層壓過程以及用於其中的輥的製作方法

2023-07-12 01:29:41

專利名稱：層壓過程以及用於其中的輥的製作方法
技術領域：
0003本發明一般涉及層壓過程，且更為具體地涉及用於層壓薄的、 柔性材料的長巻材。另一方面，本發明涉及可在層壓過程中使用的專 門的、徑向可壓縮的輥。
背景技術：
0004為了減輕器件重量和/或提供柔性器件，包括但不限於光伏器 件、電子電路、顯示器、光學濾波器等的薄膜光電器件通常被設置在 薄的、柔性基片上。這些基片可包括金屬片或聚合體，且在具體情況 中，這樣的聚合物可包括聚醯亞胺。
0005利用薄的基片體可使器件的製作複雜化，尤其是如果利用高 速、大容量過程，例如巻-巻的沉積過程的話。在這樣的情況下，薄的、 柔性基片被頻繁地支撐在諸如金屬片或聚合物片的承載材料體上。器 件製作之後，通過物理的和/或化學的方法來移除承載件。在一個具體 示例中，由聚醯亞胺組成的薄的聚合物基片被支撐在承載件上，該承 載件包括諸如不鏽鋼的鐵合金片。器件製作之後，通過蝕刻來移除不 鏽鋼。美國專利7，176，543中公開了一種這樣的過程，其中該專利的公開內容在此併入以作參考。
0006在上述類型的過程中，必須將薄的柔性基片固定到承載構件， 從而為薄膜層沉積提供平滑均勻表面。典型地，利用加熱與加壓相結 合以及可選地利用熱熔膠或其他熱活性熔膠、通過層壓將基片接合到 承載件，從而實現這樣的固定。對於相對小面積的基片，可容易地實 現層壓過程；但是，當要準備大面積的基片，諸如相當長的材料巻材 時，可能產生均勻性問題。典型地，在低壓下實現層壓過程，從而避 免形成可危害層壓表面的氣泡或包含物。 一種長的材料巻材的層壓方 法包括在張力狀態下將巻材以交替的構造巻到圓柱形支撐件上，且然 後將巻起的材料設置在低壓環境中並加熱該材料以便實現層壓。
0007基片材料的層壓典型地在相當高的溫度下實現，並且由於高 溫可導致巻材所纏繞的輥變形或其他不利影響，因此這些溫度可導致 在層壓過程中的問題。這樣的變形可引起不平、變彎、起皺或層壓產 品中的其他缺陷。在一些情況下，輥可具有彈性體表面，該彈性體表 面可用作保持纏繞的巻材中的張力，並因此適應熱應力；然而，由於 諸如除氣、熱降解等的問題，這樣的彈性體材料不能在高溫範圍內被 利用，而該高溫範圍典型被用於層壓這種類型的基片。陶瓷輥或各種 金屬合金輥可耐受高溫；然而，這樣的輥的熱膨脹不均勻，且通常當 被加熱時，它們在其中心將會膨脹到更大程度("桶")，因此以非均勻 的方式壓縮巻材。如下面將詳細解釋的，本發明已被開發出能克服這 些現有技術的缺點並提供了一種層壓過程與系統，其可操作以用於在 相當高溫度條件下，將長的材料巻材均勻層壓以便生產具有足夠高質 量的層壓材料，從而確保它們作為用於製備薄膜電子與光學器件的基 片。

發明內容
0008在此公開了一種用於層壓片狀材料的細長巻材方法。根據本 方法，第一細長材料片與第二細長材料片以交替的關係被巻到輥上， 該輥具有徑向可移位的外表面。之後，其上纏繞有交替巻材的輥被加 熱和/或暴露到低壓環境，從而完成巻材的層壓。在一些情況下，巻材中的一個可以具有被設置在其表面上的一層熱熔膠；在其他情況下， 單獨的一層熱熔膠可被插入在第一與第二巻材之間。該熱熔膠將用作 將巻材層壓到一起。輥的徑向可移位表面用作在其承受層壓過程的時
間內將巻材保持在適當程度的張力下。在這方面，巻材可被纏繞到輥 上以使輥的表面初始移位並壓縮，從而在巻材上提供偏壓力。可替換 地，加熱期間輥的膨脹可使輥表面移位，從而在巻材上施加偏壓力。
0009在一些情況下，巻材包括聚合材料層與金屬層。本方法可被
用於準備用於諸如光伏器件的電子器件的基片的層壓材料。
0010在本發明的具體方面，輥可包括多個板簧，所述多個板簧被 支撐在核心構件的外表面上。在具體方面，核心構件的外表面是圓筒 形表面，且板簧可由多個構件組成，其中所述多個構件中的每一個均 具有被設置成與圓筒形核心的長度尺寸對齊的長度尺寸以及與核心的 圓筒形表面的圓周對齊的寬度尺寸。


0011圖1是可通過利用本發明而被製備的層壓基片類型的剖視0012圖2是用於層壓材料體的製備過程中的第一步的圖，其中示 出具有纏繞在其上的材料的巻材的輥的局部剖視0013圖3是輥的一個實施例的側視圖，其中該輥可被用在本發明 的實踐中；
0014圖4是圖3的輥的透視0015圖5是圖3與圖4的輥的一部分的放大視0016圖6是一個板簧構件的俯視圖，其可被用於圖3-5的輥中；
0017圖7是根據本發明的輥的另一個實施例的一部分的端部視0018圖8是根據本發明的輥的再一個實施例的一部分的端部視圖； 以及
0019圖9是本發明的輥的又一個實施例的端部視圖，其具有徑向 可移位的外表面。
具體實施例方式
0020本發明提出一種用於層壓相對長的柔性材料巻材的方法，並提出一種可被用在層壓過程中的輥的專門類型。根據本發明的方法，第一與第二細長片狀材料巻材以交替的方式被纏繞在具有徑向可移位表面的輥上從而可壓縮該徑向可移位表面。以這樣的方式，徑向可移位表面施加一向外的、徑向的偏壓力在巻材上，從而將它們保持在均勻壓縮狀態下。然後巻材與輥被加熱到引起熱層壓過程。在具體情況下，在被巻的巻材經歷加熱的至少部分時間之前和/或期間，被巻的巻材承受低於大氣壓的環境。用"徑向可移位"意味著輥的外表面的至少一些部分能夠運動，該運動具有沿輥的半徑定向的一個分量，從而有效地改變了輥的直徑。
0021現在參考圖1，其示出根據本發明，層壓的被支撐基片的一部分。圖1的被支撐基片10包括基片材料體12、支撐構件14以及在其間的諸如熱熔膠、熱硬化膠或壓敏膠的粘合劑體16。要理解的是，在一些情況下，承載件14和/或基片12還可以包括在其上的其他層。例如，承載件14可包括在其上的應力平衡層，隨後當承載件被移除時該層被轉移到基片12。正如下面將描述的，防蝕刻層也可被設置在支撐件上，且該層將用作限制蝕刻材料的作用，隨後所述蝕刻材料將在層壓之後被用於將支撐件從基片移除。在其他情況下，基片12自身可包括在其上的其他層。圖1示出被用作使基片12與承載件14相粘結的粘合劑16;然而，要理解的是在一些情況下，可以取消粘合劑，並且單獨地通過加熱和/或加壓就可完成粘結。同樣應當注意的是，儘管圖1示出基片12與承載件14基本厚度相等，但是這兩個構件的相對厚度可以變化。
0022現在參考圖2，其示出用於將基片材料12的巻材層壓到承載件14上的過程中的第一步。具體地，圖2示出輥18的一部分，其具有徑向可移位的表面，而基片材料12的巻材與承載件材料14的巻材被纏繞在其上。如同將要看到的，這些材料的巻材的部分已經被纏繞到輥18上。如圖2中所示，基片材料12的巻材具有被置於其上的一層粘合劑16。在其他情況下，粘合劑16可被置於承載件14上，或者其可包括獨立的巻材。且如前面注意到的，在特定情況下，可取消粘合劑。
0023現在參考圖3，其示出具有徑向可移位表面的輥18的端部視圖。這是一種可被用於本發明實踐中的輥類型。圖4是這樣的相同輥的透視圖。正如在圖3與圖4中將要看到的，輥18包括大致圓筒形核心20，該大致圓筒形核心20具有被固定於其上的多個板簧，例如在本情況下被螺釘24固定到其上的彈簧22。正如在圖中將要看到的，板簧22被設置成圍繞圓筒形核心20的外表面，並與圓筒形核心的表面的長度尺寸方向大致對齊。這些板簧構件為輥提供了外表面，這樣的表面沿大致對應於輥的半徑的方向是部分可移位的。
0024現在參考圖5，其示出當對應於圖3時，輥的一部分的放大視圖。如在圖5中所見，板簧構件22被螺釘24固定到核心20的表面。如在圖5中所示，板簧22是大致細長的、平面構件，其設置成與核心20的圓筒形表面相切，從而板簧22的兩個邊緣與輥的表面間隔開。板簧是彈性的，且因此自由邊緣部分可沿運動的路徑隨大致垂直於輥表面的至少一個部件而彈性地變形，且在本公開的內容中，這樣的變形被稱為徑向變形。正如在圖5中所示，彈簧22的邊緣一般是漸縮的。對於本發明的實踐，這樣的特徵並不必要，但是其確保了材料的巻材更為光滑地纏繞在其上。如圖5中所示，彈簧22的兩側上的邊緣都是漸縮的。這種雙重的漸縮對應光滑纏繞不是必須的；單側的漸縮就可滿足需要。然而，通過使兩側都漸縮，彈簧可周期性地從核心20移除並翻轉，從而延長了其使用壽命。在具體情況下，板簧22由諸如不鏽鋼彈簧鋼的彈簧鋼製作。然而，要理解的是，其他的彈性材料也可被利用。圖6示出板簧的一種專門構造的俯視圖，其中該板簧可被用於製作輥。在這樣的情況下，彈性材料是厚度為0.030英寸的彈簧鋼。
0025回到參考圖4，將看到，板簧構件22被螺釘24固定到核心20。螺釘被設置在接近每一個板簧的端部。通過這樣設置螺釘，輥的中心部分可自由接收與保持在其上的材料巻材。為了適應彈簧與核心可能不同的熱膨脹，彈簧可被連接到核心從而允許其間的相對運動。例如，彈簧可包括接收螺釘的槽。且，彈簧可被具有軸肩的軸肩螺釘固定到核心，其中該軸肩稍小於在彈簧內的開口並且稍厚於彈簧的厚度。以這樣的方式，螺釘可牢固地安坐到核心上，且軸肩將"避開"螺釘頭的其餘部分，從而為容納彈簧的運動提供了間隙。本領域的技術人員將清楚其他這樣的結構。也可使用固定的各種其他方法。例如，彈簧條可被焊接或銅焊到核心上，且這樣的固定可沿彈簧的全長或者在一個或更多個選擇部位(例如端部)進行。
0026核心與板簧的各種其他構造也可被用於製作輥。例如，圖7示出包括核心20的輥的另一構造的一部分，且如前所述具有被螺釘24固定到核心20的板簧構件26。然而，圖7實施例的輥包括板簧26，該板簧26被固定到接近其一邊緣，從而另一邊緣與核心20間隔開。在圖7中，僅彈簧26的一側具有漸縮的邊緣；然而，如圖5中所示的兩側、雙重的漸縮也可被用在本實施例中。而圖8示出另一實施例，其中具有大致圓角邊緣的彎曲板簧28被固定到核心20。而其他實施例對於本領域的技術人員也是明顯的。
0027具有可移位表面的其他構造可在本發明的實踐中被利用。例如，圖9示出包括多個節段(例如節段32)的輥30，這些節段配合地共同限定大致圓筒形的輥表面。這些節段被彈簧34連結於彼此。彈簧34的存在允許輥30的圓筒形表面可被壓縮及移位。在圖9實施例的變形中，節段32的數量可以在數量上增加或減少。同時，可通過如彈性體、氣動或水壓裝置等的其他偏壓構件來代替彈簧。而帶有可移位表面的輥的其他實施例可被用於實踐本公開的方法。要注意的是，本發明提供了由諸如金屬或陶瓷的耐高溫材料來製造帶有徑向可移位的表面的輥。在一些具體情況下，根據本發明的輥可完全由金屬和/或陶瓷製成。
0028在實施例的專門的一組中，用於超輕光伏器件與其他這樣的半導體器件的基片通過如下過程被製備，即其中由聚醯亞胺材料組成的基片被層壓到不鏽鋼或其他鐵支撐構件上，其中所述聚醯亞胺材料諸如為在註冊為Kapton⑧下銷售的材料。在這些實施例中，聚醯亞胺典型地具有0.5-2 mil (密耳)範圍內的厚度，並且在專門情況下具有近似lmil的厚度。聚醯亞胺材料具有基於熱熔膠的含氟聚合物塗層，該塗層具有近似0.2mil的厚度。支撐構件是厚度為5mil的不鏽鋼體，且在具體情況下，不鏽鋼被塗覆有厚度為近似500納米的氧化鋅層。在層壓過程中，這樣的層將被轉移到聚醯亞胺基片並用於防止層巻曲。在具體情況下，具有厚度為近似50納米的諸如鈦的金屬層被設置在不鏽鋼上、氧化鋅層之下。當隨後不鏽鋼層從聚醯亞胺被蝕刻掉時，該鈦層用作防止對氧化鋅層的蝕刻。因此，它被稱為防蝕刻層。
0029在本過程中，不鏽鋼支撐件與聚醯亞胺基片在張緊狀態下、以如圖2中所示的交替關係被纏繞到輥上。被纏繞的輥被設置在真空容室內且保持在l-50毫米汞柱的大致壓力範圍內。在具體情況下，該容室在氮氣流下被保持在近似IO毫米汞柱的壓力。通過使用常規電爐來實現加熱；然而在具體情況下，通過將輻射加熱器設置在輥的核心內並將加熱器毯置於圍繞被巻材料的外側而實現加熱。也可利用其他的加熱方式。在24小時的時間內，輥被升高到35(TC的溫度，然後在35(TC保持另一個24小時的時間，並且隨後在第三個24小時的時間內將其冷卻到室溫。 一旦輥已經冷卻，則容室被提升到大氣壓且輥被移除。已經發現，這樣產生了沒有氣泡或其他包含物的高質量的層壓。因此，製造的基片具有非常均勻且平坦的表面，並且非常適於在其上沉積高質量的薄膜電子器具。
0030要理解的是，可以實現本過程的改進與變形。例如，壓力與溫度條件以及次數可被改變，只要對於正在被層壓的具體材料是恰當的即可。在一些情況下，並不需要低壓環境。在其他情況下，層壓可僅通過壓力而完成，且不需要顯著的外部加熱。在一些情況下，巻材可以在張緊狀態下被纏繞到輥上，而在其他情況下巻材可以不處於顯著的初張力下，但是，隨後當輥被加熱且膨脹從而壓縮表面時，將被張緊。同時，如上所述，可壓縮輥的各種構造可被用在本發明中。所有的這樣的改進與變形都在本發明的範圍之內。前面的附圖、討論以及說明是本發明的具體實施例的示例性說明，但不表示其實踐方面的限制。只有所附的權利要求及其所有的等效物才限定了本發明的範圍。
權利要求
1.一種用於層壓片狀材料的細長卷材的方法，所述方法包括步驟如下提供片狀材料的第一細長卷材；提供片狀材料的第二細長卷材；提供具有徑向可移位外表面的輥；將所述第一與所述第二卷材以交替的關係卷到所述輥上；以及加熱在其上具有捲起的所述卷材的所述輥。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述第一與第二巻材被巻到 所述輥上，以便壓縮所述輥的徑向可移位表面，從而所述徑向可移位 表面將向外的偏壓力施加到巻在其上的所述第一與第二巻材上。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中所述第一與第二巻材被巻到 所述輥上，以便不初始地壓縮所述輥的徑向可移位表面；從而，當所 述輥被加熱時，所述輥膨脹從而導致其所述徑向可壓縮表面將向外偏 壓力施加到被巻在其上的所述第一與第二巻材上。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中所述第一與第二細長巻材中 至少之一具有被置於其表面上的粘合劑材料，且所述巻材被置於所述 輥上，從而所述粘合劑被插入到所述巻材之間。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中所述粘合劑是熱熔膠。
6. 根據權利要求1所述的方法，包括進一步的步驟提供粘合劑 材料體以及以在所述第一巻材與所述第二巻材之間交替的關係將所述 粘合劑材料體巻到所述輥上。
7. 根據權利要求1所述的方法，包括進一步的步驟在所述第一 與第二巻材被置於所述輥上的時間中的至少部分時間內，將所述第一與第二巻材保持在低於大氣壓的壓力下。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中所述低於大氣壓的壓力是在 1-50毫米汞柱的範圍內。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中至少一個所述巻材由聚合材 料組成。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中至少一個所述巻材由金屬組成。
11. 根據權利要求1所述的方法，其中至少一個所述巻材具有被置 於其上的至少一層無機材料。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中所述至少一層無機材料包 括一層氧化鋅與一層鈦中的至少之一。
13. —種具有徑向可移位外表面的輥，所述輥包括 具有外表面的輥核心；以及多個板簧，其中所述多個板簧被支撐在所述輥核心的所述外表面 的至少一部分上，從而每一個所述板簧的第一部分被固定到所述表面， 且在沒有外部偏壓力的情況下每一個所述板簧的第二部分與所述表面 間隔開並能通過施加到其上的外部偏壓力而被偏壓向所述表面。
14. 根據權利要求13所述的輥，其中所述輥核心的所述外表面是 圓筒形，且其中每一個所述板簧是具有比寬度尺寸更大的長度尺寸的 細長彈簧，每一個所述板簧被設置在所述表面且其長度尺寸與所述圓筒形表面的長度尺寸對齊且其寬度尺寸與所述圓筒形表面的圓周對 齊。
15. 根據權利要求14所述的輥，其中所述板簧是大致平面的構件， 且被設置成其寬度尺寸限定了與所述輥核心的所述圓筒形表面相切的線。
16. 根據權利要求13所述的輥，其中所述多個板簧的邊緣中至少 一些是漸縮的。
17. 根據權利要求13所述的輥，其中所述板簧由彈簧鋼製作。
18. 根據權利要求13所述的輥，其中所述板簧具有近似0.03英寸 的厚度。
19. 一種用於層壓片狀材料的細長巻材的方法，所述方法包括下列 步驟提供片狀材料的第一細長巻材； 提供片狀材料的第二細長巻材；提供具有徑向可移位外表面的輥，所述輥包括具有外表面的輥核 心以及多個板簧，所述多個板簧被支撐在所述輥核心的所述外表面的 至少一部分上，從而每一個所述板簧的第一部分被固定到所述表面， 且在沒有外部偏壓力的情況下，每一個所述板簧的第二部分與所述表 面被間隔開並可通過施加到其上的外部偏壓力而被偏壓向所述表面； 將所述第一與第二巻材以交替的關係巻到所述輥上；以及 執行從下列組中選擇的一個或更多個處理步驟加熱具有巻在其 上的所述巻材的所述輥，以及在第一與第二巻材被置於所述輥上的時 間中的至少部分時間內將所述第一與第二巻材保持在低於大氣壓的壓 力。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中粘合劑材料體被插入在所 述交替的第一與第二巻材之間。
全文摘要
第一片狀材料的卷材與第二片狀材料的卷材通過一種過程而被層壓到一起，在該過程中，片狀材料以交替的關係被纏繞在具有徑向可移位外表面的輥上。然後該輥與卷材經歷加熱和/或低壓環境以便完成層壓。粘合劑材料體，例如熱熔膠，可被插入在卷材之間，且加熱或低壓環境可活化該粘合劑。帶有徑向可移位表面的輥的專門構造被進一步設置。
文檔編號B29C65/48GK101646549SQ200880004891
公開日2010年2月10日 申請日期2008年1月23日 優先權日2007年1月25日
發明者A·邁格特, G·德馬戈伊奧, K·H·約翰斯, K·洛德, K·貝爾尼克 申請人:聯合太陽能奧佛有限公司