DE102018127716A1 - Membrane manufacturing plant - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung einer Folie, wobei die Anlage wenigstens eine Folien-Beschichtungsquelle zur Durchführung eines physikalischen oder chemischen Abscheideverfahrens aufweist, und wobei mit der Folien-Beschichtungsquelle ein die Folie ausbildendes Material abgeschieden werden kann, um durch die Abscheidung die Folie auszubilden, sowie ein Verfahren zum Herstellen der Folie. Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht im Aufzeigen eines einfachen, kostengünstigen und universell anwendbaren Verfahrens zur Herstellung von Folien und einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Anlage. Die Aufgabe wird von einer Anlage zur Herstellung einer Folie gelöst, welche ein zyklisch umlaufbares, dauerhaftes Hilfssubstrat aufweist, wobei die Anlage und das Hilfssubstrat dazu ausgebildet sind, eine Haftung der Folie an dem Hilfssubstrat während einer mit der wenigstens einen Beschichtungsquelle ausgeführten Beschichtung bereitzustellen und nach der Beschichtung eine Ablösung der hergestellten Folie zu bewirken.The present invention relates to a plant for producing a film, the plant having at least one film coating source for carrying out a physical or chemical deposition process, and wherein the film coating source can be used to deposit a material forming the film in order to separate the film by the deposition train, as well as a method for producing the film. The objects of the present invention are to demonstrate a simple, inexpensive and universally applicable method for producing films and a system suitable for carrying out the method. The object is achieved by a system for producing a film which has a cyclically circulable, permanent auxiliary substrate, the system and the auxiliary substrate being designed to provide adhesion of the film to the auxiliary substrate during a coating carried out with the at least one coating source and after to cause the coating to detach the film produced.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung einer Folie, wobei die Anlage wenigstens eine Folien-Beschichtungsquelle zur Durchführung eines physikalischen oder chemischen Abscheideverfahrens aufweist, und wobei mit der Folien-Beschichtungsquelle ein die Folie ausbildendes Material abgeschieden werden kann, um durch die Abscheidung die Folie auszubilden, sowie ein Verfahren zum Herstellen der Folie.The present invention relates to a plant for producing a film, the plant having at least one film coating source for carrying out a physical or chemical deposition process, and wherein the film coating source can be used to deposit a material forming the film in order to separate the film by the deposition train, as well as a method for producing the film.
Folien haben vielfältige Anwendung, beispielsweise als Verpackungsfolien. Teilweise werden Folien auch mit physikalischen oder chemischen Abscheideverfahren beschichtet. Beispielsweise können Polymerfolien mit Metallschichten und Lackschichten beschichtet werden, um mit den Metallschichten die Dichtheit von aus den Folien hergestellten Verpackungen zu verbessern und mit Farbschichten die Metallschichten vor Korrosion zu schützen und um ein werbewirksames Erscheinungsbild herzustellen. Folien können auch als Komponenten von Bauelementen eingesetzt werden, beispielsweise in Batterien, Akkumulatoren (kurz Akkus), Elektrolysezellen oder Solarzellen. Elektrochemischen Zellen sind häufig aus Elektrodenfolien, beispielsweise einer Kathodenfolie und einer Anodenfolie in einer Batterie, und Isolationsfolien bzw. Separatorfolien zwischen den Elektrodenfolien hergestellt. In Lithium-Ionen-Akkus weisen die Separatorfolien, die in der Akku-Zelle zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sind, Poren auf, durch die Lithium-Ionen bei Lade- und Endladevorgängen diffundieren können. Die in elektrochemischen Zellen eingesetzten Separatorfolien können mit keramischen Schichten beschichtete Polymerfolien oder ganz aus einer Keramik ausgebildete Folien sein. Unter Folien sind in diesem Zusammenhang flächige, nahezu 2-dimensionale Körper zu verstehen, die große laterale Abmessungen, von meistens mindestens mehreren Zentimetern, und deutlich geringe Dicken, von meistens höchstens einem Millimeter, haben. Die in Separatorfolien verwendeten keramischen Schichten können beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen. Auch bei der Herstellung von Solarzellen gibt es Fertigungsverfahren, die dünne, flexible Folien kristalliner Halbleitermaterialien durch Abspalten von einem größeren, massiven Halbleiterkristall herstellen, wobei die abgespaltene Schichtdicke anschließend mittels CVD neu produziert und wiederum abgespaltet wird. Auf diese Weise werden beispielsweise dünne, flexible GaAs-Solarzellen hergestellt, die z.B. in gewölbte PkW-Dächer eingebaut werden können. Problematisch an hochwertigen Folien und von auf Folien basierenden Bauelementen, wie z.B. Akkumulatoren oder Brennstoffzellen, sind hohe Herstellungskosten, die teilweise einer Wirtschaftlichkeit und weiteren Verbreitung der hochwertigen Folien bzw. der aus den Folien hergestellten Bauelemente im Wege stehen.Films have many uses, for example as packaging films. In some cases, films are also coated with physical or chemical deposition processes. For example, polymer films can be coated with metal layers and lacquer layers in order to improve the tightness of packaging made from the films with the metal layers and to protect the metal layers from corrosion with color layers and to produce an advertising-effective appearance. Films can also be used as components of components, for example in batteries, accumulators (in short, rechargeable batteries), electrolysis cells or solar cells. Electrochemical cells are often produced from electrode foils, for example a cathode foil and an anode foil in a battery, and insulation foils or separator foils between the electrode foils. In lithium-ion batteries, the separator foils, which are arranged in the battery cell between the anode and the cathode, have pores through which lithium ions can diffuse during charging and discharging processes. The separator films used in electrochemical cells can be polymer films coated with ceramic layers or films made entirely from a ceramic. In this context, foils are to be understood as flat, almost 2-dimensional bodies which have large lateral dimensions, usually of at least several centimeters, and clearly small thicknesses, mostly of at most one millimeter. The ceramic layers used in separator films can consist, for example, of aluminum oxide. In the manufacture of solar cells, too, there are manufacturing processes that produce thin, flexible films of crystalline semiconductor materials by splitting off a larger, solid semiconductor crystal, the split-off layer thickness then being newly produced using CVD and then split off again. In this way, for example, thin, flexible GaAs solar cells are produced, which e.g. can be installed in arched car roofs. Problematic with high-quality foils and foil-based components, e.g. Accumulators or fuel cells are high manufacturing costs, some of which stand in the way of the cost-effectiveness and widespread use of the high-quality foils or the components made from the foils.
Es ist deshalb die Aufgaben der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von hochwertigen Folien und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anlage vorzuschlagen.It is therefore the object of the present invention to propose a simple process for the production of high-quality films and a plant suitable for carrying out the process.
Die Aufgabe wird von einer Anlage zur Herstellung einer Folie gelöst, welche ein zyklisch umlaufbares, dauerhaftes Hilfssubstrat aufweist, wobei die Anlage und das Hilfssubstrat dazu ausgebildet sind, eine Haftung der Folie an dem Hilfssubstrat während einer mit der wenigstens einen Beschichtungsquelle ausgeführten Beschichtung bereitzustellen und nach der Beschichtung eine Ablösung der hergestellten Folie zu bewirken. Im Stand der Technik werden Beschichtungen in aller Regel auf als Substrate bereitgestellte Substrat-Folien aufgebracht. Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht hingegen ein durch Einsparung der Substrat-Folie vereinfachtes Herstellungsverfahren für die Herstellung hochwertiger Folien. In der erfindungsgemäßen Anlage wird die Folie durch Beschichten eines Hilfssubstrates und späteres Ablösen davon hergestellt. Die Folie ist also eine freitragende Folie, die aus sich heraus eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, ohne auf eine Substratfolie angewiesen zu sein. In elektrochemischen Zellen besteht die Anforderung, möglichst viel Funktionalität aus möglichst kleinen Volumen zu erreichen. Anders ausgedrückt, sollen hohe Energiedichten und Leistungsdichten erreicht werden. Für die einzelnen Komponenten der Bauelemente heißt das, dass diese möglichst kompakt und im Falle von Folien möglichst dünn sein sollen.The object is achieved by a system for producing a film which has a cyclically circulable, permanent auxiliary substrate, the system and the auxiliary substrate being designed to provide adhesion of the film to the auxiliary substrate during a coating carried out with the at least one coating source and after to cause the coating to detach the film produced. In the prior art, coatings are generally applied to substrate films provided as substrates. The system according to the invention, on the other hand, enables a production process for the production of high-quality films that is simplified by saving the substrate film. In the system according to the invention, the film is produced by coating an auxiliary substrate and subsequently detaching it. The film is therefore a self-supporting film which, by itself, has sufficient mechanical stability without being dependent on a substrate film. In electrochemical cells, there is a requirement to achieve as much functionality as possible from the smallest possible volume. In other words, high energy densities and power densities should be achieved. For the individual components of the components, this means that they should be as compact as possible and as thin as possible in the case of foils.
Beispielsweise bei Separator-Folien in elektrochemischen Zellen wird die dort geforderte Funktionalität einer zuverlässigen Trennung der benachbarten Elektroden durch die Beschichtungsanteile einer beschichteten Separator-Folie besser gelöst, als von dem Substrat-FolienTeil dieser Separator-Folie, weil die keramischen Schichten bzw. Teil-Schichten auch bei Temperaturen über 200°C beständig sind und deshalb ein thermisches Durchgehen der Zellen schon bei geringen Schichtdicken unter 10 µm zuverlässig verhindern.For example, in the case of separator films in electrochemical cells, the functionality required there for reliable separation of the adjacent electrodes is better solved by the coating components of a coated separator film than from the substrate film part of this separator film because the ceramic layers or partial layers are resistant even at temperatures above 200 ° C and therefore reliably prevent thermal runaway of the cells even with thin layers below 10 µm.
Die erfindungsgemäße Anlage eröffnet durch die Bereitstellung des zyklisch umlaufenden Hilfssubstrates die Möglichkeit, zuverlässige dünne Folien, beispielsweise Separatorfolien, kostengünstig herzustellen. Das Hilfssubstrat kann vielfach wiederverwendet werden, ohne dabei große Verschleißerscheinungen zu erleiden. Die im Stand der Technik erforderliche Bereitstellung einer Substratfolie war mit Betriebskosten verbunden, die in der erfindungsgemäßen Anlage wegfallen. Ein wichtiger Effekt ist auch, dass durch den Wegfall der funktionell entbehrlichen Substratfolie kompaktere Folien hergestellt werden können, die zu einer verbesserten Funktionalität, der daraus hergestellten Bauelemente beitragen können. Beispielsweise können Lithiumionen-Akkus mit dünneren vollkeramischen Separatorfolien und entsprechend höheren Energiedichten hergestellt werden. By providing the cyclically rotating auxiliary substrate, the system according to the invention opens up the possibility of producing reliable thin films, for example separator films, inexpensively. The auxiliary substrate can be reused many times without suffering major wear and tear. The provision of a substrate film required in the prior art was associated with operating costs which are eliminated in the system according to the invention. It is also an important effect that, by eliminating the functionally unnecessary substrate film, more compact films can be produced, which can contribute to an improved functionality of the components produced therefrom. For example, lithium ion batteries can be manufactured with thinner all-ceramic separator foils and correspondingly higher energy densities.
Entsprechend vielfältigen Zusammensetzungen, Funktionalitäten und Dicken von verschiedenen Folien werden zu deren Herstellung verschiedene Beschichtungsquellen eingesetzt. Große Beschichtungsgeschwindigkeiten können dabei mit dem physikalischen Abscheideverfahren „thermisches Spritzen“ und mit dem chemischen Abscheideverfahren „Plasmaspritzen“ erreicht werden. Zum Plasmaspritzen können ETP-Quellen (ETP - expanding thermal plasma sources) verwendet werden. Diese Verfahren werden oft bei atmosphärischem Druck oder einem Druck nahe unter oder über atmosphärischem Druck durchgeführt. Hohe Abscheideraten bei gleichzeitig dichten und homogenen Schichten werden von dem chemischen Abscheideverfahren der plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung mit Mikrowellenenergieeintrag (µW-PECVD) und von dem physikalischen Abscheideverfahren des Sputterns erreicht. Das Verfahren des reaktives Sputterns, wird in der Regel auch den physikalischen Abscheideverfahren zugerechnet, obwohl dabei in der Gasphase die von Inertgas-Atomen (z.B. Ar) abgestäubte Target-Atome (z.B. AI) mit Reaktivgas-Molekülen (z.B. O2) chemisch reagieren (z.B. unter Ausbildung von Al2O3-Schichten). In verschiedenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage kommen verschiedene physikalische oder chemische Gasphasenbeschichtung bei Unterdruck bzw. im Vakuum oder bei höheren Drücken, bis über den Atmosphärendruck, zum Einsatz.Corresponding to the diverse compositions, functionalities and thicknesses of different films, different coating sources are used to produce them. High coating speeds can be achieved with the physical deposition process "thermal spraying" and with the chemical deposition process "plasma spraying". ETP (expanding thermal plasma sources) can be used for plasma spraying. These processes are often carried out at atmospheric pressure or a pressure close to or above atmospheric pressure. High deposition rates with simultaneously dense and homogeneous layers are achieved by the chemical deposition process of plasma-assisted chemical vapor deposition with microwave energy input (µW-PECVD) and by the physical deposition process of sputtering. The reactive sputtering process is usually also assigned to the physical deposition process, although in the gas phase the target atoms (e.g. Ar) dusted by inert gas atoms (e.g. Al) react chemically with reactive gas molecules (e.g. O 2 ) ( eg with the formation of Al 2 O 3 layers). Various physical or chemical gas-phase coatings are used in various configurations of the plant according to the invention at negative pressure or in a vacuum or at higher pressures up to above atmospheric pressure.
Das Hilfssubstrat kann eine zylindermantelförmige oder eine bandförmige Oberfläche haben. Ein umlaufender Zylinder mit seiner geometrisch einfachen Form ist eine besonders einfach aufgebaute und entsprechend zuverlässige und wartungsarme Anlagenkomponente. Die auf der Mantelfläche des Zylinders hergestellten Folien können in verschiedenen Anwendungen als planare oder spiralförmig aufgewickelte Folien weiterverwendet werden. Im Falle der zu Rollen aufgewickelten Folien kann die bei der Herstellung vorhandene Wölbung zur Realisierung spannungsarm verbauter Folien ausgenutzt werden, was insbesondere bei spröden Materialen mit geringer Elastizität bedeutsam sein kann. Bandförmige Oberflächen von Hilfssubstraten können ebene bzw. planare Abschnitte aufweisen, auf denen vorteilhaft planare Folien hergestellt werden können. Bei Bedarf können auch konvexe oder konkave Bandabschnitte zur Unterstützung der gewünschten hochwertigen Schichteigenschaften realisiert sein. Die Oberflächen des zylindermantelförmigen oder bandförmigen Hilfssubstrates haben in Querschnittflächen durch eine Drehachse des Hilfssubstrates gerade und zur Drehachse parallele Oberflächenkonturen. In anderen Ausführungsbeispielen haben die Hilfssubstrate gewölbte Oberflächen.The auxiliary substrate can have a cylindrical jacket-shaped or a band-shaped surface. A revolving cylinder with its geometrically simple shape is a particularly simply constructed and accordingly reliable and low-maintenance system component. The films produced on the outer surface of the cylinder can be used in various applications as planar or spirally wound films. In the case of the foils wound into rolls, the curvature present in the manufacture can be used to produce low-stress foils, which can be particularly important in the case of brittle materials with low elasticity. Band-shaped surfaces of auxiliary substrates can have flat or planar sections on which planar foils can advantageously be produced. If necessary, convex or concave band sections can also be implemented to support the desired high-quality layer properties. The cross-sectional areas of the surfaces of the cylindrical jacket-shaped or band-shaped auxiliary substrate have straight surface contours through an axis of rotation of the auxiliary substrate and parallel to the axis of rotation. In other embodiments, the auxiliary substrates have curved surfaces.
Die Oberfläche des Hilfssubstrates kann aus einem Material ausgebildet sein, an dem das Beschichtungsmaterial während der Beschichtung durch Adhäsionskräfte haftet, wobei die Adhäsionskräfte kleiner als Materialbelastbarkeiten der Folie beim Ablösen sind. Bei dieser Option kommt als Oberflächenmaterial des Hilfssubstrates ein Material zum Einsatz, zwischen dem und dem Folienmaterial zwar eine Haftung auf Basis von Adhäsion besteht, welche ein Ablösen der Folie während der Abscheidung verhindert, die aber hinreichend klein ist, um die Folie nach der Abscheidung einfach ablösen zu können, ohne die Folie durch über Materialbelastbarkeitsgrenzen hinausgehende Belastungen zu schädigen. Optionen mit anderen kleinen Haftkräften beim Ablösen sind ebenso möglich. Es genügt, wenn die kleinen Haftkräfte unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise bei erhöhten oder durch Kühlung reduzierten Temperaturen vorliegen, wenn diese Bedingungen zum Ablösen hergestellt werden können. Die Oberfläche des Hilfssubstrates und ein Beschichtungsstrom können alternativ auch entgegengesetzt elektrostatisch aufladbar sein, um das Beschichtungsmaterial während der Beschichtung durch elektrostatische Kräfte halten und durch ein elektrostatisches Umladen ein Ablösen der Folie bewirken zu können. In diesem Fall wird die erforderliche Haftung des Folienmaterials an dem Hilfssubstrat durch elektrostatische Kräfte erreicht.The surface of the auxiliary substrate can be formed from a material to which the coating material adheres during the coating by means of adhesive forces, the adhesive forces being smaller than the material load capacities of the film when detached. With this option, a material is used as the surface material of the auxiliary substrate, between which and the film material there is adhesion based adhesion, which prevents the film from detaching during the deposition, but which is sufficiently small to make the film simple after the deposition to be able to peel off without damaging the film due to loads going beyond material load limits. Options with other small adhesive forces when peeling are also possible. It is sufficient if the small adhesive forces are present under certain conditions, for example at elevated or reduced temperatures by cooling, if these conditions can be produced for detachment. The surface of the auxiliary substrate and a coating current can alternatively also be electrostatically chargeable in order to hold the coating material during the coating by electrostatic forces and to be able to bring about a detachment of the film by electrostatic reloading. In this case, the required adhesion of the film material to the auxiliary substrate is achieved by electrostatic forces.
Die erfindungsgemäße Anlage kann wenigstens eine Haftschicht-Beschichtungsquelle aufweisen, wobei mit der Haftschicht-Beschichtungsquelle eine Haftschicht herstellbar ist. Die erfindungsgemäße Anlage kann mehrere Beschichtungsquellen aufweisen, welche auch zur Abscheidung unterschiedlicher Materialien ausgebildet sein können. Folglich kann die Anlage neben Beschichtungsquellen zur Abscheidung des überwiegenden Folienmaterials auch eine oder mehrere Haftschicht-Beschichtungsquellen zur Abscheidung einer Haftschicht mit geeigneten Hafteigenschaften aufweisen. Die Haftschicht kann eine Schicht sein, die später als eine Teilschicht der hergestellten Folie weiterverwendet wird. Beispielsweise kann die Haftschicht eine Metallschicht sein, die gemeinsam mit einer darauf abgeschiedene Lage einer aktiven Anodenschicht in einer Anodenfolie oder mit einer Kathodenteilschicht in einer Kathodenfolie später Verwendung in einem Akkumulator findet. Die Haftschicht kann auch eine thermisch schmelzbare, eine sublimierbare Schicht, eine durch thermische Ausdehnung ablösbare Schicht oder eine von einem Lösungsmittel oder einem Ätzmittel entfernbare Schicht sein. Die Haftschicht kann also eine temporäre Schicht sein, die später wieder entfernt wird, beispielsweise eine organische Schicht, die später sublimiert wird, oder eine Salzschicht, die später in einem Lösungsmittel aufgelöst wird.The system according to the invention can have at least one adhesive layer coating source, an adhesive layer being able to be produced with the adhesive layer coating source. The system according to the invention can have several coating sources, which can also be designed to deposit different materials. Consequently, in addition to coating sources for the deposition of the predominant film material, the system can also have one or more adhesive layer coating sources for the deposition of an adhesive layer with suitable adhesive properties. The adhesive layer can be a layer that later becomes a sub-layer of the manufactured film is used. For example, the adhesive layer can be a metal layer which, together with a layer of an active anode layer deposited thereon in an anode foil or with a partial cathode layer in a cathode foil, is later used in an accumulator. The adhesive layer can also be a thermally fusible, a sublimable layer, a layer which can be removed by thermal expansion or a layer which can be removed from a solvent or an etchant. The adhesive layer can therefore be a temporary layer that is later removed, for example an organic layer that is sublimed later, or a salt layer that is later dissolved in a solvent.
Die erfindungsgemäße Anlage kann eine Abschäleinrichtung zum Abschälen der Folie von dem Hilfssubstrat aufweisen, wobei die Abschäleinrichtung eine mechanisch wirkende Klinge, ein Flüssigkeitsstahl oder ein Gasstrahl ist. Die Anlage kann also ein Werkzeug aufweisen, mit dem das Ablösen der Schicht von dem Hilfssubstrat durchgeführt oder unterstützt wird. Dieses Werkzeug bzw. die Abschälvorrichtung ist in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine mechanisch wirkende Klinge oder ein Gasschwall oder ein Flüssigkeitsschwall, der ähnlich wie eine mechanische Klinge wirkt. In anderen Ausführungsbeispielen kommen andere Werkzeuge zum Einsatz, die z.B. über thermische oder akustische Effekte eine Ablösung der Folie bewirken.The system according to the invention can have a peeling device for peeling off the film from the auxiliary substrate, the peeling device being a mechanically acting blade, a liquid steel or a gas jet. The system can therefore have a tool with which the detachment of the layer from the auxiliary substrate is carried out or supported. In various exemplary embodiments, this tool or the peeling device is a mechanically acting blade or a gas surge or a liquid surge, which acts similarly to a mechanical blade. In other exemplary embodiments, other tools are used, e.g. cause the film to detach via thermal or acoustic effects.
Die Anlage kann als eine kontinuierlich arbeitende Anlage ausgebildet sein, wobei während eines zyklischen Umlaufs des Hilfssubstrates die gesamte Schichtdicke der hergestellten Folie hergestellt wird und im nächsten Umlauf ein anderer Abschnitt der Folie hergestellt wird. Die Folie kann also auf einem Umfangsabschnitt des Hilfssubstrates hergestellt werden, wobei die hergestellte Folie kontinuierlich so von dem Hilfssubstrat abgelöst wird, dass ein Punkt auf der zu beschichtenden Oberfläche des Hilfssubstrates nach einem vollständigen zyklischen Umlauf bereits nicht mehr die zuvor abgeschiedene Folie trägt, sondern wieder unbeschichtet für die erneute Beschichtung mit dem Folienmaterial zur Verfügung steht. Bei einem zyklischen Hilfssubstrat liegt der Punkt auf einer zu der Drehachse des Zylinders achsparallelen Linie. Bei einem kegelstumpfförmigen Hilfssubstrat liegt der Punkt auf einer zur Drehachse geneigten Linie.The system can be designed as a continuously operating system, the entire layer thickness of the film produced being produced during a cyclic circulation of the auxiliary substrate and a different section of the film being produced in the next circulation. The film can therefore be produced on a peripheral section of the auxiliary substrate, the film produced being continuously detached from the auxiliary substrate in such a way that a point on the surface of the auxiliary substrate to be coated no longer bears the previously deposited film after a complete cyclic circulation, but again uncoated for re-coating with the film material is available. In the case of a cyclic auxiliary substrate, the point lies on a line parallel to the axis of rotation of the cylinder. In the case of a truncated cone-shaped auxiliary substrate, the point lies on a line inclined to the axis of rotation.
Die Anlage kann als eine diskontinuierlich arbeitende Anlage ausgebildet sein, wobei in einem Abscheideschritt die Folie in mehr als einem zyklischen Umlauf abgeschieden und in einem Entfernungsschritt die abgeschiedene Folie als Schlauch oder als aufgeschnittener Schlauch entfernt wird. Die Schicht kann also auch in mehreren Umläufen des Hilfssubstrates hergestellt werden, wobei in diesem Fall auf dem Hilfssubstrat nicht ein Anfang und ein Ende eines Abscheidebereiches existieren, die einen kontinuierlichen Betrieb ermöglichen, stattdessen wird z.B. durch eine vollumfängliche Beschichtung des Hilfssubstrates eine schlauchförmige Folie ohne Anfang und ohne Ende entlang einer Umfangslinie hergestellt. Der beschichtete Umfang des Hilfssubstrates kann ein Außenumfang oder ein Innenumfang sein. Das Hilfssubstrat für einen diskontinuierlichen Betrieb kann auch unrunde Formen haben, beispielsweise kann es eine ebene runde, um ihren Mittelpunkt rotierbare Platte sein. Im diskontinuierlichen Betrieb können die vorhandenen Beschichtungsquellen mehrfach zur Herstellung der Schicht verwendet werden, was besonders dann von Bedeutung ist, wenn die Beschichtungsquelle bei einer einmaligen Verwendung nur wenig Material abscheidet. Beispielsweise wird in Gasduschen zur Atomlagenabscheidung (ALD) teilweise nur eine einzige Atomlage der Schicht pro Beschichtung hergestellt. Durch das zyklische Wiederholen von Atomlagenabscheidungen können hochwertige Folien aus ALD-Schichten auch mit großen Schichtdicken hergestellt werden, die beispielsweise einige Tausend oder einige Millionen Atomlagen aufweisen. Z.B. auf einem schnell rotierenden Zylinder können solche Schichten schnell und wirtschaftlich hergestellt werden. Hergestellte Folien werden oft nicht in der zunächst hergestellten Schlauchform benötigt, sondern beispielsweise als ebene Folienabschnitte. In diesen Fällen kann der Folienschlauch aufgetrennt, beispielsweise aufgeschnitten oder aufgebrochen werden, um die geforderten Folienabschnitte aus dem Folienschlauch herzustellen. Durch lagenweises Abscheiden und zwischengeschobenes Verdichten der einzelnen Lagen können sehr hochwertige Folienmaterialen hergestellt werden.The system can be designed as a discontinuously operating system, the film being separated in more than one cyclical cycle in a separation step and the separated film being removed as a tube or as a cut tube in a removal step. The layer can thus also be produced in several revolutions of the auxiliary substrate, in which case there is no beginning and end of a deposition area on the auxiliary substrate, which enable continuous operation, instead, e.g. a full-length coating of the auxiliary substrate produces a tubular film with no beginning and no end along a circumferential line. The coated periphery of the auxiliary substrate can be an outer periphery or an inner periphery. The auxiliary substrate for discontinuous operation can also have non-round shapes, for example it can be a flat, round plate which can be rotated around its center. In discontinuous operation, the existing coating sources can be used several times to produce the layer, which is particularly important if the coating source deposits only a small amount of material in a single use. For example, gas showers for atomic layer deposition (ALD) sometimes only produce one single atomic layer of the layer per coating. The cyclical repetition of atomic layer depositions enables high-quality foils to be produced from ALD layers even with large layer thicknesses, for example having a few thousand or several million atomic layers. E.g. Such layers can be produced quickly and economically on a rapidly rotating cylinder. Manufactured films are often not required in the tube form initially produced, but rather, for example, as flat film sections. In these cases, the film tube can be cut open, for example cut open or broken, in order to produce the required film sections from the film tube. Very high-quality film materials can be produced by layer-by-layer separation and intermediate compression of the individual layers.
Die erfindungsgemäße Anlage kann neben den Folien-Beschichtungsquellen auch andere die Schicht beeinflussende Werkzeuge aufweisen, beispielsweise lonenstrahlquellen zum Verdichten von Schichtlagen oder Ätzwerkzeuge zum Erzeugen einer gewünschten Aufrauhung (Textur) in der Schicht bzw. in einer Teil-Schicht der Folie.In addition to the film coating sources, the system according to the invention can also have other tools influencing the layer, for example ion beam sources for compacting layer layers or etching tools for producing a desired roughening (texture) in the layer or in a partial layer of the film.
Die Anlage kann mehrere gleiche Folien-Beschichtungsquellen aufweisen, wobei die gleichen Folien-Beschichtungsquellen zur sukzessiven Herstellung der Folie aus mehreren Streifen und/oder Lagen desselben Folienmaterials einsetzbar sind. Wenn mehrere gleiche, sich über die Breite des Hilfssubstrats erstreckende Beschichtungsquellen eingesetzt werden, dann ist die Anzahl der Beschichtungsquellen ein Multiplikationsfaktor für die erreichbare Schichtdicke. Bei gegebener Größe von Beschichtungsquellen werden für eine Anordnung mehrerer Beschichtungsquellen hintereinander entsprechend große Hilfssubstrate benötigt, die beispielsweise in Form von Zylindern mit entsprechend großen Durchmessern oder als entsprechend lange Bänder bereitgestellt werden können. Es können Folien hergestellt werden, die in ihrem Querschnitt durch die Folien-Dicke aus unterschiedlichen Material-Lagen zusammen gesetzt sind. Es können aber auch Folien hergestellt werden, die lateral verschiedene Materialstreifen aufweisen. Beispiele können Metallschichten so in Isolatorschichten eingebettet sein, dass die Metallschichten an den lateralen Rändern der Folie elektrisch isoliert sind. Je nach benötigten Schichtdicken können für die einzelnen herzustellenden Schichten bzw. Teilschichten mehrere gleiche Folien-Beschichtungsquellen vorhanden sein. Die Anlage kann unterschiedliche Folien-Beschichtungsquellen aufweisen, um eine aus unterschiedlichen Materialien bestehende innere Struktur der Folie herzustellen. Die Kombination unterschiedlicher Schichtbestandteile kann aus ganz verschiedenen Gründen vorteilhaft sein. Beispielsweise können abwechselnde Lagen unterschiedlicher dichter Schichten zur Realisierung insgesamt sehr dichter Folien genutzt werden, in denen Diffusionspfade durch die Folie jeweils an den Grenzflächen zwischen zwei Lagen unterbrochen sind. Von den aktiven Elektroden in elektrochemischen Zellen an denen elektrochemische Reaktionen an Oberflächen ablaufen, werden große aktive Elektrodenoberflächen in dem vorhandenen Bauraum gefordert. Die benötigten großen Oberflächen können durch Mehrlagenabscheidungen realisiert werden, wobei zumindest einige der Lagen als poröse Lagen beispielsweise mit einer schwammartigen oder einer grasartigen inneren Struktur abgeschieden werden. Andere weniger poröse Lagen können zur Erreichung der erforderlichen mechanischen Stabilität der gesamten Folie vorgesehen sein.The system can have several identical film coating sources, it being possible to use the same film coating sources for the successive production of the film from several strips and / or layers of the same film material. If several identical coating sources are used, which extend over the width of the auxiliary substrate, then the number of coating sources is a multiplication factor for the achievable layer thickness. Given the size of coating sources, correspondingly large auxiliary substrates, for example in the form of cylinders with correspondingly large ones, are required for an arrangement of a plurality of coating sources in succession Diameters or as long tapes can be provided. Films can be produced which are composed of different material layers in their cross section through the film thickness. However, films can also be produced which laterally have different material strips. For example, metal layers can be embedded in insulator layers in such a way that the metal layers on the lateral edges of the film are electrically insulated. Depending on the required layer thicknesses, several identical film coating sources can be present for the individual layers or partial layers to be produced. The system can have different film coating sources in order to produce an internal structure of the film consisting of different materials. The combination of different layer components can be advantageous for very different reasons. For example, alternating layers of different dense layers can be used to produce very dense foils, in which diffusion paths through the foil are interrupted at the interfaces between two layers. The active electrodes in electrochemical cells, on which electrochemical reactions take place on surfaces, require large active electrode surfaces in the available installation space. The large surfaces required can be achieved by multi-layer deposition, at least some of the layers being deposited as porous layers, for example with a sponge-like or a grass-like inner structure. Other less porous layers can be provided to achieve the required mechanical stability of the entire film.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einem Verfahren zur Herstellung einer Folie gelöst, bei dem durch physikalisches oder chemisches Abscheiden von die Folie ausbildendem Material auf einem Hilfssubstrat die Folie hergestellt wird, und nach der Abscheidung die Folie von dem Hilfssubstrat abgelöst wird, wobei das Verfahren in einer erfindungsgemäßen Anlage durchgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage sind technisch eng miteinander gekoppelt. Optionen der erfindungsgemäßen Anlage haben unmittelbare Entsprechungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird für verschiedene Optionen des Verfahrens auf die obigen Beschreibungen der entsprechenden Optionen der Anlage verwiesen.The object of the invention is also achieved by a method for producing a film, in which the film is produced by physical or chemical deposition of material forming the film on an auxiliary substrate, and after the deposition the film is detached from the auxiliary substrate, the method is carried out in a plant according to the invention. The method according to the invention and the system according to the invention are technically closely linked. Options of the system according to the invention have direct correspondences to the method according to the invention. To avoid repetitions, reference is made to the above descriptions of the corresponding options of the system for various options of the method.
Verschiedene vorgestellte optionale Merkmale können im Ermessen eines Fachmanns auf dem Gebiet der Erfindung ausgestaltet und miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorgestellten Erfindung zu verlassen. Zufällig nacheinander vorgestellte Merkmale dürfen nicht als zwingende Merkmalskombination missverstanden werden.Various optional features presented can be designed and combined with one another in the art at the skill of the art without departing from the scope of the presented invention. Features that are presented in a random sequence must not be misunderstood as a mandatory combination of features.
Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Figur weiter erläutert werden, wobei
-
1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung einer Folie zeigt.
-
1 schematically shows an embodiment of a plant for producing a film according to the invention.
Figur
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Anlage zur Herstellung einer FoliePlant for the production of a film
- 22nd
- Foliefoil
- 33rd
- Folien-BeschichtungsquelleFoil coating source
- 44th
- HilfssubstratAuxiliary substrate
- 55
- AbschäleinrichtungPeeling device
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 3927132 A1 [0003]DE 3927132 A1 [0003]
- EP 1665324 B1 [0020]EP 1665324 B1 [0020]
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-
2018
- 2018-11-07 DE DE102018127716.4A patent/DE102018127716A1/en not_active Withdrawn
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