Spin Coater V1 (hampir Analog): 9 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Tidak semua peralatan dibuat tahan lama, saya seorang mahasiswa/peneliti yang sedang mempelajari materi film tipis untuk teknologi solar. Salah satu peralatan yang saya andalkan disebut spin coater. Ini adalah alat yang digunakan untuk membuat film tipis suatu bahan dari larutan cair atau prekursor. Film tipis ini dapat dilapisi ke perangkat seperti sel panel surya atau LED.

Di universitas saya, kami memiliki banyak masalah dengan produk komersial yang lebih terjangkau yang tersedia dengan harga yang setara dengan beberapa ribu dolar. Spin coater komersial ini menggunakan chuck vakum untuk menahan sampel dan masalah yang mereka hadapi termasuk motor yang rusak, chuck vakum yang tersumbat, kapasitor merokok, antara lain yang memengaruhi umpan balik yang diandalkan oleh kontrol kecepatan. Saya tidak mengetahui masalah yang dihadapi setiap kelompok penelitian dengan mereka, tetapi saya tahu secara umum setidaknya ada satu yang diperbaiki, atau menunggu untuk diperbaiki pada waktu tertentu.

Desain yang saya bagikan sederhana, awalnya menggunakan selotip dua sisi alih-alih chuck vakum untuk menampung sampel, ini kemudian diperbarui menjadi desain yang lebih mudah digunakan (lihat Langkah 6). Telah beroperasi selama lebih dari satu tahun di bawah penggunaan ringan. Tidak ada masalah selain relay yang aus (ini bukan relay baru saat dipasang).

Proyek ini sebagian besar dibuat dari bagian-bagian yang ditemukan seperti motor dengan peringkat arus 1 "leer" (500 mA), beton, kayu konstruksi dan beberapa komponen elektronik yang diselamatkan.

Perlengkapan

Saya mengharapkan siapa pun yang mencoba proyek ini untuk membuat variasi jadi ini adalah daftar yang tidak lengkap tentang apa yang diperlukan untuk proyek tersebut.

Inti:

Motor DC mampu tidak kurang dari 4000 rpm

Chuck dibuat untuk motor yang dipilih (dibahas nanti)

Ruang:

Bak plastik bulat (saya pakai bak yoghurt)

Plastik tebal atau alternatif untuk melapisi bagian bawah bak

Handuk kertas

Tape

Gunung:

potongan pinus 38x228 mm (biasanya digunakan untuk kasau di atap)

engsel panjang 30mm

Karet atau busa keras (pemasangan motor)

Baut M6 dengan kepala obeng yang sesuai

kacang M6

mesin cuci 6 mm

Basis dan suspensi:

Basis berat (saya menggunakan balok beton yang dipotong sesuai ukuran)

Batang berulir M6

9x mur M6 untuk batang berulir

3x Pegas panjang berdiameter 8 mm

12x6 mm mesin cuci

Dasar-dasar kontrol:

Kotak proyek (saya menggunakan bak es krim, ini adalah alasan yang baik untuk makan es krim)

Catu daya 12V (saya menggunakan 2 agar motor bisa di sumber terpisah)

1x penyearah dioda untuk motor

2 tahap pengatur waktu:

2x n-channel MOSFET (seperti IRF540)

2x 47 uF tutup aluminium 35V

2x B500k pot dual slide

resistor 200K

resistor 10K

2x penyearah dioda untuk relai

Kontak sesaat dengan tombol tekan

Relai SPST (pengatur waktu mulai/berhenti)

Relay DPDT (pengatur waktu kecepatan 1/kecepatan 2 transisi)

sirkuit PWM:

1x NE555 pengatur waktu

1x 1k resistor

2x 10nC kapasitor

1x n-channel MOSFET (seperti IRF540)

1x heatsink untuk MOSFET

1x isolasi silikon mesin cuci untuk heatsink

www.mantech.co.za/ProductInfo.aspx?Item=14…

2x 10rb pot (duty cycle)

1x penyearah dioda untuk relai

Pengujian kecepatan motor:

Ideal:

takometer optik.

Alternatif:

Tape

Kawat tipis seperti benda keras (misalnya kawat, tusuk gigi, penjepit kertas)

Komputer dengan "Audacity" terinstal

Langkah 1: Apakah Anda Memiliki Motor yang Cocok?

Kebanyakan spin coater perlu bekerja dalam kisaran kecepatan 500 hingga 6000 rpm. Pekerjaan saya membutuhkan 2000 dan 4000 rpm sebagai kecepatan impor paling banyak, jadi saya bisa puas dengan motor DC yang saya miliki yang bekerja di kisaran 1100 hingga 4500 rpm, motor saya dapat berjalan lebih lambat meskipun kecepatan yang lebih lambat kurang dapat diandalkan karena resistansi pada motor.

Temukan motor dan catu daya yang sesuai jika Anda memiliki motor 12 V. Sesuaikan tegangan yang dibutuhkan oleh motor Anda dan arus catu daya idealnya 20% lebih dari yang dibutuhkan oleh motor. Jika Anda memiliki motor 24 V, Anda memerlukan konverter step down atau catu daya terpisah untuk menyediakan 12 V untuk elektronik.

Selanjutnya kita ingin menguji kecepatan minimum dan maksimum yang dapat diakomodasi oleh motor Anda. Jika Anda memiliki catu daya dengan tegangan yang dapat dipilih/disesuaikan, gunakan itu, jika tidak buat rangkaian PWM yang ditunjukkan pada rangkaian kontrol lebih lanjut (atau rangkaian kontrol penuh).

Langkah 2: Tes Kecepatan

Tachometer optik adalah alat yang hebat untuk menguji kecepatan motor jika Anda bisa mendapatkannya, di sini saya menyajikan metode alternatif.

Bagian A

1. Siapkan komputer untuk merekam audio dengan "Audacity" yang merupakan editor audio gratis.

2. Bungkus selotip di sekitar poros motor Anda (selotip listrik atau selotip akan berfungsi dengan baik).

3. Atur motor ke kecepatan terendah yang bisa diatur.

4. Mulai merekam audio.

5. Sesuai video untuk bagian ini, bawalah peniti logam, paku atau klip kertas sedikit bersentuhan dengan selotip selama beberapa detik.

6. Hentikan perekaman.

7. Ulangi untuk kecepatan maksimum.

8. Lihat audio dan hitung RPM.

Ketika kami menyentuh pita dengan pin logam, kami ingin itu hampir tidak menyentuh. Semakin dekat Anda mendekatkan pin ke poros motor semakin banyak pita yang harus ditekuk untuk melewatinya dan semakin kita memperlambat atau mengambil momentum dari motor. Jika kontak antara pita dan pin logam terlalu ringan, kami mungkin tidak mendapatkan volume yang cukup dalam rekaman untuk memberi tahu kami kapan kontak dilakukan. Untuk menghitung RPM dari audio di Audacity (lihat gambar di atas)

Bagian B

1. Perbesar audio hingga Anda dapat melihat puncak yang berbeda dari tempat pin melakukan kontak.

2. Klik kiri pada puncak dan tahan, gerakkan mouse sehingga area yang dipilih mencakup setidaknya 5 puncak.

3. Hitung jumlah puncak.

4. Gunakan tampilan waktu "Start and End of section" di bagian bawah jendela untuk mendapatkan waktu yang diperlukan untuk terjadinya puncak/rotasi tersebut.

5. (jumlah puncak)/(waktu dalam detik) = putaran per detik

6. RPM = (putaran per detik)*60

Penting untuk memastikan motor Anda dapat bekerja pada kecepatan yang Anda butuhkan sebelum membuat penutup untuk motor itu. Kami akan mengulangi tes kecepatan di akhir untuk kalibrasi nanti menghilangkan langkah 7 bagian A dan mengganti langkah 3 dengan kecepatan apa pun yang kami uji.

Langkah 3: Contoh Chuck

Bagian terpenting dari build ini adalah chuck sampel. Untuk chuck aluminium, seorang teman saya (Gerry) menyalakannya di mesin bubut, kemudian sebuah benang disadap agar sesuai dengan motor khusus saya (benang kekaisaran dalam kasus saya). Untuk motor dengan ulir sekrup pada poros, memasang chuck hanya dengan memasangnya setelah dibuat (tautan). Saya menemukan ini lebih mudah meskipun ada kemungkinan lebih ada presesi yang chuck dipasang. Jika Anda menggunakan motor dengan poros halus, Anda tidak akan mengalami masalah dengan "putar" di ulir. Tantangannya di sini adalah poros perlu dilem atau bahkan lebih baik memiliki sekrup grub untuk mengencangkannya ke poros.

Jika Anda memiliki akses ke mesin bubut logam dan seseorang yang terampil menggunakannya, maka yang terbaik adalah memutar chuck. Jika motor Anda memiliki ulir, ketuk ulir di bagian tengah chuck. Untuk motor dengan poros halus, Anda harus menggunakan sesuatu seperti sekrup grub untuk menekan sisi poros dan menahannya di tempatnya.

Alternatif yang ditunjukkan pada gambar di atas adalah dengan mengambil gergaji lubang dan memotong piringan menggunakan mesin bor. Setelah itu gunakan ketukan untuk mengetuk utas ke tengah. Jika Anda memiliki bahan yang lembut, Anda dapat menghilangkan durinya dengan menggunakan pisau, untuk bahan yang lebih keras, kikir akan cocok. Bagian atas lubang kemudian dapat diisi dengan epoksi atau potongan dari lembaran logam dapat diepoksi ke permukaan.

KEAMANAN: Menggunakan lem/epoksi pada chuck tidak disarankan karena jika lem gagal… kemana chuck pergi. Chuck akan berputar dengan kecepatan tinggi saat digunakan, membuat chuck dari pelat logam tipis berpotensi mengubahnya menjadi cutting disk. Saya sarankan menggunakan bahan yang tebalnya tidak kurang dari 5 mm.

Langkah 4: Bangun Motor Mount - Basis dan Mata Air

Dudukan motor harus melayani 2 tujuan, menjaga motor tetap di tempatnya dan meredam getaran. Mount yang Anda buat akan khusus untuk motor Anda. Saya akan menjelaskan apa yang telah saya lakukan untuk memberi Anda gambaran tentang cara membuatnya sendiri. Beberapa motor memiliki ventilasi di samping, jadi perhatikan di mana letaknya dan jaga agar tetap bersih untuk pendinginan.

Basis dan pegas Temukan alas berat yang cukup besar untuk proyek tersebut. Saya menemukan bagian beton dengan ketebalan yang sesuai dan memotongnya sesuai ukuran menggunakan pisau penggiling sudut berlian. Pavers beton atau pelat logam tebal harus bekerja dengan baik. Jika Anda bisa, coba temukan sesuatu yang tidak perlu dipotong.

Batu-batu di beton membuatnya sulit untuk dibor dan kadang-kadang berarti lubang akan melayang ke samping. Jadi saya mengebor lubang di dasar untuk batang berulir sebelum menandai lubang pada rumah motor (jika Anda memiliki bahan yang lebih sesuai, pesanan tidak masalah).

1. Bor lubang untuk batang berulir dengan bor batu dengan diameter batang berulir.

2. Gunakan mata bor batu yang jauh lebih besar untuk mengatasi wastafel ujung batang berulir, washer dan mur yang akan berada di bawah alas.

3. Tandai lubang pada blok rumah motor dari kayu untuk batang berulir atau pada selembar kertas untuk digunakan nanti sebagai templat.

4. Potong bilah berulir menjadi panjang, kikir tepi yang dipotong dan periksa apakah utasnya masih bagus. Menempatkan mur di bar sebelum memotong. Ketika ini dihapus, perbaiki itu dapat memperbaiki / menyelaraskan utas, jika tidak terlalu rusak sesudahnya.

5. Tempatkan batang melalui beton diikuti dengan mesin cuci dan mur di setiap sisi.

6a. Jika Anda berhasil menemukan pegas yang cukup panjang dan kaku untuk menopang motor dan rumah, Anda dapat menempatkannya diikuti dengan washer yang tebal. Mesin cuci tebal diperlukan karena mesin cuci tipis mungkin tersangkut di benang. Anda dapat membuat mesin cuci sendiri dengan mengebor lubang melalui potongan logam yang sesuai dan menyelesaikan lubang dengan kikir.

6b. Jika Anda memilih untuk tidak menggunakan pegas, mur dan washer dapat digunakan sebagai gantinya, kekurangannya adalah ini tidak akan berfungsi untuk meredam getaran motor.

Langkah 5: Bangun Dudukan Motor - Rumah Motor

Rumah motor dibuat seperti penjepit, potongan kayu pinus diengsel dengan rongga di tengah dan mur dan baut untuk mengencangkannya. Kayu yang digunakan untuk rumah saya adalah kayu yang dipotong dari kasau dengan penampang 38x228 mm.

1. Cari tahu ukuran kayu yang Anda butuhkan untuk motor Anda dan tandai potongannya seperti pada (a) foto di atas.

2. Tandai lubang yang tidak lebih kecil dari diameter motor Anda, kami membutuhkan sedikit ruang untuk strip karet yang akan berada di antara motor dan rumah. Rakitan memaafkan ukuran lubang karena penjepit seperti pemasangan (engsel dan baut).

3. Bor lubang pilot kemudian bor lubang menggunakan gergaji lubang. Gergaji lubang yang saya gunakan hanya memotong sedalam 22 mm jadi saya mengebor setengah dari setiap sisi.

4. Tandai dan bor lubang untuk batang berulir yang akan menopang rumah motor. Ini harus setidaknya 1 mm lebih tebal dari batang berulir untuk memungkinkan gerakan bebas.

5. Pasang engsel sesuai (b) pada foto di atas, lalu lepaskan. Ini untuk membuat lubang.

6. Potong bentuk seperti pada (b) foto di atas, saya menggunakan gergaji belakang.

7. Bentuknya memungkinkan kita memiliki baut yang berseberangan dengan engsel. Bor lubang untuk baut seperti yang ditunjukkan pada (c) foto di atas. Lubang harus sekitar 2 mm lebih besar dari baut untuk memudahkan pembukaan dan penutupan rakitan.

8. Potong potongan memanjang seperti pada (d) pada foto di atas kemudian pasang kembali engselnya.

9. Bungkus motor dengan karet strip dan tempatkan pada housing, masukkan dan kencangkan mur, baut dan washer untuk menahan housing agar tetap tertutup, kencangkan namun tidak terlalu kencang. Jika motor Anda memiliki ventilasi di samping, pastikan Anda tidak menghalangi aliran udaranya.

10. Tempatkan rumah motor pada alasnya. Pastikan pegas berada di tempatnya dengan mesin cuci di atasnya. Tempatkan washer dan mur pada 3 batang berulir untuk menahan motor. Bantalan karet tambahan dapat ditempatkan di antara rumah motor dan washer di bagian atas untuk mengurangi getaran dengan lebih baik.

11. Kencangkan 3 mur menggunakan level spirit sebagai panduan.

Langkah 6: Bangun Dudukan Motor - Ruang

Untuk membuat chamber saya menggunakan wadah yoghurt transparan dan lembaran plastik tebal.

1. Gunakan pisau untuk memotong bentuk di dasar wadah sehingga Anda bisa memasukkan chuck (untuk chuck yang tidak akan dilepas untuk dibersihkan). Saya memotong diagonal di dasar wadah yang memungkinkan lebih banyak ruang untuk menggerakkan wadah agar pas di atas chuck tanpa memperbesar lubang di tengahnya.

2. Perbaiki wadah di tempatnya dengan sedikit selotip di bagian luar wadah. Saya lebih suka ini daripada pemasangan permanen agar lebih mudah dibersihkan.

3. Tempatkan beberapa handuk kertas di bagian bawah wadah untuk menyerap cairan selama pelapisan berputar, diikuti dengan menutupi ruang dalam aluminium foil. Gunakan sedikit selotip jika diperlukan agar tidak menyentuh poros atau chuck. "Pakaian" ini harus diubah secara berkala. Foil menangkap sebagian besar cairan dan handuk kertas menyerap sebagian besar dari apa yang melewati foil.

Bonus: Setelah menggunakan metode pita dua sisi untuk menempelkan sampel, saya mengambil petunjuk dari Ossila (Mereka memiliki beberapa peralatan lab berkualitas) dan memotong kartu kredit lama untuk membuat dudukan tanpa vakum/tanpa pita untuk sampel saya.

Langkah 7: Membangun Sirkuit Kontrol

Melihat gambar di atas Anda akan melihat diagram sirkuit yang rapi dan implementasi papan roti. Saya menggunakan catu daya 12V 500mA terpisah untuk motor dan rangkaian kontrol karena motor diberi peringkat untuk 500mA, sebagai aturan praktis lebih baik memiliki kapasitas ekstra 20% pada catu daya Anda. Jika Anda memiliki catu daya yang dapat memasok arus yang cukup untuk keduanya, bagus.

Daripada langkah-demi-langkah bagaimana, mari kita lihat apa yang dilakukan setiap bagian.

Sirkuit kontrol waktu menghidupkan dan mematikan spin coater, dan mengontrol yang mana dari 2 tahap/status sirkuit PWM dalam dan kapan harus beralih.

Ini dilakukan dengan menyalakan 2 relai melalui transistor MOSFET. Relai SPST mengontrol hidup dan mati, dan relai DPDT mengontrol mana dari dua pot yang mengatur siklus kerja rangkaian PWM.

Sirkuit PWM hanyalah timer NE555 dalam operasi astabil. Siklus kerja dikendalikan oleh pot, di mana rasio resistansi yang ditetapkan dengan nilai pot adalah siklus kerja (lihat "blok pemilih kecepatan" dalam skema).

Mengenakan biaya:

MOSFET digunakan karena memungkinkan pengalihan arus yang dapat diabaikan yang menarik daya melalui terminal gerbangnya. Ini memungkinkan kita untuk menyimpan muatan dalam kapasitor untuk memberi daya pada MOSFET yang pada gilirannya menggerakkan relai. Tombol tekan kontak sesaat digunakan untuk mengisi kapasitor. Dioda digunakan antara kontak sesaat dan kapasitor untuk mencegah aliran arus dari satu kapasitor ke kapasitor lainnya.

Memulangkan:

Prinsip untuk mengontrol waktu dari 2 tahap adalah pelepasan kapasitor melalui resistansi. Resistansi ini diatur oleh pot, semakin tinggi resistansi semakin lambat debitnya. Ini idealnya mengikuti = RC, di mana adalah periode atau waktu, R adalah resistansi, dan C adalah kapasitansi.

Pada rangkaian waktu yang digunakan terdapat 2 buah pot ganda 500K, ini berarti untuk setiap panci terdapat 2 buah terminal. Kami mengambil keuntungan dari ini dengan menghubungkan pot kedua secara seri dengan dirinya sendiri dan secara seri dengan salah satu set terminal pot pertama. Dengan cara ini ketika kita mengatur resistensi pada pot pertama, itu akan menambah resistensi yang setara dengan pot kedua. Pot pertama dibatasi 500K sedangkan cara yang kedua dikabelkan, akan memiliki ketahanan hingga 1000K ditambah nilai pot pertama. Untuk memasukkan resistansi minimum, saya selanjutnya menambahkan resistor nilai tetap ke setiap baris sesuai diagram rangkaian.

Langkah 8: Kalibrasi dan Pengujian

Setelah menyelesaikan spin coater saya melanjutkan untuk mengujinya. Gambar sampel di atas memiliki sampel (hibrida-perovskit) yang dibuat pada spin coater yang mahal di sebelah kiri dan spin coater yang dijelaskan dalam Instruksi ini di sebelah kanan. Ini spin coater diatur ke kecepatan yang sama.

Spin coater dapat dikalibrasi baik terhadap tegangan atau terhadap posisi pot kecepatan Anda. Saya awalnya mengkalibrasi menggunakan voltase diikuti dengan menandai kecepatan/posisi yang paling sering saya gunakan pada pot.

Ketika mengkalibrasi dengan tegangan saya tidak yakin apakah multimeter yang berbeda akan membaca sinyal PWM sebagai tegangan yang sama, karena ini saya selalu menggunakan multimeter yang sama dengan yang saya kalibrasi jika saya perlu mengatur spin coater ke kecepatan yang tidak terkait menandai. Tegangan dibaca pada output yang diumpankan ke motor. Multimeter tidak terhubung saat kecepatan sedang diukur untuk menghindari kemungkinan multimeter mengurangi arus yang disuplai ke motor.

1. Di bagian tentang pengujian kecepatan proses untuk pengujian kecepatan dirinci. Ulangi proses ini di berbagai posisi pada pot kontrol kecepatan, coba sertakan kecepatan yang Anda inginkan untuk menggunakan spin coater dan kecepatan minimum dan maksimum. Sekitar 5 pengukuran sudah cukup. Untuk setiap kecepatan catat posisi dan/atau tegangan.

2. Masukkan kecepatan dan tegangan kalibrasi di Microsoft Excel, lalu buat grafik

3. Tambahkan garis tren ke data Anda. Gunakan kecocokan paling sederhana yang akan menjelaskan tren data, idealnya linier atau polinomial orde ke-2.

3a. Untuk melakukan ini di Excel, pilih grafik yang diplot, buka tab tata letak di pita opsi

3b. Klik pada ikon "Garis Tren".

3c. Pilih "opsi garis tren lainnya"

3d. Pilih opsi Anda dan centang "Tampilkan Persamaan pada grafik" dan "Tampilkan nilai R-kuadrat pada grafik"

Semoga Anda cocok, sekarang Anda dapat menggunakan persamaan untuk menghitung RPM dari tegangan yang disuplai ke motor.

Karena dan pembaca kemungkinan besar adalah seorang ilmuwan…

Teknik pipet: Dalam video saya menggunakan mikro-pipet secara miring, ini membantu saya menjauhkan tangan saya dari video. Idealnya, pipet harus vertikal dan sedekat mungkin dengan sampel/substrat tanpa menyentuhnya karena Anda dapat mengulanginya dengan andal.

Kualitas film: Beberapa fitur dalam film tipis yang disimpan dalam gambar dapat dihindari dengan menyaring larutan prekursor sebelum digunakan (seperti menggunakan filter PTFE 33 um). Warna film yang lebih terang yang terlihat dari spin coater "mewah" mungkin merupakan hasil dari kecepatan dan atmosfer yang ramping. Spin coater "mewah" diproduksi hanya untuk beroperasi dengan aliran gas inert yang tinggi sehingga film dilapisi dengan nitrogen pada spin coater "mewah" dan udara di spin coater DIY.

Langkah 9: Ucapan Terima Kasih

Bagian singkat ini memberikan konteks tempat saya belajar dan kelompok-kelompok yang mendukung penelitian saya yang berfokus pada fotovoltaik hibrida-perovskit.

• Universitas Witwatersrand, Afrika Selatan
• Yayasan Riset Nasional (NRF), Afrika Selatan
• GCRF-MULAI. Inggris
• Gerry (yang mengerjakan chuck spin coater aluminium)