早在1980年,科學(xué)家便已發(fā)現(xiàn)了膠體半導(dǎo)體納米晶體 — 即量子點(diǎn) (QD),其直徑大小通常只有2 - 10納米 (nm)。目前,這種材料已投入商業(yè)化生產(chǎn),廣泛應(yīng)用于包括太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器和LED在內(nèi)的各種薄膜設(shè)備中。QD對(duì)平板顯示器 (FPD) 行業(yè)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,但一切真的會(huì)從此改變嗎?
量子力學(xué)效應(yīng)(也稱“限域”效應(yīng))導(dǎo)致的色彩可調(diào)性是量子點(diǎn)的諸多優(yōu)勢(shì)之一。量子點(diǎn)因其材料組分的不同(例如可包含硒化鎘 (CdSe) 和硫化鋅 (ZnS) 等),還可具有光致發(fā)光或電致發(fā)光特性。
在FPD應(yīng)用中,QD有望提高效能并降低功耗,增加亮度和色彩飽和度,延長(zhǎng)顯示器使用壽命,并降低當(dāng)前FPD技術(shù)(包括有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED) 技術(shù))的成本。OLED技術(shù)盡管十年前便已問世,但一直未能在利潤(rùn)豐厚的顯示設(shè)備市場(chǎng)中大有作為,主要原因便是其產(chǎn)量低和技術(shù)困難,從而導(dǎo)致成本偏高。
人們普遍認(rèn)為,QD設(shè)備的問世將會(huì)創(chuàng)造一種新的范式,這將終結(jié)液晶顯示器 (LCD) 的市場(chǎng)壟斷地位,并由開發(fā)出的新型低成本的薄膜晶體管 (TFT) 產(chǎn)品取而代之。Touch Display Research是一家獨(dú)立的技術(shù)市場(chǎng)調(diào)研和咨詢公司,該公司預(yù)測(cè)量子點(diǎn)顯示器和照明元件的市場(chǎng)價(jià)值到2016年年底將超過20億美元,到2025年將達(dá)到106億美元。
QD最直接的應(yīng)用是LCD背光照明技術(shù)(LED電視)。QD已集成到一種濾膜中,這種濾膜可以插入到LED背光源和LCD面板之間。目前的LCD背光源使用白色LED燈,這種燈實(shí)際上是通過在藍(lán)色的LED燈上覆蓋一層熒光粉制成,因此效率較低。量子點(diǎn)濾膜允許在背光源中使用純藍(lán)色LED燈,因?yàn)樗赏ㄟ^吸收和再發(fā)射將一些入射藍(lán)光轉(zhuǎn)換為很純的綠光和紅光。因此,LCD面板可接收更豐富的白光,從而擴(kuò)大了顯示器可再現(xiàn)的色彩范圍(色域)。該QD技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是無(wú)需對(duì)現(xiàn)有的FPD制程作出重大改變,這有助于盡早將該技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用。
QD LED或量子點(diǎn)發(fā)光二極管 (QLED) 顯示器將成為繼OLED顯示器之后的下一代顯示技術(shù)。QLED的結(jié)構(gòu)與OLED設(shè)備非常相似,它們均采用TFT矩陣有源處理每個(gè)像素。然而,使用模式化的QD取代標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光性聚合物作為發(fā)射層,則具有顯著的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括純色和完全可再現(xiàn)的色彩空間標(biāo)準(zhǔn)(如Adobe RGB),并能夠帶來(lái)比最先進(jìn)的OLED還要高出30 – 40%的發(fā)光效率。QD還可能促成各種尺寸及形狀的透明和超薄顯示器的出現(xiàn),這是現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法做到的。
運(yùn)動(dòng)控制和位置編碼器
量子點(diǎn)薄膜及類似產(chǎn)品均通過化學(xué)工藝大批量制造,這與運(yùn)動(dòng)控制無(wú)關(guān)。然而,QLED制造工藝將圍繞兩項(xiàng)技術(shù)展開:電流體動(dòng)力噴墨打印 (e-jet) 技術(shù)和接觸印刷技術(shù)。
封裝QD LED時(shí),需要將不同厚度的多層QD以堆疊形式進(jìn)行排列,同時(shí)還可能涉及其他復(fù)雜的幾何形狀,以便能夠得到連續(xù)、高效的整體發(fā)射光譜。E-jet打印是一種分辨率很高的噴墨打印形式,有望用于制造大面積電路、光伏模塊和其他小型光子器件。E-jet打印機(jī)的工作原理是通過電場(chǎng)將墨滴從打印頭噴嘴吸出,而不是通過背壓將墨滴擠出,因此可得到納米級(jí)尺寸的墨滴。目前的試驗(yàn)機(jī)器采用一個(gè)具有多達(dá)五個(gè)自由度的基板定位平臺(tái)、一個(gè)Z軸線性平臺(tái)和一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái),用于控制打印噴嘴的位置,從而實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)精度的準(zhǔn)確噴墨。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也可使用光學(xué)或磁性編碼器進(jìn)行粗調(diào)定位,并使用視覺傳感器以納米級(jí)精度 (
不過,QLED顯示器選擇的方法可能是接觸印刷,因?yàn)檫@種技術(shù)具有速度較高和成本較低的固有特性。這種貼裝技術(shù)采用彈性壓印模進(jìn)行轉(zhuǎn)印,可制造分辨率高達(dá)每英寸2460個(gè)紅-綠-藍(lán)像素點(diǎn) (PPI) 的顯示器。目前有三種基本的轉(zhuǎn)印“模式”,其中一種被稱為“確定性組裝 (Deterministic Assembly)”的技術(shù) — 直接將QD結(jié)構(gòu)從供體基板轉(zhuǎn)印至受體基板 — 最適合實(shí)際應(yīng)用。預(yù)計(jì)當(dāng)前的小規(guī)模QD接觸印刷工藝,將通過重復(fù)校準(zhǔn)轉(zhuǎn)印技術(shù)逐步擴(kuò)大印刷面積,而這是大批量生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵。QD檢索和印刷過程取決于對(duì)印模施加的正交力和印模速度。印模與基板的接觸面的調(diào)準(zhǔn)和定位精度必須達(dá)到微米級(jí),并且可重復(fù)覆蓋精度必須
集成的光學(xué)元件和精密負(fù)載傳感器可提供壓力反饋和位置感應(yīng)數(shù)據(jù),以確定印模和基板之間的適度接觸,從而達(dá)到理想的效果。隨著QD納米結(jié)構(gòu)印刷技術(shù)的發(fā)展和普及,這些系統(tǒng)的線性軸和回轉(zhuǎn)軸上將需要更多高性能的光學(xué)編碼器。
領(lǐng)先的編碼器解決方案
用于當(dāng)前FPD制程的大型空氣軸承平臺(tái),其典型運(yùn)動(dòng)誤差小于10微米或10角秒。顯然,需要對(duì)其性能做出改進(jìn),方可滿足未來(lái)QD設(shè)備/納米制造技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制精度的需求。增量式光柵 — 例如雷尼紹緊湊型TONiC?系列光柵 — 是用于需要最高精度的伺服反饋的最佳解決方案。
QD應(yīng)用的精密直驅(qū)平臺(tái)使用集成編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)速度/位置控制、轉(zhuǎn)矩控制和換相。應(yīng)根據(jù)速度和位置控制要求以及電機(jī)類型,來(lái)選擇最適合某一運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的編碼器。
為了確保非常精確的定位控制和平穩(wěn)的速度控制,平臺(tái)需要較高的伺服剛性(通過較高控制器增益和較大帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)),以最大限度地減少位置校正時(shí)間(一種被稱為臨界阻尼的狀態(tài))。穩(wěn)定狀態(tài)下的速度誤差由編碼器輸出誤差引起,這種誤差會(huì)被控制增益放大并作為真實(shí)電流流向驅(qū)動(dòng)器,從而造成感應(yīng)發(fā)熱和伺服控制問題。最終,控制性能與編碼器精度之間具有了一定的關(guān)系,因此高增益需要高分辨率和高精度來(lái)消除速度(轉(zhuǎn)矩)誤差的連鎖效應(yīng)。
設(shè)計(jì)人員在尋找最佳的伺服控制性能解決方案時(shí),要求編碼器具備如下特點(diǎn):帶有精細(xì)細(xì)分、周期誤差低、信號(hào)噪音(抖動(dòng))小、封裝尺寸小,以及具有可選的模擬/數(shù)字輸出功能。雷尼紹的TONiC光柵具備低至±0.51 nm RMS的低信號(hào)抖動(dòng),周期誤差僅±30 nm,是同類產(chǎn)品中最低的。顯然,先進(jìn)的光柵對(duì)未來(lái)納米制造技術(shù)的發(fā)展起著十分重要的作用。
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