Нанесение покрытия с использованием щелевой экструзионной головки (slot die coating) — это метод напыления раствора, суспензии или экструдированной тонкой пленки на обычно плоские подложки, такие как стекло, металл, бумага, ткань или пластиковая пленка.
Данный метод нанесения покрытия используется для создания тонких пленок с использованием процесса обработки раствора. Желаемый материал для покрытия обычно растворен или подвешен в предварительно приготовленном растворе или суспензии (иногда называемой «чернилами») и наносится на поверхность подложки с помощью точной головки для нанесения покрытия, известной как слот-штанц. Экструзионная головка имеет высокоаспектное отверстие, контролирующее окончательную подачу жидкости для покрытия на подложку. Это приводит к непрерывному производству широкого слоя покрытого материала на подложке с возможностью регулировки ширины в зависимости от размеров выходного отверстия головки. Путем тщательного контроля скорости осаждения раствора и относительной скорости подложки слот-штанцевальное напыление обеспечивает тонкие покрытия материала с легко управляемой толщиной в диапазоне от 10 нанометров до сотен микрометров после испарения растворителя-предшественника.
Основные преимущества процесса напыления покрытия с использованием щелевой экструзионной головки включают в себя контроль предварительно измеренной толщины напыления, механизм нанесения покрытия без контакта, высокая эффективность использования материала, масштабируемость областей нанесения и скорости производства, а также совместимость с технологией «от рулона к рулону» (roll-to-roll). Процесс также позволяет использовать широкий диапазон толщины слоя и таких свойств, как выбор материала, вязкость и содержание твердых веществ.
Управление толщиной пленки
Нанесение покрытия с использование щелевой экструзионной головки (slot die coating) — это метод нанесения покрытия без контакта, при котором насадка обычно удерживается над подложкой на высоте, в несколько раз превышающей целевую толщину пленки. Жидкость для нанесения передается из насадки на подложку через жидкостный мост, который пролегает через воздушный зазор между насадкой и поверхностью подложки. Этот жидкостный мост обычно называют нанесенным мениском. Толщина нанесенного влажного слоя контролируется путем настройки соотношения между объемным работы насоса и площадью нанесения. В отличие от других методов саморегулировки, slot die насадка не влияет на толщину влажного нанесенного слоя путем какого-либо вида физического контакта или скребка. Высота насадки важна для качества нанесенной пленки, поскольку она контролирует расстояние, которое должно быть преодолено мениском для поддержания стабильного процесса нанесения.
Промышленные системы нанесения покрытия
Нанесение покрытия с использование щелевой экструзионной головки было изначально разработано для промышленного применения и по-прежнему в основном применяется в производственных масштабах. Это обусловлено его потенциалом для крупномасштабного производства тонких пленок и дорогих покрытий при низких эксплуатационных расходах с использованием линий интеграции типа «ролик-ролик» и «лист-лист». Такие системы нанесения с ролика на ролик и с листа на лист схожи в своей цели касательно крупномасштабного производства, но различаются друг от друга физической жесткостью подложек, с которыми они работают. Системы «ролик-ролик» предназначены для нанесения и обработки рулонов гибких подложек, таких как бумага, ткань, пластик или металлические фольги. В свою очередь, системы «лист-лист» предназначены для нанесения и обработки жестких листовых подложек, таких как стекло, металл или оргстекло. Также возможны комбинации таких систем, например, линии «ролик-лист».
Как правило, промышленные системы «ролик-ролик» и «лист-лист» оснащены щелевыми экструзионными насадками шириной от 300 до 1000 мм, хотя также сообщается о щелевых экструзионных насадках шириной до 4000 мм. Утверждается, что коммерческие системы с таким методом нанесения покрытия работают на скорости до нескольких сотен квадратных метров в минуту, при этом системы «ролик-ролик» обычно обеспечивают более высокую производительность благодаря упрощению обработки подложки.
Влияние на индустрию
Slot-die покрытие изначально было разработано для коммерческого производства фотографических пленок и бумаг. В течение последних нескольких десятилетий оно стало ключевой технологией в процессе в производства клеевых пленок, гибких упаковочных материалов, трансдермальных и оральных фармацевтических пластырей, ЖК-панелей, многослойных керамических конденсаторов, литий-ионных аккумуляторов и многого другого.
Применение технологии в исследованиях
С растущим интересом к потенциалу наноматериалов и функциональных тонкопленочных устройств, slot-die покрытие стало все более применяемым в области исследования материалов. Это в первую очередь обусловлено гибкостью, предсказуемостью и высокой повторяемостью процесса, что благоприятствует исследованиям, а также его масштабируемостью технологии и провереннстью на промышленной технике. Slot-die покрытие было применено в исследованиях, связанных с гибкой, печатной и органической электроникой, но остается актуальным в любой области, где требуется масштабное производство тонких пленок.
Примеры исследований, проведенных с использованием slot-die покрытия:
- Тонкопленочные солнечные элементы, для создания слоев электрон-транспортных, дырочных транспортных, фотоактивных и пассивирующих слоев
- Твердотельные и аккумуляторы нового поколения, для создания электродов, твердых электролитов, ион-селективных мембран, защитных покрытий и покрытий модификации интерфейса
- Топливные элементы и водоразлагаемые ячейки, для создания электролитов и электродных катализаторных покрытий
- Гибкие чувствительные касания поверхности, для создания прозрачных проводящих пленок
- OLED-устройства, для создания слоев электрон-транспортных, дырочных транспортных и электроактивных слоев.
- Печатная диагностика и молекулярные датчики, для создания активных слоев и ион-селективных мембран
- Микрофлюидика и устройства типа «лаборатория, встроенная в чип», для создания гидрофобных/гидрофильных поверхностных покрытий для улучшенного потока жидкости
- Очистка воды, для создания нанофильтрационных мембран
- Биоразлагаемая упаковка, для создания многослойных барьерных фольг из устойчивых материалов
