TW201730483A - 加熱設備以及加熱方法 - Google Patents

Abstract

一種加熱設備，適於加熱位於一加熱區域內的一工件。所述加熱設備包括一加熱元件、一感測元件以及一控制器。加熱元件適於提供一熱輻射能量至加熱區域內。感測元件被配置於加熱區域內的一感測位置，用以監測感測位置的熱輻射能量。感測元件與工件相隔，且感測元件對於熱輻射能量的反應時間小於或等於100毫秒。此外，控制器用於接收感測元件的監測結果，並且依據監測結果來調整加熱工件的一製程參數。本揭露更提出適用於此加熱設備的加熱方法。

Description

加熱設備以及加熱方法

本揭露是有關於一種加熱製程以及加熱方法。

加熱製程被廣泛地應用在工業製造上，藉以調制製程環境或改變產物特性等。並且，隨著製程技術的發展與革新，更衍生出對加熱製程的效率改善、線上監測、即時回饋等需求。

以卷對卷(Roll-to-Roll, R2R)製造技術為例，因其具有連續、大量生產等特性，而被應用於電子產品的製造。在卷對卷製程中，使用烘烤設備來加熱塗層，以去除塗層內之溶劑，固化或乾燥塗層。目前，可使用例如近紅外線(Near-infrared, NIR)加熱器等快速昇降溫烘烤設備來取代傳統的烘烤設備。相較於傳統以熱對流或熱傳導方式來傳遞熱能的烘烤設備，近紅外線加熱器以熱輻射(radiation)的方式傳遞熱能，因此可使被烘烤的塗層快速升溫而被固化。

然而，受到加熱時的高溫或其他製程條件的限制，現有針對此類加熱設備的監測只能依據輸入功率來推測工件實際的受熱情況。換言之，在無法得知工件實際受熱情形的情況下，由於高能量輸出強度使加熱源的穩定性較難掌控，往往需要延長加熱時間與提高加熱強度來確保工件確實被烘烤。另一方面，必須對已產出的產品特性進行檢測，才能回饋並調整製程參數。如此，將難以掌握製程穩定性與再現性，影響產品良率，也導致熱能耗損。

本揭露提供一種加熱設備，適於對加熱區域內的工件受熱情形進行實時監測，並且即時回饋、調整加熱該工件的製程參數，以提高製程穩定性與再現性，減少熱能耗損，並且改善產品良率。

本揭露的加熱設備適於加熱位於一加熱區域內的一工件。所述加熱設備包括一加熱元件、一感測元件以及一控制器。加熱元件適於提供一熱輻射能量至所述加熱區域內。感測元件被配置於所述加熱區域內的一感測位置，用以監測感測位置的熱輻射能量。所述感測元件與工件相隔一距離，所述距離不為零，且所述感測元件對於熱輻射能量的反應時間小於或等於100毫秒。此外，控制器用於接收所述感測元件的監測結果，並且依據監測結果來調整加熱所述工件的一製程參數。

本揭露提供一種加熱方法，適於對加熱區域內的工件受熱情形進行實時監測，並且即時回饋、調整加熱該工件的製程參數，以提高製程穩定性與再現性，減少熱能耗損，並且改善產品良率。

本揭露的加熱方法適於加熱位於一加熱區域內的一工件。首先，提供一熱輻射能量至所述加熱區域內。並且，使用一感測元件在所述加熱區域內的一感測位置上監測熱輻射能量。所述感測元件與所述工件相隔一距離，所述距離不為零，且所述感測元件對於熱輻射能量的反應時間小於或等於100毫秒。之後，依據所述監測結果來調整加熱所述工件的一製程參數。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

下文的多個實施例將以卷對卷技術中的烘烤製程為例說明本揭露的技術方案。應理解的是，本技術領域中具有通常知識者在參照相關實施例之後，當可在合理的範圍內將本揭露的技術方案應用於其他有相同或類似加熱需求的製程環境。此外，下列多個實施例中將以類似或相同的元件符號來表示相同或類似的元件，並且在合理的情況下省略對所述相同或類似元件的介紹。

圖1是使用本揭露之一實施例的加熱設備來加熱工件的示意圖。圖2是依據本揭露之一實施例的加熱方法的流程圖。如圖1所示，本實施例的加熱設備100例如是用於卷對卷製程的烘烤設備。在卷對卷製程中，輸送裝置190的放捲單元192與收捲單元194帶動傳輸基板196前進。傳輸基板196上方設置有例如塗佈機180或其他可能的加工設備。塗佈機180在傳輸基板196上形成塗層198。做為受熱工件的塗層198被加熱設備100加熱後，塗層198內的溶劑將會蒸發，而使得塗層198固化。

具體而言，加熱設備100包括加熱元件110、感測元件120以及控制器130。在此，加熱元件110例如是近紅外線加熱器，用以加熱塗層198，以移除塗層198內的溶劑。在本實施例中，加熱元件110的輸出波長例如是介於400nm~1500nm之間，輸出功率例如是介於50~1000kw/m² 之間，而加熱溫度範圍例如是介於80~250℃之間。

此外，本實施例可選擇塗層198與傳輸基板196的材料，藉由不同材料對特定波長的熱輻射能量有不同的吸收率來提高加熱效率，並且保護傳輸基板196不受到熱輻射能量的破壞。舉例而言，塗層198例如是含有銀的高分子材料，而傳輸基板196例如是含有聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate, PEN)等的高分子材料。傳輸基板196對於近紅外線的穿透率大於80%。如此，藉由塗層198對於近紅外線吸收率高，而傳輸基板196對於近紅外線吸收率低的特性，達成加熱(烘烤)目的，且不會傷害傳輸基板196。

在本實施例中，加熱元件110提供熱輻射能量至加熱區域R1內(步驟210)。當傳輸基板196傳輸塗層198通過加熱區域R1時，加熱動作可在極短時間(例如2秒)內完成。由於加熱時間極短，本實施例採用了對於熱輻射能量能快速反應的感測元件120來對加熱元件110的輸出進行即時監測。

如圖1與2所示，感測元件120被配置於加熱區域R1內的感測位置，用以監測在熱輻射傳遞之路徑上的感測位置的熱輻射能量(步驟220)。感測元件120與塗層198相隔一距離，不接觸塗層198。並且，感測元件120對於熱輻射能量的反應時間小於或等於100毫秒。在此，感測元件120例如是含有奈米碳管(carbon nano-tube)的溫度感測器，其對於熱輻射能量的反應時間例如約為10毫秒(ms)，用以監測所述感測位置的溫度變化。當然，在其他實施例中，感測元件120也可以是能夠感測與熱輻射能量相應的其他物理量的感測器，例如是可感測輻射光強度並將其轉化為電信號的光二極體。

之後，如圖2的步驟230所示，控制器130耦接於感測元件120，用於接收感測元件120的監測結果，並且依據監測結果來調整加熱塗層198的製程參數。以前述身為溫度感測器的感測元件120為例，控制器130可依據感測元件120所測得的溫度變化來估算塗層198的受熱溫度。具體而言，當感測元件120偵測到感測位置的溫度變化之後，控制器130可依據加熱元件110與感測元件120的距離、加熱元件110與塗層198的距離、塗層198的材料、傳輸基板196的材料、加熱元件110在塗層198上形成的加熱面積、塗層198與傳輸基板196的厚度與導熱係數、加熱設備100所處的環境溫度與濕度等相關製程參數，來推得塗層198的溫度。並且，可依據此估算結果來調整後續加熱塗層198的製程參數。

舉例而言，本實施例可藉由快速反應的感測元件120監測加熱元件110輸出的熱輻射能量變化並分析塗層198的溫度，以進一步調整加熱元件的輸出強度與輸出週期。換言之，加熱元件110的輸出強度與輸出週期為可調，其調整方法包含系統全自動調整、系統配合操作人員半自動半手動調整、操作人員全手動調整適合的輸出參數，以節省能源之損耗。此外，加熱元件110的輸出可以為連續式(continuous)輸出、以某一固定周期或不固定周期的脈衝式(pulse)輸出，或者可根據感測元件120取得的加熱元件的熱輻射能量變化以及塗層198溫度等參數即時調整加熱元件110的輸出能量。

另一方面，在加熱過程中，由於塗層198(或工件)的溶劑被蒸發，塗層198的特性會產生變化，例如塗層198的電性特徵可能從不良導體變成導體。此時，本實施例也可藉由感測元件120的監測結果來評估塗層198的特性變化，並將此資訊回饋至加熱元件110，以調整加熱元件110的輸出能量或其他製程參數。

基於上述，本實施例的加熱設備100藉由在加熱區域R1設置快速反應的感測元件120，並且藉由控制器130依據感測元件120的監測結果來調整加熱的製程參數。因此，除了可進行加熱設備100上線前的校正，也可在線上實時監測加熱元件110輸出的熱輻射能量變化，藉以調整加熱元件110的相關參數，對加熱製程參數進行即時修正與反饋，以提升產能與製程穩定性，並且減少能源的浪費。

圖3A與3B更繪示本揭露另一實施例之依據監測結果來調整製程參數的示意圖。本實施例移動加熱元件310，使加熱元件310在傳輸基板396上方掃描待加熱的工件302。首先，如圖3A所示，若工件302的面積等於加熱元件310的掃描面積，且加熱元件310的掃描速度為等速，則工件302的加熱時間會隨著位置不同而有變化。在掃描路徑的前後兩端因為加熱元件310的位置限制，導致部分工件302的受熱時間不足。此時，如圖3B所示，採用如圖2所示的本揭露的技術方案，選擇在傳輸基板396上設置多個感測元件320，以監測整個加熱區域內的受熱情形。並且依據監測結果即時調整加熱元件310的掃描速度，可以使加熱區域內的受熱溫度分布較為均勻。

另外，請再參考圖1，本揭露還可以選擇在加熱設備100中設置資料庫140，以做為控制器130反饋資訊的依據。具體而言，此資料庫例如被內建於控制器130或儲存於外部主機(未繪示)，用以儲存不同的製程參數與其所對應的加熱結果的資料。在此，製程參數可包括加熱元件110的輸出功率或對工件(如塗層198)的加熱時間。所述控制器130耦接資料庫140，並且適於參照資料庫140所儲存的資料來調整製程參數。

圖4A與4B繪示依照本揭露之一實施例的資料庫140記載的製程參數與其所對應的加熱結果的關係。首先，由圖4A可知加熱時間與輸出功率為負相關。若輸出功率隨著加熱時間提高，將導致工件的變形加劇。藉此，可推估算出如圖4B所示的在特定區域內的合適的製程參數。舉例而言，當感測元件120檢測到加熱元件110的輸出功率發生變化，而未能即時進行輸入功率的補償時，可依據資料庫140的內容進行製程參數(如烘烤時間)的修正。此外，若製程參數到達無法補償的狀況，可以選擇讓加熱設備100發出警示，並對產品進行標記。換言之，可藉由前述設計讓加熱設備提供適當的加熱時間，並可節省能量的浪費。此外，由於可即時偵測加熱元件110輸出的能量變化，以隨時判斷是否需要調整製程參數，或是否需要更換加熱元件110。

圖5是使用本揭露之另一實施例的加熱設備來加熱工件的示意圖。如圖5所示，本實施例的加熱設備500與圖1所示的加熱設備100類似。兩者主要的差異在於本實施例的感測元件520位於傳輸基板196下方。換言之，加熱元件110與感測元件520分別位於傳輸基板196的相對兩側。藉此，可以避免在加熱塗層198過程中向上蒸發的溶劑氣體影響感測元件520的監測結果。

換言之，本揭露並不限制感測元件的位置與數量。本技術領域中具有通常知識者當可依據需求調整感測元件的位置與數量。

圖6是使用本揭露之另一實施例的加熱設備來加熱工件的示意圖。如圖6所示，本實施例的加熱設備600與圖5所示的加熱設備500類似。兩者主要的差異在於本實施例不需藉由傳輸基板來承載被加熱的工件，例如塗層198。具體而言，本實施例介由放捲單元192與收捲單元194直接帶動被加熱的工件(例如塗層198)前進。加熱元件110與感測元件620分別位於被加熱的工件(例如塗層198)的相對兩側，以藉由感測元件620來監測被加熱的工件(例如塗層198)的受熱狀態。

圖7是使用本揭露之又一實施例的加熱設備來加熱工件的示意圖。如圖7所示，本實施例的加熱設備700與圖1所示的加熱設備100類似。兩者主要的差異在於本實施例更在感測元件120與加熱元件110之間設置濾光元件750，用以降低進入感測元件120的熱輻射能量。

具體而言，由於加熱元件110持續照射所產生溫度可能大於250˚C，然而感測元件120的工作溫度範圍有限，例如介於10~90˚C，因此需要加熱元件110與感測元件120之間設置濾光元件750，避免熱輻射能量直接進入感測元件120，使感測元件120處於適合的工作溫度範圍內，也可防止感測元件120因過熱而損壞。

在本實施例中，濾光元件750的主體材質與鍍膜材質例如是以低紅外線吸收或是高紅外線反射材料組成，例如硼矽酸鹽玻璃(BK7玻璃)、石英、氧化鋁、氧化鉭、氧化矽、銀、金等，以避免濾光元件750本身受到紅外線照射而被加熱至高溫。此外，濾光元件750例如是針對某一特定波長範圍的帶阻濾光片(band-stop filter)，其中所述特定波長範圍例如是近紅外線之波長範圍(如400nm~1500nm)或是在近紅外線波長範圍內的某一特定波長範圍(如750~850nm)。此外，濾光元件750也可以是不考慮特定波長範圍的中性濾光片(neutral density filter)。

圖8是使用本揭露之再一實施例的加熱設備來加熱工件的示意圖。如圖8所示，本實施例的加熱設備800與圖1所示的加熱設備100類似。兩者主要的差異在於本實施例更包括濕度感測器860，其可被設置在加熱區域R1的周圍或加熱區域R1內，用以監測加熱設備800線上的濕度變化。例如，濕度感測器860被配置於塗層198上方的抽氣設備880上，藉由監測氣流882的濕度來判斷塗層198是否被加熱完全。或者，本實施例還可包括濕度感測器870，其可被設置在加熱設備800的其他位置，用以監測加熱設備800所處環境的濕度變化。控制器130可耦接於感測元件120以及濕度感測器860或870，用於接收感測元件120與濕度感測器860或870的監測結果，並且依據監測結果來調整加熱塗層198的製程參數。

在此，濕度感測器860或870連同前述被舉例為溫度感測器的感測元件120、320、520以及620等，皆可為奈米碳管的感測器，其具有極短的反應時間，例如小於或等於10毫秒，用以監測所述感測位置的濕度或溫度變化。

綜上所述，本揭露的加熱設備與加熱方法在加熱區域內設置快速反應的感測元件，以量測實際輸出的熱輻射能量。藉此，可依據實時監測的結果來校正或補償加熱元件在製程中的變異與效率衰減。此外，本揭露可準確分析工件的受熱情形，並據此即時調整加熱所述工件的製程參數，例如所述加熱元件的輸出功率或對所述工件的加熱時間等，以避免過度加熱而損壞工件，或加熱不足而產出不良品。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧加熱設備
110‧‧‧加熱元件
120‧‧‧感測元件
130‧‧‧控制器
140‧‧‧資料庫
180‧‧‧塗佈機
190‧‧‧輸送裝置
192‧‧‧放捲單元
194‧‧‧收捲單元
196‧‧‧傳輸基板
198‧‧‧塗層
R1‧‧‧加熱區域
210~230‧‧‧步驟
302‧‧‧工件
310‧‧‧加熱元件
320‧‧‧感測元件
396‧‧‧傳輸基板
500‧‧‧加熱設備
520‧‧‧感測元件
600‧‧‧加熱設備
620‧‧‧感測元件
700‧‧‧加熱設備
750‧‧‧濾光元件
800‧‧‧加熱設備
860、870‧‧‧濕度感測器
880‧‧‧抽氣設備
882‧‧‧氣流

圖1是使用本揭露之一實施例的加熱設備來加熱工件的示意圖。 圖2是依據本揭露之一實施例的加熱方法的流程圖。 圖3A與3B繪示本揭露依據監測結果來調整製程參數的示意圖。 圖4A與4B繪示依照本揭露之一實施例的資料庫記載的製程參數與其所對應的加熱結果的關係。 圖5是使用本揭露之另一實施例的加熱設備來加熱工件的示意圖。 圖6是使用本揭露之另一實施例的加熱設備來加熱工件的示意圖。 圖7是使用本揭露之另一實施例的加熱設備來加熱工件的示意圖。 圖8是使用本揭露之另一實施例的加熱設備來加熱工件的示意圖。

100‧‧‧加熱設備

110‧‧‧加熱元件

120‧‧‧感測元件

130‧‧‧控制器

140‧‧‧資料庫

180‧‧‧塗佈機

190‧‧‧輸送裝置

192‧‧‧放捲單元

194‧‧‧收捲單元

196‧‧‧傳輸基板

198‧‧‧塗層

R1‧‧‧加熱區域

Claims (18)

1. 一種加熱設備，適於加熱位於一加熱區域內的一工件，該加熱設備包括： 一加熱元件，用以提供一熱輻射能量至該加熱區域內； 一感測元件，配置於該加熱區域內的一感測位置，用以監測該感測位置的該熱輻射能量，其中該感測元件與該工件相隔一距離，該距離不為零，且該感測元件對於該熱輻射能量的反應時間小於或等於100毫秒；以及 一控制器，接收該感測元件的監測結果，並且依據該監測結果來調整加熱該工件的一製程參數。
2. 如申請專利範圍第1項所述的加熱設備，更包括一濾光元件，位於該加熱元件與該感測元件之間，用以降低進入該感測元件的該熱輻射能量。
3. 如申請專利範圍第2項所述的加熱設備，其中該濾光元件包括中性濾光片(neutral density filter)或帶阻濾光片(band-stop filter)。
4. 如申請專利範圍第1項所述的加熱設備，其中該加熱元件包括一近紅外線(Near-infrared, NIR)加熱器。
5. 如申請專利範圍第1項所述的加熱設備，更包括一資料庫，儲存不同的該製程參數與其所對應的加熱結果的資料，其中該控制器耦接該資料庫，並且適於參照該資料庫所儲存的該資料來調整該製程參數。
6. 如申請專利範圍第5項所述的加熱設備，其中該製程參數包括該加熱元件的輸出功率或對該工件的加熱時間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的加熱設備，其中該感測元件包括一溫度感測器，用以監測該感測位置的溫度變化。
8. 如申請專利範圍第7項所述的加熱設備，其中該控制器更依據該溫度感測器所測得的該溫度變化來估算該工件的受熱溫度(heated temperature)。
9. 如申請專利範圍第1項所述的加熱設備，更包括一輸送裝置，用以傳輸該工件通過該加熱區域。
10. 如申請專利範圍第1或9項所述的加熱設備，該加熱元件與該感測元件分別位於該工件的相對兩側。
11. 如申請專利範圍第9項所述的加熱設備，其中該輸送裝置包括用以承載該工件的一傳輸基板，且該加熱元件與該感測元件分別位於該傳輸基板的相對兩側。
12. 如申請專利範圍第1項所述的加熱設備，更包括一濕度感測器，位於該加熱區域內或該加熱區域周圍，用以監測該加熱區域內或該加熱區域周圍之特定位置的濕度變化。
13. 一種加熱方法，適於加熱位於一加熱區域內的一工件，該加熱方法包括： 提供一熱輻射能量至該加熱區域內； 使用一感測元件在該加熱區域內的一感測位置上監測該熱輻射能量，其中該感測元件與該工件相隔一距離，該距離不為零，且該感測元件對於該熱輻射能量的反應時間小於或等於100毫秒；以及 依據該監測結果來調整加熱該工件的一製程參數。
14. 如申請專利範圍第13項所述的加熱方法，其中使用一近紅外線(Near-infrared, NIR)加熱器提供該熱輻射能量至該加熱區域內。
15. 如申請專利範圍第13項所述的加熱方法，其中該感測元件包括一溫度感測器，用以監測該感測位置的溫度變化。
16. 如申請專利範圍第15項所述的加熱方法，更包括依據該溫度感測器所測得的該溫度變化來估算該工件的受熱溫度(heated temperature)。
17. 如申請專利範圍第13項所述的加熱方法，更包括使用一輸送裝置來傳輸該工件通過該加熱區域。
18. 如申請專利範圍第13項所述的加熱方法，更包括使用一濕度感測器監測該加熱區域內或該加熱區域周圍之特定位置的濕度變化。