狹縫涂布：理論、設(shè)計與應(yīng)用

狹縫涂布是一種極其通用的沉積技術(shù)，其中溶液通過一個靠近基材表面的狹縫輸送到基材上。

狹縫涂布方法的一個主要優(yōu)點是濕膜涂層厚度、溶液流速以及涂層基材相對于涂布頭的速度之間存在簡單的關(guān)系。此外，狹縫涂布能夠在大面積上實現(xiàn)極其均勻的薄膜。例如，Ossila 狹縫涂布機(jī)可以在許多米范圍內(nèi)產(chǎn)生厚度變化低于 5% 的涂層，并且在 100 毫米范圍內(nèi)厚度變化小于 50 微米（0.05%）。

狹縫涂布是許多可用于將薄液膜沉積到基材表面的方法之一。與旋涂或浸涂等傳統(tǒng)技術(shù)相比，狹縫涂布的一個主要優(yōu)勢是它可以輕松集成到放大工藝中，包括卷對卷（roll-to-roll）涂布和片對片（sheet-to-sheet）沉積系統(tǒng)。

該技術(shù)本身在涂層表面的長度/寬度上提供了高水平的涂層均勻性，特別是在手套箱內(nèi)操作時，并且可以沉積厚度范圍從幾納米到數(shù)微米的薄膜。它可以針對廣泛的溶液類型和粘度，在每秒幾厘米到幾米的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)這一點。

狹縫涂布概述

狹縫涂布屬于一類被稱為預(yù)計量（pre-metered）涂布技術(shù)的技術(shù)。對于預(yù)計量沉積，最終膜厚取決于溶液通過系統(tǒng)的速率。這使得濕膜厚度的理論確定比其他方法容易得多。

由于狹縫涂布相對于其他卷對卷兼容技術(shù)提供了優(yōu)異的加工窗口，該方法對于正從實驗室規(guī)模的薄膜制造轉(zhuǎn)向中試規(guī)模生產(chǎn)的研究人員具有極大的意義。聚合物和鈣鈦礦光伏、有機(jī)發(fā)光二極管、量子點和光子結(jié)構(gòu)（以及其他許多領(lǐng)域）的研究人員現(xiàn)在正專注于將狹縫涂布作為沉積技術(shù)應(yīng)用于他們的研究，以確定將其材料和器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到放大工藝的可行性。

盡管狹縫涂布有許多優(yōu)點，但它比其他沉積技術(shù)更復(fù)雜，并且沉積質(zhì)量對加工參數(shù)高度敏感。然而，有許多設(shè)計考慮可以幫助確保高涂層均勻性。

狹縫涂布機(jī)的結(jié)構(gòu)

狹縫涂布機(jī)的設(shè)計和制造基于向給定表面提供均勻的溶液輸送。當(dāng)從均勻涂覆小面積（幾平方毫米）過渡到涂覆大面積（數(shù)平方米）時，這個單一的簡化要求可能難以管理。為了實現(xiàn)這一點，狹縫涂布機(jī)被分解為幾個專門設(shè)計的子系統(tǒng)。

總共有四個不同的子系統(tǒng)：

計量系統(tǒng)控制流入系統(tǒng)的溶液流速

分配系統(tǒng)確保溶液在涂層寬度上均勻分布

頭定位系統(tǒng)保持涂布頭相對于基材的位置

基材移動系統(tǒng)決定基材如何通過狹縫涂布頭

上圖顯示了一個簡化的卷對卷狹縫系統(tǒng)。均勻的溶液流必須從計量系統(tǒng)輸送到狹縫頭。這對于提供指定的涂層厚度以及沿涂層長度恒定均勻的薄膜非常重要。

溶液分布由狹縫頭控制。內(nèi)部空腔的尺寸決定了溶液在涂層寬度上的分布。狹縫頭開口的尺寸和尺寸對于在狹縫頭和基材表面之間形成穩(wěn)定的涂層珠（coating bead）也很重要。

狹縫頭位于移動基材的上方，涂布頭相對于基材的高度對涂層質(zhì)量有很大影響。大多數(shù)系統(tǒng)通過千分尺或電動平臺控制；一些高級系統(tǒng)允許涂布頭相對于基材傾斜，使得涂布頭前后之間存在可變的間隙。

系統(tǒng)的最后一部分是基材如何相對于涂布頭移動。在卷對卷系統(tǒng)中，這由以給定速度送入柔性片的輥筒控制。在片對片系統(tǒng)中，可以使用線性平臺來移動基材；此方法通常用于剛性基材。

所有這些子系統(tǒng)的相互作用導(dǎo)致形成穩(wěn)定的涂層，其中沉積的濕膜厚度最終由以下因素決定：

基材通過狹縫頭的速度

溶液從狹縫頭分配的速率

溶液計量

溶液計量是狹縫系統(tǒng)中必需的，因為溶液的輸送對涂層的均勻性和薄膜的實際厚度有顯著影響。溶液分配的速率必須保持恒定，因為從計量系統(tǒng)分配的溶液的速率與沉積膜的厚度成正比。流速的任何變化都會導(dǎo)致膜厚的變化。因此，對計量系統(tǒng)提出了高公差要求。

另一個重要方面是計量系統(tǒng)的輸送方式。一些輸送方法以小脈沖而不是恒定速率提供溶液，這些脈沖的頻率會導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)震顫缺陷。

此外，在不同壓力下使用時，輸送系統(tǒng)的響應(yīng)會對溶液輸送的速率產(chǎn)生影響。由液壓或氣動控制的泵可能會因溶液粘度變化而出現(xiàn)問題。

提供溶液計量的方法有很多。使用的泵類型通常取決于幾個因素，包括：

要涂覆的最大溶液體積

溶液的流速

流速的準(zhǔn)確性

被泵送溶液的性質(zhì)

系統(tǒng)的成本限制

用于狹縫系統(tǒng)中溶液計量的泵類型通常可分為兩種類型的容積泵：

蠕動泵（Peristaltic pumps），其中溶液容器的體積減小導(dǎo)致溶液被置換

旋轉(zhuǎn)泵（Rotary pumps），其中旋轉(zhuǎn)元件將溶液從泵殼的一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)

對于實驗室測試中常見的小體積和低流速，簡單的蠕動泵（如注射泵）是合適的。在這些計量系統(tǒng)中，活塞或柱塞用于置換溶液。溶液進(jìn)入狹縫系統(tǒng)的速率取決于活塞移動的速率和活塞的直徑。

使用注射泵時，位移由電子步進(jìn)電機(jī)控制，有助于保持排出的體積與壓力無關(guān)——前提是置換溶液所需的力小于電機(jī)可以提供的力。使用這些分配系統(tǒng)時，步進(jìn)速率對于避免因電機(jī)步進(jìn)脈沖導(dǎo)致缺陷形成很重要。

對于更大的涂布體積和速率，這些較小的系統(tǒng)通常不太適合。相反，使用連接到大型溶液儲罐的旋轉(zhuǎn)泵。在這些系統(tǒng)中，位移由一個旋轉(zhuǎn)元件提供，該元件以可以限制溶液流動的方式放置。

泵入系統(tǒng)的體積與以下因素直接相關(guān)：

元件旋轉(zhuǎn)的速度

每次旋轉(zhuǎn)通過的溶液體積

與蠕動泵相比，旋轉(zhuǎn)泵方法減少了流速脈沖的影響。然而，由于位移機(jī)構(gòu)與溶液接觸，保護(hù)機(jī)構(gòu)免受損壞并保護(hù)溶液免受污染可能成為問題。

狹縫頭設(shè)計

狹縫涂布系統(tǒng)最復(fù)雜的方面之一是狹縫頭的設(shè)計。涂布頭控制溶液在涂層寬度上的分布、薄膜的實際涂層寬度，并有助于確定涂布過程的穩(wěn)定性。

上圖顯示了狹縫頭設(shè)計的內(nèi)部。涂布頭由幾個關(guān)鍵部件組成——包括入口、分流板、平臺（land）、狹縫（slot）、墊片（shim）和唇口（lip）。一些涂布頭可以有多個分流板和平臺（稱為預(yù)平臺 pre-lands）以改善溶液的分布。然而，增加這些部件的尺寸和數(shù)量也會增加系統(tǒng)中的死體積（dead volume）。

入口與分流板（Inlet and Manifold）

對于入口，位置通常在系統(tǒng)的中間，靠近分流板的頂部。對于寬度較大的狹縫頭，可以使用多個入口來減小所需的分流板尺寸，以及平臺、預(yù)平臺和狹縫的長度。一旦溶液進(jìn)入系統(tǒng)，就開始填充分流板。

該部分有多種設(shè)計，正是這部分對分布影響最大。

上圖顯示了分配分流板的最常見設(shè)計和可用的不同橫截面。簡單的設(shè)計是T形分流板，其中分流板的底邊和頂邊與狹縫的出口狹縫平行。這為溶液流向出口狹縫創(chuàng)造了恒定的長度（L1=L2），并導(dǎo)致遠(yuǎn)離入口的壓力下降。

這導(dǎo)致靠近分流板末端的溶液流速較低，溶液在涂布頭寬度上分布不均勻，以及溶液的傳輸時間不同。

為了在狹縫頭寬度上實現(xiàn)相等的流速，分流板可以設(shè)計成衣架形（coat-hanger design）。這是指隨著與入口距離的增加，分流板的底邊越來越接近狹縫頭的出口（L1>L2）。雖然使用衣架設(shè)計時溶液的流速在寬度上變得更加均勻，但衣架的形狀必須針對不同的流速和溶液粘度進(jìn)行重新優(yōu)化。

可以使用一種稱為“恒定剪切分流板（constant shear manifold）"的衣架形設(shè)計的改進(jìn)形式，其中分流板底邊與狹縫出口之間距離的減小不是線性的。相反，初始距離減小很小，而更靠近狹縫邊緣時距離顯著減小（L1>L2>>L3）。

這種設(shè)計允許在狹縫頭寬度上保持恒定的流速（與溶液粘度和流速無關(guān)）。然而，恒定剪切分流板需要比其他設(shè)計更長的平臺長度——同時，分流板的體積顯著更大。這增加了所需狹縫頭的尺寸和系統(tǒng)中的死體積，從而導(dǎo)致初始設(shè)置成本和運(yùn)營成本高于更簡單的設(shè)計。

平臺、狹縫和墊片（Lands, Slots, and Shims）

涂布頭內(nèi)的預(yù)平臺（pre-lands）、平臺（lands）和狹縫（slots）都是溶液流動因狹窄通道而受到限制的區(qū)域。該通道的寬度和長度對于控制狹縫頭內(nèi)的壓力降至關(guān)重要，這有助于控制濕膜涂層的穩(wěn)定性。

溶液通過這些狹窄通道的流動由泊肅葉流方程（Pouiselle Flow equation）決定（由下面的方程給出），其中狹縫頭內(nèi)的壓力降（delp）由溶液的流速（V）、溶液的粘度（mu）、通道長度（L）和通道寬度（b）決定。

由此可以看出，對壓降控制程度最高的參數(shù)是通道寬度。然而，更改通道長度和寬度的成本非常高，因為每次更改都需要重新銑削新的涂布頭。可以通過使用不同厚度的墊片來改變通道寬度來規(guī)避這個問題。

通過針對不同的流速或溶液粘度使用不同尺寸的墊片，可以將壓降保持在固定值。

除了控制預(yù)平臺、平臺和狹縫厚度外，墊片還可用于設(shè)置涂層的寬度。它們可以允許沉積條紋圖案，并且可以用作彎月面導(dǎo)向器（meniscus guide）以改善邊緣清晰度。通過讓最終的狹縫厚度由墊片決定，可以阻止溶液從狹縫涂布頭的某些區(qū)域流出。

下圖顯示了墊片設(shè)計如何使用單個涂布頭在基材上沉積 4 條材料條紋。當(dāng)沉積涂層寬度小于狹縫涂布頭寬度的條紋時，涂層彎月面會由于毛細(xì)作用力沿寬度方向擴(kuò)散。這降低了涂層圖案的精度，并可能導(dǎo)致多條條紋相互滲色。

為了提高邊緣質(zhì)量，可以添加彎月面導(dǎo)向器。這些導(dǎo)向器是帶有薄突起的墊片，該突起位于狹縫頭唇口下方。這些突起放置在有需要的條紋圖案的位置，并將彎月面固定在墊片而不是唇口上。這可以防止彎月面沿著涂布頭的寬度擴(kuò)散。

唇口（Lips）

狹縫頭設(shè)計的最后一個方面是唇口。這是涂布頭出口狹縫的上游和下游區(qū)域。在這些區(qū)域，彎月面固定在狹縫頭上，這些彎月面的穩(wěn)定性會受到唇口設(shè)計和定位的強(qiáng)烈影響。唇口設(shè)計簡單的改變是增加唇口的長度。

下圖顯示了唇口可用的三種不同幾何形狀。它們是：

標(biāo)準(zhǔn)配置（Standard）：上游或下游唇口的間隙高度相等

下咬合（Underbite）：上游唇口間隙小于下游間隙

上咬合（Overbite）：上游唇口間隙大于下游間隙

改變配置的優(yōu)勢在于，可以在不改變下游彎月面穩(wěn)定性的情況下提高上游彎月面的穩(wěn)定性。

基材定位（Substrate Positioning）

狹縫頭相對于基材的定位對于幫助穩(wěn)定涂層珠（coating bead）非常重要。在片對片和卷對卷系統(tǒng)中，固定基材的載臺（或輥筒）的加工和公差會對間隙高度產(chǎn)生很大影響。無論是由于表面粗糙度引起的局部缺陷、載臺平整度問題還是輥筒的同心度問題，都可能導(dǎo)致間隙高度和涂層珠穩(wěn)定性在基材長度上發(fā)生變化。

系統(tǒng)的精確公差將取決于您涂布的溶液和使用的加工參數(shù)。

操作系統(tǒng)時，狹縫頭移動到基材上方位置的運(yùn)動可以手動或自動控制。自動控制的優(yōu)勢在于，涂層的在線監(jiān)測可用作調(diào)整狹縫頭高度的反饋。

此外，自動移動使得在間歇涂布中能夠快速升高/降低涂布頭，以獲得高度清晰的前沿和尾緣（leading and trailing edges）。通常，間隙高度通過數(shù)字高度規(guī)或千分尺確定。這些固定在涂布頭支架上，并測量相對于輥筒或載臺頂部的位置。