真空卷繞鍍膜設備技術研究進展

      本文從系統結構、參數控制和鍍膜方式等綜述了真空卷繞鍍膜技術研究進展。按結構可分為單室、雙室和多室真空卷繞系統，后兩者可解決開卷放氣問題并分別控制卷繞和鍍膜室各自真空度。卷繞張力控制分錐度、間接和直接控制模型，錐度控制模型可解決薄膜褶皺和徑向力分布不均的問題；間接張力控制無需傳感器，可用內置張力控制模塊的矢量變頻器代替；直接張力控制通過張力傳感器精確測量張力值，但需慣性矩和角速度等多種參數。真空卷繞鍍膜主要有真空蒸發、磁控濺射等方式，可用于制備新型高折射率薄膜、石墨烯等納米材料和柔性太陽能電池等半導體器件。針對真空卷繞鍍膜技術研究現狀及向產業化過渡存在的問題，最后作了簡要分析與展望。

　　真空卷繞鍍膜設備(卷對卷)是在真空下應用不同方法在柔性基體上實現連續鍍膜的一種技術。它涵蓋真空獲得、機電控制、高精傳動和表面分析等多方面內容。其重點是，在保證鍍膜質量前提下提高卷繞速率、控制鍍膜穩定性及實施在線監控。卷對卷技術成本低、易操作、與柔性基底相容、生產率高及可連續鍍多層膜等優點。第一臺真空蒸發卷繞鍍膜機1935年制成，現可鍍幅寬由500 至2500mm。卷對卷技術應用由包裝和裝飾用膜，近年逐漸擴大至激光防偽膜、導電等功能薄膜方面，是未來柔性電子等行業的主流技術之一。

　　目前，國際前沿是研究不同制備工藝下功能薄膜特性并完善復合膜層制備。卷繞鍍膜機有向大型工業化和小型科研化方向發展的兩種趨勢，國內蘭州真空設備、廣東中環真空設備等公司多生產大型工業卷繞設備， 國外如TW Graphics 和Intellivation 公司等，主要為科研機構提供小型或微型卷繞鍍膜機。

1、真空卷繞鍍膜設備分類

　　真空卷對卷設備由抽真空、卷繞、鍍膜和電氣控制等系統組成。據真空室有無擋板，可分單室、雙室和多室結構。單室的收放卷輥和鍍膜輥在同一室中，結構簡單但開卷時放氣會污染真空環境。雙室結構將系統用擋板隔成卷繞和鍍膜室，卷輥與擋板間隙約1.5mm，避免了類似開卷放氣問題。多室常用于制備復合薄膜，在雙室基礎上將相鄰鍍膜區用擋板隔開避免干擾。如Krebs 等將Skultuna Flexibles AB 的開普頓擋板固定于兩磁控濺射靶間，板兩側涂覆50μm 的銅層。

　　分隔擋板與真空室壁狹縫越小越好。據鍍膜時輥筒作用分為單主輥和多主輥卷繞鍍膜機。據電機個數，則可分為兩電機、三電機和四電機驅動系統。

單室、雙室和多室卷繞系統結構示意圖

4、總結與展望

　　真空卷繞鍍膜因其大面積、低成本、連續性等特點，比間歇式鍍膜有很大優勢，廣受國內外研究者和企業關注。當前卷繞鍍膜技術進展較快，解決了鏤空線、白條、褶皺等問題，開始用于制備石墨烯、有機太陽能電池和透明導電薄膜等新型功能介質與器件。故對制膜過程和成膜質量提出了更高要求，真空機組主泵選擇從大抽速擴散泵發展到無油超高真空分子泵和低溫泵，開發出了大包角雙冷卻輥鍍膜機以減小薄膜拉伸變形。張力控制多用考慮夾感應張力的收卷模型和單跨非線性動力學的放卷模型。

　　目前卷繞鍍膜的精密控制有待提高，例如轉印石墨烯時，難以徹底去除基底和石墨烯間的熱解膠，且卷繞速度過快或基底較硬引發的切應力會使石墨烯層形成裂縫或孔洞。又如，真空卷繞發制備的有機薄膜表面缺陷多，載流子遷移率較低，進而嚴重影響其器件的光電特性。未來應增設薄膜應力等測控單元，融合CVD、離子鍍、高壓靜電紡絲、真空噴射和原位聚合等成膜技術，為開發新型有機及其無機復合功能薄膜和器件提供保障。