DE102014112625A1

DE102014112625A1 - Großflächen-Ultraschallverdampfer

Info

Publication number: DE102014112625A1
Application number: DE102014112625.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Säuberlich
Original assignee: SCHMID ENERGY SYSTEMS GmbH
Current assignee: SCHMID ENERGY SYSTEMS GmbH
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Es wird ein Ultraschallverdampfer bzw. eine Beschichtungsvorrichtung für ein Substrat offenbart. Der Ultraschallverdampfer (10), umfasst einen Boden (12) mit einer auswärts geneigten Wandung (14), und mindestens ein an dem Boden (12) angeordnetes Ultraschallelement (16) zum Verdampfen einer Flüssigkeit (40), dadurch gekennzeichnet dass ein Gaseinlass (18) derart an der auswärts geneigten Wandung (14) angeordnet ist, dass ein durch den Gaseinlass (18) in den Ultraschallverdampfer (10) einströmendes Gas entlang der auswärts geneigten Wandung (14) in eine dem Boden (12) entgegengesetzte Richtung (R) strömt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Beschichtung von Substraten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Ultraschallverdampfer und eine Beschichtungsvorrichtung für ein Substrat, die einen derartigen Ultraschallverdampfer umfasst.
Beschichtungsvorrichtungen sind in den verschiedensten technischen Anwendungsgebieten bekannt und dienen im Allgemeinen dem Aufbringen einer Beschichtung auf ein geeignetes Trägermaterial bzw. Substrat. Das Substrat kann hierbei als Einzelsubstrat oder als Rollensubstrat eingeführt werden. Beschichtungen können mittels unterschiedlicher Verfahren vorgenommen werden, bspw. durch Abscheiden aus der Dampfphase oder auch durch Sputtern.
Gerade bei herkömmlicher Zerstäubung unter Zuhilfenahme von Düsen sind natürliche Grenzen hinsichtlich der zu erzielenden Tropfenfeinheit gesetzt. So muss die erforderliche Flussgeschwindigkeit mit extrem geringen Strömungsquerschnitten der Düse erzeugt werden. Dies führt unweigerlich zur Verstopfungen und damit zu nicht reproduzierbaren Zerstäubungsgraden. Da sich außerdem durch ein ungenügendes Abreißen des Flüssigkeitstromes an der Düse immer wieder größere Tropfen gebildet werden, kann eine ungleichmäßige Beschichtung infolge davon auftreten. Darüber hinaus kann sich grundsätzlich Material in der Düse abscheiden, was zur partiellen Verstopfung und somit ungleichmäßigen Beschichtung führt.
Eine Möglichkeit diese durch den Einsatz herkömmlicher Verneblungsdüsen bedingten Schwierigkeiten zu umgehen, umfasst die Verwendung von Ultraschallelementen. Derartige Ultraschallzerstäuber überführen gelöstes Beschichtungsmaterial in sehr feine Tröpfchen. Bei dieser Zerstäubung bzw. Vernebelung bildet sich ein Aerosol bzw. Spray, das als Mischung aus Tröpfchen und einem Transportgas zum Substrat geleitet wird und sich dort ablagert. Anschließend kann die Beschichtung durch Verdunsten des Lösungsmittels oder auch durch eine Reaktion mit weiteren Materialien oder auch durch weitere Verfahrensschritte, wie bspw. Heizen, fertiggestellt werden.
Die DE 10 2005 019 686 beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren zum Aufbringen einer gleichmäßigen, dünnen Flüssigkeitsschicht auf Substrate. Ein in einer Flüssigkeitswanne angeordnete Hochfrequenzultraschallvorrichtung verdampft die in der Wanne vorgelegte Flüssigkeit. Der dabei entstehende Flüssigkeitsnebel wird in einem Fallschacht mit sich verjüngendem Querschnitt überführt. Unterhalb des Fallschachtes ist eine Transportvorrichtung mit für die Beschichtung vorgesehenen Substraten angeordnet.
Ein Problem bei der genannten Beschichtungsvorrichtung besteht darin, dass sich die Tröpfchen an der Wandung des Fallschachtes anlagern. Infolge dessen bilden sich größere Tropfen verschiedener Abmessungen aus. Hieraus resultiert nicht nur eine ungleichmäßige Beschichtung, sondern auch ein Verlust an Beschichtungsflüssigkeit.
Darüber hinaus ist die Reinigung, bspw. für einen Wechsel der Beschichtungsflüssigkeit, vergleichsweise kompliziert. Eine größere Menge an Material kann durch Abscheidungen an den Wandungen und der daraus resultierenden Tropfenbildung herrühren.
Grundsätzlich ist bei der Schichtabscheidung mittels des Verfahrens der Sprühpyrolyse, bspw. über eine Ultraschallverdampferanordnung gemäß dem Stand der Technik, die Größen- und Raum-Verteilung der Tropfen eine wichtige Prozessgröße. Bei den üblichen Sprühköpfen, bei denen konventionell mittels Druck oder alternativ mittels Ultraschall vernebelt wird, sind diese nur begrenzt veränderbar bzw. einstellbar und müssen darüber hinaus für verschiedene Anpassungen ausgetauscht werden. Für die Beschichtung von größeren Flächen ist, abhängig von der verwendeten Methode, eine Vielzahl von Köpfen notwendig. Zudem gehen aufgrund der Verwendung von Sprühköpfen bei diesen Verfahren größere Mengen an gesprühtem Material verloren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht allgemein in der Bereitstellung einer verbesserten Beschichtungsvorrichtung für ein Substrat bzw. Ultraschallverdampfers. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei einer derartigen Beschichtungsvorrichtung bzw. derartigem Ultraschallverdampfer für Anpassungen keine substantiellen Änderungen an der Vorrichtung vorgenommen werden müssen. Eine weitere Aufgabe besteht darin Verluste an Sprühmaterial zu verringern oder gänzlich zu vermeiden. Noch eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung, die ein einfach gereinigt werden und somit ohne größere Schwierigkeiten mit einer anderen Beschichtungsflüssigkeit beschickt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschallverdampfer bereitgestellt, umfassend:
einen Boden mit einer auswärts geneigten Wandung, und
mindestens ein an dem Boden angeordnetes Ultraschallelement zum Verdampfen einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Gaseinlass derart an der auswärts geneigten Wandung angeordnet ist, das ein durch den Gaseinlass in den Ultraschallverdampfer einströmendes Gas entlang der auswärts geneigten Wandung in eine dem Boden entgegengesetzte Richtung strömt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Beschichtungsvorrichtung für ein Substrat bereitgestellt, umfassend:
einen Ultraschallverdampfer umfassend,
einen Boden mit einer auswärts geneigten Wandung, und
mindestens ein an dem Boden angeordnetes Ultraschallelement zum Verdampfen einer Flüssigkeit, wobei die auswärts geneigten Wandung ein oberes Ende aufweist,
eine Substrathalterung, die im Wesentlichen parallel zum Boden angeordnet und von dem oberen Ende der auswärts geneigten Wandung beabstandet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt eine von unten nach oben erfolgende Beschichtung des Substrats zugrunde. Der erfindungsgemäße Ultraschallverdampfer bzw. die erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung umfasst im einfachsten Fall ein wannen- bzw. eimerartiges Behältnis, d.h. ein nach oben offenes Behältnis mit einer auswärts geneigten Wandung, wobei an dem Boden davon eines oder mehrere Ultraschallelemente angeordnet sind. Das Betreiben des einen oder der mehreren Ultraschallelemente führt zum Verdampfen bzw. Vernebeln der in dem Behälters vorgelegten Beschichtungsflüssigkeit. Eine stehende Wolke aus nebeligem Ausgangsmaterial wird gebildet. Dieser Nebel hat die Eigenschaft, dass schwere bzw. größere Tropfen schnell nach unten sinken, während feine Tropfen als Aerosol eine längere Verweilzeit aufweisen. Hierdurch bildet sich im Gefäß ein stabiler Tröpfchengrößen-Gradient aus. Die Höhe, ab der kein Gradient mehr vorliegt, sondern lediglich ein zeitlich stabiles Aerosol, wird im Folgenden als Aerosol-Grenze bezeichnet. Über die Wahl in welcher Höhe das Substrat durch den Gradient bewegt wird, kann die Tropfengröße für die Schichtbildung gewählt werden.
Bei geeigneter Wahl der Geometrie der im Vergleich zum Gefäßboden erweiterten oberen Gefäßöffnung und Anordnung von Ultraschallelementen am Boden des Gefäßes wird eine laterale Tropfenunterteilung homogen über die Gefäßöffnung erzielt. Dies ist auch bei einer gestreckten Geometrie, d.h. der Verwendung einer im Wesentlichen ovalen Wanne anstelle eines eimerartigen Behältnisses, und mehreren Ultraschallelementen möglich.
Vernebeltes Material, welches nicht direkt auf den Vernebler zurückfällt, oder ob die Schicht aufgebracht wird, schlägt sich auf den Seitenwänden des Gefäßes nieder und läuft zum Vernebler zurück. Ein ggf. vorhandenes geregelter Zulauf und Ablauf an Beschichtungsflüssigkeit ermöglicht konstantes Halten sowohl des Füllstandes als auch ggf. der Zusammensetzung.
Ferner kann ein geregelter Gasstrom tangential mit aufwärts gerichteter Richtung in den Ultraschallverdampfer eingebracht werden. Über den dadurch erhaltenen Zyklonfilter-Effekt kann eine weitere Regelung der Tropfengröße als auch eine beschleunigte Bewegung der Tropfen zum Substrat erreicht werden. Insbesondere kann eine verbesserte einheitliche Tropfengröße über den gesamten oberen Querschnitt des Behältnisses erzielt und somit eine einheitliche Beschichtung über den im Wesentlichen gesamten Querschnitt der oberen Behälteröffnung erreicht werden.
Möglichkeiten zum Einbringen eines Gasstroms, die Regulierung seiner Stärke und Strömungsrichtung sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann eine Düse als Gaseinlass an der Wandung des Ultraschallverdampfers vorgesehen werden. Mehrere Gaseinlasse können vorgesehen sein.
Das bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommende Substrat ist von der dreidimensionalen Form nicht begrenzt. Vorzugsweise handelt es sich um ein flächiges Substrat, jedoch können auch komplexere Körper beschichtet werden, indem sie beispielsweise oberhalb der Öffnung des erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfers bzw. der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung gedreht werden, wobei ein zu beschichtender Oberflächenabschnitt in konstantem Abstand von dem Flüssigkeitsspiegel der Beschichtungsflüssigkeit gehalten wird. Ein komplexerer Körper kann somit durch Drehen als auch Heben oder Senken in Bezug auf den Flüssigkeitsspiegel gleichmäßig beschichtet werden.
Das Substrat kann hierzu in eine Substrathalterung eingebracht werden. Alternativ dazu, kann die Substrathalterung für ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Befördern des Substrats angepasst sein. Beispiele hierfür umfassen Rolle-zu-Rolle Verfahren. Rolle-zu-Rolle Verfahren sind von Interesse wenn das Substrat mindestens eine Dimension, bspw. Breite und/oder Länge, größer als die entsprechende Abmessung der Öffnung des erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfers bzw. der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Ultraschallverdampfer eine auswärts geneigten Wandung, die in einem Winkel α von > 90° zu dem Boden angeordnet ist. Vorzugsweise beträgt der Winkel α 100°–160°, 100°–150°, 100°–140°, 100°–130°, und am meisten bevorzugt 100°–120°.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Ultraschallverdampfer an der auswärts geneigten Wandung eine oder mehrere Kühlvorrichtungen. Die Kühlvorrichtung kann an einem oder mehreren Bereichen der auswärts geneigten Wandung angeordnet sein. Vorzugsweise wird ein gesamter, vom Boden des Ultraschallverdampfers beabstandeter Bereich vollständig umfasst. Am meisten bevorzugt ist die gesamte Wandung oberhalb des in dem Ultraschallverdampfer vorliegenden Flüssigkeitsspiegels der Beschichtungsflüssigkeit mit einer Kühlvorrichtung versehen. Hierdurch kann ein effektiver Rücklauf von an der Wandung abgeschiedenem Material ermöglicht werden, so dass ein Verlust an Material weitgehend vermieden wird.
Der Boden des Ultraschallverdampfers kann jede beliebige Geometrie aufweisen. Allgemein gilt je höher die Symmetrieordnung, bspw. Drehachse gegenüber 2-fcher Spiegelachse (d.h. kreisförmiger gegenüber rechteckigem Boden), desto einfacher kann eine gleichmäßige Beschichtung des Substrats erzielt werden. Bevorzugt ist eine im Wesentlichen rechteckige Symmetrie des Bodens. Mehr bevorzugt sind bei solchen Symmetrien keine Ecken vorhanden, sondern sind diese vielmehr in einem bestimmten Bereich abgerundet. Der Anteil der Abrundung kann bspw. 5 % bis 40 % einer jeweiligen Kantenlänge des Rechtecks umfassen. Bevorzugt sind Werte von 10 % bis 15 %. Mehr bevorzugt ist eine höhere Symmetrie des Bodens. Hierbei ist eine im Wesentlichen quadratische, im Wesentlichen ovale oder im Wesentlichen runde Form zu nennen. Diese Formen, insbesondere die runde Form des Bodens, hat den Vorteil, dass einfach eine gleichmäßige Tröpfchenverteilung, damit eine einhergehende homogene Beschichtung erzielt werden kann. So kann gerade bei einem runden Boden auf die Verwendung eines Gasstroms verzichtet werden.
Eines oder mehrere Ultraschallelemente können verwendet werden. Vorzugsweise wird ein flächig angeordnetes Ultraschallelement verwendet, das die gleiche Geometrie wie der Boden des erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfers umfasst. Das flächig angeordnete Ultraschallelement kann bspw. 10 % der Bodenfläche umfassen, bevorzugt sind 20 % bis 95 %, mehr bevorzugt 30 % bis 90%, 40 % bis 90 %, 50 % bis 90%, 60 % bis 90%, 70 % bis 90 %, oder 80% bis 90%.
Alternativ dazu können zwei oder mehr, bspw. drei bis zwanzig Ultraschallelemente verwendet werden. Bevorzugt ist die Verwendung von 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, oder 19 Ultraschallelementen. Bei einer Verwendung mehrerer Ultraschallelemente sind diese vorzugsweise symmetrisch entsprechend zu der Bodensymmetrie angeordnet. Bei der Verwendung eines Ultraschallverdampfers in Gestalt eines Eimers können die einzelnen Ultraschallelemente gleichmäßig auf entsprechenden Punkten der Radien zu dem Kreisumfang angeordnet sein. So können ein konzentrischer Ring aber auch mehrere konzentrische Ringe von Ultraschallelementen an einem kreisförmigen Boden angeordnet sein. Die Verwendung mehrerer Ultraschallelemente hat bspw. den Vorteil, dass die äußeren, d.h. näher an der Wandung des Ultraschallverdampfers vorliegenden Ultraschallelemente getrennt angesteuert und bspw. mit einer höheren Leistung betrieben werden können. Hierdurch kann die homogene Tröpfchenverteilung über den gesamten Querschnitt der Öffnung des Ultraschallverdampfers verbessert werden.
Bei der Verwendung mehrerer Ultraschallelemente können diese jedoch in jeglicher Symmetrie angeordnet sein. Beispielsweise hiervon umfassen deren Anordnung in der Reihe oder einer anderen geometrischen Form bspw. eines Rechtecks, vorzugsweise im Falle eines rechteckigen Bodens, sowie in ihrer Form bspw. eines Dreiecks, Fünfecks, usw.
Das mindestens eine an dem Boden des Ultraschallverdampfers angeordnete Ultraschallelement kann von dem Boden beabstandet vorliegen. Vorzugsweise ist das mindestens eine Ultraschallelement derartig angeordnet, dass der Flüssigkeitsspiegel einer Beschichtungsflüssigkeit kurz oberhalb dieser vorliegt. Hierdurch kann mit geringer Leistung, d.h. geringem Energieaufwand, eine optimale Vernebelung erzielt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der erfindungsgemäße Ultraschallverdampfer einen Beschichtungsflüssigkeiteinlass. Der Beschichtungsflüssigkeiteinlass kann an jeglicher Stelle der Wandung vorgesehen sein. Vorzugsweise ist der Beschichtungsflüssigkeiteinlass an der auswärts geneigten Wandung an einer Position unterhalb des Gaseinlasses angeordnet.
Durch die Verwendung des Beschichtungsflüssigkeiteinlasses kann der Flüssigkeitsspiegel des erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfers konstant gehalten werden. Geeignete in dem Ultraschallverdampfer vorgesehene Sensoren können die Höhe des Flüssigkeitsspiegels bezüglich des Bodens bestimmen und den Beschichtungsflüssigkeiteinlass entsprechend ansteuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Beschichtungsflüssigkeitauslass bereitgestellt. Der Beschichtungsflüssigkeitauslass ist an der auswärts geneigten Wandung an einer Position unterhalb des Gaseinlasses und des Beschichtungsflüssigkeiteinlasses angeordnet. Durch die gleichzeitige Verwendung eines Beschichtungsflüssigkeiteinlasses bzw. -Auslasses kann der Flüssigkeitsspiegel in dem erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfer ohne weiteres konstant gehalten werden. Einlass bzw. Auslass können einzeln angesteuert werden, um einen konstanten Flüssigkeitsspiegel innerhalb des Ultraschallverdampfers zu erzielen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Ultraschallverdampfer an der Innenseite der auswärts geneigten Wandung mehrere plättchenförmige Elemente. Diese plättchenförmigen Elemente weisen vorzugsweise eine im Wesentlichen ovale und/oder kreisförmige Form auf. Der größte Durchmesser eines derartigen plättchenförmigen Elementes ist im Vergleich zu den Abmessungen des Behälters klein. Vorzugsweise beträgt die Abmessung eines einzelnen plättchenförmigen Elementes im Vergleich zu der größten Abmessung, bspw. Durchmesser, des Bodens nicht mehr als 1 %. Vorzugsweise ist der größte Durchmesser eines plättchenförmigen Elementes 1 ‰ bis 9 ‰, 2 ‰ bis 8 ‰, 3 ‰ bis 7 ‰, 4 ‰ bis 6 ‰, oder 5 ‰ der größten Abmessung des Bodens des Ultraschallverdampfers.
Die plättchenförmigen Elemente können nebeneinander angeordnet sein. Alternativ können die plättchenförmigen Elemente derart an der Wandung des Ultraschallverdampfers angeordnet sein, dass sie sich teilweise überlappen. Hierdurch wird eine schuppenähnliche Anordnung erzielt. Die Anordnung der Schuppen kann hierbei so gewählt werden, dass ein Rücklauf der Flüssigkeit an der auswärts geneigten Wandung vereinfacht wird und/oder eine bestimmte Vorzugsrichtung, vorzugsweise im Wesentlichen in Richtung der Gravitationskraft, vorgegeben wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen mehrere der plättchenförmigen Elemente Riblets auf, wobei die Riblets derart angerordnet sind, dass ein Strömungswiderstand in einer Strömungsrichtung des einströmenden Gases verringert wird.
Die Riblets sind somit vorzugsweise mit der Strömungsrichtung des einströmenden Gases ausgerichtet. Es ist nicht notwendig, dass alle plättchenförmigen Elemente Riblets aufweisen, sondern lediglich jene plättchenförmigen Elemente, die im Bereich des Gastromstroms an der Innenseite der Wandung des Ultraschallverdampfers angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorstehenden Erfindung umfasst der Ultraschallverdampfer eine Vorrichtung zur Bestimmung der Teilchengröße. Eine derartige Vorrichtung ist dem Fachmann bekannt und kann bspw. den Einsatz eines Lichtstrahls mit diskreter Wellenlänge, bspw. durch Verwendung eines Lasers, und eines geeigneten Sensors umfassen. Die Streuung des Laserlichts gibt Auskunft über die Teilchengröße.
Die Verwendung einer derartigen Vorrichtung kann daher das Einstellen, bzw. Erzielen einer konstanten Teilchengröße begünstigen. Vorzugsweise sind mehrere derartige Vorrichtungen zur Bestimmung der Teilchengröße an der auswärts geneigten Wandung befestigt. Mehr bevorzugt sind eine oder mehrere derartige Vorrichtungen am oberen Ende der auswärts geneigten Wandung vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Beschichtungsvorrichtung für ein Substrat einen Ultraschallverdampfer umfassend einen Boden mit einer auswärts geneigten Wandung, und mindestens ein an dem Boden angeordnetes Ultraschallelement zum Verdampfen einer Flüssigkeit, wobei der auswärts geneigten Wandung ein oberes Ende aufweist, sowie eine Substrathalterung, die im Wesentlichen parallel zum Boden angeordnet und von dem oberen Ende der auswärts geneigten Wandung beabstandet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die vorstehend genannte Beschichtungsvorrichtung eine oder mehrere der vorstehend genannten bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Substrathalterung zur kontinuierlichen Beförderung eines Substrats angepasst. Die Substrathalterung kann bspw. die Ausgestaltung eines Förderbands annehmen, an dessen Unterseite in einem zur Behälteröffnung des Ultraschallverdampfers geeigneten Abstand das Substrat beweglich angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Beschichtungsvorrichtung eine Substrathalterung die zur gleichmäßigen Drehung des Substrats angepasst ist. Hierdurch kann nicht nur die gleichmäßige bzw. homogene Beschichtung einer einzelnen Fläche des Substrats, sondern mehrerer Flächen, vorzugsweise des gesamten Substrats, erreicht werden. Durch eine derartige Drehung können beispielsweise Substrate mit unregelmäßiger Oberfläche, beispielsweise keine geometrischen Körper, gleichmäßig beschichtet werden. Vorzugsweise wird die Substrathalterung hierbei derart gesteuert, dass sich lediglich ein kleiner Oberflächenausschnitt des Substrats in der Aerosol-Zone befindet. Ein kleiner Oberflächenausschnitt bedeutet hierbei beispielsweise einen Anteil von > 0 bis ≤ 10% an der Gesamtoberfläche, vorzugsweise > 0 bis ≤ 5%, und > 0 bis ≤ 1%.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Beschichtungsvorrichtung ein Heizelement, wobei die Substrathalterung zwischen dem Ultraschallverdampfer und dem Heizelement angeordnet ist. Die Verwendung eines Heizelementes kann die gleichmäßige Beschichtung des Substrats verbessern, da ein an der Substrathalterung angebrachtes Substrat erwärmt und somit abgeschiedene Beschichtungsflüssigkeit ebenfalls erwärmt und vorzugsweise unmittelbar ausgehärtet wird.
Vorzugsweise ist das verwendete Substrat größer als das darüber angeordnete Heizelement. Dadurch kann ein Verlust an Beschichtungsflüssigkeit verringert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des Ultraschallverdampfers bzw. einer einen Ultraschallverdampfer umfassenden Beschichtungsvorrichtung zum Lackieren und/oder anderweitigen Beschichten eines Substrats.
Ferner kann ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats umfasst sein. Das Verfahren kann die Schritte umfassen von:
Bereitstellen eines Ultraschallverdampfers, umfassend ein Boden mit einer auswärts geneigten Wandung, und mindestens ein an dem Boden angeordnetes Ultraschallelement zum gleichmäßigen, Flächenverdampfen einer Flüssigkeit, einen Gaseinlass, der derart an der auswärts geneigten Wandung angeordnet ist, das ein durch den Gaseinlass in den Ultraschallverdampfer einströmendes Gas entlang der auswärts geneigten Wandung in eine dem Boden entgegengesetzte Richtung strömt;
Einfüllen einer Beschichtungsflüssigkeit in den Ultraschallverdampfer;
Erzeugen eines Gasstroms entlang der auswärts geneigten Wandung in eine dem Boden entgegengesetzte Richtung; und
Betreiben des mindestens einen Ultraschallelements. Vorzugsweise kann der hierbei verwendete Ultraschallverdampfer eines oder mehrere der vorstehend genannten Merkmale umfassen.
Alternativ kann ein Verfahren bereitgestellt werden, indem eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung für ein Substrat zum Einsatz gelangt. Das Verfahren umfasst die Schritte von:
Bereitstellen eines Ultraschallverdampfers umfassend einen Boden mit einer auswärts geneigten Wandung, und mindestens ein an dem Boden angeordnetes Ultraschallelement zum Verdampfen einer Flüssigkeit, wobei die auswärts geneigte Wandung ein oberes Ende aufweist;
Einfüllen einer Beschichtungsflüssigkeit in den Ultraschallverdampfer;
Betreiben des mindestens einen Ultraschallelements; und
Beschichten eines Substrats, das in einer Substrathalterung, die im Wesentlichen parallel zum Boden des Ultraschallverdampfers angeordnet und von dem oberen Ende der auswärts geneigten Wandung beabstandet ist, angebracht ist.
Vorzugsweise kommen bei dem Beschichtungsverfahren für ein Substrat ebenso der vorstehend genannte Ultraschallverdampfer, bzw. eine oder mehrere seiner bevorzugten Ausgestaltungsformen, zur Verwendung.
Es hat sich gezeigt, dass die Umsetzung der vorstehend genannten Verfahren sich auf diese Weise besonders für die Verwendung in großtechnischen Anlagen eignet und zu hohen Produktionsgeschwindigkeit führt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit den vorstehend genannten Verfahren gleichmäßige und flächige Beschichtungen eines Substrats erzielt werden können.
Die bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfer, bei der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommende Substrathalterung kann für die Halterung eines einzelnen Substrats angepasst sein. Alternativ und bevorzugt kann Substrathalterung für die Durchführung eines Rolle-zu-Rolle Verfahrens angepasst sein. Rolle-zu-Rolle Verfahren sind von Interesse wenn das Substrat mindestens eine Dimension, bspw. Breite und/oder Länge, größer als die entsprechende Abmessung der Öffnung des erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfers bzw. der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung aufweist. Rolle-zu-Rolle Verfahren kommen insbesondere bei flexiblen Substraten zur Anwendung. Die Abmessung der Substrate ist hierbei nicht besonders begrenzt und umfassen bspw. folgende Abmessungen (Höhe × Breite × Länge) von 1 µm bis 2 mm × 1 mm bis 5 m × 10 m bis 50 km, vorzugsweise 50 µm bis 200 µm × 10 cm bis 1 m × 1 km bis 10 km.
Die Substrathalterung kann ebenso für ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Befördern des Substrats angepasst sein.
Der erfindungsgemäße Ultraschallverdampfer bzw. die erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung können vorzugsweise gemäß den jeweiligen Erfordernissen temperiert werden. Hierzu sind geeignete Kühl- bzw. Heizvorrichtungen an der Wandung und/oder dem Boden angeordnet. Derartige Kühl- bzw. Heizvorrichtungen umfassen bspw. Pelletierelemente. Bspw. kann durch die Kühlung der Beschichtungsflüssigkeit eine Stabilisierung derselben erzielt werden, indem beispielsweise ein Abdampfen eines Lösungsmittels vermieden wird. Ein Erwärmen der Beschichtungsflüssigkeit kann zum kontrollierten Verdampfen von Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck eingesetzt werden. Alternativ kann die Temperatur zum Einstellen einer bestimmten Viskosität der Beschichtungsflüssigkeit verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Ultraschallverdampfer, die erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere zum gleichmäßigen, flächigen Verdampfen der Beschichtungsflüssigkeit vorgesehen. Das herbei entstehende Aerosol weist hierbei über den gesamten Querschnitt der Behälteröffnung einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser der Teilchen auf. Ein im Wesentlichen gleicher Durchmesser der Teilchen umfasst eine maximale Abweichung des Durchmessers von 10 %. Vorzugsweise variiert der Teilchendurchmesser um weniger als 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 % und 0,1 %.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend im Rahmen von ausgesuchten nicht-einschränkenden Beispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:
1 den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfers bzw. einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung;
2 die Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfer;
3a eine Schrägansicht auf einen erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfer;
3b eine abschnittsweise Vergrößerung des in 3a gezeigten Ultraschallverdampfers;
4 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Ultraschallverdampfers bzw. einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung für ein Substrat;
5 eine grafische Darstellung der mittleren Tropfengröße in Abhängigkeit von dem Abstand zu der Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit; und
6 eine grafische Darstellung der mittleren Tropfengröße über den Querschnitt des Ultraschallverdampfers und in Abhängigkeit von dem Abstand zu der Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit.
Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung, welche einen Ultraschallverdampfer umfasst. Der Ultraschallverdampfer wird nachstehend mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Der Ultraschallverdampfer umfasst einen Boden 12 mit einer auswärts geneigten Wandung 14, die in einem Winkel α von vorzugsweise 100° bis 120° zum Boden 12 angeordnet ist. Ein Kühlelement 20 ist an der auswärts geneigten Wandung 14 angebracht. In dem oben offenen Behälter des Ultraschallverdampfers liegt eine Beschichtungsflüssigkeit 40 vor, die durch mindestens ein an dem Boden 12 des Ultraschallverdampfers 10 angeordnetes Ultraschallelement 16 zum Verdampfen bzw. zum Vernebeln gebracht wird. An einer Seite der auswärts geneigten Wandung 14 ist oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der Beschichtungsflüssigkeit 40 ein Gaseinlass 18 derart angeordnet, dass ein durch den Gaseinlass 18 in den Ultraschallverdampfer 10 einströmendes Gas entlang der auswärts geneigten Wandung 14 in eine dem Boden 12 entgegengesetzte Richtung R strömt. Durch den Gaseinlass 18 einströmendes Gas führt durch das mindestens eine Ultraschallelement 16 vernebelte Beschichtungsflüssigkeit aufwärts, in Richtung R mit.
Oberhalb des Ultraschallverdampfers kann eine Substrathalterung 36 im Wesentlichen parallel zum Boden 12 des Ultraschallverdampfers 10 angebracht sein, so dass ein daran befestigtes Substrat (nicht gezeigt) von den vernebelten Partikeln der Beschichtungsflüssigkeit 40 gleichmäßig und flächig benetzt wird. Ein optional vorhandenes, oberhalb der Substrathalterung 36 angeordnetes Heizelement 38 erwärmt das an der Substrathalterung 36 angebrachte Substrat und fördert somit die Trocknung der auf dem Substrat abgelagerten, vernebelten Partikel.
Der in 1 gezeigte Ultraschallverdampfer kann einen Boden mit einem beliebigen Querschnitt aufweisen. Bevorzugt ist ein im Wesentlichen ovaler, mehr bevorzugt ein runder Boden, wie beispielsweise aus der 2 ersichtlich ist. Die auswärts geneigte Wandung 14 weist bezüglich des Bodens 12 im Wesentlichen stetig um den gesamten Umfang des Bodens 12 einen konstanten Winkel α auf. Unabhängig davon, ist die Erstreckung der auswärts geneigten Wandung 14 um den gesamten Umfang des Bodens 12 gleich, d.h. die Wandung 14 weist im Wesentlichen die gleiche Höhe auf.
In der 2 wird eine Draufsicht auf einen Ultraschallverdampfer 10 gezeigt. Der Ultraschallverdampfer 10 weist einen kreisrunden Boden 12 und somit eine ebenfalls kreisrunde Wandung 14 auf. An dem Boden 12 sind vier Ultraschallelemente 16 symmetrisch angeordnet. Es ist klar, dass weniger, bspw. 1, 2, oder 3, bzw. mehr, bspw. 5, 6, 7, oder 8, Ultraschallelemente 16 an dem Boden 12 angeordnet sein können. Der Ultraschallverdampfer 10 weist ferner einen Gaseinlass 18 derart auf, dass tangential ein geregelter, vorzugsweise inerter, Gasstrom eingebracht wird, der über einen Zyklonfilter-Effekt eine weitere Regelung der Tropfengröße als auch eine beschleunigte Bewegung der Tropfen in Richtung des Substrats (nicht gezeigt) erzielt. Die Bewegungsrichtung des Gases wird durch S angezeigt. Der Gaseinlass 18 ist vorzugsweise unmittelbar oberhalb des Flüssigkeitsspiegels bzw. der Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit 40 angebracht, so dass einströmendes Gas in einer spiralförmigen Bewegung entlang der Wandung 14 bis zum oberen Ende der Wandung 34 strömt. Hierdurch kann eine homogenere Verteilung der vernebelten Partikel am oberen Ende 34 des Ultraschallverdampfers 10 erzielt werden.
Als Gas kann jegliches Gas oder Gasgemisch zur Verwendung gelangen. Vorzugsweise kann ein Inertgas, bspw. Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, oder ein Edelgas, verwendet werden. Vorzugsweise wird Luft verwendet, sofern diese nicht mit der Beschichtungsflüssigkeit reagiert, bzw. mit dieser lediglich unwesentlich reagiert. Alternativ kann eine Reaktion des Gases oder des Gasgemisches mit der Beschichtungsflüssigkeit erwünscht sein, insbesondere wenn durch diese Reaktion die Beschichtungsflüssigkeit in die aufzutragende Form überführt wird. Wenn beispielsweise eine Oxidation eines oder mehrerer Bestandteile der Beschichtungsflüssigkeit vor dem Aufbringen auf das Substrat erforderlich ist, kann Luft, Sauerstoff, oder mit Sauerstoff angereicherte Luft als Gas verwendet werden. Das geeignete Gas oder Gasgemisch kann hierbei ohne weiteres durch den Fachmann in Abhängigkeit von der Beschichtungsflüssigkeit bestimmt werden.
Der Gasstrom kann ebenso temperiert werden. Hierzu kann der Gasstrom auf eine dem Fachmann geläufige Art und Weise gekühlt oder erwärmt werden, indem der Gasstrom über bspw. eine entsprechend temperierte Oberfläche geleitet wird. Pelletierelemente können hierbei verwendet werden.
Die 3a zeigt eine weitere Ausgestaltung des Ultraschallverdampfers 10 mit an dem oberen Ende 34 der Wandung angeordneten Vorrichtungen 30 zur Bestimmung der Teilchengröße. Auf der Innenseite der Wandung sind plättchenförmige Elemente 26 (ausschnittsweise gezeigt) angeordnet. Die plättchenförmigen Elemente können jegliche beliebige Form aufweisen. Beispielsweise sind die Plättchen rund oder oval. Verschiedene Formen von plättchenförmigen Elementen können kombiniert werden. Vorzugsweise sind die plättchenförmigen Elemente schuppenartig angeordnet, so dass Überlappungsbereiche zwischen benachbarten plättchenförmigen Elementen stehen.
Aus der 3b ist die Vergrößerung der plättchenförmigen Elemente 26 aus der 3a ersichtlich. Die plättchenförmigen Elemente 26 weisen vorzugsweise zumindest im Bereich des Gasstroms S Riblets 28 auf, die parallel zur Strömungsrichtung des einströmenden Gases angeordnet sind. Dadurch kann in Wandnähe ein geringerer Reibungswiderstand des Gases erzielt werden, wodurch höhere Gasgeschwindigkeit und somit ein höherer Teilchenaustrag in der Nähe der Behälterwandung erzielt werden können. Durch die Verwendung der Plättchen 26 und deren geeignete Anordnung an der Behälterwand 14 kann ferner das Ablaufen von daran abgeschiedenen bzw. kondensierten Partikeln zurück in die Beschichtungsflüssigkeit begünstigt werden. Die Form der plättchenförmigen Elemente, deren Anordnung und die anderen Riblets kann derartig gewählt werden, dass der Gasstrom an der Wandung kondensierter Flüssigkeit vorbeiströmt, wodurch eine übermäßige Kühlung und eine damit einhergehende mögliche Verfestigung der Beschichtungsflüssigkeit, vermieden wird.
Die 4 zeigt eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung für ein Substrat 32. Die Beschichtungsvorrichtung umfasst einen Ultraschallverdampfer 10 mit einem Boden 12 mit einer auswärts geneigten Wandung 14 und in dieser Ausführungsform 2 an dem Boden 12 angeordneten Ultraschallelementen 16. In dem Ultraschallverdampfer 10 befindliche Beschichtungsflüssigkeit 40 wird zur Entstehung vernebelter Partikel 42 verdampft. Der Ultraschallverdampfer weist ferner ein Beschichtungsflüssigkeiteinlass 22 und ein Beschichtungsflüssigkeitauslass 24 auf. Über den optionalen Gaseinlass 18 kann ein Gas zur Erzeugung des vorstehend genannten Zyklonfilter-Effekts in den Ultraschallverdampfer 10 eingeblasen werden. Oberhalb des oberen Endes 34 und im Wesentlichen parallel zum Boden 12 ist eine Substrathalterung 36 angeordnet, an deren Unterseite das Substrat 32 befestigt wird.
Die 5 zeigt die mittlere Teilchengröße y in Bezug auf den Abstand x von der Oberfläche x₀ der Beschichtungsflüssigkeit. Es ist ersichtlich, dass die mittlere Tropfengröße mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit absinkt und zu einer Endgröße x₃ konvergiert. Die mittlere Tröpfchengröße nimmt ausgehend x₀ über x₁ und x₂ zu x₃ ab. Da die Teilchen gegen die Erdanziehung befördert werden, gibt es für jedes Teilchen in Abhängigkeit von seiner Größe einen entsprechenden Umkehrpunkt, von dem es zurück in die Beschichtungsflüssigkeit fällt. Das Substrat kann bspw. am Punkt x₃ oder in einem etwas geringerem Abstand zur Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit angebracht werden. Es kann alternativ wünschenswert sein, dass das Substrat mit Teilchen von verschiedenem mittlerem Durchmesser beschichtet wird. Dafür kann bspw. der Abstand des Substrats zur Oberfläche x₀ der Beschichtungsflüssigkeit variiert werden. Beispielsweise kann der Abstand in einem Bereich x₁ bis x₂ variiert werden.
Die 6 zeigt die mittlere Teilchengröße über den Querschnitt des Ultraschallverdampfers und in Abhängigkeit von dem Abstand zu der Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit. Die y-Achse bezeichnet hierbei erneut die mittlere Teilchengröße und die x-Achse die Position bezüglich des Behältermittelpunkts x₄. Wie es der Abbildung in 6 ersichtlich ist, werden bei einem Betrieb ohne Gaseinlass F1 kleine mittlere Teilchendurchmesser überwiegend im mittleren Bereich des Ultraschallverdampfers erzielt. Mit zunehmendem Abstand vom mittleren Bereich, d.h. in Richtung der Wandung, nimmt der mittlere Teilchendurchmesser zu und die schwereren, größeren Teilchen erreichen früher ihren jeweiligen Umkehrpunkt. Sofern Gas durch einen Gaseinlass 18 in den Ultraschallverdampfer 10 eingebracht wird, flacht diese Kurve immer weiter ab F2. Auf diese Art wird eine gleichmäßigere Partikelverteilung über den gesamten Querschnitt des Ultraschallverdampfers erzielt. Durch eine noch höhere gewählte Geschwindigkeit des einströmenden Gases kann eine Umkehrung derart erzielt werden, dass zum Behältermittelpunkt x₄ des Ultraschallverdampfers größere mittlere Teilchendurchmesser als an der Wandung erzielt werden. Dies ist durch F3 gezeigt.
Es ist klar, dass vorzugsweise ein konstanter mittlerer Teilchendurchmesser über den gesamten Querschnitt des Ultraschallverdampfers erzielt werden soll. Hierzu können bspw., wie in der 3a gezeigte, Vorrichtungen 30 zur Bestimmung der Teilchengröße eingesetzt werden. Die Vorrichtungen 30 sind vorzugsweise am oberen Ende 34 des Ultraschallverdampfers 10 angeordnet. Eine oder mehrere Vorrichtungen 30 können verwendet werden. Die Signale der Vorrichtung 30 können bspw. verwendet werden, um eines oder mehrere des einströmenden Gases, einströmender Flüssigkeit in Behälter, ausströmender Flüssigkeit aus dem Behälter, die Temperatur des Kühlelementes 20, die Temperatur des Heizelementes 38, eine oder mehrere Bewegungsrichtungen des Substrats 32, und den Betrieb von einem oder mehreren Ultraschallelementen 16 gezielt anzusteuern. Hierdurch kann die optimale Beschichtung in Abhängigkeit von der Geometrie des Ultraschallverdampfers bzw. der Beschichtungsvorrichtung und den Eigenschaften der Beschichtungsflüssigkeit, bspw. deren Viskosität, erzielt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005019686 [0005]

Claims

Ultraschallverdampfer (10), umfassend: einen Boden (12) mit einer auswärts geneigten Wandung (14), und mindestens ein an dem Boden (12) angeordnetes Ultraschallelement (16) zum Verdampfen einer Flüssigkeit (40), dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaseinlass (18) derart an der auswärts geneigten Wandung (14) angeordnet ist, dass ein durch den Gaseinlass (18) in den Ultraschallverdampfer (10) einströmendes Gas entlang der auswärts geneigten Wandung (14) in eine dem Boden (12) entgegengesetzte Richtung (R) strömt.
Ultraschallverdampfer (10) nach Anspruch 1, wobei die auswärts geneigte Wandung (14) in einem Winkel α von 100°–120° zu dem Boden (12) angeordnet ist.
Ultraschallverdampfer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die auswärts geneigte Wandung (14) eine Kühlvorrichtung (20) aufweist.
Ultraschallverdampfer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Boden (12) eine ovale oder runde Form aufweist.
Ultraschallverdampfer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin ein flächig angeordnetes Ultraschallelement (16) vorliegt.
Ultraschallverdampfer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen Beschichtungsflüssigkeiteinlass (22), worin der Beschichtungsflüssigkeiteinlass (22) an der auswärts geneigten Wandung (14) an einer Position unterhalb des Gaseinlasses (18) angeordnet ist.
Ultraschallverdampfer (10) nach Anspruch 6, umfassend einen Beschichtungsflüssigkeitauslass (24), worin der Beschichtungsflüssigkeitauslass (24) an der auswärts geneigten Wandung (14) an einer Position unterhalb des Gaseinlasses (18) und des Beschichtungsflüssigkeiteinlasses (22) angeordnet ist.
Ultraschallverdampfer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin an der auswärts geneigten Wandung (14) mehrere plättchenförmige Elemente (26) angeordnet sind.
Ultraschallverdampfer (10) nach Anspruch 8, worin jedes der plättchenförmigen Elemente (26) Riblets (28) aufweist, worin die Riblets (28) derart angerordnet sind, dass ein Strömungswiderstand in einer Strömungsrichtung (S) des einströmenden Gases verringert wird.
Ultraschallverdampfer (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Vorrichtung (30) zur Bestimmung der Teilchengröße.
Beschichtungsvorrichtung für ein Substrat (32), umfassend: einen Ultraschallverdampfer (10) umfassend, einen Boden (12) mit einer auswärts geneigten Wandung (14), und mindestens ein an dem Boden (12) angeordnetes Ultraschallelement (16) zum Verdampfen einer Flüssigkeit (40), worin die auswärts geneigte Wandung (14) ein oberes Ende (34) aufweist, eine Substrathalterung (36), die im Wesentlichen parallel zum Boden (12) angeordnet und von dem oberen Ende (34) der auswärts geneigten Wandung (14) beabstandet ist.
Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 12, umfassend den Ultraschallverdampfer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei die Substrathalterung (36) zur kontinuierlichen Beförderung eines Substrats (32) angepasst ist.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Substrathalterung (36) zur gleichmäßigen Drehung des Substrats (32) angepasst ist.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, umfassend ein Heizelement (38), wobei die Substrathalterung (36) zwischen dem Ultraschallverdampfer (10) und dem Heizelement (38) angeordnet ist.
Verwendung des Ultraschallverdampfers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einer Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15 zum Lackieren eines Substrats (32).