拉制低液相線粘度玻璃的方法和設備的製作方法

2023-05-18 16:43:16

專利名稱：拉制低液相線粘度玻璃的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及形成玻璃板的方法和設備，具體說來，是使在成形楔(forming wedge)上流動的熔融玻璃沿著厚度方向形成溫降(temperature drop),以便能夠通過 下拉工藝拉制低粘度玻璃。
背景技術：
以液晶顯示器(LCD)形式出現的玻璃顯示板在越來越多的領域得到應用_一 從手持式個人數字助理(PDA)到計算機顯示器，再到電視螢屏。這些應用要求玻璃 板具有潔淨的無瑕疵表面。LCD至少由幾塊薄玻璃板組成，它們密封在一起形成 包封結構。人們非常希望包含這些顯示元件的玻璃板在切割時不變形，從而使元件 之間保持準確定位(registration)或對齊。在將玻璃切割成小片玻璃的時候，如果玻 璃中可能存在的固有殘餘應力得以釋放，則可能導致玻璃變形，從而失去準確定位。一般地，LCD屬於無定形矽(a-Si)薄膜電晶體(TFT)類型，或者屬於新近出現 的多晶矽(p-Si或多Si)TFT類型。採用p-Si加工工藝，有可能在玻璃基板上直接建 立顯示驅動電路。相反，a-Si要求使用一個個獨立的驅動晶片，必須用集成電路封 裝技術將它們組裝到顯示器外圍。由a-Si發展到p-Si，對玻璃基板的使用提出了重要挑戰。多-Si塗層比a-Si 需要高得多的加工溫度，在600 — 700。C範圍內。因此，當加熱到這樣的溫度時， 玻璃基板必須對熱穩定。熱穩定性(即熱壓縮性或熱收縮性)取決於特定玻璃組合物 的固有粘性(用其應變點表示)和玻璃板的受熱歷程，所述受熱歷程由製造工藝決 定。對於玻璃基板，諸如多-SiTFT所需的高溫加工可能要求長時間退火，以確保 其壓縮程度較低。用於光學顯示器的玻璃的一種製造方法是溢流下拉工藝。美國專利第3,338,696和3,682,609號(Dockerty)提出了一種熔合下拉工藝，其包括讓熔融玻璃從通常稱作隔離管(isopipe)的成形楔的邊緣或坎(weir)流出，所述專利的整體內容通過參考結合於此。熔融玻璃從隔離管的兩個相交成形表面上流過，兩股獨立的流體在兩個相交成形表面相遇的頂部或根部重新合併，形成玻璃帶或玻璃板。因此，已經與成形表面接觸的玻璃位於玻璃板內部，而玻璃板外表面沒有接觸。將拉制輥置於隔離管根部的下遊，抓住玻璃帶的邊緣部分，調節玻璃帶離開隔離管的速率，從而幫助確定成品玻璃板的厚度。隨後，從成品玻璃板上移走接觸過的邊緣部分。在玻璃帶從隔離管根部下降並通過拉制輥的過程中，它冷卻形成固態彈性玻璃帶，接 下來可將其切割成小玻璃板。當前，熔合拉制工藝的局限與待加工玻璃的材料性質有關。眾所周知，當起 初呈熔融狀態的玻璃組合物接觸足夠低的溫度至顯著長的時間後，就會開始形成晶 相。開始形成這些晶相的溫度稱作液相線溫度。晶化點也可用液相線粘度指示，所 述粘度是特定玻璃組合物在液相線溫度下的粘度。如人們所公知且在當前所做的那樣，當採用熔合拉制工藝時，需要將玻璃在 離開隔離管時的粘度維持在大於約100000泊，更典型地大於約130000泊的數值。 如果玻璃的粘度小於約100000泊，玻璃板的質量將下降，例如，在維持玻璃板的 平坦度和控制玻璃板沿其寬度方向的厚度方面，這樣製得的玻璃板不再適合用於顯 示器。根據當前的做法，如果在一定條件下加工液相線粘度小於約100000泊的玻璃組合物，使得玻璃板具有足夠的尺寸質量，那麼隔離管上將變得不透明，並且在玻 璃板中形成晶體顆粒。對於顯示器玻璃應用，這是不可接受的。發明內容在本發明的一個實施方式中，提出了形成玻璃板的方法，它包括使液相線粘度小於約100000泊的熔融玻璃流過成形楔，形成玻璃帶，所述成形楔包含在一個 頂點相交的成形表面；對包含於成形楔的導電材料通電流，對該頂點加熱；冷卻熔 融玻璃的表面，其中加熱和冷卻操作足以使靠近成形表面的熔融玻璃沿其厚度方向 形成大於約2(TC的溫降。在本發明的另一個實施方式中，提供了形成玻璃板的設備，它包含成形楔和 導電材料，其中所述成形楔包含在一個頂點相交的成形表面，所述導電材料用於在其中通電流時加熱流過成形表面的熔融玻璃。優選在所述頂點附近加熱玻璃。在下面結合附圖所作的解釋性描述中，本發明將更容易理解，其他目標、特 徵、細節和優點也將更加顯而易見，所述描述不構成任何限制。所有這樣的其他特 徵和優點都意在涵蓋在本說明書中，包含在本發明的範圍內，並受所附權利要求保 護。


圖1是熔合下拉設備的局部截面透視圖。圖2是圖1所示成形楔的局部截面圖，顯示玻璃正流過其相交平面。圖3是圖1所示成形楔的局部截面圖，顯示了包埋在成形楔中靠近成形楔頂 點處的導電材料，用於加熱流過成形表面的玻璃。圖4是圖1所示成形楔的局部截面圖，顯示了在成形楔頂點附近覆蓋成形楔 的導電材料，用於加熱流過成形表面的玻璃。圖5是圖1所示成形楔的局部截面圖，顯示了由包含導電材料的帽子形成的 成形楔的頂點，用於加熱流過成形表面的玻璃。圖6是圖5所示成形楔的局部截面圖，由包含導電材料和空隙的帽子形成的 成形楔的頂點。圖7是圖1所示成形楔的局部截面圖，顯示了含有龍骨部件的成形楔，所述 龍骨部件由導電材料形成，用於加熱玻璃。圖8是圖l所示成形楔的局部截面圖，顯示了包含成形楔的包覆型導電元件， 以及處於與成形表面相對位置的器件，用於冷卻流過成形表面的玻璃。發明詳述在以下詳述中，為了說明而非限制的目的，提出了揭示具體細節的示例性實 施方式，以便透徹理解本發明。然而，對本領域的普通技術人員來說顯而易見的是， 藉助於本說明書，可通過其具體細節與本說明書不同的其他方式實施本發明。此外， 對公知設備、方法和材料的描述有可能省略，以免幹擾對本發明的描述。最後，只 要適用，相同的附圖標記指示相同的部件。6本說明書所用下拉玻璃板製造工藝是指任何形式的玻璃板製造工藝，只要玻 璃板是通過向下牽拉粘性玻璃形成的。尤其是在熔合下拉成形工藝中，熔融玻璃流 入槽中，然後溢出，從管道或成形楔兩側同時衝下。兩股流體在稱作根部的地方(管 道終止和玻璃的兩股溢流部分重新結合的地方)熔合在一起，向下牽拉合併的流體， 直至其冷卻。溢流玻璃板製造工藝可藉助圖1進行描述，其中成形楔IO包含向上開口的溝槽12，溝槽的縱向側面連有壁部分14，所述壁部分向上延伸到相對的縱向延伸的 溢流嘴或坎16為止。坎16與成形楔10外側兩個相對的玻璃板成形表面連接。如 圖所示，成形楔10配有一對基本上豎直的成形表面部分18，它們與坎16相連； 以及一對向下傾斜的相交表面部分20，所述表面部分終止於基本上水平的下頂點 22，形成筆直的玻璃牽拉線。藉助與溝槽12相通的輸送通道26，將熔融玻璃24送入溝槽12。送入溝槽12 的進料可以是單端送入，或者需要的話，可以是雙端送入。靠近溝槽12的每個端 部，在溢流坎16上方提供一對限制壩28，引導熔融玻璃24的自由表面30以獨立 流的形式從溢流坎16上溢出，然後沿兩個相對的成形表面部分18、 20向下流到根 部22，虛線所示獨立流在此會合，形成表面無汙染的玻璃板或玻璃帶32。在熔合工藝中，將牽拉滾輪(roll)或輥(roller)34形式的牽拉設備置於成形楔根 部22的下遊，用來調節形成的玻璃帶離開相交成形表面的速率，從而幫助確定成 品玻璃板的標稱厚度。舉例而言，合適的牽拉滾輪見述於公開的美國專利申請第 2003/0181302號。該牽拉滾輪優選設計成與玻璃帶外邊緣接觸。與牽拉滾輪接觸的 玻璃邊緣部分36將在後面從玻璃板上切割下來拋棄。上述熔合成形工藝的一個優點是，形成玻璃帶時，玻璃帶外表面不接觸成形 表面。這樣可得到光滑、無汙染的玻璃帶表面。此外，該技術能夠形成公差等級非 常高、非常平坦的薄玻璃板。不過，其它的玻璃板成形技術也能從本發明獲益，包括但不限於狹縫拉制技術和單側溢流下拉成形技術。在狹縫拉制技術中，熔融玻 璃流入槽中，槽的底部具有機械加工的狹縫。將玻璃向下從狹縫中拉過，從而形成 玻璃帶。顯然，玻璃的質量取決於狹縫的加工精度等。熔合拉制工藝能夠生產質量非常高的玻璃板。然而，其局限是只有在成形表 面18、 20上的玻璃粘度，尤其是玻璃離開成形楔(即頂點或根部)時的粘度保持足 夠高的情況下，才能獲得高質量的玻璃板。當熔融玻璃24從成形楔的坎上溢流出 來時，它是溫度較高、粘度較低的玻璃，對於顯示器工業中採用的一些玻璃來說，玻璃從成形表面18、 20流下時，它冷卻下來， 粘度增加，直至在相交成形表面的頂點處，玻璃粘度達到足夠高，可以指定牽拉速 率拉制出指定厚度的商用玻璃板，並且具有合適的玻璃組成。目前認為，採用當前 的玻璃組合物和工藝參數生產優質玻璃，要求玻璃在頂點處的粘度不低於約 100000泊。儘管目前的下拉成形技術，尤其是熔合下拉工藝取得了成功，但根據顯示器應 用領域的商業要求，仍需要具有高應變點的玻璃，使得在後成形過程中玻璃的尺寸 變化(壓縮)達到最小，譬如在客戶進行的後續加工中。對於目前正用於或正考慮用 於顯示器應用的系列玻璃組合物來說，高應變點通常也會帶來高液相線溫度(即低 液相線粘度)。為了確保不發生晶化，玻璃的溫度應當保持在液相線溫度以上。如 果玻璃在低於液相線溫度的溫度下停留的時間過長，玻璃可能要開始發生晶化。然 而，在高於液相線溫度的溫度下進行拉制操作時，所得玻璃在成形楔頂點處的粘度 可能導致在拉制的玻璃中產生(例如)翹曲，從而使牽拉玻璃變得困難。因此， 一方 面需要較高的成形溫度，以免在低於液相線溫度的溫度下操作，而另一方面，高溫 又可能導致無法成功地利用熔合下拉玻璃製造法由玻璃形成玻璃板。此前，這些對 抗性要求限制了適用於熔合下拉工藝的玻璃組合物的範圍。遺憾的是，為適應低液相線粘度玻璃(高液相線溫度)而大幅度改變下拉工藝步 驟的空間是有限的。例如，為使玻璃在根部獲得較低粘度而提高流速時，要求同時 提高牽拉速率，這就要求相應提高下遊的玻璃處理能力。這種改變可能帶來相當大 的資本投入，而且受現有設施的空間限制，甚至有可能根本無法實現。因此，如果能夠在不顯著改變下遊處理方法的情況下，拉制液相線粘度低於約100000泊的玻璃組合物，那將使熔合法對許多新的、有應用潛力的玻璃組合物敞開大門，因而極具價值。例如，應變點高於約665'C的玻璃組合物可用於某些顯示器玻璃應用，譬 如要求壓縮性減小的p-Si沉積工藝。舉例來說，如果需要應變點至少約為665'C(例 如75(TC)的玻璃，目前還找不出可熔合成形的玻璃組合物，在不改變下遊工藝的 情況下將其熔合拉製成可接受的拉制玻璃板。在本發明的一個實施方式中，從成形表面上流過的熔融玻璃可在成形楔頂點上 方局部冷卻，同時在流動玻璃下方加熱成形表面，以便在成形楔頂點處獲得所需的 玻璃粘度。已經發現，在常規的熔合下拉工藝中，從成形表面上流過的玻璃的溫度是相對 均勻的，由楔一玻璃界面經玻璃厚度T到玻璃一空氣界面，溫度變化小於約1(TC。在某些情況下，該溫度變化小於約5'C。也就是說，圖2中靠近成形表面的玻璃層 38的散熱速率大致等於玻璃層40的散熱速率，因而玻璃層100的溫度t，與玻璃層 40的溫度t2大致相等。(為方便起見，熔融玻璃流體24在圖5中顯示為具有兩個 不同溫度t,和t2的兩個層。實際上，成形表面上的玻璃流體和溫度場At是連續體，它們在從成形楔過渡到玻璃外表面的過程中是連續變化的。然而，它可用於依據各 個獨立的層描述流動。)此外，如果說玻璃層38與成形表面直接接觸的部分的停留 時間達到數天的話，那麼與成形表面相對一側(即玻璃一空氣界面處)的玻璃層40 的停留時間通常短於1小時。若玻璃溫度處於液相線溫度以下，則楔一玻璃界面處 的長停留時間會導致玻璃不透明。在之前所述的高液相線溫度玻璃的情況中，這將 變得特別麻煩玻璃在成形楔表面停留的時間長，再加上玻璃從成形表面下滑時玻 璃溫度降低到液相線溫度以下，可能導致玻璃中形成晶核並生長晶體。不過，加熱 成形楔，尤其是沿成形表面靠近頂點的較低部分加熱，有利於高液相線溫度玻璃的 採用。這樣，在靠近根部的地方與成形楔接觸且停留時間長的玻璃，其溫度可維持 在高於玻璃的液相線溫度的溫度上，同時根部或頂部的玻璃的平均粘度可維持在大 致等於或高於熔合拉制工藝在目前可接受的粘度下限，例如大於約100000泊，因 為玻璃流體的外層溫度較低。應當注意，圖2僅描繪了成形楔的一部分，在熔合下 拉工藝中，成形楔的條件宜基本上保持對稱。在成形楔中或成形楔上靠近兩股玻璃流體會合的地方安裝一個或多個加熱元 件，可以完成對成形楔的加熱。加熱成形楔的作用是將停留時間長的玻璃的溫度維 持在玻璃液相線溫度以上，防止玻璃發生晶化。在成形楔上對成形楔進行加熱的同 一區域，在靠近玻璃一空氣界面的地方對玻璃進行外部冷卻，有助於確保頂點處的 平均玻璃粘度足夠高，使得對玻璃的適當牽拉與預定的牽拉速率和玻璃厚度相一 致。因此，在成形表面上流過的熔融玻璃在其厚度方向產生較大的溫度變化At (4rt2)。 At優選至少大於約20'C，優選大於約30'C，優選至少約為40'C，優選至 少約為50°C。在本發明的一個實施方式中，可在成形楔10中靠近頂點22的地方引入導電元 件，並讓電流通過該元件。通過該元件42的電流產生熱量，加熱成形楔，進而加 熱與成形楔接觸的玻璃流體。如圖3所示，導電元件42基本上整個包埋在成形楔 10中，因此不與玻璃接觸，這是有利的。"基本上整個"是指導電元件與電源之 間顯然是需要電接觸的。該元件與電源之間的連接，例如通過電線連接，更容易在 成形楔外部實現。然而，如果說處於成形楔外部的少部分導電元件(例如加熱元件)對加熱玻璃有什麼貢獻的話，那也是可以忽略不計的。因為導電元件42不接觸玻 璃，所以形成導電元件的導電材料無須與玻璃的化學成分相容。因此，舉例而言， 元件42可包含與電源(未示出)之間具有電連接的線圈、導電棒、電線或其它合適 形狀的導體，它們能夠將成形楔頂點區域加熱到必要的溫度。較佳的是，元件42 包含細電線，因為它們對成形楔的物理完整性具有最小的影響。在另一個實施方式中，成形楔IO包含包覆型導電元件，其包含合適的難熔導 電材料，優選難熔金屬。合適的難熔材料是與玻璃的化學成分具有相容性的材料， 因而與玻璃接觸時不容易分解或浸析，並且能經受成形楔所經歷的高溫。合適的難 熔材料優選為鉑族金屬，如鉑、銠、鉑一銠合金等。圖4顯示了成形楔10的一部 分，導電包覆件44覆蓋頂點22，該圖還顯示了相交成形表面20靠近頂點22的部 分。包覆件44本身包含相交成形表面46，它們在頂點48處相交。流過坎16和流 下成形表面18、 20的玻璃遇到包覆表面46並從它們上面流過，然後在頂點48處 會聚、合併，形成玻璃帶32。圖4描繪了利用在包覆件內表面形成的唇緣(lip)或凸 緣(tab)50固定包覆件44的方法，所述唇緣或凸緣與每個相交成形表面20中形成 的相應凹槽相匹配。當然，本領域已知的將包覆件44固定到成形表面IO上的其它 方法也可使用。例如，如果包覆材料足夠堅硬，可直接將包覆件裝在成形楔端部。 然而，包覆件44的表面宜不含空隙、突起或其它表面特徵，它們可能中斷玻璃在 包覆件表面上的流動。然後，可讓電流通過包覆件44，由此對其進行加熱。在本發明的另一個實施方式中，如圖5所示，頂點22也可一併用導電部件代 替，例如該導電部件包含上述鉑族金屬，如鉑、銠、鉑一銠合金或類似的合適材料。 如圖5所示，成形楔10的頂點22可用導電帽52代替。導電帽52包含在頂點56 相交的相交成形表面54，當導電帽52裝到成形楔10上時，成形表面54就順著成 形表面20延伸。較佳的是，導電帽52與成形楔10相匹配，使得相交成形表面20 與導電帽52相交後，形成供玻璃流動的連續平整表面(相對於表面20和54)，從而 由相交成形表面20過渡到導電帽52上時，最大程度減少或消除流動的不連續性。 如同前一實施方式那樣，導電帽52可用各種方法固定到成形楔IO上，只要不在導 電帽上形成破裂性表面。如圖5所示，導電帽52用雞尾接合58固定到成形楔10 上。然而，導電帽52可能足夠堅硬，這時只須直接將導電帽從其端部裝上去。同 前面一樣，通過在導電帽52中通電來對其進行加熱，將其加熱到所需溫度。除其 它因素外，電流大小和所需溫度是玻璃溫度一粘度關係的函數，本領域的普通技術 人員很容易確定。導電帽52可以具有實心特徵，也可以是空心的(即包含空隙)如圖6所示。在圖6中，導電帽52內的空隙60可包含絕緣材料。空隙60可由蓋 子62蓋住，所述蓋子也可以是導電的。在本發明設備的又一個實施方式中，在成形楔IO的較低部分，頂點22用導電 龍骨部件64代替。同前面一樣，龍骨部件64優選包含鉑族金屬或其合金。龍骨部 件64的至少一部分66包埋在成形楔10中，包埋線通過相交成形表面20相交處(即 頂點22)，而另一部分68從成形楔10向外(向下)延伸。龍骨部件64還包含相交成 形表面70，它們在頂點72處相交。相交成形表面70可與成形表面20相交，或者 如圖7所示，相交成形表面70可不與成形表面20相交。如前所述，包含於成形楔IO的導電加熱部件的各種實施方式，無論是包覆件、 包埋式加熱部件、導電帽、龍骨，還是其它加熱部件，可用來在玻璃的厚度方向上 形成溫降，優選在成形楔頂點或其附近。在一些實施方式中，有可能需要冷卻玻璃 表面，產生所需的溫降。例如，圖8顯示了包含包覆型加熱部件44的成形楔IO的一部分。圖中顯示的 包覆件對面是冷卻元件74，用於冷卻熔融玻璃24的表面。冷卻元件74可以是任 意冷卻設備，只要它在與本說明書所述任意加熱元件聯用時，適於在從它到其對面 之間的玻璃厚度範圍內產生高於約2(TC的溫差。例如，冷卻元件或設備74可包含 管道，該管道沿著成形楔的長度方向延伸，冷卻流體在管道中流動。擴散部件76 可置於冷卻元件與玻璃表面之間，以便沿著成形楔10的長度方向從玻璃表面更均 勻地吸熱。擴散部件可以是簡單的金屬板，或者是置於玻璃表面與冷卻元件之間的 隔欄。圖8所示的上述冷卻設備可與本說明書介紹的任意實施方式結合使用。應當強調，本發明的上述實施方式，尤其是任何"優選的"實施方式，僅僅是 可能的實施例子，僅用於清楚地理解本發明的原理。可對本發明的上述實施方式作 出許多改變和改進，只要基本上不背離本發明的精神與原理。所有這樣的改變和改 進都意在包含於本說明書和本發明的範圍內，並受所附權利要求保護。
權利要求
1.一種形成玻璃板的方法，其包括使液相線粘度小於約100000泊的熔融玻璃流過成形楔，所述成形楔包含導電部件和在頂點相交的成形表面；對導電部件通電流，在所述頂點附近加熱所述成形楔；其中加熱操作能夠有效地在熔融玻璃的厚度方向形成大於約20℃的溫降。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述溫降大於約40'C。
3. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，其還包括冷卻熔融玻璃的表面。
4. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述熔融玻璃的應變點至少約為 665 。C。
5. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述液相線粘度小於約80000泊。
6. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述頂點處的玻璃的平均粘度大 於約100000泊。
7. —種形成玻璃板的方法，其包括使液相線粘度小於約100000泊的熔融玻璃流過成形楔，形成玻璃帶，所 述成形楔包含導電部件和在頂點相交的成形表面；對導電部件通電流，在所述頂點附近加熱成形楔； 冷卻熔融玻璃的表面；其中加熱和冷卻操作能夠有效地在熔融玻璃的厚度方向形成大於約2(TC 的溫降。
8. 如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述頂點處的玻璃的平均粘度大 於約100000泊。
9. 如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述熔融玻璃的應變點至少約為 665 。C。
10. 如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述溫降大於約40°C。
11. 一種形成玻璃板的設備，其包括成形楔，其包含導電部件，通過在導電部件中通電流，對流過成形楔的熔 融玻璃加熱。
12. 如權利要求ll所述的設備，其特徵在於，所述導電部件包含位於成形楔 的至少一部分上的包覆件。
13. 如權利要求ll所述的設備，其特徵在於，所述導電部件包含與成形楔相 鄰的帽部件。
14. 如權利要求ll所述的設備，其特徵在於，所述帽部件包含空隙。
15. 如權利要求ll所述的設備，其特徵在於，所述導電部件包含從成形楔延 伸的龍骨部件。
16. 如權利要求ll所述的設備，其特徵在於，所述導電部件的至少一部分包 埋在成形楔中。
17. 如權利要求ll所述的設備，其特徵在於，基本上所有的導電部件都包埋 在成形楔中。
18. 如權利要求ll所述的設備，其特徵在於，所述玻璃接觸所述導電部件。
19. 如權利要求ll所述的設備，其特徵在於，其還包含用於冷卻熔融玻璃表 面的冷卻元件。
20. 如權利要求18所述的設備，其特徵在於，所述冷卻元件位於導電元件對 面，使得熔融玻璃在導電部件與冷卻元件之間流動。
全文摘要
一種通過下拉工藝由熔融玻璃板拉制玻璃帶的方法，其特徵在於沿著在成形楔的成形表面上流過的熔融玻璃的厚度方向產生溫降。所述成形楔包括導電材料，用於加熱根部以上的玻璃。
文檔編號C03B17/00GK101326130SQ200680046415
公開日2008年12月17日 申請日期2006年12月1日 優先權日2005年12月8日
發明者A·M·弗雷德霍姆, A·V·菲利波夫, B·勒蓋利克, F·T·科波拉, G·C·沙那, M·B·吉爾德, O·N·伯拉塔瓦 申請人:康寧股份有限公司