DE102012224271A1

DE102012224271A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Nassbeschichten eines Substrats

Info

Publication number: DE102012224271A1
Application number: DE201210224271
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nassbeschichten eines Substrats (12), wobei auf dem Substrat (12) eine Schicht (18) mit einem Spritzkopf (20) aufgetragen wird, der eine Düse (32) umfasst, und die Schicht (18) nach dem Auftragen getrocknet wird, und wobei eine Ist-Schichtdicke (d1) der aufgetragenen Schicht (18) vor dem Trocknen gemessen wird und abhängig von der gemessenen Ist-Schichtdicke (d1) und einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke (d0) die Geometrie (g1) der Düse (32) angepasst wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (10) zum Nassbeschichten eines Substrats (12) umfassend einen Spritzkopf (20) mit einer Düse (32) und einem Trockner (30).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nassbeschichten eines Substrats, wobei auf dem Substrat eine Schicht mit einem Spritzkopf aufgetragen wird, der eine Düse umfasst und die Schicht nach dem Auftragen getrocknet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Nassbeschichten eines Substrats umfassend einen Spritzkopf mit einer Düse und einen Trockner.
Bei der Beschichtung von Substraten mit einem Material ergibt sich häufig das Erfordernis, eine gleichmäßige Schicht mit einer vorgegebenen Dicke zu erzeugen. So ist beispielsweise bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen die Qualität der Beschichtung der Elektroden mit dem Aktivmaterial von entscheidender Bedeutung für die Qualität der Batteriezellen. Insbesondere die Kapazität der Batteriezellen und deren Streuung sind abhängig von einer gleichmäßigen Schichtdicke sowie von einer nur gering um ihren Sollwert streuenden Schichtdicke. Bei der Elektrodenbeschichtung wird das Aktivmaterial der Elektrode in Form einer sogenannten Slurry (ein fließfähiger Brei) nass auf die Trägerfolien der Elektroden aufgebracht. Bei Lithium-Ionen-Batteriezellen wird für die Anode häufig ein Material basierend auf natürlichen und/oder synthetischen Graphiten und bei der Kathode ein Material basierend auf der Kombination verschiedener Lithium-Metall-Oxide aufgebracht.
Für das Beschichten der Substrate werden die Aktivmaterialien in einem Mischprozess unter Beigabe von Lösungsmitteln zu der Slurry aufbereitet. Im Falle der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen wird für das Anodenmaterial üblicherweise ein wasserbasiertes Lösungsmittel eingesetzt und bei der Fertigung der Kathode ein Lösungsmittel auf Basis von N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) verwendet. Bei der Elektrodenfertigung kommt als Substrat eine Trägerfolie zum Einsatz, die bei der Anode üblicherweise aus Kupfer und bei der Kathode üblicherweise aus Aluminium besteht. Die Foliendicke liegt dabei im Bereich von etwa 10 µm. Die Schichtdicke des Materials, welches auf die Folie aufgebracht wird, ist abhängig von der Auslegung der Batteriezellen und liegt beispielsweise zwischen etwa 20 µm und 200 µm.
Nach dem Nassbeschichten des Substrats wird dieses in einem Trockenofen getrocknet, damit das Lösungsmittel aus dem beschichteten Material ausdampfen kann. Das Beschichtungsverfahren läuft üblicherweise kontinuierlich von Rolle zu Rolle ab, wobei die Länge des Trockenofens, abhängig von der Produktionsgeschwindigkeit, üblicherweise zwischen 10 m und 30 m beträgt.
Nach dem Trocknen wird die Dicke der aufgebrachten Schicht gemessen. Sollen beide Seiten des Substrats mit Material beschichtet werden, kann das Substrat anschließend einem weiteren Beschichtungsschritt zugeführt werden. Die Dicke der aufgebrachten Schicht ist von einer Vielzahl von Prozessparametern abhängig, wie beispielsweise der Konsistenz der Slurry, dem Druck, mit dem das Material dem Spritzkopf, mit dem dieses auf dem Substrat aufgebracht wird, zugeführt wird, der Geometrie der Düsen im Spritzkopf und der Transportgeschwindigkeit des Substrats. Werden am Ende des Produktionsprozesses von der vorgegebenen Soll-Schichtdicke abweichende Schichtdicken gemessen, werden ein oder mehrere Prozessparameter angepasst, um die Dicke der aufgebrachten Schicht zu korrigieren, so dass die tatsächliche Schichtdicke möglichst in einem Fenster von ±1 µm um den vorgegebenen Sollwert liegt.
Aus CN 102125907 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mit Aktivmaterialien zur Fertigung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batteriezellen bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Beschichtungseinrichtung und einen Trockner sowie zwei Messeinrichtungen und ein Steuergerät. Die erste Messeinrichtung ist vor der Beschichtungsvorrichtung angeordnet und dient zum Messen einer Dicke einer in einem vorangegangenen Beschichtungsschritt aufgebrachten Schicht. Die zweite Messeinrichtung ist nach dem Trockner angeordnet und misst die Schichtdicke auf dem fertigen getrockneten Substrat. Die Messwerte der beiden Messeinrichtungen werden vom Steuergerät genutzt, um die Beschichtungsvorrichtung zu regeln. Dabei wird abhängig von den gemessenen Schichtdicken die Zufuhr an Beschichtungsmaterial gesteuert.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass sich allein über ein Steuern der Zufuhr an Beschichtungsmaterial kein gleichmäßiger Schichtauftrag für alle einstellbaren Soll-Schichtdicken erzielen lässt. Daher ist eine Regelung von zumindest einem weiteren Parameter des Beschichtungsverfahrens wünschenswert.
Des Weiteren erfolgt bei der bekannten Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten eine Messung der Dicke der aufgetragenen Schicht erst nach dem Trocknen. Somit erfolgt die Messung, je nach Länge des Trockners, erst etwa 10 m bis 30 m nach dem Beschichten. Wird nun eine von einem Sollwert abweichende Schichtdicke ermittelt, die außerhalb der vorgeschriebenen Toleranz von üblicherweise ±1 µm liegt, entsteht eine große Menge an Ausschuss, da sich eine Anpassung der Prozessparameter erst nach Durchlaufen einer Substratlänge, die dem Abstand zwischen dem Spritzkopf und der Messeinrichtung entspricht, auswirken kann. Zusätzlich erschwert die sich daraus ergebende zeitliche Latenz zwischen Messung und Wirksamwerden einer Anpassung den Einsatz von automatisierten Regelmechanismen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Nassbeschichten eines Substrats vorgeschlagen, wobei auf dem Substrat eine Schicht mit einem Spritzkopf aufgetragen wird, der eine Düse umfasst, und die Schicht nach dem Auftragen getrocknet wird, wobei eine Ist-Schichtdicke der aufgetragenen Schicht vor dem Trocknen gemessen wird und abhängig von der gemessenen Ist-Schichtdicke und einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke die Geometrie der Düse angepasst wird.
Die Geometrie der Düse des Spritzkopfs, wobei selbstverständlich auch Ausführungsformen mit mehr als einer Düse möglich sind, beeinflusst die Form des Materialauftrags erheblich. Zum einen ist leicht ersichtlich, dass durch eine größere Öffnung auch mehr Material abgegeben werden kann, zum anderen entscheidet die Größe und Form der Öffnung bzw. der Düse über die Verteilung des Drucks des Beschichtungsmaterials an der Düse. Nur bei optimaler Abstimmung aller Parameter wird eine gleichmäßige Materialabgabe erzielt, mit der eine homogene Beschichtung des Substrats möglich ist.
Das Substrat wird der Beschichtungseinrichtung zugeführt und erreicht als erstes den Spritzkopf, mit dem Material auf dieses aufgebracht werden kann. Das Material ist dabei in einem Lösungsmittel gelöst, welches anschließend im Trockner verdampft wird. Zur schnellen Erfassung der Schichtdicke unmittelbar nach dem Auftragen der Schicht mit dem Spritzkopf ist zwischen dem Spritzkopf und dem Trockner eine Messeinrichtung angeordnet, mit der die Nassschichtdicke ermittelt werden kann. Die gemessene Schichtdicke wird mit einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke verglichen und es wird eine Anpassung der Geometrie der Düse vorgenommen, falls eine Abweichung ermittelt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Geometrieregeleinrichtung verwendet, deren Eingangsgrößen die Soll-Schichtdicke und die gemessene Ist-Schichtdicke vor dem Trocknen umfassen, wobei als Ausgangsgröße eine Soll-Geometrie für die Düse ermittelt wird. Dazu wird in der Geometrieregeleinrichtung ein an sich dem Fachmann bekanntes Regelverfahren implementiert. So ist es beispielsweise denkbar, einen Proportional-Integral-Differenzial (PID)-Regler einzusetzen, um die Soll-Geometrie der Düse so anzupassen, dass die tatsächliche Schichtdicke der geforderten Soll-Schichtdicke angenähert wird. Selbstverständlich sind auch andere Regler denkbar, wie beispielsweise ein Proportional-Integral-Regler, ein reiner Integral-Regler oder ein reiner Proportional-Regler.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Geometrie der Düse durch Verstellen einer Blende angepasst.
Dazu werden eine oder gegebenenfalls mehrere Blenden im Bereich der Düse des Spritzkopfs angeordnet, wobei diese beispielsweise über einen Aktor bewegt werden können. Je nach Stellung des Aktors kann die Blende eine Öffnung der Düse mehr oder weniger stark verschließen. Die Blende ist im einfachsten Fall als Platte oder Schieber ausgeführt, die vor die Öffnung der Düse geschoben wird. Selbstverständlich sind auch weitere Formen der Blende vorstellbar, so ist es beispielsweise denkbar, im Fall einer runden Düsenöffnung eine Irisblende zu verwenden. Bei Verwendung einer Schlitzdüse ist es des Weiteren möglich zwei Blenden vorzusehen, die sich von gegenüberliegenden Richtungen aus vom Rand der Düsenöffnung in Richtung Mitte der Düse verschieben lassen, so dass bei einer Veränderung der Blendenstellung der Mittelpunkt der Düsenöffnung unverändert bleibt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird zusätzlich der Druck des Beschichtungsmaterials im Spritzkopf auf einen vorgegebenen Wert geregelt.
Dadurch wird sichergestellt, dass das Material dem Spritzkopf immer mit dem für die Beschichtung erforderlichen Druck zugeführt wird. Wie im Falle der Geometrieregelung kann für die Regelung des Drucks eine Druckregeleinrichtung vorgesehen werden, in der ein Regler implementiert wird. Der Regler kann dann ein Ausgangssignal erzeugen, mit eine Druckregeleinrichtung gesteuert wird. Eine solche Druckregeleinrichtung kann beispielsweise ein im Spritzkopf angeordnetes Druckregelventil sein oder auch eine regelbare Materialzuführeinrichtung.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der vorgegebene Wert für den Druck des Beschichtungsmaterials aus der Soll-Schichtdicke ermittelt.
Wird die Öffnungsgeometrie einer Düse aufgrund einer geänderten vorgegebenen Soll-Schichtdicke variiert, ändern sich auch die Druckverhältnisse im Bereich der Düse. Durch eine Kopplung des vorgegebenen Drucks des Beschichtungsmaterials an die Soll-Schichtdicke wird dabei der erforderliche Druck der Geometrie nachgeführt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die aufgetragene Schicht ein Aktivmaterial für eine Elektrode einer Batterie. Dabei kommt beispielsweise bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen für die Anode ein auf natürlichen oder synthetischen Graphiten basierendes Material und für die Kathode eine Kombination aus verschiedenen Lithium-Metall-Oxiden zum Einsatz. Als Substrate bei der Elektrodenfertigung werden beispielsweise Kupfer für die Anode und Aluminium für die Fertigung der Kathode eingesetzt. Die Dicken der verwendeten Substrate liegen dabei üblicherweise im Bereich von etwa 10 µm. Die Dicke der aufgetragenen Schicht des Aktivmaterials liegt bei der Fertigung von Elektroden für Batteriezellen je nach Auslegung der Zellen zwischen etwa 20 µm und 200 µm.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Nassbeschichten eines Substrats umfassend einen Spritzkopf mit einer Düse und einen Trockner, wobei vor dem Trockner eine Messeirichtung zur Bestimmung einer Nassschichtdicke angeordnet ist und über eine Geometrieregeleinrichtung abhängig von der gemessenen Nassschichtdicke und einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke eine Öffnungsgeometrie der Düse einstellbar ist.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist an der Düse mindestens eine Blende angeordnet, mit der die Öffnungsgeometrie der Düse einstellbar ist. Die Blende kann beispielsweise als Schieber im Fall von einer Schlitzdüse oder in Form einer Irisblende im Fall einer runden Düse ausgeführt sein. Des Weiteren ist es denkbar, im Bereich einer Düse mehrere Blenden anzuordnen.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst der Spritzkopf einen Drucksensor und ein zugeordnetes Druckregelventil mit dem ein Druck im Spritzkopf auf einen vorgegebenen Sollwert regelbar ist.
Der Drucksensor wird dabei bevorzugt im Bereich der Düse angeordnet und das Druckregelventil befindet sich bevorzugt an einer Verbindungsleitung zwischen der Düse und einem Druckspeicher für das Beschichtungsmaterial.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst diese des Weiteren ein Druckregelgerät, mit dem der Sollwert für den Druck in Abhängigkeit von der Soll-Schichtdicke und gegebenenfalls einer gemessenen Schichtdicke regelbar ist.
Vorteile der Erfindung
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Regelung der Öffnungsgeometrie einer Düse des Spritzkopfs kann die Dicke der aufgetragenen Schicht mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden. Zudem kann ein gleichmäßiger Schichtauftrag über einen großen Bereich von Soll-Schichtdicken gewährleistet werden. Dies ist bei einer bloßen Regelung der zugeführten Materialmenge nicht ohne weitere Anpassungen an der Beschichtungsvorrichtung möglich, da sich dadurch die Druckverteilung im Spritzkopf ändert und ein gleichmäßiger Materialauftrag ohne eine Anpassung am Spritzkopf nicht gewährleistet werden kann. Eine solche Anpassung leistet die hier vorgestellte Regelung der Öffnungsgeometrie einer Düse des Spritzkopfs.
Zudem kann vorteilhafterweise parallel zu der Regelung für die Schichtdicke über die Öffnungsgeometrie ein Regelkreis für den Druck des Materials im Spritzkopf verwendet werden. Dieser Druckregelkreis stellt sicher, dass der Druck des Materials im Spritzkopf auf den gewünschten Sollwert eingeregelt wird. Dabei wird der Druckregelkreis mit einem von der Soll-Schichtdicke und gegebenenfalls auch von dem verwendeten Material abhängigen Sollwert angesteuert. Somit wird vorteilhafterweise immer der zu einer bestimmten Öffnungsgeometrie erforderliche Druck eingestellt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Messung der Dicke der aufgetragenen Schicht unmittelbar nach dem Auftrag durch den Spritzkopf. Durch die Anordnung einer Messeinrichtung unmittelbar nach dem Spritzkopf wird eine zeitliche Latenz zwischen der Beschichtung und der Messung der Schichtdicke reduziert, was das Implementieren eines automatischen Regelsystems wesentlich vereinfacht. Des Weiteren wird die Menge an Ausschuss reduziert, da beschichtete Substrate, deren Schichtdicke außerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters liegen, unmittelbar nach dem Beschichten erkannt werden können, und nicht erst nachdem, abhängig von der Länge des Trockners, 10 m bis 30 m des Substrats mit den ungeeigneten Parametern beschichtet worden sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und in der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Beschichtungsvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines Spritzkopfs von der Seite,
3 eine schematische Darstellung eines Spritzkopfs in einer Darstellung von unten,
4 ein Schema einer Geometrieregeleinrichtung und
5 ein Schema einer Geometrieregeleinrichtung mit parallel vorgesehener Druckregeleinrichtung.
Ausführungsvarianten
1 zeigt eine Beschichtungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung von der Seite.
In 1 ist eine Beschichtungsvorrichtung 10 dargestellt, bei der ein zu beschichtendes Substrat 12 über mehrere Rollen 16 geführt wird. Das Substrat 12 wird entlang der Transportrichtung 14 geführt und erreicht als erstes den Spritzkopf 20 mit dem Material in Form von einer Schicht 18 auf das Substrat 12 aufgetragen wird. Das Material ist in einem Lösungsmittel gelöst und liegt in Form einer Slurry, das heißt in Form eines fließfähigen Breis vor.
Im Fall der Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batteriezellen wird als Substrat 12 eine Metallfolie eingesetzt, deren Stärke zwischen ca. 2 µm und ca. 20 µm liegt, insbesondere ca. 10 µm beträgt. Bei der Fertigung der Anode wird üblicherweise eine Kupferfolie, bei der Fertigung der Kathode wird üblicherweise eine Aluminiumfolie eingesetzt. Die Materialien, mit denen die Metallfolien beschichtet werden, basieren im Falle der Fertigung der Anode auf natürlichen und/oder synthetischen Graphiten und sind üblicherweise in einem wasserbasierenden Lösungsmittel gelöst. Bei der Fertigung der Kathode basiert das Material üblicherweise auf einer Kombination von verschiedenen Lithium-Metall-Oxiden, die beispielsweise in einem Lösungsmittel auf Basis von N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) gelöst sind. Die Dicke der Materialschicht, die nass auf das Substrat aufgetragen wird, ist abhängig von der Auslegung der Batteriezellen und beträgt typischerweise zwischen 20 µm und 200 µm. Dabei ist es für die Qualität der Batterie von entscheidender Bedeutung, dass der Schichtauftrag gleichmäßig ist und nur gering von einem vorgegebenen Sollwert abweicht. Typischerweise wird gefordert, dass die Abweichung vom Sollwert weniger als 1 µm beträgt.
Nach dem Auftragen der Schicht 18 wird die Nassschichtdicke 26 mit einer Messeinrichtung 22 ermittelt. Anschließend wird die Schicht 18 zusammen mit dem Substrat 12 einem Trockner 30 zugeführt, der je nach Transportgeschwindigkeit des Substrats eine Länge von zwischen etwa 10 m und 30 m aufweist. In dem Trockner 30 verdampft das verwendete Lösungsmittel aus der Schicht 18. Je nach Ausführungsform der Vorrichtung kann zusätzlich zu der Messeinrichtung 22 vor dem Trockner 30 eine weitere Messeinrichtung 24 nach dem Trockner 30 angeordnet werden, um die Trockenschichtdicke 42 zu ermitteln.
Die über die Messeinrichtungen 22, 24 ermittelten Schichtdicken 26, 28 können für eine Regelung der Dicke der Schicht 18 auf eine vorgegebene Soll-Schichtdicke verwendet werden. Für eine Regelung können abhängig von den gemessenen Schichtdicken 26, 28 Prozessparameter des Nassbeschichtungsverfahrens angepasst werden. Die anpassbaren Prozessparameter umfassen dabei den Druck des Materials im Spritzkopf 20, den Abstand des Spritzkopfs 20 zum Substrat 12, die Transportgeschwindigkeit des Substrats 12 und die Geometrie einer Düse des Spritzkopfs 20. Des Weiteren ist es denkbar, als Parameter die Zusammensetzung des Slurrys, also die Zusammensetzung des Materials, mit dem das Substrat beschichtet wird, zu verändern. Durch eine geänderte Zusammensetzung kann die Viskosität des Slurry beeinflusst werden, dies wiederum hat einen Einfluss auf die erzielte Schichtdicke.
Zur Erzielung eines gleichmäßigen Schichtauftrags, ist insbesondere eine Regelung der Öffnungsgeometrie einer Düse des Spritzkopfs 20 geeignet. Daher werden die Messeinrichtungen 22, 24 mit einem Geometrieregelgerät 42 verbunden, welches abhängig von einer gemessenen Schichtdicke 26, 28 und der vorgegebenen Soll-Schichtdicke die Öffnungsgeometrie einer Düse im Spritzkopf 20 beeinflusst.
Des Weiteren ist es in einer Ausführungsform möglich, parallel zur Regelung der Öffnungsgeometrie einer Düse des Spritzkopfs 20 auch den Druck des Materials im Spritzkopf 20 in Abhängigkeit der vorgegebenen Soll-Schichtdicke zu regeln. Dazu kann ein Druckregelgerät 43 mit dem Spritzkopf 20 verbunden werden.
Nach dem Auftragen und Trocknen der Schicht 18 kann das Substrat 12 einer weiteren Beschichtungsvorrichtung zugeführt werden, um auch dessen Rückseite zu beschichten.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Spritzkopfs von der Seite.
In 2 ist ein Spritzkopf 20 mit einer Vielzahl von Düsen 32 dargestellt. In der in 2 dargestellten Ausführungsform umfasst der Spritzkopf 20 fünf Beschichtungsdüsen 32. Das Beschichtungsmaterial tritt über die Düsen 32 aus dem Spritzkopf 20 aus und wird als Schicht 18 auf dem Substrat 12 aufgetragen. Das Material wird dem Spritzkopf 20 über eine Materialzuführung 34 zugeführt, die mit einer Zuführeinrichtung 40 verbunden ist.
In Ausführungsformen der Erfindung, bei denen der Druck des Materials im Spritzkopf geregelt werden soll, ist am Spritzkopf 20 des Weiteren ein Drucksensor 39 angeordnet. Mit dem vom Drucksensor 39 ermittelten Ist-Druck und einem vorgegebenen Soll-Druck kann der Druck im Spritzkopf 20 je nach Ausführungsvariante über eine regelbare Zuführeinrichtung 40 und/oder über ein zwischen der Zuführeinrichtung 40 und dem Zuführbereich 34 angeordnetes Druckregelventil 41 eingestellt werden. Die regelbare Zuführeinrichtung 40 bzw. das Druckregelventil 41 sind dann so ausgestaltet, dass diese über ein Steuersignal einer Druckregeleinrichtung eingestellt werden können.
In 3 ist ein Spritzkopf in einer schematischen Darstellung von unten dargestellt.
3 zeigt einen Spritzkopf 20 mit mehreren Düsen 32. In der in 3 dargestellten Ausführungsform umfasst der Spritzkopf 20 fünf Beschichtungsdüsen 32. Dabei ist es selbstverständlich, dass eine beliebige, abweichende Anzahl von Düsen 32 ebenfalls gewählt werden kann.
Die Düsen 32 sind als Schlitzdüsen ausgeführt mit einer Schlitzbreite 36. Um die Öffnungsgeometrie der Düsen 32 einzustellen, bzw. um in diesem Beispiel die Schlitzbreite 36 einzustellen, ist jeweils oberhalb und unterhalb der Schlitzdüsen 32 eine Blende 38 angeordnet. In der in 3 dargestellten Ausführungsform sind die Blenden 38 als zwei Schieber ausgeführt, so dass die Schlitzbreite 36 sämtlicher Düsen 32 gleichermaßen bei einer Änderung der Blendenstellung verändert wird. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist es denkbar, für jede Düse 32 eine separat ansteuerbare Blende 38 vorzusehen.
Die Blenden 38 sind eingerichtet, über ein Steuersignal eingestellt zu werden, so dass auch die Schlitzbreite 36 der Düsen 32 über ein Steuersignal regelbar ist. Die eigentliche Bewegung der beispielsweise als Schieber ausgeführten Blenden 38 kann mit einem beliebigen Aktor erfolgen.
4 zeigt das Schema einer Geometrieregeleinrichtung.
In 4 ist eine Geometrieregeleinrichtung 42 schematisch dargestellt. Die Geometrieregeleinrichtung 42 umfasst einen ersten Regelkreis 50, der als eine Eingangsgröße eine Differenz aus einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke d₀ und einer tatsächlichen gemessenen Schichtdicke d₁ erhält. Die Bildung der Differenz ist in der Darstellung der 4 mit der Verknüpfung 54 angedeutet. Aus der eingegebenen Differenz ermittelt der erste Regelkreis 50 eine Soll-Geometrie g₀ für eine Beschichtungsdüse des Spritzkopfs.
Über eine Stellvorrichtung 62, die beispielsweise in Form eines Aktors zum Verstellen einer Blende ausgeführt sein kann, wird die Soll-Geometrie g₀ in die Ist-Geometrie g₁ umgesetzt und wirkt damit auf ein Beschichtungssystem 60 ein. Das Beschichtungssystem 60 beschichtet ein Substrat mit den eingestellten Parametern. Die Dicke der aufgetragenen Schicht d₁ wird gemessen und dem Regler 42 wieder zugeführt.
Weist die gemessene Schichtdicke d₁ zum Beispiel ein Wert auf, der unter der Soll-Schichtdicke d₀ liegt, ermittelt der erste Regelkreis 50 einen höheren Sollwert g₀ für die Öffnungsgeometrie. Daraufhin verändert die Stellvorrichtung 62 die Ist-Öffnungsgeometrie g₁, so dass im Anschluss die Öffnungsgeometrie der Beschichtungsdüsen so geändert wird, dass mehr Material pro Zeiteinheit aus dem Spritzkopf auf das Substrat aufgebracht wird. Als Folge davon stellt sich eine Erhöhung der Beschichtungsdicke ein.
5 zeigt ein Schema einer Geometrieregeleinrichtung mit paralleler Druckregeleinrichtung.
In 5 ist eine Geometrieregeleinrichtung 42 schematisch dargestellt. Die Geometrieregeleinrichtung 42 umfasst einen ersten Regelkreis 50 zur Regelung der Öffnungsgeometrie einer Düse des Spritzkopfs. Der erste Regelkreis 50 erhält als Eingangsgrößen eine vorgegebene Soll-Schichtdicke d₀ und eine tatsächlich gemessene Schichtdicke d₁. Des Weiteren ist es denkbar, als Eingangsgröße die Differenz aus der Soll-Schichtdicke d₀ und der tatsächlich gemessenen Schichtdicke d₁ zu verwenden. In der in 5 dargestellten Ausführungsform wird die Soll-Öffnungsgeometrie g₀ als eine Summe aus einer vorgesteuerten Öffnungsgeometrie g_V und einem Differenzwert Δg₀, der Ausgangswert des ersten Regelkreises 50 ist, gebildet. Die vorgesteuerte Öffnungsgeometrie g_V wird über eine Geometrievorsteuerung 58 aus der vorgegebenen Soll-Schichtdicke d₀ ermittelt. In der Darstellung der 5 ist das Bilden der Summe aus dem Geometrievorsteuerwert g_V und der Differenz Δg₀ mit einer Verknüpfung 54 angedeutet. Die so ermittelte Soll-Öffnungsgeometrie g₀ wird einer Stellvorrichtung für die Geometrie 62 zugeführt, die daraufhin beispielsweise über einen Aktor eine Blendenstellung ändert, so dass sich die tatsächliche Geometrie g₁ einer Düse 32 des Spritzkopfs 20 ändert. Die geänderte Öffnungsgeometrie g₁ beeinflusst dann das Verhalten des Beschichtungssystems 60.
In einer alternativen Ausführungsform ist es denkbar, auf die Geometrievorsteuerung 58 zu verzichten und durch den ersten Regelkreis 50 direkt die Soll-Geometrie g₀ zu ermitteln. Ebenfalls ist es in einer weiteren Ausführungsform denkbar, die tatsächliche Öffnungsgeometrie g₁ zu ermitteln und dem ersten Regelkreis 50 als weitere Eingangsgröße zur Verfügung zu stellen. Ebenfalls denkbar ist die Verwendung einer gemessenen
Öffnungsgeometrie g₁ in einem der Geometrieregeleinrichtung 42 unterlagerten Regelkreis zur Regelung des Verhaltens des Aktors.
Parallel zu der Geometrieregeleinrichtung 42 wird in der in 5 dargestellten Ausführungsform eine Druckregeleinrichtung 43 verwendet. Die Druckregeleinrichtung 43 weist eine Drucksollwertsteuerung 56 auf, die aus einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke d₀ einen vorgegebenen Soll-Druck p₀ ermittelt. Aus diesem Soll-Druck p₀ wird eine Differenz mit einem tatsächlichen gemessenen Druck im Spritzkopf p₁ ermittelt und einem zweiten Regelkreis 52 als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt. Die Differenzbildung ist wieder mit einer Verknüpfung 54 in dem Schema angedeutet. Der zweite Regelkreis 52 ermittelt aus der eingegebenen Differenz zwischen Soll-Druck p₀ und tatsächlichem Druck p₁ ein Steuersignal für eine Druckstellvorrichtung 64. Diese kann beispielsweise in Form eines Druckregelventils ausgeführt sein.
Sowohl der eingestellte tatsächliche Druck p₁ als auch die tatsächliche eingestellte Öffnungsgeometrie g₁ beeinflussen das Verhalten des Beschichtungssystems 60 und damit auch die Dicke d₁ der vom Beschichtungssystem 60 auf einem Substrat aufgetragenen Schicht.
Durch die der Regelung der Öffnungsgeometrie 42 parallel geschaltete Druckregeleinrichtung 43 wird sichergestellt, dass zu der jeweiligen vorgegebenen Soll-Schichtdicke d₀ und daraus resultierender Öffnungsgeometrie g₁, der dazu passende Beschichtungsdruck p₁ verwendet wird und somit alle Parameter des Beschichtungsverfahrens optimal aufeinander abgestimmt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 10212507 [0006]

Claims

Verfahren zum Nassbeschichten eines Substrats (12), wobei auf dem Substrat (12) eine Schicht (18) mit einem Spritzkopf (20) aufgetragen wird, der eine Düse (32) umfasst, und die Schicht (18) nach dem Auftragen getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ist-Schichtdicke (d₁) der aufgetragenen Schicht (18) vor dem Trocknen gemessen wird und abhängig von der gemessenen Ist-Schichtdicke (d₁) und einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke (d₀) die Geometrie (g₁) der Düse (32) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geometrieregeleinrichtung (42) verwendet wird, deren Eingangsgrößen die Soll-Schichtdicke (d₀) und die gemessene Ist-Schichtdicke (d₁) vor dem Trocknen umfassen, wobei als Ausgangsgröße eine Soll-Geometrie (g₀) für die Düse (32) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie (g₁) der Düse (32) durch Verstellen einer Blende (38) angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Druck (p₁) des Beschichtungsmaterials (18) im Spritzkopf (20) auf einen vorgegebenen Wert (p₀) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert für den Druck (p₀) des Beschichtungsmaterials aus der Soll-Schichtdicke (d₀) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragene Schicht (18) ein Aktivmaterial für eine Elektrode einer Batterie ist.
Vorrichtung (10) zum Nassbeschichten eines Substrats (12) umfassend einen Spritzkopf (20) mit einer Düse (32) und einen Trockner (30), dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Trockner (30) eine Messeinrichtung (22) zur Bestimmung einer Nassschichtdicke (26) angeordnet ist und über eine Geometrieregeleinrichtung (42) abhängig von der gemessenen Nassschichtdicke (26) und einer vorgegebenen Soll-Schichtdicke (d₀) eine Öffnungsgeometrie (g₁) der Düse (32) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Düse (32) mindestens eine Blende (38) angeordnet ist, mit der die Öffnungsgeometrie (g₁) der Düse (32) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spritzkopf (20) ein Drucksensor (39) und ein Druckregelventil (41) zugeordnet ist, mit dem ein Druck (p₁) im Spitzkopf (20) auf einen vorgegebenen Sollwert (p₀) regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren ein Druckregelgerät (43) umfasst, mit dem der Sollwert (p₀) für den Druck (p₁) in Abhängigkeit von der Soll-Schichtdicke (d₀) regelbar ist.