专利名称：使用控制的冷却制造玻璃片的方法
技术领域：
本发明涉及形成玻璃片(玻璃带)的方法，具体来说涉及一种形成玻璃片的方法， 该方法在形成玻璃片的位置(例如溢流管(isopipe)的根部)与从所述玻璃片上分离独立的基片的位置(例如对所述玻璃带进行刻划，作为分离工艺的初始步骤的位置)之间进行控制的冷却。
背景技术：
液晶显示器(IXD)形式的玻璃显示板正在被越来越多地用于各种用途-从手持式个人数据助手(PDA)到计算机监视器到电视显示器。这些应用需要具有原始的无缺陷表面的玻璃片。IXD由至少若干玻璃薄片组成，这些玻璃薄片密封在一起，形成封套。人们非常需要组成这些显示器的玻璃片在切割的时候不会发生变形，从而在元件之间保持合适的配准或对齐。可能冻结在玻璃中的残余应力，如果因为将玻璃切割成较小的部分而释放，则可能会造成玻璃的变形，还可能造成合适的配准的损失。通常IXD为无定形硅(α -Si)薄膜晶体管(TFT)类或多晶硅(P -Si或多-Si (poly-Si))TFT类。多-Si具有高得多的驱动电流和电子迁移率，从而缩短像素的响应时间。另外，可以使用P-Si工艺，直接在玻璃基片上建立显示器驱动电路。相反，α-Si 需要分立的驱动器芯片，这些芯片必须使用集成电路封装技术连接在显示器周围。从α -Si到P -Si的发展对玻璃基片的使用提出了很大的挑战。多-Si涂层需要比α-Si高得多的处理温度，为600-700°C。因此，玻璃基片在此温度下必须是热稳定的。 热稳定性(即热压缩或热收缩)取决于特定玻璃组合物的固有粘度性质(通过其应变点表示)和由制造工艺决定的所述玻璃片的受热历程。高温处理(例如多-Si TFT所需的)可能需要对玻璃基片进行长时间加热处理，以确保低压缩，例如在600°C加热5小时。制备用于光学显示器的玻璃的一种方法是采用溢流下拉法(也称为熔融下拉法)。该方法得到的原始表面质量堪与文献中所述的浮法和狭缝技术之类的其它工艺相媲美。美国专利第3，338，696号和第3，682，609号(Dockerty)揭示了一种熔融下拉法，该方法包括使熔融玻璃从成形楔形件(通常称为溢流槽)的边缘或堰上流过，这些文献全文参考结合入本文中。同样还参见美国专利公开第2005/(^68657号和第2005/(^68658号，这些专利的全部内容也都参考结合入本文。所述熔融玻璃在所述溢流槽的会聚成形表面上流过，在两个会聚的成形表面相遇的顶端即根部，独立的物流重新结合，形成玻璃带或玻璃片。因此，与成形表面接触的玻璃位于玻璃片的内部，而玻璃片的外表面是无接触的。所述玻璃片在展开的同时，在重力和牵拉设备的作用力之下，厚度减小。具体来说，将牵拉辊置于溢流槽根部的下游，俘获所述玻璃带的边缘部分，以调节所述玻璃带离开溢流槽的速率，从而帮助确定完成的玻璃片的厚度。所述牵拉设备位于下游足够远处，使得玻璃片在牵拉时已经冷却，具有足够的刚性。所述接触的边缘部分以后从完成的玻璃片除去。在玻璃带从溢流槽下降通过牵拉辊的时候，其冷却形成固态的弹性玻璃带，然后将该玻璃带切割形成较小的玻璃片。所述熔融下拉生产线的建设需要相当大的资本投入。由于由这种生产线制造的基片通常用来制造消费产品(见上文)，因此一直存在需要降低成本的压力。这些成本降低可通过以下方式完成提高生产线的产量和/或降低建设生产线的成本，例如基建成本等。 如下文所讨论，本发明的各种方面可用来实施这些成本降低方法中的一种或两种，即本发明的这些方面可以用来加快牵拉速度，从而提高生产线的生产能力，以及/或者可用来缩短生产线的总体长度，例如形成玻璃片的溢流槽根部与基片从玻璃片分离的牵拉底部之间的垂直高度。(本领域已知，在基片从玻璃片分离之后，对基片进行进一步的处理，例如除去基片侧边的珠粒部分，将其再分成更小的玻璃片材，边缘研磨等，然后用来制造例如液晶显示器。在本文和本领域中，词语"基片"表示任意进一步处理之前的从玻璃带上分离下来的独立的玻璃块料(pane)，以及LCD制造者使用的最后的基片，从上下文可以很明显地看出应使用何种含义。)用于制造液晶显示器的玻璃基片的热不稳定性是本领域中一个长期存在的问题。 为了解决这个问题，玻璃制造者经常在将玻璃基片运输给消费者之前，对玻璃基片进行热处理，使得玻璃片在消费者的使用过程中不会发生收缩，或者收缩程度极小。这种热处理被称为"预收缩"或"预压缩"。所述热处理包括对基片进行进一步处理，这样会增大对基片表面造成破坏的机会，也会提高总体制造成本。定量来说，压缩是玻璃基片因为热循环造成的玻璃结构的细微变化导致的每单位长度的长度变化(即压缩是玻璃的加热历程造成的应变)。可通过以下方式物理确定压缩程度在玻璃基片上设置两个标记，测量这些标记之间的初始距离。然后对基片进行热处理循环，返回室温。然后再次测量这些标记之间的距离。然后通过下式给出压缩，单位为百万分之分数(PPm)压缩=IO6 ·(之前的距离-之后的距离)/(之前的距离)可使用各种热处理循环来模拟在例如制造液晶显示器的过程中基片将会经历的加热和冷却。可用来确定玻璃基片预期的压缩的合适的加热处理循环的例子列于下表(见表4)。除了对玻璃基片进行物理测量以外，还可使用计算机模型模拟玻璃材料在上述温度下处理上述时间的时候的应力弛豫，从而预测压缩。这些模拟的例子可参见Buehl， W. Μ.禾口 Ryszytiwskyj, W. P.的"Thermal Compaction Modeling of Corning Code 7059 Fusion Drawn Glass，，，SID International Symposium, Digest of Technical Papers, SID 22,667-670(1991) ο 还可参见 Narayanaswami，0. S.的"Stress and structural relaxation in tempering glass" , J. Amer. Ceramic Soc. ,61(3-4) 146-152(1978)。这些模型都是半经验的模型，对特定种类玻璃进行的各种热循环所得到的应变测量值进行拟合，然后使用该拟合预测相关加热历程的压缩，例如表4所示种类的加热历程。下面所列出的压缩数据是使用半经验模拟法而非物理测量得到的。由于压缩是一种重要的最终客户指标，在历史上，随着流速的加快，即生产量的提高，人们将熔融法直线地放大，以使得在温度方面有足够的时间，以保持与流速加快之前的最终基片相同的压缩。尽管这种方法确实能够生效，但是其存在一些严重的缺陷，需要溢流槽根部和从玻璃片上分离基片的位置之间具有更长的距离。这些更长的距离占用了额外的地皮和资本。诚然，由于现有设备的物理约束条件，这种处理压缩的方法可能会限制特定玻璃成形设备可用的最大流速。将流速提高到超过这些历史性约束和物理约束的程度，将会获得显著而重要的成本方面的益处。目前实施的熔融牵拉法的另一个局限涉及处理的玻璃的材料性质。众所周知当初始处于熔融态的玻璃组合物在较低温度下很长时间的时候，将会开始形成晶相。开始形成晶相的温度和粘度分别称为液相线温度和液相线粘度。如目前已知和正在实施的，当使用熔融牵拉法的时候，需要使得离开溢流槽的玻璃的粘度保持在大于约100，000泊，更优选大于约130，000泊。如果玻璃的粘度约低于 100，000泊，则玻璃片的质量会降低，例如关于保持玻璃片平坦度和在玻璃片的宽度上控制玻璃片厚度的方面，这些制得的玻璃片不再适于显示器应用。根据此实施方式，如果在一定的条件下对液相线粘度约小于100000泊的玻璃组合物进行处理，使得玻璃片具有足够的尺寸质量，则在溢流槽上可能会产生失透，导致在玻璃片中形成晶体颗粒。这是显示器玻璃应用所不能接受的。
发明内容
本发明第一个方面(“快速冷却”方面)的实施方式提供了一种用来制造玻璃片的方法，该方法包括使熔融玻璃从会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，以一定的速率冷却所述玻璃片，使得在所述下部顶点与玻璃片达到最终形成的厚度位置的玻璃片上位置之间，玻璃片的平均热通量等于或大于40，000瓦/米2。本发明的第一个方面还提供了一种制造玻璃片的方法，该方法包括使熔融玻璃在会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，以一定的速率冷却所述玻璃片，使得粘度随距离的平均变化速率R等于或大于6. 0米―1，其中R由下式得到R= (Iog10 ( μ 最终厚度 / 泊)-Ioa0 ( μ 顶点 / 泊))/D式中(a) μ 是下部顶点处玻璃片中线的粘度，(b) μ 是玻璃片达到最终厚度处的中线的粘度，(C)D是所述两种粘度之间，沿中线的距离，(d)所述粘度的单位为泊。根据以上实施方式的某些应用，玻璃的液相线粘度约小于100,000泊；优选约小于80，000泊；更优选约小于50，000泊。根据本发明第一个方面的一个实施方式，所述玻璃片优选以约高于12磅/小时/ 英寸、更优选约高于15磅/小时/英寸、最优选约高于20磅/小时/英寸宽度的流密度形成，在下部顶点下方约400毫米以内的距离内达到与其最终厚度相差1. 5 %以内。较佳的是，所述玻璃片在下部顶点下方大约300毫米以内的距离达到其最终厚度。该方法还可包括对所述玻璃片施加至少约50牛/米的总牵拉作用力。所述会聚的成形表面的顶点可通过加热元件进行加热。
较佳的是，所述平均热通量标准和R标准都满足，但是在一些情况下，在本发明第一方面的特殊应用中，仅一项标准得以满足。本发明第二个方面(“缓慢冷却”方面)的实施方式提供了一种制造玻璃片的方法，该方法包括使熔融玻璃在会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，冷却所述玻璃片，使得随着玻璃片中线的粘度从IO11泊增大到IOw泊，玻璃片的平均热通量小于或等于20，000瓦/米2。本发明的第二个方面还提供了一种制造玻璃片的方法，该方法包括使熔融玻璃在会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，以一定的速率冷却所述玻璃片，使得随着玻璃片中线的粘度从IO11泊增大到IOw泊，粘度随距离的平均变化速率 R11-H小于或等于4. 0米、其中Rn_14由下式得到Rn_14 = 3/DX式中Dn_14是所述两种粘度之间，沿中线的距离。较佳的是，所述平均热通量标准和R标准都满足，但是在一些情况下，在本发明第二个方面的特殊应用中，仅一项标准得以满足。本发明第三个方面的实施方式提供了一种加快通过熔融下拉机制得玻璃片的速率的方法，所述机器包括成形楔形件，所述方法包括(a)加快熔融玻璃从所述成形楔形件溢流的速率，(b)加快在所述玻璃片离开所述成形楔形件的时候的初始冷却速率。根据本发明这个方面的某些应用，在形成玻璃片的玻璃的粘度从IO11泊增大到IOw泊的玻璃片区域中，减小玻璃片的冷却速率。本发明第四个方面的实施方式提供了一种用来加快从熔融下拉机制造玻璃片的速率的方法，该方法包括加快所述熔融玻璃流过所述熔融下拉机的流速，改变所述玻璃片的粘性、粘-弹性和弹性区域的相对长度。本发明第五个方面的实施方式提供了一种用来加快由熔融下拉机制造玻璃片的速率的方法，该方法包括提高从玻璃片上分离基片时的温度。本发明第六个方面的实施方式提供了一种用来制造玻璃片的熔融下拉机，其包括(a)在下部顶点会聚的成形表面；(b)与所述下部顶点隔开距离Dpk的牵拉辊；(c)分离设备，该设备在玻璃片中形成刻划线，所述刻划线与所述顶点隔开距离 Dsl;其中Dpe/Dsl ^ 0. 5.本发明第七个方面的实施方式提供了一种以玻璃流动速率FR制造玻璃片的熔融下拉机，其包括(a)在下部顶点会聚的成形表面；(b)在玻璃片中形成刻划线的分离设备，所述刻划线与所述顶点相隔距离Da ；Dsl和FR满足以下关系Dsl/FR 彡 8 · (1. 0+0. 1 · (Ts_667))，式中Ts是玻璃的应变点，单位为。C，Da单位为英寸，FR为磅/小时/英寸。
本发明第八个方面的实施方式提供了一种用来制造玻璃片的熔融下拉机，其包括(a)具有下部顶点的成形楔形件；(b)与所述成形楔形件相邻的冷却部分，其设置形式使得从所述成形楔形件拉制的玻璃片以一定的速率冷却，在所述下部顶点与玻璃片上该玻璃片达到最终形成厚度位置之间，玻璃片的平均热通量等于或大于40，000瓦/米2。通过参照附图，通过以下非限制性的说明性描述，可以更容易理解本发明，而且本发明的其它目标、特征、细节和优点将会更清楚。所有这些另外的系统、方法、特征和优点都包括在该描述中，包括在本发明范围之内，受到所附权利要求书的保护。另外，应当理解本说明书和附图中揭示的本发明各种方面和实施方式可以以任意和全部的组合的形式使用。
图1是熔融下拉设备的部分截面透视图。图2是熔融下拉片材成形法的常规冷却曲线图。图3是为了获得优良的基片和/或生产性质设计的特殊冷却曲线与图2的标准冷却曲线相比较的曲线图。图4是三条冷却曲线图，其中〃 0〃曲线是标准曲线，曲线〃 1〃和〃 2〃是为了获得更佳基片质量设计的冷却曲线。应当注意曲线"0"的进口温度低于曲线"1" 和〃 2〃。图5是图4的曲线0、1和2的Iogltl (粘度/泊)和与溢流槽根部的距离之间的变化关系曲线图。图6A是图4的曲线0(情况0)以及三条曲线的Iogltl(粘度/泊)和与溢流槽根部的距离之间的变化关系曲线图，所述三条曲线的冷却速率所得的减小的压缩与情况0类似。图6B显示了相同的数据，纵轴为温度而非Iogltl(粘度/泊)。图7是对于标准情况(情况A)，玻璃片厚度作为温度的函数的曲线图。图8是对于标准情况(情况A)，玻璃片厚度作为与根部之间距离的函数的曲线图。图9显示了在标准情况下(情况A)，重力和牵拉辊产生的牵拉作用力的曲线图。图10是通过下拉法拉制玻璃片的四个类似的假想实施例的工艺参数的图表。图11是对于图10的四种假想情况，玻璃片厚度作为与熔融下拉设备根部之间距离的函数的曲线图。图12是对于图10的四种假想情况，排热(热通量)作为与下拉设备根部之间距离的函数的曲线图。图13是根据本发明一个实施方式的熔融牵拉设备的截面图，显示了加热器和/或冷却装置的设置。图14是根据本发明另一个实施方式的熔融牵拉设备的截面图，显示了加热器和/ 或冷却装置的设置。图15将本文揭示的本发明设备的规模(scaling)(右边的图片)与现有技术设备的规模(中间的图片)相比较。这两种设备的规模都应用于左边图片的现有技术方法。图中的缩写"ER"和"PR"分别表示边缘辊和牵拉辊。
图16显示了对于10°C的增量，停留时间增大50% (菱形数据点)以及减小50% (方形数据点)得到的压缩的变化与情况0的冷却曲线(三角形数据点)相比较。左边的纵轴显示了与溢流槽根部之间的距离，单位为英寸，用三角形数据点表示，右边的纵轴表示压缩的改进，单位为％。图17显示了使用较热的切断温度(刻划线温度)以获得较高的流速，同时使得压缩，牵拉辊(PR)速度以及根部至牵拉辊的距离(Dpk)保持恒定。图18是显示应变点的升高使得流动增大的曲线图，即乘以流量倍数，同时不会增大由玻璃片形成的基片的压缩。
具体实施例方式在以下的详述中，出于说明而非限制的目的，列出了揭示具体细节的示例性实施方式，以便完全理解本发明。但是，本领域普通技术人员通过阅读本说明书可以很清楚地了解，本发明可以在不同于本文揭示的具体细节的其它实施方式中实施。另外，可以略去众所周知的装置、方法和材料的描述，以免混淆本发明的描述。最后，在可能的情况下，同样的附图标记表示同样的元件。在本文中，下拉玻璃片制造法表示如以下的任意形式的玻璃片制造法，其中在沿着向下的方向下拉粘性玻璃的同时，形成玻璃片。在熔融下拉成形法中，熔融玻璃流入凹槽，然后从溢流槽(pipe)的两侧溢流并流下，在被称为根部(溢流槽终止，两股溢流的玻璃部分重新结合之处)融合，并进行下拉，直至冷却。所述溢流玻璃片制造法可结合图1进行描述，其中溢流槽部件或成形楔形件10包括向上开放的通道20，该通道20的纵向侧边与壁部分30结合，其上部范围终止于相对的纵向延伸的溢流凸缘或堰40。所述堰40与成形楔形件10的相对外部片材成形表面相连。如图所示，成形楔形件10提供有一对基本垂直的成形表面部分50，其与堰40相连，还包括一对向下倾斜的会聚的表面部分60，它们终止于基本水平的下部顶点或根部70，形成优选为笔直的玻璃牵拉生产线。通过与通道20相连的输送通道90将熔融玻璃80加入通道20。向通道20内的加料可以是一端进行的，或者如果需要的话，可以是两端的。在溢流堰40上方与通道20各端部相邻的位置提供一对限制坝100，以引导熔融玻璃80的自由表面110作为独立的物流溢流过所述溢流堰40，从相反的成形表面部分50，60流下，流到根部70，独立的物流在根部 (用直线表示)汇合，形成具有无瑕疵(virgin)表面的玻璃片120。在所述熔融过程中，牵拉辊130置于成形楔形件10根部70的下游，用来调节形成的玻璃带离开会聚的成形表面的速率，从而帮助确定完成的玻璃片的标称厚度。合适的牵拉辊见述于例如美国专利第6，896，646号，其全部内容参考入本文中。所述牵拉辊优选设计成与玻璃带外部边缘接触，具体来说与位于玻璃带极靠边缘处的增厚的珠粒紧邻内部的区域相接触。随后从玻璃片上分离所述与牵拉辊接触的玻璃边缘部分140并舍弃。在图1所示的牵拉设备中，当玻璃片(玻璃带)沿设备的牵拉部分向下移动的时候，玻璃片经历复杂的结构变化，不仅是物理尺寸变化，而且还经历分子水平的变化。通过小心地选择温度场，完成在例如成形楔形件或溢流槽根部从柔软但是粘稠的液相向大约 0. 5毫米厚的刚性玻璃片的转变，所述温度场精密地平衡了机械要求和化学要求，完成了从液态或粘稠态向固态或弹性态的转变。更具体来说，当玻璃片从根部下方下降到牵拉辊下方的时候，玻璃从粘稠态转变为粘-弹态。所述玻璃片的粘-弹态区域近似从玻璃的软化点延伸到玻璃的应变点。在低于应变点的情况下，认为玻璃具有弹性性能。上述熔融成形法的一个优点在于，可以在不使玻璃表面与任何耐火材料成形表面接触的情况下形成玻璃片。这样提供了平整无污染的表面。另外，该技术能够以极高的公差形成极为平坦的薄片。但是，其它玻璃片成形技术也可得益于本发明，包括但不限于狭缝牵拉和再拉制成形技术。在狭缝牵拉技术中，熔融玻璃流入底部具有机械加工的狭缝的凹槽中。玻璃片向下牵拉通过所述狭缝。很显然玻璃的质量取决于机械加工的狭缝的精密度等。再拉制法通常包括将玻璃组合物预成形制成块料，然后对玻璃进行再次加热，进行下拉，制成更薄的玻璃片产品。如上文所讨论，根据本发明的各个方面，本发明涉及通过熔融牵拉机制造的玻璃片的冷却速率。可以考虑玻璃片的冷却速率与玻璃片温度的空间变化或时间变化有关，例如沿玻璃片中线的温度。如下文所讨论，时间和空间冷却速率与常量相关。将空间冷却速率记作dT/dy，时间冷却速率记作dT/dt，可写出下式
dT dT dt-T = -T-T ay at ay式中T是温度，t是时间，y是牵拉(即重力)方向的坐标值。下面我们将牵拉方向的质量流速表示为‘M’ (通常单位为磅/小时)，最终产物厚度表示为‘h’。在牵拉的时候，操作流速M和目标厚度h是具体的量。达到目标厚度‘h’时玻璃片的速度通常称为‘牵拉速度’，有时称为‘牵拉速率’， PR(通常单位为英寸/分钟)。通过质量守恒，可以将牵拉速度写作
权利要求
1.一种以玻璃流动速率FR制造玻璃片的熔融下拉机，其包括(a)在下部顶点会聚的成形表面；(b)在玻璃片中形成刻划线的分离设备，所述刻划线与所述顶点相隔距离Da； Dsl和FR满足以下关系Dsl/FR ≤ 8 · (1. 0+0. 1 · (Ts-667))，式中Ts是玻璃的应变点，单位为。C，Da单位为英寸，FR单位为磅/小时/英寸。
2.一种用来形成玻璃片的方法，该方法包括使熔融玻璃以流动速率FR从会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，冷却玻璃片，并在玻璃片中形成刻划线，该刻划线与所述顶点隔开距离Da ；Dsl和FR满足以下关系Dsl/FR ≤ 8 · (1. 0+0. 1 · (Ts-667))，式中Ts是玻璃的应变点，单位为。C，Da单位为英寸，FR单位为磅/小时/英寸。
全文摘要
提供了一种以玻璃流动速率FR制造玻璃片的熔融下拉机及其方法，该熔融下拉机包括(a)在下部顶点会聚的成形表面；(b)在玻璃片中形成刻划线的分离设备。该方法包括使熔融玻璃以流动速率FR从会聚的成形表面上流过，形成玻璃片，所述成形表面在下部顶点会聚，冷却玻璃片，并在玻璃片中形成刻划线。该刻划线与所述顶点隔开距离DSL。DSL和FR满足以下关系DSL/FR≤8·(1.0+0.1·(Ts-667))，式中TS是玻璃的应变点，单位为℃，DSL单位为英寸，FR单位为磅/小时/英寸。上述熔融下位机和方法可有效应用工业上。
文档编号C03B17/06GK102173565SQ20101059349
公开日2011年9月7日 申请日期2006年7月21日 优先权日2005年7月21日
发明者A·M·弗雷德霍姆, A·V·菲利波夫, D·C·埃兰, L·K·克林史密斯, L·R·肯特, O·N·伯拉塔瓦, R·L·罗兹, T·J·奥特 申请人:康宁股份有限公司