（物理电子学专业论文）等离子体平板背光源优化设计和性能研究.pdf

研究成果。尽我所知，除 研究成果，也不包含为获 对本研究所做的任何贡献 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( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：磕墨委2 导师签名： 日期： 讼 口t 各 格一蒙特卡罗碰撞( p i c - m c c ) 数 响其放电特性的参数进行了模 间距、高氙比例、低气压、条 不同结构参数的实验屏，采用 较高性能的等离子体平板背光 间距4 m m ，5 0 0 t o r r4 0 氙比例 氙氖混合气体，条形辅助电极结构，并附加高反白介质做反射层，可使亮度和发光效率得到 极大的改善。本文对实验中出现的等离子体饱和现象进行了详细分析，选取t 3 0 k h z 的工作频 率，并改进驱动波形，采用7 v n s 快脉冲阶跃速率交流方波有效的抑制了等离子体饱和，可使 优化结构的实验屏在6 0 0 v 维持电压下使发光亮度达到8 0 0 0 c d m 2 ，发光效率达到2 2 l 州w 。 关键词：等离子体平板背光源，p i c m c c ，长电极间距，等离子体饱和，脉冲阶跃速率 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep l a s m af l a tb a c k l i g h tw i t han e o n - x e n o ng a sm i x t u r ep o s s e s s e sm a n ym e r i t si n c l u d i n g m e r c u r yf r e e ，g o o du n i f o r m i t ya n dr e l i a b i l i t y , a n di ti sv e r yp r o m i s i n gf o ru s ea sas c a n n i n g b a c l d i g h tf o rt f t - l c dd i s p l a y st oe l i m i n a t em o v i n gi m a g eb l u r s oi ti sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r g a t t e n t i o nf r o mt h ew o r l d w i d er e s e a r c h e r s i nt h i sp a p e r , t h ep l a s m af l a tb a c l d i g h ti ss t u d i e df o r i m p r o v i n gi t sl o w e rl u m i n a n c ea n dl u m i n o u se f f i c a c y b a s e do nt h eg a sd i s c h a r g et h e o r y , t h ed i s c h a r g ec o u r s e su n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r sw h i c hc a nh a v e a ni n f l u e n c eo nt h ed i s c h a r g ep e r f o r m a n c e ，a l es i m u l a t e db yt h ep i c - m c cm e t h o d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ep o s i t i v ec o l u m na p p e a r si nt h e s eo p t i m i z e ds t r u c t u r e s t h es t r u c t u r e sw i t hl o n g e l e c t r o d eg a p ，h i g hx e n o n ，l o wg a sp r e s s u r eo rb a ra u x i l i a r ye l e c t r o d ec a ni m p r o v et h ed i s c h a r g e p e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，l o t so fp a n e l s 谢t l ld i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r ep r e p a r e da n dt e s t e d t h es t r u c t u r ei so p t i m i z e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep l a s m af l a tb a c k l i g h tb a s e do nt h et e s t t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ep a n e lw i t h4 m me l e c t r o d eg a p ，5 0 0 t o r r , 4 0 x e ，b a ra u x i l i a r ye l e c t r o d e a n dar e f l e c tf i l mh a sg o o dd i s c h a r g ep e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , p l a s m as a t u r a t i o na p p e a r i n gi nt h e e x p e r i m e n ti sa n a l y z e di nd e t a i l 1 1 1 ed r i v i n gw a v e f o r mw i t hf a s tr i s i n gt i m ei sa d o p t e dt or e s t r a i n p l a s m as a t u r a t i o n a tt l l ep u l s er i s i n gr a t eo f7 v 1 1 s ，t 1 1 el u m i n a n c er e a c h e s8 0 0 0 c d m 2a n dt h e l u m i n o u se f f i c a c yr e a c h e s2 2 l 珊wa tt h ev o l t a g eo f6 0 0 va n dd r i v i n gf r e q u e n c yo f3 0 k h z ，w h i c h a r ca l m o s tt w i c ea sm u c ha st h a ta t0 烈| 璐 k e y w o r d s ：p l a s m af l a tb a c k l i g h t ，p i c - m c c ，l o n ge l e c t r o d eg a p ，p l a s m as a t u r a t i o n ，p u l s er i s i n g r a t e l i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目豸专i i i 第一章绪论l 1 1 液晶背光源概述1 1 1 1 液晶显示器件背光源的发展l 1 1 2 常见背光源及其优缺点2 1 2 等离子体平板背光源6 1 2 1 等离子体平板背光源的提出6 1 2 2 等离子体平板背光源的发展7 1 3 论文主要工作及意义1 0 第二章等离子体平板背光源的工作原理1 l 2 1 等离子体放电特性和发光原理11 2 1 1 气体放电中粒子的运动与相互作用。1 1 2 1 2 氖氙混合的放电与发光机理【1 8 , 1 9 , 2 0 1 2 2 1 3 巴邢定律1 4 2 1 4 荧光粉发光原理1 5 2 2 等离子体平板背光源的基本结构1 6 2 3 本章小结。1 7 第三章等离子体背光源数值模拟及结果分析。18 3 1 等离子体器件的粒子模拟理论1 8 3 1 1 等离子体模拟技术的发展。18 3 1 2 等离子体数值模拟的方法和思路。1 8 3 1 3p i c m c c 模拟方法。l9 3 2 模拟软件算法流程2 2 3 2 1 更新放电空间中各个网格点上的电荷密度2 2 3 2 2 更新放电空间中各个网格点上的电场2 3 3 2 3 更新放电空间中各个粒子所受到的力。2 4 3 2 4 更新放电空间中各个粒子的速度和位置。2 5 3 2 5 边界条件处理与碰撞处理2 5 3 3 结构参数对背光源单元模型放电特性的影响2 6 3 3 1 等离子体平板背光源单元结构模型2 6 3 3 2 单元放电过程模拟与分析2 6 3 3 3 电极间距对放电特性的影响。2 8 3 3 4 电极间电压对放电特性的影响3 0 3 3 5 气体成份对放电特性的影响3 l 3 3 6 气体气压对放电特性的影响。3 2 3 3 7 带辅助电极的等离子体光源单元结构3 4 3 4 本章小结3 7 第四章等离子体平板背光源实验屏的制备。3 9 4 1 前板制备工艺流程3 9 4 2 后板制备工艺流程4 l i i i 4 3 前后板封接流程一4 2 第五章等离子体平板背光源的测试及结果分析。4 3 5 1 实验平台的搭建4 3 5 1 1 电路平台的搭建。4 3 5 1 2 测量测试平台的搭建4 3 5 2 结构参数对背光源实验屏性能的影响4 4 5 2 1 电极间距对放电性能的影响4 4 5 2 2 气体成份对放电性能的影响4 5 5 2 3 添加辅助电极对放电性能的影响4 6 5 2 4 带反射层的等离子体背光源性能测试。4 8 5 3 等离子体饱和现象和驱动波形对背光源实验屏性能的影响4 8 5 3 1 氙激发过程以及等离子体饱和产生的原因。4 9 5 3 2 发光效率与等离子体饱和的关系5 1 5 3 3 脉冲阶跃时间对放电性能的影响。5 4 5 4 本章小结5 6 第六章总结和展望5 7 至5 【谢5 8 参考文献5 9 作者简介6 1 i v 第一章绪论 第一章绪论 近年来，我国信息产业迅速发展，己成为仅次于美国的世界第二大信息产业国，我国主 要信息技术领域的知识产权拥有量居世界前列，技术水平与发达国家同步。显示器件产业是 信息社会的龙头产业，随着家庭娱乐需求的不断增加，显示器件正占领着越来越大的市场份 额。显示器件各领域竞争激烈，阴极射线管( c r t ) ，背投电视( r p t v ) ，等离子平板显示器( p d p ) ， 薄膜晶体管液晶显示器( t f t - l c d ) 等都在不断地改善亮度，对比度，响应时间，寿命，功耗、 体积和重量方面的性能，以满足市场要求。如图卜1 所示，我国这三年来平板显示器件市 场呈快速上升趋势，未来三年将继续保持此势头，正在逐渐取代传统的c r t 显示器件，走入 普通百姓的家庭，特别以l c d 显示器件最为突出，t f t - l c d 以其出色的综合性能和成熟的技 术已经逐渐主导整个显示市场。 5 0 0 0 0 4 5 ，0 0 0 4 0 0 0 0 1 0 0 0 0 5 ，0 0 0 0 脯圉豳 | 翻豳阉鞠豳 翻豳 豳豳圈嗣豳 拓、，。稿 幽 豳豳 闺 kz i ； 、i 嬲 嘲 _ _ _ _ 一 。 ” 锄么 。 i c；? ； 一 ；? - - _ 一 一。 i： ： 口 ； 2 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1l2 0 1 2 1 1 液晶背光源概述 图卜1 中国各显示器市场占有分布 1 1 1 液晶显示器件背光源的发展 一k c d 纛p d p 麟p r o j e c t i o n 熬c 盯 众所周知l c d 是非主动发光器件，因此，必须在其显示屏后加一个光源，才能够达到良 好的显示效果。图1 2 显示，背光源所占l c d 组件成本最高，并且随着l c d 尺寸的提高所占成 本比例还会提升。随着液晶显示技术的不断发展，液晶显示器特别是彩色液晶显示器的应用 领域也在不断拓宽，背光源作为l c d 最重要的配件之一，需求量也在迅速上升，其开发与发 展将是l c d 产业发展十分重要的一个环节，其性能的优劣，直接影响到下游产品显示器的质 量j 。如今背光源已经成为一门独立学科，并逐步成为研究开发的热点。 o o o o o o o o o o 0 0 o o o 5 o 5 o s 3 3 2 2 l 船一c j i o m芍cm蚺：o卜 目前市面a z 主i j c l c d 背光源主要有冷阴极荧光灯( c c f l ) 、外置电极荧光灯( e e f l ) 及发光 二极管( l e d ) - - 种类型： 1 冷阴极荧光灯( c c f l ) 荧光灯种类繁多，按照灯的阴极类型可分为热阴极荧光灯与冷阴极荧光灯。冷阴极荧光 灯的结构如图l - 3 所示，冷阴极荧光灯和标准热阴极荧光灯的发光形式相同，不过冷阴极荧光 灯的工作状态是辉光放电，阴极是不涂发射材料的，用铁和镍制成的，中空圆柱形的，依靠 灯里气体原子的能量转换成辐射发光，最常用的放电介质是坛蒸气，灯里会填充惰性气体如 彳，、肟等辅助启动，灯管内的游离电子被电场加速而激彪，原子，受激发的彳，原子再让汞原 子电离放出辐射能，主要产生2 5 3 7 n m 和1 8 5 r i m 两种紫外光，其中2 3 7 n m 的辐射效率最大，经 激发管壁的荧光粉发出可见光。 图卜3c c f l 结构原理图 2 第一章绪论 目前广泛使用的l c d 背光源为侧边式冷阴极荧光灯背光源( c c f l ) 如图1 4 所示【2 】。虽 然凭借其亮度、光效方面的出色表现成为目前背光源的主流，但是不可否认，c c f l 存在着 诸多缺点：作为l c d 背光源，c c f l 不均匀的灯管亮度很容易被察觉，并影响图像质量：采 用汞放电，而含汞荧光灯存在着低温启动性能差，启动后达到全光通输出的响应时间长，环 境污染等问题，并且c c f l 还存在结构复杂和寿命短的问题1 3 j ，加上欧盟r o l l s 的规定( 该 规定要求从2 0 0 6 年7 月1 日开始，在欧盟成员国进行销售的电子电器设备产品必须禁止使用 6 种有害化学物质，这6 种有害物质为铅、六价铬、镉、汞、溴化阻燃剂聚溴二苯醚和聚溴 联苯) ，寻找c c f l 的替代品迫在眉睫。 灯光 外置电极荧光灯( e e f l ) 光反射元件 图1 - 4 侧边式背光模组结构图 图1 - 5e e f l 实物图 e e f l 结构特点是灯管内部没有安放电极，将电极做在灯管外部，即在荧光管外利用玻璃 东南大学硕士学位论文 的绝缘性套入金属电极，玻管内充有惰性气体及内表面涂有荧光粉层。这种结构与一般的荧 光灯是大不相同的，其靠外置电极间产生的电场使灯管内形成感应电流和等离子体，激发荧 光粉发光。其实物图如1 5 所示，由于灯组可良好地采用并联方式连接，实现多灯共用一个 转换器，利用转换器本身的安定性驱动，提供高压让灯管启动，并维持其高度稳定性，其发 光原理决定了其本身产生的热量远小于c c f l 。 e e f l 是一种新型的荧光灯技术，结构简单、工艺简便、成本较低，具有低耗能、长寿命 和高亮度的特点。最突出的特点就是可以直接并联使用，特别适用于广告、照片、图片的超 薄灯箱标牌以及平板电视中液晶彩色电视的背光源，尤其是大屏幕的液晶彩电的直射式背光 源十分被看好【4 】。但是e e f l 仍然使用了汞，并且其耗电量略高，使用寿命短，易损坏，成 本也较高。 3 发光二极管( l e d ) l e d 的基本结构是一块电致发光的半导体材料，其核心部分是由p 型半导体和n 型半导体 组成的晶片。它除了具有普通二极管的单向导电性外，还具有发光能力。当给l e d ；0 i 上一定 电压后，就会有电流流过管子，同时向外释放光子。不同的半导体材料，发出不同颜色的光。 比如：磷化镓l e d 发出绿色、黄色光，砷化镓l e d 发出红色光等。 2 0 0 9 年，液晶显示器市场发生了翻天覆地的变化，特别是0 9 年尾尤为突出，l e d 背光显 示器凭借纤薄外观、节能环保、提高面板性能与促进差异化产品等优点，成为各大显示器厂 商眼中的“潜力股”，2 0 1 0 年更是呈现出井喷式的发展。l e d 背光源不仅广泛应用在红、绿、 黄小面积l c d 上，在大尺寸t v 领域，l e d 背光的l c d 产品也已经在市场上举足轻重，成为发 展最快的技术。针对l e d 背光源的种类，目前已经出现了三种技术分支，即：r g b l e d 、白 光l e d $ 1 边缘发光l e d 。造价成本高是制约l e d 背光快速推广的最重要原因，此外，其发光 效率相比c c f l 较低。 图1 6 索尼第二代r g b l e d 背光源微结构 r g b l e d 通过红色、绿色、蓝色三原色l e d 按照一定数量比例调制成白光，具有最好 的光学特性。因此被注重画质的日系厂商广泛采用，具有代表性的是索尼的第二代r g b l e d 背光，结构如图1 - 6 所示。 r g b l e d 背光l c d 的优点主要体现在色彩表现力和对比度两方面：由于采用了r g b 三原色独立发光元件，因此色域范围大都能达到n t s c 的1 2 0 以上，部分经过良好调教的 机型甚至可以达到1 5 0 左右的色域范围，完全达到或者超越了等离子电视的水准。此外， 4 第一章绪论 r g b l e d 电视也可以支持背光区域调整技术，亮度调节更是很容易实现，因此在对比度方面， 往往能够达到1 0 0 0 0 0 0 0 ：1 级的动态对比度，这对于提升电视的图像质量有着非常关键的作用 【5 】 0 当然，r g b l e d 电视虽然性能很优秀，但是也并非十全十美：第一是成本方面没有很大 优势。第二是r g b l e d 需要单独的调光电路和更好的散热结构，这也会在一定程度上导致 电视结构复杂，难以做到轻薄化。 白光l e d 相对于r g b l e d 就要简单不少，它采用了只能发出白色光线的l e d 光源代 替原来的c c f l 荧光管，其结构如图1 7 所示。 图1 7 白光l e d 背光结构图 白光l e d 的区域控制很容易实现，因此白光l e d 背光l c d 电视的对比度指标往往也会 很高。由于不像r g b l e d 那样需要涉及到背光源的调光，因此在电路结构方面的要求相对 不高。但是白光l e d 的光谱特性和r g b l e d 相比还是有所欠缺的，这也导致此种l e d 背 光电视在色彩表现上并不如r g b l e d 电视那么优秀。 不过白光l e d 背光电视的优点也是比较明显的，例如亮度动态调节、区域背光控制都可 以实现，也能实现很好的对比度。在色域范围上也能较普通c c f l 液晶电视有所提升。加上 成本的优势，因此我们认为将成为未来普及型l e d 背光电视最优先采用的方案【6 j 。 边缘发光l e d 被业界称为第三代l e d 背光技术。它虽然采用了白光l e d 作为背光源， 但是通过结构和特殊材料的应用，在提高了色域和对比度指标的同时，也让机身厚度大幅度 下降。其结构是将l e d 光源放置在电视的边框位置，大都紧挨液晶面板排列一层，因此非常 节省空间，如图1 8 所示，l e d 发出的光线并不像前两种方案一样直接穿过液晶面板，而是 和液晶面板平行。光线必须通过特殊的导光板，改变传播方向后才会透过液晶面板层。 图1 - 8 边缘发光l e d 背光示意图 5 东南大学硕士学位论文 由于边缘l e d 的位置不是在液晶面板的正后方，因此这种类型的l e d 电视还难以实现 背光源的区域调光。这也是边缘l e d 电视下一步需要解决的一个技术难题。 1 2 等离子体平板背光源 1 2 1 等离子体平板背光源的提出 在上一节，通过对比主流l c d 背光源的优缺点，我们知道，作为l c d 背光源，不仅要 有出色的亮度和发光效率特性，而且对于光源均匀性及改善l c d 图像质量方面也有着较高的 要求。对于发光的均匀性，平板光源是个很好的选择【7 j 。 此外，目前大屏幕液晶显示器绝大部分都是t f t - l c d ，在显示快速运动图像时会出现b l u r 现象，造成图像模糊。b l u r 现象主要是由于液晶分子的响应时间过长捧j 以及t f t - l c d 所采用的 h o l d t i m e 的驱动方式造成的1 9 1 。当一帧图像还没有全部显示结束，下一帧图像已经出现时， b l u r 现象便会发生。针对这种现象，目前已经提出很多消除方法。比如，提高液晶分子响应速 度【l ，使用过驱动法提高电路的响应速度【i l j ；使用空帧插入法【l2 1 ，在显示下一帧前消除当前 帧的图像信号；使用运动图象模拟系统预测下一帧的画面提高显示质量【l o 】；使用动态扫描式 背光源i l 引，周期性瞬间照亮部分区域，原理图如1 - 9 所示，通过设定合适的照明周期，在写入 新的一帧前熄灭背光源，便可以消除b l u r 现象，这种方法凭借低成本以及易操作性得到越来越 多的关注。图1 1 0 为扫描式背光源的结构图，每根灯管依次点亮可以有效提高运动图像的清 晰度。 扫描 图1 - 9 利用扫描式背光源消除b l u 觑象的原理图 图1 1 0 扫描式背光源结构图 6 o 仃 。仟 。仟 o n 背光 o n o f f o 忏 o f f 第一苹绪论 针对上述问题，氙氖混合气体的等离子体平板背光源被提出。作为平板光源，在整板实 现相同工艺，能够很好地解决白场均匀性问题。并且按区域布置行电极，便可轻易实现扫描。 此外，背光源中不采用汞，不仅绿色环保，而且氙的化学性质稳定，延长了背光源的寿命。 等离子体平板背光源与传统概念上的荧光灯的结构有很大的不同。它是一种特殊形式的 荧光灯，工作时在电极上施加交变的高压电场，使这种特殊的气体击穿产生气体放电，氙激 发电离，产生稳定而均匀的等离子体，即可发出真空紫外线，利用波长1 4 7 n m ，1 7 2 n m 的真 空紫外光辐射，激励灯内的荧光粉层即可以发出用于照明的可见光。 1 2 2 等离子体平板背光源的发展 近些年来，采用氙放电的等离子体平板背光源得到了广泛的研究和发展，以下是一些重 要的成果： 1 韩国首尔国立大学研制的无汞平板荧光灯( m f f l ) m f f l 结构如图1 1 1 所示【l 引，其采用两层玻璃基板封装，两维持电极在前板上，前板与后 板均有一层8 毗m 厚的介质层，两维持电极间距7 0 m m ，内部充有2 。7 氙含量的氙氖混合气体， 气体气压为1 0 1 0 0 t o r r 左右，前后基板均涂有荧光粉，受氙氖气体放电过程中产生的u v 激发 出可见光，其驱动采用双直流交替窄高压脉冲，如图中所示，简单的驱动设计是为了降低成 本。这种m f f l 的六单元实物图如1 1 2 所示，目前，在2 七隗动电压下，亮度已经达至) j s 0 0 0 c c t m ， 其发光效率达到5 0 l 州w ，亮度均匀性达到8 0 左右，色温和视角均不逊于l e d 背光源。 ，v i 吐蜘_ g 挂o 幢 e l e c t r o d e 2 二乙日一。眺。如l f f 1 ( _ 一乙日一。一d e l - jl 1l e l l r o d e2 图1 1 1 首尔国立大学研制的m f f l 结构与驱动波形 图1 1 2 六单元m f f l 实物图 2 o s r a m 公司的平板背光源 o s r a m 公司开发出一种命名为p l a n o ni 的平面光源，其结构如图1 1 3 所示。电极、介 质层、反射层和荧光粉均采用厚膜印刷工艺制作。灯的封接和充气工艺采用无排气管封接和 充气工艺，即将前、后板放在真空腔体内，在使低熔点玻璃熔化的温度下充入一定压力的气 体，然后真空腔体降温，低玻固化将其内的气体封入前、后板内。此工艺的优点是排气时间短， 可显著提高生产效率，而且制作出的灯的厚度仅是两块玻璃板厚度与它们距离之和，因而厚 度很薄( 不超过8 5 m m ) 。p l a n o ni 的工作原理如图1 1 6 所示。p l a n o ni 的亮度维持性能如图 1 1 5 所示，可以看出，点亮4 0 0 0 d , 时后，p l a n o ni 的亮度下降为初始亮度的9 0 ，而多管( 8 7 东南大学硕士学位论文 1 2 只) 并列直下式c c f l 亮度下降8 0 ，多管( 4 6 只) 侧置式c c f l 亮度下降为7 0 。所以 p l a n o ni 灯的亮度衰减慢，寿命长【15 1 。 图1 1 3p l a n o i ni 平板荧光灯结构示意图 c a t h o d e a n o d eb m r l _ 一r 图1 1 4p l a n o ni i 作原理图 l k 1 l 、。 玛 、 k 、 k 勘ij黝奄 、。 f 蘑h 、 jn h h 、h 掣1 龋 0 1 0 p2 0 , 03 0 , 0 o5 0 , 06 0 ，07 0 ，o8 0 , 09 0 , 01 0 0 , 0 x 嘲h 图1 15p l a n o ni 灯与c c f l 亮度衰减的比较 后来o s r a m 公司在p l a n o ni 灯技术基础上设计出的二代产品【l6 1 ，其结构如图1 1 6 所示。 它结构简单，仅由3 个部件组成：前玻璃板、后玻璃板和柔性印刷电路( f p c ) 。各种平面灯由 于内部气体压力低于外界大气压，前后板间一般需要附加隔离柱来支撑。然而，p l a n o ni i 的不同之处在于隔离柱和密封框架已集成在前玻璃板上。为此，开发出一种特殊而可靠的玻璃 成形工艺。设计隔离柱形状时，使其不会干扰l c d 显示区域的发光，并且通过合理选择隔离 柱的数目使玻璃板的厚度减小为l m m 。这样就可把电极制作在后玻璃板的外表面，用l m m 玻 璃板作为介质层，而省去费时并且可靠性较差的用丝网印刷制作介质层的工艺步骤及后续的 烧结过程。 p l a n o ni i 内部的详细结构如图1 1 7 所示。表面具有凹凸形状的前板和平整的后板用特 殊的焊料玻璃技术封接在一起。灯的内表面被荧光粉层所覆盖，它们将氙放电产生的真空紫 外线转化为可见光。后板上荧光粉层下的可见光反射层用来防止可见光从后板射出造成亮度 损失。在把前、后板封接好后，用一薄层粘结胶将具有铜制电极结构的柔性导电带粘贴在后 板的外表面。图1 1 8 是p l a n o ni i 工作中的照片。 8 图l - 18o s r a m 公司的平板荧光灯外形图 3 通用公司的f i n g e r 荧光灯 x e n o ng a sp m s s i l m e i e c t r o d ed i s t a n c e d i s c h a r g eg a p d i e l e c t r kb a m l - i i t h i c k n e s s e l e c t r o d es u r f a c ea r e a a p p l i e dv o l t a g em a x i m u m a p p l i e dv o l t a g ef r e q u e n c y v o l t a g er i s e t i m e “0 - 9 0 睨) p u i s ew i d t h d i e l e c t r i cr e l a t i v ep e r m i t t i v i t y p h o s p h o r ( g r e e n ) d b dc o n f i g u r a t i o nc a p a c i t a n c e 1 0 0 3 0 0 m b a r 9 6 5 m m 8 2 5 m m o 7 m m 1 5 c m 2 3 0 0 0 - - 4 7 5 0v 2 0 k h z 1 3 0 n s 2 0 0 n s 一5 “s 6 6 。l a p 0 4 ：c e 。t b 3 5 p f 图l 1 9f i n g e r 荧光灯的结构参数 c a ) e b c h o d e 1 - 2 0f i n g e r 荧光灯的结构图 图卜2 1f i n g e r 荧光灯的驱动电压波形及放电电流图 9 翻v 材曩唧膏 查塑奎兰婴主堂垡笙奎 相似于o s r a m 公司的l i n e x 管状型介质阻挡放电灯( d b d ) ，g e 公司也研发出了f i n g e r 荧光灯【1 7 】，如图1 1 9 所示。图1 2 0 为结构图。该种灯采用绝缘铅玻璃，外径9 6 5 m m ，壁厚 0 7 m m ，长度l l c m ，采用的银电极是1 5 m m 宽，1 0 c m 长，沿着外表面截然相反的部分印制。 灯管的内壁涂有l a p ( l a p 0 4 ：c e ，t b ) 荧光粉，用于将真空紫夕b f v u v ) 光转化成绿色可见光。这 种灯管内充满了氙气，气压范围为1 0 0 m b a r 到3 0 0 m b a r 。该灯工作在正弦电压波形下，转化 为可见光的效率为l o 3 0 。v o l k o m m e r 和h i t z s c h k e 使用短脉冲激励电压波形( 小于7 5 0 n s 脉冲单极性脉冲电压，及一段长期置地的时间4 0 s ) ，将d b d 的效率提升至6 0 ，放电外观 也变成了丝状模式，形成了独立的，对称或者锥形的，模糊的辉光放电区。通过增加外加激 励，这些非均匀的放电变得更加均匀。最新的研究表明，使用快速电压波形( 小于2 0 0 n s ) ，放 电沿着电极表面同步发展，并产生更均匀的空间分布放电。空间的一致性使得电流密度和电 离率相对丝状情况下比较低，它被认为是等离子体中将电场能量转化成辐射能量的更有效的 因素。为了最大限度的减少击穿后的能量损失，采用短脉冲激励电压波形。短脉冲电压波形 在点火之后终止了放电的发展，从而大大降低了电极附近的用于离子加热的功率损耗，大大 提高了放电效率。图1 2 l 为实测的驱动电压波形图及放电电流图。 1 3 论文主要工作及意义 虽然平面无汞背光源近年来发展很快，性能有了很大提高，但目前仍存在的问题是发光效 率有待进一步提高，放电易发生正柱收缩，难以获得高均匀性放电。对于小尺寸结构，可以 通过合理选择驱动电压脉冲宽度、脉冲间隙宽度和电压幅度，可防止正柱收缩，获得均匀放 叫”】。可是对于大尺寸结构，即使这样也难以获得均匀稳定的放电，因此一般在电极上设置 许多小突起，来产生一个个稳定、弥散的微放电，而这种放电形式的亮度均匀性只能达到8 5 左右。用作背光源时，仍需在灯表面设置散射片以使亮度均匀性高于9 0 ，但这样会降低背 光源的亮度和光效。如何解决大面积放电的稳定性和均匀性，并进一步提高其光效是一个当 前迫切需要解决的问题。 本论文在分析了等离子体放电单元的放电机理的基础上，建立了基于p i c m c c ( 粒子网 格蒙特卡罗碰撞方法) 的等离子体平板背光源放电单元物理模型，通过数值模拟的方法来优 化设计结构参数。实验上，利用平板显示器件的工艺条件，制作出不同结构参数的背光源实 验屏，并测试对比。数值模拟与实验测试二者相结合来优化设计等离子体背光源结构参数， 以及驱动波形参数，使其亮度、发光效率等重要性能得到了显著提升。 本论文的结构安排如下：第一章介绍了l c d 背光源的背景，目前l c d 主流背光源的种 类及优缺点，提出了采用等离子体平板背光源的优势；第二章在等离子体放电物理的基础上， 介绍了等离子体平板背光源工作原理，并设计出其基本结构；第三章采用p i c m c c 的动力学 模型模拟方法对不同结构参数的背光源单元进行计算机数值模拟，得到优化参数，并在后板 添加辅助电极，研究其对表面放电的影响；第四章介绍了实验屏的制备工艺流程，基于模拟 结果，制作大量不同结构参数的实验屏。第五章对实验屏进行测试对比，并与模拟结果相综 合，研究结构参数对放电性能和发光性能的影响，来优化等离子体背光源的性能，同时测试 反射层对其亮度和效率的改善。最后分析了等离子体饱和现象原因，研究了驱动波形对发光 性能的影响及改善。 1 0 第二章等离子体平板背光源的工作原理 第二章等离子体平板背光源的工作原理 2 1 等离子体放电特性和发光原理 平板背光源的基本结构是由两块平板玻璃组成，放电空间内充有氖氙混合气体，在交流高 压作用下使气体击穿产生放电。在放电过程中，氙的谐振态辐射产生1 4 7 n m ，1 7 3 n m 的真空紫 外线( v a c u u mu l t r a v i o l e t ，v u v ) 轰击按一定比例混合均匀的三色荧光粉发光。 因此，等离子体背光源的工作主要有两个基本过程：一、气体放电过程：放电空间内所 充的惰性气体在外加脉冲信号的作用下产生放电，使气体原子受激而跃迁，发射出真空紫外 线；二、荧光粉发光过：利用气体放电产生的紫外线，激发光致荧光粉发出可见光。 2 1 1 气体放电中粒子的运动与相互作用 气体放电过程是指当作用于气体的电场强度超过某临界值时出现的气体放电现象。此时 气体从绝缘状态转变为导电状态，通常气体放电时伴随着热、光和x 射线等物理效应，并且 不同的气体在放电过程中具有不同的伏安特性。气体放电过程是一个复杂的粒子运动体系， 需要研究电子、基态原子( 或分子) 、激发态原子( 或分子) 、离子、光子的运动以及相互作 用。粒子在放电空间将进行大量无规则的热运动，在外加电场作用下，带电粒子还要进行沿 电场放电的漂移运动。在运动的同时，气体粒子会通过碰撞过程与其他各种粒子发生相互作 用，粒子之间通过碰撞交换动量、动能、位能、电荷，使粒子发生激发、电离、复合、光子 发射和吸收等物理过程。气体放电的典型1 - v 关系如图2 1 所示。从图可以看出放电曲线具有 明显的非线性。 i | i o 。 l o 2 l o 一 甄光暂电燧、 异常露光放电区 ， 1 0 1 霹党放电 1 0 。 1 0 1 0 1 0 o l o “ 负阻区 涛森成电医 ( 自持效电 f 歇决于弘螽 i 栖始彖侔 【、j 1 ) 吠龟擘 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 负辉区 图2 一l 气体放电的特性曲线图2 2 辉光放电的特性曲线 放电过程的产生与电子雪崩的形成是密切相关的。电子雪崩的物理模型是：电子在向阳 极运动的过程中不断的从电场吸收能量，如果场强足够强，则电子会不断的发生电离碰撞， l l 东南大学硕士学位论文 而产生的新电子又发生电离碰撞，如此电子的数量便产生雪崩式的增长i l 引。由电子繁流理论 可知，要得到自持放电，就必须依靠放电本身由阴极及时补充消失在阳极的电子，消失多少， 就补充多少。电子雪崩导致电子数目以指数关系增长，雪崩产生的离子轰击阴极产生了次级 电子发射，这些次级电子又急促参与电子雪崩，于是便出现了一个正向反馈。若反馈增益大 于1 ，则这个系统就会变得不稳定。气体放电从稳态到非稳态的过度点电压称为着火电压。 当电极间电压大于着火电压时，若存在一个起始电流，则放电电流将呈指数增长。 一般认为等离子体平板显示器件中的气体属于弱电离状态，不同于高温等离子体中的气 体状态。所谓弱电离一般是指气体的电离度小于1 0 4 ，研究弱电离气体中粒子的运动时，可 以忽略带电粒子间相互场的作用，使运动行为的讨论大为简化。 等离子体显示屏一般工作在辉光放电区。辉光放电具有以下的基本特征： 1 稳态的自持放电； 2 放电电压明显低于着火电压； 3 放电时，放电空间呈现明暗相间的、有一定分布的光区： 4 正柱区和阴极辉区均属于等离子体区，电子浓度和离子浓度都很大并且相等； 5 放电主要依靠二次电子的繁流来维持。 如图2 2 中所示，气体在放电过程中存在两个主要的发光区域：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 生的辉光主要集中在正柱区。负辉区的发光强度最大，但发光区域较小。正柱区的发光区域 最大，对光通量的贡献也最大。在辉光放电中正柱区的长度由放电电极之间的极间距离决定， 即距离较长时，正柱区的长度也较长；反之，极间距较短时，正柱区也随着变短。因此就辉 光放电的本质而言，正柱区是可有可无的，它不是维持放电的主要区域，但它是放电中的一 个重要区域。 从图中还可以看出正柱区的电位分布是线性的，电场均匀分布且较弱；正柱区内正离子 与电子浓度相等，是一个非等温的等离子体。 正柱区在放电中起着传导电流的作用，放电电流密度为电子流密度和离子流密度之和， 于是有： j f = 以+ z = 成心+ b 以= p 6 ( k 。+ k f ) ( 2 1 ) 式中见与成分别为电子与离子的电荷密度，k 。与k ，分别为电子和离子的漂移率，为电 场强度。 由于k ， k ，所以正柱区中传导电流主要是电子流，而离子通常只占电子流的千分之几， 因而常被忽略不计。这样正柱区中电子跑掉的数目大大多于离子，据此，正柱区的离子数势 必要高于电子数，而不能维持稳定的状态。但实际情况并非如此，放电时从阴极区提供大量 的电子，经过过渡区而进入正柱区，最后电子漂移到阳极而形成放电电流。因此正柱区实质 上起到了传导电流的作用。 2 1 2 氖氙混合的放电与发光机理【1 s j g , 2 0 在等离子体放电单元中，通常采用混合惰性气体，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、氙原子，并促使它们电离产生电子、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向阴极运动，同样离子在 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 子对通常记为丫。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 s 】。 1