涂覆和固化装置及方法
【专利说明】
[0001] 巧关专利的香叉引用 本申请要求享有W下申请的权益，其均通过引用而完整地结合在本文中：于2013年2 月8日提交的美国临时专利申请No. 61/762,603(文档号No.ENKI-0003-P01)、于2013年 3月15日提交的美国专利申请齡.13/835,253(文档号齡.￡服1-0003-1101)和于2013年 12月23日提交的美国专利申请No. 14/138, 542(文档号No.ENKI-0006-U01)。
[0002] 于2013年12月23日提交的美国专利申请No. 14/138, 542 (文档号号No. ENKI-0006-U01)是W下美国专利申请的继续部分，其均通过引用而完整地结合在本文中： 于2013年3月15日提交的美国申请No. 13/835, 253 (ENKI-0003-U01)，其要求享有于2013 年2月8日提交的美国申请No. 61/762,603(ENKI-0003-P01)的优先权。
[0003] 与联巧基舍研究或发展巧关的申巧 本发明是在政府支持下依据由美国能源部资助的合同DE-EE0006040下取得的。政府 在本发明中具有某些权利。
技术领域
[0004] 本公开总地设及薄膜溶胶凝胶涂层的领域，尤其设及位于衬底例如玻璃或太阳能 面板上的涂层。
【背景技术】
[0005] 薄膜溶胶凝胶涂覆指利用被称为"溶胶"的湿化学配方涂覆衬底的技术，例如光学 表面、窗、太阳能面板表面等等，溶胶经历了 "凝胶化"过程，其在该过程中聚合W便在衬底 上形成固体薄膜。运些薄膜通常经历后续的固化步骤，W增加机械强度和其它属性。运种 固化通常通过加热或照射衬底和涂层来完成。薄膜溶胶凝胶涂覆是非常通用的工艺过程， 其具有许多工业用途，例如在半导体晶片上形成介电层和在陶瓷上形成防水层。目前有若 干种用于将湿溶胶施用于衬底上的记录在案的技术，其中某些广泛用于工业用途，其它通 常局限于实验室中。工业溶胶凝胶涂覆最普遍通过浸溃、喷涂、气溶胶沉淀、旋涂、弯月面、 槽-模或漉社工艺来执行。还有若干种方法用于固化溶胶凝胶薄膜，其包括在炉中烘烤，用 微波、红外线或紫外线福射能量进行处理，W及暴露于流动的热气体下。运些方法可与或不 与催化或有助于固化工艺的涂层成分协同工作。
[0006] 在浸溃涂覆工艺中，有待涂覆的衬底浸溃到包含溶胶的储槽中然后在依赖工艺的 速度下将其撤回。随着衬底缓慢地从溶胶中拉出，凝胶化工艺刚好发生在表面上，并形成薄 膜层。浸溃涂覆工艺天生是双面的，因为衬底的所有侧面和边缘都被涂覆。如果需要完整 的溶胶覆盖范围的话，运可为有利的，如果衬底的某些部分上的涂层干扰了后面的衬底处 理步骤，那么运是不利的。浸溃涂覆技术需要比衬底略大的储槽，其对于大的衬底而言意味 着储槽可保持大量的溶胶。对于主要由有机溶剂组成的溶胶而言，运可能造成蒸气和易燃 性危险。控制更大储槽中的溶胶的成分和品质也可为有挑战性的。浸溃在储槽中的各个新 的衬底可能携带污染，其被传递给溶胶；溶胶可能随着更多的衬底被处理而在某些元素方 面被耗尽了，导致生产的薄膜中的变化。溶胶可通过在引入衬底的表面上的溶剂的蒸发而 变化。
[0007] 喷涂存在许多形式，但通常可被认为是在气体射流所夹带的材料压力或雾化作用 下通过喷嘴进行材料的沉淀。在所有情况下，材料跨越在喷嘴和有待涂覆的表面之间的间 隙而移动。喷涂系统的目的是在很宽的衬底区域上沉淀均匀的材料层。在衬底上的溶胶凝 胶涂覆的情况下，喷涂具有只将新鲜材料施用于衬底上的优点。溶剂的仔细选择和溶剂蒸 发的控制需要确保正确的最终浓度的溶胶传送至衬底上。喷涂通常需要喷嘴或衬底移动， W便涂覆到某一区域上，例如衬底可移动而越过成排的固定喷嘴。
[0008] 旋涂通常用于半导体晶片加工工业和液晶显示显示面板工业中，W便将均匀的材 料层施用于平整的衬底，例如娃晶片或大件玻璃的表面上。其具有与喷涂相同的优点，因为 只有新鲜的材料进行沉淀。其还具有优秀的均匀性控制。通常，执行旋涂的设备倾向于是 复杂且维护昂贵的，因为需要精细的机械控制W取得均匀性。运随着衬底尺寸的增加而尤 其如此。
[0009] 弯月面涂覆在让位于旋涂之前历史上用于半导体工业。其在LCD显示器工业中仍 然被某些设备厂商使用。弯月面涂覆使有待涂覆的衬底在狭窄的槽上W非常近的距离穿过 而构成，使得被迫穿过槽的材料与衬底形成连续的弯月面。当衬底移动穿过槽时，运个弯月 面使一层材料沉淀在衬底上。该技术需要在槽的全长上对槽和衬底之间的距离进行精密控 审IJ。通常，衬底必须极端平整，W避免运个距离的偏差。另外，运种技术最适合粘性材料，其 可形成大的弯月面。运限制了溶胶凝胶配方的可用性，其使用比较低粘度的溶剂。
[0010] 漉涂是一种用于平整衬底上的溶胶凝胶涂覆的常用施用方法。在运种工艺的一个 实施例中，材料从储槽沉淀到施料漉上。刮刀漉的刮片可用于控制放置在施料漉上的涂料 的厚度。然后将那种材料直接从施料漉传递至衬底上。通常，漉涂最适合连续的衬底，例如 钢卷。在不连续的衬底例如玻璃或木材的情况下，可能采用特别的技术来控制在衬底的前 缘和后缘的涂层的均匀性。运些技术包括例如通过W精确控制的方式使涂覆漉子下触到前 缘上W及从后缘抬升，从而改变施料漉的接触压力。施料漉可在向前的方向运行，即W衬底 的运动方向或逆向方向滚动，其中施料漉与衬底的运动方向相反。施料漉的表面可由屈从 材料制成，其用于补偿衬底上任何表面度或平整度变化，并提供一个表面，其中涂料将W合 理的均匀方式粘附到该表面上，或者施料漉可为比较坚实的材料。依赖于有待涂覆的材料 的流变性能，漉子的表面可具备有待在涂层施用中添加的槽或其它纹理的图案。
[0011] 流涂是一种技术，在该技术中，涂料在有待涂覆的表面上流动。过量的涂料滴落， 并且保留在表面上的涂料形成最终涂层。表面可为平整的或不规则的。通常，衬底经过定 向，使得涂料由于重力而流动。运种技术的优点是其简单，涂覆不规则表面的能力，W及只 使用新鲜的材料或使表面滴落的过量涂料再循环的选择。
[0012] 在相对较低的溫度下，例如低于150°C时使运种涂层干燥和固化可能也是优选的， 使得涂层能够施用于衬底上并进行干燥和固化，之前在该衬底上已经附着了其它热敏性材 料，例如完全装配好的太阳能面板。
[0013] 用于溶胶凝胶膜的固化工艺是单独的工艺，其发生在溶胶凝胶材料的凝胶化之 后。一种常用的固化方法是在炉中加热涂覆溶胶凝胶的物品。运具有简单的优点。炉可为 批量类型，其中一批涂料放置在炉中，然后将其密封，并保持一定的周期，然后打开并除去 该批涂料。在炉中的时候，涂料可能遭遇变化的溫度分布，其由炉的控制器产生。或者，炉可 能具有连续的类型，其中传送带或相似的运输机构使被涂覆的物品穿过被加热的容器。当 材料移动穿过容器时，其在不同的区域可能经历不同的溫度，产生由加热、在固定溫度下浸 泡、然后冷却组成的溫度分布。该分布可为炉中的溫度区域和运输机构的速度的函数。炉 中的热量可通过与热气体的对流来提供，热气体由燃料气体的燃烧，或者由电气元件加热 气体而产生。或者，涂覆的物品可通过福射热量而进行加热。
[0014] 某些类型的溶胶凝胶涂层可利用紫外线福射进行固化。在运些类型的材料中，材 料中的化学交联通过高能光子来促成。
[0015] 对于表面上的薄涂层的固化，热气体可直接在薄膜上穿过，从而通过传导加热表 面层。
[0016] 用于平整衬底的工业规模的溶胶凝胶涂覆的最佳方法应该能够选择性地只涂覆 衬底的一个面；在其涂料的使用上是经济节约的；提供容易的成分和污染控制；关于溶胶 凝胶配方是通用的，使得不同挥发性的溶剂可用且化学方面适合关键设备；具有较低的复 杂度和成本；能够处理衬底表面平整度方面较大的缺陷，并且能够实现优良的涂层均匀性。 最佳的固化方法应该是低成本高效率的；不会损伤涂覆的衬底；与现有涂覆工艺步骤的吞 吐量相匹配，并使涂料有效地固化至其最终所需的属性。
【发明内容】
[0017] 在一个方面，一种涂覆和固化装置可包括组合式漉涂和固化设备的传送器系统， 其中运种组合式漉涂和固化设备包括至少一个漉涂设备和至少一个固化设备，其中传送器 系统适合于运输基本平整的衬底穿过运种组合式漉涂和固化设备，处理器控制至少一个漉 涂设备的工艺参数和至少一个固化设备的气刀，其中气刀适合于在衬底穿过至少一个固化 设备时将被加热的空气引导至平整衬底的一部分上，其中所述至少一个漉涂设备适合于利 用溶胶凝胶涂料涂覆基本平整的衬底。基本平整的衬底可为至少部分完成的太阳能模块的 一部分。该装置还可包括设置在空气流中的电气元件，W便加热流过气刀的空气。空气可 被加热至在大约300°C至IOOCTC之间的溫度。该装置还可包括在空气流中的风扇，其将空 气引导至气刀。该装置还可包括电子控制器，其基于至少一个定位在空气流中的溫度传感 器的读数而控制溫度。该装置还可包括排气装置，W便从装置中除去被加热的空气。该装 置还可包括连接在气刀前缘上的平整板，其中平整板适合于与基本平整的衬底的顶表面形 成预热室。该装置还可包括沿着传送器系统而设置在气刀之前的红外线发射器，其中红外 线发射器适合于将基本平整的衬底加热至25°C至200°C之间的溫度。该装置还可包括沿着 传送器系统设置在气刀之后的红外线发射器，其中红外线发射器适合于将基本平整的衬底 保持在120°C至400°C之间的溫度。工艺参数可包括至少W下其中一个：刮刀漉间距和/或 给施料漉的压力、相对于基本平整的衬底所采用的施料漉间距或压力、通过传送器系统运 输基本平整的衬底的速度、W及在反向漉涂的情况下，在基本平整的衬底和施料漉的施料 表面之间的速度差异。处理器可进一步控制固化设备的工艺参数。多个漉涂设备和固化设 备可按顺序设置。离开气刀的空气溫度可在500°C至750°C之间。基本平整的衬底在传送 器系统上的速度可在0. 25cm/s至3. 5cm/s之间。所导致的基本平整的衬底表面的溫度可 在150°C至600°C之间。
[0018] 一方面，一种涂覆和固化方法可包括利用传送器系统将有待涂覆的基本平整的衬 底传送穿过组合式漉涂和固化设备，其中运种组合式漉涂和固化设备包括至少一个漉涂设 备和至少一个固化设备，利用所述至少一个漉涂设备对基本平整的衬底漉涂溶胶凝胶涂 料，并利用所述至少一个固化设备的气刀将溶胶凝胶涂料固化在基本平整的衬底上，其中 气刀适合于当传送器系统运输衬底穿过固化设备时将被加热的空气引导至基本平整的衬 底的一部分上。涂覆溶胶凝胶的基本平整的衬底可通过该方法来成形，其中溶胶凝胶涂料 的一部分被固化，而不同部分的溶胶凝胶涂料仍未固化。
[0019] 一方面，一种调节溶胶凝胶涂层性能的方法可包括利用至少一种物理分析方法 确定所需的固化溫度分布，W取得用于溶胶凝胶涂层的特定性能量度，选择用于气刀固化 系统的操作参数的设置，从而取得用于基本平整的衬底上的溶胶凝胶涂层的所需的溫度分 布，并在基本平整的衬底上利用气刀固化系统固化溶胶凝胶涂层。所述至少一个物理分析 方法可包括至少W下其中一种：热解重量分析、傅里叶变换红外光谱术、楠圆光度方法、纳 米压痕、磨耗测试、分光光度测定和水接触角测量。气刀固化系统的操作参数可包括至少W 下其中一个：衬底速度、气刀空气流体积、气刀输出空气溫度、气刀至衬底表面的开口距离、 用于预热区域的溫度设定点和用于后加热区域的溫度设定点。用于溶胶凝胶涂层的性能量 度可包括至少W下其中一个：硬度、耐磨性、表面能、折射率、光透率、厚度和多孔性。该方 法还可包括在固化步骤之前利用漉涂系统对基本平整的衬底涂覆溶胶凝胶涂层的步骤。涂 覆溶胶凝胶的基本平整的衬底可通过该方法来成形。特定的性能量度可包括在0. 2GPa至 IOGPa范围内的溶胶凝胶涂层的硬度。特定的性能量度可包括测试，在运种测试中，在根据 规范EN1096-2执行的磨损测试至少500次冲击之后损失不超过1%的绝对光透率。特定的 性能量度可包括水接触角，其中水接触角在6〇0至120"中。特定的性能量度可包括水接触 角，其中水接触角在沪至3〇0中。特定的性能量度可包括1. 25至1. 45的固化的涂覆溶胶 凝胶的折射率。厚度可为大约50nm至150nm。溶胶凝胶涂层的牺牲成分可挥发而形成所需 的多孔性。
[