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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Substratbehandlung, bei dem eine Wärmeübertragung zwischen einem Heiz- oder Kühlkörper und einem band- oder folienförmigen Substrat stattfindet, insbesondere bei Substratbehandlungsprozessen unter subatmosphärischem Druck, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Anspruchs 4.
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Der Wärmeübergang zwischen zwei einander in Kontakt stehenden Festkörpern unter subatmosphärischem Druck (technisches Vakuum), von denen der eine als Wärmequelle und der andere als Wärmesenke fungiert, soll erhöht und über die gesamte Berührungsfläche gleichmäßig realisiert werden. In der betrachteten Ausführungsform (nicht einschränkend) betrifft dies die Kühl- oder Heizwirkung auf ein Metallband, welches berührend über einen Kühl- oder Heizkörper geführt wird. Gleichzeitig sollen mögliche, bei der Kontaktierung entstehende Oberflächenfehler (Kratzer, etc.) auf dem Substrat vermieden werden.
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Es ist bekannt, dass der Wärmeaustausch zwischen Körpern im technischen Vakuum, bedingt durch die darin eingeschränkte oder fehlende Wärmekonvektion, hauptsächlich oder ausschließlich über Wärmestrahlung oder Kontaktwärmeleitung erfolgen muss.
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Bei der Hochrate-Vakuumbeschichtung von Metallbändern ist die prozessbedingt notwendige Kühlung oder Erwärmung des band- oder folienförmigen Substrats (üblicher Temperaturbereich ca. 50–300°C) allein durch Strahlungswärmeaustausch unzureichend und kann mittels Kontaktwärmeleitung erheblich verbessert werden.
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Es ist auch bekannt, dass der Wärmeübergang zwischen zwei im technischen Vakuum in Kontakt stehenden Festkörpern durch die limitierte Anzahl mikroskopischer Kontaktpunkte begrenzt ist. Gründe für die geringe Anzahl an Kontaktstellen sind Gestaltabweichungen verschiedener Ordnungen zwischen den beiden Körpern, die beispielsweise Formabweichungen, Ausrichtungsabweichungen, Welligkeiten und Rauheiten umfassen.
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Eine typische Lösung für die Kühlung oder Erwärmung eines Bandsubstrats im Vakuum ist der Einsatz von zylindrischen Kühl- oder Heizwalzen, über die das Band mit möglichst großem Umschlingungswinkel geführt wird. Es ist auch bekannt, dass das Band aufgrund seiner Gestaltabweichungen nie vollflächig und gleichmäßig auf der Kühlwalze aufliegt, was zu einer weiteren Reduzierung der Wärmeübertragungsleistung und insbesondere auch zu einem sehr inhomogenen Wärmeübergang führt. Die Folge sind Verformungen des Bandes durch lokale Temperaturgradienten und in manchen Fällen sogar eine Beschädigung der Bandoberfläche aufgrund von Rutschen des Bandes bei einer wärmebedingten Ausdehnungsänderung.
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Es ist ebenfalls bekannt, dass der Wärmekontakt durch Andrücken des Bandes über Stützrollen von außen punktuell erhöht werden kann (Linienberührung). In vielen Prozessen ist jedoch die direkte Druckwirkung auf die in der Regel außen liegende Beschichtung (Gutseitenberührung) durch diese Stützrollen aufgrund von möglichen Oberflächenbeschädigungen nicht zulässig.
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Aus
EP 1 674 591 A1 ist weiterhin bekannt, eine erhöhte Wärmeleitung zum Zwecke des Kühlens durch eine große Anzahl von metallischen Borsten, die zwischen Substrat und Kühlwalze angeordnet sind, auszubilden. Die spitzen Borsten schädigen allerdings das Substrat, insbesondere für den beschriebenen Fall, wenn das Band über einen feststehenden Kühlkörper mit Borsten geführt wird. Die Borsten verlaufen in oberflächennahen Bereichen, die mit dem Substrat in Berührung kommen, größtenteils annähernd senkrecht zur Oberfläche, so dass einzelne Borsten eine relativ große Flächenpressung auf dem Substrat erzeugen. Gleichzeitig ist die Berührungsfläche zwischen den Enden der Borsten und dem Substrat sehr klein, so dass nur geringe Wärmemengen übertragen werden können. In diesem Fall kommt es auch zu einem reibungsbedingtem Verschleiß der Bürste, der die Lebensdauer der Bürste verkürzt und zusätzliche Kosten verursacht. Die Borsten weisen nur eine geringe Einfederung auf, die für den Ausgleich der Gestaltabweichung nur unzureichend ist. Des Weiteren ist die Herstellung dieser Bürsten nach den bisher bekannten Herstellungsverfahren aufwändig, teuer und langwierig.
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Es sollen daher verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zur Substratbehandlung und Wärmeübertragung angegeben werden.
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Zunächst wird ein Substratbehandlungsverfahren vorgeschlagen, bei dem Material auf ein Substrat aufgetragen oder/und Material von einem Substrat abgetragen wird und gleichzeitig oder/und zu einem anderen Zeitpunkt eine Wärmeübertragung zwischen einem Heiz- oder Kühlkörper und dem Substrat stattfindet, wobei die Wärme zwischen dem Heiz- oder Kühlkörper und dem Substrat durch ein wärmeleitfähiges Textilmaterial geleitet wird.
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Ein wärmeleitfähiges Textilmaterial, das als Vlies, Filz, Gewebe, Gewirk oder Gestrick ausgeführt sein kann, ist ein flächiges textiles Erzeugnis, das aus dünnen Fäden oder Fasern hergestellt ist, wobei zumindest der größte Teil der oberflächennahen Fäden oder Fasern parallel oder nahezu parallel bzw. tangential oder nahezu tangential zur Oberfläche verläuft, so dass einzelne Fäden oder Fasern eine sehr geringe Flächenpressung auf das Substrat erzeugen. Gleichzeitig ist die Berührungsfläche zwischen dem wärmeleitfähigen Textilmaterial und dem Substrat sehr groß, so dass die Wärmekontaktpunkte sehr zahlreich sind, wodurch große Wärmemengen übertragen werden können. Der senkrecht zur Oberfläche verlaufende Faseranteil leitet möglichst direkt und dadurch effizient die Wärme. Das wärmeleitfähige Textilmaterial unterscheidet sich in diesen Punkten stark von Bürsten und ist daher in der Lage, deren Nachteile zu vermeiden.
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Das Verfahren ist unter Atmosphärendruck anwendbar. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Verfahren unter subatmosphärischem Druck durchgeführt werden, wenn der konkrete Anwendungsfall dies erfordert.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Substrat während des Verfahrens bewegt wird und der Heiz- oder Kühlkörper gleichzeitig so bewegt wird, dass keine Relativverschiebung zwischen Heiz- oder Kühlkörper und Substrat stattfindet. Dies ist beispielsweise bei Verfahrensvarianten sinnvoll, bei denen bandförmige Substrate einer Behandlung unterzogen werden, beispielsweise indem das Substrat über einen zylindrischen, drehbar gelagerten Heiz- oder Kühlkörper geführt wird, aber auch bei plattenförmigen Substraten, beispielsweise indem das Substrat mit einem plattenförmigen Heiz- oder Kühlkörper verbunden wird, der damit gleichzeitig als Substrathalter dienen kann oder Bestandteil eines Substrathalters sein kann.
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Das Substrat im Sinne der Erfindung könnte jedoch auch montierte Anlagenkomponenten wie z. B. Abschirmbleche oder Blenden umfassen, die prozessbedingt über einen anderen Körper gekühlt oder erwärmt werden müssen. Ein zwischen diesen beiden Körpern angebrachtes Textilmaterial der beschriebenen Art würde auch hier den Wärmeübergang verbessern.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird eine, Substratbehandlungsvorrichtung vorgeschlagen, die mindestens eine Substratbehandlungseinrichtung zum Auf- oder Abtragen von Material sowie einen Heiz- oder Kühlkörper zur Wärmeübertragung vom oder auf das Substrat umfasst, wobei auf der Oberfläche des Heiz- oder Kühlkörpers ein wärmeleitfähiges Textilmaterial angeordnet ist. Wie oben bereits ausgeführt, kommt es auf die konkrete Form des Heiz- oder Kühlkörpers nur insoweit an, dass dessen Oberfläche für einen größtmöglichen Kontakt mit dem Substrat ausgebildet sein sollte. So sind etwa ebene, beispielsweise plattenförmige, aber auch zylindrische oder, sollte das Substrat oder das Verfahren dies erfordern, auch anders geformte Heiz- oder Kühlkörper denkbar. Entscheidend ist, dass der Oberflächenbereich des Heiz- oder Kühlkörpers, der mit dem Substrat in Berührung kommt, mit einem wärmeleitfähigen Textilmaterial versehen ist.
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In einer Ausgestaltung weist das wärmeleitfähige Textilmaterial dem Substrat zugewandte Schub- oder Polnoppen auf. Textile Erzeugnisse mit Schub- oder Polnoppen sind beispielsweise von Frotteehandtüchern, Teppichen usw. bekannt. Es handelt sich dabei um Schlingen eines Fadens oder Fasermaterials, die das Erzeugnis sehr voluminös machen und die gleichzeitig eine große Elastizität senkrecht zur Fläche aufweisen. Hierdurch können die oben erläuterten Gestaltabweichungen von Heiz- oder Kühlelement und Substrat hervorragend ausgeglichen werden, so dass viele Wärmekontaktpunkte vorhanden sind und damit stets eine große Wärmestromdichte sichergestellt ist.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass das wärmeleitfähige Textilmaterial metallische Fäden oder Fasern oder/und metallisch beschichtete Fäden oder Fasern enthält. Metallische oder/und metallisch beschichtete Fäden oder Fasern weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Zu beschichtende Fasern können dabei beispielsweise aus mineralischen Materialien wie technischer Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid, bestehen, die hohe Temperaturen vertragen, ohne auszugasen. Es sind jedoch auch andere, gut wärmeleitfähige Fasern denkbar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das wärmeleitfähige Textilmaterial auf die Oberfläche des Heiz- oder Kühlkörpers stoffschlüssig, also z. B. gelötet oder geklebt, aufgetragen ist. Durch Auflöten wird eine besonders wärmeleitfähige Verbindung zwischen dem wärmeleitfähigen Textilmaterial und der Oberfläche des Heiz- oder Kühlkörpers erzielt. Beim Aufkleben kann vorteilhaft ein wärmeleitfähiger Klebstoff, der beispielsweise Metallpartikel enthalten kann, verwendet werden. Das Textilmaterial kann aber auch einfach aufgelegt oder geklemmt werden.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Substratbehandlungseinrichtung und der Heiz- oder Kühlkörper in einer evakuierbaren Anlagenkammer angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, diese Vorrichtung für Substratbehandlungsprozesse zu verwenden, die unter subatmosphärischem Druck oder/und in einer Prozessgasatmosphäre ablaufen müssen.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Heiz- oder Kühlkörper eine zylindrische Form aufweist und drehbar gelagert ist. Insbesondere bei Verfahren, die auf bandförmige Substrate angewendet werden, kann das Substrat um den zylinderförmigen Heiz- oder Kühlkörper geführt werden, um eine möglichst große Fläche für den Wärmeaustausch zu erzielen. Wird der zylindrische Heiz- oder Kühlkörper mit einer Umfangsgeschwindigkeit gedreht, die der Transportgeschwindigkeit des Substrats entspricht, so findet zwischen Substrat und Heiz- oder Kühlkörper keine Relativverschiebung statt, so dass Abrieb oder Beschädigungen des Substrats vermieden werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Textilmaterial mit einem elastischen Füllstoff, wie z. B. einem Elastomer, versehen sein. Diese Ausgestaltung kann vorteilhaft nicht nur bei Schubnoppengewebe, sondern bei jeder Art von Textilmaterial angewendet werden.
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Die Füllung reduziert die Oberfläche des Textilmaterials drastisch, was in der Vakuumtechnik einen positiven Effekt auf die Gasabgabe hat, da weniger Gas oder Wasserdampf auf dem Textilmaterial kondensiert. Das Evakuieren des Prozessraumes läuft dadurch sehr viel schneller und energiesparender ab und das Prozessvakuum wird verbessert. Auf der anderen Seite verschließt eine solche Auffüllung Hohlräume innerhalb des Textilmaterials, in denen sich sonst Verschmutzungen ablagern könnten.
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Ein elastischer Füllstoff hat insbesondere bei Schubnoppengewebe zudem den Vorteil, dass er die Federwirkung der Schubnoppen unterstützt und das Textilmaterial stabilisiert, wodurch, falls nötig, auch größere Bandzüge ohne Schädigung (plastische Verformung) der Schubnoppen realisiert werden können. Die positiven Eigenschaften des Textilmaterials in Bezug auf Elastizität, Wärmekontakt oder Wärmeleitung innerhalb der Schicht werden durch den elastischen Füllstoff nicht oder nur gering beeinträchtigt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
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1 eine Substratbehandlungsanlage zur Vakuumbeschichtung bandförmiger Substrate,
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2 eine Heiz- oder Kühleinrichtung innerhalb der Substratbehandlungsvorrichtung und
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3, 4 und 5 Ausführungsbeispiele, bei denen das Textilmaterial mit einem elastischen Füllstoff versehen ist.
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Die Vakuumbeschichtungsanlage gemäß
1 entstammt der Patentschrift
DE 101 57 186 C1 . Zu den hier nicht beschriebenen Einzelheiten, die für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich sind, wird auf deren Inhalt verwiesen.
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Die Vakuumbeschichtungsanlage besteht aus einer Prozesskammer 1, einer Haspelkammer 2, in der sich ein Abwickel 4 des zu beschichtenden bandförmigen Materials 6 befindet und einer Haspelkammer 3, in der sich ein Aufwickel 5 befindet. Zwischen der Prozesskammer 1 und den Haspelkammern 2 und 3 sind Bandventile 7 und 8 angeordnet, durch die das bandförmige Material 6 geführt wird.
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In den Haspelkammern 2 und 3 befindet sich jeweils ein Walzenstuhl 11 und 12, der den Abwickel 4 bzw. den Aufwickel 5 und Führungseinrichtungen 13 für das Substrat 6 trägt. In der Prozesskammer 1 befindet sich ein Prozesswalzenstuhl 14, in dem zwei Kühlwalzen 15 und 16 mit den dazugehörigen Führungseinrichtungen 13 befestigt sind. Zur Beschichtung des bandförmigen Materials 6 befinden sich Magnetronsputterquellen 17 über der Oberfläche der Kühlwalzen 15 und 16.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kühlwalze 15 ist beispielhaft in 2 gezeigt. Auf die Oberfläche der Kühlwalze 15 ist ein wärmeleitfähiges Gewebe 21 möglichst gut wärmeleitend befestigt, z. B. geklebt oder gelötet. Das Gewebe 21 ist durch eine gute Wärmeleitung in den Fäden, vorzugsweise Metallfäden, und eine gute Elastizität quer zur Fläche gekennzeichnet, mit welcher die Gestaltabweichung des Substrates 6 ausgeglichen werden kann. Im Ausführungsbeispiel wird ein sogenanntes Schubnoppengewebe 21 verwendet, es besteht aus Längs-, Quer- und Schubnoppenfäden. Die Schubnoppenfäden können dabei z. B. als Rund- oder Flachdraht bzw. als schmales Band ausgeführt sein.
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Die Form des Schubnoppengewebes 21 hat den Vorteil, dass die Polfäden durch ihre Schlaufenform eine direkte thermische Verbindung ohne weitere Grenzflächen zwischen dem Substrat 6 und der Kühlwalze 15 herstellen. Eine Kraft drückt die beiden Körper gegeneinander, dazwischen befindet sich das Gewebe 21. Die Elastizität des Gewebes 21 gleicht Gestaltabweichungen effektiver aus. Die damit verbundene Federwirkung jeder einzelnen Schlaufe stellt sicher, dass die Schubnoppenfäden (oder Polfäden) überall am zu heizenden oder kühlenden Körper 6 anliegen und jede einzelne durch ihre Kraftwirkung einen guten Kontakt gewährleistet. Die Folge ist eine größere Anzahl von Wärmekontaktpunkten zwischen Kühlwalze 15 und Substrat 6 und damit eine leistungsfähigere und homogenere Wärmeübertragung.
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Im Gegensatz zu bisherigen Fertigungsverfahren von Bürsten, wie z. B. dem Einpressen von Borstenbüschel in Bohrungen oder dem spiralförmigen Aufwickeln von Leistenbürsten, hat das Fertigungsverfahren des Gewebes 21 entscheidende Vorteile in Bezug auf Fertigungskosten und Herstellungszeiten. Das Gewebe 21 lässt sich auf Webmaschinen kostengünstig in Form von Endlosstreifen herstellen. Diese Endlosstreifen können bei Bedarf ohne größeren Aufwand auf den jeweiligen Kühlkörper 15 aufgebracht werden. Stoffschlüssige Verbindungen wie Kleben oder Löten sind aufgrund der guten Wärmeleitung ratsam. Die gewählte Art der Verbindung zwischen Gewebe 21 und Kühlkörper 15 ermöglicht auch eine wesentlich effektivere und kostengünstige Aufarbeitung der Kühlwalze 15 nach Verschleiß, als im Falle einer Bürstenwalze.
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Die 3, 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen das Textilmaterial 21 mit einem elastischen Füllstoff versehen ist. In 3 ist das Textilmaterial 21 nur an der dem Substrat 6 zugewandten Oberfläche mit dem Füllstoff 22 ausgerüstet. Dadurch entsteht eine geschlossene Oberfläche, wobei die unteren Schichten der Schubnoppen weiterhin eine große Elastizität des Textilmaterials 21 gewährleisten. Demgegenüber ist der Füllstoff 22 im Ausführungsbeispiel der 4 nur in tieferen Bereichen des Textilmaterials 21 angeordnet. Die freiliegenden oberen Bereiche der Schubnoppen bleiben im direkten Kontakt mit dem Substrat 6. 5 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Schubnoppengewebe 21 vollständig mit einem Füllstoff 22 versehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Prozesskammer
- 2
- Haspelkammer (für den Abwickel)
- 3
- Haspelkammer (für den Aufwickel)
- 4
- Abwickel
- 5
- Aufwickel
- 6
- bandförmiges Material
- 7
- Bandventil
- 8
- Bandventil
- 9
- Befestigungswand
- 10
- Befestigungswand
- 11
- Walzenstuhl
- 12
- Walzenstuhl
- 13
- Führungseinrichtung
- 14
- Prozesswalzenstuhl
- 15
- Kühlwalze
- 16
- Kühlwalze
- 17
- Magnetronsputterquelle
- 18
- Erster Befestigungspunkt
- 19
- Zweiter Befestigungspunkt
- 20
- Dritter Befestigungspunkt
- 21
- wärmeleitfähiges Vlies, Filz, Gewebe, Gewirk oder Gestrick
- 22
- elastischer Füllstoff
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1674591 A1 [0008]
- DE 10157186 C1 [0028]
