und die statistischen Parameter in einen Bereich von Biegeradien umgerechnet, welche den Anforderungen an Lebensdauer und möglichst kompakten Abmessungen der Dünnglasrolle (1) genügen.

Description

Dünnglas-Rolle und Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Dünn- und Dünnstgläsern. Insbesondere betrifft die Erfindung die Konfektionierung langer bandförmiger Dünn- und
Dünnstglasfolien in Form eines aufgerollten Glasbands. Für verschiedenste Anwendungen wie z.B. in den Bereichen der Verbraucherelektronik beispielsweise als Abdeckgläser für Halbleitermodule, für organische LED-Lichtquellen oder für dünne oder gebogene Anzeigevorrichtungen oder in
Bereichen der regenerativen Energien oder Energietechnik, wie für Solarzellen, wird zunehmend Dünnglas eingesetzt. Beispiele hierfür sind Touch Panel, Kondensatoren,
Dünnfilmbatterien, flexible Leiterplatten, flexible OLED's, flexible Photovoltaikmodule oder auch e-Papers. Dünnglas gerät für viele Anwendungen immer mehr in den Fokus
aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wie
Chemikalien-, Temperaturwechsel- und Hitzebeständigkeit, Gasdichtigkeit, hohes elektrisches Isolationsvermögen, angepasster Ausdehnungskoeffizient, Biegsamkeit, hohe optische Qualität und Lichtdurchlässigkeit oder auch hohe Oberflächenqualität mit sehr geringer Rauigkeit aufgrund einer feuerpolierten Oberfläche der beiden Dünnglasseiten. Unter Dünnglas werden hierbei Glasfolien verstanden mit Dicken kleiner etwa 1,2 mm bis zu Dicken von 5 pm und kleiner. Aufgrund seiner Biegsamkeit wird Dünnglas als Glasfolie zunehmend nach der Herstellung aufgerollt und als Glasrolle gelagert oder zur Konfektionierung oder
Weiterverarbeitung transportiert. In einem Roll-to-Roll- Prozess kann die Glasfolie auch nach einer Zwischenbehandlung, beispielsweise einem Beschichten oder Konfektionieren der Oberfläche, wiederum aufgerollt und einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Das Rollen des Glases beinhaltet gegenüber einer Lagerung und dem
Transport von flächig ausgebreitetem Material den Vorteil einer kostengünstigeren kompakten Lagerung, Transport und Handhabung in der Weiterverarbeitung.
In der Weiterverarbeitung werden aus der Glasrolle oder auch aus flächig gelagertem oder transportiertem Material kleinere, den Anforderungen entsprechende
Glasfolienabschnitte abgetrennt. Bei manchen Anwendungen werden auch diese Glasfolienabschnitte wiederum als gebogenes oder gerolltes Glas eingesetzt. Bei all seinen hervorragenden Eigenschaften besitzt Glas als spröder Werkstoff eine eher geringe Bruchfestigkeit, da es wenig widerstandsfähig gegen Zugspannungen ist. Bei einem Biegen des Glases treten Zugspannungen an der äußeren Oberfläche des gebogenen Glases auf. Für eine bruchfreie Lagerung und für einen bruchfreien Transport einer solchen Glasrolle oder für einen riss- und bruchfreien Einsatz kleinerer Glasfolienabschnitte ist zunächst die Qualität und Unversehrtheit der Kanten von Bedeutung, um das
Entstehen eines Risses oder Bruchs in der aufgerollten oder gebogenen Glasfolie zu vermeiden. Schon Beschädigungen an den Kanten wie winzige Risse, z.B. Mikrorisse, können die Ursache und der Entstehungspunkt für größere Risse oder Brüche in der Glasfolie werden. Weiterhin ist aufgrund der Zugspannung an der Oberseite der gerollten oder gebogenen Glasfolie eine Unversehrtheit und Freiheit der Oberfläche von Kratzern, Riefen oder anderen Oberflächendefekten von Bedeutung, um das Entstehen eines Risses oder Bruchs in der aufgerollten oder gebogenen Glasfolie zu vermeiden.
Drittens sollten auch herstellungsbedingte innere
Spannungen im Glas möglichst gering oder nicht vorhanden sein, um das Entstehen eines Risses oder Bruchs in der aufgerollten oder gebogenen Glasfolie zu vermeiden.
Insbesondere die Beschaffenheit der Glasfolienkante ist von besonderer Bedeutung hinsichtlich einer Rissentstehung oder Rissausbreitung bis zum Bruch der Glasfolie. Nach dem Stand der Technik werden Dünngläser bzw.
Glasfolien mechanisch mit einem speziell geschliffenen Diamanten oder einem Rädchen aus Spezialstahl oder
Wolframcarbit angeritzt und gebrochen. Hierbei wird durch das Anritzen der Oberfläche gezielt eine Spannung im Glas erzeugt. Entlang der so erzeugten Fissur wird das Glas kontrolliert durch Druck, Zug oder Biegung gebrochen.
Hierdurch entstehen im Allgemeinen Kanten mit starker
Rauigkeit, vielen Mikrorissen und Ausplatzungen oder
Ausmuschelungen an den Kantenrändern.
Kanten können zur Erhöhung der Kantenfestigkeit
anschließend gesäumt, gefast oder geschliffen und poliert werden. Eine mechanische Kantenbearbeitung ist bei
Glasfolien insbesondere im Bereich von Dicken kleiner 200 pm aber nicht mehr realisierbar ohne eine zusätzliche Riss- und Bruchgefahr für das Glas darzustellen. Je nach
Beschaffenheit des Glases und insbesondere der Glaskante ergeben sich unterschiedliche Biegefestigkeiten des Glases. Gerade die Beschaffenheit der Kante ist hier maßgeblich. Zwei in Material und Oberflächenbeschaffenheit gleichartige Glasfolien können daher bei unterschiedlich beschaffenen Kanten sehr unterschiedliche Bruchwahrscheinlichkeiten bei einer Biegung der Glaskante aufweisen. Wenn die
hergestellte Dünnglasfolie in aufgerollter Form
bereitgestellt werden soll, besteht hier demnach eine große Unsicherheit in Bezug auf den möglichen Durchmesser des Rollenkerns, beziehungsweise des Innendurchmessers der
Glasrolle. Die innerste Glaslage der Glasrolle, welche die Innenseite der Glasrolle bildet, weist den geringsten
Biegeradius und damit auch die höchste Biegebeanspruchung auf. Je weiter außen sich die jeweilige Glaslage befindet, desto geringer ist der Biegeradius. Dennoch weist
typischerweise ein großer Teil des Glasbands Biegeradien ähnlich zum Innenradius der Glasrolle auf. Um nun die
Bruchgefahr zu minimieren und/oder die Lebensdauer des Glasbands zu maximieren, besteht natürlich immer die
Möglichkeit, einen großen Rollenkerndurchmesser zu wählen. Dies birgt allerdings den Nachteil, dass auf diese Weise sehr unhandliche Formate erhalten werden. Sowohl für die Weiterverarbeitung von Glasrollen, als auch deren Lagerung wären daher natürlich besonders kompakte Abmessungen, insbesondere also kleine Innendurchmesser wünschenswert. Gleichzeitig soll aber auch eine möglichst niedrige
Bruchquote des Glasbands innerhalb einer vorgegebenen
Lagerungsdauer gegeben sein. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Glasband in Form einer Glasrolle bereitzustellen, welches hinsichtlich der vorstehend genannten Anforderungen einer langen Lebensdauer bei gleichzeitig kompakten Abmessungen optimiert ist. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Ermittlung eines Biegeradius an der Innenseite der Glasrolle, welcher die oben genannten Anforderungen
erfüllt, Bruchtests an Proben des Glasmaterials
durchgeführt, statistische Parameter anhand der Bruchtests ermittelt und die statistischen Parameter vorzugsweise unter Skalierung mit einem die Lebensdauer enthaltenden Exponentialterm in einen Bereich von Biegeradien
umgerechnet werden können, welche den Anforderungen an Lebensdauer und möglichst kompakten Abmessungen der
Glasrolle genügen.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer, auch anhand der beigeschlossenen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Dünnglasrolle mit einem aufgerollten
Dünnglasband,
Fig. 2 einen Aufbau zur Ermittlung des Mittelwerts des
Biegeradius und dessen Varianz beim Bruch von Dünnglasproben unter Biegebelastung,
Fig. 3 Histogramme der Zugspannung beim Bruch von
Dünnglas-Proben unter Biegebelastung, Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Prozesses zur Härtung des Dünnglasbandes (3) , welcher in das erfindungsgemäße Verfahren integriert werden kann, Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren
Ausführungsformen des Härtungsprozesses, Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Härtungsprozesses, bei welchem die Kaliumionen in Form einer wässrigen Lösung auf das Dünnglasband (3) aufgebracht werden,
Fig 7. eine schematische Darstellung eines
Härtungsprozesses, bei dem die
Verfahrensschritte a) und c) im selben Ofen durchgeführt werden.
Fig. 1 zeigt eine Dünnglasrolle 1, welche durch Aufrollen eines Dünnglasbands 3 mit gegenüberliegenden Seitenflächen 34, 35 erhalten wird. Die beiden Kanten 32, 33,
beziehungsweise genauer die Längskanten des Dünnglasbandes 3 bilden dabei die Stirnflächen der Rolle 3 oder zumindest einen Bestandteil der Stirnflächen. Gegebenenfalls kann die Rolle 3 auf einer Spindel aufgewickelt sein, so dass die Innenseite der Rolle 3 am Außenmantel der Spindel anliegt.
Das Dünnglasband 3 kann in dieser Form für nachfolgende Verarbeitungsschritte wieder von der Rolle 1 abgewickelt werden. Diese Form der Konfektionierung von Dünnglas ist besonders gut für automatisierte Fertigungsprozesse wie etwa das Auflaminieren auf elektronische Bauteile oder die Herstellung von Displays geeignet.
Wird der Fertigungsprozess automatisiert, ist es wichtig, dass das gesamte aufgewickelte Dünnglasband 3 keinen Bruch aufweist und beim automatisierten Abwickeln sich das
Dünnglasband 3 auftrennt. Allerdings wird das Dünnglas beim Aufwickeln gebogen. Mit dem Verbiegen geht eine Zugspannung einher, unter die eine der Seiten des Dünnglases 1 gesetzt wird. Die Zugspannung ist umso größer, je kleiner der Biegeradius ist. Der kleinste Biegeradius tritt beim aufgewickelten Dünnglasband 3 an der Innenseite 1 der Rolle 1 auf. Dabei steht der minimale Biegeradius R mit der Zugspannung σ in folgender Beziehung:
E d
(l) σ = —
l-v22R In dieser Beziehung bezeichnet E den Elastizitätsmodul, d die Dicke des Dünnglases und V die Poissonzahl des Glases.
Nun kann zwischen der Weiterverarbeitung des Dünnglases durch Aufwickeln zu einer Rolle 3 und dem Abwickeln in einem weiteren Fertigungsprozess einige Zeit vergehen.
Typischerweise wird die Rolle 3 nach deren Herstellung für einige Zeit gelagert. Auch nimmt der Transport Zeit in Anspruch. Es zeigt sich nun, dass solche nachteiligen
Glasbrüche bedingt durch die beim Biegen entstehende einseitige Zugspannung trotz der geringen Glasdicke auch zeitverzögert nach dem Aufwickeln auftreten können.
Mit der Erfindung wird nun ermöglicht, Dünnglasbänder 3 zu Dünnglasrollen 1 aufzuwickeln, die hinsichtlich des
Innenradius so bemessen sind, dass sie einen vorgegebenen Zeitraum, beispielsweise einen durchschnittlichen oder maximalen Lagerungszeitraum mit hoher Wahrscheinlichkeit unbeschadet überstehen. Die Erfindung sieht nun eine wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Dünnglasrolle 1 mit einem aufgerollten Dünnglasband 3 mit einer Länge von mindestens 10 Metern und einer Dicke von höchstens 200 Mikrometern vor, wobei der Innenradius des aufgerollten Dünnglasbands (3) im Bereich von
Figure imgf000010_0001
(3) Rnex = {R) - 3,4 + exp
Figure imgf000010_0002
liegt, wobei <R> den Mittelwert und
Figure imgf000010_0003
die Varianz der Biegeradien Rx beim Bruch einer Mehrzahl N von Proben aus dem gleichen Glasmaterial mit gleicher Dicke und gleich beschaffenen Glaskanten wie das Glasmaterial des Dünnglasbands sind, wobei R± die Biegeradien sind, bei welchen die Proben jeweils brechen, und t eine vorzugsweise vorgegebene Mindest-Dauer in Tagen ist, welche die
Dünnglasrolle ohne Bruch übersteht. Solche zeitverzögerten Brüche werden dabei insbesondere durch
Spannungsrisskorrosion verursacht.
Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer
Dünnglasrolle 1 mit einem aufgerollten Dünnglasband 3 mit einer Länge von mindestens 10 Metern und einer Dicke von höchstens 200 Mikrometern basiert dementsprechend darauf, - mit einem Bruchtest der Mittelwert <R> der Biegeradien R beim Bruch einer Mehrzahl N von Proben (10) unter
fortschreitend größer werdender Biegebelastung, sowie die Varianz s gemäß Gleichung 1 ermittelt werden, und
- ein Dünnglasband 3 aus dem gleichen Glasmaterial mit gleicher Dicke und gleich beschaffenen Glaskanten wie das Glasmaterial der Proben 10 bereitgestellt und zu einer Dünnglasrolle 1 aufgewickelt wird, wobei der Innenradius der Dünnglasrolle 1, welcher der Radius der innersten Lage des Dünnglasbands 3 auf der Dünnglasrolle 1 ist, so gewählt wird, dass dieser im Bereich von Rmin gemäß Gleichung (2) bis Rmax gemäß Gleichung (3) liegt, wobei t eine vorgegebene Mindest-Dauer in Tagen ist, welche die Dünnglasrolle ohne
Bruch überstehen soll. Eine gewisse Bruchwahrscheinlichkeit ist jedoch im Allgemeinen, selbst bei sehr großen
Biegeradien bei Glasbändern typischerweise dennoch
vorhanden. Die Parameter der Gleichungen (2) und (3) sind aber so abgestimmt, dass die Bruchquote innerhalb einer vorgegebenen Mindest-Dauer im Allgemeinen bei kleiner als 0,1, vorzugsweise kleiner als 0,05 liegt.
Um die Glasoberflächen zu schützen, kann wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel noch ein Bahnmaterial 7 mit eingewickelt werden. Dieses Bahnmaterial trennt dann in der Rolle die aufeinanderfolgenden Glaslagen, beziehungsweise ist zwischen den einzelnen Glaslagen oder Wicklungen des Dünnglasbands 3 angeordnet. Vorzugsweise wird Papier oder Kunststoff als Bahnmaterial 7 verwendet. Gegebenenfalls kann das Bahnmaterial über die Kanten 32, 33 des
Dünnglasbands 1 hinausragen.
Die Dünnglasproben können aus einem weiteren, in Bezug auf das Glasmaterial, die Dicke und die Kantenbeschaffenheit gleichartigen Dünnglasband gewonnen werden. Ebenfalls möglich ist es, die Proben vom Dünnglasband 3, beispielsweise an einem der Enden abzutrennen.
Die Dicke d des Dünnglasbands 3 beträgt vorzugsweise höchstens 200pm, besonders bevorzugt höchstens 100 pm. Es wird weiterhin allgemein bevorzugt, dass die Glasdicke mindestens 5 pm beträgt.
Fig. 2 zeigt einen Aufbau zur Ermittlung des Mittelwerts des Biegeradius <R> und dessen Varianz s beim Bruch von Dünnglasproben 10 unter Biegebelastung.
Um eine ausreichend vertrauenswürdige Statistik für eine zuverlässige Festlegung des Biegeradius im durch die
Gleichungen (2) und (3) definierten Bereich zu erhalten, werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mindestens zwanzig, vorzugsweise mindestens 50 Proben des Dünnglases bis zum Bruch mit einer Biegebelastung und damit mit
Zugspannung belastet, , um den Mittelwert <R> der
Biegeradien Rx und deren Varianz zu ermitteln.
Das mit der Anordnung gemäß Fig. 2 durchgeführte Verfahren basiert darauf, dass die Parameter <R> und s durch einen Biegetest ermittelt werden, bei welchem eine Dünnglasprobe 10 uniaxial bis zum Bruch gebogen wird. Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wird die Dünnglasprobe 10 zwischen zwei Backen 15, 16 geklemmt. Die Backen 15, 16 werden
aufeinander zu bewegt, so dass sich die Dünnglasprobe 10 immer weiter verbiegt. Die Biegung erfolgt nur in einer Richtung. Der minimale Krümmungsradius Ro liegt dabei in der Mitte zwischen den beiden Backen. Stehen die Backen beispielsweise leicht schräg zueinander, so wird die Kante, bei welcher die Backen 15, 16 näher zueinander stehen, stärker belastet, als die gegenüberliegende Kante.
Dementsprechend findet sich auch der minimale
Krümmungsradius an dieser Kante. Es können aber auch beide Kanten 22, 23 gleichmäßig belastet werden.
Die Backen werden nun so weit zusammengefahren bis die Probe 10 bricht. Der minimale Biegeradius Ro zum Zeitpunkt wird aufgezeichnet. Aus mehreren solcher aufgezeichneter Radien können dann der Mittelwert <R> und aus der Streuung der Messwerte die Varianz s errechnet werden.
Zumindest eine der Kanten 22, 23 der Probe 10 wird durch einen Abschnitt einer der Längskanten 34, 35 des
Dünnglasbands 3 gebildet. Dies ist günstig, um im
Biegeversuch die Kantenfestigkeit auswerten zu können. Die Festigkeit der Kanten ist im Allgemeinen deutlich geringer, als die Festigkeit der Glasoberflächen. Brüche gehen daher in den meisten Fällen auch von einer Kante aus.
Typischerweise werden die Proben 10 eine geringere Breite aufweisen, als das Dünnglasband 3, aus welchem die Proben 10 herausgetrennt werden. In diesem Fall bildet nur eine der beiden Kanten 22, 23 einen Abschnitt einer Längskante 34, 35 des Dünnglasbands 3. Hier bietet sich eine
Schrägstellung der Backen 15, 16 an, so dass die Probe 10 beim Zusammenfahren der Backen an der aus der Längskante des Dünnglasbands 3 gebildeten Kante stärker gebogen wird. Fig. 3 zeigt Histogramme der Biegebelastung beim Bruch von Dünnglasproben 10. Die Bruchtests wurden zweimal
durchgeführt, wobei in einem ersten Test die Proben 10 über eine der Seitenflächen und im zweiten Test über die
gegenüberliegende Seitenfläche gebogen wurden.
Dementsprechend sind in Fig. 3 zwei Histogramme gezeigt, die mit „Seite 1", beziehungsweise „Seite 2" gekennzeichnet sind. Die Balken geben die Anzahl der Proben 10 wieder, welche in den jeweiligen Intervallen der Zugspannung σ gebrochen sind.
Es ist deutlich zu erkennen, dass sich die Histogramme unterscheiden. Das mit „Seite 1" gekennzeichnete Histogramm zeigt gegenüber dem Histogramm „Seite 2" eine enge
Verteilung der Bruchspannungen, dafür ist der Mittelwert der Bruchspannung niedriger. Solche Unterschiede können sich durch die Art und Weise der Herstellung der Glaskante ergeben. Bei dem Beispiel der Fig. 3 wurden die Glaskanten durch Ritzen mit einem Pennet-Rädchen und anschließendem Brechen hergestellt. Die Seite 1 ist hierbei die geritzte Seitenfläche des Glases. Für das Histogramm „Seite 1" wurde dabei beim Bruchtest die geritzte Seitenfläche unter
Zugspannung gesetzt. Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wäre diese Seitenfläche also die konvex gebogene Fläche.
Durch die Ritzung ergeben sich an der Ecke der Kante zur Seitenfläche zusätzliche Schädigungen, welche die mittlere Bruchfestigkeit herabsetzen, was den Unterschied der
Histogramme „Seite 1" und „Seite 2" erklärt.
Am Beispiel des mit „Seite 1" bezeichneten Histogramms kann nun gemäß der Erfindung ein Bereich für den Innenradius eines Dünnglasbands 1 aus gleichartigem Glas bestimmt werden. Der Mittelwert <σ> der Zugspannung beim Bruch der Proben liegt nach dem Histogramm bei etwa 230 MPa. Die Varianz beträgt etwa 20 MPa.
Bei dem Dünnglas handelt es sich um ein alkalifreies
Borosilikatglas mit einem Faktor E/ (1-V2) =79, 3*103 MPa und einer Dicke von 50 Mikrometern. Damit folgt aus Gleichung 1 für den mittleren Biegeradius <R> ein Wert von 7,74
Millimetern und für die Varianz s ein Wert von 0,41
Millimetern .
Setzt man eine Lagerungsdauer t von 5 Tagen an, die
mindestens ohne Bruch überstanden werden soll, ergeben sich gemäß den Gleichungen (2) und (3) die Werte Rmin = 14,98 mm und Rmax = 57, 86 mm. Demgemäß wird für die nun aus einem Dünnglasband aus gleichartigem Glas aufzuwickelnden
Glasrolle 1 ein Innendurchmesser zwischen 30 mm und
116 Millimetern gewählt und das Band mit konvexer Biegung der Seitenfläche entsprechend Seite 1 der Proben 10
aufgewickelt .
Sehr überraschend ist ein Vergleich mit den aus dem
Histogramm „Seite 2" erhaltenen Werten. Die Biegefestigkeit der Proben 10 mit konvexer Biegung um Seite 2 ist deutlich höher. Insofern würde man erwarten, dass die Glasrolle mit entsprechender Wicklung des Dünnglasbands 3 mit konvexer Biegung der Seite 2 deutlich stabiler ist. Wertet man das Histogramm „Seite 2" aus, ergeben sich für den Mittelwert <R> ein Wert von 2,35 Millimetern, für die Varianz 0,612 Millimeter. Setzt man wieder eine Lagerungsdauer von 5 Tagen an, ergeben sich aus den Gleichungen (2), (3) Werte von Rmin=70,9 mm, Rmax = 127,3 mm. Demgemäß müsste der
Innendurchmesser der Glasrolle hier zwischen 142 Millimetern und 254 Millimetern liegen. Obwohl also das Glas bei Biegung um Seite 2 im Mittel deutlich höhere
Festigkeiten und kleinere Biegeradien bis zum Bruch
erreicht, kann das Glas mit entgegengesetzter Biegung bei gleicher oder besserer Lebensdauer und
Bruchwahrscheinlichkeit enger gewickelt werden. Grund hierfür ist die geringe Varianz bei der Biegung um Seite 1. Hier wird zwar gerade die durch das Ritzrad an sich
geschädigte Kantenlinie unter Zugspannung gesetzt,
allerdings führen diese Schädigungen offensichtlich hier zu sehr gleichmäßigen Defektart und -Verteilung.
Die Erfindung ermöglicht es damit nun allgemein auch, bei unterschiedlichen Beschaffenheiten der Seitenflächen und insbesondere der Kantenlinien das Glas so aufzuwickeln, dass eine höhere Kurz- und LangzeitStabilität des Glasbands erzielt wird. Maßgeblich ist hierfür insbesondere der
Parameter Rmin gemäß Gleichung (2) . Anhand einer Auswertung des Minimalradius Rmin kann also eine Glasrolle 1 mit einem aufgerollten Dünnglasband 3 bereitgestellt werden, wobei das Dünnglasband 3 zwei gegenüberliegende Seitenflächen 34, 35 und Längskanten 32, 33 aufweist, wobei das Dünnglasband so aufgewickelt ist, dass diejenige Seitenfläche 34, 35 konvex gebogen ist, für welche Proben 10, die an den
Längskanten 32, 33 aus dem Dünnglasband 3 geschnitten und um die Längskanten 32, 33 in gleicher Richtung wie das Dünnglasband 3, also ebenfalls mit konvexer Biegung dieser Seitenfläche gebogen werden, gegenüber in Gegenrichtung gebogenen Proben 10 einen kleineren Wert Rmin gemäß
Gleichung (2) aufweisen. Da der Term mit dem
Exponentialfaktor 2-e_t die jeweiligen Werte für Rmin in gleicher Weise skaliert, kann dieser Term für den Vergleich hier auch entfallen. Demgemäß kann zur Bestimmung des Wicklungssinns gemäß einer Weiterbildung der Erfindung anstelle von Gleichung (2) als Parameter
(5) Rmn = (R> - 0,7 + exp ■2,3
(R)■ 0,053
angesetzt werden.
Da, wie vorstehend dargelegt, die Bruchfestigkeit und
Lebensdauer eines Dünnglasbands von der Richtung der
Biegung abhängen können, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass ein erster Satz von Proben 10 mit einer Biegerichtung und eine zweite Mehrzahl von Proben (10) mit entgegengesetzter Biegerichtung gebogen und die Parameter Rmin und Rmax für beide Sätze von Proben 10 getrennt ermittelt werden.
Dann kann die Biegerichtung des Dünnglasbands 3 zur
Herstellung der Dünnglasrolle 1 so ausgewählt werden, dass diese der Biegerichtung des Satzes von Proben 10
entspricht, für welchen der kleinere Wert von Rmin ermittelt wurde .
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt ist, sondern im Rahmen der Ansprüche vielfach variiert werden kann. So wurde anhand von Fig. 2 ein Bruchtest zur Ermittlung von Rmin und Rmax mittels eines Zweipunkt-Biegeverfahrens vorgenommen. Auch den in Fig. 3 gezeigten Messwerten liegt ein solcher Zweipunkt-Biegetest zugrunde. Es ist aber auch möglich, alternative Bruchtests zu verwenden, mit auf Radien Rx beim Bruch ermittelt werden können, oder mit welchen solche Radien errechenbar sind.
Die Herstellung der Dünnglasrolle umfasst jedenfalls das Aufwickeln, gegebenenfalls mit den beschriebenen
Zwischenlagen. Es können aber auch noch weitere
Verfahrensschritte hinzukommen. Insbesondere kann das Bereitstellen des Dünnglasbands 3 das Ziehen aus einer Schmelze oder einem erwärmten Vorkörper umfassen.
Bei Dünnglasbändern aus alkalihaltigen Glas kann in das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein Prozess zur chemischen Härtung des
Dünnglasbandes, im Folgenden auch als Glasband bezeichnet, durch Ionenaustausch integriert werden. Hierdurch kann die Festigkeit des Glasbandes erhöht werden.
Die chemische Härtung erfolgt durch Ionenaustausch. Der Prozess des chemischen Härtens, auch als chemisches
Vorspannen bezeichnet, umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte a) bis c) :
(a) Vorheizen des Glasbandes auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 550°C,
(b) chemisches Härten des Glasbandes durch
Ionenaustausch in den Oberflächenbereichen bei einer Härtungstemperatur im Bereich von 300 bis 550°C,
(c) Abkühlen des gehärteten Glasbandes auf eine
Temperatur < 150°C. Nach dem Prozess des chemischen Härtens wird das Glasband mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgerollt. Gemäß einer Ausführungsform des Härtungsprozesses weist das Glasband bevorzugt eine Dicke im Bereich von 30 bis 144 pm auf. Das Glasband wird durch einen Ionenaustausch chemisch gehärtet. Hierbei werden insbesondere Natrium- und/oder Lithiumionen in oberflächennahen Bereichen des Glasbandes zumindest teilweise durch Kaliumionen ersetzt. Hierzu werden vor Schritt a) und/oder in Schritt b) Kaliumionen auf die gegenüberliegenden Seitenflächen 34, 35 des
Glasbandes aufgebracht. Zunächst erfolgt in Schritt a) eine Erwärmung des
Glasbandes auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 550°C. Das Dünnglas wird hierbei auf die Temperatur
vorgeheizt, bei der in Schritt b) die chemische Härtung erfolgt. Durch das Vorheizen auf die Härtungstemperatur wird verhindert, dass sich im Dünnglas durch einen zu großen Temperaturunterschied während des chemischen Härtens bzw. durch eine zu schnelle Aufheizung des Glases
Spannungen im Glas bilden und das Dünnglas beim Härten bricht. Das Vorheizen kann beispielsweise in einem
Durchlaufofen erfolgen. Diese Variante bietet sich
insbesondere dann an, wenn das Glasband bereits in Form einer Glasrolle bereitgestellt und abgerolltwird, um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erneut zu einer Glasrolle aufgespult zu werden. So kann das Härtungsverfahren in einem roll-to-roll-Prozess integriert werden. In einer anderen Variante weist das Glasband, beispielsweise durch einen dem Verfahren vorgelagerten Ziehprozess, bereits vor Schritt a) eine Temperatur im Bereich der Härtungstemperatur TH auf. Hier kann somit auf ein aktives Aufheizen des Glasbandes in Schritt a)
verzichtet werden.
Nachdem das Dünnglasband in Schritt a) auf die
Härtungstemperatur vorgeheizt wurde, wird das Dünnglas in Schritt b) durch Ionenaustausch in den oberflächennahen Bereichen des Glasbandes chemisch gehärtet. Hierbei erfolgt ein Ionenaustausch, bei dem teilweise Lithium- und/oder Natriumionen in den oberflächennahen Bereichen des Glases gegen Kaliumionen ausgetauscht werden, die zuvor auf die gegenüberliegenden Seitenflächen des Glasbandes aufgebracht wurden .
Im nachfolgenden Schritt c) wird das gehärtete Glasband auf eine Temperatur < 150 °C abgekühlt. Die Verfahrensschritte a) bis c) werden bevorzugt in DurchlaufÖfen durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform des Härtungsprozesses wird das Glasband in Schritt a) in einem Durchlaufofen mit
Temperaturgradienten erhitzt. Hierdurch kann das Glasband besonders schonend erhitzt und so Spannungen im Glasband vermieden werden. Der verwendete Ofen weist bevorzugt einen Temperaturgradienten auf, der vom einen Ende des Ofens zu dessen anderen Ende hin ansteigt. Somit weist der Ofen am einen Ende eine untere Temperatur Tu und am anderen Ende eine obere Temperatur TQ auf, wobei gilt Tu < T0. Die
Temperatur des Ofens steigt dabei relativ zur
Transportrichtung des Glasbandes an, d.h. das Glasband tritt durch das Ende des Ofens mit der Temperatur Tu in den Ofen ein. Ein Temperaturgradient zwischen einer unteren Temperatur Tu < 150 °C und einer oberen Temperatur TQ im Bereich von 350 bis 500°C hat es sich in Hinblick auf den Abbau von Spannungen im Glasband sowie auf die
Prozesszeiten als besonders vorteilhaft herausgestellt. Bevorzugt entspricht die obere Temperatur TQ der
Härtungstemperatur TH.
In Schritt b) erfolgt eine chemische Härtung des Glasbandes durch zumindest teilweisen Austausch von Natrium- und/oder Lithiumionen in oberflächennahen Bereichen des Glasbandes durch Kaliumionen. Die Kaliumionen werden dabei vor dem Härtungsprozess auf die gegenüberliegenden Seitenflächen des Glasbandes aufgebracht. Die gewünschte Eindringtiefe der Kaliumionen (depth of layer, DOL) und der Grad der Festigkeitssteigerung Cs kann über die Verfahrensparameter Härtungstemperatur TH und Härtungszeit tH eingestellt werden. Die Härtungszeit tH, d.h. die Verweildauer im
Härtungsofen kann dabei durch die Vorschubgeschwindigkeit des Glasbandes sowie die Länge des Härtungsofens bzw. die Länge des Transportweges, den das Glasband im Härtungsofen zurücklegt, eingestellt werden. Geeignete Materialien für die Rolle im Härtungsofen sind insbesondere Glas, Keramik, Metall oder Verbundwerkstoffe aus diesen Materialien.
Nach dem Härtungsschritt b) erfolgt in Schritt c) ein
Abkühlen des gehärteten Glasbandes. Um Spannungen im gehärteten Glas zu vermeiden, ist es vorteilhaft, einen Ofen mit Temperaturgradienten zu verwenden. Der Ofen ist bevorzugt als Durchlaufofen ausgebildet und weist an einem Ende eine obere Temperatur TQ und am anderen Ende eine untere Temperatur Tu auf. Das gehärtete Glasband wird durch den Ofen geführt, wobei es am Ofenende mit der oberen
Temperatur TQ in den Ofen eintritt, im Ofen abkühlt und den Ofen bei der Temperatur Tu verlässt. Eine untere Temperatur Tu von < 150°C hat sich als vorteilhaft herausgestellt.
Bevorzugt beträgt die obere Temperatur TQ des Ofens 350 bis 550°C. Insbesondere bei einer oberen Temperatur TQ, die der Härtungstemperatur TH im nachfolgenden Schritt b)
entspricht hat sich als besonders vorteilhaft
herausgestellt. Die Temperatur des Ofens steigt dabei relativ zur Transportrichtung des Glasbandes an, d.h. das Glasband tritt durch das Ende des Ofens mit der Temperatur Tu in den Ofen ein. Ein Temperaturgradient zwischen einer unteren Temperatur Tu < 150 °C und einer oberen Temperatur T0 im Bereich von 350 bis 500°C hat es sich in Hinblick auf den Abbau von Spannungen im Glasband sowie auf die
Prozesszeiten als besonders vorteilhaft herausgestellt. Bevorzugt entspricht die obere Temperatur TQ der
Härtungstemperatur TH.
In Schritt b) erfolgt eine chemische Härtung des Glasbandes durch zumindest teilweisen Austausch von Natrium- und/oder Lithiumionen in oberflächennahen Bereichen des Glasbandes durch Kaliumionen. Die Kaliumionen werden dabei vor dem Härtungsprozess auf die Oberfläche des Glasbandes, d.h. dessen gegenüberliegenden Seitenflächen aufgebracht. Die gewünschte Eindringtiefe der Kaliumionen (depth of layer, DOL) und die Höhe der Druckspannung Cs kann über die
Verfahrensparameter Härtungstemperatur TH und Härtungszeit tH eingestellt werden. Die Härtungszeit tH, d.h. die
Verweildauer im Härtungsofen kann dabei durch die
Vorschubgeschwindigkeit des Glasbandes sowie die Länge des Härtungsofens bzw. die Länge des Transportweges, den das Glasband im Härtungsofen zurücklegt, eingestellt werden. Geeignete Materialien für die Rolle im Härtungsofen sind insbesondere Glas, Keramik, Metall oder Verbundwerkstoffe aus diesen Materialien.
Nach dem Härtungsschritt b) erfolgt in Schritt c) ein
Abkühlen des gehärteten Glasbandes. Um Spannungen im gehärteten Glas zu vermeiden, ist es vorteilhaft, einen Ofen mit Temperaturgradienten zu verwenden. Der Ofen ist bevorzugt als Durchlaufofen ausgebildet und weist an einem Ende eine obere Temperatur TQ und am anderen Ende eine untere Temperatur Tu auf. Das gehärtete Glasband wird durch den Ofen geführt, wobei es am Ofenende mit der oberen
Temperatur TQ in den Ofen eintritt, im Ofen abkühlt und den Ofen bei der Temperatur Tu verlässt. Eine untere Temperatur Tu von < 150°C hat sich als vorteilhaft herausgestellt.
Bevorzugt beträgt die obere Temperatur TQ des Ofens 350 bis 550°C. Insbesondere bei einer oberen Temperatur TQ, die der Härtungstemperatur TH im nachfolgenden Schritt b)
entspricht hat sich als besonders vorteilhaft
herausgestellt .
Eine Weiterbildung des Härtungsprozesses sieht vor, dass in Schritt a) und Schritt c) derselbe Durchlaufofen mit einem Temperaturgradienten verwendet wird. Da hier nur ein Ofen notwendig ist, kann sowohl die Vorrichtung kompakter gestaltet als auch Energie eingespart werden. Der Härtungsprozess während des erfindungsgemäßen
Transports kann im Anschluss an den Ziehprozess vor dem Aufwickeln zu einer Glasrolle erfolgen. Das gezogene Glasband wird gereinigt, getrocknet gehärtet. Da das Glas bei hohen Temperaturen gezogen wird und somit vor dem
Härtungsprozess eine entsprechend hohe Temperatur aufweist, kann die Dauer des Vorheizens verringert werden oder dieser Verfahrensschritt kann sogar ganz entfallen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Glasband nach dem Ziehprozess eine Temperatur im Bereich der Härtungstemperatur TH aufweist . Die Kaliumionen können gemäß einer Variante auf die
Oberfläche des Glasbandes aufgebracht werden, in dem das Glasband in Schritt b) durch eine kaliumhaltige Schmelze, beispielsweise eine KNO3 haltige Schmelze, geführt wird.
Alternativ der zusätzlich kann eine kaliumhaltige
Salzlösung auf die Ober- und Unterseite des Glasbandes, d.h. auf die obere und die untere Seitenfläche des
Glasbandes aufgebracht werden. Das Aufbringen der
Kaliumionen erfolgt in diesem Fall bevor das Glasband durch den Härtungsofen geführt wird. Bevorzugt wird die
kaliumhaltige Salzlösung vor dem Vorheizen des Glasbandes (Schritt a) ) auf die gegenüberliegenden Seitenflächen des Glasbandes aufgebracht. Neben dem Vorheizen des Glasbandes wird hierbei in Schritt a) auch das Lösungsmittel
verdampft .
Die kaliumhaltige Salzlösung kann beispielsweise durch einen Sprühprozess auf die Oberfläche des Glasbandes aufgebracht werden. Bei der kaliumhaltigen Salzlösung handelt es sich bevorzugt um eine wässrige Lösung der Salze KN03, K3P04, KCl, KOH und/oder K2C03. Somit kann eine Glasrolle eines alkalihaltigen, chemisch vorgespannten Dünnglases mit einer Dicke < 200 pm erhalten werden. Auch Glasrollen mit chemisch vorgespannten
Dünngläsern mit einer Glasdicke im Bereich von nur 30 bis 145 pm können so erhalten werden.
Insbesondere ist das Glasband an in den oberflächennahen Bereichen mit Kaliumionen angereichert. Die Eindringtiefe DOL beträgt in einer Ausführungsform bis zu 30 pm.
Bevorzugt weisen die Gläser der Glasrolle eine
Eindringtiefe DOL im Bereich von 2 bis 8 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 5 pm auf.
Gläser mit diesen Eindringtiefen weisen eine ausreichend hohe Festigkeit auf, um diese beispielsweise als Deckgläser für Touchdisplays in mobilen elektronischen Geräten zu verwenden. Gleichzeitig werden für diese relativ geringen Austauschtiefen nur kurze Härtungszeiten benötigt, was unter verfahrenstechnischen Gesichtspunkten vorteilhaft ist. So kann die Härtungszeiten tH auf eine Dauer von weniger als einer Stunde oder sogar < 30 Minuten verringert werden. Selbst Härtungszeiten tH im Bereich von lediglich 10 bis 20 Minuten sind somit möglich. Eine möglichst kurze Härtungszeit tH ist bei dem in den
Transport des Glasbandes integrierten Härtungsprozess von höherer Relevanz als beim konventionellen Verfahren, bei dem das Glas beim Ionenaustausch stationär in einer
Salzschmelze verharrt. So können beim integrierten
Härtungsverfahren hohe Härtungszeiten tH den gesamten
Aufwickelprozess verlangsamen und sehr geringe Vorschubgeschwindigkeiten und/oder eine lange
Transportstrecke erforden.
Alternativ oder zusätzlich sind verschiedene
Kantenbearbeitungen möglich. Diese können insbesondere im Hinblick auf eine Verbesserung der Kantenfestigkeit
vorgenommen werden. Mit einer Verbesserung der
Kantenfestigkeit verschiebt sich dann auch im Allgemeinen der durch die Parameter Rmin, Rmax vorgegebene Bereich zu kleineren Werten.
Eine erfolgreiche Kantenbearbeitung kann, wie anhand des Beispiels der Fig. 3 erläutert wurde, dabei nicht nur darin liegen, die mittlere Bruchfestigkeit zu erhöhen. Vielmehr ist auch die Varianz entscheidend dafür, wie eng ein
Dünnglasband 3 aufgerollt werden kann, ohne die Gefahr eines Bruchs zu erhöhen. Hier ist nicht nur die Varianz in absoluten Werten entscheidend, sondern insbesondere die relative Varianz s/<R>, die ja auch im Exponenten der
Gleichungen (2), (3) enthalten ist. Gemäß noch einer
Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Längskanten 34, 35 des Dünnglasbands 1 so bearbeitet werden, dass die relative Varianz, beziehungsweise das Verhältnis von Varianz s zu Mittelwert <R> beim Bruch von Proben 10 mit gleicher Biegerichtung wie das Dünnglasband (3) auf der Glasrolle (1) sinkt. Diese relative Varianz bezieht sich dabei insbesondere auf den Bruch an Kanten 22, 23, die durch Abschnitte der Längskanten 34, 35 des
Dünnglasbands 3 gebildet werden. Für eine erfindungsgemäße Glasrolle 1 werden dementsprechend allgemein auch Dünnglasbänder 3 bevorzugt, bei denen die relative Varianz beim Bruch von Proben 10 aus dem Dünnglasband 3 kleiner als 0,15 beträgt. Zum Vergleich liegt die relative Varianz s/<R> für die Biegeradien bei dem mit „Seite 1" bezeichneten Histogramm bei 0,05279. Bei dem mit „Seite 2" bezeichneten Histogramm liegt die
relative Varianz demgegenüber bei 0,2633. Gerade dies führt trotz der hohen mittleren Festigkeit dazu, dass das
Dünnglasband bei engem Aufwickeln ein höheres Bruchrisiko aufweist. Wie anhand dieses Beispiels ersichtlich, kann eine Kantenbearbeitung überraschend sogar die mittlere Festigkeit herabsetzen und dennoch ein engeres Aufwickeln des Dünnglases ermöglichen, wenn gleichzeitig auch die Varianz absinkt.
In den Fig. 4 bis 7 werden Verfahrensschritte des
Härtungsprozesses schematisch dargestellt. Der dargestellte Härtungsprozess kann in das erfindungsgemäße Verfahren integriert werden.
Bei dem in Fig. 4 schematisch dargestellten Härtungsprozess weist das Dünnglas eine Dicke im Bereich von 30 bis 144 pm auf. Die Pfeile symbolisieren hierbei die Bewegungsrichtung des mittels der Rollen 130, 131, 132, 133, 134
transportierten Glasbandes 3. In diesem Beispiel wird das Glasband 3 von einer Glasrolle 100 abgerollt, chemisch gehärtet und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu der Glasrolle 1 aufgerollt.
Das abgerollte Glasband 3 wird zunächst gereinigt und getrocknet. Dieser Verfahrensschritt wird schematisch durch das Rechteck 140 dargestellt. Nachfolgend wird das Glasband 3 durch einen Ofen 150 geleitet. Im Durchlaufofen 150 wird das Glasband 3 auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 550°C erwärmt und verlässt den Durchlaufofen 150 mit einer Temperatur im Bereich der Härtungstemperatur TH. Hierdurch werden durch einen Temperaturunterschied induzierte
Spannungen im Glasband im nachfolgenden Schritt c)
vermieden. Besonders vorteilhaft hat sich hierbei die
Erwärmung des Glasbandes 3 in einem Durchlaufofen 150 mit Temperaturgradienten herausgestellt. Der Temperaturgradient des Ofens 150 wird schematisch durch den Pfeil 220
dargestellt. Der Temperaturgradient des Ofens wird durch die untere Temperatur Tu und die obere Temperatur TQ des Ofens gebildet. Die Öffnung des Ofens 150, durch die das Glasband 3 in den Ofen eintritt weist dabei die Temperatur Tu auf. Innerhalb des Ofens steigt die Temperatur bis zur Temperatur TQ an, so dass das Glasband 3 beim Verlassen des Ofens eine Temperatur TQ oder nahe To aufweist. Bevorzugt liegt die Temperatur Tu im Bereich von 20 bis 150°C
und/oder die obere Temperatur TQ im Bereich von 350 bis 550°C. Durch das Aufheizen des Glasbandes 3 mit einem entsprechenden Temperaturgradienten wird ein
Spannungsaufbau im Glas vermieden. Als besonders
vorteilhaft hat sich hierbei das Erwärmen des Glasbandes auf eine Temperatur herausgestellt, die der
Härtungstemperatur TH in Schritt b) entspricht.
Das in Schritt a) vorgeheizte Glasband 3 wird in Schritt b) durch den Härtungsofen 160 geführt. Der Härtungsofen weist eine Härtungstemperatur TH im Bereich von 300 bis 550°C auf. Die Härtungstemperatur TH, d.h. die Temperatur, bei welcher der Ionenaustausch statt findet, ist dabei abhängig vom der jeweiligen Glaszusammensetzung des Glasbandes sowie von der zu erreichenden Austauschtiefe DOL und der
gewünschten Druckspannung Cs . Im Härtungsofen 160 befindet sich eine Salzschmelze 170, durch die das Glasband 3 gezogen wird. Die Salzschmelze 170 enthält Kaliumionen, so dass in den oberflächennahen
Bereichen des Glasbandes ein Ionenaustausch stattfindet, bei dem Natrium- und/oder Lithiumionen gegen Kaliumionen ausgetauscht werden.
Die Rolle 132 des Härtungsofens 160 befindet sich in dieser Ausführungsform ganz oder teilweise in der Salzschmelze 170, so dass das Material der Rolle 132 inert oder
zumindest weitgehend inert gegenüber der Salzschmelze sein sollte. Als geeignete Materialien für die Rolle 132 haben sich Glas, Metalle und Keramiken herausgestellt. Auch
Verbundmaterialien aus Glas, Metall und/oder Keramik können eingesetzt werden.
Die Vorschubgeschwindigkeit des Glasbandes 3 wird so eingestellt, dass sich das Glasband für die benötigte
Härtungszeit tH innerhalb der Glasschmelze befindet. Die Härtungszeit tH ist abhängig von der Härtungstemperatur TH sowie der zu erzielenden Austauschtiefe DOL. So können beispielsweise Eindringtiefen im Bereich von 3 bis 5 pm bereits mit Härtungszeiten zwischen 10 und 20 Minuten erreicht werden. Nach dem Härtungsprozess wird das gehärtete Glasband in
Schritt c) in einem weiteren Durchlaufofen 180 abgekühlt. Der Durchlaufofen 180 gewährleistet hierbei eine langsame Abkühlung des Glasbandes 3, so dass Spannungen im Glas vermieden werden. In der gezeigten Ausführungsform weist der Ofen 180 ebenfalls einen Temperaturgradienten auf.
Dieser wird durch den Pfeil 221 dargestellt. Der Ofen 180 weist an der Öffnung, durch die das Glasband 3 in den Ofen 180 eintritt eine Temperatur TQ auf. Mit der
Bewegungsrichtung des Glasbandes 3 nimmt die Temperatur im Ofen 180 ab, so dass der Ofen an der Öffnung, durch die das Glasband 3 den Ofen verlässt eine Temperatur Tu aufweist, wobei gilt TQ > Tu. Bevorzugt liegt die Temperatur TQ im Bereich der Härtungstemperatur TH.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Abkühlung auf
Temperaturen < 150°C herausgestellt. Fig. 5 zeigt eine Variante des Härtungsprozesses, bei der sich das Härtungsverfahren im Anschluss an einen
Ziehprozess (nicht dargestellt) zur Herstellung eines
Dünnglasbandes 3 anschließt. Da das Glasband 3 nach dem Ziehprozess eine Temperatur aufweist, die im Bereich der Härtungstemperatur TH oder sogar darüber liegt, kann in der in Fig. 5 dargestellten Variante ein Vorheizen des
Glasbandes 3 in Schritt a) entfallen. Diese Variante ist daher insbesondere unter energetischen Gesichtspunkten besonders vorteilhaft.
Das Glasband 101 wird lediglich gereinigt und getrocknet und durchläuft anschließend die Verfahrensschritte b) und c) analog zu der in Fig. 1 gezeigten Variante des
Härtungsprozesses .
Die zum Ionenaustausch benötigten Kaliumionen können auch in Form einer Lösung auf die gegenüberliegenden Seitenflächen des Glasbandes 3 aufgebracht werden. Dies ist in Fig. 6 schematisch eine dargestellt. Das Glasband 3 wird zunächst von der gereinigt und getrocknet. In einem nachfolgenden Schritt durchläuft das Glasband 3 die
Vorrichtung 210, mit der die Lösung 211 eines Kaliumsalzes auf die Ober- und die Unterseite des Glasbandes 3
appliziert wird. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine wässrige Lösung. In der gezeigten Ausführungsform wird die Lösung 211 auf die Oberflächen des Glasbandes gesprüht. Nachfolgend durchläuft das so behandelte Glasband 3 in
Schritt a) den Ofen 150, in dem es auf eine Temperatur im Bereich der Härtungstemperatur TH erhitzt wird. Hierbei verdampft das Lösungsmittel. Anschließend durchläuft das Glasband 110 den Härtungsofen 160, welcher eine Temperatur TH im Bereich von 300 bis 550°C aufweist. In diesem Schritt b) erfolgt der Ionenaustausch, bei dem in den
oberflächennahen Bereichen des Glasbandes Natrium- und/oder Lithiumionen gegen die zuvor auf die Glasoberfläche
aufgebrachten Kaliumionen ausgetauscht werden. Die gewählte Durchlaufzeit tH ist dabei abhängig von der gewünschten Austauschtiefe DOL.
In Fig. 7 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei der das Glasband 3 in Schritt a) und Schritt c) durch denselben Durchlaufofen 230 mit Temperaturgradient geleitet werden. Der Ofen 230 weist einen Temperaturgradienten, dargestellt durch den Pfeil 220, mit einer unteren Temperatur Tu und einer oberen
Temperatur TQ auf. Durch die beiden gegenüber liegenden Öffnungen 231 und 232 gelängt das Glasband 3 in bzw. aus dem Ofen 230. Der Ofen weist dabei an der Öffnung 231 eine untere Temperatur Tu und an der Öffnung 232 eine obere Temperatur To auf, wobei gilt: TQ > Tu
Das Glasband 3 wird gemäß dieser Variante in Schritt a) durch die Öffnung 231 in den Ofen 230 geleitet. Während das Glasband 110 in Schritt a) den Ofen 230 durchläuft, wird es erwärmt und verlässt den Ofen 230 durch die Öffnung 232 mit der Temperatur T0. Im nachfolgenden Schritt b) erfolgt der Ionenaustausch im Ofen 160. Der Härtungsofen 160 weist gemäß dieser Variante der Erfindung lediglich eine Öffnung 161 auf. Die Härtungsrolle 131 ist in dieser Variante der Erfindung als Umlenkrolle ausgebildet, so dass das Glasband 3 durch die Härtungsrolle eine Änderung der
Bewegungsrichtung erfährt. Nachdem das Glasband 3 für die Härtungsdauer tH innerhalb des Ofens 160 auf die
Härtungstemperatur TH erwärmt wurde, verlässt das Glasband 110 den Ofen 160 durch die Öffnung 161. Zum Abkühlen des so gehärteten Glasbandes 3 wird dieses in Schritt c) durch die Öffnung 232 in den Ofen 230 gezogen. Hierbei kühlt das Glasband durch den Temperaturgradienten des Ofens langsam auf die untere Temperatur Tu ab, tritt aus der Öffnung 231 aus dem Ofen 230 und kann zur Glasrolle 1 aufgerollt werden .

Claims

Patentansprüche :
Dünnglasrolle (1) mit einem aufgerollten Dünnglasband (3) mit einer Länge von mindestens 10 Metern und einer Dicke von höchstens 200 Mikrometern, wobei der
Innenradius des aufgerollten Dünnglasbands (3) im Bereich von
R ■■(«)■ 0,7 + exp - 2,3 > bis
(R) - 0,053
Figure imgf000033_0001
li wobei <R> den Mittelwert und
Figure imgf000033_0002
die Varianz der Biegeradien beim Bruch einer Mehrzahl N von Proben (10) aus dem gleichen Glasmaterial mit gleicher Dicke und gleich beschaffenen Glaskanten wie das Glasmaterial des Dünnglasbands (3) sind, wobei R± die Biegeradien sind, bei welchen die Proben (10) jeweils brechen, und t eine Mindest-Dauer in Tagen ist, welche die Dünnglasrolle ohne Bruch übersteht.
Dünnglasrolle (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Dicke höchstens 100 pm und mindestens 5 pm beträgt.
Dünnglasrolle gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnglas ein
alkalifreies Borosilikatglas mit einer Dicke von 50 Mikrometern ist, wobei der Durchmesser des Rollenkerns der Dünnglasrolle zwischen 30 Millimetern und 83 Millimetern liegt.
Dünnglasrolle (1) gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche, bei welcher ein Bahnmaterial (7) mit eingewickelt ist, welches in der Dünnglasrolle (1) aufeinanderfolgende Glaslagen trennt.
Dünnglasrolle (1) mit einem aufgerollten Dünnglasband (3) , insbesondere gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei das Dünnglasband 3 zwei
gegenüberliegende Seitenflächen (34, 35) und
Längskanten (32, 33) aufweist, wobei das Dünnglasband (3) so aufgewickelt ist, dass diejenige Seitenfläche (34, 35) konvex gebogen ist, für welche Proben (10), die an den Längskanten (32, 33) aus dem Dünnglasband (3) geschnitten und um die Längskanten (32, 33) in gleicher Richtung wie das Dünnglasband (3) gebogen werden, gegenüber in Gegenrichtung gebogenen Proben
(10) einen kleineren Wert = {R) ' 0,7 + exp - 2,3
(R) - 0,053 fweisen, wobei <R> den Mittelwert und
Figure imgf000034_0001
die Varianz der Biegeradien beim Bruch der Proben (10) ist, wobei R± die Biegeradien sind, bei welchen die Proben (10) jeweils brechen.
Dünnglasrolle gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Varianz, gegeben durch das Verhältnis s/<R> beim Bruch von Proben 10 aus dem Dünnglasband (3) kleiner als 0,15 beträgt .
7. Dünnglasrolle gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnglasband (3) aus einem alkalihaltigen Glas besteht und chemisch
gehärtet ist.
8. Dünnglasrolle ( 1 ) gemäß dem vorstehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnglasband (3) eine Austauschtiefe DOL im Bereich von 3 bis 5 pm aufweist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Dünnglasrolle (1) mit einem aufgerollten Dünnglasband (3) mit einer Länge von mindestens 10 Metern und einer Dicke von höchstens 200 Mikrometern, bei welchem
- mit einem Bruchtest der Mittelwert <R> der
Biegeradien Rx beim Bruch einer Mehrzahl N von Proben (10) unter fortschreitend größer werdender
Bie ebelastung, sowie die Varianz
Figure imgf000035_0001
ermittelt werden, und
- ein Dünnglasband (3) aus dem gleichen Glasmaterial mit gleicher Dicke und gleich beschaffenen Glaskanten wie das Glasmaterial der Proben (10) bereitgestellt und zu einer Dünnglasrolle (1) aufgewickelt wird, wobei der Innenradius der Dünnglasrolle (1), welcher der Radius der innersten Lage des Dünnglasbands (3) auf der Dünnglasrolle (1) ist, so gewählt wird, dass dieser im Bereich von
Figure imgf000035_0002
Figure imgf000036_0001
liegt, wobei t eine vorgegebene Mindest-Dauer in Tagen ist, welche die Dünnglasrolle ohne Bruch überstehen soll .
10. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens zwanzig, vorzugsweise mindestens fünfzig Proben (10) des Dünnglases bis zum Bruch mit einer Biegebelastung belastet werden, um den Mittelwert <R> der Biegeradien Rx und deren Varianz zu ermitteln .
11. Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Satz von Proben (10) mit einer Biegerichtung und eine zweite Mehrzahl von Proben (10) mit entgegengesetzter Biegerichtung gebogen und die Parameter Rmin und Rmax für beide Sätze von Proben (10) getrennt ermittelt werden .
12. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass die Biegerichtung des
Dünnglasbands (3) zur Herstellung der Dünnglasrolle (1) so ausgewählt wird, dass diese der Biegerichtung des Satzes von Proben (10) entspricht, für welchen der kleinere Wert von Rmin ermittelt wurde.
13. Verfahren gemäß einem der vier vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längskanten (34, 35) des Dünnglasbands (3) so bearbeitet werden, dass die relative Varianz, welche durch das Verhältnis von Varianz s zu Mittelwert <R> beim Bruch von Proben (10) an Kanten (22, 23), die durch Abschnitte der
Längskanten (34, 35) des Dünnglasbands (3) gebildet werden, sinkt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnglasband (3) während des Aufwickeins chemisch gehärtet wird und der Prozess des chemischen Härtens zumindest die folgenden Schritte umfasst:
(a) Vorheizen des Glasbandes (3) auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 550°C,
(b) chemisches Härten des Glasbandes (3) durch
Ionenaustausch in den Oberflächenbereichen bei einer Härtungstemperatur TH im Bereich von 350 bis 550°C und
(c) Abkühlen des Glasbandes (3) auf eine Temperatur < 150°C, wobei vor Schritt (a) und/oder in Schritt (b)
Kaliumionen auf Ober- und Unterseite des Glasbandes (3) aufgebracht werden, das Glasband (3) in Schritt (b) auf die Härtungstemperatur TH erwärmt wird und die
Schritte (a) bis (c) in DurchlaufÖfen (150, 160, 180,
230) erfolgen.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei vor Schritt a) eine Lösung eines Kaliumsalzes (211) auf die Ober- und Unterseite des Dünnglasbandes (3) aufgebracht, bevorzugt gesprüht wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die kaliumhaltige Salzlösung (211 ) eine wässrige Lösung ist und Salze ausgewählt aus der Gruppe gebildet von KNO3 , K3P O4 ,
KCl, Koh, K2CO3 und/oder deren Mischungen enthält.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 und 16, wobei die kaliumhaltige Salzlösung (211) die Oberflächen des Dünnglasbandes (3) gesprüht wird.
18. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Dünnglasband (3) in Schritt b) durch eine kaliumhaltige
Salzschmelze (170) geführt wird.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Dünnglasband (3) in Schritt (a) einen
Durchlaufofen (150, 230) mit Temperaturgradienten durchläuft .
20. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die untere
Temperatur des Ofens Tu < 150 °C beträgt und die obere Temperatur des Ofens TQ im Bereich von 350 bis 550°C liegt .
21. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 20, wobei in Schritt (c) das Dünnglasband (3) in einem Ofen (180, 230) mit Temperaturgradienten abgekühlt wird, wobei die untere Temperatur des Ofens Tu < 150 °C beträgt und die obere Temperatur des Ofens TQ im
Bereich von 350 bis 550°C liegt. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei in Schritt (c) derselbe Ofen (230) verwendet wird wie in Schritt (a) . 23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei die Rolle des Härtungsofens (132) aus Glas, Keramik, Metall oder einem Verbundwerkstoff aus Glas, Keramik und/oder Metall besteht. 24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei die Härtungszeit tH so gewählt wird, dass eine
Austauschtiefe DOL im Bereich von 1 bis 10 pm, bevorzugt 3 bis 5 pm erreicht wird. 25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 24, wobei das Dünnglasband (3) eine Dicke < 145 pm, bevorzugt eine Dicke im Bereich 30 bis < 144 pm aufweist.
26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 25, wobei das Vorheizen in Schritt a) entfällt.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14bis 26, wobei das Dünnglasband (3) in Form einer Glasrolle bereit gestellt wird und das Verfahren als roll-to-roll- Prozess ausgebildet ist.
28. Verwendung der Glasrolle (1), hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 27 in einem roll-to-roll-Prozess , wobei der roll-to-roll-Prozess einen Beschichtungsschritt und/oder einen
Prozessschritt zur Bestückung von Bauteilen umfasst.
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