狭缝涂布是什么意思？工作原理是怎么样的呢？

狭缝涂布：理论、设计与应用

狭缝涂布是一种极其通用的沉积技术，其中溶液通过一个靠近基材表面的狭缝输送到基材上。

狭缝涂布方法的一个主要优点是湿膜涂层厚度、溶液流速以及涂层基材相对于涂布头的速度之间存在简单的关系。此外，狭缝涂布能够在大面积上实现极其均匀的薄膜。例如，Ossila 狭缝涂布机可以在许多米范围内产生厚度变化低于 5% 的涂层，并且在 100 毫米范围内厚度变化小于 50 微米（0.05%）。

狭缝涂布是许多可用于将薄液膜沉积到基材表面的方法之一。与旋涂或浸涂等传统技术相比，狭缝涂布的一个主要优势是它可以轻松集成到放大工艺中，包括卷对卷（roll-to-roll）涂布和片对片（sheet-to-sheet）沉积系统。

该技术本身在涂层表面的长度/宽度上提供了高水平的涂层均匀性，特别是在手套箱内操作时，并且可以沉积厚度范围从几纳米到数微米的薄膜。它可以针对广泛的溶液类型和粘度，在每秒几厘米到几米的速度范围内实现这一点。

狭缝涂布概述

狭缝涂布属于一类被称为预计量（pre-metered）涂布技术的技术。对于预计量沉积，最终膜厚取决于溶液通过系统的速率。这使得湿膜厚度的理论确定比其他方法容易得多。

由于狭缝涂布相对于其他卷对卷兼容技术提供了优异的加工窗口，该方法对于正从实验室规模的薄膜制造转向中试规模生产的研究人员具有极大的意义。聚合物和钙钛矿光伏、有机发光二极管、量子点和光子结构（以及其他许多领域）的研究人员现在正专注于将狭缝涂布作为沉积技术应用于他们的研究，以确定将其材料和器件结构转移到放大工艺的可行性。

尽管狭缝涂布有许多优点，但它比其他沉积技术更复杂，并且沉积质量对加工参数高度敏感。然而，有许多设计考虑可以帮助确保高涂层均匀性。

狭缝涂布机的结构

狭缝涂布机的设计和制造基于向给定表面提供均匀的溶液输送。当从均匀涂覆小面积（几平方毫米）过渡到涂覆大面积（数平方米）时，这个单一的简化要求可能难以管理。为了实现这一点，狭缝涂布机被分解为几个专门设计的子系统。

总共有四个不同的子系统：

计量系统控制流入系统的溶液流速

分配系统确保溶液在涂层宽度上均匀分布

头定位系统保持涂布头相对于基材的位置

基材移动系统决定基材如何通过狭缝涂布头

上图显示了一个简化的卷对卷狭缝系统。均匀的溶液流必须从计量系统输送到狭缝头。这对于提供指定的涂层厚度以及沿涂层长度恒定均匀的薄膜非常重要。

溶液分布由狭缝头控制。内部空腔的尺寸决定了溶液在涂层宽度上的分布。狭缝头开口的尺寸和尺寸对于在狭缝头和基材表面之间形成稳定的涂层珠（coating bead）也很重要。

狭缝头位于移动基材的上方，涂布头相对于基材的高度对涂层质量有很大影响。大多数系统通过千分尺或电动平台控制；一些高级系统允许涂布头相对于基材倾斜，使得涂布头前后之间存在可变的间隙。

系统的最后一部分是基材如何相对于涂布头移动。在卷对卷系统中，这由以给定速度送入柔性片的辊筒控制。在片对片系统中，可以使用线性平台来移动基材；此方法通常用于刚性基材。

所有这些子系统的相互作用导致形成稳定的涂层，其中沉积的湿膜厚度最终由以下因素决定：

基材通过狭缝头的速度

溶液从狭缝头分配的速率

溶液计量

溶液计量是狭缝系统中必需的，因为溶液的输送对涂层的均匀性和薄膜的实际厚度有显著影响。溶液分配的速率必须保持恒定，因为从计量系统分配的溶液的速率与沉积膜的厚度成正比。流速的任何变化都会导致膜厚的变化。因此，对计量系统提出了高公差要求。

另一个重要方面是计量系统的输送方式。一些输送方法以小脉冲而不是恒定速率提供溶液，这些脉冲的频率会导致薄膜中出现震颤缺陷。

此外，在不同压力下使用时，输送系统的响应会对溶液输送的速率产生影响。由液压或气动控制的泵可能会因溶液粘度变化而出现问题。

提供溶液计量的方法有很多。使用的泵类型通常取决于几个因素，包括：

要涂覆的最大溶液体积

溶液的流速

流速的准确性

被泵送溶液的性质

系统的成本限制

用于狭缝系统中溶液计量的泵类型通常可分为两种类型的容积泵：

蠕动泵（Peristaltic pumps），其中溶液容器的体积减小导致溶液被置换

旋转泵（Rotary pumps），其中旋转元件将溶液从泵壳的一侧转移到另一侧

对于实验室测试中常见的小体积和低流速，简单的蠕动泵（如注射泵）是合适的。在这些计量系统中，活塞或柱塞用于置换溶液。溶液进入狭缝系统的速率取决于活塞移动的速率和活塞的直径。

使用注射泵时，位移由电子步进电机控制，有助于保持排出的体积与压力无关——前提是置换溶液所需的力小于电机可以提供的力。使用这些分配系统时，步进速率对于避免因电机步进脉冲导致缺陷形成很重要。

对于更大的涂布体积和速率，这些较小的系统通常不太适合。相反，使用连接到大型溶液储罐的旋转泵。在这些系统中，位移由一个旋转元件提供，该元件以可以限制溶液流动的方式放置。

泵入系统的体积与以下因素直接相关：

元件旋转的速度

每次旋转通过的溶液体积

与蠕动泵相比，旋转泵方法减少了流速脉冲的影响。然而，由于位移机构与溶液接触，保护机构免受损坏并保护溶液免受污染可能成为问题。

狭缝头设计

狭缝涂布系统最复杂的方面之一是狭缝头的设计。涂布头控制溶液在涂层宽度上的分布、薄膜的实际涂层宽度，并有助于确定涂布过程的稳定性。

上图显示了狭缝头设计的内部。涂布头由几个关键部件组成——包括入口、分流板、平台（land）、狭缝（slot）、垫片（shim）和唇口（lip）。一些涂布头可以有多个分流板和平台（称为预平台 pre-lands）以改善溶液的分布。然而，增加这些部件的尺寸和数量也会增加系统中的死体积（dead volume）。

入口与分流板（Inlet and Manifold）

对于入口，位置通常在系统的中间，靠近分流板的顶部。对于宽度较大的狭缝头，可以使用多个入口来减小所需的分流板尺寸，以及平台、预平台和狭缝的长度。一旦溶液进入系统，就开始填充分流板。

该部分有多种设计，正是这部分对分布影响最大。

上图显示了分配分流板的最常见设计和可用的不同横截面。简单的设计是T形分流板，其中分流板的底边和顶边与狭缝的出口狭缝平行。这为溶液流向出口狭缝创造了恒定的长度（L1=L2），并导致远离入口的压力下降。

这导致靠近分流板末端的溶液流速较低，溶液在涂布头宽度上分布不均匀，以及溶液的传输时间不同。

为了在狭缝头宽度上实现相等的流速，分流板可以设计成衣架形（coat-hanger design）。这是指随着与入口距离的增加，分流板的底边越来越接近狭缝头的出口（L1>L2）。虽然使用衣架设计时溶液的流速在宽度上变得更加均匀，但衣架的形状必须针对不同的流速和溶液粘度进行重新优化。

可以使用一种称为“恒定剪切分流板（constant shear manifold）"的衣架形设计的改进形式，其中分流板底边与狭缝出口之间距离的减小不是线性的。相反，初始距离减小很小，而更靠近狭缝边缘时距离显著减小（L1>L2>>L3）。

这种设计允许在狭缝头宽度上保持恒定的流速（与溶液粘度和流速无关）。然而，恒定剪切分流板需要比其他设计更长的平台长度——同时，分流板的体积显著更大。这增加了所需狭缝头的尺寸和系统中的死体积，从而导致初始设置成本和运营成本高于更简单的设计。

平台、狭缝和垫片（Lands, Slots, and Shims）

涂布头内的预平台（pre-lands）、平台（lands）和狭缝（slots）都是溶液流动因狭窄通道而受到限制的区域。该通道的宽度和长度对于控制狭缝头内的压力降至关重要，这有助于控制湿膜涂层的稳定性。

溶液通过这些狭窄通道的流动由泊肃叶流方程（Pouiselle Flow equation）决定（由下面的方程给出），其中狭缝头内的压力降（delp）由溶液的流速（V）、溶液的粘度（mu）、通道长度（L）和通道宽度（b）决定。

由此可以看出，对压降控制程度最高的参数是通道宽度。然而，更改通道长度和宽度的成本非常高，因为每次更改都需要重新铣削新的涂布头。可以通过使用不同厚度的垫片来改变通道宽度来规避这个问题。

通过针对不同的流速或溶液粘度使用不同尺寸的垫片，可以将压降保持在固定值。

除了控制预平台、平台和狭缝厚度外，垫片还可用于设置涂层的宽度。它们可以允许沉积条纹图案，并且可以用作弯月面导向器（meniscus guide）以改善边缘清晰度。通过让最终的狭缝厚度由垫片决定，可以阻止溶液从狭缝涂布头的某些区域流出。

下图显示了垫片设计如何使用单个涂布头在基材上沉积 4 条材料条纹。当沉积涂层宽度小于狭缝涂布头宽度的条纹时，涂层弯月面会由于毛细作用力沿宽度方向扩散。这降低了涂层图案的精度，并可能导致多条条纹相互渗色。

为了提高边缘质量，可以添加弯月面导向器。这些导向器是带有薄突起的垫片，该突起位于狭缝头唇口下方。这些突起放置在有需要的条纹图案的位置，并将弯月面固定在垫片而不是唇口上。这可以防止弯月面沿着涂布头的宽度扩散。

唇口（Lips）

狭缝头设计的最后一个方面是唇口。这是涂布头出口狭缝的上游和下游区域。在这些区域，弯月面固定在狭缝头上，这些弯月面的稳定性会受到唇口设计和定位的强烈影响。唇口设计简单的改变是增加唇口的长度。

下图显示了唇口可用的三种不同几何形状。它们是：

标准配置（Standard）：上游或下游唇口的间隙高度相等

下咬合（Underbite）：上游唇口间隙小于下游间隙

上咬合（Overbite）：上游唇口间隙大于下游间隙

改变配置的优势在于，可以在不改变下游弯月面稳定性的情况下提高上游弯月面的稳定性。

基材定位（Substrate Positioning）

狭缝头相对于基材的定位对于帮助稳定涂层珠（coating bead）非常重要。在片对片和卷对卷系统中，固定基材的载台（或辊筒）的加工和公差会对间隙高度产生很大影响。无论是由于表面粗糙度引起的局部缺陷、载台平整度问题还是辊筒的同心度问题，都可能导致间隙高度和涂层珠稳定性在基材长度上发生变化。

系统的精确公差将取决于您涂布的溶液和使用的加工参数。

操作系统时，狭缝头移动到基材上方位置的运动可以手动或自动控制。自动控制的优势在于，涂层的在线监测可用作调整狭缝头高度的反馈。

此外，自动移动使得在间歇涂布中能够快速升高/降低涂布头，以获得高度清晰的前沿和尾缘（leading and trailing edges）。通常，间隙高度通过数字高度规或千分尺确定。这些固定在涂布头支架上，并测量相对于辊筒或载台顶部的位置。