平板玻璃熔融製程之3D電腦模擬

(1)

二

、

平板玻璃熔融製程之 3D 電腦模擬

黃潔翎許富淵國立聯合大學材料科學與工程學系

本實驗利用電腦模擬軟體，分析 TFT-LCD 平板玻璃溢流熔融製程中，溢流槽的幾何外型、

溢流槽凹槽傾斜角度及熔融玻璃膏在受到不同之壓力時，形成玻璃基板流量厚度的影響。

採用 Flow-3D 電腦模擬軟體來模擬熔融的玻璃膏流入漏斗型的耐火機體，玻璃膏充滿溢流

槽凹槽後，從兩側壁頂溢出，並分別流向溢流槽的底端，形成向下流動的兩片平板玻璃，

並在機體底端融合成單一片玻璃。

關鍵字：平板玻璃、熔融製程法

、LCD 玻璃基板

1. 前言

平板玻璃常用於液晶顯示器的基板，使用玻璃的原因有以下幾點：一、為了確保液晶顯示器的顯示品質，即透明性要高（高透光率）。二、通常製成是在200℃上下的溫度範圍，即耐熱性要高。三、無光學性的限制，利用二片偏光板調整光的相位，即無複曲折性。四、平坦性良好。五、需大量生產，即價格要便宜等因素。玻璃便是較符合上述幾點需求的材料。玻璃基板是彩色TFT 液晶顯示器的主要元件，與建築材料所使用的玻璃片相比較，LCD 玻璃具有較少的表面捲曲和刮痕、良好的溫度穩定性及極少的鹼金屬成分。然而不同製程對基板產生的高溫和變化，以及不同於矽質基板的其他因素，皆明顯可見正確使用玻璃的重要與必要性。由於LCD 須裝上驅動 LSI、背光模組等元件才可謂完成，因此玻璃基板的品質對於後續的彩色TFT 製程來說，便具有相當重要的影響，基板的玻璃平坦度會影響到製程效率及基板上各種薄膜的品質。要製造平板玻璃，首先須使用矽土以及硼複合物等原料，以精確的比例調成目標玻璃的成分，再送進熔爐內。清除玻璃內的氣泡和汙染物質後，便可以利用玻璃拉製機製造平板玻璃。通常拉製機會拉出稍微大於目標玻璃基板尺寸的平板玻璃，接著再進行相關的平板玻璃處理，如磨邊、定位倒角及切角等等，必要時進行基板表面拋光，結束後仔細清洗玻璃板並進行各種檢查，最後包裝出貨。平板玻璃為高精密的產品，製成的每一個步驟都會影響到玻璃產品的優越性，而成型技術則是平板玻璃成形的最後關卡，因此是相當重要的步驟。

2. 實驗介紹

2.1 玻璃製造方法

製造平板玻璃的方法包括再曳引(redraw)法、向下抽引(down draw)法、浮置(float)法與熔融(fusion)法。浮置法及熔融法都屬於大量生產的拉製法，可連續拉製符合條件厚度的玻璃。浮置法可用來大量生產建築材料的玻璃板(藍玻璃)，而熔融法則可用來大量生產液晶顯示器用的無鹼玻璃(白玻璃)。其中浮置法是玻璃浮在液態錫表面上，拉製的玻璃表面會因錫熔化造成細紋及汙染，因此通常會進行表面拋光以除去瑕疵，最大的優點為適合大量生產。熔融法是向下拉製的方法，為非接觸性成形法，與浮置法會與玻璃表面接觸不同，玻璃膏在凝固成型實的外表面都一直未與任何物體接觸，形成所受外力的影響最小，不會傷害玻璃表面，表面平滑性優異，不需要後工程之表面研磨，因此我們選擇熔融法進行研究。

2.2 Flow-3D 模擬程式

Flow-3D 是一套三維工程流體力學分析軟體，用於類比金屬液態流動及凝固的過程，軟體使用基本能量、動能不變定律，類比不同金屬材料鑄造過程。我們選擇熔融法進行研究，但熔融成形法的困難度也遠高於其它製程方法，必須精確的控制溢流槽幾何外型與玻璃膏壓力、黏度及溫度等等因素，才可以獲得高品質的平板玻璃。因此我們利用電腦模擬程式Flow-3D 的技術，模擬熔融製程中溢流槽的幾何外型、玻璃膏黏度、溫度及壓力等對平板玻璃成形的影響因素，可減少實際操作實驗的時間與成本。

2.3 實驗目的

(1)改變不同之溢流槽凹槽傾斜角度，以 3D 模擬流入一段距離後，玻璃膏溢流而下，評估角度對玻璃膏溢流出之流量的影響，藉此得知玻璃膏溢流出的厚度是否前後一致。 (2)固定角度，改變不同之壓力，評估壓力對玻璃膏流量的影響，相對之玻璃前後厚度的影響。

2.4 實驗內容

採用Flow-3D 電腦軟體模擬熔融玻璃膏利用溢流融熔製程來成形。該製程是將熔融的玻璃膏流入漏斗型的耐火材料，當玻璃膏充滿溢流槽凹槽後，從兩側壁頂溢流出來，而流過耐火材料的頂端部分時玻璃膏分流成兩股，並分別流向溢流槽的底端，在底端處融合形成單片的玻璃薄板，此玻璃薄板因在不同之溢流槽凹槽傾斜角度及不同之壓力等因素下，將形成不同厚度之玻璃。

2.5 實驗方法

Flow-3D 設定參數，玻璃液體之參數設定如表 1.所示，物理性質gravity component in the Z-direction 設定為 -9.81(N)。

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溢流槽頂端至中間轉彎處，尺寸為34.93mm，中間轉彎處至底端尖角處為，尺寸為86.38mm，溢流槽底端角度為20°，溢流槽凹槽內前端平坦，長為 50mm，溢流槽傾斜角度θ為5°以及 10°，總長為 150mm，如圖 1.所示。因溢流槽形狀左右兩邊對稱，為節省模擬時間，只要模擬半邊即可。Flow-3D 軟體是以有限差分法作為其方程式之離散化，且使用方型之結構性網格進行運算，此處我們建立兩區塊的網格，如圖二所示。 y 軸方向設定 Total cells 為 1，網格區塊覆蓋住溢流槽頂端凹槽處，總長為150mm，前方平坦處總長為 50mm，後方 100mm 長度加上θ角度。為模擬玻璃膏的流動行為，網格前處再設定另一區塊網格，在溢流槽凹槽內，目的為設定壓力，產生力來推使玻璃膏使之溢流而下，形成平板玻璃。因此兩個區塊的網格設計是由一網格來提供凹槽壓力給另一網格，使玻璃在填滿此凹槽時，能藉由此壓力的調整讓玻璃膏溢流而下。網格邊界設定如圖三所示，玻璃膏溢流而下的面設為pressure，F fraction 值設為 0.0，pressure 值設為 0，玻璃膏往後溢流面設為continuative，使玻璃膏繼續往後流。另外可將玻璃膏往後溢流面邊界條件改為 pressure，與原來的邊界條件相比，最後選擇較好的方式模擬。

再來先將溢流槽潤濕(wetting)，設定 Fluid region，先有液體完全攤平在溢流槽表面上，可減少玻璃膏在溢流槽表面流動時的摩擦力，使玻璃膏更容易流下，亦可節省模擬的時間。在溢流槽凹槽內，加上θ角度的 100mm 網格裡，設定6 個寬度為 5mm 的 Baffles，間距皆為 14mm，斜坡之後的第一個Baffle 位置設為 X1，而後依序為X2、X3、 X4、X5、X6，如圖四所示。量測玻璃膏流過之flux surface，可得到玻璃膏的流量，藉此可得知玻璃膏流下後形成的厚度是否前後一致。 3D 模擬玻璃膏得到一壓力後，往凹槽後方持續填滿，平穩的往下溢流出。本實驗研究溢流槽凹槽內添加 θ角度及不同的壓力改變，影響玻璃膏液體流下時，形成平板玻璃的厚度。將改變不同的溢流槽凹槽的角度，觀察玻璃流量的影響，以及每個角度改變不同的壓力時，得到差別，實驗數據如表2.所示。玻璃膏屬於高黏滯性係數的流體，模擬計算時則必須花費相當長的運算時間，且3D 的模擬環境，又相當耗費電腦的記憶空間，因此為了簡化分析，本實驗將網格設在凹槽內，只模擬凹槽內流體狀態，溢流槽外部不添加網格，僅觀察凹槽內溢體剛要流出的流量，同時假設玻璃膏的黏度固定，為10000Pa-s，亦忽略整個模擬的溫度變化。表1.玻璃液體參數設定值 Viscosity

(Pa-s) Density (kg/m3₎ Surface _tension coefficient (N/m) Contact angle (°) 1e4 2370 0.066 60 表2. 改變不同之壓力玻璃黏度 (pa-s) θ(°) 壓力(N/m2₎ 700 5 800 700 1e4 8 800 單位:mm 圖1.溢流槽尺寸、標示圖圖2.網格圖圖3. 邊界條件圖

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圖4. Baffles 位置圖

3. 實驗結果

3.1θ=5°，改變壓力

為了了解溢流槽凹槽θ角對於製程造成的影響，我們先固定溢流槽外部幾何型狀，並加上θ=5°，不改變任何長度下，變動壓力。將壓力設定在700N/m2 時，液體經由壓力作用下進入溢流槽凹槽，可發現玻璃膏剛進入傾斜坡時的流量較多，相對的玻璃膏高度也較高，當玻璃膏繼續往後推進時，玻璃膏流量漸漸變少，高度也相對減少。改變壓力為800N/m2_{時，流量相對比壓力為} 700N/m2_{時多，玻璃膏高度也較高。}

3.2θ=8°，改變壓力

為了與5 度角做比較，因為溢流槽外型尺寸不予以改變，只變動θ角度。將壓力設定在700N/m2_時，液體經由壓力作用下進入溢流槽凹槽，發現玻璃膏剛進入傾斜坡時的流量較多，相對的玻璃膏高度也較高，當玻璃膏繼續往後推進時，玻璃膏流量漸漸變少，高度也相對減少。與θ=5°，壓力為700N/m2_相比，流量較大且玻璃膏高度也較高。改變壓力為800N/m2_{，也有同上的結果，與θ=5} °壓力為800N/m2_{相比，流量及玻璃膏高度皆較大。}

3.3 改變邊界條件

我們固定溢流槽θ=5°，壓力設為700N/m2_，不改變任何其他因素下，改變玻璃膏往後溢流面的邊界條件。原本設為continuative，現在改變為 pressure，F fraction 值設為 0.0，pressure 值設為 0，模擬出來的結果如圖5.所示。一段時間後，玻璃膏流至X6位置時，已經溢流出來，故圖中已看不見玻璃膏流到X6位置，因此最後選擇使用原本的邊界條件模擬。

3.4 實驗數據之量測

當玻璃膏溢流出來，且在玻璃膏的流動呈現狀態穩定後，即可觀察玻璃膏流量及量測玻璃膏高度。觀察X1、X2、X3、X4、X5及X6六個位置的流量變化，發現經過一段時間後，流量趨近於穩定，只有些微的變化，如圖6. 、圖 7.所示，fflux1 即為 X1的 Baffle 流量，其他以此類推，取平衡後其中一個時間點，量取玻璃膏經過Baffles 的高度。量取BafflesX1、X2、X3、X4、X5及X6六個位置的玻璃膏高度，並取平均值，兩個角度及不同的壓力均取平衡後的時間同位置量取高度。因為取平均值，為了使其準確，每一個地方皆要估計其誤差值，以增加其準確性。測量出來的數據整理出一張表格，且放入圖表中做比較，如表3.及圖 8.9.10.11 所示，圖 8.9. 為固定壓力下，以不同的角度作圖，圖10.11.為固定角度下，以不同的壓力作圖。計算過程中必須特別注意的是單位的換算，本實驗將Flow-3D 設定為 SI 制，但量測玻璃膏厚度時皆以公厘為單位，因此計算過程須特別注意單位的換算。模擬後的實驗結果經由量測與計算後，整理列出表格與圖表，並將相同位置，放入同一張圖表內，加入趨勢線及R 平方值以便觀察，同時也放入誤差線，增加其準確度。如表3.所示。圖5. 改變邊界條件之模擬圖6. θ=5°、P=700 之流量時間關係圖

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圖7. θ=5°、P=800 之流量時間關係圖

表

3. 實驗結果

θ(°) 壓力(N/m2_{) X} 1高度 (mm) X2高度 (mm) X3高度 (mm) X4高度 (mm) X5高度 (mm) X6高度 (mm) 700 1.1099 ±0.0078 0.9118 ±0.0294 0.7843 ±0.0981 0.5883 ±0.0089 0.4631 ±0.0062 0.4117 ±0.0589 5 800 1.2392 ±0.0246 0.9706 ±0.0125 0.8824 ±0.0750 0.6176 ±0.0625 0.5294 ±0.0465 0.4647 ±0.0175 700 1.1804 ±0.0392 0.9686 ±0.0313 0.7647 ±0.0588 0.6117 ±0.0322 0.5647 ±0.0541 0.3412 ±0.0512 8 800 1.2863 ±0.0431 0.9961 ±0.0092 0.9706 ±0.0532 0.6647 ±0.0239 0.5530 ±0.0780 0.3882 ±0.0245 圖8. 固定壓力 700，高度對位置之圖表

圖9. 固定壓力 800，高度對位置之圖表

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圖10. 固定 5 度角，高度對位置之圖表圖11. 固定 8 度角，高度對位置之圖表

4. 結論

(1)由圖 8.9.固定壓力下可看出，不論是 700pa 或 800pa，玻璃膏平均高度隨位置增加，5 度角和 8 度角越來越相近，最後甚至8 度角的玻璃膏平均高度小於 5 度角。又由R2_{值非常接近}_{1 可得知，各點很接近趨勢線，可} 利用圖中之公式，得到固定壓力下，任何想要的玻璃膏高度，誤差值應不會太大，相對的可得到玻璃膏溢流出之厚度。 (2)由圖 10.11.固定角度下可得出不同壓力每個位置點得到的玻璃膏平均高度，又由R2_{值非常接近}_{1 可得} 知，各點很接近趨勢線，可利用圖中之公式，得到固定角度下，任何想要的玻璃膏高度，相對的可得到玻璃膏溢流出之厚度。

5. 致謝

感謝許富淵老師的細心指導，這一年半裡，老師總是花許多時間耐心的教導我們，且不厭其煩的幫助我們解決問題，讓我在這一年半裡學習了很多東西，不論是課業上、專題上，甚至是學習態度，都和以往有了不同的改變，也增加了許多經驗，此經驗對未來繼續升學必有很大的幫助，在此致上最深的感謝。在這段時間也感謝歐巧柔同學以及吳佳儒同學的幫忙與鼓勵，時常一起討論問題，一起思考解決的辦法，互相激勵使我們共同成長。

6. 參考資料

(1)岩井善弘．越石健司，平面顯示器的關鍵元件．材料技術，株式會社工業調查會，2005 (2)彩色液晶顯示器，全華科技圖書股份有限公司，2001 (3)顧鴻壽，光電液晶平面顯示器技術基礎及應用，新文京開發出版有限公司，2001 (4)TFT 彩色液晶顯示器，共立出版株式會社，2008 (5)張煒國，平板玻璃溢流製程之言驗與模擬，國立聯合大學材料科學與工程學系碩士論文，2006

(6)H.S.Koo，Liquid Crystal Display Technology and Field Emission Display Panels，Encyclopedia of Imaging Science and Technology，2002

(7)Woo-Young Choi，Seoul(KR)；Joy Yim ，Seoul(KR)； Hyun-Woo Koh，Seoil(KR)，TFT-LCD Driving System And Method Thereof，2005

(8)Richard B. Pitbladdo，411 W.Lake Rd，Horseheads，NY(US) 14840，Overflow Downraw Glass Forming Method And Apparatus，2001

(9)Xing Ming，Beijing(CN)；Mi Zhang，Beijing(CN)，TFT LCD Array Substrate And Manufacturing Method Threof