（物理电子学专业论文）荫罩式pdp亮度和效率的实验研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 m i l l l l1 11t 1 1 1 1 1i t l l li ll t 111 1 1 1 1i i i i i i q y 1 7 6 18 7 8 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： 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：抛导师签名： 摘要 摘要 等离子体显示器( p d p ) 具有图像质量好、亮度高、大视角等优点，非常适合于高清 晰大画面显示。但是要应对来自l c d 的巨大挑战，需要解决的关键问题是提高效率、 降低成本。荫罩式等离子显示器( s m p d p ) 在降低成本方面有很大优势，但是效率仍有待 进一步的提高。本论文以s m p d p 为研究对象，通过单元结构、电极结构、驱动波形等 几方面的研究探索提高s m p d p 的亮度和效率的有效途径。 本文进一步完善了p d p 性能测试平台，基于该测试平台可较完整、简便地测试p d p 放电过程的相关性能。 提出了十字型扫描电极结构以扩大放电区域，提高亮度。制作了不同结构的s m p d p 的放大单元，并对其性能进行了测试。结果显示，设计合理的十字型扫描电极可有效增 加红外辐射强度、减小峰值延时、降低最低维持电压和着火电压，电压动态范围基本不 变。与传统的菱形直孔条状电极相比，十字型扫描电极在菱形单元和十字直孔单元结构 中均可获得较强红外辐射强度，并使放电效率得到提高。 提出了t 型扫描电极结构，以增加放电路径、减少汇流电极对可见光的阻挡。测试 结果表明，通过优化t 型扫描电极结构，其相对亮度比传统结构要高出7 4 ，同时相对 发光效率也比传统结构高出2 4 。t 型扫描电极结构还降低了工作电压和减小了放电延 时。与十字型扫描电极相比，t 型扫描电极亮度和发光效率高于十字扫描电极。 为了进一步提高s m p d p 效率，采用7 寸实验小屏研究了不同氙比例、不同单元结 构和电极结构以及维持电压斜率对放电效率的影响，同时测量了放电过程中单元电子温 度随时间的变化情况，并模拟了放电过程中电子能量的变化情况。结果显示，当x e 比 例提高到5 0 时，s m p d p 结构仍然能满足高清寻址要求。所设计的新型扫描电极能有 效扩展放电区域，提高亮度和发光效率。维持电压波形斜率的增大和x e 比例的升高， 都能使电子温度降低，从而使效率和亮度提高。 关键字：荫罩式等离子体显示器，放大单元，亮度，放电效率，电子温度 a n df a b r i c a t e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nm e a s u r e d r e s u l t ss h o wt h a t o p t i m i z e dc r o s ss c a ne l e c t r o d ec a ne n h a n c et h ei n f r a r e di n t e n s i t ye f f e c t i v e l y , d e c r e a s et h e d i s c h a r g et i m el a g ，t h em i n i m u m s u s t a i nv o l t a g ea n df i r i n gv o l a t g aa r el o w e ra n dt h em a r g i n i sa b o u ts a m e c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls t r u c t u r e ，t h ec r o s ss h a p e ds c a ne l e c t r o d ei n d i a m o n ds t r u c t u r ec e l la n dc r o s ss t r u c t u r ec e l lw i t hr e c t a n g u l a rs m a l lh o l ec o u l da c h i e v eh i 曲 i n f r a r e di n t e n s i t ya n di m p r o v et h ed i s c h a r g ee f f i c i e n c y i no r d e rt ol e n g t h e nd i s c h a r g eg a pa n dr e d u c et h eb l o c k i n gi m p a c t i o no fb u se l e c t r o d e ， t h ets h a p e ds c a ne l e c t r o d eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h eo p t i m i z e dts h a p e ds c a ne l e c t r o d e g e t s7 4 i n c r e a s eo fr e l a t i v el u m i n a n c ea n d2 4 i n c r e a s eo fr e l a t i v el u m i n a n c ee f f i c a c y , t h e d r i v i n gv o l t a g ea n dd i s c h a r g et i m el a ga led e c r e a s e dt o o i na d d i t i o n ，t h er e l a t i v el u m i n a n c e e f f i c a c yi sh i g h e rt h a nt h a to f c r o s ss h a p e ds c a ne l e c t r o d e t h ei n f l u e n c eo fx ec o n t e n t ，s t r u c t u r eo fd i s c h a r g ec e l la n ds c a ne l e c t r o d e ，a n dt h e r i s i n gt i m eo fs u s t a i nw a v e f o r mo nd i s c h a r g ee f f i c i e n c yh a sb e e ns t u d i e d w i t h7i n c h s m p d pt e s tp a n e l s t h ec r e s p o n d i n ge v o l u t i o no fe l e c t r o nt e m p e r a t u r ei nd i s c h a r g ec e l lh a s b e e nm e a s u r e da n dt h ee v o l u t i o no fe l e c t r o ne n e r g yi nd i s c h a r g ec e l lh a sb e e ns i m u l a t e d r e s u l t ss h o wt h a ts m p d pc a l lr e a l i z e1 6m i c r o s e c o n d sa d d r e s se v e nw i t h5 0 x e n o n c o n t e n t t h ed e s i g n e dn o v e ls c a ne l e c t r o d ec a ne x p a n dt h ed i s c h a r g ea r e ae f f e c t i v e l ya n d i m p r o v eb o t hl u m i n a n c ea n de f f i c a c y t h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ei sd e c r e a s e dw i t ht h es t e e p e r r i s i n gt i m ea n dh i g h e rx ec o n t e n t ，a n dt h ee f f i c a c ya n dl u m i n a n c ei si m p r o v e d k e y w o r d ：s h a d o wm a s kp l a s m ad i s p l a yp a n e l ，m a c r o - c e l l ，l u m i n a n c e ，d i s c h a r g ee f f i c i e n c y , e l e c t r o nt e m p e r a t u r e i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录1 1 i 第一章绪论1 1 1 显示器件简述l 1 2 等离子显示器( p d p ) 概述1 1 2 1p d p 发展历史。l 1 2 2p d p 结构2 1 2 3p d p 发光原理4 1 2 4p d p 的驱动6 1 3 荫罩式等离子显示器( s m p d p ) 7 1 3 1s m p d p 单元结构8 1 3 2s m p d p 驱动9 1 4p d p 存在问题及研究方向9 1 4 1p d p 低效率原因9 1 4 2p d p 研究方向1 0 1 5 论文主要工作1 2 第二章p d p 实验研究及测试方法1 4 2 1 放大单元实验方法1 4 2 3 小屏制作简介1 7 2 4p d p 性能测试平台与相关参量的测量方法1 8 2 4 1 放电过程测试系统一1 8 2 4 1p d p 光谱测试系统1 9 2 4 2 放电效率测试l9 2 4 3 发光效率测试2 1 2 4 4 放电延时及红外辐射强度测试2 2 2 5 本章小结2 3 第三章基于放大单元十字型扫描电极的研究2 4 3 1 结构设计2 4 3 2 十字型扫描电极放电特性2 5 3 2 1 驱动电压2 6 3 2 2 放电延时2 8 3 2 3 红外辐射强度。2 9 3 2 4 放电效率31 3 2 5 放电过程3 3 3 3 本章小结3 4 第四章4 2 英寸菱形单元t 型扫描电极的研究3 5 4 1 结构设计3 5 4 2t 型扫描电极研究3 6 4 2 1 驱动电压。3 6 4 2 2 放电延时3 7 4 2 3 红外辐射强度3 8 i l l 东南大学硕士学位论文 4 2 4 放电效率 4 2 5 不同电极结构比较。 4 2 6 放电过程 4 3 本章小结 第五章7 寸s m p d p 实验小屏的研究 5 1x e 比例对放电特性的影响 5 1 1 亮度和效率 5 1 2 寻址延时 5 2 不同结构比较 5 2 1 结构设计。 5 2 2 发光亮度和效率 5 2 3 放电过程。 5 3 维持期波形研究。 5 4 电子温度的测量 5 5 本章小结 第六章结论 参考文献 ! 改谢 硕士期间发表论文和获奖情况 i v 第一章绪论 1 1 显示器件简述 第一章绪论 人的各种活动和交流都是信息传送和获得的过程，在五大知觉中，视觉信息占人类 的全部信息的8 0 以上。在高度信息化的今天，显示器作为人机交互界面，它将各种信 息通过视觉的形式传送给人，其重要性和应用的广泛性促使是其不断发展和更新。电子 显示将各种电子设备输出的信息转换成人眼可识别的字符、图像等光信号。 显示器件发展到今天，从曾应用最广泛的阴极射线管( c a t h o d er a yt u b ) 显示器到现 在的液晶显示器( l c d ) 、等离子显示板( p d p ) 、发光二极管( l e d ) 、电致发光显示器( e l ) 和场致发射阵列平板显示等。按照显示原理可以这些显示器件分为两种，一是主动发光 型( e m i s s i v ed i s p l a y ) ，如c r t , p d p 等；另一种是非主动发光型( n o n e m i s s i v ed i s p l a y ) ，如 l c d 等。 进入2 1 世纪，人们对显示器的要求也逐渐发生了变化，屏幕更大、高清晰度、数 字化工作、体积更小、节能环保是新型显示器应具备的特点。平板显示器( f l a td i s p l a y p a n e l 简称f p d ) 其体积小、数字化工作等优点，正逐步取代c r t 的地位，p d p 就是其 中代表之一。 1 2 等离子显示器( p d p ) 概述 1 2 1p d p 发展历史 2 0 世纪5 0 年代，美国b u r r o u g h s 公司利用气体放电原理制做了一种新型数码管， 它利用阴极辉光区发光实现数字的显示，这也被认为p d p 的开端。1 9 5 4 年，n m i o n a l u n i o n 公司研制出直流矩阵结构等离子显示板( d c p d p ) ，在前后板分别制作一组平行的 阳电极和一组平行的阴电极，放电单元在前后电极交叉处。最具历史性的突破发是在 1 9 6 4 年，美国伊利诺斯( i l l i n o i s ) 大学c o o r d i n a t e ds c i e n c el a b o r a t o r y 的教授b i t z e r 和 s l o t t o w 开发出了具有存储特性的交流型等离子显示板( a c p d p ) 。在此后的十多年的发 展过程中，到8 0 年代初，单色橙色p d p 广泛用于教育、公众信息显示板、手提计算机 显示器和一些军工产品。 1 9 5 0 年，彩色c r t 开始在美国研制，彩色p d p 的研究始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 8 3 年日本n h k 放送技术研究所开发出8 英寸脉冲存储彩色p d p 。进入9 0 年代以后，p d p 在结构、驱动方式( 富士通a d s 驱动方式的实现) 、亮度等关键技术取得突破，作为理 想平板显示器件的巨大潜力逐渐显现，从此各个公司对p d p 开发进入实质性的阶段。 近1 0 年来，通过新技术的发展和制造工艺的逐渐成熟，彩色p d p 性能有了很大提高， 图像质量明显改善。目前用于大屏幕壁挂电视、高清晰度电视和和多媒体显示等领域的 1 0 2 - 1 5 2 c m ( 4 0 - 6 0 英寸) 彩色p d p 已实现商品化l l 儿川。 东南大学硕士学位论文 10 3i n c h 1 5 0i n c h 爹 劈 黑 i 鬣吣批? tt m ? 一溉+ 纰。；# 。| 。，“一札_ ? “缸艄一。7 机蛳矗t 酬由僦 图1 1 松下1 5 0 英寸p d p p d p 具有主动发光、响应速度快、视角宽、易于薄型化等独特优点，所以大尺寸、 超薄、以及高分辨率是其发展的方向。图1 1 是松下在2 0 0 8 年展出的1 5 0 英寸p d p ， 其分辨率为4 0 9 6 x 2 1 6 0 ，是全高清( f h d ，分辨率为：1 9 2 0 1 0 8 0 ) 的四倍。图1 2 为0 8 c e s 上先锋展出的超薄p d p ，厚度仅为9 m m l 3 1 1 4 1 。 1 2 2p d p 结构 图1 2 先锋9 m m 厚p d p p d p 按引起放电时施加电压和自身结构不同，主要可分为直流放电型、交流对向放 电型和交流表面放电型【5 1 ，单元界面结构截面图如1 3 所示。 2 第一章绪论 ( a ) 直流型 i 图1 3 三种p d p 单元结构 直流放电型的驱动电压正负保持不变，前后板上电极十字交叉处即为一个放电胞， 且电极不加保护直接暴露在放电空间。为防止电极磨损、提高寿命，每个单元要通过一 个电阻限制放电电流，如图1 - 3 ( a ) ，限流电阻的差异也给像素一致性带来了隐患。d c 型p d p 在上个世纪末也是研究热点，但是由于它在亮度、效率、以及画面精细度上的 限制，目前已经淡出人们的视野。 与d c 型相比，a c 型p d p 电极表面覆以透明介电层，放电开始后，通过绝缘体的 介电层表面电荷的积累，空间场强减弱，最后放电停止，这也使得a c 型具有存储特性。 a c 型有两种，一种是对向型，前后板各有一个电极，同d c 型，如1 - 3 ( b ) 所示；另一 种是由富士通( f i j i t s u ) 公司所提出的三电极表面放电型交流等离子显示屏( a cc 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 ) ，见图1 - 3 ( c ) ，它是由置于前板的两个维持电极和后板的 寻址电极组成。所以放电主要集中在前板，这种结构有助于提高亮度、增加效率、寿命 长等优点，也是目前主流p d p 所采用的结构。 介 ( a ) 单元结构 勰，脚 _r黛锄帮 i 蒯野 l i l 岬 蠢r - o ，强一“ _ _ r _ 一、b 口 j 秽崩谢。t 喇 缀缀擎黝黝攀譬呀 s e h r e m t o h v rd k 4 n 1 1 1 th - 盯 一 。 一4 衄一f j 钿1 f 。 j 2 1 _ 丁i| j 严 jj 2 珊i ( a ) 菱形直孔( b ) 菱形曲孔 ( c ) 十字直孔( d ) 十字曲孔 图3 - 34 2 英寸w x g as m p d p 放大单元 3 2 十字型扫描电极放电特性 扫描电 极s 寻址电 j 7 眦l i ! l l z 皿皿 扫描电 撮s ( a ) 传统条状电极( b ) 十字型扫描电极 图3 - 44 2 英寸w x g as m p d p 放大单元 图3 - 4 为十字直孔放大单元传统条状电极和十字型扫描电极结构，扫描电极线宽为 2 5 东南大学硕士学位论文 3 m m ，寻址电极宽度为2 m m 。其中w 为沿寻址方向扩展的长度，当w - - 0 m m 时，即 为传统条状电极。为了表示方便，将四种单元结构分别用字母替代：a 一菱形曲孔，b 一十字曲孔，c 一菱形直孔，d 一十字直孔。 设计十字型扫描电极的目的就是为了将放电区域扩大，从而增大紫外光发射区域， 改善p d p 放电特性。但是对十字型电极结构，若w 太小，达不到扩展放电区域的目的； 但是若w 过大，功耗也会随之变的很大，从而效率会减小，因此十字电极结构中w 存 在一个较优的值。实验中，考虑到实验的可行性，w 取0 m m ，4 m m ，8 m m 三个值，同 时分别在四种单元结构中进行研究。 3 2 1 驱动电压 扫描电极s 寻址电极a 图3 5 驱动波形 对于放大单元，我们主要研究电极的改变对放电特性的影响，为了简化测试过程， 驱动波形采用如图3 5 所示的纯维持波形，占空比为1 0 0 的方波，频率为4 k ，寻址和 扫描电极交替加高压。 ( a ) 最低维持电压( b ) 着火电压 第三章基于放大单元十字型扫描电极的研究 ( c ) 不同结构电压动态范围 图3 - 6 不同单元十字型扫描电极工作电压 图3 - 6 给出了十字型扫描电极在四种单元结构中的工作电压测试结果。可以看到， 随着w 的增加，四种单元结构的最低维持电压、着火电压以及电压动态范围均不同程 度的有所减小。当w 从0 m m 增加到4 m m 时，由于不同结构放电单元中主放电区域和 相应的强电场范围迅速增大，最低维持电压和着火电压大幅下降。其中，十字直孔单元 最低维持电压降低了1 4 v ，着火电压降低了1 8 v 。而当w 从4 m m 继续增加到8 m m 时， 不同单元结构的最低维持电压和着火电压均基本保持不变，这是由于此时单元主放电区 域和相应的强电场范围随十字电极尺寸增加非常有限，此时增加w 对降低最低维持电 压和着火电压没有什么帮助，反而由于电极宽度增加，功耗增加。 不同结构、相同尺寸十字型扫描电极，最低维持电压的关系是：菱形曲孔a 十字 曲孔b 菱形直孔c 十字直孔d 。其中，w = 0 m m ，即条状电极情况，十字直孔最低维 持电压( 2 1 6 v ) 要比菱形曲孑l ( 2 0 3 v ) 高出1 3 v 。随着w 增大，即十字型扫描电极情况， 四种结构最低维持电压相差减小。 同样由图3 - 6 ( b ) 可以发现，不同结构、相同尺寸十字型扫描电极，着火电压的关系 是：菱形直孔c 菱形曲孔a 4 m m 后，红外辐射强度基本不变，主要是因为随着l 的 增大，放电区域也会扩展，但是由于受到单元本身大小和金属荫罩的限制，当l 增加到 一定程度后，放电区域将不再继续扩展，所以红外辐射也不会随之增大。 当维持电压为2 5 0 v 时，在中心t 型扫描电极结构，当l 大于4 m m 时，与传统条 状电极结构( 即中心t 型扫描电极中l = 0 m m ) 相比，红外辐射强度增加了2 7 左右： 在偏移t 扫描结构中，l = 0 m m 放电最弱，红外辐射也比传统条状结构减少了约1 l 。 所以，从红外辐射强度考虑，中心t 型扫描电极( l = 4 m m ，8 m m ) 和偏移t 型扫描 电极( l = 1 2 m m ) 具有较高的红外辐射强度( 2 5 0 v 时，比传统条状电极结构都要高出约 2 7 ) ，即在实际屏中采用上述电极结构，可以提高s m p d p 亮度。 4 2 4 放电效率 ( a ) 中心t 型扫描电极结构 ( b ) 偏移t 型扫描电极结构 图4 5 两种t 型扫描电极相对效率随电压关系 3 8 笺婴主竺茎! 茎堑兰垂! 型塑堂皇坚箜堕窒 图4 5 是两种t 扫描结构相对放电效率随电压的关系，两种结构放电效率都随维持 电压的升高而降低。维持电压为2 5 0 v 时，在中心t 型扫描电极中，与l = 0 m m ( 虽l j 为传 统条状电极结构) 相比，l = 4 m m 和8 m m 时，放电效率下降5 和4 。在偏移t 型扫描 电极中，l = 0 m m 时，由于放电路径较长，相同驱动电压单元场强比较小，电离损耗能 量少，所以放电效率较高，但同时红外强度比较弱，l = 8 m m 和1 2 m m 时，放电效率与 传统条状电极相比，维持电压为2 5 0 v 时，分别下降7 6 和7 1 ；同时也可以发现， l = 4 m m 时，放电效率减小了1 0 ，原因是由于l = 4 m m 的偏移t 型扫描电极不能有效 扩展放电区域，从而红外辐射强度增加很少，但是功耗增加幅度较大，所以效率比较低。 所以，若只考虑放