等离子体显示技术研究现状及其发展趋势(学年论文)

等离子体显示技术研究现状及其发展趋势 通过对课程的学习，特别王老师对真空镀膜技术的介绍使我 认识到镀膜技术对材料表面性质的改变，在这里我通过其他资料来介绍一下等离子体显示 技术的应用 等离子体显示器（PDP）的出现至今已有很长的历史，但直到 1990 年代初才突破彩色 化、亮度和寿命等关键技术，进入彩色 PDP 的实用化阶段，其亮度均匀、无 X 射线辐射、 抗电磁干扰能力强、对迅速变化的画面响应速度快、视角大、易于实现大画面显示等优点， 覆盖了从 30in 到 70in 的高分辨率显示领域，是高清晰度电视（HDTV）的主要候选者。 但由于该类显示器功耗大、亮度和光效率低、工作时容易发生像素间串扰、价格昂贵 等，目前还难于普及推广到家庭用户。因此，世界上的许多 PDP 生产厂家，如松下、富士 通、LG、Plasma 等公司，针对 PDP 存在的问题，做了许多相应的研究并取得了重大突破。 本文介绍了目前世界各 PDP 生产公司和研究机构在改进 PDP 的结构技术、驱动电路 技术以及其他应用技术等方面所做的研究和取得的进步，并且根据目前等离子体显示技术 存在的问题，对今后 PDP 的发展趋势进行了探讨。 1 等离子显示器 1.1 等离子显示器的工作原理 PDP 是一种利用气体放电的显示技术，其工作原理与日光灯很相似。它采用了等离子 管作为发光元件，通过在管子两端的激励电极上加入电压，使放电空间内的混合惰性气体 电离成一种特殊物理状态电浆状态1，同时发生等离子体放电现象。气体等离子体放 等离子体显示技术研究现状及其发展趋势1 电产生紫外线，紫外线激发荧光屏，荧光屏见光，发射出可显现出图像。当使用涂有三原 色（也称三基色）荧光粉的荧光屏时，紫外线激发荧光屏，荧光屏发出的光则呈红、绿、 蓝三原色。当每一原色单元实现 256 级灰度后再进行混色，便实现彩色显示。等离子管组 成原理如图 1 所示。 图图 1 等离子管组成原理等离子管组成原理 1.2 等离子显示器的特点 等离子显示器是采用了近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术的新一代显示设备。 这种显示器的主要特点是图像真正清晰逼真，在室外及普通居室光线下均可视，可提供在 任何环境下的大屏视角，不会因磁场影响产生色彩、几何失真及噪音等优势。具体有以下 比较突出的特点：亮度、对比度高；色彩还原性好；显示效果非常出色；纯平面图像无扭 曲；超薄设计、超宽视角；具有齐全的输人接口2，可接驳市面上几乎所有的信号源；具 有良好的防电磁干扰功能；环保无辐射；散热性能好；无噪音困扰。 1.3 等离子显示器的分类 PDP 产品根据限制电流的方式或是在放电时所施加的电压形式可简单分为 DC 型 PDP 和 AC 型 PDP 两种。DC 型 PDP 是以直流（DC）电压启动放电并用电阻来限制放电电流 的大小，其结构较复杂，容易在等离子体放电时受到离子碰撞导致损坏及劣化，缩短 PDP 寿命，很难设计电路并且无法有效控制产品的质量；AC 型 PDP 在放电电极上覆盖有透明 介电层与耐离子撞击的保护层，可以利用交流（AC）电压在介电层表面引发放电，其电极 上覆盖有保护层耐离子撞击，寿命较 DC 型长。由于 AC 型 PDP 有结构简单、寿命长的优 点，因此目前 PDP 产品是以 AC 型 PDP 为主流。 2 等离子体显示技术的研究现状 2.1 PDP结构技术的研究 PDP 结构技术的研发工作一直围绕着障壁技术、电极的制造工艺和材料进行。在 AC- PDP 器件中，障壁的主要作用有两点：一是保证两块基板间的放电间隙，确保一定的放电 空间；二是防止相邻单元间的光点串扰。对障壁几何尺寸的要求是宽度应尽可能窄，以增 大单元的开口率，提高器件亮度，同时要求高度一致、形状匀称。障壁的主要制作技术有 丝网印刷法、喷沙法，现在又提出并试验成功了许多新工艺，如光敏浆料法、模压法、玻 璃原料成型技术、刻蚀研磨法3。目前喷沙法是制作障壁的主流技术。障壁的形成是 PDP 制造中最关键也是最困难的工艺。所以开发工艺简单，材料成本低的障壁制作技术是一项 降低 PDP 成本的有效措施。因此，各 PDP 制造公司和研究机构对于新型障壁制作方法的 研究开发十分积极。PDP 的电极也起着举足轻重的作用：透明电极、汇流电极和寻址电极 材料的选择和制作工艺由器件对其的光电要求决定，要考虑到导电性、对基板的附着力和 保护介质的兼容性，同时又要在工艺满足简易性和经济性。透明电极一般是用 ITO 制成， 为了增强它的导电性，在这上面加做一条金属汇流电极（bus 电极），寻址电极一般是厚 膜 Ag 电极。现在已有研究机构提出了用栅极 Cr/Cu/Cr 电极结构来代替原来传统的显示电 极。 常见的 PDP 结构有 Waffle 障壁和 T 型电极结构、Delta 蜂窝状单元及弯曲障壁结构、 CSP 结构、不等宽结构和 CCF（彩色滤光）膜结构。 采用 Waffle 障壁结构可扩大荧光体所占比例，提高 20%的发光效率。此外，采用 T 字型透明电极来抑制放电峰值电流，以此来提高发光效率。目前，先锋公司研制的新结构 表面放电型的 AC-PDP 就是采用了 Waffle 障壁结构和 T 型电极4以及新型绿、蓝荧光粉， 并提高放电气体中的氙气含量，使得 42 英寸 PDP 的发光效率提高到 1.8lm/W，白场峰值 亮度提高到 900cd/m2，功耗降到 380W，但有电极对位和排气上的困难。 富士通公司开发的弯曲障壁 AC-PDP 的像素结构为像素三角形排列和弯曲形障壁 (Meander ribs )结构5，即所谓的 DelTA(Delta Tri 2colorArrangement)结构。其设计思想是增 大荧光粉的涂覆面积，增加单元中的有效发光面积，从而使亮度和光效都得到提高，同时 备有一定的排气管道。如像素大小为 1.08mm 的 DelTA 结构，亮度为 200cd/m2时发光效率 可达 3lm/W 白场峰值高达 1000cd/m2，实现了高亮度高光效，并使排气畅通，但是提高了 对电极对位精度的要求。 韩国 LG 公司提出 CSP (charge storage pad)结构6，在透明介质层与 MgO 保护膜之间 添加一形状为方形，相互间隔离并与外电路分离、处于浮动状态的透明导电材(ITO)，该导 电体可以起屏蔽和增加电容，储藏电荷的作用。同时还可以平抑电流强度，延长放电时间， 提高发光效率。又由于浮动状态的 CSP 块与维持电极相比电压较低，所以电荷被限制在 CSP 块之间，所以还能起到降低串扰的作用。实验结果表明，CSP 与普通结构相比，发光 效率提高 1.6 倍，而且亮度也提高了 1.6 倍。 Waffle 结构和 DelTa 结构中 RGB 三色荧光粉都是等宽的，但考虑到在 RGB 三色荧光 粉发光效率不一致，而且衰减也不一致，这就带来色温和色平衡的寿命问题。特别是蓝色 荧光粉目前还存在发光效率偏低和衰减较快的问题，所以除了从荧光粉着手外还可以从单 元结构入手。 松下公司提出的非对称单元结构，特别扩大了蓝色荧光粉的面积，成功地解决了色温 偏低的问题，使色温偏差可以高于 10000K，解决了色温和色平衡的问题。但是，这样的结 构同时也会带来单元工作电压偏差范围增大的问题。 NEC 公司则通过在前基板上添加彩色滤光膜(CCF)的方法来改善屏的色温和对比度， 将 CCF 制作在显示电极(X、Y 电极)与介质层之间，并与后基板上配置的三色荧光粉相对 应，能扩大彩色再现范围，达到 10000K 左右的白场色温，提高对比度。 Plasmaco 提出的栅型 Cr/Cu/Cr 电极结构7，成功应用于 60 英寸 AC 型 PDP。位于前 等离子体显示技术研究现状及其发展趋势3 基板的每条显示电极(X、Y 电极)都由三条很细的 Cr/Cu/Cr 薄膜电极组成，它们提供了与 透明电极类似的较大放电区域和电容。一方面，当一根或二根电极断路时，可以保持导电； 另一方面，提高了开口率从而提高了亮度。由于金属 Cr 较易氧化成黑色，这又可以提高对 比度。另外，由于 Cr/Cu/Cr 电极无须高温工艺，因此可采用普通钠钙硅玻璃，降低了材料 成本。但 Cr/Cu/Cr 电极制造过程也比较复杂，须采用溅射工艺，而且在刻蚀中使用三种不 同刻蚀液，须经三次刻蚀，并且存在边蚀等工艺难题。这一结构的商业化生产还处于研究 之中。 障壁材料的选择在整个障壁制作中也十分重要，直接关系着障壁的制作工艺的难易和 制作成本的高低。普通的丝网印刷采用的是低熔点玻璃粉材料。喷沙法先用耐喷沙的光敏 胶或光敏干膜用光刻法制成图形，喷沙时利用障壁材料和光敏胶的选择性刻蚀形成障壁图 形，再经去胶和烧结而成。但是这两种方法都存在成本高，成品率低的缺点，因此很多研 究机构开始考虑不采用障壁而采用别的方式来重新考虑 PDP 的结构。 富士通提出了一种新型的 PDP 结构，采用管径为 1mm 左右细长的等离子管阵列来代 替原有的条状障壁结构。由于显示屏是由这些细小的管子排列而成，屏幕尺寸仅取决于管 子的数目，实现大尺寸就不会受到生产设备的限制，即使是生产 100 英寸的大屏幕也只需 要生产单个管子的设备。同时，由于荧光粉涂覆在管内，而管子只有两头与空气接触，灰 尘不易进入，就降低了对生产环境无尘的要求。试验表明，该种结构的 PDP 完全可以采用 已有的驱动方式，从整体来说在很大程度上降低了生产的成本。同时，等离子体管的放电 间距与放电空间较大，发光的效率较普通的 PDP 高，但是图像的质量还有待改进。 东南大学发明的一种新型的荫罩式 PDP(SM-PDP)结构8，不用介质障壁而用金属网罩 将各个放电单元隔开，避免了光点串扰。SM-PDP 属于对向式表面放电，工作时，上基板 的扫描电极、下基板的寻址电极、中间的金属罩各加上一电压。在交变电压的作用下，使 气体放电发光。试验表明，金属荫罩作为导体能够影响放电单元中电场的分布，类碗状金 属荫罩能更好地将放电粒子集中在放电单元的中心，一方面可以改善离子束的聚焦情况， 提高图像的显示质量；另一方面也减小了粒子对金属障壁上荧光粉的轰击，延长了 PDP 的 使用寿命。 2.2 PDP 驱动电路技术的研究 对于彩色 PDP 来说，必须要有驱动电路才能正常的工作。驱动电路无论在技术上还是 在价格上都起着举足轻重的作用。一个性能良好的 PDP 彩色电视，驱动电路占到总成本的 70%80%。因此如何开发出适合彩色 PDP 的驱动电路也是提高其性能、降低成本的重要 因素。 目前常用的驱动技术有 ADS 驱动技术、ALIS 技术、Plasma AI 技术、CLEAR 技术、 AwD 技术、斜坡启动驱动技术等。 富士通提出的选址和显示分离技术 ADS(Address and Display Separation)采用脉冲个数 调制方式来实现不同灰度等级的图像。ADS 技术虽然能够实现 256 级灰度，但是点亮占空 比低，对比度不高，峰值亮度难以提高，存在运动图像模糊、伪轮廓、画面闪烁和长时间 图像水纹印9等现象，导致图像质量不太令人满意。但已有研究表明，可以采用改进的二 进制编码法10、非二进制编码法和运动补偿的方法来消除伪轮廓，提高图像质量。改进的 二进制编码法、非二进制编码法是目前等离子体显示屏所普遍采用的方法，但是这两种方 法只是部分的改进了图像的质量；而运动补偿方法从理论上可以消除显示运动图像出现的 问题。现在有研究机构提出将运动补偿法与 ADS 视频驱动模块紧密结合在一起：在研究了 人眼观看视频图像时的视觉心理模型后，提出将空间积分的影响加入到人眼的视觉心理过 程；并采用将子场和视频帧分离的视频驱动优化方法和基于 bit 位进行补偿的方法，充分 利用 PDP 子场寻址方式来实现补偿，更进一步的是，将数字信号处理的相关算法引入到 PDP 显示屏的视频驱动模块中，通过信号处理来提高显示的图像质量，适应了高端显示器 件的发展方向。 针对 ADS 驱动技术存在的问题，富士通又提出了 ALIS（表面交替发光）。该驱动技 术关键是利用不点亮的显示行的两个电极之间的零电压，将该行作为非发光区，从而将单 元之间彼此的放电干扰减小到最低程度。ALIS 技术的汇流电极位于维持电极的中央，能够 最大限度地利用表面空间，发光面积也增大了 50%。由于显示线增加了一倍，因此非常易 于实现高清晰化。采用 ALIS 技术使用原来的屏生产设备就可生产 1000 线高清晰的 PDP。 并且，由于 1000 线不需分割驱动，可使驱动 IC 减少一半，大大降低了成本。可以说 ALIS 技术是实现高清晰度 PDP 较为理想的技术。 松下公司提出的 Plasma AI 也是 ADS 的改进技术，根据某一电视场图像中平均亮度水 平来调节子场数。由于在低亮度的情况下，图像的伪轮廓不是很明显，可以减少子场数， 高亮度的情况下相应的采用增加子场数的办法来改善子场在时间分布上的线性关系，以降 低伪轮廓。 先锋公司提出的 CLEAR 是一种区别于 ADS 的新颖的驱动技术。在 CLEAR 中，初始 化后即进入维持点亮阶段，灰度等级到达后，再选择擦除（熄灭）。CLEAR 技术采取的图 像处理方法为误差扩散法和高频振荡法。其灰度实现在时间分布上的线性排布彻底去除了 伪轮廓，提高了 PDP 表现动画的能力，但是增加了电路开销，不易在灰度等级中实现补偿 再现，并且很难降低工作频率。 AwD11技术是选址同时显示技术，发光的占空比高达 90%。显示屏的结构特点是寻址 电极分为上下两部分，同时扫描寻址。在低选址电压 AwD 中，选址扫描阶段不仅依靠壁 电荷，而且依靠空间分布亚稳态 Xe 原子产生放电，所以可降低点亮电压，也是一种比较 好的驱动方法。 L. F. Weber 提出的斜坡启动驱动技术，利用了平衡弱放电时低发光使壁电压趋于一致 的原理。在准备期保持较好的对比度和控制放电单元状态的情况下，采用斜坡电压来提高 发光效率。当波形上升斜率很小时，发电单元就会发生汤生暗放电。这种驱动方法一方面 能使不同空间尺寸单元的壁电压维持一致；另一方面可以降低选址电压，还可大幅提高对 比度。在 PDP 驱动电路中涉及成本的一个重要部分是高压驱动部分，一是因为它所要求的 电压高，二是因为目前的需求量还没有达到批量生产的水平。解决途径一边可以从电路本 身着手，另外通过设计优化放电单元可以有效降低驱动电压，比如 SM-PDP。由于采用导 电金属材料作为障壁，SM-PDP 在 EMI 散热等方面优于传统障壁结构的 SM-PDP 的荫罩的 边缘处场强比较高，从而可以在较低的外加电压情况下快速地产生放电过程。采用 SM- PDP 结构最大优点是带动了整机成本的下降，首先是复杂的障壁生产工艺和流程因采用了 简单的荫罩而简化了，其次是荫罩型结构可以采用较低的着火电压从而带动驱动芯片成本 的降低。 2.3 理论与计算机模拟技术 理论研究和模拟计算是 PDP 研究中十分重要的内容，是围绕提高 PDP 发光效率，降 低功耗进行的，具体在放电单元结构设计、气体压强、稀有气体最佳混合比例、荧光粉涂 覆等方面进行理论研究工作。 现常用理论模拟或监测放电单元发射的真空紫外线来进行彩色 PDP 的放电机理研究， 如研究真空紫外光发光效率和等离子体粒子浓度的关系，寻找氦氖混合气体的最佳比例， 以提高 PDP 放电单元的发光效率；同时，在 PDP 放电单元中，MgO 起着保护电极和介质 层的作用，同时产生大量的二次电子。由于提高放电单元中二次电子发射系数能够有效提 等离子体显示技术研究现状及其发展趋势5 高发光效率，降低着火电压，改善 PDP 放电单元的放电特性，所以研究在不同气体混合比 例下二次电子的发射系数也是十分有意义的课题。此外，放电单元的结构对 PDP 发光效率 也有着不可忽略的影响，很多研究通过模拟计算来对 PDP 放电单元的结构进行设计和分析， 从而优化 PDP 的结构，提高 PDP 放电的效率。同样，荧光粉本身的性质对 PDP 的发光效 率也有影响：在 PDP 放电单元中，Xe 放电产生的 VUV 照射荧光粉产生可见光，所以要求 荧光粉材料有较高的量子效率和对 VUV 的较低的反射率。有基于 Mie 散射理论的 PDP 放 电单元中光子转换过程的模拟计算表明，对于厚度为 2030m 的荧光粉层，荧光粉颗粒 的最佳半径是 12m。 2.4 其他 PDP 应用技术 目前，其他 PDP 技术还有：多屏幕应用技术、PDP 性能增强技术、视端接口技术、控 制电源技术12等。 其中，多屏幕应用技术包括了用于多屏幕观赏的图像放大技术、遥控号码指定技术、 RGB 有源直通连接技术等。 PDP 性能增强技术是诸多 PDP 生产公司为了提高等离子屏的工件性能而开发的新技术， 包括等离子真实还原技术、对比度自动跟踪技术、逐行扫描技术等。 视端接口技术是继松下公司向市场推出世界上首台支持 BS 数字广播电视及 110CS 数字广播电视两种制式的 PDP 电视机 TH-42PX10 之后，先锋、富士通和东芝以及国内许 多公司也陆续采用的新技术，并且各自推出了内置电视调谐器的新机型。 控制电源技术包括待机电源技术、逻辑电源技术、驱动电源技术、音频电源技术、维 持电源技术、寻址电源技术、建立电源技术和扫描电源技术等。 3 等离子体显示技术的发展趋势 虽然目前等离子体显示技术水平有了很大提高，但仍存在着一些问题，主要是：产品 功耗、成本过高；分辨率、对比度、发光效率有待提高等。针对这些问题，可以预见等离 子体显示技术的发展趋势： 3.1 采用高效、节能 PDP 显示屏制造技术 缩短工艺处理时间，降低制造能源消耗，降低材料成本，采用大尺寸玻璃板多面取技 术，使 40 英寸级 PDP 电视的价格从目前大约 65 美元/英寸降低到 40 美元/英寸。 3.2 降低 PDP 产品的功耗 优化产品结构设计和电路设计，使 40 英寸级 PDP 产品功耗从目前 300W 左右降低到 200W 以下，甚至接近 100W。 3.3 提高 PDP 产品的发光效率 富士通公司研究资料表明，通过放电气体和电极结构的改善，可使发光效率从目前的 1.8lm/W 提升至 2.5lm/W。驱动电压波形的改善约可提升 1.6 倍，荧光粉的改善可提升 1.1 倍，障壁的改善可提升 1.2 倍，合计可使发光效率达到 5lm/W。 3.4 提高 PDP 产品显示画面质量 目前彩色 PDP 产品的 R、G、B 视频信号大多为 8 位，发展趋势是采用 10 位或者 12 位视频信号，显著提升 PDP 产品的彩色和灰度再现能力。虽然彩色 PDP 的暗室对比度已 达 10000：1，但明室对比度一般在 100：1 以下，需要进一步提高。 3.5 提高 40 英寸级高分辨率 PDP 产品市场竞争力 随着高清晰度电视产业的发展，40 英寸级高分辨率 PDP 产品将成为等离子体电视的 发展重点，但需要解决价格偏高的问题。 4 结论 经过多年的研发，PDP 技术在大尺寸显示器件市场上占领的阵地正在逐步扩大，家用 PDP 电视早已进入部分家庭，其中最主要的原因是 PDP 性能有了大幅提高。但目前 PDP 技术仍存在功耗、成本过高；分辨率、对比度、发光效率有待提高等问题。这些问题便是 许多 PDP 研究机构及生产厂家所面临的挑战。尤其是高昂的价格，使得 PDP 在进军家庭 市场的过程中受到了阻碍。因此，只有努力克服这些困难，降低其成本，提高其性能，才 会有更大更好