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知识课堂 | 量子点膜涂布精度工艺控制

2017-06-23 南通天鸿镭射 CINNO

好久以来LCD一直占据着电视和移动电子产品市场的主导地位。制造商们专注于不断降低LCD的制造成本，扩大市场规模，使得它们成了随处可见的日用品。自1963年Martin Pope发布第一篇关于有机发光显示器（OLED）的文章开始OLED逐渐作为超薄，高色域的平板显示技术成为研究的热门。但是由于成本昂贵，开发技术难度高，成品率低以及有机体的不稳定，离大规模推广普及还有一段很长的路程。

量子点显示在近两年来可谓是风生水起，在全球彩电大咖的布局下，颇有“长江后浪推前浪”之势，定位旗舰高端系列产品。与OLED显示相比，量子点显示是基于独特的短波长激发纳米级特种颗粒的显示技术，打破了“色域与成本和亮度是矛盾”这一平衡。

全球NO.8科学家彭笑刚教授也曾经说过“量子点有可能是人类有史以来发现的最优秀的发光材料”。

量子点尺寸连续可调，可实现蓝色到绿色、到黄色、到橙色、到红色的发射，色彩精准而且纯净。其色彩效果如果按照最高的BT.2020标准算，苹果手机也只有50％左右，既有一半的颜色显示不出来，但量子点可以做到100％的色域。对应于超高清蓝光标准高色域的要求遥，量子点显示有能力还原我们所能感知的所有颜色。

在量子点显示有镉无镉，西洋三剑客以及有名的点、线、面三种应用模式的争论中，量子点显示的应用逐渐清晰。采用量子点膜技术的光致发光技术是目前量子点显示中成熟可靠的技术。传统LCD显示屏只要将背光中白色LED光源更换为蓝色LED光源和添加上一层纳米量子点的薄膜就可以达到卓越的色彩表达能力。量子点显示技术的优势可以概括为“高、纯、久”三大方面。“高”就是色域高，色域覆盖率达110％NTSC；“纯”就是颜色纯，色彩纯净度比普通LED提升约58.3％，精准呈现大自然色彩；“久”就是色彩久，稳定的无机纳米材料的量子点能够保证色彩恒久不褪色，色彩持久稳定可达60000小时。

由于量子点粒径在1~10nm之间，比表面积非常大，氧气和水汽容易对量子点表面产生破坏，导致荧光猝灭，因此量子点薄膜需要采用两层高阻隔膜和特殊高分子聚合材料包裹量子点以形成三明治结构，天鸿科技的量子点膜是由PET原膜，量子点层，隔氧阻水的阻隔层以及纳米微结构表层材料组成的多层复合材料。

量子点薄膜结构显示出最外层是具有光学微纳结构的表层，它具有减少牛顿环的支撑作用和增加蓝光折返路径以及均光的三重作用，上下两层PET是基材层。PET基材内侧有隔氧阻水的SiO2涂层。中间的量子点材料层由量子点、高分子聚合物以及其他配方料组成。量子点薄膜有个其他光学膜没有的特殊指标---无效边际，主要是量子点薄膜层在自由空气中随着时间的推移所产生的量子点发光失效，该指标在今天强调超窄边框的大环境下有着特殊意义。天鸿的量子点薄膜在经过双85环测超过500小时的情况下，无效边际仍然小于0.2mm，它对于未来手机上的无边框设计具有重大意义。

量子点膜的电镜照片：其中a是全貌，b、c、d是局部图像

量子点显示应用中，原本背光模组里的白光LED换成蓝光LED，并没有蓝光量子点，一切的关键都在红光、绿光量子点上。量子点使用约2/3的蓝光产生红光和绿光。

为了使量子点显示器达到各个性能指标，更准确的呈现所表现的色彩，充分发挥量子点显示的优势，就需要对量子点层做精细的配方工作，来配合不同机种中的蓝色背光模组和液晶panel，以使整体量子点显示屏达到合适的色坐标。同时量子点层的厚度均匀度也是影响量子点显示效果的关键指标，所以量子点层厚度的控制就显得非常重要了。

在量子点膜生产中要保持量子点本身不受外界条件的破坏，保持原有的荧光效率和稳定性，利用阻隔膜生产三明治结构的量子点膜就成为现实条件下的唯一选择。

量子点材料由于其特殊的性能对水汽和氧气的敏感性，从而不得不采用高阻隔薄膜进行结构性封装，在涂布时不仅要考虑涂层厚度的控制，还要考虑复合成三明治结构以后的总厚度。目前量子点薄膜涂层厚度一般在50-100um左右，这种比较大的涂布量可以采用逗号、辊涂和狭缝等几种方式。

逗号涂布，在目前国内加工工艺基础上针对600mm以下尺寸，刮刀的精度可以保证在1-2um左右，放大到大尺寸量子点薄膜的65英寸需求，在1500mm宽度上的不均匀度会达到5-10um的误差，这个厚度差会直接影响到色坐标XY的值超出标准范围，对于客户要求色坐标误差不得大于0.5%的公差来说还是太大了。另外量子点胶水易于结块和沉淀，逗号涂布很难处理掉异物和纵向拉丝的问题。

同样，辊涂方式也存在多种致命的问题。

比较理想的涂布方式是狭缝涂布。狭缝涂布是其操作原理是将流体以一定量泵打入一能将流体均匀展开的模具。它是一个封闭的系统，其次它是通过精密计量泵来对涂布材料进行预先计量。正是基于这两点，狭缝涂布方式具有其他涂布所不具备的一些优势：涂层重量和整体分布更均匀；易于在厚涂层和薄涂层工艺间切换；最大限度地减少了挥发性排放、涂层污染、原料浪费，以及工作场所混乱程度。

由于涂布精度高，挤出量可以通过精密计量泵体的动力马达转速控制，实现一个闭环回路。在系统张力恒定的情况下，狭缝涂布头的送胶电机的转速是量子点膜厚度的函数。通过在线实时检测量子点膜厚度，经过相关计算，反馈到狭缝涂布头的送胶电机，通过改变送胶电机转速，可以精确控制量子点膜厚度。

量子点膜生产路线图：

在两层膜之间灌夹量子点材料聚合物胶时采用狭缝涂布头

在两层薄膜阻隔层之间涂布具有量子点材料聚合物涂料的时候，在保持胶粘度不变的情况下，涂胶量的大小直接影响最终量子点膜的厚度。通过在线测量特征部位处量子点膜的厚度，反馈到涂胶量，可以建立厚度和涂胶量的闭环响应，从而精确控制量子点膜的厚度。

X射线在线式厚度测试仪

在线测厚监控界面，精度0.01微米@5m/min，控制送胶电机转速即可控制流经狭缝涂布头的胶量，进一步精确控制量子点膜厚度

最终产品分段做整长度测量结果统计：

从数据上分析，厚度在长度方向有按间隔状均匀性分布，总体厚度误差+/- 2um @ 总厚300 um，以及±1um @ 75um，色坐标偏差小于0.2%。

综上所述，除了具有精密紫外成型设备的制造基础，综合超过十年的精密涂布经验，采用狭缝涂布技术和在线厚度测量闭环反馈技术，有效控制量子点涂层厚度，达到量子点膜的均一性指标达到国际先进水平。另外在光学微纳结构设计上天鸿有自己独到的工艺和技术，通过薄膜表面结构达到增加光线的折返以提高量子点的激发效率，可以更好的提升光效等各项功能指标。