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雷达料位计生产负压澄清技术探讨

作者: 来源: 发布时间:2019-11-11 14:34:15

    摘要: 雷达料位计是液晶显示器的zui重要材料之一,随着人们对显示画质要求的逐步提高,对雷达料位计的品质要求也越来越苛刻,对内在缺陷如气泡的尺寸已达到微米级的要求。针对高硼高铝无碱硅酸盐玻璃基板的高温难熔性和难澄清性,讨论了气泡澄清机理及负压澄清技术原理和设计结构,为设计中澄清均化成型技术的研究提供参考和借鉴。

    引言
    液晶显示器的应用已经有几十年的历史,从欧美开始到兴盛于东南亚再到普及于全球,由于其逐步完善的显示技术和轻便超薄的体积,逐步成为显示行业的主流产品。

    随着液晶显示器的迅速发展,带动了相关配套材料的发展,而雷达料位计是液晶显示器zui主要的构成材料,也是zui关键的材料,因此雷达料位计也得到了长足的发展,从zui初的 3 代产品一直发展到了目前的8.5 代和 10.5 代。由于显示器对画质的要求逐步提高,对雷达料位计的要求也越来越高。内在缺陷如气泡尺寸要求达到 0.1 mm 以下,甚至关键位置要求到 30 μm 以下。外观质量如厚薄差要求精确到数十个微米级。物理性能和化学性能的要求也十分苛刻。

    由于雷达料位计属于高硼高铝无碱硅酸盐玻璃,其熔化和澄清温度非常高,故其熔化和澄清难度也较大[1],目前该技术由美国和日本少数企业垄断。而玻璃基板的澄清技术则是关系到玻璃内在缺陷的zui关键步骤,也是各家公司zui核心技术。根据澄清原理,澄清即将玻璃熔体中微小气泡排出熔体外或被熔体吸收,熔体外部压力越小,气泡排出越快,因此各家澄清技术都考虑到采用负压澄清。

    众所周知,无论是美国还是日本在此领域都采用了铂金通道澄清技术,美国康宁由于采用溢流下拉法生产,其产线多,但是单线产量低,铂金通道的日玻璃液位较小,一般在 20 t 以内,故其澄清技术为常压或微负压。旭硝子采用浮法产线,其单线日玻璃液位相对较大,zui高可达到 60 t 以上。若采用常压澄清,将会导致澄清仓的设计非常巨大,且由于澄清要求的温度极高,铂金使用寿命将会大打折扣,故采用了深度负压澄清,在保证良好澄清效果的同时也保证了设备的使用寿命,取得良好的综合经济效益。


    本文对液晶基板玻璃的负压澄清技术原理和澄清仓设计结构进行探讨。

    1 负压澄清技术原理
    1.1 玻璃澄清过程
    玻璃熔制过程包含了多个阶段,当熔化完成后就形成了玻璃熔体,熔融玻璃流入澄清仓内开始玻璃熔体的澄清过程。一般来讲,玻璃的澄清过程分两个阶段,即高温排泡阶段和低温吸收阶段[3]。在熔化和玻璃形成阶段,玻璃熔体中会留下很多的大大小小的气泡,所有的气泡需要在澄清仓内高温的环境下尽可能地排出玻璃熔体外,保证剩下的zui微小的气泡可通过在玻璃液降温过程中被玻璃熔体物理溶解或化学吸收而全部消除。

    高温排泡阶段,熔融玻璃液中的气泡需要依靠液体浮力上升,zui终溢出玻璃液表面,释放气体于空间气氛中。一定直径的气泡能否在该单元的玻璃液通过澄清仓所用时间之内完成以上过程,决定了该工况下的澄清效果。气泡上浮速度越快,澄清效果就越好。熔融玻璃液属于黏性流体,其中的气泡要浮出液面,符合液体中气泡上浮原理,其排出速度影响因素包括气泡中气体的密度、气泡大小、玻璃液密度、玻璃液黏度等。

    低温吸收阶段,高温排泡后,玻璃熔体中还会剩余微小气泡,该部分气泡通过玻璃熔体自体内吸收消除。该消除包含 3 个方面:

    (1) 当玻璃熔体开始逐步降温时候,玻璃液对气体的溶解度开始逐步增加,气体会更多地物理溶解在玻璃液中;

    (2) 液晶玻璃熔化中一般都会有澄清剂的使用,而且多数使用氧澄清剂,在降温过程中,澄清剂会吸收部分熔体中的氧气,此部分属于化学吸收;

    (3) 由于温度的降低,根据气体状态方程可知,气泡中气体体积会适当变小,减少了气泡直径,同时,当气泡直径减小后,周围玻璃液由于表面张力角度变化,会进一步压缩气泡,使得气泡直径更加变小,直至达到压力平衡,此部分属于物理变化。

    1.2 负压澄清机理
    负压澄清主要使用于玻璃液的高温澄清阶段,顾名思义,就是在高温澄清段,减小熔体周围尤其是液面上部空间气氛的压力。一般是通过人为控制,使熔体和熔体中的气泡所受外界压力小于正常的大气压,由于气泡内外压差增大,气泡会膨胀变大,直至达到新的平衡状态,气泡直径变大,所受玻璃液浮力变大,气泡在玻璃液中上升速度加快,可以在更短的时间内到达玻璃液表面,破裂排出气体。因此使用负压澄清可以在相同的工艺条件下相同时间内澄清更多的玻璃液量,或者在相同的工艺条件下相同的玻璃液液位情况下减小澄清仓的体积,或者在相同澄清仓体积相同玻璃液液位情况下降低澄清温度。并且负压值越高,效果越明显。在正常使用的生产线中,zui典型的是旭硝子的雷达料位计生产线,据有关信息介绍,其澄清仓内负压达到-0.5~ -0.8 大气压( 表压) ,如图 1 所示,若按照-0.5 大气压计算,相同温度下的气泡直径可以增加 1.26倍。按照-0.8 大气压计算,则相同温度下的气泡直径可以增加 1.71 倍。可以看出,随着负压值变化,气泡直径增加呈现指数级增加。

 

1.jpg

    2 澄清仓的结构
    2.1 负压澄清仓的设计
    对于正常的铂金澄清仓,由于澄清仓前后连接管终归是要恢复到正常气压,澄清段之前的熔化段以及之后的冷却段相对于澄清仓都会有相应的气压差,该气压差会造成相应的玻璃液位差,使玻璃液液位相应地提高,负压越强,玻璃液位升高越明显,如图 2 所示。故设备本身需要将该液位用物理方式提升,使澄清仓内玻璃液位依然有上部排气的空间,故设备会设计成龙门架形式,如图 3 所示。

 

2.jpg


    2.2 负压澄清技术问题
    负压澄清对于工艺控制和生产效率来说具有显著的积极效果,但是对于设备和工艺设计而言,则需要考虑压差带来的一系列问题。首先是如何保证澄清仓铂金管壁不受到过大的内压或外压,由于高温下铂金强度有限,如果有较大的内外压差,则可能导致铂金受损而影响使用寿命。其次是由于负压造成的入口管和出口管较大的高度,根据负压程度不同有可能要达到 2 m 或 3 m 以上,随着竖向高度位置不同,该处铂金管道所受相同负压而产生的压差也不同,理论上讲,随高度方向应该是线性变化。再次是如何稳定保证液面上方负压的连续稳定性和一致性,若负压值波动,将直接导致玻璃液位波动,液位过高,会影响液面面积和上部空间体积,进一步影响气泡的排出,严重可能导致排气管堵塞,而液位过低则改变了玻璃液流过澄清仓的时间,导致气泡排出工艺变化,严重时导致玻璃液无法通过澄清仓。

 

3.jpg

    2.3 负压澄清技术优化
    对于压差问题,国内玻璃基板厂家尚没有成熟的经验,也鲜有使用深度负压澄清技术。旭硝子的做法是在澄清仓耐火材料外,增加一个密封罩,如图 4 所示。该密封罩可以有效地隔绝空气,并能承受内部负压造成的压力差。密封罩将横向澄清管和入口管、出口管一起包裹在内,并在密封罩内部形成负压环境,通过自动控制设备稳定内部负压到需要的真空度,并保持稳定。如此一来,铂金管内部和外部同处一个负压环境中,无论负压值如何变化,都可以保证铂金管道内部和外部压力平衡。在竖向入口出口管周围从上向下,以适当的材料和密封方式,逐步递减气流通过的阻力,将顶部的负压形成的真空度逐步递减到常压。至于如何选择真空设备来保证负压的稳定性,本文不再讨论。

 

4.jpg

    3 小结
    澄清是雷达料位计制程中zui为重要的环节之一,澄清技术的发展已经完全不同于 50 年前的技术。负压澄清技术在高端玻璃制程中已经开始逐步被认可,并应用于生产实践中。在雷达料位计生产中合理地应用负压澄清技术,不仅可以提升铂金设备的使用寿命,而且能显著提高相同澄清设备的产能和效率,在未来国民生产中有积极的作用。

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