Recubrimiento de troquel de ranura es una técnica de recubrimiento para la aplicación de solución, lechada o película delgada extruida sobre sustratos típicamente planos como vidrio, metal, papel, tela o láminas de plástico.
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El recubrimiento de matriz ranurada produce películas delgadas mediante el procesamiento de soluciones. El material de recubrimiento deseado generalmente se disuelve o se suspende en una solución precursora o lechada (a veces denominada "tinta") y se entrega a la superficie del sustrato a través de un cabezal de recubrimiento preciso conocido como matriz de ranura. La matriz de ranura tiene una salida de alta relación de aspecto que controla la entrega final del líquido de recubrimiento sobre el sustrato. Esto da como resultado la producción continua de una amplia capa de material recubierto en el sustrato, con ancho ajustable en función de las dimensiones de la salida de la ranura y la matriz. Al controlar de cerca la velocidad de deposición de la solución y la velocidad relativa del sustrato, el recubrimiento de matriz ranurada ofrece recubrimientos de material delgado con espesores fácilmente controlables en el rango de 10 nanómetros a 100 micrómetros después de la evaporación del solvente precursor.
Los beneficios comúnmente citados del proceso de recubrimiento de troquel de ranura incluyen su control de espesor premedido, mecanismo de recubrimiento sin contacto, alta eficiencia del material, escalabilidad de las áreas de recubrimiento y velocidades de rendimiento, y compatibilidad de rollo a rollo. El proceso también permite una amplia gama de trabajo de espesor de capa y propiedades de la solución precursora, como la elección del material, la viscosidad y el contenido de sólidos.
Control del espesor de la película
El recubrimiento de matriz de ranura es un método de recubrimiento sin contacto, en el que la matriz de ranura generalmente se sostiene sobre el sustrato a una altura varias veces mayor que el espesor de la película húmeda objetivo. El fluido de recubrimiento se transfiere de la matriz de ranura al sustrato a través de un puente de fluido que atraviesa el espacio de aire entre los labios de la matriz de ranura y la superficie del sustrato. Este puente de fluido se conoce comúnmente como menisco de recubrimiento o cordón de recubrimiento. El espesor de la capa de recubrimiento húmedo resultante se controla ajustando la relación entre la tasa de bombeo volumétrico aplicada y la tasa de recubrimiento de área. A diferencia de los métodos de recubrimiento autodosificados, como el recubrimiento de cuchillas y barras, el troquel de ranura no influye en el espesor de la capa recubierta húmeda a través de ninguna forma de contacto físico destructivo o raspado. Por lo tanto, la altura de la matriz de ranura no determina el espesor de la capa con recubrimiento húmedo. En cambio, la altura de la matriz de ranura es importante para determinar la calidad de la película recubierta, ya que controla la distancia que debe recorrer el menisco para mantener un proceso de recubrimiento estable.
Los beneficios comúnmente citados del proceso de recubrimiento de troquel de ranura incluyen su control de espesor premedido, mecanismo de recubrimiento sin contacto, alta eficiencia del material, escalabilidad de las áreas de recubrimiento y velocidades de rendimiento, y compatibilidad de rollo a rollo. El proceso también permite una amplia gama de trabajo de espesor de capa y propiedades de la solución precursora, como la elección del material, la viscosidad y el contenido de sólidos.
Control del espesor de la películaEl recubrimiento de matriz de ranura es un método de recubrimiento sin contacto, en el que la matriz de ranura generalmente se sostiene sobre el sustrato a una altura varias veces mayor que el espesor de la película húmeda objetivo. El fluido de recubrimiento se transfiere de la matriz de ranura al sustrato a través de un puente de fluido que atraviesa el espacio de aire entre los labios de la matriz de ranura y la superficie del sustrato. Este puente de fluido se conoce comúnmente como menisco de recubrimiento o cordón de recubrimiento. El espesor de la capa de recubrimiento húmedo resultante se controla ajustando la relación entre la tasa de bombeo volumétrico aplicada y la tasa de recubrimiento de área. A diferencia de los métodos de recubrimiento autodosificados, como el recubrimiento de cuchillas y barras, el troquel de ranura no influye en el espesor de la capa recubierta húmeda a través de ninguna forma de contacto físico destructivo o raspado. Por lo tanto, la altura de la matriz de ranura no determina el espesor de la capa con recubrimiento húmedo. En cambio, la altura de la matriz de ranura es importante para determinar la calidad de la película recubierta, ya que controla la distancia que debe recorrer el menisco para mantener un proceso de recubrimiento estable.
Sistemas de recubrimiento industrial
El recubrimiento de matriz de ranura se desarrolló originalmente para uso industrial y se sigue aplicando principalmente en entornos a escala de producción. Esto se debe a su potencial para la producción a gran escala de películas delgadas y recubrimientos de alto valor a un bajo costo operativo a través de la integración de líneas de rollo a rollo y hoja a hoja. Estos sistemas de recubrimiento de rollo a rollo y de hoja a hoja son similares en su intención para la producción a gran escala, pero se distinguen entre sí por la rigidez física de los sustratos que manejan. Los sistemas roll-to-roll están diseñados para recubrir y manipular rollos de sustrato flexible como papel, tela, plástico o láminas de metal. Por el contrario, los sistemas de hoja a hoja están diseñados para recubrir y manejar láminas de sustrato rígido como vidrio, metal o plexiglás. También son posibles combinaciones de estos sistemas, como las líneas de rollo a hoja.
El recubrimiento de matriz de ranura se desarrolló originalmente para uso industrial y se sigue aplicando principalmente en entornos a escala de producción. Esto se debe a su potencial para la producción a gran escala de películas delgadas y recubrimientos de alto valor a un bajo costo operativo a través de la integración de líneas de rollo a rollo y hoja a hoja. Estos sistemas de recubrimiento de rollo a rollo y de hoja a hoja son similares en su intención para la producción a gran escala, pero se distinguen entre sí por la rigidez física de los sustratos que manejan. Los sistemas roll-to-roll están diseñados para recubrir y manipular rollos de sustrato flexible como papel, tela, plástico o láminas de metal. Por el contrario, los sistemas de hoja a hoja están diseñados para recubrir y manejar láminas de sustrato rígido como vidrio, metal o plexiglás. También son posibles combinaciones de estos sistemas, como las líneas de rollo a hoja.
Tanto los sistemas industriales de rollo a rollo como los de hoja a hoja suelen contar con matrices de ranura en el rango de 300 a 1000 mm de ancho de recubrimiento, aunque se han reportado matrices de ranura de hasta 4000 mm de ancho. Se afirma que los sistemas comerciales de troqueles de ranura funcionan a velocidades de hasta varios cientos de metros cuadrados por minuto, y los sistemas de rollo a rollo suelen ofrecer un mayor rendimiento debido a la disminución de la complejidad del manejo del sustrato.
Aplicaciones industriales
El recubrimiento de troquel ranurado se desarrolló originalmente para la producción comercial de películas y papeles fotográficos. En las últimas décadas, se ha convertido en un proceso crítico en la producción de películas adhesivas, empaques flexibles, parches farmacéuticos transdérmicos y orales, paneles LCD, condensadores cerámicos multicapa, baterías de iones de litio y más.
El recubrimiento de troquel ranurado se desarrolló originalmente para la producción comercial de películas y papeles fotográficos. En las últimas décadas, se ha convertido en un proceso crítico en la producción de películas adhesivas, empaques flexibles, parches farmacéuticos transdérmicos y orales, paneles LCD, condensadores cerámicos multicapa, baterías de iones de litio y más.
Aplicaciones de la investigación
Con el creciente interés en el potencial de los nanomateriales y los dispositivos funcionales de película delgada, el recubrimiento de matriz ranurada se ha aplicado cada vez más en el ámbito de la investigación de materiales. Esto se atribuye principalmente a la flexibilidad, previsibilidad y alta repetibilidad del proceso, así como a su escalabilidad y origen como técnica industrial probada. El recubrimiento de matriz ranurada se ha empleado principalmente en la investigación relacionada con electróniscos flexibles, impresos y orgánicos, pero sigue siendo relevante en cualquier campo donde se requiera una producción de película delgada escalable.
Con el creciente interés en el potencial de los nanomateriales y los dispositivos funcionales de película delgada, el recubrimiento de matriz ranurada se ha aplicado cada vez más en el ámbito de la investigación de materiales. Esto se atribuye principalmente a la flexibilidad, previsibilidad y alta repetibilidad del proceso, así como a su escalabilidad y origen como técnica industrial probada. El recubrimiento de matriz ranurada se ha empleado principalmente en la investigación relacionada con electróniscos flexibles, impresos y orgánicos, pero sigue siendo relevante en cualquier campo donde se requiera una producción de película delgada escalable.
Algunos ejemplos de investigación que permiten el recubrimiento de troqueles de ranura son:
- Células solares de película delgada, para producir capas de transporte de electrones, capas de transporte de huecos, capas fotoactivas y capas pasivantes
- Baterías de estado sólido y de última generación, para producir electrodos, electrolitos sólidos, membranas selectivas de iones, recubrimientos protectores y recubrimientos de modificación de interfaz
- Pilas de combustible y electrólisis de agua, para producir electrolitos y recubrimientos de catalizadores de electrodos
- Superficies flexibles sensibles al tacto, para producir películas conductoras transparentes
- Dispositivos OLED, para producir capas de transporte de electrones, capas de transporte de huecos y capas electroactivas.
- Diagnósticos impresos y sensores moleculares, para producir capas activas y membranas selectivas de iones
- Microfluídica y dispositivos lab-on-a-chip, para producir recubrimientos de superficie hidrófobos/hidrófilos para mejorar el flujo de líquido
- Purificación de agua, para producir membranas de nanofiltración
- Envases de base biológica y biodegradables, para producir láminas de barrera multicapa a partir de materiales sostenibles
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