高世代超薄基板玻璃彎曲變形研究

鞏遵群，文超，喻學(xué)寧

（長(zhǎng)沙鑫賽爾電子玻璃有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

超薄基板玻璃是用于新型顯示設(shè)備關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，如液晶面板、OLED面板。隨著技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求的進(jìn)步，顯示面板逐漸向大尺寸擴(kuò)展，基板玻璃也逐步走向高世代。對(duì)于更寬更薄的基板玻璃，生產(chǎn)過(guò)程中控制其玻璃帶的狀態(tài)尤其復(fù)雜，機(jī)械特性受復(fù)雜溫度和壓力場(chǎng)的影響。同時(shí)工藝上為便于裁切，退火爐中的玻璃帶需要保持一定的彎曲形狀。因此，深入研究高溫下退火爐中玻璃帶的彎曲變形的影響因素，總結(jié)其規(guī)律，對(duì)于提升產(chǎn)品質(zhì)量、工藝特性都有重要的實(shí)際意義。

1 理論計(jì)算

1.1 應(yīng)用環(huán)境

對(duì)于下拉法生產(chǎn)基板玻璃而言，玻璃帶沿退火爐體方向垂直向下延伸，兩端由玻璃輥夾持，中間不接觸任何物體，如圖1。爐體內(nèi)被自上而下的玻璃帶分隔成兩個(gè)腔體，腔體下部出口處與外界空氣相連，這樣玻璃帶兩側(cè)就形成兩個(gè)相互獨(dú)立的溫度和壓力場(chǎng)。實(shí)際生產(chǎn)中由于溫度、空氣密度、氣流的不穩(wěn)定會(huì)造成兩側(cè)壓力的不一致。在壓力差的作用下，玻璃帶將會(huì)發(fā)生朝向一側(cè)的彎曲變形。

圖1 爐體中玻璃帶示意圖

圖2 流速差下0.2m/s時(shí)玻璃帶變形示意圖

1.2 數(shù)學(xué)計(jì)算

將爐體中的玻璃帶看作寬度方向上受不變均布載荷的板彎曲問(wèn)題。假設(shè)玻璃帶寬度為w，厚度為t，一側(cè)壓力為P1，另一側(cè)壓力為P2，壓力差ΔP=P1-P2，玻璃彈性模量為E，材料泊松比為μ。根據(jù)板殼理論[1]，變形撓度和力矩的關(guān)系有：

在玻璃帶中間位置，當(dāng)x=w/2時(shí)，變形最大：

假設(shè)中間位置最大變形為30mm，超薄玻璃的相關(guān)尺寸及性能如表1所示，據(jù)此求得此時(shí)兩邊壓力差為0.043Pa。因此，在玻璃中間位置產(chǎn)生30mm彎曲度所需的壓力僅為0.043Pa。生產(chǎn)實(shí)際中就可以利用玻璃帶兩側(cè)的壓力差來(lái)控制玻璃帶的彎曲度，甚至切換不同的外形。爐體內(nèi)腔作為一個(gè)相對(duì)封閉的空間，其壓力差可以通過(guò)控制玻璃帶兩側(cè)的溫度差或者流速差來(lái)產(chǎn)生。本文主要分析通過(guò)玻璃帶兩側(cè)流速差形成壓力差，從而控制玻璃帶的形狀。

表1 基板玻璃的物理參數(shù)

2 數(shù)值模擬與討論

2.1 模型建立

根據(jù)圖1所示，建立玻璃帶在退火爐中的三維模型，然后采用FLUENT軟件對(duì)玻璃帶變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬。參照實(shí)際情況，在玻璃邊部施加約束，限制其擺動(dòng)。使用六面體結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約68萬(wàn)。玻璃的相關(guān)物理參數(shù)如表1所示。

2.2 空氣流速對(duì)玻璃帶彎曲度的影響

玻璃帶進(jìn)入退火爐初始溫度850℃，假設(shè)以5cm/s的速度向下流動(dòng)。退火爐側(cè)面加熱組件溫度為500℃。根據(jù)煙囪效應(yīng)理論[2]，空氣由退火爐下方開(kāi)口處流入，由上方開(kāi)口處流出。設(shè)定下方開(kāi)口處為壓力入口，上方開(kāi)口處為速度出口，一側(cè)速度固定為2.0m/s，另一側(cè)分別為1.8m/s、1.6m/s、1.4m/s、1.2m/s、1.0m/s五種不同速度，流速差分別為0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s。

從分析結(jié)果中，可以看出爐體內(nèi)空氣流速快的一側(cè)相對(duì)流速慢的一側(cè)形成正的壓力差，玻璃帶發(fā)生了朝向流速慢的一側(cè)的彎曲變形。在退火爐上部開(kāi)口處玻璃中間位置，發(fā)生了最大的位移變形量，而靠近退火爐下方開(kāi)口處變形量相對(duì)小一些。這是因?yàn)橥嘶馉t下方開(kāi)口處與外界空氣相通，受到了大氣壓力的影響。取玻璃帶最大彎曲變形的絕對(duì)值，建立與玻璃帶兩側(cè)流速差及壓力差的關(guān)聯(lián)如下圖3所示。由圖中得出，隨著玻璃帶兩側(cè)空氣流速差的增大，玻璃帶彎曲變形量也逐漸增大。當(dāng)流速差為1.0m/s的時(shí)候，可產(chǎn)生最大位移為34.3mm的彎曲變形。

圖3 不同空氣流速差下玻璃帶彎曲變形

圖4 退火爐底部開(kāi)口差下玻璃帶彎曲變形

2.3 爐底開(kāi)口大小對(duì)玻璃帶彎曲度的影響

要在退火爐下部開(kāi)口處設(shè)置不同的空氣流速，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的送氣機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。實(shí)際生產(chǎn)中，退火爐下部開(kāi)口處兩側(cè)設(shè)計(jì)有擋板，擋板能夠沿厚度方向上來(lái)回移動(dòng)，從而能控制開(kāi)口的大小。根據(jù)煙囪效應(yīng)理論[2]，空氣由下部開(kāi)口處流入，由上部開(kāi)口處流出。對(duì)應(yīng)玻璃帶兩側(cè)不同的開(kāi)口大小，空氣流入的速度應(yīng)當(dāng)不同，從而也會(huì)產(chǎn)生不同的彎曲變形。

設(shè)定一側(cè)開(kāi)口大小為50mm寬，另一側(cè)分別為70mm、90mm、110mm、130mm、150mm，對(duì)應(yīng)開(kāi)口差值分別為20mm、40mm、60mm、80mm、100mm。其余條件與2.2節(jié)相同。位移云圖表明，玻璃帶由退火爐底部開(kāi)口大的一側(cè)發(fā)生了朝向開(kāi)口小的一側(cè)的彎曲變形。在煙囪效應(yīng)下，開(kāi)口大的一側(cè)進(jìn)入了更多的空氣，這一側(cè)的體積內(nèi)形成了相對(duì)大的壓力，對(duì)另一側(cè)形成了正的壓力差。在壓力差的作用下，玻璃帶發(fā)生彎曲變形。退火爐底部玻璃帶兩側(cè)開(kāi)口差越大，形成的壓差越大，彎曲的最大變形值也越大。當(dāng)兩側(cè)開(kāi)口差為100mm時(shí)，玻璃帶的最大彎曲變形為27.6mm。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高世代玻璃基板生產(chǎn)，本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算及模擬仿真得出以下結(jié)論：（1）退火爐體中玻璃帶兩側(cè)的壓力差對(duì)其彎曲的影響較大，理論計(jì)算表明G8.5代玻璃基板產(chǎn)生最大30mm變形所需的壓差僅為0.043Pa。（2）退火爐內(nèi)玻璃帶兩側(cè)，空氣流速高的一側(cè)相對(duì)流速低的一側(cè)產(chǎn)生正的壓力差，導(dǎo)致玻璃朝向流速低的一側(cè)發(fā)生彎曲變形；隨著玻璃帶兩側(cè)流速差的增大，彎曲變形的最大值逐漸增大。（3）退火爐下方不同的開(kāi)口大小，導(dǎo)致玻璃帶兩側(cè)空氣的流速不同。開(kāi)口大的一側(cè)有較高的空氣流速，相對(duì)開(kāi)口小的一側(cè)形成正的壓力差，使玻璃帶朝向開(kāi)口小的一側(cè)發(fā)生彎曲變形；隨著玻璃帶兩側(cè)開(kāi)口差的增大，彎曲變形的最大值也逐漸增大。（4）本文分析了退火爐中玻璃帶彎曲變形的影響因素，尤其指出了通過(guò)調(diào)整退火爐下方開(kāi)口的大小，能夠有效調(diào)整玻璃帶的彎曲方向及大小，具有較好的生產(chǎn)實(shí)踐指導(dǎo)意義。但本文中所做的工作還有很多不足，要準(zhǔn)確的模擬玻璃帶在退火爐中的彎曲變形，還需要開(kāi)展更為細(xì)致的工作。