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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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作者:林志強 (2014-07-10);推薦:徐業良(2015-12-16)

附註:本文為102學年度元智大學機械工程研究所林志強碩士論文「量子玻管燒結封口最佳化」第一章。

第一章  研究背景與目的

本研究針對量子點玻管燒結封口製程最佳化進行深入探討本章首先對量子點做一簡介並敘述背光源用量子點玻管的管材與製造,以及燒結封口作業與燃燒火焰氣體,最後說明本研究的目的

1.1    量子點簡介

中國稀土儲量為3,600萬噸,占世界儲存量36%年產量達12萬噸,高居全球產量97%全球90%以上的稀土仰賴大陸出口稀土中又以螢光粉稀土為目前製造LEDLCD面板、觸控面板產品之背光源等不可或缺的發光材料然近幾年中國已減少稀土的出口量減量之下造成價格不斷上漲,故面板業者積極找尋與研發非稀土原料螢光粉的發光源,至今發展中發光源材料主要有機發光體與無機發光體等。量子點(Quantum Dots)便是無機發光體應用在面板背光源重要技術之一

量子點是一些肉眼無法看到的、極其微小的半導體奈米晶體,是一種粒徑不足10奈米的顆粒,是由鋅、鎘、硒和硫原子組合而成。每當受到光或電的刺激,量子點便會發出有色光線,光線的顏色由量子點的組成材料和大小形狀決定,這一特性使得量子點能夠改變光源發出的光線顏色,且可取代稀土提煉而成的螢光粉,不受限於原料開採問題,可大量進行量產。

量子點通過光線刺激發散出幾種顏色的組合,最終讓量子點玻管透發散出白色的燈光在同樣的燈泡亮度下,量子點玻管所需的藍光更少,在電光轉化中需要的電力自然更少,更高效的表現令其在節能減排方面更勝一籌。

目前量子點製造方法可以大致分為三類分別敘述如下[1]

(1)       化學溶液生長法

將三種氧族元素(硫、硒、碲)溶解在三正辛基氧膦中,而後在200300攝氏度的有機溶液中與二甲基鎘反應,生成相應的量子點材料(硫化鎘硒化鎘碲化鎘)。所產生的量子點成膠狀物質膠狀量子點具有製作成本低產率大,發光效率高等優點缺點是電導率極低。

(2)       外延生長法

外延生長法是指在由半導體上長出量子點,具有電荷傳輸效率比膠體量子點高表面的缺陷少等優點。缺點為需要超高真空作業來製造,成本較高

(3)       電場約束法

利用調控金屬電極的使半導體內的能級發生扭曲,形成對載流子的約束。由於量子點所需尺寸在奈米級別,需要用電子束曝光的方法製作。成本最高,產率也最低。適合於用作量子計算

本論文實驗所採用的膠狀量子點為以化學溶液生長法所製造的碲化鎘量子點膠體量子點簡稱為量子膠膠體外觀呈黃色液狀,特性為約在攝氏40˚~50˚或接觸UV光環境便會開始凝固枯化,故操作環境需讓膠體維持在常溫攝氏30˚以內,並於黃光區下作業。

以量子點應用在面板的背光源稱為量子背光源(QLED)優點如圖1-1與圖1-2分別所示,與白光LED (Blue LED + YAG)相比QLED光譜具有更窄RG光譜波長,且因色域較廣,故可產生較大色彩飽和度NTSC(彩色電視廣播標準),於市場銷售可增加消費者選擇信心與視覺感受。

1-1. White LED and QLED光譜波長比較(http://www.qdvision.com/color-iq)

1-2. While LED and QLED CIE色域圖比較(http://www.qdvision.com/color-iq)

1.2    量子點用玻璃管材

量子點玻管為應用在TV面板背光源模組內的背光元件為一兩端密閉內部注滿已凝固枯化的量子膠之玻璃管如圖1-3所示

1-3. 量子點玻管成品

玻璃管材成份以氧化矽(SiO2 ,81%wt)為主。有別於陰極螢光管(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)所採用圓形中空薄壁玻璃管,量子點玻管所採用的玻璃管端面外觀為中空長方形,如圖1-4,目的為安裝於背光模組內由藍光LED穿透量子點玻管產生白光時避免如圓形玻管穿透所產生折射現象,確保背光板接收到的光線波長與光量的穩定(如圖1-5)

1-4. 量子點玻管端面外觀形狀

1-5. 陰極螢光管與量子點玻管透光散射特性

1.3   量子點玻管製造簡介

1-6目前量子點玻管製造流程示意圖以下就各製程做概要說明

1-6. 量子點玻管製造流程示意圖

(1)       玻管裁切

切管機為以碳化鎢(WC)為材質的刀片裁切玻璃,如圖1-7所示,依客戶需求不同裁切出不同的長度。

1-7. 玻管裁切

(2)        玻管單邊燒結封口

1-8為玻管單邊燒結封口作業,將玻管單側端以燒結火焰將底部燒至熔融結合成水滴狀,在未冷卻前再以銅夾夾合矯正外觀形狀如圖1-9,並以百倍放大檢驗鏡頭檢查熔融結合處玻璃是否密合且無接縫,以防止玻管真空注膠作業大氣洩入。

     

1-8. 玻管單邊燒結封口作業                1-9. 單邊燒結封口成品外觀

(3)       玻管真空注膠

量子點玻管成品要求需在負壓狀態下進行,此製程將以真空幫浦進行玻管內部真空負壓作業,當真空達一定值後關閉真空再進行量子膠注入。真空負壓作業利用正負壓差特性,液態膠體為正壓物質而玻管內部為負壓環境,由上方開口注入膠體能快速並確實的引入玻管底部,完成後再灌入惰性氣體利用正壓將管壁內殘膠徐徐壓向管底。圖1-10為玻管真空注膠作業示意圖。

1-10. 玻管真空注膠作業示意圖

(4)       膠量線T5-UV燈照射枯化

量子膠特性為在有UV光波長照射狀態下會發生凝固現象利用此特性將注膠完成後的玻管以T5-UV燈管照射進行凝固枯化作業,如圖1-11所示。由於量子膠在未枯化前為液體狀態膠體流入玻管後很難將膠量多寡精確地控制在製程需求公差範圍,且玻管進行下一階段二次封口燒結作業時,燒結處的玻管內部狀態需潔淨且無膠體殘留,故以目前技術暫無法克服下替代作法為控制膠量注入高於需求之膠量線些許以黑色套管遮住餘膠,如圖1-12所示,使餘膠保持液態不進行此程序枯化作業

1-11. T5-UV燈照射作業

1-12. 黑色套管遮蔽

(5)       二次預燒結封口

1-13為二次預封口作業枯化作業完成後於標準膠量線上方約10公分處進行二次預封口燒結作業,以燃燒火焰熔融玻璃管燒結封口,在燒結時需再進行負壓真空抽氣作業,目的為將先前灌入的惰性正壓氣體抽出及使玻管與餘料管兩端封口處因負壓而產生各自密合性包覆,若無負壓作業配合下進行燒結封口會發生燒結處爆裂(正壓氣體洩出)或燒結處玻璃無法完全密合而導致正壓洩入。完成後由氣壓缸夾子下引將半成品與餘料管脫離。

1-13. 二次預燒結封口作業

(6)       餘膠離心脫離

二次預封口完成後膠量線以上的膠仍為液狀此時要在膠量線上方做二次封口作業時必須先把液狀膠體脫離至玻管上方(二次預封口側)此程序利用離心原理,將玻管置入鐵盒內,下方固定以馬達帶動旋轉利用離心力將液狀膠以甩出方式脫離至玻管上方

(7)       餘膠UV鹵素燈枯化

如圖1-14所示將離心完的量子點玻管放置輸送帶上UV鹵素燈枯化液態膠由於UV鹵素燈較前一製程T5-UV燈能量強可快速枯化殘餘液態膠

1-14. 餘膠UV鹵素燈枯化

(8)       二次燒結封口

此時量子玻管內部量子膠體膠量線以上為捨棄餘料將玻管再次進行燒結封口作業程序如步驟(5),玻管燒結封口完即為成品。

(9)       成品光學檢驗

枯化後量子膠的光學特性為不需紅綠色光由藍色光透過量子點玻管可產生演色性高的白色光成品光學檢驗使用LED藍光照射機置入量子點玻管透過玻管所散發出之白光以光學分析儀來檢驗成品光學特性是否達到需求標準

1.4    燒結封口作業與燃燒火焰氣體

燒結封口作業在量子點玻管生產製程中為最重要的一項製程,量子點玻管共有三個燒結封口作業,分別為單邊燒結封口二次預燒結封口二次燒結封口,三種燒結封口作業的特性差異比較如表1-1所示

1-1燒結封口作業特性差異比較

負壓作業

玻管燒結端/火焰相對位置

製程難易度

發生不良品比例

單邊燒結封口

/

二次預燒結封口

有,使用真空幫浦

/

二次燒結封口

有,玻管內部真空

/

單邊燒結封口無負壓真空作業,燒結時玻管在上方火焰在下方,當玻管加熱溫度到達時玻璃成液狀而自然向下結合包覆為半圓弧水滴狀;二次預燒結封口與二次燒結封口玻管燒結端和燒結火焰位置與單邊燒結封口相反燒結時玻管內部若無負壓環境則封口端液狀玻璃無法產生有效的收縮包覆封口不良將會導致正壓空氣洩入進而對量子膠產生光學特性的減弱

燒結火焰的元件組成主要為燃燒氣體、氣體流量控制器燃燒器所構成使用氣體分別為丙烷(C3H8)氧氣(O2)低壓空氣(Air)等三種氣體所組成的預混焰,組成示意圖如圖1-15所示其個別氣體功用如下

1-15. 燃燒氣體火焰管路元件組成示意圖

(1)       丙烷(C3H8)

丙烷是一個三碳的烷烴,化學式為C3H8,通常為氣態,但一般經過壓縮液態運輸原油天然氣處理後,可以從成品油中得到丙烷。丙烷通常用來作為發動機燒烤食品及家用取暖系統的燃料。在銷售中,丙烷一般被稱為液化石油氣(LPG),其中也混有少量的丙烯丁烷丁烯。為了便於發現意外洩漏,商用液化石油氣中一般也加入惡臭的乙硫醇;丙烷物理化學性質如表1-2所示[3]燃燒化學式如下

C3H8  + 5 O2  → 3 CO2  + 4H2O + 熱量

1-2. 丙烷物理化學性質

(2)       氧氣(O2)

氧氣為助燃氣體一般燃燒過程所用的助燃空氣均在自然狀態下,亦即氧濃度為21%,如果用比自然狀態下含氧量高的空氣做助燃空氣,則該燃燒稱為「富氧燃燒」,富氧燃燒的極限狀態為「純氧燃燒」。富氧燃燒火焰與普通燃燒火焰相比有如下優點:理論空氣量少火焰溫度高排煙量降低分解熱增加節約能源降低污染排放

富氧燃燒的形式大致可分為:微富氧燃燒(Air Enrichment)、氧氣噴槍(O2 Lancing)、純氧燃燒(Oxygen-fuel Combustion)、空氧燃燒(Air-oxygen/Fuel Combustion)4大類量子玻管燒結封口採用的燃燒方式為空氧燃燒此方式是空氣和氧氣同時供應燃燒器燃燒所需。好處是可操作在較高的氧濃度下,提高節能效率,同時其操作費用要比純氧燃燒來的低,火焰長度及熱傳分布可藉由調整氧氣流量來加以控制[4]

(3)       低壓空氣(Air)

低壓空氣為將過濾後無含油空氣(CDA)壓力降至1kg/mm2供給至丙烷與氧氣組成的燃燒火焰混合氣中作空氧燃燒,低壓空氣有額外的優點為可持續將火焰吹出防止回火至燃燒器管路內部

1.5    研究目的

由於客戶需求的不同生產的玻管規格也各有不同,故燒結封口作業也隨之需要經常調整燃燒氣體流量以配合玻管尺寸,但常因操作人員的不熟悉與火嘴安裝距離位置調整不當等因素造成許多不良品,其中目前又以二次預燒結封口不良為最多燒結封口不良項目最主要有兩種,一種為封口端拉絲,如圖1-16所示以及另一種為封口端結球狀,如圖1-17所示。

1-16. 封口端拉絲

1-17. 封口端結球狀

封口端拉絲產生主要原因為燒結火焰燃燒溫度過低,在設定的燃燒時間到達仍未完全燒熔玻管,導致玻管下引與餘料玻管間產生未脫離之玻璃細絲;封口端結球狀則相反地因燒結火焰溫度過高而使封口端產生小結球狀。以上兩者皆會產生封口端包覆不良而使正壓大氣洩入。

燒結火焰的氣體流量控制影響著燒結封口作業的成敗,然現今的調整方式大多仍憑藉著工程師的經驗來調整操作,並無一定的參數化輔助,若能將燃燒氣體流量調整予以參數化將可大大的幫助工程師調整與試作的時間並節省試作玻管材料的浪費。

另一個思考的方向為當工程師調整出來的火焰雖暫時可以生產,但生產產品的穩定性只能從製造過程中來觀察並慢慢修正,造成良率的不穩定性,且調整出來的工作火焰溫度是偏下限不良(封口端拉絲)還是上限不良(封口端結球狀)仍未得知,若在可行區域範圍內偏上限不良亦會產生多餘的燃燒氣體浪費,因此若能將燃燒氣體用量達成最佳化除可增加燒結的穩定性並可大大的降低氣體使用成本。

目前量子點玻管製造發生不良品比例最高在於二次預燒結封口作業上,解決此不良項目為製造生產目前最主要迫切的需求。本研究的目的在依照不同的生產玻管規格將燒結火焰氣體調整參數化與最佳化,以縮短工程師試作時間增加生產製造穩定性降低氣體與玻管材料使用成本。

本論文第二章首先將設計需求與目標成本函數作一數學模型關閉低壓風以兩種混合氣體燃燒作燒結封口實驗並使用軟體MATLAB來繪製出溫度等高線圖以圖解方法來找出符合成本函數的最小值最佳化流量;第三章以兩種混合氣體最小值最佳化流量為基礎開啟低壓風做三種混合氣體的燒結封口實驗找出強健型最佳化流量;第四章更換另一規格尺寸之玻管找出強健型最佳化流量並與前一種規格玻管做熱值計算比較分析找出質量與熱值和溫度間的關聯性第五章為結論將所獲得的實驗分析結果建立一未來新規格玻管可參考依據之最佳化流量實驗模組及設備外部環境對燃燒火焰穩定的改善與建議。

參考文獻

[1]       維基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E7%82%B9

[2]       維基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%99%E7%83%B7

[3]       賴耿陽譯著瓦斯燃燒裝置實務,民79,復漢出版社

[4]       經濟部能源局,200710月能源報導

http://energymonthly.tier.org.tw/outdatecontent.asp?ReportIssue=200710&Page=31