加工条形基材的装置和方法
【专利摘要】本发明首先涉及一种在处理室(2)中对条形基材(1)进行加工、尤其进行镀膜的装置，具有在处理室(2)中围绕旋转轴(18)可旋转地支承的加工辊(3)，从第一卷轴(6)退绕的基材(1)以螺旋状铺放在所述加工辊外表面上的状态被连续加工、尤其被镀膜，其中，经过加工、尤其经过镀膜的基材(1)被卷绕在第二卷轴(7)上。为了在连续运行的过程中为条形基材涂覆上石墨烯或者纳米管膜，设有进气/排气装置(8，9，10)，用以产生基本上平行于旋转轴线(18)定向的气流(11，12)。本发明还涉及一种在所述装置中对条形基材(1)进行镀膜的方法。
【专利说明】加工条形基材的装置和方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在处理室中对条形基材进行加工、尤其进行镀膜的装置，所述装置具有在处理室中围绕旋转轴可旋转地支承的加工辊，从第一卷轴退绕的基材以螺旋状铺放在所述加工辊外表面上的状态被连续加工、尤其被镀膜，其中，经过加工、尤其经过涂层的基材被卷绕在第二卷轴上。
现有技术
[0002]文献JP2005-133165A描述了这种装置。加工辊是布置在壳体的圆柱形空腔中的圆柱体。
[0003]文献W02011 / 081440A2描述了一种装置，其中，加工辊局部浸没在浴槽之中。
[0004]文献W02012 / 134205A1描述了一种装置，其中，条形基材连续通过处理室。这里没设有加工辊。
[0005]文献US2012 / 0234240A1和文献US2011 / 0195207A1也描述石墨烯镀膜装置，其中，条形基材穿过处理室，并在该处被镀膜。在不使用加工辊的情况下完成该过程。
[0006]文献W02012 / 0287776A1描述了一种装置，其中，待镀膜的条形基材多次转向，用以随后穿过圆弧形的处理室，在该处理室中，基材被放置在多个滚轮上。处理室的径向外壁构成多个喷头，通过这些喷头将工艺气体导入到处理室。垂直于条形基材的延伸平面进行工艺气体的导 入。
[0007]文献EP2360293A1描述了一种类似的装置。这里也是在环形槽状的处理室中对基材进行镀膜。但是基材并非放置在多个滚轮上，而是平躺在一个辊筒上。这里也是相对于处理室的轴线沿径向输入气体。
[0008]文献US6, 630, 058B2描述了一种用于条形基材的镀膜装置，其中，祀材沿径向布置加工辊旁边。从所述靶材溅射出的导电材料沿径向抵达基材。
[0009]文献GB2458776A描述了一种对穿过狭长处理室的连续基材进行镀膜的装置。基材通过处理室的一端进入，然后重新出来。环形的转向装置位于处理室的另一端上。这里没设有加工辊。
[0010]文献US2011 / 0315657A1描述了一种对连续基材进行镀膜的镀膜装置，不使用转向装置的情况下引导连续基材穿过处理室。
[0011]文献US5，932，302描述了一种给连续基材涂覆含碳镀膜的装置，其中，沿着加工辊的表面引导基材。沿径向向加工辊输送原料。
[0012]文献US5, 711,814A描述了一种将薄膜沉积在基材上的方法,其中设有一个旋转的电极，基材被输送经过所述电极。将反应气体送入基材表面与电极表面之间的间隙之中，在这里形成等离子体。
[0013]文献EP0782176B1描述了一种将镀层沉积到连续输送的带状基材上的方法。为输送基材，主要设有具有沿轴向弯曲的表面的辊筒。
[0014]文献EP1999296B1描述了对条形基材进行镀膜的装置和方法。所述基材通过加工棍被导引。工艺气体导入机构位于加工棍旁边，所述工艺气体导入机构将工艺气体送入到工艺气体导入机构与基材之间的间隙中。所形成的气流可以在该间隙中要么沿加工辊的圆周方向流动要么沿加工辊的轴向流动。
[0015]文献EP21113585A1描述了由多个辊筒构成的、用于输送条形基材穿过处理室的输送装置，将加工辊布置在所述处理室之中，基材放置在所述加工辊上。利用进气机构在基材与进气机构之间的间隙中导入工艺气体。
[0016]文献W02010 / 144302A1描述了一种将镀层涂覆在条形基材上的CVD (化学气相沉积)涂覆装置，其中，所述基材被导引穿过多个前后布置的处理室。
【发明内容】
[0017]本发明所要解决的技术问题在于，提供一种装置以及一种方法，利用所述装置和方法可以将其用来给连续运行的条形基材涂覆上石墨烯膜或者纳米管膜，并且与现有技术中已知的装置以及方法相比具有工艺技术优势。
[0018]所述技术问题是通过一种根据本发明的在处理室中对条形基材进行加工、尤其进行镀膜的装置和方法解决的所述装置具有在处理室中围绕旋转轴可旋转地支承的加工辊，从第一卷轴退绕的基材以螺旋状铺放在所述加工辊外表面上的状态被连续加工、尤其被镀膜，其中，经过加工、尤其经过镀膜的基材卷绕在第二卷轴上，其中，设有进气/排气装置，用以产生基本上平行于旋转轴定向的气流，所述气流形成围绕加工辊的整个环周延伸的气流场。
[0019]所述装置首先并且基本上具有第一卷轴，条形基材卷绕在所述第一卷轴上。所述条形基材可以具有几毫米至几米的宽度。处理室可以是真空室。加工辊位于所述处理室中，加工辊具有足够的轴向长度，以便在该加工辊的外表面上支承更多圈条形基材。按照本发明，通过进气/排气装置形成基本上平行于加工辊旋转轴定向的气流。形成充分包绕加工辊的气流场，通过该气流场在加工辊旋转时输送基材。气流基本上垂直于基材的面法线经过该环形的气流场。从所述第一卷轴退绕的基材以螺旋状铺放的状态被连续镀膜。为此，所述加工辊围绕其旋转轴连续旋转。经过镀膜的基材被卷绕在第二卷轴上。根据本发明，所述装置、尤其是处理室具有进气装置以及排气装置。该进气/排气装置被这样设计，使其能形成基本上平行于旋转轴定向的气流。所述气流平行于加工辊的外表面流动。为了形成至少一股气流，所述进气/排气装置具有一个或多个进气口以及排气口。所述进气口被这样设计，使得气流相对于旋转轴沿轴向离开进气机构。排气机构的开口同样沿流动方向定向。进气机构及排气机构的开口被这样布置，从而可沿着加工辊的整个外周面形成轴向气流。这样可以形成两个气流场。清洗气体或冲洗气体从第一进气机构被导入处理室。所述的、尤其环形包绕加工辊的进气机构可以偏离加工辊的中心布置在基材进料侧。清洗气体或冲洗气体从该进气机构沿轴向流向加工辊的中心。排气机构在那里环形包绕加工辊，清洗/冲洗气体通过所述排气机构离开处理室。该排气机构也能够将工艺气体从处理室排出。第二进气机构用于将工艺气体导入处理室，该第二进气机构同样环形包绕加工辊。第二进气机构偏离加工辊的轴向中心布置在基材出料侧。设有加热装置，用以将加工辊的表面温度或者将处理室内部的气体温度加热到工艺温度。可以将所述加热装置布置在加工辊外部，但也可以将其布置在加工辊内部。利用加热装置形成温度轮廓，该温度轮廓的最高温度位于辊筒的轴向中心或者说在排气机构区域中。所述温度轮廓的最低温度位于加工辊的两个端部区域中。如果使用铜制成的基材，则最高温度可以为1085°C或者稍低。若为铝构成的基材，则最高温度可以为660°C或者更低。所述加工辊端部区域中的温度大致为室温或者略高于室温。在所述加工棍的一种优选的实施方式中规定，加工棍在其轴向中心区域中具有最大直径，该最大直径大于加工辊的两个端部区域上的直径。所述加工辊可以关于垂直于旋转轴延伸的、穿过其中心的假想平面镜像对称。构成加工辊的旋转体的外表面可以沿着旋转抛物面的曲面延伸。一般而言，加工辊可以具有梭子的形状。在室温下将基材卷绕在加工辊上。所述基材在连续穿过处理室的过程中被连续加热到接近于基材熔点的温度。加工辊的直径朝向其表面温度最高的区域增大，以此抵消基材的热长度膨胀。轴向输送基材的加工辊可以由不锈钢或者陶瓷材料制成。加工辊可以由均一的材料构成，或者由不同的材料构成。也可以用多个相互固定连接的、或者相互松散连接的辊筒体制成加工辊。在按照本发明所述的方法中，使用含碳气体作为工艺气体，利用惰性载气将含碳气体经由进气机构送入处理室之中。所述工艺气体沿与基材输送方向相反的方向流过处理室。优选使用H2、NH3> Ar、N2, CH4, C2H4, C2H2或C6H6作为工艺气体。但在此处也可以使用其它气体甚至也可以使用液体。使用H2、Ar、NH3作为清洗气体或冲洗气体。这里也可以使用其它气体甚至也可以使用液体。所述清洗气体优选沿基材输送方向流过处理室，其中，清洗区沿输送方向位于沉积区前面。利用根据本发明的方法将含碳膜沉积到可以具有至少一种金属的基材上。所述膜可以由石墨烯或纳米管构成。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]以下将根据附图对本发明的实施例进行阐述。在附图中:
[0021]图1示出用于条形基材I的输送和镀膜装置；
[0022]图2示出按照图1中的剖切线I1-1I剖开的剖面图；
[0023]图3示出根据图1所示加工辊3的表面上的温度分布曲线；
[0024]图4示出根据图1的示图，其中，用于接受未经镀膜以及经过镀膜处理的基材I的两个卷轴6、7被布置在处理室2内部；
[0025]图5示出根据图1的示图，其中，所述卷轴6、7被布置在上料室14、15内部，以及
[0026]图6示出根据图1的示图，其中，由所述卷轴6、7所构成的基材支架被布置在处理室2外部，并且通过气密的进入区16、17进入或离开处理室2。
【具体实施方式】
[0027]用于将石墨烯膜或者碳纳米管沉积在基材上的方法需要可以实现很大温差的处理室。利用根据本发明的装置或根据本发明的方法可以实现对非单晶基材的连续镀膜，为此可以将所述基材加热到接近其熔点的温度。例如可以使用铜或者铝作为基材。在此是指以螺旋形式卷绕在卷轴6上的铜箔或铝箔。根据本发明，该条形基材被安置在加工辊上，条形基材在所述加工辊上以螺旋状铺放的状态被加工。所述加工辊3具有这样的形状，即加工辊的周长或直径沿轴向这样变化，使得最大直径在最高温度区域中，并且使其最小直径在最小温度区域中。利用进气机构8、9形成平行于表面流向排气机构10的清洗气体流11和工艺气体流12。所述气体流基本上沿旋转轴18的方向流动，加工辊3围绕该旋转轴旋转。
[0028]图1示出根据本发明的装置的一般构造。在处理室2中待镀膜的基材I位于卷轴6上，所述基材可以具有几毫米至几米的宽度。所述基材I倾斜于轴线18朝向加工辊3进料，呈螺旋状卷绕在加工辊的外表面上。在处理室2内部经过镀膜的基材I'被卷绕在第二卷轴7上。
[0029]设有环形的进气机构8、9和环形的排气机构10。
[0030]呈环形布置于加工辊3周围的进气机构8位于基材进料侧，轴向气流11从环形侧壁所配备的排气口流出，这里是指清洗气体，所述清洁气体可以是H2、Ar或NH3。该清洗气流过清洗区4，并且利用大致布置于加工辊的轴向中心的排气机构10被抽出。环形包绕加工辊3的排气机构10具有图2中所示呈环形排列在侧壁上的开口 13。[0031]沿流动方向相对于排气机构10相间隔地设有第二进气机构9，所述第二进气机构9同样环形包绕加工辊3。工艺气体通过所述进气机构9的宽侧开口进入沉积区5，所述工艺气体沿箭头12所指方向流向排气机构10 (在该处将工艺气体抽出)。可以使用H2、NH3>Ar、N2, CH4, C2H4' C2H2 或 C6H6 作为工艺气。
[0032]所述两个进气机构8、9具有多个排气口，这些排气口的布置对应于图2所示排气机构10的开口 13。
[0033]如图1所示，所述处理室2具有沿基材I的输送方向依次前后设置的区域4、5。在清洗区4中，在沿传输方向升高的温度条件下清洗基材I。在沿输送方向布置于清洗区4后面的沉积区5中，在沿输送方向下降的温度条件下给基材镀上含碳结构、也就是镀上石墨烯或者纳米管。镀膜可以是热解表面处理工艺，但也可以是含碳沉积气体组分的气相分解的连续反应。基本上可以任意选择基材螺旋状铺放在加工辊3上的圈数。螺旋圈可以如此靠近，以至于基材I的边缘几乎接触。但是螺旋圈也可以如附图中所示相隔一定距离延伸。螺旋圈的走向基本上取决于将基材I铺放在加工辊3的外表面上的角度。
[0034]图3示例性地示出沿着加工辊3的轴向18的温度轮廓。在进入区范围内(最左边)、也就是在进气机构8的范围内具有等于室温或者略高于室温的温度!\。加工辊3的表面温度或者加工辊3上方的气相温度沿输送方向持续升高，在加工辊中心、也即排气机构10所处的位置上达到其最大值T2。在该处，温度T2略低于基材的熔点。加工辊3的表面温度或者加工辊3上方的气相温度沿输送方向又持续下降，直至在进气机构9 (最右边)达到与室温相等的温度值T1或者高于室温的某个值。
[0035]图4至6示出本发明的不同变型方案。这里清楚绘出了处理室2。这里所涉及的均为真空室，该真空室可以用惰性气体进行冲洗并且连接在真空泵上，从而能够将工艺压力调整到低于大气压力的范围内。如附图1和2所示，这些实施例也具有两个进气机构8、9和一个排气机构10形式的三个气体喷嘴。为了简明起见，这里没有绘出这些进气/排气机构。但是所有进气/排气喷嘴8、9、10均被设计成环形，并且沿圆周方向以相等距离包绕加工辊3的外表面。因此使所述喷嘴相对于加工辊3被同轴地布置。在这里也是平行于加工辊3的轴线18进行气体供应，从而形成沿轴向18流动的气流11、12。所述气流也可以如图1所示的实施例一样反向流动。进气或排气是通过在进气或排气机构8、9、10的侧壁的整个圆周范围内延伸的开口 13进行的。
[0036]清洗气体或者未耗尽的工艺气体从中央排气机构10被抽出，该排气机构位于加工辊最大直径的区域中，大致位于轴向中心。
[0037]图4示出将两个卷轴6、7布置在处理室2内部的布置方式。
[0038]图5示出将两个卷轴6、7布置在处理室2外部的布置方式。这里将上料室14、15法兰固定在处理室2上，卷轴6、7容纳在所述上料室中。可以利用没有绘出的门部件相对于处理室2封闭上料室14、15，从而可以使得处理室2在更换卷轴的过程中保持真空状态。
[0039]在图6所示的实施例中，卷轴6、7被布置在处理室2外部。设有进入区16、17，进入处理室2的基材I以及从处理室2出来的基材I'可通过这些进入区进出。
[0040]为了抵消加工辊3的外表面上的基材I由于温度梯度而出现的热膨胀，在表面温度和直径之间建立关联。如此根据局部表面温度来决定局部直径，即温度较高的区域具有比温度较低的区域更大的直径。这样避免在镀膜时避免基材之内出现应力。所述加工辊3具有这样的纵截面，从而能够在给定温度分布曲线的情况下通过加工辊3的表面基本无应力地输送条形基材I。尤其在具有沿输送方向逐渐减小的温度的区域中不会由此导致基材
I,内部的拉伸。利用轴向可变的直径基本上可以抵消由温度梯度引起的基材长度变化。
[0041]上述实施方式用于阐述本申请所概括的发明，这些实施方式各自通过以下特征组合改进了现有技术，也即:
[0042]一种装置，其中，在处理室2中对条形基材I进行加工、尤其进行镀膜，所述处理室具有在处理室2中围绕旋转轴18可旋转地支承的加工辊3，从第一卷轴6退绕基材I以螺旋状铺放在加工辊外表面上的状态被连续加工、尤其被镀膜，经过加工、尤其经过镀膜的基材I被卷绕在第二卷轴7上 ，设有进气/排气装置8，9，10，用以形成基本上平行于旋转轴18定向的气流11，12，所述气流形成围绕加工辊的整个圆周范围延伸的气流场。
[0043]一种装置，其中，所述进气/排气装置8，9，10具有进气机构8，9。
[0044]一种装置，其中，所述进气/排气装置8，9，10具有排气机构10。
[0045]一种装置，其中，所述进气机构8，9被设计为环形的。
[0046]—种装置，其中，所述排气机构10被设计为环形的。
[0047]一种装置，其中，设有清洗区4和沿旋转轴18的方向与所述清洗区错开布置的沉积区5。
[0048]一种装置，其中，所述环形的进气机构8，9具有沿旋转轴18的方向打开的开口 13。
[0049]一种装置，其中，所述环形的排气机构10具有沿旋转轴18的方向打开的开口 13。
[0050]一种装置，其中，用于吸收清洗气体或工艺气体的所述排气机构10大致在加工辊的轴向中心环形包围加工辊3，所述清洗气体或工艺气体从环形包围加工辊3的进气机构8，9导入处理室。
[0051]一种装置，其中，可以这样加热所述加工辊3，使其表面温度可以达到高于室温T1的工艺温度T2，其中特别规定，在加工辊3内部布置加热装置，所述加热装置形成在加工辊中心具有最高温度的轴向温度轮廓。
[0052]一种装置，其中，所述加工辊3的直径在其轴向中心最大，并且所述加工辊尤其具有沿着旋转抛物面延伸的外表面。
[0053]一种方法，其中，镀膜是石墨烯膜或者纳米管膜。
[0054]一种方法，其中，工艺气体含有碳、并且尤其是CH4、C2H4、C2H2、C6H6。
[0055]一种方法，其中，清洗气体是H2、Ar、NH3。[0056]所有已公开的特征(本身)均为发明特征。因此相关/所属的优先权文件的公开内容(在先申请文件副本)均被内容完整地纳入本申请书的公开范围内，旨在将这些资料所述的特征收纳为本发明的权利要求。从属权利要求利用其特征对现有技术的创造性改进方式进行了表征，尤其可根据这些权利要求提出分案申请。
[0057]附图标记清单
[0058]I 基材
[0059]I' 基材
[0060]2 处理室
[0061]3 加工辊
[0062]4 清洗区
[0063]5 沉积区
[0064]6 卷轴
[0065]7 卷轴
[0066]8 进气机构,冲洗气体
[0067]9 进气机构，工艺气体
[0068]10 排气机构
[0069]11 气流，冲洗气体
[0070]12 气流，工艺气体
[0071]13 开口
[0072]14 上料室
[0073]15 上料室
[0074]16 进入区
[0075]17 排出区
[0076]18 轴线
【权利要求】
1.一种在处理室(2)中对条形基材(I)进行加工、尤其进行镀膜的装置，具有在处理室(2)中围绕旋转轴(18)可旋转地支承的加工辊(3)，从第一卷轴(6)退绕的基材(I)以螺旋状铺放在所述加工辊外表面上的状态被连续加工、尤其被镀膜，其中，经过加工、尤其经过镀膜的基材(I)卷绕在第二卷轴(7)上，其中，设有进气/排气装置(8，9，10)，用以产生基本上平行于旋转轴(18)定向的气流(11，12)，所述气流形成围绕加工辊的整个环周延伸的气流场。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进气/排气装置(8，9，10)具有进气机构(8,9) ο
3.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述进气/排气装置(8，9，10)具有排气机构(10)。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述进气机构(8，9)被设计为呈环形。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述排气机构(10)被设计为呈环形。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于清洗区(4)和沿旋转轴(18)的方向与所述清洗区(4)错开布置的沉积区(5)。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述环形的进气机构(8，9)具有沿旋转轴(18)的方向打开的开口(13)。
8.根据权利要求 4至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述环形的排气机构(10)具有沿旋转轴(18)的方向打开的开口(13)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于吸收清洗气体或工艺气体的所述排气机构(10)大致在加工辊的轴向中心环形包绕加工辊(3)，所述清洁气体或工艺气体从环形包绕加工辊(3)的进气机构(8，9)导入所述处理室。
10.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，可以这样加热所述加工辊(3)，使其表面温度可以达到高于室温(T1)的工艺温度(T2)，其中特别规定，在加工辊(3)内部布置加热装置，所述加热装置形成在加工辊中心具有最高温度的轴向温度轮廓。
11.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述加工辊(3)的直径在其轴向中心为最大，并且所述加工辊尤其具有沿着旋转抛物面延伸的外表面。
12.在根据上述权利要求中任一项所述的装置中对条形基材(I)进行镀膜的方法，其特征在于，使用的镀膜是石墨烯膜或者纳米管膜。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述工艺气体含有碳，并且尤其是CH4、c2h4、c2h2、c6h6。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述清洗气体是H2、Ar、NH3。
15.一种装置或方法，其特征在于权利要求1-11中任一项所述的特征。
【文档编号】C23C16/26GK103834935SQ201310757363
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】K·B·K·泰奥, N·L·鲁佩辛格 申请人:艾克斯特朗欧洲公司