EP2906357B1

EP2906357B1 - Sprühdüseneinrichtung und verfahren zum beschichten

Info

Publication number: EP2906357B1
Application number: EP13807969.4A
Authority: EP
Inventors: Felix MASSA
Original assignee: EV Group E Thallner GmbH
Current assignee: EV Group E Thallner GmbH
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: DE102012113124A1; CN104884176A; KR102225076B1; EP2906357A1; CN104884176B; US20150314308A1; JP2016507365A; US9878334B2; WO2014102063A1; KR20150099728A; JP6548580B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage, eine Sprühdüse und ein Verfahren zum homogenen Sprühbelacken großflächiger Substrate.
In der Halbleiterindustrie werden unterschiedliche Beschichtungsverfahren verwendet. Darunter sind vor allem die Schleuderbeschichtung und die Sprühbeschichtung hervorzuheben.
Bei der Schleuderbeschichtung wird eine aufzutragende Substanz auf einem Substrat in flüssiger Form abgeschieden. Danach wird das Substrat in Rotation versetzt. Die Rotation erzeugt eine Kraftwirkung auf die Flüssigkeit und verteilt diese über die gesamte Oberfläche des Substrats. Durch eine gezielte Wahl der Beschichtungsparameter, vorwiegend Rotationsgeschwindigkeit und Rotationsbeschleunigung des Trägersubstrats, können Schichtdicken von einigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern, in Extremfällen sogar einigen Millimetern erzeugt werden. Die Schleuderbeschichtung wird vorwiegend zur Beschichtung ebener Flächen mit einem Photolack oder Kleber, der in der Halbleiterindustrie zum Verkleben mehrerer Substrate Verwendung finden, eingesetzt. Der Vorteil liegt in der sehr präzisen, schnellen, effizienten und kostengünstigen Auftragung des Materials. Der Nachteil der Schleuderbeschichtung zeigt sich allerdings bei strukturierten oder sehr großen Substraten. Strukturierte Substrate führen zu einer relativ inhomogenen Dicke der aufzutragenden Schicht, vor allem dann, wenn die Zielschichtdicke kleiner ist als die höchsten Topographien auf dem Substrat. Dabei kann es vorkommen, dass, auf Grund des sich von Innen- nach Außen verteilenden Materials, nur die zum Zentrum orientierten Seitenwände der Topographien mit dem Material beschichtet werden, wohingegen sich auf den, dem Zentrum abgewandten Seiten, Blasen oder Fehlstellen im Material bilden. Ein weiterer Nachteil der Schleuderbeschichtung besteht vor allem in der maximalen Größe und der Einschränkung bezüglich der geometrischen Form der zu beschichtenden Substrate. Genormte Substrate, vorwiegend Wafer, in den meisten Fällen Siliziumwafer, besitzen eine kreisrunde, also radialsymmetrische Symmetrie, und einen standardisierten Durchmesser. Wurden in der Vergangenheit Substrate mit Durchmessern von zwei bis zwölf Zoll verwendet, werden in Zukunft wohl Substrate mit Durchmessern von bis zu achtzehn Zoll in der Halbleiterindustrie Verwendung finden. Allerdings gibt es sehr viele Industriezweige, die darauf angewiesen sind, rechteckige Substrate zu beschichten, die um ein vielfaches größer sind als die genannten, radialsymmetrischen Substrate. Beispielsweise müssen für Anwendungen in der Solarindustrie Substrate, sogenannte Panels, beschichtet werden, die weder rund sind geschweige denn in eine Beschichtungsanlage zur Schleuderbeschichtung passen würden. Bei den Panels handelt es sich um rechteckige Substrate, deren Länge und/oder Breite nicht selten größer als zwei Meter ist/sind. Deren Dicke liegt im Millimeter bis Zentimeterbereich. Ähnliche Probleme ergeben sich für alle Arten von Substraten, meistens Glassubstrate, die für Fenster, Displays, Windschutzscheiben etc. Verwendung finden.
Eine Möglichkeit für die Beschichtung solcher Panels bietet die Sprühbeschichtung. Mit einer entsprechend ausgelegten Anlage zur Sprühbeschichtung können die Panels, mit Vorzug sogar in einem Fließbandprozess, vollflächig mit einem beliebigen Material beschichtet werden. Das entscheidende Kriterium für eine optimale Beschichtung ist dabei vor allem die Homogenität der Schichtdicke. Das Panel muss über die gesamte, für die Verwendung von Sprühbeschichtungsanlagen nicht gerade kleine, Fläche mit einem Material beschichtet werden. Die Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht muss dabei nicht selten im Mikro- oder sogar Nanometerbereich liegen. Die Industrie hat für entsprechende Fälle bereits unterschiedliche Lösungen gefunden. So können mehrere Düsen entlang der gesamten Breite einer entsprechenden Sprühbeschichtungsanlage verteilt sein, die jeweils immer nur einen kleinen, direkt unter ihnen liegenden Streifen der Panels beschichten. Dabei tritt das Problem auf, dass die fein zerstäubten Partikel sich an den "Nahtstellen", an denen sich die Beschichtungsbereiche der Düsen überschneiden, agglomerieren und dementsprechend nicht mehr von einer homogenen Schichtdicke der Schicht gesprochen werden kann. Eine weitere, bereits umgesetzte Möglichkeit besteht darin, nur eine oder mehrere Düse zu verwenden, die sich aber entlang der gesamten Breite der Beschichtungsanlage über das zu beschichtende Panel, entlang einer Schiene, hin und her bewegt. Diese Variante erzeugt definitiv eine Schicht mit homogenerer Schichtdicke als im ersten genannten Fall ist aber verhältnismäßig langsam und nicht geeignet für hohen Durchsatz. Die Lagereinheiten, die Schiene, sowie der Schlitten, auf dem die Düse befestigt wird, sind entsprechend beweglich und damit anfällig für Abnutzung und hohe Ausfallswahrscheinlichkeiten. Durch die Bewegung der Düse entstehen entsprechende Vibrationen und/oder Turbulenzen, welche die Homogenität der Schicht massiv beeinflussen.
Die US2010/0078496 zeigt eine Sprühdüseneinrichtung, in der ein Sprühnebel einer entsprechenden Sprühbeschichtungsanlage umgelenkt wird.
WO 94/01222 offenbart alle Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 und US 5645884 offenbart alle Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 10.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sprühdüseneinrichtung sowie eine korrespondierende Anlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Sprühdüseneinrichtung anzugeben, mit welchen eine homogenere Beschichtung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen. In den angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren um eine große Fläche, insbesondere Panels, vorzugsweise Solarpanels, mit einer erfindungsgemäßen Sprühdüseneinrichtung optimal zu beschichten. Beabsichtigt ist vor allem die Erzeugung einer Schicht mit extrem homogener Schichtdicke über eine für Beschichtungsanlagen relativ große Fläche eines Substrats, insbesondere mit einer Länge und/oder Breite größer als halben, vorzugsweise ein bis zwei Meter. Die Dicke der Substrate normal zur zu beschichtenden Fläche liegt insbesondere im Millimeter bis Zentimeterbereich.
Der Erfindung liegt dabei die Idee zu Grunde, mehrere auf einen Sprühstrahl der Sprühdüse ausgerichtete oder ausrichtbare Steuerungsdüsen zu verwenden, die einen Sprühnebel bzw. ein Aerosol, also ein Gemisch aus Flüssigkeitsteilchen und/oder Festteilchen in einem Gas, möglichst optimal entlang einer Linie, beziehungsweise streifenförmigen Fläche, einem Rechteck, mittels einer speziellen Wirbeltechnik sogar über eine kreisförmige Fläche, aber allgemein entlang einer beliebigen Fläche, verteilen beziehungsweise gezielt umlenken. Das zu beschichtende Substrat wird während der Ansteuerung des Sprühnebels durch die Steuerungsdüsen entlang einer zur Sprührichtung Normalen beziehungsweise quer zur Sprührichtung oder quer zur Ausrichtung der Sprühdüse translatorisch in Richtung R bewegt, also unter dem Sprühnebel durchgezogen.
Erfindungsgemäß wird eine zumindest in einer Richtung quer zur Relativbewegung zwischen dem zu beschichteten Substrat und der Sprühdüse bezogen auf die erfindungsgemäße Anlage statische, insbesondere nicht rotierbare, Sprühdüse verwendet. Dadurch wird die Konstruktion der Anlage billiger, die Anlage ist leichter zu warten und auch die Wartungsintervalle werden größer.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sprühdüseneinrichtung eine Steuerungseinrichtung mit, separat gesteuerten Steuersignalen für die Steuerung der aus den Steuerdüsen austretenden, insbesondere gasförmigen, Steuerungsströme aufweist. Erfindungsgemäß kann die Steuerungseinrichtung weitere Aufgaben, insbesondere die Steuerung der Sprühdüse, übernehmen. Weiterhin ist es erfindungsgemäß denkbar, dass die Steuerung der Steuerdüsen und/oder der Sprühdüse abhängig von einer Geschwindigkeit der Relativbewegung des Substrats gegenüber der Sprühdüse erfolgt. Weiterhin ist es erfindungsgemäß denkbar, dass Sensoren mit der Steuerungseinrichtung gekoppelt sind, insbesondere Füllstandssensoren für ein Reservoir mit Beschichtungsmaterial und/oder ein Reservoir mit einem für die Beaufschlagung der Steuerungsströme gefüllten Gas. Somit können die für die Beschichtung wesentlichen Bauteile und Ströme, insbesondere in Abhängigkeit zueinander, gesteuert werden, wodurch eine homogenere Beschichtung des Substrats ermöglicht wird. Die Sprüh- und oder Steuerdüsen werden mit Spannungen im Bereich 0-1000V, mit Vorzug 0-500V, mit größerem Vorzug 0-250V, mit größtem Vorzug 0-200V, mit allergrößtem Vorzug 0-100V, am bevorzugtesten mit 0-10V betrieben.
Der Gasstrom der Sprüh- und/oder Steuerdüse liegt zwischen 0-1000 l/min, mit Vorzug zwischen 0-500 l/min, mit größerem Vorzug zwischen 0-250 l/min, mit größtem Vorzug zwischen 0-200 l/min. Als Steuergas für die Steuerdüsen können generell alle Arten von Gasen und/oder Gasgemischen verwendet werden. Mit Vorzug handelt es sich allerdings um eines der folgenden Gase und/oder Gasgemische...

Stickstoff
Saubere, trockene Luft (engl.: clean dry air, CDA)
Kohlendioxid
Argon
Helium
Sauerstoff
Ein Inertgas
Ein Gasgemisch aus Inertgasen

Der Gasdruck der Sprüh- und/oder Steuerdüsen liegt zwischen >0-100 bar, mit Vorzug zwischen >0-50 bar, mit größtem Vorzug zwischen >0-25bar, mit größtem Vorzug zwischen >0-10 bar, mit allergrößtem Vorzug zwischen >0-5 bar.
Soweit die Steuersignale als, insbesondere eine Phasenverschiebung, aufweisende Funktion definiert ausgebildet sind, erfolgt ein definierter, vorzugsweise weicherer Übergang zwischen der Beaufschlagung des Sprühstrahls mit dem jeweiligen Steuerungsstrom. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Phasenverschiebung zumindest überwiegend, noch bevorzugter vollständig, mit destruktiver Interferenz erfolgt. Somit ist die Summe der Steuersignale konstant, so dass noch ein besseres und gleichmäßigeres Beschichtungsergebnis erzielbar ist.
Die Form/Funktion der Steuersignale ist vorzugsweise eine der folgenden, insbesondere mathematischen, Funktionen:

empirisch ermittelte und gespeicherte Funktion,
theoretisch definierte Funktion,
Sinusfunktion
Sägezahnfunktion
Rechteckfunktion
Diracsche Deltafunktion ("unendlich" schmales Rechtecksignal)
Exponentialfunktion
Polynomialfunktion
Logarithmusfunktion

Unter einer "allgemeinen, theoretisch erdachten Funktion" versteht man jede der Mathematik bekannt Funktion, welche allerdings durch physikalische- und/oder chemische- und/oder verfahrenstechnische- und/oder mathematische Überlegungen sinnvoll und/oder notwendig erscheint, das erfindungsgemäße Verfahren optimal durchführen zu können. Auch eine Überlagerung mehrerer Funktionen ist erfindungsgemäß denkbar.
Bei allen Steuersignalen, insbesondere aber bei der empirisch ermittelten und gespeicherten" Funktion und der "allgemeinen, theoretisch erdachten Funktion" ist es das Ziel möglichst viele Störeinflüssen die zu einer ungleichmäßigen Beschichtung führen durch die Signalform auszugleichen. Mögliche Ursachen für eine ungleichmäßige Beschichtung können u.a. sein:

Fertigungstoleranzen unterschiedlicher Bauelemente der Sprüheinrichtung
Substrateigenschaften
Eigenschaften der Sprühdüse
Physikalische Effekte (die Ablenkung des Sprühstrahls in nicht linear zum Signalfunktion)
Eigenschaften des Sprühmaterials (z.B. Tröpfchengröße, Viskosität, etc...)

Die Frequenz der erfindungsgemäßen Steuerungssignale liegt zwischen >0 und 500 Hz, mit Vorzug zwischen >0 und 400 Hz, mit größerem Vorzug zwischen >0 und 300 Hz, mit größtem Vorzug zwischen >0 und 200 Hz, mit allergrößtem Vorzug zwischen >0 und 100 Hz, am bevorzugtesten zwischen >0 und 50 Hz.
Das verwendete Belackungsmittel kann flüssig und/oder gasförmig sein. Bevorzugt handelt es sich um eine Flüssigkeit, die durch entsprechende Zerstäuber, mit Vorzug Ultraschallzerstäuber, in der Sprühdüse zerstäubt werden. Dem Belackungsmittel können beliebige Additive in gasförmiger und/oder flüssiger Form hinzugegeben werden.
Die Leistung des Ultraschallzerstäubers liegt erfindungsgemäß zwischen >0 und 100 Watt, mit Vorzug zwischen >0 und 50 Watt, mit größerem Vorzug zwischen >0 und 25 Watt, mit größtem Vorzug zwischen >0 und 10 Watt, mit allergrößtem Vorzug zwischen >0 und 5 Watt.
Mit Vorzug handelt es sich bei dem Belackungsmittel um einen Lack. Die Abscheiderate des Belackungsmittels liegt erfindungsgemäß zwischen 1 und 1000 µl/s, mit Vorzug zwischen 1 und 800 µl/s, mit größerem Vorzug zwischen 1 und 600 µml/s, mit größtem Vorzug zwischen 1 und 500 µl/s. Auf besonders vorteilhafte Art und Weise ist die Ansteuerung der Steuerdüsen umsetzbar, indem durch die Steuersignale schaltbare mechanische und/oder fluiddynamische Bauteile zur Beeinflussung der Strömungseigenschaften der Steuerungsströme vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Sprühdüse wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform verbessert, bei der die Sprühdüse zumindest in einer Richtung quer zur Relativbewegung zwischen dem zu beschichtenden Substrat und der Sprühdüse bezogen auf die erfindungsgemäße Anlage statisch, insbesondere nicht rotierbar, ausgebildet ist. Insbesondere weist die Sprühdüseneinrichtung Fixiermittel auf, mit welchen die Sprühdüseneinrichtung fixierbar ist. Insbesondere während der Beschichtung weist die Sprühdüse in einer Richtung quer zur Relativbewegung des Substrats gegenüber der Sprühdüse keine Freiheitsgrade auf. Somit kann erfindungsgemäß auf Antriebsmittel oder Antriebskopplungsmittel an der Sprühdüseneinrichtung verzichtet werden.
Die Sprühdüse wird weitergebildet, indem diese einen Ultraschallzerstäuber und/oder eine Venturidüse umfasst.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerungsströme in einem Winkel W von 30° bis 170°, insbesondere von 45° bis 160°, vorzugsweise von 90° bis 120° zur Sprüheinrichtung S auf den Sprühstrahl ausgerichtet sind. Bevorzugt lässt sich der Winkel der Ausrichtung in den vorgenannten Grenzen einstellen, vorzugsweise gesteuert über die Steuerungseinrichtung.
Der Öffnungswinkel α der Steuer- und/oder der Öffnungswinkel β der Sprühdüse ist erfindungsgemäß insbesondere kleiner als 160°, mit Vorzug kleiner als 120°, mit größerem Vorzug kleiner als 80°, mit größtem Vorzug kleiner als 40°, mit allergrößtem Vorzug kleiner als 5°. Die Öffnungswinkel α und β können voneinander unterschiedlich oder gleich sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist jeder Öffnungswinkel einer jeden Steuerdüse einzeln und unabhängig von den Öffnungswinkeln aller anderen Steuerdüsen einstellbar, insbesondere durch die Steuerungseinrichtung.
Der Abstand H der Sprüh- und/oder Steuerungsdüsen über dem zu beschichtenden Substrat liegt erfindungsgemäß zwischen >0 und 100cm, mit Vorzug zwischen >0 und 80cm, mit größerem Vorzug zwischen >0 und 60cm, mit größtem Vorzug zwischen >0 und 50cm, mit allergrößtem Vorzug zwischen >0 und 40cm.
Die mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform erzeugten Schichtdicken liegen zwischen 1 nm und 1 mm, mit Vorzug zwischen 10 nm und 100 µm, mit größerem Vorzug zwischen 50 nm und 50 µm, mit größtem Vorzug zwischen 75 nm und 250 nm, mit allergrößtem Vorzug um die 110 nm.
Die Gleichmäßigkeit (engl.: uniformity) liegt zwischen 1 % und 30%, mit Vorzug zwischen 1% und 25%, mit größerem Vorzug zwischen 1% und 20%, mit größtem Vorzug zwischen 1 % und 15%, mit allergrößtem Vorzug zwischen 1 % und 10%, am bevorzugtesten zwischen 1 % und 5%.
Als eigenständige Erfindung wird auch eine Anlage zur Beschichtung einer Oberfläche eines Substrats mit einer, insbesondere einzigen, vorbeschriebenen Sprühdüseneinrichtung offenbart, wobei die Anlage Mittel zur Ausführung einer Relativbewegung zwischen dem Substrat und der Sprühdüseneinrichtung quer zur Sprührichtung S aufweist. Bevorzugt wird das Substrat bewegt, während die Sprühdüseneinrichtung zumindest in einer Richtung quer zur Relativbewegung zwischen dem zu beschichtenden Substrat und der Sprühdüse, insbesondere vollständig, statisch in der Anlage fixiert ist.
Die erfindungsgemäße Anlage wird weitergebildet, indem die Relativbewegung durch translatorische Bewegung des Substrats in Richtung R erfolgt.
In einer besonderen, einen eigenständigen Erfindungsaspekt betreffenden Ausführungsform befinden sich mehrere Sensoren vor und/oder hinter der erfindungsgemäßen Sprühdüseneinrichtung. Die Sensoren sind mit Vorzug entlang einer Line, normal zur Bewegungsrichtung R des Substrats, angeordnet. Die Aufgabe der Sensoren besteht in der Messung physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften der Oberfläche und/oder der Schicht die vor- und/oder nach der erfindungsgemäßen Sprühdüseneinrichtung vorhanden ist.
Die Sensoren, welche die Flächenteile des Substrats abtasten bevor diese unter die erfindungsgemäße Sprühdüseneinrichtung gezogen werden, werden als vorgeschaltete Sensoren bezeichnet. Die Sensoren, welche die Flächenteile des Substrats abtasten, nachdem diese von der erfindungsgemäßen Sprühdüseneinrichtung beschichtet wurden, werden als nachgeschaltete Sensoren bezeichnet.
Die vorgeschalteten Sensoren ermitteln den Zustand der Oberfläche der Flächenteile vor der Belackung. Die ermittelten Werte können digital gespeichert werden, mit Vorzug mittels einer entsprechenden Software eines Steuercomputers. Die Erfassung der ermittelten physikalischen Größen erfolgt dabei mit Vorzug in Bezug auf ein gegenüber dem Substrat fixes Koordinatensystem.
Die nachgeschaltenen Sensoren ermitteln den Zustand der Oberfläche der Flächenteile nach der Belackung/Beschichtung. Die ermittelten Werte können dabei ebenfalls digital gespeichert werden.
In einer noch bevorzugteren Ausführungsform ermitteln die nachgeschaltenen Sensoren die Schicht, welche durch die erfindungsgemäße Sprühdüseneinrichtung hergestellt wurde, und passen die Steuersignale der erfindungsgemäße Sprühdüseneinrichtung solange an, bis die gewünschte Homogenität erreicht wurde. Dabei werden Optimierungsalgorithmen verwendet, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind. Bei der erwähnten Ausführungsform handelt es sich also um eine vollautomatische, in-situ Anpassung der Steuersignale der erfindungsgemäßen Sprühdüseneinrichtung.
Die vorgeschalteten und/oder nachgeschalteten Sensoren bilden daher, zumindest während des Kalibrierungsvorgangs, einen Regelkreis. Die Sensoren messen den Zustand der Schicht. Die daraus ermittelten Werte justieren die Steuersignale, welche wiederrum die Homogenität der Schicht beeinflussen. Der Regelkreis endet, sobald eine vom Benutzer vorgegebene Schwelle für die Homogenität erreicht ist.
Dem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass das hier offenbarte Verfahren der Kalibrierung für die Einstellung einer homogenen Schicht sich auch für die Einstellung einer beliebigen, vom Benutzer vorgegebenen Schichtstruktur verwenden lässt.
Bevorzugt ist die Sprühdüseneinrichtung so ausgebildet, dass der Sprühstrahl während einer Phase der Steuersignale die gesamte Beschichtungsbreite der Oberfläche des Substrats erfasst. Denkbar ist allerdings auch die Verwendung mehrerer erfindungsgemäßer Sprühdüseneinrichtung, die in Reihe und/oder in Serie, also hintereinander- und/oder nebeneinander, platziert werden.
Als eigenständige Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Beschichtung einer gegenüber einer Sprühdüseneinrichtung und quer zur Sprührichtung S angeordneten Oberfläche eines Substrats mittels eines ein Beschichtungsmaterial enthaltenden Sprühstrahls in einer Sprührichtung S offenbart, wobei der Sprühstrahl durch mindestens zwei quer zur Sprührichtung S auf den Sprühstrahl ausgerichtete Steuerungsströme umgelenkt wird.
Erfindungsgemäß können daher auch mehr als zwei Steuerdüsen verwendet werden, die dann mit Vorzug symmetrisch um die Sprührichtung S angeordnet sind.
In einer besonderen Ausführungsform ist es sogar denkbar, nur eine Steuerdüse zu verwenden, welche den Sprühstrahl aus seiner "Ruheposition" durch ein entsprechendes, erfindungsgemäßes Steuersignal nur in eine Richtung ablenkt. Wird das Steuersignal dann wieder zurückgenommen, geht der Sprühstrahl wieder in seine "Ruheposition" über.
In einer weiteren, besonderen Ausführungsform sind die Steuerdüsen so platziert, und werden durch erfindungsgemäße Funktionen so angesteuert, dass ein Spiralnebel (engl.: Vortexnebel) erzeugt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird weitergebildet, indem die Steuerungsströme durch Steuersignale einer Steuerungseinrichtung separat gesteuert werden.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Substrat während der Beschichtung der Oberfläche, insbesondere translatorisch in Richtung R, relativ zu dem Sprühstrahl bewegt.
Besonders vorteilhaft ist es gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Sprühstrahl alternierend in unterschiedliche, insbesondere an der Sprührichtung gespiegelte, Richtungen umgelenkt wird.
Soweit Merkmale zur Sprühdüseneinrichtung offenbart werden, sollen diese auch als für die Vorrichtung offenbart gelten und soweit verfahrensmäßige Merkmale der Sprühdüseneinrichtung oder der Vorrichtung offenbart werden, sollen diese auch als Merkmale für das erfindungsgemäße Verfahren offenbart gelten und jeweils umgekehrt.
Durch eine Ansteuerung der erfindungsgemäßen Steuerungsdüsen durch entsprechende Steuersignale, erfolgt eine homogenere Abscheidung des Materials an der Oberfläche des Substrats.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen jeweils in schematischer Ansicht:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Sprühdüseneinrichtung und
Figur 2 eine schematische Darstellung des Betriebs der Sprühdüseneinrichtung,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage von oben. und
Figur 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage in einer Seitenansicht.

In den Figuren sind Vorteile und Merkmale der Erfindung mit diese jeweils identifizierenden Bezugszeichen gemäß Ausführungsformen der Erfindung gekennzeichnet, wobei Bauteile beziehungsweise Merkmale mit gleicher oder gleichwirkender Funktion mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Die Sprühdüseneinrichtung 15 besteht aus einer Sprühdüse 1, mit einem Sprühdüsenausgang 2 und mindestens zwei Steuerdüsen 3 und 4, mit entsprechenden Steuerdüsenausgängen 5 und 6.
Die Sprühdüse 1 wird mit einem Beschichtungsmaterial versorgt welches zerstäubt wird. Die Zerstäubung erfolgt dabei vorzugsweise mit einem Ultraschallzerstäuber oder mittels einer Venturidüse innerhalb der Sprühdüse 1. Die Sprühdüse 1 erzeugt am Sprühdüsenausgang 2 einen in einer Sprührichtung S gerichteten Sprühstrahl 14, insbesondere als Sprühnebel, dessen Form durch einen entsprechend konstruierten Sprühdüsenausgang 2 voreingestellt werden kann.
Die Steuerdüsen 3, 4 erzeugen je eine an den Steuerdüsenausgängen 5 und 6 austretende gasförmige Steuerungsströmung 12, 13. Die Steuerungsströmungen 12, 13 sind auf den Sprühstrahl 14 ausgerichtet oder ausrichtbar.
Der Druck, die Zerstäubungsrate, die mittlere Geschwindigkeit, die Temperatur, die elektrische Aufladung des zerstäubten Beschichtungsmaterials und/oder der gasförmigen Steuerungsströmungen 12, 13 können durch eine Steuerungseinrichtung 11, insbesondere softwaregesteuert, eingestellt und verändert werden. Auch ist es erfindungsgemäß denkbar, die Ausrichtung der Steuerungsströmungen 12, 13 zu dem Sprühstrahl 14 einstellbar auszugestalten, insbesondere durch Mittel zum Kippen und/oder rotieren der Steuerdüsen 3, 4 relativ zu der Sprühdüse 1.
Ein erfindungsgemäßer Hauptgedanke besteht in der exakten zeitlichen Kontrolle der mittleren Geschwindigkeit und/oder des Drucks der Steuerungsströmungen 12, 13, die aus den Steuerdüsen 3,4 über die Steuerdüsenausgänge 5,6 austreten. Steuersignale 9, 10 einer Steuerungseinrichtung der Sprühdüseneinrichtung 15 schalten dabei entsprechende mechanische und/oder fluiddynamische Bauteile im Inneren der Steuerdüsen 3, 4. Bei den mechanischen und/oder fluiddynamischen, nicht näher gezeigten Bauteilen kann es sich vorzugsweise um Regelventile, mit Vorzug Proportionalventile, Schalter, Zerstäuber und/oder Drosseln handeln. Allen gemeinsam ist eine zeitlich rasch variierbare beziehungsweise steuerbare physikalische Eigenschaft, welche eine direkte Auswirkung auf die mittlere Geschwindigkeit und/oder den Druck der Steuerströmungen 12, 13 und damit eine Auswirkung auf die Ansteuerung beziehungsweise Umlenkung des zerstäubten Beschichtungsgases 14 hat.
Erfindungsgemäß werden vor allem sehr komplizierte, empirisch und/oder theoretisch ermittelte bzw. berechnete Funktionen, weniger bevorzugt Sinussignale und/oder Dreieckssignale, gegebenenfalls auch (insbesondere kombiniert mit den vorgenannten Signalen) Rechtecksignale verwendet, um die Steuerdüsen 5,6 anzusteuern, insbesondere mittels jeweils einer der Steuerdüsen zugeordneten Oszilloskopen 7, 8. Mit Vorzug besitzen die beiden Signale 9 und 10 zueinander eine entsprechende Phasendifferenz beziehungsweise Phasenverschiebung, um eine zeitliche Versetzung der Steuerströmungen 12 und 13 zu gewährleisten. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Phasenverschiebung der beiden Steuersignale 9, 10 eine destruktive Interferenz aufweisen. Auf diese Weise ist eine äußerst homogene Beschichtung möglich.
Die Figur 2 zeigt eine Zeitleiste, entlang welcher drei unterschiedliche Zustände der erfindungsgemäßen Sprühdüseneinrichtung 15 dargestellt sind. Zu einem ersten Zeitpunkt t1 wird ein Steuerungsstrom 12 der Steuerdüse 4 verwendet, um den Sprühstrahl 14 von der Sprührichtung S nach links abzulenken. Der Zeitpunkt t1 zeigt dabei den Zustand, bei dem das Steuersignal 9 zur Ansteuerung der Steuerdüse 4 ein Maximum und das Steuersignal 10 zur Ansteuerung der Steuerdüse 3 ein Minimum aufweist. Die Zustände der Ansteuerung würden bei der Einkoppelung eines Sinussignals beispielsweiße einem Maximalwert und einen Minimalwert des Sinussignals entsprechend.
Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 sind die Steuersignale 9, 10 gleich, insbesondere gleich 0, so dass an beiden Steuerungsdüsen 5, 6 keine oder sich gegenseitig aufhebende Steuerungsströmungen 12, 13 auf den Sprühstrahl 14 einwirken. Der Sprühstrahl 14 kann sich daher ungehindert normal auf die zu beschichtende Oberfläche, also in Sprührichtung S, bewegen.
In einem dritten Zeitpunkt t3 tritt die zum Zeitpunkt t1 umgekehrte Situation ein, in welcher die Steuerdüse 3 die Ablenkung des Sprühstrahls 14 nach rechts bewirkt.
Erfindungsgemäß wird ein auf dem gesamten Definitionsbereich kontinuierliches Signal verwendet, um die Strömungseigenschaften, insbesondere mittlere Geschwindigkeit und/oder Volumenstrom, der Steuerungsströme 12 und 13 kontinuierlich zu ändern. Dementsprechend stellen die in Figur 2 dargestellten drei Zeitpunkte nur Ausschnitte aus einer, im Grenzfall unendlichen, Anzahl von Zeitpunkten dar, zu welchen die Steuerungssignale 9 und 10 eine kontinuierliche Steuerung der Steuerungsströme 12 und 13 bewirken.
Mit anderen Worten: Der Sprühstrahl 14 wird durch die bezogen auf die Sprührichtung S als Spiegelachse gegenüberliegende Anordnung und Ausrichtung der Steuerungsströme 12, 13 alternierend nach links und rechts abgelenkt, so dass sich eine homogene Verteilung des Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche des Substrats 17 ergibt.
Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform werden weichere Steuersignale eingeführt, welche eine homogenere Schicht erzeugen und damit den Ausführungsformen des Stands der Technik überlegen sind. Die Steuersignale werden daher vom mathematischen Standpunkt aus durch stetige, mit Vorzug sogar stetig differenzierbare, mit noch größerem Vorzug kontinuierliche, stetig differenzierbare Funktionen beschrieben.
Das zu beschichtende Substrat 17 wird während der erfindungsgemäßen Ansteuerung der Steuerungsdüsen 3 und 4 unter dem Sprühstrahl 14 in einer Richtung R hindurchgefahren, sodass eine Beschichtung des Substrats 17 entlang des ganzen Substrats 17 erfolgen kann. Durch die Erfindung wird darüber hinaus ein größerer Abschnitt A der Breite B des Substrats 17 erfasst, so dass mit einer einzigen erfindungsgemäßen Sprüheinrichtung, die bezogen auf die Anlage statisch ist, eine vergleichsweise große Fläche homogen beschichtet werden kann. Insbesondere entspricht der Abschnitt A der Breite B.
Ein Abstand H zwischen der Sprühdüseneinrichtung 15 und einer zu beschichtenden Fläche des Substrats 17 in Normalrichtung zur Fläche, also in Sprührichtung S, ist insbesondere steuerbar. Der Abstand H ist insbesondere kleiner als der Abschnitt A.
Gemäß Figur 3 befinden sich mehrere Sensoren 18 in Richtung R vor und/oder hinter der Sprühdüseneinrichtung 15. Die Sensoren 18 sind mit Vorzug fluchtend zueinander normal zur Bewegungsrichtung R des Substrats 17 angeordnet, insbesondere in Sprührichtung auf einer einheitlichen Höhe, insbesondere zwischen der Sprüheinrichtung 15 und der zu beschichtenden Fläche.
Die Aufgabe der Sensoren 18 besteht in der Messung physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften der zu beschichtenden Fläche vor und/oder nach der erfindungsgemäßen Sprühdüseneinrichtung 15.
Die der Sprühdüseneinrichtung 15 vorgeschalteten Sensoren 18 ermitteln den Zustand der Oberfläche der Flächenteile vor der Beschichtung.
Die der Sprühdüseneinrichtung 15 nachgeschalteten Sensoren ermitteln den Zustand der zu beschichtenden Fläche oder Flächenteile nach der Beschichtung.

Sprühdüseneinrichtung und Verfahren zum Beschichten

Bezugszeichenliste

1: Sprühdüse
2: Sprühdüsenausgang
3: Steuerdüse
4: Steuerdüse
5: Steuerdüsenausgang
6: Steuerdüsenausgang
7: Oszilloskop
8: Oszilloskop
9: Steuersignal
10: Steuersignal
11: Steuerungseinrichtung
12: Steuerungsströmung
13: Steuerungsströmung
14: Sprühstrahl
15: Sprühdüseneinrichtung
17: Substrat
18: Sensoren
H: Abstand zwischen Sprühdüse und Substrat.
R: Bewegungsrichtung
α: Öffnungswinkel
β: Öffnungswinkel
A: Abschnitt
B: Breite

Claims

Sprühdüseneinrichtung zum Versprühen eines ein Beschichtungsmaterial enthaltenden Sprühstrahls (14) in einer Sprührichtung S zum Beschichten einer in Sprührichtung S gegenüber der Sprühdüseneinrichtung (16) quer zur Sprührichtung S angeordneten Oberfläche mit:
- einer Sprühdüse (1) zum Versprühen des Sprühstrahls (14) aus einem Sprühdüsenausgang (2) der Sprühdüse (1),

- mindestens zwei Steuerdüsen (3, 4) mit je einem auf den Sprühstrahl (14) quer zur Sprührichtung S ausrichtbaren oder ausgerichteten Steuerdüsenausgang (5, 6) zur Beaufschlagung und Umlenkung des Sprühstrahls (14) mittels aus dem Steuerungsdüsenausgang (5, 6) austretenden Steuerungsstrom (12, 13),
dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (11) mit separat gesteuerten Steuersignalen (9, 10) zur Steuerung der Steuerungsströme (12, 13) vorgesehen ist, wobei die Frequenz der Steuerungssignale (9, 10) zwischen >0 und 500 Hz liegt.
Sprühdüseneinrichtung nach Anspruch 1, wobei die, insbesondere softwaregestützte, Steuerungseinrichtung (11) die aus den Steuerdüsen (3, 4) austretenden gasförmigen Steuerungsströme (12) steuernd ausgebildet ist.
Sprühdüseneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuersignale (9, 10) als, insbesondere eine Phasenverschiebung, vorzugsweise zumindest überwiegend, noch bevorzugter vollständig, mit destruktiver Interferenz, aufweisende Funktionen, insbesondere empirisch ermittelte oder theoretisch definierte Funktion, ausgebildet sind.
Sprühdüseneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerdüsen (3, 4) durch die Steuersignale schaltbare mechanische und/oder fluiddynamische Bauteile zur Beeinflussung der Strömungseigenschaften der Steuerungsströme (12, 13) aufweisen.
Sprühdüseneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Sprühdüse (1) zumindest in einer Richtung quer zur Relativbewegung zwischen dem zu beschichteten Substrat und der Sprühdüse (1) bezogen auf die erfindungsgemäße Anlage statisch, insbesondere nicht rotierbar, ausgebildet ist.
Sprühdüseneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Sprühdüse (1) einen Ultraschallzerstäuber und/oder eine Venturidüse umfasst.
Sprühdüseneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerungsströme (12, 13) in einem Winkel W von 30° bis 150°, insbesondere von 45° bis 135°, vorzugsweise von 60° bis 120°, zur Sprührichtung S auf den Sprühstrahl (14) ausgerichtet sind.
Anlage zur Beschichtung einer Oberfläche eines Substrats mit einer, insbesondere einzigen, Sprühdüseneinrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Mittel zur Ausführung einer Relativbewegung zwischen dem Substrats und der Sprühdüseneinrichtung (16) quer zur Sprührichtung S aufweist.
Anlage nach Anspruch 8, bei der die Relativbewegung durch translatorische Bewegung des Substrats erfolgt.
Verfahren zum Sprühbelacken und zur Beschichtung einer gegenüber einer Sprühdüseneinrichtung (16) und quer zur Sprührichtung S angeordneten Oberfläche eines Substrats mittels eines ein Beschichtungsmaterial, welches ein Lack ist, enthaltenden Sprühstrahls (14) in einer Sprührichtung S, wobei der Sprühstrahl (14) durch mindestens zwei quer zur Sprührichtung S auf den Sprühstrahl (14) ausgerichtete Steuerungsströme (12, 13) umgelenkt wird, wobei die Steuerung der Steuerungsströme (12, 13) separat mit je einem durch eine Steuerungseinrichtung gesteuerten Steuersignal (9, 10) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühdüseneinrichtung eine statische Sprühdüseneinrichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Substrat während der Beschichtung der Oberfläche, insbesondere translatorisch, relativ zu dem der Sprühstrahl (14) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Sprühstrahl alternierend in unterschiedliche, insbesondere an der Sprührichtung S gespiegelte, Richtungen umgelenkt wird.