Покрытие щелевой матрицы

Покрытие с помощью щелевой матрицы – это метод нанесения покрытия из раствора, суспензии, термоплавкого или экструдированного тонкого слоя на обычно плоские подложки, такие как стекло, металл, бумага, ткань, пластик или металлическая фольга. . Этот процесс был впервые разработан для промышленного производства фотобумаги в 1950-х годах. С тех пор он стал актуальным во многих областях исследований, связанных с коммерческими процессами и наноматериалами.

Покрытие щелевой головкой производит тонкие пленки посредством обработки раствора. Желаемый материал покрытия обычно растворяется или суспендируется в растворе-предшественнике или суспензии (иногда называемой «чернилами») и доставляется на поверхность подложки через точную головку для нанесения покрытия, известную как щелевая головка. Щелевая головка имеет выход с высоким соотношением сторон, контролирующий окончательную доставку жидкости покрытия на подложку. Это приводит к непрерывному производству широкого слоя покрытого материала на подложке с регулируемой шириной в зависимости от размеров выходного отверстия щелевой головки. Благодаря тщательному контролю скорости осаждения раствора и относительной скорости подложки, покрытие щелевой головкой обеспечивает тонкие покрытия материала с легко контролируемой толщиной в диапазоне от 10 нанометров до сотен микрометров после испарения растворителя-предшественника.

Обычно упоминаемые преимущества процесса нанесения покрытия с использованием щелевой матрицы включают в себя предварительно отмеренный контроль толщины, бесконтактный механизм нанесения покрытия, высокую эффективность использования материала, масштабируемость площадей покрытия и скорости производительности, а также совместимость с рулонами. Этот процесс также позволяет использовать широкий рабочий диапазон толщины слоя и свойств раствора-предшественника, таких как выбор материала, вязкость и содержание твердых веществ. К часто упоминаемым недостаткам процесса нанесения покрытия с помощью щелевой матрицы относятся сравнительно высокая сложность аппарата и оптимизация процесса по сравнению с аналогичными методами нанесения покрытия, такими как нанесение покрытия лезвием и центрифугированием. Более того, нанесение покрытия с помощью щелевых штампов относится к категории процессов нанесения покрытия, а не к процессам печати. Поэтому он лучше подходит для покрытия однородных тонких слоев материала, а не для печати или последовательного создания сложных изображений и узоров.

Аппарат для нанесения покрытия

Типичные компоненты

Оборудование для нанесения покрытий с помощью щелевых головок доступно в различных конфигурациях и форм-факторах. Однако подавляющее большинство процессов с щелевыми головками управляется схожим набором общих основных компонентов. К ним относятся:

В зависимости от сложности устройства для нанесения покрытия, система нанесения покрытия с щелевой матрицей может включать в себя дополнительные модули, например. точное позиционирование щелевой матрицы над подложкой, фильтрация частиц раствора покрытия, предварительная обработка подложки (например, очистка и изменение поверхностной энергии) и этапы последующей обработки (например, сушка, отверждение, каландрирование, печать, резка, и т. д.).

Системы промышленных покрытий

Покрытие щелевых штампов изначально было разработано для промышленного использования и по-прежнему применяется в основном в промышленных масштабах. Это связано с его потенциалом крупномасштабного производства высококачественных тонких пленок и покрытий при низких эксплуатационных затратах за счет интеграции линий с рулона на рулон и листа с листом. Такие системы нанесения покрытия «рулон-рулон» и «лист-лист» схожи по своему предназначению для крупномасштабного производства, но отличаются друг от друга физической жесткостью подложек, с которыми они работают. Системы Roll-to-Roll предназначены для покрытия и обработки рулонов гибкой подложки, таких как бумага, ткань, пластик или металлическая фольга. И наоборот, системы «лист к листу» предназначены для покрытия и обработки жестких листов подложки, таких как стекло, металл или оргстекло. Также возможны комбинации этих систем, такие как линии рулонной печати.

Как промышленные рулонные, так и листовые системы обычно имеют щелевые головки шириной покрытия от 300 до 1000 мм, хотя сообщалось о щелевых головках шириной до 4000 мм. Коммерческие щелевые головки, как утверждается, работают со скоростью до нескольких сотен квадратных метров в минуту, а рулонные системы обычно обеспечивают более высокую производительность из-за меньшей сложности обработки подложки. Такие крупномасштабные системы нанесения покрытий могут приводиться в действие различными промышленными насосными решениями, включая шестеренные насосы, винтовые насосы, напорные баки и мембранные насосы в зависимости от технологических требований.

Рулонные линии

Для обработки гибких подложек рулонные линии обычно используют ряд роликов для непрерывного перемещения подложки через различные станции технологической линии. Голая подложка берет начало на рулоне «размотки» в начале линии и собирается на рулоне «перемотки» в конце. Поэтому подложку часто называют «лентой», поскольку она прокручивается через технологическую линию от начала до конца. Когда рулон подложки полностью обработан, он собирается с рулона перемотки, что позволяет установить новый, голый рулон подложки на размоточный валик, чтобы начать процесс снова. Нанесение покрытия щелевой головкой часто включает в себя всего один шаг общего процесса рулон-рулон. Щелевая головка обычно устанавливается в фиксированном положении на рулонной линии, распределяя жидкость для покрытия на ленту непрерывно или на основе участков по мере прохождения подложки. Поскольку полотно подложки охватывает все станции рулонной линии одновременно, отдельные процессы на этих станциях тесно связаны и должны быть оптимизированы для совместной работы друг с другом на одинаковой скорости полотна.

Линии лист-лист

Жесткие подложки, используемые в системах лист-лист, несовместимы с методом рулонной обработки. Вместо этого в системах «лист к листу» используется стеллажная система для транспортировки отдельных листов между различными станциями технологической линии, причем передача между станциями может происходить вручную или автоматически. Таким образом, линии «лист к листу» больше похожи на серию полусвязанных пакетных операций, чем на единый непрерывный процесс. Это позволяет упростить оптимизацию операций отдельных агрегатов за счет потенциально увеличения сложности обработки и снижения пропускной способности. Кроме того, необходимость начинать и останавливать процесс нанесения покрытия с помощью щелевой матрицы для каждого листа подложки предъявляет более высокие требования к допускам к однородности передней и задней кромки этапа щелевой матрицы. В линиях по производству листовой печати подложка может фиксироваться на месте, когда подложка проходит снизу по движущейся опорной платформе (иногда называемой «патроном»). Альтернативно, щелевая матрица может перемещаться во время нанесения покрытия, в то время как подложка остается зафиксированной на месте.

Инструменты разработки лабораторного масштаба

Миниатюрные инструменты с прорезными штампами становятся все более доступными для поддержки разработки новых процессов, совместимых с рулонами, до того, как потребуется полное пилотное и производственное оборудование. Эти инструменты имеют те же основные компоненты и функциональные возможности, что и более крупные линии нанесения покрытий с щелевыми штампами, но предназначены для интеграции в среду предпроизводственных исследований. Обычно это достигается, например, прием стандартных листов подложки формата А4 вместо целых рулонов подложки, использование шприцевых насосов вместо промышленных насосных решений и использование нагревательных пластин, а не больших промышленных сушильных шкафов, длина которых в противном случае может достигать нескольких метров, чтобы обеспечить подходящее время выдержки для сушки. .

Поскольку процесс нанесения покрытия с помощью щелевой матрицы можно легко масштабировать между большими и малыми площадями путем регулирования размера щелевой матрицы и пропускной скорости, процессы, разработанные с помощью инструментов лабораторного масштаба, считаются достаточно масштабируемыми для промышленного производства от рулона к рулону и линии нанесения покрытия лист на лист. Это привело к значительному интересу к покрытию щелевых кристаллов как методу масштабирования новых тонкопленочных материалов и устройств, особенно в сфере исследований тонкопленочных солнечных элементов, например. перовскит и органические фотоэлектрические элементы.

Общие способы покрытия

Оборудование для изготовления щелевых штампов может быть нанесено в нескольких различных вариантах покрытия, в зависимости от требований конкретного процесса. К ним относятся:

Динамика бесконтактного покрытия тщательно изучалась и применялась в широком диапазоне масштабов и применений. Более того, концепции, регулирующие бесконтактное покрытие, важны для понимания поведения других способов покрытия. Таким образом, бесконтактное покрытие считается конфигурацией по умолчанию для целей этой вводной статьи, хотя конфигурации навесного покрытия и натяжения полотна над щелевой матрицей остаются весьма актуальными в промышленном производстве.

Ключевые параметры процесса

Контроль толщины пленки

Нанесение щелевого покрытия представляет собой бесконтактный метод нанесения покрытия, при котором щелевая матрица обычно удерживается над подложкой на высоте, в несколько раз превышающей целевую толщину влажной пленки. Покрывающая жидкость переносится из щелевой матрицы на подложку через жидкостный мостик, который перекрывает воздушный зазор между кромками щелевой матрицы и поверхностью подложки. Этот жидкостный мостик обычно называют мениском покрытия или валиком покрытия. Толщину полученного влажного слоя покрытия контролируют путем настройки соотношения между прикладываемой объемной скоростью насоса и поверхностной скоростью нанесения покрытия. В отличие от методов нанесения покрытия с автоматическим дозированием, таких как нанесение покрытия лезвием или стержнем, щелевая матрица не влияет на толщину влажного слоя покрытия посредством какой-либо формы разрушительного физического контакта или соскабливания. Таким образом, высота щелевой матрицы не определяет толщину влажного слоя покрытия. Вместо этого высота щелевой матрицы играет важную роль в определении качества пленки с покрытием, поскольку она контролирует расстояние, которое должен преодолеть мениск для поддержания стабильного процесса нанесения покрытия.

${\displaystyle t_{wet}={\frac {Q}{W\times U}}}$

Нанесение покрытия с помощью щелевой матрицы осуществляется с помощью механизма нанесения жидкого покрытия с предварительной дозировкой. Толщина влажного слоя покрытия (< > ), поэтому в значительной степени определяется шириной покрытия (${\displaystyle W}$ ), объемная скорость насоса (<< MATH2>>) и скорость нанесения покрытия или относительную скорость между щелевой матрицей и подложкой во время нанесения покрытия (${\displaystyle U}$). Увеличение скорости насоса увеличивает толщину влажного слоя, а увеличение скорости нанесения покрытия или ширины покрытия уменьшает толщину влажного слоя. Ширина покрытия обычно является фиксированной величиной для данного процесса с использованием щелевой головки. Следовательно, скорость насоса и скорость нанесения покрытия можно использовать для расчета, контроля и регулировки толщины влажной пленки весьма предсказуемым образом. может возникнуть на практике из-за неидеального поведения материалов и технологических компонентов; например, при использовании высоковязкоупругих жидкостей или при неоптимальной технологической схеме, при которой жидкость ползет вверх по компоненту щелевой матрицы, а не полностью переносится на подложку.

${\displaystyle t_{dry}=t_{wet}\times {\frac {c}{\rho }}}$

Окончательная толщина сухого слоя после испарения растворителя (${\displaystyle t_{dry}}$< /span>) дополнительно определяется концентрацией твердых веществ в растворе-предшественнике (${\displaystyle c}$) и объемная плотность материала с покрытием в его окончательном виде (${\displaystyle \rho }$). Увеличение содержания твердых веществ в растворе предшественника увеличивает толщину сухого слоя, тогда как использование более плотного материала приводит к более тонкому сухому слою для данной концентрации.

Контроль качества фильма

Как и во всех методах покрытия, обработанных раствором, конечное качество тонкой пленки, полученной с помощью щелевой матрицы, зависит от широкого спектра параметров, как внутренних, так и внешних по отношению к самой щелевой матрице. Эти параметры можно условно разделить на:

Параметры окна покрытия

В идеальных условиях возможность получения бездефектной пленки с помощью щелевой матрицы полностью зависит от окна покрытия данного процесса. Окно нанесения покрытия представляет собой многовариантную карту ключевых параметров процесса, описывающую диапазон, в котором их можно применять вместе для получения бездефектной пленки. Понимание поведения окна покрытия в типичном процессе изготовления щелевой матрицы позволяет операторам наблюдать дефекты в слое покрытия щелевой матрицы и интуитивно определять порядок действий по устранению дефектов. Ключевые параметры процесса, используемые для определения окна покрытия, обычно включают в себя:

Окно покрытия можно визуализировать, нанеся график зависимости двух таких ключевых параметров друг от друга, предполагая, что остальные остаются постоянными. В первоначальном простом представлении окно нанесения покрытия можно описать путем построения графика зависимости между допустимой скоростью насоса и скоростью нанесения покрытия для данного процесса. Чрезмерная накачка или недостаточная скорость нанесения покрытия приводят к вытеканию дефектной покрывающей жидкости за пределы желаемой области покрытия, а слишком быстрое нанесение покрытия или недостаточная накачка приводит к разрушению дефекта мениска. Таким образом, скорость насоса и скорость нанесения покрытия можно регулировать для прямой компенсации этих дефектов, хотя изменение этих параметров также влияет на толщину влажной пленки посредством механизма предварительно дозированного нанесения покрытия. В этой взаимосвязи неявно присутствует влияние параметра высоты щелевой матрицы, поскольку он влияет на расстояние, на которое мениск должен быть растянут, оставаясь стабильным во время нанесения покрытия. Таким образом, поднятие шлицевой матрицы выше может противодействовать дефектам рассыпания за счет дальнейшего растяжения мениска, а опускание шлицевой матрицы может противодействовать дефектам полос и разрушения за счет уменьшения зазора, который должен преодолеть мениск. Другие полезные графики окна покрытия, которые следует учитывать, включают взаимосвязь между числом капилляров жидкости и высотой щелевой фильеры, а также взаимосвязь между давлением на мениске и высотой щелевой фильеры. Первое особенно актуально при рассмотрении изменений вязкости жидкости и поверхностного натяжения (т.е. эффекта покрытия различных материалов со значительно различной реологией), тогда как второе актуально в контексте применения вакуумной камеры на входной стороне мениска для стабилизации. мениск против разрыва.

Эффекты последующих процессов

В действительности, конечное качество пленки с покрытием, нанесенным щелевой головкой, в значительной степени зависит от множества факторов, выходящих за пределы границ параметров идеального окна покрытия. Эффекты поверхностной энергии и эффекты сушки являются примерами общих эффектов, оказывающих значительное влияние на конечную морфологию пленки. Неоптимальное соответствие поверхностной энергии между подложкой и жидкостью покрытия может привести к высушиванию жидкой пленки после ее нанесения на подложку, что приводит к образованию отверстий или капель покрытия. Также часто отмечается, что неоптимальные процессы сушки влияют на морфологию пленки, что приводит к увеличению толщины по краю пленки из-за эффекта кофейного кольца. Поэтому поверхностная энергия и последующая обработка должны быть тщательно оптимизированы для поддержания целостности слоя с покрытием, нанесенным щелевой головкой, по мере его перемещения через систему, пока не будет собран конечный тонкопленочный продукт.

Внешние эффекты

Нанесение покрытия с помощью щелевой матрицы — это высокомеханический процесс, в котором однородность движения и высокие допуски оборудования имеют решающее значение для получения однородного покрытия. Механические дефекты, такие как тряска в насосе и системах перемещения покрытия, плохая параллельность щелевой матрицы и подложки, а также внешние вибрации в окружающей среде, могут привести к нежелательным изменениям толщины и качества пленки. Поэтому устройство для нанесения покрытия с помощью щелевой матрицы и его окружающая среда должны быть соответствующим образом определены, чтобы удовлетворить потребности данного процесса и избежать дефектов, вызванных оборудованием и окружающей средой в покрытой пленке.

Приложения

Промышленное применение

Покрытие щелевой матрицы изначально было разработано для коммерческого производства фотопленок и бумаги. За последние несколько десятилетий этот процесс стал критически важным процессом в производстве клейких пленок, гибкой упаковки, трансдермальных и пероральных фармацевтических пластырей, ЖК-панелей, многослойных керамических конденсаторов, литий-ионных батарей и многого другого.

Исследовательские приложения

С ростом интереса к потенциалу наноматериалов и функциональных тонкопленочных устройств щелевое покрытие стало все чаще применяться в сфере исследования материалов. Это в первую очередь объясняется гибкостью, предсказуемостью и высокой повторяемостью процесса, а также его масштабируемостью и происхождением как проверенной промышленной технологии. Щелевое покрытие наиболее заметно использовалось в исследованиях, связанных с гибкой, печатной и органической электроникой, но остается актуальным в любой области, где требуется масштабируемое производство тонких пленок.

Примеры исследований, проводимых с помощью покрытия щелевых штампов, включают: