（物理电子学专业论文）smpdp等效电路模型的研究.pdf

摘要 在大屏幕娱乐平板显示终端产品领域，目前最主流产品是等离子体显示屏和液晶屏。 两者各有优缺点，严酷的市场竞争促使它们的技术都必须不断创新和改进。荫罩式等离子 体显示器( s m p d p ) 技术方案的提出为等离子体显示器技术指出了一条有效的低成本化道 路，对其继续保持在4 0 英寸以上大屏幕平板显示器市场领域的主导地位具有非常重要的作 用。在p d p 技术研发领域，等效电路模型研究方法正因其快速、简洁、直观等突出优势近 年来得到较好的发展。本论文的研究重点是设计针对s m p d p 技术的等效电路模型，并构 建和完善s m p d p 适用的等效电路模型研究体系。 论文首先详细分析了s m p d p 的放电单元结构特点及其工作机制，设计并实施了多组 特性测试实验，得到s m p d p 气体放电的工作特性以及电路系统中对于s m p d p 负载、驱 动方式的变化而产生影响的实际结果。参考上述结果，根据s m p d p 放电空间的结构特点 和气体放电特性，本论文提出了s m p d p 等效电路模型，它主要由电容网络和晶闸管元件 构成，具有结构简单，应用方便的特点。经过利用商用电路模拟软件进行性能仿真所得的 结果与测试结果相符，显示出良好的准确性和可等效替代性。该模型已经在s m p d p 壁电 荷工作机理阐述、能量复得电路功效分析和部分电路系统调整和优化实验等实际工作起到 了良好的辅助设计作用。 为了扩展s m p d p 等效电路模型的应用场合，进一步降低系统开发成本，论文还先后 分析了s m p d p 等效电路模型参数变化对系统工作特性的影响，以及s m p d p 等效电路模 型参数与s m p d p 结构设计之间的关系。在现有条件下，完成了s m p d p 整屏等效电容取 值经验公式的构建工作。 关键词：荫罩式等离子体显示屏，等效电路模型，特性测试，性能仿真，电路系统优化 h i a b s t r a c t p d p sa n dl c d sa n o wt h em o s tc o m p e t i t i v ec a n d i d a t e si nm a r k e to ft h el a r g e s c n * n d i s p l a yt e r m i n a lp r o d u c t t h eh e a v yc o m p e t i t i o nf o r c e st h e mk e e p i n g o ni n n o v a t i o n sa n d i m p r o v e m e n t s t h ep r e s e n t a t i o no ft h ep l a s r n a d i s p l a yp a n e lw i t hs h a d o w m a s ks h o w sa p r o m i s i n gs o l u t i o no f l o wc o s tp d p , w h i c hc a nh e l pp d pt e c h n o l o g yk e e pi t sl e a d e rp o s i t i o ni n t h eo v e r - 4 0 - i n c hf p dm a r k e t d u et os o m eo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s s u c ha sf a s tt or e s u l ta n d e a s yt 0u s c t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm e t h o dh a sb e e nw e l ld e v e l o p e dd u r i n gr e c e n ty e a r s n i i s p a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g no fas u i t a b l ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lf o rs m p d et h ec o n s u u c f i o n a n di m p r o v e m e n to ft h ec o m p l e t ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e ls t u d ys y s t e mf o rs m p d pa sa n o t h e r k e yw o r k i sa l s od e s c r i b e d a tt n s t ，t h ed e t a i l e dc e l ls t r u c t u r eo fs m p d pa n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ei sp r e s e n t e d w i t h s o m ee x p e r i m e n t sa n dm e a s u r e m e n t s ，t h ep r a c t i c a lw o r k i n gp r o p e r t yd u r i n gg a sd i s c h a r g ea n di t s r e l a t i o n s h i pw i t hs m p d p l o a do ri t sd r i v em e t h o d sh a v eb e e nc o l l e c t e d r e f e rt ot h e s er e s u l t s ， t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lf o rs m p d ph a db e e ne s t a b l i s h e d ，w h i c hi sc o m p o s e do fan e t w o r k o fc a p a c i t o r sa n ds o m et h y r i s t o r s t h es i m u l a d o nr e s u l t sw i t ht h i se q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo f s m p d pi nc o m m e r c i a ls o f t w a r ep s p i c es h o wh i g l lc o m p a t i b i l i t yw i t l lf o r m e re x p e r i m e n tr e s u l t s ， w h i c hh e l p su st oc e r d f yi t sp r e c i s e n e s s t h i se q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lh a db e e na p p l i e di nm a n y a s p e c t sd u r i n gs m p d pd r i v e rs y s t e md e s i g na n di t sa n a l y s i s f o re x a m p l e ，i tc a l ls h o wt h e d e t a i l e dv a r i a t i o no fw a l l c h a r g e ，i tc a nc a l c u l a t et h ee x a c tp o w e rs a v e db yt h ee n e r g yr e c o v e r y c i r c u i li ta l s oc a ng u i d et h ed r i v e rs y s t e mo p t i m i z a t i o nb yd e m o n s t r a t i n gt h ei n f l u e n c eo fe v e r y m o d i f i c a t i o no ni t f o rf u r t h e re x p a n d i n gt h es d 咿d pe q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e la p p l i c a t i o na n dr e d u c i n gt h e t o t a lc o s to fs m p d pd e v e l o p m e n t , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt 1 1 es m p d ps t r u c t u r ea n dt h ed r i v e r s y s t e mp e r f o r m a n c eh a sb e e ns t u d i e d t h ei n f l u e n c e so fa l lt h ec o m p o n e n tp a r a m e t e r so ft h i s s m 旷d pe q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo nt h ed r i v e rs y s t e mp e r f o r m a n c eh a v eb e e nc a l c u l a t e d a f o r m u l at oe s t i m a t et h ee q u i v a l e n tc a p a c i t a n c eo ft h es m p d eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o m p o n e n tp a r a m e t e r s ，h a db e e np r e s e n t e d k e y w o r d s ：p l a s m ad i s p l a yp a n e lw i t hs h a d o wm a s k , e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ，m e a s u r e m e n t , s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：f 垄垒生日期：垫q 鱼：曼：! 互 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：i 垄垒塑一导 。嘲鼠 师签名： 二： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 显示技术及p d p 技术发展概况 1 1 1 显示技术的发展 我们正经历信息大爆炸的时代，r r 技术和相关产业在近年来得到飞速发展。图形和字符作为 信息最主要的表达方式，促使显示技术得到了长足的进步；反之，显示技术的提升也进一步推进信 息技术更好的发展。 自从十九世纪末，阴极射线管技术( c a t h o d er a y t u b e ，c r t u ) 出现以来，整个二十世纪可以 称得上是“c r t 的辉煌百年”。作为一个显示器，c r t 产品以其成熟的工艺、低廉的成本、突出的 显示效果以及高性能可靠性在显示器市场占据了绝对的统治地位。直到二十一世纪的今天，基于 c r t 技术的彩色电视机和计算机显示器都仍然遍布世界各地。但是c r t 显示技术也存在其显著的 缺点。由于电子束的扫描工作方式和真空工作环境要求，c r t 在薄犁化和大显示尺寸应用等方面无 法满足大屏幕电视市场要求。而平板显示器的出现，正弥补了c r t 技术在这些方面的不足。 二十世纪最后的十到二十年中，涌现出多种平板显示器技术”j 。其中，液晶显示技术( l c d ) 、 等离子体显示技术( p d p ) 、场致发射显示技术( f e d ) 、有机发光二极管技术( o l e d ) 等都得到 了快速的发展，并以前两者的发展最为突出。 i j 2 d 技术从单色小屏幕显示器产品开始进入市场，并随着工艺的进步在统治小型显示屏市场 的基础上不断扩大在中大型显示器市场的份额，就目前主流的中等尺寸显示器市场的竞争中，l c d 已经逐步取代了c r t 的龙头地位。由于l c d 面板的第六、第七代生产线的量产成功，近期在大屏 幕家庭娱乐显示器市场的竞争中，l c d 也有不错的表现。f 4 “ p d p 技术只专注于大型宽屏平板显示器领域，主要产品的对角线尺寸从3 2 、3 7 、4 2 、5 0 以及 6 0 英寸不等，其中尤以4 2 英寸产品为主，分辨率从w v g a ( 8 5 2 x 4 8 0 ) 、x g a ( 1 0 2 4 x 7 6 8 ) 、w x g a ( 1 3 6 6 x 6 8 ) 到f h p 公司专有的1 0 2 4 x 1 0 2 4 。最近，该尺寸范围内的f u l lh i ) ( 1 9 2 0 x 1 0 8 0 ) 分辨 率的p d p 产品也陆续被各p d p 公司研发成功并推出。目前p d p 技术已经占据了4 0 英寸以上室内 平板显示器市场的垄断地位，以松下、三星、l g 为首的p d p 生产商也相继追加在p d p 上的投入， 扩大其产能。 6 1 1 7 1 f e d 技术发展的时间比较长，但是由于早期的金属放电尖端成本高，硅工艺制各尖端寿命短， 而且开发的显示器样机均匀性亦较差。目前，由于纳米碳管技术的引入开启了新的研究热潮，但 是佳能和东芝公司倡导的s e d m ，由于技术和量产工艺方面的问题，其量产计划目前宣布推迟到 2 0 0 7 年底。 o l e d 技术具有厚度薄、功耗低、相应时间短以及图像鲜艳的优点，目前已经开始在手机和 p m p ( 便携式多媒体播放器) 等的小尺寸显示屏市场占据了较大的份额。随着其技术的进步，将可 能冲击大屏显示器的市场。1 1 u j l “1 1 1 2 p d p 技术的发展概况 等离子体显示屏( p l a s m a d i s p l a y p a n e l 。简称p d p ) 是目前主流平板显示器的一种，它通过将 强电场施加到低气压惰性气体砖端，使其击穿产生强烈电离而直接发光或产生紫外光激发荧光粉发 光的显示器件n 2 l 。由于其厚度小、重量轻、显示面积大、无显示视角问题、图像色彩鲜艳等特点， 己被公认为目前高清晰度电视接收机( 砌v ) 【1 1 和大屏幕家庭影院显示终端的最有力竞争者1 4 1 ”。 1 1 2 1p d p 技术的早期发展史 1 东南大学博士学位论文 1 9 6 4 年在美国的伊利诺依大学( u n i v e r s i t yo f i l l i n o i s ) 内，由两位教授( p r o f g e n es l o t t o w p r o f d o nb i t z e r ) 和一名研究生( r o b e r tw i l s o n ) 共同研制了世界上第一块单像素的交流等离子体显示 屏【l q ，由此开启了向当今高性能全彩色等离子体显示屏及其电视产品转化的漫长的发展道路。 伊利诺依大学的研究人员在1 9 6 4 年至1 9 6 8 年之间先后开发了4 x 4 以及1 6 1 6 像素的等离子体 显示屏，首先提出了矩阵寻址技术；他们还在1 9 6 7 年率先研制了彩色p d p 的雏形，它由三个子单 元组成，并利用氙气进行气体放电时产生的紫外线激发红绿荧光粉发光，目前所有的彩色p d p 皆 采用此基本工作方式。由于他们的杰出研究，他们荣获1 9 6 8 年评选的美国工业研究1 0 0 强的奖项 1 7 1 。 其后，p d p 技术研究的发展主要以公司行为为主。o w e n s - i l l i n o i s 公司于1 9 6 8 年开发了在4 英 寸见方的玻璃板上1 2 8 x 1 2 8 像素的p d p ，这是第一个具有现实意义、可产业化的显示屏结构，且一 直沿用至今。该公司还于1 9 7 1 年推出了具有5 1 2 x 5 1 2 像素的等离子体显示屏，它也是第一个实际 的交流p d p 产品，可用于各种图形显示。1 9 7 3 年由m 推出的银行终端产品中，采用了p d p 阴 极上涂敷m g o 层的技术，该技术由i b m 、o w e n s i l l i n o i s 和f u j i t s u 等几家公司各自独立开发，可 大大提高p d p 的寿命和稳定性。 1 9 7 2 年由日本松下和日立公司先后独立开发了灰度显示方法，它利用交流p d p 的记忆效应， 第一次在p d p 上实现了真正意义上的满灰度显示，我们把这种方法称为显示期同时寻址法( a d d r e s s w h i l ed i s p l a y , a w d ) ，此方法目前迎来新一轮研究热潮。 1 9 7 8 年日本n h k 公司推出了1 6 英寸直流p d p 样机，该产品极大刺激了彩色p d p 电视技术的 发展。1 9 7 9 年日本富- | ：通( f u j i t s u ) 公司的s h i n o d a 等人推出了表面放电型p d p 样机【l ”，虽然其 结构中x - y 电极在背基板上，荧光粉在前基板上，与现在的结构相反，但其表面放电的机理已被 目前绝大多数p d p 采用。日立的研究人员于1 9 8 4 年在直流p d p 中利用高压窄脉冲实现了早期 1 5 1 m w 的发光效率记录，它同时证明了交流p d p 具有更高的发光效率。1 9 8 7 年由p h o t o n i c s 公司 推出了一款5 9 寸的单色交流p d p 产品“目，它的分辨率达到2 0 4 8 x 2 0 4 8 ，不过该p d p 屏晟大的作用 是证明了p d p 技术在大尺寸显示屏领域的可行性，它验证了在大尺寸下各电极电阻、引线电感、 屏电容以及寻址能力等都能得到良好的控制。 与此同时，伊利诺依大学的l a r r yw e b e r 等人于1 9 8 6 年提出了含能量复得功能( e n e r g y r e c o v e r y ) 的维持驱动电路【驯，此概念及电路系统的提出，大大降低了p d p 的整机系统功耗，已 被广泛用于当今所有的p d p 产品之中。 1 9 9 0 年，由富士通公司推出了一款3 l 寸全彩色p d p 产品o j ，它堪称第一款“现代p d p ”产 品，因为它包含了现代主流p d p 的所有特征，例如三电极表面放电型结构、荧光粉涂敷在后基板 上、采用a d s 驱动时序方案实现全彩色显示、采用n e - x e 混合气体作为工作气体等。而且其亮度 及显示动态画面质量也大大优于之前的各款产品。 ( a ) 伊利诺依大学p d p 实验屏( b ) o w e n s - i l l i n o i s 公司单色p d p 产品 2 第一章绪论 ( c ) p h o t o n i c s 公司5 9 英寸单色p d p( d ) 富士通公司3 1 英寸全彩色p d p 图1 - 1 早期主要p d p 实验样机及产品 1 1 2 2 近期主要的p d p 技术进展和市场预计 此后，彩色p d p 技术进入高速发展时期。1 9 9 5 年f u j i t s u 公司推出的4 2 寸w v g a 分辨率p d p 产品树立了新的里程碑，其对角线尺寸、显示分辨率等至今仍是最主流p d p 产品的规范竭。此后， 各厂家纷纷投资建立p d p 工厂并不断提高产能，p d p 的显示质量、价格等不断得到改善，p d p 的 主要市场从早期的商业展示应用为主逐渐转为消费电子产品应用为主，成为家用大屏幕显示应用的 主要解决方案。 p r o g r e s si np d pp e r f o r m a n c e 5 0 m o d e l sf r o mp i o n e e r ) 瓣g e e 。删g e m 。? 3 一r 。g e n 渐；赫赫渗瓣菇露_ g j e m 辽燃。j 燃，l 。多疆，雾嗽。鬏雾。魄；戳。j 莳；蚺 图1 - 2p i o n e e r 公司p d p 技术进步发展路线图 p d p 产业的发展促使p d p 技术的发展进入一个新的时期。图1 2 给出了作为先进p d p 技术代 表之一的p i o n e e r 公司其研发的5 0 英寸p d p 产品在近十年来性能指标不断提升的发展道路。p i o n e e r 在其第一代p d p 产品中通过运用“t ”形电极有效将发光效率提高到1 0 1 m w , p i o n e e r 的第二代 p d p 由于采用了“w a f f l e ”障壁结构和黑底，有效降低相邻行之间的窜扰，使显示对比度得以提升， 同时“c l e a r ”驱动时序方案的应用f 硎，有效消除了对p d p 显示图像质量影响最突出的动态伪轮 廓线( d y n a m i cf a l s ec o n t o u r ，d f c ) 现象；p i o n e e r 的第三代p d p 通过优化单元结构和气体成分( x e 气浓度配比提升近2 0 ) ，另外选用新型绿色和蓝色荧光粉材料，使发光效率进一步提升到1 8 1 m w 3 东南大学博士学位论文 的水平，对比度也因此随着峰值亮度的提升得以提高；p i o n e e r 的第四代p d p 采用了更先进的“s u p e r c l e a r ”驱动时序方案，有效改善寻址的效率，从而使显示的色彩层次提高到1 0 b i t 以上，并兼容 7 2 h z 帧同步工作方式，对于2 a h z 的电影显示图像有更好的支持作用，另外，其图像处理技术继续 进步，包括“n a t u r a le n h a n c e r ”功能在内的各项图像增强技术配合丰富的显示色彩使p d p 的图像 显示质量再次提升”j ；p i o n e e r 的第五代p d p 产品中应用了新的屏表面贴膜技术( d i r e c t c o l o r f i l t e r ， i x ：f ) ，有效遏制了环境光的散射作用，在强环境光下图像的鲜艳度可以和l c dt v 在强光下的图 象媲美；p i o n e e r 的最新p d p 产品通过驱动波形，尤其是r e s e t 波形的优化，以及在m g o 层表面增 加结晶发射层( c r y s t a le m i s s i o nl a y e r ，c e l ) ，使发光效率再提升到2 2 1 m w 的水平，另外由于将 寻址时的放电延迟缩减到0 5 微秒，在w x g a 的高分辨率显示屏上实现了单边扫描( s i n g l es c a n ) ， 使电路系统成本再次f 降”j 。 其他p d p 公司的产品及技术发展与p i o n e e r 类似，不难看出，p d p 性能的提升与成本的下降是 p d p 技术发展的两条主轴；放电单元结构、材料以及驱动技术的相互协调发展是p d p 技术发展的 主要途径。东南大学从降低显示屏制造成本的角度提出了s m p d p 技术1 2 6 ，近年来的材料和驱动技 术的进步证明了其在多方面的优势，已经成为一个具备出色性能的低成本p d p 技术方案。 图1 - 3 松下公司提供的关于近期大屏幕平板显示器市场销量统计及预测 伴随着p d p 技术的不断发展和进步，目前的p d p 产品在4 0 寸以上对角线平板显示产品领域 保持其性价比上的明显优势，是全球该领域内的市场主导者。图1 - 3 给出了由松下公司提供的作为 目前主流f p d 产品近年市场销售统计及预测吲。从中可以看到，在大显示屏市场领域，p d p 已经 占领并将继续保持其垄断地位，且其中的主流产品仍以4 2 英寸为主，但5 0 英寸及以上的p d p 市 场也将随着价格的下降而不断扩大。 1 1 3p d p 基本工作原理 1 1 3 1气体放电过程 等离子体显示屏利用气体放电产生的紫外线来激发荧光粉从而产生图像的亮暗变化，图1 4 所 示为一般气体放电的组成和伏安特性。其中，图1 - 4 ( a ) 所示气体在放电过程嘲中产生了两个区域： 4 第一章绪论 负辉区和正柱区。其中负辉区是不可压缩的，而正柱区可以随着放电空间长度的变化而变化，气体 在放电过程中产生的辉光则主要集中在正柱区。对于等离子体显示屏来说，放电空间距离非常的短， 通常只有0 1 5 r a m ，因此等离子体显示屏在放电过程中主要是负辉区。图1 - 4 ( b ) 中伏安曲线表示 当加在气体两端的电压达到某个数值时，气体开始出现电离，电离后的电子和离子则分别向两极运 动，在电子和离子的运动过程中它们会碰撞其它的气体分子并促使该中性分子产生电离，并且这些 高能状态下的一次粒子在轰击固体表面时会导致二次电子发射，当碰撞产生的空间带电粒子逐渐增 多时进而会产生雪崩效应，此时大量的气体分子被电离并在外电场的作用下向两极运动。对于等离 子体显示屏的放电单元而言，其放电过程主要是介于稳定和非稳定的辉光放电之间。 1 1 3 2 潘宁效应 ( a ) 辉黼 自腿枢 彻i - v 特性 图1 _ 4 气体放电的特性曲线 在等离子体显示屏的放电单元中，通常充的是混合的惰性气体，如氖气或氦气加上少量的氙气。 在放电的初始阶段，放电空间的少量电子在电场的作用下作迁移运动，在迁移运动的过程中，电子 会碰撞到氖、氙的原子，并促使它们电离产生一对电子、离子对，电子在单位移动距离上碰撞产生 的电子、离子对通常记为a 。电离产生的离子在外电场的作用下会向阳极运动，同样在离子的运动 过程中由于碰撞会激发新的电子和离子对，离子在单位移动距离上碰撞产生的电子、离子对通常记 为y 。通过不断的碰撞，电场空间的电子会不断的增加，并进而产生放电的电流。l 产生上述的放电过程的条件之一，是外加的电压必须满足气体放电所需的着火电压。氙气的着 火电压比氖气要高许多，但是在氖气里加少许氤气，可以大大的降低氖气的着火电压。这一现象是 潘宁所发现，故此命名为潘宁效应【删。等离子体显示屏正是利用这一现象来降低放电空间的着火电 压，早期氙气的浓度大约在5 左右，目前为了进一步提高发光效率，氙气的浓度已经提高到接近 2 0 。 着火电压的降低也可以通过提高二次电子的发射来实现，目前等离子显示屏的放电单元普遍在 介质层上加上了一层m g o 层。一方面，m g o 具有良好的耐轰击性能，可作为介质层的保护层；另 一方面，m g o 具有较高的二次电子发射系数。因此目前等离子体显示屏的着火电压已经降低到2 0 0 v 左右。口1 】 5 墨倒 东南大学博士学位论文 1 1 3 3 紫外线的产生 在等离子体显示单元的放电过程中，氖氙潘宁混合气体会产生大量的激发态和亚稳态原子以及 激发态分子等多种粒子，其中激发态的粒子很不稳定，会自动还原到稳定的原子状态，并将多余的 能量以紫外光的方式向外界辐射。图1 - 5 列出了主要的一些碰撞电离反应，以及激发态恢复成原子 所产生的紫外线。 e+ o 日 + 。 + o + o 日+ o 日o + ( 1 4 7 r i m ) 日o + o + ( 1 7 3 r i m ) 图1 - 5 氖氙潘宁混合气体的主要电离过程 从上图中可以看出，1 4 7 - n m 的紫外线是激发态的氤原子通过共振辐射反应( r e s o n a n c er a d i a t i o n ) 产生的，而1 7 3 a m 的紫外线则是通过激发态的氤分子的激子辐射反应( e x c i m e rr a d i a t i o n ) 产生的。 等离子体显示屏利用这两个波长的紫外线来激发荧光粉，从而产生人眼可见的亮度信号。对于某个 放电单元而言，当放电空间产生气体放电后，紫外线的激发随之很快便达到了最高值，此后便呈指 数衰减，在l o o n s 时衰减到一半，l u s 时紫外线的激发基本停止。 1 1 4主流p d p 结构介绍 等离子体显示屏按照放电单元的结构来划分，有三种典型的结构”：直流放电型( d cp d p ) 、 交流对向放电型( a c mp d p ) 和交流表面放电型( a c cp d p ) 。三种结构的截面图如图1 - 6 所示， 图中上半部表示水平方向的截面图，下半部表示对应的垂直方向的截面图。 如图1 - 6 ( a ) 所示，直流放电型p d p 结构相对比较简单口”，每个放电单元有两个交叉的行列 电极相对应，当两个电极的电压差达到某个数值时，气体产生放电，并进一步激发荧光粉发出亮光。 由于电极直接裸露在放电空间，放电电流由电极提供。为了限制放电过程的电流，通常在每个放电 单元都串接一个电阻，对于整屏所有的像素而言，电阻的相对误差必须小于0 5 ，而这一要求在 大规模的生产过程中比较难控制。另外，直流p d p 在提高亮度和发光效率方面存在比较大的阻碍。 图1 - 6 ( b ) 所示为交流对向放电型p d p l 3 4 1 单元的结构图，与直流犁相比，交流对向放电型在 前后基板的电极上增加了介质层，电极不再裸露在放电空间。因此，在放电过程中介质层表面将由 于放电电流而不断积累肇电荷，随着壁电荷的进一步积累，放电空间的场强被逐步减弱，并最终导 致放电的停止。因此为了使放电过程不断继续，在行列电极的两端必需交替施加工作电压，这个交 替的电压起到了放电维持作用，因此称为维持电压。交流对向型p d p 由于荧光粉较易受到离子的 轰击而产生发光性能下降，因此寿命和工作稳定性受到一定的影响。 图1 - 6 ( c ) 给出交流表面放电型p d p 单元结构，它与对向放电型结构的主要区别在于，在前 基板每个象素拥有两个平行的电极，维持电压就加载在这两个电极之上。因此，该结构下放电集中 在前基板的表面，而荧光粉涂敷在后基板之上，因此离子对荧光粉的轰击很弱，从而可以提高荧光 6 第一章绪论 粉的寿命。 ( a ) 直流放电 ( b ) 交流对i 自放电( c ) 交流表面放电 图1 - 6 三种典型的放电单元结构 多年来通过p d p 技术的不断实验和摸索，以及各种显示性能如亮度、发光效率、寿命等的比 较，逐渐形成了以富士通( f i j i t s u ) 公司所提出三电极表面放电型交流等离子体显示屏( a c c o p l a n a r p l a s m ad i s p l a yp a n e l 。a c c p d p ) 为代表的主流p d p 结构方案嗍。图1 - 7 较完整和详细地给出了该 经典三电极表面放电型交流p d p 的放电单元结构示意图。 图卜7 三电极表面放电型交流p o p 放电单元结构示意图 如图所示，三电极表面放电型交流p d p 主要由前、后基板两大部分组成。前者通过在前玻璃 基板上依次印敷i t o 透明电极、汇流电极、介质层和m g o 保护层制成，其中i t o 透明电极和汇流 电极相叠后呈长条形平行排列，其中透明电极保证良好的透光率，汇流电极保证良好的导电性，这 些电极按奇偶次序再分为两组，一组构成扫描电极( 或称行电极、y 电极) ，另一组构成维持电极 ( 或称公共电极、x 电极) ；后基板与前者相似，也有多种厚薄膜工艺涂层，包括汇流电极、介质 反射层和障壁。汇流电极按垂直方向平行排列，构成数据电极( 或称列电极，a 电极) ，由于其宽 度较窄，且没有透光要求，故无需添加i t o 电极。与前基板不同，其上覆盖有不透明的介质层，兼 起反射作用。后基板部分最重要的是由腐蚀或刻蚀工艺形成窄而长的障壁结构，它们为介质材料， 不导电，硬度较高，最后在障壁中间涂敷荧光粉层。1 7 东南大学博士学位论文 三电极表面放电型交流p d p 的基本工作方式如图1 - 8 所示 3 8 1 。首先由寻址电极和数据电极之 间施加足够的高压，引起放电空间内惰性气体的电离，再依靠寻址电极与维持电极之间施加交替电 压脉冲，使空间的气体放电得以持续进行，放电过程中产生的紫外线打到荧光粉上，激发荧光粉产 生相应的彩色光，并从前基板透出。 图1 - 8 三电极表面放电型交流p d p 工作原理示意图 1 2 当今p d p 技术研究方法的发展 从以上的介绍可以看出，在p d p 技术研究的初期，其研究内容主要集中在以下基本显示器功 能的实现方面， ，-单像素多像素 i单色彩色 高灰度级 l低寿命高寿命 l 小显示面积大显示面积 从二十世纪九十年代中后期开始等离子体显示技术及其产业进入了快速发展的阶段，p d p 已经 确立了其在大屏幕高清晰度显示器领域的重要地位，其技术研发完全针对专业显示器产品或电视机 产品进行。目前等离子体显示技术亟待解决的问题包括： ( i ) 提高发光效率，降低系统功耗；1 3 9 1 4 0 ) ( i i ) 降低生产成本，提高产品竞争力； ( i i d 提高图像质鼍，增强显示品质；1 1 4 2 1 ( i v ) 实现高分辨率显示，满足将来h d t v 应用要求。f 4 3 】删h 5 】 这些问题是阻碍或减缓等离子体显示屏大规模进入家用显示屏市场的主要因素。为此，各生产 厂家和研究单位在p d p 技术研究方面仍不断革新，运用多种研究方法和手段，提出大量新的放电 单元结构 4 6 1 1 4 7 1 、制造工艺、原材料m 圾驱动方法和电路1 4 9 1 1 ”1 。 一般研究p d p 技术的方法是利用高速c c d ( i c c d ) 对放电过程的实时观测方法 s i l 。通过拍摄 极小时间间隔内放电空间放电情况的照片，了解放电发生的具体时间、路径、强弱等信息；比较简 便的是对p d p 放电过稃中红外辐射的探测5 2 1 【5 3 】，用高速红外信号探头采集放电过程的红外辐射情 况，用示波器收集，从其变化情况可以判断气体放电过程是否稳定，以此对驱动条件的合理性做辅 8 第一章绪论 助评价：还有利用光谱分析法采集放电过程中粒子中和所释放出的能量谱线，据此判断主要的粒 子成分和粒子相互作用。 以上这些方法都需要比较昂贵的仪器设备，而且对于p d p 而言，都是后期验证研究，即在p d p 设计制造完成后进行研究，这需要大量的工艺和材料投入，成本高，效率低。为了降低成本，希望 在研发初期刚开始有一个p d p 结构设计方案或其它材料改进想法时就能对其工作特性进行分析研 究，这是p d p 研究方法的主要发展方向。具体实现途径就是伴随计算机技术发展产生的p d p 的模 拟和仿真技术”j 。开始最早同时也是目前研究最广泛的p d p 仿真技术是流体力学模型方法，而等 效电路模型研究方法由于其对电路系统设计具有直接的指导意义也已经被越来越多的关注。 1 2 1 p d p 工作特性模拟仿真技术的发展 由于计算机软硬件技术的飞速发展，计算机辅助设计( c a d ) 的能力越来越强，使其在等离子 体显示技术领域也已经成为一种非常重要的设计开发手段。它主要的研究方法是从已知的物理模型 出发，利用计算机进行数值计算处理，从而模拟并揭示出等离子体及等离子体显示屏的某些性质和 规律。优秀的计算机模拟软件可以对开发方案的准确性和可靠性提供保障，同时提供设计优化功能， 从而有效控制开发成本、加速开发周期。 主流的p d p 模拟方法目前包括两大类，分别是流体力学模型和等效电路模型。前者在全球范 围内目前开展得比较广，其设计工作重点集中在对单个放电单元内、整个气体放电过程中，各种物 理变化过程进行仿真模拟。运用它可以得到单元放电过程中一些与工作特性相关的变量( 如壁电荷 积累、着火电压、放电电流等) 的变化情况，以及放电单元结构、气体配比及气压、电极形状与尺 寸等因素对放电过程的影响情况。后者利用等效电路的原理，将一个与p d p 具有相似电气工作特 性的电路系统( 或宏电路模块) 代替p d p 放在整个驱动电路系统中进行功能仿真，因此称为等效 电路模型。运用它能给出p d p 完整的电路系统工作特性描述，并指导驱动电路系统的设计与优化。 以上两种方法都能模拟等离子体显示屏的工作情况，只是两者的理论背景不同，所考察的等离 子体显示屏工作特性的层面亦有所差别，且都有较突出的优点和不足。 1 2 2流体力学模型仿真技术的发展 流体力学模型法应用较早也较广，是目前研究p d p 放电单元工作特性的主流模拟仿真方法。 它根据流体力学的处理方法，把等离子体中不同种类带电粒子的运动一一特别是电子和离子的漂 移、扩散、中和等分别用不同的导电流来进行描述和分析。具体来说，它通过流体动力学中的连续 性方程、粒子的动量传送方程( 包含质量守恒、动量守恒和能量守恒的原理) 与电磁学中的泊松方 程构成联立方程组，分别对时间和空间作适当的剖分 5 0 3 。剖分后的方程组如下， 挚+ v l ：s ；， o t r l = - d 。v n i + s g n ( q 。) a t n i e i ， v ( 压) = q 。n 。， i ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 其中，i 代表不同的电子、离子( 如x e + 或n 一) 及各种激发态粒子。变量n i 、r l 、s 。、d l 、m 、 e j 、i 和q 1 分别代表在某一时刻一定空间内的对应离子的数量密度、流量、源函数、扩散系数、移 动性、介电常数及电荷量。等式( 1 - 1 ) 就是粒子i 的连续性方程；等式( 1 - 2 ) 就是对应于粒子流 r i 的动量传送方程；等式( 1 - 3 ) 就是电场e 的泊松方程。 该模拟仿真技术一般利用有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 【5 7 1 或有限差分法( f i n i t e 9 东南大学博士学位论文 d i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 等数值计算方法对上述方程组进行求解，得到等离子体显示屏放电单元 内的各种参数，包括壁电荷的积累情况、空间中的电场分布、各种带电粒子、激发态粒子的分布及 其随时间的运动变化情况等，并由此推算出该等离子体显示屏的放电电压、放电电流、放电效率等 工作特性参量。 一维流体力学模犁能够仿真电极正交排列的对向放电型p d p 放电单元的放电工作特性”m ，二 维流体力学模型可以仿真传统表面放电型p d p 放电单元的放电工作特性”。对于近年来提出的t 型电极、w a f f l e 障壤、d e l t a 单元等不规则的特殊结构1 6 0 ，必须采用三维流体力学模型 6 1 1 【6 2 】嘲 对其进行模拟仿真运算才能得到比较准确的结果。 以二维流体力学模型仿真计算表面放电性p d p 为例，其建模及求解过稃如下：首先沿数据电 极的中心线垂直对放电单元进行划分，得到一个二维剖面，即模型的求解计算平面。用细小的矩形 或三角形对该剖面中的放电空间进行适当的分割，再选择合适的时间步长，就可以将联立方程组中 的微分方程式转化成差分方程式进行数值计算。图1 - 9 给出了多流体力学模型数值计算的主要计算 结果示例，其中，图( a ) 是放电空间内不同时刻的电场分布；图( b ) 是放电空间内不同时刻的电 子浓度分布；图( c ) 是放电空间内不同时刻的氖离子浓度分布。图中以不同的颜色表示数据的大 小，依次分别为红 黄 绿 青 兰 紫。 辱倒女等倒镕m 萼倒女m t m e = 3 6 ( n s ) t i m e = 3 6 ( n s ) ? i m e = 3 7 0 ( n s ) ( a ) 表面放电型p d p 二维流体力学模型放电单元中空间电位分布计算结果 t i m e = 3 6 ( n s ) t i m e = 3 6 ( m j n m 口3 7 讲w j ( b ) 表面放电型p d p 二维流体力学模型放电单元中空间电子浓度分布计算结果 n j 千刑岖抖d 牛眦n - 高平刚_ 皿 t i m e = 3 6 ( n s ) t i m e = 3 6 ( n s ) t i m e = 3 7 0 ( n s ) ( c ) 表面放电型p d p 二维流体力学模型放电单元中空间氖离子浓度分布计算结果 图1 - 9 表面放电型p d p 二维流体力学模型主要计算结果示意图 流体力学模型作为研究p d p 放电空间工作特性最直接的模拟方法，其主要特点是直接模拟求 解许多难以用实验进行测试的物理黾，包括备种粒子的运动、相互作用和壁电荷积累情况等。另 外，只需通过对程序中某些参数的修改，就可以直接考察各类尺寸结构或充气情况的因素对p d p 工作特性的影响。再者，因为对放电起主要作用的谐振态离子的运动和演变情况也是数值计算过程 中的一部分，所以该模型还可以用以计算放电空间的放电效率。 但是流体力学模型的不足也很突出，主要表现在三个方面：第一，它在模拟过程中由于要考虑 时变因素，所以实际模拟过稃中复杂度亦较高。就模拟计算本身来说，它是一件既费存储空间同时 又费时间的工程。尤其是三维流体力学模型，通常需要在大型工作站上运行几天才能模拟仿真得到 p d p 的一个工作周期约几十个微秒时间内的工作情况计算结果；第二，需要特别指出的是，由于量 子物理理论对流体力学模型中等离子体内各种粒子间的许多相互作用仍不能给予明确阐述，实际建 1 0 第一章绪论 模过程中都相应存在一定晕的近似或假设，所以在计算过程中必然会产生误差。数值运算的过程通 常为迭代运算，误差易被积累，因此该模型一