KR100730606B1 - 수평 방향으로 이동하는 편물 상에서 코팅 재료의 층 두께조정 방법 및 장치 - Google Patents

수평 방향으로 이동하는 편물 상에서 코팅 재료의 층 두께조정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수평 방향으로 이동하는 편물 상에서 코팅 재료의 층 두께 조정 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 층의 두께는 상기 편물의 폭에 걸쳐 여러 위치에서 측정되며 상기 층의 두께가 상기 편물의 폭에 걸쳐 일정하게 되도록 코팅 설비를 조정한다. 상기 두께 조정은 코팅 재료를 증발시키는 전자빔의 세기 변동에 의해 얻어질 수 있다. 그렇지만 상기 편물의 폭에 걸쳐 배치된 여러 증발 도가니를 개별적으로 가열하여 상기 편물의 폭에 걸쳐 코팅이 일정하게 되도록 하는 것도 가능하다. 투과성 측정 기구를 부가적으로 이용하면, 상기 편물의 폭에 걸쳐 코팅이 일정하게 되도록 상기 코팅 재료의 조성을 조정할 수 있다.
편물, 코팅 재료, 층 두께, 코팅 설비

Description

수평 방향으로 이동하는 편물 상에서 코팅 재료의 층 두께 조정 방법 및 장치{METHOD AND ARRANGEMENT FOR THE REGULATION OF THE LAYER THICKNESS OF A COATING MATERIAL ON A WEB MOVED IN ITS LONGITUDINAL DIRECTION}
도 1은 합성 재료막의 증기 증착 설비에 대한 투시도.
도 2는 코팅 막을 보여주는 도 1의 상세도.
도 3은 백색광 간섭의 원리도.
도 4는 표면과 경계층에 반사되는 광파의 간섭 도시도.
도 5는 광의 파장의 함수로서 측정된 코팅의 반사 곡선 도시도.
도 6은 광의 파장의 함수로서 측정된 코팅의 다른 반사 곡선 도시도.
도 7은 광 파장의 함수로서 측정된 코팅의 또다른 반사 곡선 도시도.
도 8은 코팅된 기판의 다른 위치에 각각 적용하는 여러 반사 곡선 도시도.
본 발명은 청구범위 제1항에 따른 방법 및 청구범위 제13항에 따른 장치에 관한 것이다.
유리, 포일, 막 및 그 밖의 기판에 특정한 속성을 부여하기 위해 이것들에 얇은 층들이 제공된다. 이러한 얇은 층들은 예를 들어 합성 재료막 위에 적층되어 가스가 새지 않게 한다.
기판 위에 이러한 층들을 적층시키기 위한 다양한 방법이 공지되어 있지만, 그 중 스퍼터링법과 증기 증착법만을 인용한다. 스퍼터링법에 비해 증기 증착법은 층을 10 내지 100의 적층 비율(10-to-100-fold rate)로 적층할 수 있다는 장점을 갖는다.
전자빔에 의한 재료의 증발 방법이 공지되어 있다(EP 0 910 110 A2). 그렇지만, 이 방법에서는 전자빔의 선택적 제어에 문제가 있어 증기 증착층을 측정할 수 없다.
또한 광흡수를 측정하여 층 두께를 결정하는 것이 공지되어 있다. 그렇지만, 이 측정법은 비교적 두껍고 약한 흡수층에는 적용할 수 없는데, 왜냐하면 존재할 가능성이 있는 약한 흡수 신호에 간섭 효과가 중첩될 수 있기 때문이다(Quality Control and Inline Optical Monitoring for Opaque Film, AIMCAL Fall Conference, October 28, 2003).
그러므로 본 발명은 코팅 방법에 조정을 제공하는데 생기는 문제를 해결하며, 대규모 흡수 방지 코팅 재료의 두께를 기판의 폭에 걸쳐 일정하게 유지할 수 있게 한다.
이 문제는 청구범위 제1항의 특징에 따라 해결된다.
결론적으로, 본 발명은 수평 방향으로 이동하는 편물 상에서 코팅 재료의 층 두께 조정 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 편물의 폭에 걸쳐 여러 위치에서 층의 두께를 측정하고 코팅 설비를 조정하여, 상기 층의 두께를 편물의 폭에 걸쳐 일정하게 할 수 있다. 코팅 재료를 증발시키는 전자빔의 세기를 가변시켜 층 조정을 할 수 있다. 그렇지만 편물의 폭에 걸쳐 배치된 여러 개의 증발 도가니를 개별적으로 가열하는 것도 가능하므로 편물의 폭에 걸쳐 코팅을 일정하게 할 수 있다. 투과 측정 기구를 부가적으로 이용하면, 코팅 재료의 조성을 조정하여 편물의 폭에 걸쳐 코팅을 일정하게 할 수 있다.
본 발명에 의해 얻어지는 장점은 특히, 전자빔 증발기에 의해 코팅함에 있어서 전자빔을 기판의 폭에 걸쳐 조정하여 이 기판의 전체 폭에 걸쳐 코팅 재료를 일정하게 분포시킬 수 있다는 것이다.
대규모 흡수 방지 코팅 재료의 두께를 측정함에 있어서는, 광 스펙트럼의 간섭 효과를 통해 광 층 두께의 측정을 나타내는 최대치와 최소치가 발생되는 유전층의 속성을 이용한다.
상기 측정된 광 층 두께를 활용하여 코팅 처리를 제어할 수 있으며, 예를 들어 증발될 재료 위에 충돌하는 전자빔의 세기 및/또는 편향각을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예가 도면에 도시되어 있으며 보다 상세한 설명을 이하에 서술한다.
도 1은 본 발명에 따라 고속의 증기 증착 설비(1)의 투시도를 도시한다. 이 설비는 2개의 챔버(2, 3)를 포함하며, 그 중 한 챔버(2)는 코팅되지 않은 합성 재 료막(5)을 위한 피드-아웃 실린더(feed-out cylinder)(4)와 코팅된 합성막을 위한 업테이크 실린더(uptake cylinder)(6)를 포함하며, 다른 챔버(3)는 적절한 증기 증착 설비(8)를 포함한다. 상기 증기 증착 설비(8)를 보다 잘 볼 수 있도록 하기 위해, 제2 챔버(3)의 작은 부분만을 볼 수 있게 하였고 큰 부분은 생략하였다. 상기 증기 증착 설비(8)는 재료(10)가 증발되는 도가니(9)와 2개의 전자빔 총(11, 12)을 필수적으로 포함한다.
상기 2개의 챔버(2, 3)는 좁은 슬롯들로 서로 연결되어 있으며, 상기 좁은 슬롯들은 하나의 챔버(2 또는 3)로부터 특정한 다른 챔버(3 또는 2)로 각각 안내 롤러들(22 내지 27)을 거쳐 코팅될 막(5)을 이동시키기 위해 필요하다. 상기 2개의 챔버(2, 3)간의 압력차는 근사적으로 102 Pa이다.
도시되지 않은 자기 편향 유닛은 전자빔 총(11, 12)의 수평으로 입사하는 전자빔(28, 29)을 증발될 재료(10)에 수직으로 편향시킨다. 도면 부호 16으로 도시된 플레이트는 설비 전체의 대부분의 부품들과 연결되어 있다. 이러한 부품들은 상기 챔버를 보다 용이하게 지탱하기 위해 상기 챔버에서 생략할 수 있다.
설비(1) 내의 상기 합성 재료막(5)의 코팅에 대해 이하에 설명한다.
구동 모터(도시되지 않음)는 코팅된 막(7)의 말단부에 고정되어 있는 업테이크 실린더(6)를 화살표(30) 방향으로 구동시킨다. 이에 의해 상기 코팅되지 않은 막(5)은 상기 피드-아웃 실린더(4)로부터 풀려지고, 상기 안내 롤러들(25, 27)을 통해 상기 코팅 롤러(25)에 위치하게 된다. 상기 막(5)은 여기서 재료 입자들로 덧 씌어지게 되는데, 전자빔(28, 29)으로 상기 코팅 재료(10)를 가열하면 상기 재료 입자들이 증발하여 상기 막(5)에 증착된다. 전자빔(28, 29) - 화살표(31, 32)로 표시되어 있음 - 은 적어도 한 방향으로 앞뒤로 이동하여 재료(10)를 도가니(9)의 전체 길이에 걸쳐 증발시킨다.
이에 의해 상기 코팅 재료(10)가 막(7)의 전체 폭에 걸쳐 제공되고, 증발 세기를 폭 선 상의 포인트마다 배정할 수 있으며, 즉 안내 시스템과 전자빔의 빔 세기에 대응적으로 영향을 미침으로써 상기 코팅 재료의 증발 속도를 막의 폭 방향에 따라 조정할 수 있다.
하나의 도가니(9) 대신에, DE 40 27 034에 서술된 바와 같이 서로 이웃하여 제공된 여러 증발 도가니를 제공하는 것이 가능하다.
도 2는 도 1의 부분 영역을 확대해서 도시하고 있다. 이 도면에서는 롤러(23) 및 상기 롤러(23)에 의해 안내되는 막(5)이 분명하게 도시되어 있다. 막(5)은 그 하부측이 이미 코팅되어 있다. 이 층의 두께는 복수의 반사 측정 기구(40 내지 45)를 이용해서 측정된다. 이들 기구 각각은 광 송신기와 광 수신기를 포함한다. 측정된 반사광 신호는 전기 신호로 변환되어 횡단선(46 내지 51)을 거쳐 평가 회로(52)로 전도된다. 상기 반사 측정 기구(40 내지 45)용 에너지 공급선은 도 2에 도시되어 있지 않다.
평가 회로(52)는 전자빔용 제어 장치(도시되지 않음)에 연결되어 있다. 이들 전자빔의 세기 또는 편향각은 상기 측정된 층 두께에 의거해서 조정된다. 상기 층 두께가 특정한 위치에서 막(5)의 폭에 걸쳐 너무 얇은 경우에는 그 위치 아래에서 증발을 증가시켜 그 위치에서 층 두께를 증가시킨다.
전자빔 대신에, 개별적으로 가열될 수 있는 여러 증발 도가니를 서로 연 연속해서 배치하여 막(5)의 폭을 따라 증발이 가변적일 수 있도록 해도 좋다.
상기 반사 측정 기구(40 내지 45) 이외에, 투과성 측정 기구(53)를 제공하며, 이 기구는 막(5) 아래에는 광송신기(54)를 막(5) 위에는 광수신기(55)를 포함한다. 송신기(54) 및 수신기(55)는 에너지 공급 장치 역할도 하는 상기 평가 회로(52)에도 연결되어 있다. 단색 투과 측정 기구를 부가적으로 단파 범위(＜540 nm, 통상적으로는 350 nm 내지 400 nm의 사이)에서 이용하면, 상기 층 내에 잔여 흡수가 존재하는지를 판단할 수 있다. 이것은 다양한 송신 값에 있어서 분명하다. 그러므로, 예를 들어 층은 막의 좌측 가장자리에서는 5%, 중심부에서는 8%, 막의 우측 가장자리에서는 7%의 투과율을 갖는다. 산소를 선택적으로 부가하면, 모든 측정 위치에서 막의 투과율을 예를 들어 8%의 일정한 값으로 되게 할 수 있다. 이로써 상기 층의 산화 상태가 막의 모든 위치에서 확실하게 동일하게 된다. 이 방법으로 (약한 흡수 층들에 있어서는) 층 두께가 막의 폭에 걸쳐 일정하다는 것을 미리 예상할 수 있다. DE 197 45 771 A1에 따른 조정과 관련해서 활용될 수 있다.
반사 측정 시스템은 극한값들의 자동 스펙트럼 위치 결정을 수행한다. 상기 극한값들의 스펙트럼 위치는 전자빔을 제어하기 위한 정확한 변수 역할을 한다. 투과 측정 기구(53)가 제공되며, 이 부가적인 투과 측정 장치를 부가적으로 이용하면, 층의 잠재적인 잔여 흡수에 관한 정보도 얻을 수 있다. 흡수 결과는 식 A = 100 - R - T로부터 구할 수 있으며, 여기서 R = 반사율, T = 투과율이다. 투과율 A 의 값은 코팅 처리의 반응성 가스 유입에 대한 정확한 변수의 역할을 하며 A에 대한 값은 통상적으로 0% 내지 10%의 범위이다. 그 밖에 편물의 폭에 걸쳐 일정하도록 층의 조성을 조정하는 것도 가능하다.
도 3은 백색광 간섭의 원리를 도시한다. 기판(60)에는 기하학적 두께 D를 갖는 층(61)이 적층되고 상기 층(61)의 표면 상에 백색광(62)이 일정한 각도로 입사한다. 광빔(62)의 일부는 광빔(63)으로 반사되고 광빔(62)의 또다른 일부(64)는 층(61)을 관통한 후 빔(65)으로서 기판(60)의 표면 상에서 반사된다. 2개의 광빔(63, 65)은 광파(66, 67)로도 도시되어 있다. 이들 광파(66, 67)는 정현파이고 서로 상쇄되거나 강화된다.
도 4에 간섭 원리가 도시되어 도시되어 있지만, 광빔과 관련된 것이 아니라 광파와 관련된 것이며, 게다가 특정한 각도로 입사하는 것이 아닌 반사 수단에 수직으로 입사하고 있다. 굴절률 n = 1.52인 유리 플레이트(70) 위에 굴절률 n = 1.38인 MgF2로 이루어진 층(71)이 적층되어 있다. 상기 층(71)의 두께는 입사각 파장의 4/1(λ/4)이다. 입사광파(72)는 층(71)의 표면 상에서 부분 반사된다. 반사된 광파(73)는 입사광파(72)보다는 진폭이 낮다.
유리 기판(70)의 표면(74) 상에서는 광파(72)도 반사되어 광파(73) 상에서 광파(75)로서 중첩된다. 2개의 광파(73, 75)는 180도 위상 이동하였기 때문에, 이 두 광파는 서로 동일한 진폭으로 상쇄된다. 진폭의 어긋남이 약간이라도 존재하는 경우에는 결과적으로 매우 작은 진폭을 갖는 광파(76)가 얻어진다. 이것은 λ/4 층 이 반사방지층으로 고려될 수 있음을 보여준다.
파(73 및 75)의 상호상쇄는 층(71)이 λ/4의 두께를 갖는 경우에만 발생한다. 두께가 서로 다르면, 결과적인 파(76)의 진폭이 커진다. 파장이 공지되어 있는 경우에는, 상기 반사된 광파(76)의 진폭의 최대치와 최소치를 결정함으로써 식 nㆍd = λ/4에 기초하여 층의 두께에 관한 결론을 이끌어 낼 수 있으며, 상기 식에서 d는 기하학적 두께이며 n은 굴절률이다. 예를 들어, 최소치가 λ = 480 nm에서 발견되는 경우 층은 120 nm의 두께를 갖는다. 부가적으로, 얇은 층들의 물리적 값들과 파장간의 관계는 DE 39 36 541 C2로부터 알 수 있다.
반사된 광의 진폭이 최소치를 갖는 파장을 결정할 수 있도록 하기 위해, 층(71) 상에 안내되는 광의 파장은 가변적이며, 즉 상기 광은 근사적으로 380 내지 780 nm의 가시광 범위를 통과한다. 분광광도계를 이용하면 이와 같은 파장 변화를 측정할 수 있다(비교. 예를 들어 나우만/쉬뢰더: Bauelemente der Optik, 5th dition, 1987, 16.2, pp.483).
도 2에 도시된 바와 같이, 막의 폭에 걸쳐 여러 위치에서 반사가 측정되면, 동일한 광원에 의해 모두 공급받는 여러 광 도파관을 갖는 분광광도계를 제공하는 것이 유용하다. 이 경우 여러 위치에 대한 반사 곡선을 단지 하나의 광원만으로도 측정할 수 있다.
도 5는 산화층 Al2O3 및 PET막의 반사율을 도시하며, 380 내지 780 nm의 스펙트럼에 대해 백분율로 나타내고 있다. 500 nm에서 최소치를 보이고 있으며 이로 부터 125 nm의 층 두께가 계산된다.
도 6은 다른 곡선을 도시하고 있으며, 여기에서는 반사율이 파장에 대해 백분율로 도시되어 있다. 상기 반사율이 근사적으로 480 nm에서 최소치를 가짐을 알 수 있다. 이것은 반사된 파장이 480 nm에서 가장 낮게 간섭한다는 것을 의미한다. 이 효과는 층 두께가 d = λ/2일 때, 즉 240 nm에서 발생한다.
도 7은 다른 반사 곡선을 나타내며, 그렇지만 이것은 하나의 최대치와 두개의 최소치를 갖는다. 최소치와 최대치 모두를 활용하여 층 두께를 측정할 수 있다.
도 8은 특정한 파장에 의거해서 6개의 반사 곡선 40' 내지 45'를 도시하며, 반사 곡선 40' 내지 45'는 특정한 센서(40 내지 45)에 배정되어 있다. 이들 곡선을 PET 막 위에서 두께가 근사적으로 170 nm인 Al2O3 층을 나타내며, 이것은 산소를 반응성 가스로 한 알루미늄의 증발 처리에 의해 생성된다. 전자빔 증발기의 조절에 의해 증발력이 최적화되었기 때문에 상기 곡선들은 한 곡선 위에 다른 곡선이 위치하게 된다.
본 발명에 의하면, 편물의 폭에 걸쳐 여러 위치에서 층의 두께를 측정하여 상기 층의 두께를 상기 편물의 폭에 걸쳐 일정하게 할 수 있다.

Claims (16)

  1. 수평 방향으로 이동하는 편물 상에서 코팅 재료의 층 두께를 조정하고, 상기 편물의 폭에 걸쳐 복수의 지점에서 상기 층 두께를 측정하는, 코팅 재료의 층 두께 조정 방법에 있어서,
    실질적으로 흡수가 일어나지 않는 코팅 재료를 제공하는 단계,
    가변 파장을 갖는 광빔을 상기 코팅 재료의 표면으로 향하게 하는 단계,
    상기 코팅 재료의 표면 상의 광빔의 반사를 상기 파장에 따라 측정하는 단계,
    상기 코팅 재료의 투과성을 측정하는 단계, 및
    상기 층 두께가 상기 편물의 폭에 걸쳐 일정하도록 코팅 설비를 조정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 재료의 층 두께 조정 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    간섭 효과로 인해 상기 반사된 가변 광빔에 나타나는 파장-종속 최대치 및 최소치 중 어느 하나 또는 양자 모두가 결정되는 것을 특징으로 하는 코팅 재료의 층 두께 조정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    최대치 또는 최소치에서 층 두께 d는 식 nㆍd = λ/4로 계산되며, 상기 λ는 최대치 또는 최소치가 발생하는 광의 파장이며, n은 굴절율인 것을 특징으로 하는 코팅 재료의 층 두께 조정 방법.
  5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 상기 코팅 재료의 증기 증착에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 코팅 재료의 층 두께 조정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 코팅 재료는 증발 도가니의 위치-종속 가열(location-dependent heating)에 의해 증발되는 것을 특징으로 하는 코팅 재료의 층 두께 조정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 코팅 재료는 전자빔에 의해 증발되어 코팅될 편물에 도달하는 것을 특징으로 하는 코팅 재료의 층 두께 조정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 측정된 층 두께에 기초하여, 상기 편물의 폭에 걸쳐 일정한 층 두께가 얻어지도록 상기 전자빔이 작용하는 것을 특징으로 하는 코팅 재료의 층 두께 조정 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 측정된 투과성에 기초하여 반응성 가스 유입이 조정되는 것을 특징으로 하는 코팅 재료의 층 두께 조정 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 증발될 재료는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 코팅 재료의 층 두께 조정 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 층의 조성은 일정하게 되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 코팅 재료의 층 두께 조정 방법.
  13. 제1항의 코팅 재료의 층 두께 조정 방법을 실행하는 장치에 있어서,
    코팅될 막(5)의 폭에 걸쳐 제공되는 복수의 측정 기구((40 내지 45), 및
    상기 측정 기구(40 내지 45)로부터 수신되는 신호를 평가하는 평가 회로(52), 및
    전자빔의 세기 또는 코팅 재료를 증발시키기 위해 제공된 증발 도가니의 가열 전원을 제어하는 회로 장치
    를 포함하고,
    상기 측정 기구는 반사 측정 기구(40 내지 45)인
    것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 반사 측정 기구(40 내지 45)는 광 도파관을 횡단하는 공통 광원에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 층의 조성을 조정하는 투과성 측정 기구(45, 55)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 삭제
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