（物理电子学专业论文）荫罩式等离子显示板放电性能的理论研究.pdf

摘要 等离子体显示技术( p d p ) 具有高亮度、高对比度、宽视角、色彩逼真等优点，是大屏幕 高清晰度显示器的首选。但是，它仍然存在制造成本高，放电效率低等缺点。目前对p d p 的研究主要集中在提高发光效率、提高分辨率，延长寿命等方面。由于p d p 放电单元很小， 实验研究很困难，并且无法直接测量放电过程中的粒子分布的变化，因此数值模拟的方法成 为p d p 研究的一个重要且有效方法。本论文主要是通过自行编制的软件，用数值模拟的方 法，研究了影响荫罩式等离子显示屏( s m p d p ) 的放电性能。 首先基于二维流体模型基础上，完成了p d p 三维模拟软件。流体模型主要包括粒子连续 性方程和泊松方程。在利用数值计算的方法求解这两个方程时，为了克服方程求解过程中介 电驰豫时间对时间步长的限制，本文采用了对粒子浓度预测的方式，使计算速度大大加快。 同时为了保证计算的稳定性，本文在比较了多种粒子连续性方程的离散格式基础上，采用了 指数格式，即保证了计算的稳定，又能获得较高的计算速度。在流体模型的基础上，本文首 次使用表面电荷法与流体模型相结合，计算了p d p 的放电电流，从而能更方便准确地研究放 电过程中各参量的变化对放电电流的影响，并与实验测量结果进行比较。根据s m p d p 的特 殊性，特别是2 5 ”s v g as m - p d p 的圆形像素单元，具有轴对称性，本文同时在直角坐标和 轴对称坐标中，完成了公式的推导和程序开发。 其次本文利用完成的模拟软件对s m p d p 的放电性能作了系统的分析并与传统的表面放 电p d p 进行了比较。研究了各结构参数、放电气体、驱动频率等因素对s m - p d p 性能的影响。 改变放电单元的结构，使放电空间的电场发生变化，从而使放电性能发生改变。提高放电气 体中的氙的比例，可以提高所产生的氙谐振态粒子的数量，从而使放电效率提高；增加放电 气体的压强，尽管放电气体的着火电压增高，但同时电子与其它粒子碰撞的几率增大，放电 效率提高。驱动电压频率的升高，在相同的时间内放电次数增加，可以提高显示亮度，同时 增大显示的灰度等级。通过与传统的表面放电p d p 比较，可以看到s m p d p 具有着火电压 低、寻址时间短、亮度高、效率高等优点。 与传统的p d p 不同s m p d p 中障壁是金属等位体，可以通过调节荫罩上的电压，来改 变放电空间的电场，以获得更好的放电性能。本文详细分析了荫罩上电压波形的不同对 s m p d p 放电性能的影响，并在此基础上，设计了荫罩上的电压波形，使荫罩在放电过程中 电位更接近外加的阳极电位，从而大大提高s m p d p 的放电性能。 关键词：荫罩式等离子显示屏流体模型放电效率放电电流紫外辐射 a b s t r a c t p l a s m ad i s p l a yp a n e l 口d p ) h a sm a n ya d v a n t a g e s , s u c ha sh i g l ll u m i n a n c e , h i g i lc o n t r a s t , w i d ev i e w i n g a n g l ea n df u l lc o l o rd i s p l a y i th a sb e e nr e g a r d e da so n eo ft h eb e s tc a n d i d a t e sf o rh d t v 佃g h d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) h o w e v e r , h i g hc o s ta n dl o we f f i c a c yo fp d p s t i l ln e e dt ob ei m p r o v e d t o d a yt h es t u d yo fp d p i sm a i n l yf o c u s e do nh i g he f f i c a c y ，h i g hd e f i n i t i o n ，l o n gl i f e t i m e b e u t h ed i s p l a yc e l lo fp d pi sv e r y s m a l l ，t h ee x p e r i m e n ta ti n v e s t i g a 吐o ni sd i f f i c u l ta n dt h ed i s t r i b u f i o no fp a n i c l e sc a n tb em e a s u r e dd i r e c t l y i nt h ep r o g r e s so fd i s c h a r g e o n ep o w e r f u lm e t h o di st os i m u l a t et h ed i s c h a r g ep r o c e s sb yc o m p u t e r c a l c u l a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so fp d pa r ea n a l y z e db ys i m u l a t i o nm e t h o d f i r s t , o nt h eb a s i so ft h e2 - df l u i dm o d e l t h e3 - ds i m u l a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e d t h ef l u i d m o d e li n c l u d e st h ec o n t i n u o u se q u a t i o no fp a r t i c l e sa n dp o i s s o ne q u a t i o n ，e r e ，i no r d e rt oo v e r c o m et h e t i m es t e pl i m i t a t i o nd e t e r m i n e db yc o u r a n t - f r i e d r i c h s - l e w y ( c f l ) c o n d i t i o n ，t h ep r e d i c t i o nm e t h o di s u s e dt od e t e r m i n et h ed e u s i t yo fp a r t i c l e si nt h ei t e r a t i o nf o r m u l a e n cc a l c u l a l i o nv e l o c i t 、ri si m p r o v e d g r e a f l y a tt h es a m et i m e , i no r d e rt ok e e pt h es t a b l l i t yo fc a l c u l a t i o n ，t h ee x p o n e n t i a ls c h e m eo f s c h a f f e t t e r a n dg u m m e li se m p l o y e d 。o nt h eb a s i so fc o m p a r i s o nb e t w e e ns c l , e r a ls c h e m e s t h es u r f a c ec h a r g em e t h o d i sc o m b i n c d 们t hf l u i dm o d e lt os i m u l a t et h ed i s c h a r g ec u r r e n ti nt h ed i s c h a r g ec e l l 傀i n f l u e n c eo f d i s c h a r g ep r o c e s st ot h ed i s c h a r g ec u r r e n tc a nb ei n v e s t i g a t e dc o n v e n i e n t l ya n da c c u r a t e l ya n di t sa l s oe a s y t oc o m p a r ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s b e c a u s eo ft h ec e l ls t r u c t u r eo fs h a d o wm a s kp d p ( s m p d p ) ， e s p e c i a l l y2 5 ”s v g as m - p d p , c i r c u l a rc e l li su s e da n di th a st h ea x i a ls y m m e t r i cp r o p e 啊t 0s a v et h e c a l c u l a t i o nr e s o u r c ea n dt i m e ，n o to n l yt h ed e s c a r t e sc o o r d i n a t eb u ta l s oc y l i n d r i c a lc o o r d i n a t ec a nb eu s e d i no u rs o f t w a r ea n dc o r r e s p o n d i n gf o r m u l a ea r ea l s od e d u c e d t h e n t h ed i s c h a r g ec h a m c t e r i s t i 岱o fs m p d pc e l la r ea n a l y z e dw i t ht h es o f t w a r e t h ee f f e c to f s t r u c t u r ep a r a m e t e r , d i s c h a r g eg a sa n dd r i v i n gv o l t a g ef r e q u e n c yo nt h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c si ss t u d i e d t h ec h a n g eo fc e l ls t r u c t u r em a k e st h ee l e c t r i cf i e l dc h a n g ei nt h ed i s c h a r g ec e l l , s oi tc a na f f e c t t h e d i s c h a r g ep r o c e s s b e c a u s ei n c r e a s i n gt h ex e n o nc o n t e n ti nd i s c h a r g eg a sc a np r o d u c em o r ep a r t i c l e so f r e s o n a n ts t a t ex e n o n ，t h ed i s c h a r g ee f f i c i e n c yc a nh ei m p r o v e dt o o i n c r e a s i n gt h ed i s c h a r g eg a sp r e s s u r e w i l lm a k et h ef i r i n gv o l t a g eo fp d ph i g h h o w e v e r , i tw i l le n h a n c et h ec o l l i s i o np r o b a b i l i t yb e t w e e n e l e c t r o n sa n do t h e rp a r t i c l e s 1 1 d i s c h a r g ee f f i c i e n c yw i l lb ei m p r o v e d i n c r e a s i n gt h ef r e q u e n c yo f d r i v i n gv o l t a g ew i l li n c r e a s et h en u m b e ro fd i s c h a r g ei nt h es a m et i m e t h e ni tc a ne n h a n c et h ed i s c h a r g e l u m i n a n c e ，a n dg e tm o r eg r a ys c a l e s i ti sd i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a lp d pt h a tt h eb a r r i e rr i b si ns m - p d pa r em e t a l a d j u s t i n gt h ev o l t a g e o nt h em e t a lb a r r i e rr i b sc a nc h a n g et h ee l e c t r i cf i e l di nd i s c h a r g ec e l l b yt h i sm e t h o d ，t h ed i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c sc a nb ei m p r o v e d i nt h i st h e s i s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s c h a r g ec e l lw i t hd i f f e r e n tv o l t a g e w a v e f o r mo nt h em e t a ib a r r i e rr i b sa r ea n a l y z e d o nt h eb a s i so fi lt h ed r i v i n gv o l t a g ew a v e f o r mo nt h e b a r r i e rr i b si sd e s i g n e d ；t h e r ei sat e n d e n c yt h a tt h ev o l t a g eo nt h em e t a lb a r r i e rr i b si sb e t t e rt oa p p r o a c h t h ea n o d ev o l t a g e t h e d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c s a r ci m p r o v e dg r c a d yw i t ht h e o p t i m i z e dv o l t a g e w a v e f o r m 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 f l u i dm o d e l d i s c h a r g ee f f i c i e n c y d i s c h a r g ec u r r e n t u l t r a v i o l e tr a d i 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： 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：碰。馥导师签名：! ! 盗日期：椭r 】f 第一章绪论 第一章绪论 我们所处的时代是信息大爆炸的时代，据统计，信息的平均年增长率为2 0 0 a ，到本世纪2 0 年 代将达到每两个月翻一番的惊人速度。大量的信息通过“信息高速公路”传送着，要将这些信息传 送给人们必然要有一个下载的工具，即接口的终端。研究表明，在人们经各种感觉器官从外界获得 的信息中，视觉占6 0 ，听觉占2 0 ，其他占2 0 可见，近2 3 的信息是通过眼睛获得的1 1 1 上世纪中页以来，显示技术的研究和开发工作异常活跃，已经陆续有种类繁多的新型显示器问 世，它们被作为人机联系和信息展示的窗口已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、 卫星遥感和医疗等各个方面，显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业 1 1 显示技术的分类 目前的显示器件包括阴极射线管( c r d 、液晶显示屏( l c d ) 、等离子显示屏( p d p ) 、发光二极管 ( l e d ) 、电致发光屏和场致发射显示屏等- 根据显示屏的发光形式，可以将这些显示技术 大致分为两类，表1 i 表1 1 显示技术分类 自发光显示非自发光显示 阴极射线管( c r t )液晶显示( l c d ) 等离子显示屏( p d p )电致变色显示( e c d ) 电致发光显示( e l ) 电泳显示( e p i d ) 发光二极管( l e d )铁电陶瓷显示( p l z l ) 场致发射显示( f e d ) 光阀显示 真空荧光显示( v f d ) 投影显示 在2 0 世纪，图像显示器件中，阴极射线管( c r t ) 占了绝对统治地位，如电视机、显示器等绝 大多数都采用c r t c r t 具有工艺成熟、成本低廉、图像显示效果出色、可靠性高等优点但是， c r t 采用电子束扫描整屏的方式，使其在厚度、重量方面有着致命的缺点，并逐步被新型的平板显 示器( f p d ) 所取代。近三十多年来，在科学家和工程师的共同努力与探索之下，各种平板显示器 应运而生，逐步发展起来。其中液晶显示嚣( l c d ) 在市场上取得了最大的成功，在手机显示屏等小屏 幕显示嚣方面和计算机监视器等中型显示屏方面，l c d 确立了统治地位：同时在彩色电视机等方面 l c d 也获得了极大的成功。正在逐步代替c r t 等离子显示屏( p d p ) 在超大屏幕显示上，正在逐步 成为市场的主流。是晟有前途的超大屏幕h d t v 接收机之一。 东南大学博士学位论文 1 2 等离子体平板显示器( p d p ) 发展历程与基本特点嘲 1 2 ip d p 的发展历程 p i ) p 是利用惰性气体在一定电压下产生气体放电( 形成等离子体) 而直接发射可见光，或发射 真空紫外线( v u v ) 转而激发光致荧光粉而间接发射可见光的种发光型( 主动型) 平板显示技术。 显示屏由许多微小放电单元矩阵式排列组成，通过选址让放电单元产生放电。 图1 1 第一台p d p 产品，1 2 英寸，5 1 2 x 5 1 2 ，用于计算机的图形显示 1 9 6 6 年，美国i l l i n o i s 大学的b i 。c z e r 和s l o t t o w 教授发明了交流等离子体显示板a c - p d p ，1 9 6 8 年荷兰飞利浦公司发明了直流等离子显示板i e p d p ；1 9 7 0 年美国布劳斯公司研制成功了自扫描等离 子显示板。此后p d p 在计算机终端显示，字符显示方面得到广泛应用，图1 1 是第一台p d p 产品， 用于计算的图形显示。 图1 2 第一台3 1 英寸采用a d s 驱动方法的显示厨( 宫士通1 9 9 0 ) 第一章绪论 早期的彩色交流f d p 采用了双基板对向放电式结构，但是由于粒子轰击造成荧光粉损伤，因此 并不成功，p d p 的研究主要集中在直流结构。直到1 9 8 9 年反射式表面放电技术的发明，才使得a c p d p 成为赢家。该结构将显示和寻址电极分开提高了亮度，采用寻址与显示分离的驱动技术( a d s ) ，能 实现2 5 6 级灰度，是p d p 彩色化关键技术上的重大突破“。图1 2 是采用表面放电结构、a d s 驱动的 p d p 。此后p d p 的发展非常迅速，1 9 9 3 年，日本的富士通公司率先实现了5 4 c m 的彩色p d p 量产。1 9 9 5 年寓士通公司在市场上推出了第一台4 2 英寸1 6 ：9 的交流彩色p d p 。1 9 9 6 年被称为“等离子体电视 时代的开始”，多家公司相继推出了大屏幕的彩色等离子电视产品。 ，随着d v d ，宽屏幕壁挂式电视，数字化电视，多媒体显示，阻及 肼y 的普及，2 0 0 3 年醴后彩色 p d p 逐步统治了4 0 英寸以上直观式大屏幕显示市场。图1 3 是i s u p p l y 提供的关于p d f 产量的预测。 图1 3p d p 不同尺寸世界产量预测 1 主2p d p 的特点 相对于其它几种显示技术，p d p 具备许多独特的优点： 平板化、重量轻、可实现壁挂式显示； 为自主发光型显示，因此与l c d 相比，等离子体显示屏具有较高的亮度，而且等离子体显示屏 的视角比较宽，可以达到1 6 0 0 以上； 适合大屏幕、高分辨率显示目前单色p d p 已做到对角线达到1 5 m ，分辨率2 0 4 8 x 2 0 4 8 ，而彩 色p d p 已能超过6 0 英寸，分辨率超过1 0 0 0 线，2 4 位，1 6 7 0 万种颜色； 等离子体显示单元具有很强的非线性特性。作为矩阵显示，为了能对单元寻址，要求单元从熄 灭到点亮具有很强的非线性，而气体放电具有很强的非线性，或称开关特性，即仅当单元上施加的 电压超过着火电压时，气体才发生放电。因此，等离子体显示屏非常适台用于数字化显示； 存储特性。p d p 特有的存储特性使等离子体显示屏在存储工作方式下能得到比低占空比扫描刷 新方式显示高锝多的亮度，这使得高分辨率大屏幕p d p 成为可能； 寿命长，目前等离子体显示屏的使用寿命已超过1 0 万小时； 响应快，p d p 的响应时间为微秒级，使显示图像时像素信号的更颏不成问题 受磁场影响小，无需磁屏蔽。 东南大学博士学位论文 p d p 的上述特点使得它成为新一代显示器研究开发工作的热点。 1 2 3p d p 存在的问题 虽然p d p 具有许多的优点，目前也已经实现了量产，但目前的p d p 显示屏要大面积的走向市场， 仍然有许多问题需要克服： 不能承压，功耗大。由于是大型超薄平板显示器，结构上不能承压。驱动电压高，功耗大； 亮度低虽然与l c d 相比，p d p 的亮度提高了许多，但作为壁挂式的显示器件其亮度仍需要进 一步提高； 发光效率低。由于p d p 利用的是辉光放电的负辉区，效率比较低； 成本高要降低成本，必须降低材料成本，简化制造过程，提高成品奉，这样才可以降低屏的 成本，改善显示屏的工作特性，降低对驱动的要求，从而降低驱动电路的成本； 显示质量有待提高。如存在串扰，在分辨率、对比度、动态图像伪轮廓等方面，仍需要进一步 的提高 1 3 p d p 的结构 等离子体显示板可根据限制电流的方式或所加驱动电压的形式分为交流等离子体显示板 ( a c p d p ) 和直流等离子体显示板( d c - p d p ) 。 1 3 1 直流p d p 咐 d c - p d p 的阴极和阳极直接暴露在放电空间中，工作时电压上加直流脉冲电压使气体击穿放电气 体产生紫外光激发三色荧光粉而显示图像。早期的非存储型d c - p d p 只能采用扫描方式驱动，发光效 率低、亮度低，因此不能实用1 9 8 7 年n h k 研制了脉冲存储d c p d p ，提高了亮度和发光效率。图 1 。4 是该结构的示意图 图i 4 脉冲存储d c - - p d p 结构示意图 4 第一章绪论 从图中可见，p d p 主要由两块制作有矩阵电极的玻璃基板和障壁组成。阴极位于前基板上，阳 极和辅助阳极在后基板上，在阳极和阴极交叉点处，被介质障壁围成的空间为显示单元；辅助阳极 和阴极交叉点处的空间为辅助单元；两单元经障壁顶端的缺口相通 通过在各条阴极上按顺序篪加扫描脉冲，在辅助阳极上施加辅助脉冲，可以在辅助单元产生扫 描放电，放电产生的大量电子、离子和亚稳态粒子，通过缺口进入显示单元，使之着火电压降低。 在阳极上加维持脉冲，其与阴极间的压降低于着火电压，因此不会使显示单元产生放电。当在维持 脉冲阃插入一个书写脉冲时，则在显示单元引起放电。由于维持脉冲的周期比单元内带电粒子和亚 稳态粒子消失的时问短，在维持脉冲的作用下单元将持续放电而不熄灭。一直到去掉维持脉冲或者 施加一个擦除脉冲为止 1 3 2 交流对向放电p d p 柳 图1 5 是交流对向放电p d p 的结构示意图。其结构简单，主要由前、后基板和障壁组成放电空 间；在基板上制作相互垂直的两组电极，并覆盖上介质层。在维持电极上的介质层表面再镀上m g o 保护层 ( a ) 结构示意图( b ) 放电单元发光示意图 图1 5 对向放电型彩色交流等离子体显示板结构示意图 在p d p 两个电极间加上维持脉冲，其幅值低于着火电压。要使放电单元显示，则在维持脉冲间 加一个书写脉冲，其幅值大于着火电压，单元开始放电。放电产生的正离子和电子分别向阴极和阳 极运动，并在介质壁上形成壁电荷，其产生电场与外加电场方向相反，使整个空间电场小于维持电 压，放电停止。当外加电压反向后，外加电场和壁电荷产生的电场。方向相同，叠加后的电压但与 着火电压，又会产生放电，然后又重复上述过程。直到再维持脉冲间加一个擦除脉冲，使气体产生 一个微弱放电，将积累的壁电荷中和。放电过程终止 1 3 3 交流表面放电p d p 。 c a ) 结构示意图 ( b ) 放电单元发光示意图 图1 6 表面放电型彩色交流等离子体显示板结构示意图 东南大学博士学位论文 图1 6 是最典型的、大多数制造公司采用的三电极表面放电型a c - - p d p 结构。在前基板上平行 的制作了成对的显示电极( 扫描电极和维持电极) ，在显示电极上覆盖透明介质层，该介质层把电极 与放电等离子体隔开，起到保护电极的作用。由于介质材料的抗离子轰击能力较差，因此在其表面 覆盖一层抗轰击、二次电子发射系数较高的m 9 0 保护膜。寻址电极制作在后基板上，与显示电极相 垂直。在寻址电极上制作条状介质障壁，与前后基板围成放电单元。 对交流表面放电p d p 采用寻址和显示分离( d s ) 的子场驱动方法。在寻址周期，需要点亮的单元 在寻址和扫描电极间加上大于这两个电极问气体着火电压的电压，使其放电，并积累壁电荷。在维 持周期，维持电极和扫描电极加上小于这两个电极问着火电压的电压。但是，如果该单元在寻址周 期中产生过放电，在扫描电极上积累的壁电荷产生的电压与外加电压的方向相同，两者相加使维持 电极和扫描电极间的电压大于着火电压，产生维持放电，并继续积累壁电荷，使放电过程维持下去 直到电极上采用擦除脉冲。 1 3 4 新型结构p d p 尽管p d p 具有大屏幕、宽视角、高亮度、快响应频率等一系列优点。但是发光效率低、功耗高 一直是制约它发展的一个瓶颈。目前各大p d p 制造企业分别采取各自的措施改善产品性能。如提高 混合气体中氙的比例、采用较高的工作气压等等。也有公司提出了自己的新型结构。 w a 用e 结构1 8 1 w a f f l e 结构是先锋公司于2 0 0 1 年提出的。w a f f l e 结构是在传统的三电极表面放电结构的基础上 在行之间增加了障壁隔断，将条状介质障壁改为封闭状结构。这种结构可提高荧光粉涂敷面积，更 好地收集紫外光子，从而大大提高了显示屏的亮度和放电效率。而封闭结构的介质障壁还可减小放 电单元间的串扰。图1 7 为两种结构障壁的显微图像采用该w a f f l e 结构与t 型电极的组合，发光 效率可提高4 0 ( a ) 条状障壁( b ) w a f f n e 障壁 图1 7 条状障壁和w a f f l e 障壁显微图像 黑矩阵 i 流电极 透明电捩 障壁 前基板 围1 8t 型电极结构图1 9w a f f l e 结构与t 型电极的组合结构图 6 第一章绪论 d e l t a 结构1 9 1 l q ( a )( b )( c ) 图1 1 0d e l t a 结构障壁 富士通公司开发出的d e l t a 结构，同样可有效提高放电效率。d e l t a 结构的基本构造与通常使 用的三电极表面放电结构相同。前基板上制作维持电极并覆盖介质层：后基板上制作寻址电极和介 质障壁，障壁内涂有红绿蓝三色荧光粉，如图1 1 0 ( a ) 所示。不同之处在于放电单元的形状和排列。 图1 1 0 ( b ) 为放象素结构示意图，( c ) 为障壁的显微图象。可以看到放电单元由弯曲的障壁构成。 一个象素由按d e l t a 方式排列的红绿蓝放电单元组成。其增大了荧光粉的涂覆面积，增加单元中的有 效发光面积，从而提高亮度和发光效率。该结构对前后基板定位、 t o 线条精度，障壁与寻址电极 间对位的要求提高。增加了制作难度。 荫罩式结构l l l 1 2 】 由东南大学提出的荫罩式p d p ( s m p d p ) 结构，是近来受到国际上许多p d p 厂家和学者密切 关注的一种结构。该结构采用c r t 中使用的金属荫罩代替介质障壁，使成本大幅度降低，成品率提 高。研究表面，该结构具有低着火电压、高响应频率、高亮度、高效率以及长寿命等优点。 ( a ) $ m p d p 结构 ( b ) 荫罩显微图象 图1 1 1s m p d p 结构示意图 图1 】1 是s m p d p 结构示意图。可以看到该结构同对向放电结构类似。分别制作在上下基板上 的一组相互正交的行列电极构成一个放电单元。荧光粉涂敷在荫罩内侧。 通过改变放电单元的捧列方式和放电单元的形状，该结构可很方便的实现s v g a 显示模式。图 1 1 2 分别为v g a 和s v g a 显示模式时使用的s m p d p 放电单元形状和排列方式。 7 东南大学博士学位论文 ( a ) 3 4 一英寸v g as m d p d p 矩形象素0 ) ) 2 5 英寸s v g as m p d p 圆形d e l t a 捧列象素 图1 1 2v g a 和s v g a 显示模式使用的s m p d p 放电单元形状和排列方式 1 4p d p 的发光机理1 1 3 1 1 1 4 】 彩色p d p 虽然有许多不同的结构。但其发光机理都是相同的。即利用n e x e 等潘宁气体在电场 作用下放电产生真空紫外光，真空紫外光激发涂覆在放电单元内的三墓色荧光粉获得红绿，蓝三 基色三基色经时间调制和空间混色实现彩色显示。 在n e + x e 混合气体中，当放电单元内的电压高于着火电压，则产生放电。电子和带正电的离子 在电场作用下分别向阳极和阴极运动，运动过程中加速并与其它粒子发生碰撞产生大量带电粒子。 与此同时，被加速后的电子也会与x e + 发生碰撞，形成氤的激发态： e + x e + 一x e ”( 2 p ，2 p 6 ) + 厅y 由于x e 原子2 p 5 和2 p 。能级的激发态x e 柚很不稳定，极易跃迁到较低的能级，并产生8 2 8 n m 和 8 2 3 n m 的红外辐射 x e ”( 2 p 5 ，2 p 6 ) 一x e ( 3 置，3 最) + h v ( 9 2 3 n m ，8 2 8 n m ) 施( 1 s 5 ) 与周围的分子相互碰撞，发生能量转移t 但并不产生光辐射即发生碰撞转移 x e ( 3 p 1 ) 斗x e 。( 3 p 2 ) 。施( 3 p 1 ) 是x e 原子的谐振态，它跃迁至基态时，辐射1 4 7 r i m 紫外光，该 过程称为谐振辐射。x e 的分子激发态( x e 2 + ) 跃迁至基态时，辐射1 5 2 r i m 和1 7 3 r i m 的紫外光，该过 程称为分子辐射过程。分子辐射过程和谐振辐射过程产生的紫外辐射均可有效地激发荧光粉产生可 见光。 8 第一章绪论 x e ( 3 a ) _ 托+ h v 娅；( q ) j2 x e + h v 放：( ：) 寸2 x e + h v 施：( 3 ：) - 2 x e + h v ( 1 4 7 r i m ) 0 5 0 h m ) ( 1 7 3 m ) ( 1 7 3 r i m ) 图1 1 3 紫外辐射示意国 1 。p d p 显示单元放电数值模拟的方法 由于p d p 放电单元非常小，且放电过程十分复杂，采用实验的方法研究放电单元的放电特性是 非常困难的，而且成本很高。采用数值模拟的方法研究p d p 的工作机理，模拟气体的放电过程，可 节省大量的时间和经费，为实验提供理论依据，加快研发步伐。不仅如此，数值模拟还可以实现用 实验手段难以完成研究和优化设计工作，为p d p 性能的改善提供理论依据。 数值模拟方法主要包括动力学模型( k i n e t i c m o d e l ) “”“”，流体力学模型( f l u i dm o d e l ) 和混合模型( h y b r i dm o d e l ) “4 动力学模型主要采用的是p i c 模型( p a r t i c l e i n c e l l ) ，它可以在时间维和空问维上完全的解 决电子和离子的能量分布问题。电子和离子的能量分布由积分b o l t z m a n 方稃得到，通过m o n t e - c a r l o 统计的方 去求解“”“1 。这样可以很好地描述带电粒子能量分布中的非平衡因素，从而较为精确地模 拟带电粒子传输中的非平衡状态。但是动力学模型由于要娠踪大量粒子的运动，耗时较长，计算复 杂。 流体力学模型将放电空间内的粒子运动看作类似流体的群体运动，粒子运动同流体场样用一 组表达质量、动量和能量守恒关系的方程来描述，即粒子连续性方程、动量方程和能量方程。与动 力学模型相比，流体模型简单、计算速度快。目前大部分学者都采用流体模型。流体模型较难解决 电子能量分布问题，必须假设电子的碰撞反应系数和传输系数和e n 有关( 电场和气体粒子密度的 比值) ，或者和电子的平均能量有关。因此，与动力学模型相比，它是一种较为近似的计算模型。 当气体处于低气压，低浓度的情况时，气体的平均自由程和放电器件的长度可以相比较时，使 用流体模型就有问题了，这时需要使用动力学模型描述。p d p 放电单元中的放电气体，基本满足流 体力学模型的使用条件。 9 东南大学博士学位论文 混合模型将动力学模型和流体模型结合起来，用p i c 模型中的m o n t e - c a r l o 的统计方法来模拟 电子的能量分布，用流体模型来求解粒子的浓度和电场，这样就综台了上述两种模型的优点，是近 年来国外文献中常提及和使用的一种模型当然它的计算量较流体模型还是大许多通过比较混合 模型和流体模型的计算结果，人们发现对于p d p 放电过程的模拟，流体模型虽然引入了许多的假设 因素，但仍然可以正确的预测各种参量的定性行为和变化趋势，即使从定量角度分析，由于流体模 型引入的误差，并不比碰撞截面、二次电子发射系数等基本数据的不确定性引入的误差大因此采 用流体模型完全可满足研究p d p 放电单元特性的需要。 p d p 的放电单元不仅是发光的显示像素，同时是接入整个电路系统的一个部分。研究放电单元 在在整个电路系统的表现，同样是p d p 研究中的一个重要方面。对于电路系统来说p d p 显示单元 是作为一个负载进行工作的。换句话说，其本身在工作过程中就可以被看作是一个电路元件或一套 电路的子系统。因此可以用等效电路的概念来对p d p 工作特性进行仿真。即找到一套与实际p d p 具有相同或相近电路工作特性的电路系统( 内含标准的有源或无源电路元件) 来代替p d p 。 目前的等效电路模型基本上都是基于电容网络的1 2 】【2 2 】，根据对气体放电过程中的非线性工作特 性的不同处理方式，大致可以将等效电路模型分为两类：宏放电等效电路模型口w 和经典等效电路 模型。前者通过对可变参数的电子元件进行调整；后者直接采用特殊的非线性电子元件，都能表征 出气体放电中的非线性工作特性。宏放电等效电路模型主要包括可变电阻模型和八点等效电路模型， 经典等效电路模型主要包括压控开关模型、稳压管模型矧、二极管模型1 2 6 】和闸流管模型口”。等效电 路模型建立的难点在于对p d p 气体放电特性的模拟，因为p d p 气体放电是非线性的，并且受到气压、 气体配比，单元结构、壁电荷、波形等多方面因素的影响。等效电路模型则无法很好的模拟这些情 况。 1 6 本论文的研究工作 本论文根据流体模型，完成了p d p 三维模拟软件的编写。流体模型主要包括粒子连续性方程和 泊松方程，本文采用数值计算的方法，求解这两个方程，从而得到p d p 放电单元中各种粒子、电场， 壁电荷的变化情况。同时在流体模型的基础上，本文首次使用表面电荷法与流体模型相结合，计算 了p d p 的放电电流，能更准确的反应放电过程中各种粒子的变化对放电电流的影响。 由于2 5 ”s v g as h - p d p 的圆形像素单元，具有轴对称性，为了减少计算量，本文除了在直角 坐标系中完成公式推导和程序开发外，同时在轴对称坐标中，首次使用指数格式来离散粒子连续性 方程，并完成了程序的开发。同时利用i c c d 拍摄了p o p 的放电过程，与模拟的结果相比较。 本文利用完成的模拟软件对s m - p d p 和a c p d p 的放电过程进行了模拟，并对放电性能作了比较。 同时研究了结构参数、放电气体、驱动频率等因教对s m p d p 性能的影响。放电单元结构的不同，使 放电空间的形状和放电空间的电场发生改变，从而改变p d p 的放电性能。放电气体的变化更是直接 影响了p d p 的放电性能。提高驱动频率，可以使p d p 在相同的时间内放电次数增加，改善p d p 的性 能。 针对蜘- p d p 的障壁是金属荫覃，在放电过程中是一个等位体，本文研究了荫罩上电压对s m p d p 放电性能的影响，并在这基础上首次设计了荫罩电压波形，使s h p d p 的放电性能得到了很大的改善。 1 0 第二章等离子显示屏中气体放电的物理模型 第二章等离子显示屏中气体放电的物理模型 p d p 是利用气体放电发光的显示器件。彩色p d p 中的放电气体通常为n e 和x e 等混合稀有气体。 在电极上加上足够的电压后，相应的放电单元中将产生放电。在放电过程中，亚稳态粒子会辐射出 可见光及紫外线。对n e x e 混合气体，x e 的谐振态辐射产生1 4 7 n m 的真空紫外线，真空紫外线激 发荧光粉发光。每个彩色显示单元由三个分别沉积红、绿、蓝色的荧光粉的放电单元构成，通过空 间混色实现彩色显示。 2 1 气体放电过程i 勰1 1 2 9 1 气体放电过程是指气体中的带电粒子在外加电场的作用下，发生各种碰撞反应，以及各种粒子 在气体内部运动的过程。 2 1 1 气体放电中的基本粒子 气体放电过程中一般存在六种基本粒子：电子、正离子、负离子、基态原子( 分子) 、激发态原子 ( 分子) 和光子。 气体中的带电粒子对放电过程的影响最为重要，特别是电子由于其质量远小于离子的质量，在 电场的作用下运动速度远大于离子，使其在放电过程中的作用占主导地位。中性粒子的对气体放电 的电特性也有重大影响，激发态的中性粒子产生的可见光或者紫外线对p d p 实现视频显示非常重要 光子的吸收可引起光激发、光电离合受激发射，对气体放电过程的分析，也十分重要。 2 1 2 粒子间的相互作用 气体放电的过程也是粒子问相互作用的过程，任何一种粒子都会与其它粒子碰撞而发生相互作 用。粒子通过碰撞交换动量、能量和电荷，使粒子发生电离、复合、激发、光予的发射和吸收等放 电反应。 电子、离子与原子问的弹性碰撞 在气体放电过程中存在着大量的电子与原子之间的弹性碰撞，粒子之问只交换动量。离子的弹 性碰撞概率随着离子质量的增大而增加，动能的增加而降低。 气体粒子的激发和电离 激发和电离是气体放电中非常重要的物理过程。要使气体产生放电，必须产生大量带电粒子 带电粒子的产生过程可以分成两大类：表面电离和容积电离。表面电离就是电子在电极表面的发射 或者是介质表面的二次电子发射。容积电离是指带电粒子产生过程在气体的容积内。在气体电离的 同时往往伴随着气体的激发，一般情况下两者不可分开。 电子的碰撞激发和电离是气体的激发和电离中最重要的过程其次是光致激发和电离。其它的 激发与电离如热激发、熟电离，原子与离子问的碰撞激发电离，在p d p 中都比较少。 东南大学博士学位论文 潘宁电离 潘宁电离是指激发态原子与基态原子碰撞，激发态原子的内能转移给基态原子并使基态原子电 离的过程。发生潘宁电离的必要条件是激发态原子的激发能大于和它像碰撞的原子的电离能。在彩 色p d p 中通常采用在n e 中混合x e ，利用噩稳态的x e 的激发能( 】6 6 e v ) 大于n e 的电离能( 1 2 1 3 e v ) ， 来实现潘宁电离，从而降低气体的着火电压。 气体粒子的激发转移 气体粒子从激发态回到较低能态或者进一步激发到更高的能态的过程称为气体粒