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量子点显示技术与3D打印技术发展调研1、 量子点显示技术（QLED）显示技术的发展历程 2014年2月份，苹果提交给美国专利商标局的四项关于量子点显示技术的专利申请，引起了媒体的热情关注和猜测，该技术可用来提升苹果众多产品设备上配备的Retina显示屏的色彩精度和图像质量，这也让我们更加期待下一代iPad/iPad mini平板电脑是否会采用这种显示技术。 Num1. IGZO技术IGZO英文全称是indium gallium zinc oxide，中文名称是铟镓锌氧化物，是一种薄膜电晶体技术，是应用于新一代薄膜晶体管技术中的沟道层材料，属于金属氧化物面板技术的一种。它的主要构成是在TFT-LCD主动层上涂一层金属氧化物，是基于TFT驱动进行的改进的技术。优点：IGZO的载流子迁移率是非晶硅的20-30倍，可以大大提高TFT对像素电极的充放电速率，提高像素的响应速度，同时更快的响应也大大提高了像素的行扫描速率，实现高分辨率。基于以上优势，苹果2012年的iPad Air、iPad mini 2均采用了IGZO屏幕显示技术，但IGZO良品低、产能小，2012年10月曾一度传出夏普IGZO屏幕因产能不足而导致iPad推迟发货的传闻。Num2. LTPS技术LTPS技术（Low Temperature polysilicon,低温多晶硅）最初是日本北美的技术企业为了降低Note-PC显示屏的能耗，令Note-PC显得更薄更轻而研发的技术，OLED就是从LTPS技术上发展而来。LTPS技术的优势在于超薄、超轻、低能耗、可提供更丰富的色彩和更清晰的图像。苹果iPhone/iPhone 5s屏幕采用的是LTPS技术，这是目前公认的最好的显示技术然而，LTPS技术也存在缺点，比如说成本高、制作工艺复杂，它需要利用准分子镭射作为热源，镭射光经过投射系统，会产生能量均匀分布的镭射光束，投射于非晶硅结构的玻璃基板上，当非晶硅结构玻璃基板吸收准分子镭射的能量后，会转变为多晶硅结构，整个制作工艺较IGZO难度大。Num3. QLED技术（量子点显示）1.1 半导体超晶格和量子阱 半导体超晶格是由两种不同材料交替生长而成的多层异质结构晶体。相邻两种不同材料的厚度和称为超晶格的周期长度，一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更长，因此这种结构获得了“超晶格”的名称。由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现了势垒和势阱。称窄禁带材料厚度为阱宽LW ,宽禁带材料厚度为垒宽LB ,而LW+LB就是周期长度。当这两种薄层材料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系统进入了量子领域，产生量子限域效应。这时夹在两个垒层间的阱就是量子阱。1.2什么是量子点量子点是粒径小于或接近激子波尔半径的半导体纳米晶体。量子点三个维度的尺度通常在10nm以下，内部的电子和空穴在各个方向上的运动均受到限制，量子限域效应(quantum confinement effect)十分明显。由于电子和空穴被量子限域，量子点具有分立的能级结构。这种分立的能级结构使得量子点具有独特的光学性质。通常说来，量子点是由锌、镉、硒和硫原子组合而成。每当受到光或电的刺激，量子点便会发出有色光线，光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，这一特性使得量子点能够改变光源发出的光线颜色。1.3量子点的应用量子点的发光峰窄、发光颜色随自身尺寸可调、发光效率高，非常适合用作显示器件的发光材料。量子点在显示技术领域的应用主要包括两个方面：基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管显示技术(Quantum Dots Light Emitting Diode Displays，QLED)；基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术(Quantum Dots-Backlight Unit，QD-BLU)。前者应用，未来有机会直接做显示器件，制造极薄、极轻的显示屏。而后者的应用，目前的做法是将量子点薄膜置于蓝光LED背光和液晶盒之间。当蓝光穿过时，部分蓝光转化为红光和绿光，从而产生红、绿、蓝三色光。这种结构存在的劣势是：由于LED发热的缘故，量子点的效率和寿命会受到影响。就目前全球关于量子点在显示方面的应用上，用于液晶面板背光部分的量子点薄膜似乎比量子点直接做成显示屏进步的要快一些。从2013年开始，量子点显示技术应用于液晶显示器(LCD)面板，在其背光模块与液晶面板之间装配量子点薄膜，并应用于高色域电视、平板电脑上，获得了更广的色域和更低的功耗。众多整机厂也将应用量子点技术的产品做为未来的一个利润增长点。量子点技术被应用在一些移动设备上，例如亚马逊的KindleFireHDX7.量子点技术还被用在了下一代电视设备上，例如索尼在2013年6月推出了在背光源中采用量子点技术的高端机型的液晶电视；亚马逊也与2013年10月推出了背光源采用量子点的平板电脑美国专利和商标局2014年初通过了一项苹果在2012年申请的被称为“拥有分色滤光器的量子点增强显示器”专利，专利中详细介绍了量子点技术，以及这种技术如何应用在像iPhone这样的移动设备上。可以断定，苹果迟早会用上量子点显示技术。苹果对量子点显示技术进行改进后，其屏幕将拥有比亚马逊Kindle Fire HDX7屏幕更广的色域，HDX 7为了实现色准而对色域作出了妥协，苹果的任务就是同时解决色准和色域的问题。1.4量子点显示技术的优势与不足（1）色准度更高（发光半峰宽窄）（2）色域更宽（3）QLED的制造过程不需要使用阴罩，不会出现色彩精确度减少的问题。另外量子点还可悬停在液体中，并使用多种技术让其沉积，包括将其喷墨打印在非常薄的、柔性的或透明的衬底上(4) 在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍，发光率将提升30%至40%。同时OLED可以达到与无机半导体材料一样的稳定性、可靠性。然而，QLED的发展也面临着两个挑战，其一是寿命短，最好的QLED寿命仅为1万小时，这对大尺寸显示屏来说还不够。其二是需要确保色彩能始终如一地再现。1.5量子点显示技术的发展现状量子点作为可解决液晶显示器色彩表现性课题的技术备受关注，并引起企业对量子点显示技术的争夺战。目前量子点显示相关的专利主要掌握在Nanosys公司手上，该公司共握有超过300项相关专利，三星电子为该公司的主要投资者之一。全球三大量子点材料制造商英国Nanoco、德国Nanosys及美国QDVision在量子点显示技术方面的研究和技术领先业界。 英国量子点材料供应商Nanoco在无镉技术方面与陶氏化学合作，布局量子点市场。据Nanoco公司的创始人、首席技术官NigelPickett介绍，该公司的核心技术完全不含毒性元素镉(Cd)的“CFQD”(无镉量子点)的产量还仅限于每年几千克的水平，还不足以满足以液晶面板为中心日益扩大的市场需求，必须建立起大规模生产体制，因此该公司与陶氏化学签订了排他性授权协议，目的是利用陶氏化学在化学领域的生产能力和供应链，为今后的市场扩大做准备。合作双方所使用的技术是将薄膜之间夹有量子点的片状材料贴在背照灯与液晶面板之间的“On-Surface”方式。鉴于量子点材料的稳定性和容易嵌入液晶面板的特性，采用了On-Surface方式的目是赢得市场。德国Nanosys为了赢得量子点显示市场，除与3M合作外，还将通过新联盟扩大市场。据Nanosys公司的首席执行官JasonHartlove，介绍，Nanosys公司现在的产量为每年2万kg(含量子点的浓缩液)，到2014年将产能扩大到每年5万kg以应对市场。另外他还宣布，为稳定供应，除了现在的业务合作伙伴3M公司外，该公司2013年还在与新的合作伙伴洽谈结盟事宜，而且，2014年将与新的量子点制造商结盟。为满足市场需求，该公司正在开发无Cd材料。关于在液晶显示器中封装量子点的方法，JasonHartlove表示，Nanosys公司在考虑了On-Chip、On-Edge、On-Surface三种方式之后，根据色转换效率、光提取效率、波长利用效率三个特性认为On-Surface方式最佳。该公司在实际调查了55英寸电视机采用与3M合作开发的量子点膜“QDEF”的效果后发现，通过采用QDEF，不仅色域由NTSC比70%扩大到100%，用液晶面板亮度与背照灯功率之比表示的发光效率也提高了约50%。美国QDVision将在On-Edge用量子点方面建立全球供应链。美国QDVision由麻省理工学院注资的一家公司，并与LGD合作共同开发利用量子点作为像素的显示器。也与一家比利时化学公司Solvay合作，建立了一个印制QLED显示屏的平台。QDVision公司的副总裁MattMazzuchi介绍了该公司的产品“ColorIQ”。该产品已经配备在了索尼的10款4265英寸的液晶电视机上。并且，今后其用途还将由电视机扩大到显示器、平板电脑、智能手机乃至照明领域。MattMazzuchi表示，为了应对今后将日益扩大的市场，该公司将在全球范围内建立供应链。将建立在美国生产量子点材料、在台湾组装采用量子点材料的光学部件等供应体制。这样一来，今后就能够使量子点光学部件的产量由现在的月产100万个扩大到2倍甚至4倍。目前，国内在量子点显示技术的研发和产业还无法和外国企业相比，随着量子点显示技术日益受到关注，本土企业开始关注该显示技术在产业化方面的进程。在国内的面板企业方面，如京东方、华星光电、龙腾光电等有量子点技术的相关研发、生产。 1.6量子点显示技术的发展前景在量子点未来应用方面，多家机构均表达出较乐观的态度。据NPD DisplaySearch的数据显示，2015年，量子点显示在智能手机液晶面板中的渗透率将达3%，到2020年将增至26%；在平板电脑用液晶面板中的渗透率，将从2015年的2%增至2020年的15%；在液晶电视用面板方面，2015年其渗透率将小于1%，而到2020年有望增至9%。 另据Allied Market Research报告数据显示，2013年全球量子点显示市场达31600万美元，预计2020年将达50. 4亿美元，2014-2020年的年复合增长率将达29.9%。Displaybank预估，背光源采量子点(Quantum Dot)技术的显示产品产值，可望从2013年的千万美元，成长至2020年的2亿美元，年平均成长110%。Displaybank推算，量子点显示产品出货量，将从2013年的50万台，扩充至2023年的8700万台，年平均增长率达109%。量子点技术，无论是做为背光，还是直接做为显示屏，都有待于继续完善，如何提升其产能、无镉化、延长寿命等多方面均需各方的努力。但我们还是相信，未来量子点显示会有更加出色的表现，一旦技术成熟，将迎来一场显示产业的大变革。未来十年，或将迎来量子点显示的时代。 2. 3D打印技术-上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场 3 D打印技术，属于新一代绿色高端制造业。美国华盛顿邮报2012年1月11日载文称：人工智能+机器人+ 以3D打印为代表的数字制造 = 制造业革命。英国经济学人杂志指出3D打印技术是第三次工业革命到来的标志，它主要表现在数字化、人工智能和新材料。美国总统奥巴马甚至将这一技术加入到国情咨文进行重点强调，全世界范围内的3D打印热潮已然兴起。2.1 什么是3D打印3D打印（3D Printing），一种快速成形技术，它是一种以数字模型（STL文件格式）为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆积粘结的方式来构造物体的技术，国外称为增材制造（Additive manufacturing）。基本原理是离散-堆积原理。 3 D打印（增材制造）技术原理图使用打印机就像打印一封信，轻点电脑上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一幅二维图像。而在3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上。打印机通过读取文件中的横截面信息，用粉状或熔融状的材料将这些截面逐层打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而形成一个实体。这种技术的优点在于几乎可以制造出任何形状的物体、生产周期短和成本低。当遇到包含孔洞及悬臂这样复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间，最后只需用水或气流冲洗掉即可。如今可用于打印的戒指材料有很多，比如陶瓷、金属、碳纤维材料等等。打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面即X-Y方向的方面分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米。平面方向几十微米。最新的技术分辨率可做到5微米 2.2 3 D打印发展简史23 3D打印技术的应用 目前3D都打印技术已经在工业制造（如小型汽车，飞机）、影视文化（道具）、国防军事、生物医学（人造骨骼、假肢、牙齿，甚至血管、肝脏）、建筑、消费品（珠宝、鞋类、玩具）、教育以及个性化定制等方面有广泛的应用。随着3D打印技术的发展，其应用领域将不断拓展 2012年，美国弗吉尼亚大学工程系的研究人员采用最新的3D打印技术制造了一架无人飞机，机翼宽6.5英尺（约合1.9米），巡航时速达到45英里（约合72千米 3D打印飞机 磷酸钙生物陶瓷材料是整形外科领域一类重要的骨修复材料，可模拟人体自然骨结构，适宜细胞和骨组织的长入。利用3D打印技术打印这种类骨骼物质，添加到受损自然骨上，当作支架材料，促使细胞和骨组织生长，而且这种类骨骼物质可最终降解，没有“明显负面效果”。 3D打印骨骼世界上第一款3D打印汽车面世，这次不是玩具，而是真正能开上马路的汽车。 据连线杂志报道，Urbee 2是一款三轮的混合动力汽车，它的所有零部件都是3D打印出来的。据称，新版本3D汽车需要50个零部件左右，而一辆标准设计的汽车需要成百上千的零部件 3D打印汽车Urbee 为造出这种生物工程耳，研究人员先用快速旋转3D相机拍摄数名儿童耳朵信息，输入计算机形成3D图像，然后按照图像用3D打印机打出一个固体模子，并在其中注入一种高密度胶原蛋白凝胶，其中含有能生成软骨的牛耳细胞。此后数周内，软骨逐渐增多并取代凝胶，3个月后软骨会形成柔韧的外耳，替代最初用于塑形的胶原蛋白支架 3D打印人工耳 据英国媒体报道，英国研究人员首次用3D打印机打印出胚胎干细胞。研究人员说，这种技术或可制造人体组织以测试药物，制造器官，乃至直接在人体内打印细胞。研究人员在5日出版的生物制造杂志发表论文说，检测结果显示，打印24小时后，95%以 上细胞仍然存活，打印过程未杀死细胞；打印3天后，超过89%细胞存活，而且仍然维持多能性，即分化出多种细胞组织的潜能 胚胎干细胞3D打印机配备两个“生物墨盒”，一个装着浸在细胞培养基中的人体胚胎干细胞，另一个只有培养基。计算机控制微调阀喷出“墨水”，速度可通过改变喷口直径实现精确控制。打印机上有显微镜显示细胞打印情况。两种“墨水”一层一层间隔喷洒，形成不同浓度细胞飞沫，最小飞沫体积仅2纳升，包含大约5个细胞。飞沫被喷入有诸多凹孔的培养皿中，翻转培养皿，飞沫形成悬液，在各凹孔内“抱成团”。打印机可精确控制飞沫大小，使干细胞达到分化最佳状态。 3D打印胚胎干细胞3D打印手枪是2012年由Defense Distributed创始人、25岁的德州大学学生科迪威尔森（Cody Wilson）决定开发全球首款利用3D打印技术制造的手枪。任何人都可以在家里打印一把可用的左轮手枪的可能性，为这一革命性技术敲响了警钟。2013年5月，3D打印枪蓝图下载超10万，参议员拟提案禁止该技术。 3D打印手枪 3D打印微型工厂 3D打印建筑 3D打印巧克力 3D打印鞋子 3D打印服装2.4 3D打印产业链分析2.5 3D打印主要技术2.5.1 3D打印主要技术SLA光固化快速成形SLA(StereoLithography Apparatus),是一种采用激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化的RP快速成形工艺。由激光器发出的紫外光,经光学系统汇集成一支细光束,该光束在计算机控制下,有选择地扫描液体光敏树脂表面,利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理.一层一层地固化光敏树脂,每固化一层后,工作台下降一精确距离,并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描,使新一层树脂固化并粘在前一层已固化的树脂上,如此反复.直至制作生成该零件实体模型。激光立体造型制造精度目前可达0.1mm 光固化原理图2.5.2 3D打印主要技术LOM 叠层实体制造技术LOM(laminated object manufacturing)工艺是快速原型技术具有代表性的技术之一，是基于激光切割薄片材料、由粘结剂粘结各层成形，在我国也称为实体制造SSM(slicing solid manufacturing),该工艺由美国的Micheal Feygin 于1985年申请专利。 首先在工作台上制作基底，工作台下降，送纸滚筒送进一个步距的纸材，工作台回升，热压滚筒滚压背面涂有热熔胶的纸材，将当前迭层与原来制作好的迭层粘结在一起，切片软件根据当前层面的轮廓控制激光器进行层面切割，逐层制作，当全部迭层制作完毕后，再将多余废料去除 叠层实体制造技术原理 采用这种快速原型技术，截面轮廓被切割和叠合后所形成的制品如图所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。2.5.3 3D打印主要技术SLS激光选择性烧结SLS(selected laser sintering)工艺，它是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，并以逐层堆积的方式形成三维物体的一种快速成形技术。 SLS工艺又称为选择性激光烧结，由 美国德克萨斯大学C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工艺死利用粉末材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的粉末层上扫描出零件的截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，并与下面已形成的部分粘结，如此重复。 选择性烧结原理图2.5.4 3D打印主要技术FDM熔融沉积成形（Fused deposition modeling，FDM）工艺由美国工程师Scott Crump于1988年内研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围材料凝结。 简单地说，熔融沉积成形技术就是用高温 把材料熔化成液态，然后通过喷嘴挤压出一个一个很小的球形颗粒，这些颗粒喷出后立即固化，然后这些颗粒在三维空间形成实物 FDM工艺原理图 2.6 全球3D打印发展现状据市场研究机构Canalys公司称，2013年全球3D打印市场的规模已经达到25亿美元，预计2014年将增长至38亿美元，2020年将达到108亿美元。以市场占有量来看，美国居首，紧接着是日本、德国和中国2.7 我国3D打印发展现状然而，我国在3D打印方面与美国等国家相比还有一定差距。一是我国尚未形成一定规模的3D打印装备生产商，装备产能及市场规模极其有限。二是我国缺乏3D打印材料、工艺软件及服务等产业链，极大地限制了装备的应用范围。三是我国3D打印技术存在诸多瓶颈，如在3打印的基础理论与成形微观