CN103436852A

CN103436852A - 一种柔性衬底箔卷到卷的运送装置和运送方法

Info

Publication number: CN103436852A
Application number: CN2013103678322A
Authority: CN
Inventors: 胡增鑫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明提供一种柔性衬底箔卷到卷的运送装置和运送方法，应用于真空镀膜设备中，可在稳定物料运送过程的同时扩大加工区域面积，从而提高设备产能。本发明将柔性衬底箔以螺旋方式紧密贴合缠绕于卷绕机构的辊筒外表面上，通过卷绕机构的转动带动柔性衬底箔在其表面做三维空间内的螺旋式转动前进，配合放卷机构和收卷机构的动作，实现柔性衬底箔卷到卷的运送过程。卷绕机构的中间部位外周空间可根据需要设置镀膜或加工装置。卷绕机构内部还可以安装具有加热、冷却功能的装置或做接地连接，此时卷绕机构的功能不仅是提供运送物料的动力源，还兼具对柔性衬底箔温度控制功能。本发明可以方便的进行平行串联布置，实现调整工序或扩大产能的目的。

Description

一种柔性衬底箔卷到卷的运送装置和运送方法

技术领域

本发明涉及真空镀膜领域，特别是涉及应用各种真空镀膜方法在柔性衬底箔上实现连续的薄膜材料沉积设备中的卷到卷的运送装置和运送方法。

背景技术

卷到卷式（Roll-to-Roll）的真空镀膜设备，用于在柔性衬底箔（如金属箔、塑料薄膜等）上连续沉积半导体材料、金属材料或有机物材料以及对衬底本身或沉积薄膜的特殊加工处理（如退火、刻蚀、钝化、激光划刻等），广泛应用于柔性光伏器件、柔性显示器件、柔性半导体发光器件和柔性集成电路的大规模生产制造。

卷到卷式的真空镀膜设备或其他针对柔性基底的加工设备中的运送装置通常都包含卷绕机构、放卷机构（送料辊）和收卷机构（收料辊），配合其他辅助机构如转向辊、张力调节辊等，完成柔性衬底物料从放卷机构送出，经过一系列的加工区域，最终到达收卷机构的全过程。

在卷到卷式的镀膜（加工）设备中，柔性衬底箔的运送装置承担着连续、稳定、可靠地运送物料的任务，如何合理的设计该装置是保证镀膜（加工）质量和保证产能的关键。目前几乎所有相关设备中的柔性衬底箔运送装置，均采用“一维”或“二维”的运送方式，有如下特征：1）装置中所有的卷绕机构、放卷机构、收卷机构和转向机构的辊筒轴心都互相平行且垂直于设备横截面；2）在柔性衬底箔运送的全过程中，其运动方向始终在设备横截面的2维平面内（或者说始终平行于设备横截面）；3）镀膜（加工）区域的形状无论是平面型还是弧面型，其宽度（垂直于设备横截面方向）应与柔性衬底卷的宽度匹配。具体实例可参考专利文献：申请号20061013828.9、申请号201010566414.2、申请号201120219889.4、申请号201210478386.8。

上述运送装置可能存在以下问题：

1、镀膜（加工）区域面积受限。在柔性衬底卷的宽度一定的前提下，如要提高产能，只能增加该区域长度（平行于运送方向）或沿运送方向并行布置多个加工区域。由此引发的问题可能有：a）大幅度增加设备尺寸从而增加成本；b）为保证运送的稳定和张力分布均匀，需要增加多个张力调节辊、转向机构和卷绕机构，造成设备结构复杂、造价高、故障率高；c）过长的运送距离和过多的转向带来的累加阻力要求卷绕机构增大转动力矩输出，对于抗拉性能不高的塑料衬底箔可能造成过大的拉伸形变，引起沉积薄膜的内部缺陷甚至衬底本身断裂。

2、对于较长的平板式镀膜装置所应用的“一维”卷到卷运送方式，如果两端转向辊跨度过大则不能保证该区域内的衬底箔的张力足够，运送过程中衬底箔会出现“颤动”而不能平稳的通过镀膜区域，导致镀膜质量下降。

3、对于多次转向的“二维”运送方式，如果出现“S”型转向，则其中导向轮中必有一个接触柔性衬底箔的镀膜面，转动产生的摩擦可能损伤薄膜。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出一种结构简单，运行可靠的柔性衬底箔卷到卷的运送装置和运送方法，保证在运送过程中处于镀膜（加工）区域的衬底箔面积最大化，进而提升产能。

本发明将传统的“一维”、“二维”运送方式改变为“三维”运送，即柔性衬底箔的运动方向不在一个平面内，而是随卷绕机构的旋转在其辊筒表面做三维空间内的螺旋线运动，从卷绕机构的一端运送至另一端。

本发明提供的柔性衬底箔卷到卷运送方法包括：

第1、将柔性衬底箔以螺旋方式紧密贴合缠绕于卷绕机构的辊筒外表面上；

所述的卷绕机构至少为一个，当卷绕机构为两个或两个以上时，相邻两个卷绕机构的中心轴可以平行串联布置；

第2、放卷机构和收卷机构配合卷绕机构作同步转动，随着卷绕机构的转动，带动柔性衬底箔沿缠绕的螺旋线方向转动（顺时针或逆时针），从而实现从卷绕机构的一段运送至另一端，完成柔性衬底箔的卷到卷运送过程。

本发明同时提供了一种柔性衬底箔卷到卷运送装置，该装置包括放卷机构和收卷机构，在放卷机构和收卷机构之间至少设置一个由电机驱动的卷绕机构，衬底箔两端延长部分分别固定到送卷机构的衬底箔和收卷机构的辊筒，卷绕机构中心轴方向与所运送的柔性衬底箔转动的线速度方向不呈垂直关系，而是形成一定的夹角θ，该角度应满足关系式：0°＜θ≤arccos(L/πD)，其中L为衬底箔宽度，D为卷绕机构中心轴直径，且0＜L＜πD；由电机驱动的送卷机构辊筒轴方向与卷绕机构中心轴方向不呈平行关系，而是形成一个夹角，该角度=|90°-θ|；由电机驱动的收卷机构辊筒的轴方向与卷绕机构的轴方向不呈平行关系，而是形成一个夹角，该角度=|90°-θ|。

当所述的卷绕机构为两个或两个以上时，相邻两个卷绕机构的中心轴可以平行串联布置。

卷绕机构辊筒的中间段部位周围可以根据工艺需要安装布置镀膜（加工）装置，例如：PECVD电极、磁控溅射靶材、线性蒸发源、激光划刻装置、加热装置、冷却装置或在线式检测分析仪器等，构成设备加工区域。将镀膜（加工）装置设计成包围卷绕机构辊筒的圆筒型，则运送过程中，柔性衬底箔处于被加工区域的面积近似等于镀膜（加工）装置的长度范围内卷绕辊筒圆柱体的表面积，或该区域内螺旋线长度与柔性衬底箔宽度的乘积，远大于背景技术中所述的目前应用的运送装置和运送方法提供给加工区域的面积。

同时，所述的卷绕机构辊筒的内部还可以安装具有加热、冷却功能的装置或做接地连接，此时卷绕机构的功能不仅是提供运送物料的动力源，还兼具对柔性衬底箔温度控制功能，配合温度控制单元可对卷绕辊筒表面进行加热、冷却或精确的温度调节，或作为某些镀膜装置的接地电极（如PECVD）。

本发明的优点和积极效果：

1、镀膜（加工）区域面积成倍增加，减少设备长度和空间需求，大幅提高产能；

2、向机构、稳定机构、张力调节机构少，设备构造简单；

3、运送过程中柔性衬底箔与卷绕辊筒紧密贴合，张力分布均匀，传送稳定无颤动，导热效率高；

4、运送过程中镀膜（加工）面不接触任何转向机构，避免因摩擦引起的薄膜损坏；

5、多个同类型装置可以进行平行串联布置，便于系统升级，进一步扩大产能。

附图说明

图1为本发明实施例1的柔性衬底箔卷到卷的运送装置示意图。

图2为本发明实施例2的柔性衬底箔卷到卷的运送装置示意图。

图3为本发明实施例3的柔性衬底箔卷到卷的运送装置示意图。

图4为本发明实施例4的柔性衬底箔卷到卷的运送装置示意图。

图5为本发明实施例1的柔性衬底箔卷到卷的运送装置几何关系示意图。

图中：

1卷绕机构，2放卷机构，3收卷机构，4柔性衬底箔，5、6——镀膜/加工区域，7在线薄膜检测分析仪器探头，A实施例3中A工段的镀膜/加工区域，B实施例3中B工段的镀膜/加工区域，C实施例3中C工段的镀膜/加工区域，1A实施例3中A工段的卷绕机构，1B实施例3中B工段的卷绕机构，1C实施例3中C工段的卷绕机构。

具体实施方式

以下结合适当的实施例对本发明的柔性衬底箔卷到卷运送装置和运送方法进行描述。

实施例1

图1为本发明实施例1的示意图，说明本发明运送装置和运送方法的工作原理。

放卷机构2卷出的柔性衬底箔4沿逆时针螺旋线方式从卷绕机构1的一端开始缠绕，经过数周后达到辊筒另一端，固定至收卷机构3。随着卷绕机构1、放卷机构2和收卷机构3的转动（方向如图所示），柔性衬底箔4不断地从放卷机构2中卷出，沿螺旋线转动前进（方向如图所示），最终卷入收卷机构3，完成整个的卷到卷的运送过程。

图5为本发明实施例1的几何关系示意图，说明各关键尺寸和角度之间的几何关系。

为获得卷绕机构中心轴方向与柔性衬底箔转动的线速度（中心线）方向的夹角θ、卷绕机构中心轴直径D、柔性衬底箔宽度L之间的几何关系，考虑一种将柔性衬底箔在卷绕中心轴上紧密螺旋式缠绕（相邻两圈既无搭接也无间隙）的特殊情况，并将图1的正视图进行纸面平铺展开，从而获得图5的效果。经几何计算可得：θ= arccos(L/πD)。由反余弦函数的定义域为[-1,1]、θ≠90°（否则螺旋缠绕不成立）且L必大于0的约束条件可知L与D的尺寸关系应满足：0＜L＜πD。近一步推理可知，当柔性衬底箔在卷绕中心轴上呈螺旋式缠绕时，θ、L和D应满足关系式：0°＜θ≤arccos(L/πD)且0＜L＜πD；当θ＜arccos(L/πD)时，柔性衬底箔呈非紧密螺旋式缠绕（相邻两圈之间存在间隙）。D、L和θ的实际值可在以上限定范围内根据产能和设计要求，进行取值。

由电机驱动的送卷机构辊筒轴方向与卷绕机构中心轴方向不呈平行关系，而是形成一个夹角，其角度=|90°-θ|；由电机驱动的收卷机构辊筒的轴方向与卷绕机构的轴方向不呈平行关系，而是形成一个夹角，其角度=|90°-θ|。

根据产能和设计要求，确定柔性衬底箔在卷绕机构上螺旋式缠绕的圈数，而卷绕机构中心轴的长度也应作相应的调整。

卷绕机构、放卷机构和收卷机构的辊筒均由电动机驱动，其中卷绕电动机以恒定速率方式转动，为柔性衬底箔的螺旋式卷绕运动提供动力；送卷电动机和收卷电动机以恒定转矩方式转动，以一定的张力完成卷出和卷入动作。若送卷、收卷电动机与卷绕电动机转动的同步配合不佳，则可以考虑在放卷机构后和收卷机构前增加张力调节装置以保证卷出和卷入过程的衬底箔张力稳定，呈现适度紧绷状态。

实施例2

图2为本发明实施例2的示意图。

在实施例1的基础上，以围绕卷绕机构1的圆筒状为例表示本发明可供利用的镀膜/加工区域5，根据不同的镀膜/加工工艺要求和装置类型，加工区域形状可以为围绕卷绕机构1的矩形板、弧形板或其他形式。

实施例3

图3为本发明实施例3的示意图。

在实施例3中，柔性衬底箔4沿顺时针螺旋线缠绕，相应的卷绕机构1、放卷机构2和收卷机构3的转动方向如图所示。同时，将镀膜/加工区域分为2段：镀膜/加工区域5和镀膜/加工区域6，可以实现不同类型的镀膜/加工技术分段进行而不需要复杂的转向机构。中间区域可设置必要的隔离装置（图中未示出），或设置在线薄膜检测分析仪器探头7。

实施例4

图4为本发明实施例4的示意图，说明以级联方式应用本发明的运送装置和运送方法，方便在原有设备基础上实现扩大产能或改变工序。

如图所示，实施例4包含3段本发明的运送装置（即3个卷绕机构），卷绕机构1A、1B、1C分别为工段（加工区域）A、B、C阶段的运送提供动力，其转动需要良好的同步，在交接处可根据需要设置张力调节装置以保证柔性衬底箔4的稳定可靠运送。在加工区域A、B、C的空间内可根据生产需要设置同类型或不同类型的镀膜/加工装置或在线式检测装置。

Claims

1.一种柔性衬底箔卷到卷运送方法，其特征在于该方法包括：

第2、放卷机构和收卷机构配合卷绕机构作同步转动，随着卷绕机构的转动，带动柔性衬底箔沿缠绕的螺旋线方向转动，从而实现从卷绕机构的一段运送至另一端，完成柔性衬底箔的卷到卷运送过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的卷绕机构至少为一个，当卷绕机构为两个或两个以上时，相邻两个卷绕机构的中心轴可以平行串联布置。

3.一种柔性衬底箔卷到卷运送装置，包括放卷机构和收卷机构，其特征在于，在放卷机构和收卷机构之间至少设置一个由电机驱动的卷绕机构，衬底箔两端延长部分分别固定到送卷机构的衬底箔和收卷机构的辊筒，卷绕机构中心轴方向与所运送的柔性衬底箔转动的线速度方向不呈垂直关系，而是形成一定的夹角θ，该角度应满足关系式：0°＜θ≤arccos(L/πD)，其中L为衬底箔宽度，D为卷绕机构中心轴直径，且0＜L＜πD；由电机驱动的送卷机构辊筒轴方向与卷绕机构中心轴方向不呈平行关系，而是形成一个夹角，该角度=|90°-θ|；由电机驱动的收卷机构辊筒的轴方向与卷绕机构的轴方向不呈平行关系，而是形成一个夹角，该角度=|90°-θ|。

4.根据权利要求3所述的柔性衬底箔卷到卷运送装置，其特征在于所述的卷绕机构为两个或两个以上时，相邻两个卷绕机构的中心轴可以平行串联布置。

5.根据权利要求3或4所述的柔性衬底箔卷到卷运送装置，其特征在于所述的卷绕机构内部包含加热或冷却装置，配合温度控制单元可对卷绕辊筒表面进行加热、冷却或精确的温度调节。