（物理电子学专业论文）荫罩式pdp放电特性的实验研究.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，它仍然面临两个关键技术问题，一是发光效率偏低，二是生产成本偏高。荫 罩式等离子体显示器( s m p d p ) 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。 s m p d p 和表面放电结构p d p ( a c c p d p ) 最大的区别在于采用金属荫罩代替了传统结构中的介质 障壁。金属荫罩的引入，有利于s m p d p 优化放电过程，提高显示效率，适合于大批量生产，提高 成品率，降低生产成本。 由于荫罩式等离子体显示器是一种全新结构，迫切需要对该结构进行全面、深入的研究，以便 进一步提高其性能。等离子体显示板放电单元很小，实际单元实验研究困难，放大单元实验成为p d p 研究的有效手段。本论文基于气体相似定律，设计制作了s m p d p 放大单元实验屏，及相应结构的 7 寸实际小屏，确定了放人单元实验屏和实际小屏的制作流程。根据p d p 性能参数的测试原理，建 立了包括实验屏、驱动电路、i c c d 、示波器和p r 7 1 5 的实验测试系统。采用放大单元和实际小屏结 合的方法，对s m p d p 的放电特性进行了较全面的研究。根据放大单元实验研究结果，优化设计了 新型扫描电极结构及s m p d p 单元结构，从x e 浓度、气体压强等方面将相应结构的放大单元与实 际小屏的实验测量结果进行了对比。结果表明，优化后的s m p d p 放电性能得到较大改善，可以通 过改进扫描电极结构和单元结构来提高红外强度及放电效率，加快放电速度。扫描电极优化后， s m p d p 单元红外强度提高了7 4 4 。结构优化后的s m p d p 单元红外强度提高了4 2 2 ，放电效率 提高了1 2 1 。放大单元结果与实际小屏结果规律一致，验证了放大单元实验的有效性。还针对 s m p d p 的重置期驱动波形进行了研究。主要研究了重置期正向斜坡斜率、正向斜电压峰值和负向斜 坡斜率对正向斜坡放电、负向斜坡放电的影响，以及对寻址放电和第一个维持放电的影响。 关键字：荫罩式等离子体显示器，放大单元，放电特性，放电效率 a b s t r a c t p l a s m ad i s p l a yp a n e l ( p d p ) h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hl u m i n a n c e , h i i 曲c o n t r a s t ，w i d e v i e w i n ga n g l ea n df u l l c o l o rd i s p l a y i th a sb e e nr e g a r d e d 嬲o n eo ft h eb e s tc a n d i d a t e sf o rh d t v ( h i g h - d e f i n i t i o nt 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 ps t i l ln e e dt ob ei m p r o v e d m o s t o ft h ew o r kf o c u s e do ns t r u c t u r a jo p t i m i z a t i o n ，d r i v i n gs c h e m ea n df a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e s 。t h e p r e s e n t a t i o no ft l l ep 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 ( s m p d p ) s h o w sap r o m i s i n gs o l u t i o no fl o w c o s tp d et h em o s td i f f e r e n c eb e t w e e ns m p d pa n dn o r m a la c c p d pi st h a tt h ec h e a ps h a d o wm a s ki s u s e di n s t e a do ft h ec o m p l e xd i e l e c t r i cb a r r i e rr i b sj ns m p d et h i sm a k e st h ec o s tr e d u c e da n dt h ey i e l d i n c r e a s e dg r e a t l y i na d d i t i o nt h ed i s c h a r g ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e db yt h eu s eo fm e t a lb a r r i e rr i b s a st h es t r u c t u r eo fs m p d pi st o t a l l yn e w , o v e m l la n df u r t h e rs t u d ys h o u l db ed o n et oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f s m p d pb e c a u s et h ed i s c h a r g ec e l lo f p d pi sv e r ys m a l l e x p e r i m e n t a ls t u d yo f m i c r o - c e l l o fp d pi sd i f f i c u l t m a c r o - c e l lm e a s u r e m e n th a sb e c o m eu s e f u lt o o lf o ro p t i m i z i n gt h ep e r f o r m a n c eo f p d p s i nt h i st h e s i s t h em a c r o - c e l l so fs m - p d pa r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e db a s e do nt h es i m i l a r i t yl a w si n g a sd i s c h a r g e ，a n d7i n c hr e a lp a n e l so ft h es a m es t r u c t u r e sa r ea l s om a d e am e a s u r e m e n ts y s t e m c o n t a i n i n gt e s tp a n e l ，p d pd r i v ec i r c u i t , i c c d ，o s c i l l o g r a p ha n dp r 715h a sb e e ns e tu p t h ed i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i co ft h es m p d pi ss y n t h e t i c a l l ys t u d i e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no fm a c r o - c e l l sa n ds m a l ir e a l p a n e lm e a s u r e m e n t t h es c a ne l e c t r o d es t r u c t u r ea n de e l ls t r u c t u r ei so p t i m i z e db yt h em a c r o e e l l m e a s u r e m e n t t h ec o m p a r i s o no fm e a s u r e m e n tr e s u l t sb e t w e e nm a c r oe e l la n ds m a l lp a n e l sa l s oh a sb e e n m a d e 。a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h ei n f r a r e di n t e n s i t y , d i s c h a r g ee f f i c i e n c ya n dt h ed i s c h a r g es p e e dc a l lb e i m p r o v e da f t e ro p t i m i z a t i o n t h es m p d pw i t ho p t i m i z e ds c a ne l e c t r o d es t r u c t u r eg e t s7 4 4 i n c r e a s eo f t h ei n f r a r e di n t e n s i t y t h es m p d pw i t ho p t i m i z e de e l ls t r u c t u r eg e t s4 2 2 i n c r e a s eo fi n f r a r e di n t e n s i t y a n d1 2 。1 i n c r e a s eo f d i s c h a r g ee 嫡c i e n c y t h et r e n d so fm a c r o c e l lr e s u l t sa n ds m a l lr e a lp a n e l sa r ec o n s i s t e n t ，w h i c hc o n f i r mt h ev a l i d i t yo f m a c r o c e l le x p e r i m e n t t h er e s e td r i v i n gw a v e f o r mo fs m p d pa l s oh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c e s o fp o s i t i v es l o p ea n di t sp e a kv a l u ea n dn e g a t i v es l o p e0 1 1b o t hp o s i t i v ea n dn e g a t i v es l o p ed i s c h a r g eh a v e b e e ns t u d i e d t h ei n f l u e n c eo na d d r e s s i n gd i s c h a r g ea n dt h ef i r s ts u s t a i n i n gd i s c h a r g ea l s oh a sb e e n i n v e s t i g a t 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 ，d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c ，d i s c h a r g ee f f i c i e n c y i i 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：衅导师签名：雄日 期： 第一章绪论 1 1p d p 概述 1 1 - 1p d p 发展历史 第一章绪论 1 9 2 7 年，b e l ls y s t e m 首次将气体放电应用在平面显示器上，在6 0 x 7 5c m 2 的显示区域内制作出 5 0 x 5 0 阵列共2 5 0 0 个气体放电区间，每个放电区间都有各自的交流电压驱动电路，并填充氖气，显 示每秒1 6 张画面的全灰阶图像；该实验成为等离子体平板显示器发展史上重要的里程碑。 而p d p 起源于2 0 世纪5 0 年代初美国b u r r o u g h s 公司制作的数码显示管。但其最具有历史性的 突破发生在1 9 6 4 年，美国伊利诺斯( i l l i n o i s ) 大学的教授b i t z e r 和s l o t t o w 制作出具有存储特性的 a c p d p 。基于这项发明的单色p d p 在此后的几十年闯不断发展，到8 0 年代初，曾经成为占据主导 地位的大屏幕平板显示器件，主要应用于公众信息显示板、手提计算机显示器和一些军工产品。 对彩色p d p 的研究始于2 0 世纪7 0 年代，f u j i t s u 公司的t a k a s h i m a 等开发出表面放电结构；t u r a d e 等在介电层上加保护层；o w e n s i l l i n o i s 公司的d c h i n s o n 等开发了以氙气与荧光粉来产生全 彩色的画面。到了8 0 年代，i l l i n o i s 大学的l f w e b e r 与m b w o o d 开发出用于a c p d p 的能量 复得电路，可以大大减少电能在驱动电路上的浪费。a t & tb e l l 实验室的g w d i c k 引进写入电极 而发展出三电极结构，对于发光效率改善有很大的帮助。进入9 0 年代以后，f u j i t s u 的t s h i n o d a 等 发表了三电极反射式面放电结构，主要可以减少荧光粉受气体放电时带电粒子的轰击且利用反射原 理增加可见光利用率。正是表面放电结构的提出，使得p d p 性能得到突破性的提高，该结构成为目 前市场上的主流结构。随着彩色p d p 的提高亮度、实现多灰级显示、延长寿命等关键技术取得重大 突破，人们普遍认识到彩色p d p 作为大屏幕平板显示器的巨大市场潜力，于是世界上各大电子器件 制作公司和研究机构，在技术开发和建立批量生产线上的投资骤增，使彩色p d p 的发展更为迅速。 近l o 年来，通过新技术的研究开发和批量生产，制造技术也日趋完善，产业化发展加快。目前，用 于大屏幕壁挂电视、高清晰度电视和多媒体显示等领域的1 0 2 - - 一1 5 2 c m ( 4 0 6 0 英寸) 彩色p d p 已 实现商品化n m 。 1 1 2p d p 发光机理 p d 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) 平板显示器件， 其工作原理与日光灯很相似，即惰性气体在一定电压作用下产生气体放电现象，放电过程中产生大 量真空紫外光子激发荧光粉发光。 东南大学颚学位论文 a d d r e s se l e c h o d e p h 册p b o r 图卜l 交流p d p 结构剖面圈 圈卜1 为交流p d p 结构剖面图。当维持电极问产生放电时，所辐射出的紫外光会澈发涂覆在f 玻璃基扳上的红、绿、蓝三种荧光粉，发射可见光，可见光会透过前基板传到使用者的眼里。一般 而青，p d p 的电极间距约在l 旷m 左右，总气压约为1 0 。t o r f 数量级左右在此情况下，由于电子碰 撞的平均自由程与气压成反比，阴极层会变薄井j l 占近阴极表面。_ - i 三柱区会囚电极间距过小而变得较 不明显，所以主要是靠负辉区放电发光。 1i2 1 气体放电过程 ( t ) 辉光放电 负辉区正l 抠 乖 艇l 厶口 m 匕二= 彬陪喜三 ( 1 ) z - v 4 鲁性 图1 - 2 气体放屯的特性曲线 彩色等离子体显示屏利用气体放电产生的紫外线激发荧光耪从而产生彩色光，图l 之所示为一 般气体辉光放电的发光区域组成和伏安特性。如图1 - 2 ( a ) 中所示，气体在辉光放电过程中有两个 主要发光区域：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。对于等离子体显示屏来说，放电空问 距离非常的短，通常只有0 15 r a m ，因此等离子体显示屏在放电过程中一般只出现负辉区。图1 - 2 伯) 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，当碰撞产生的空问 2 第一章绪论 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 2 2 潘宁效应 在等离子体显示屏的放电单元中，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 碰撞剑氖、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t 。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。 产生上述的放电过程的条件之一，是外加的电压必须大于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氙气，可以大大的降低氖气的着火电压。这是由于放 电时，激发态原子与基态原子碰撞，激发态原子内能转移给基态原子并使基态原子电离。如果激发 态原子的内能远大于基态原子的电离能，碰撞结果可产生激发态的离子。 潘宁放电是利用主气体的激发态原子使掺入气体电离，从而改善放电效果。氖的亚稳态激发电 位为1 6 6 e v ，氙原子的电离电位为1 2 1 e v 。由于氖的亚稳态激发电位大于氙原子的电离电位，因此 在n e + x e 混合气体中，氖的弧稳态可使氙原子电离，即产生潘宁放电。因此n e + x e 混合气体的着 火电压远低于纯氖气体的着火电压。这一现象是潘宁所发现，故此命名为潘宁效应l j j 。事实上，彩 色等离子显示屏中的潘与效应对着火电压降低的作用远小于单色等离子体显示屏。为了提高发光效 率，目前氙气的浓度已经普遍提高到接近2 0 ，而氙的二次电子发射系数远远小于氖，故高氙情况 下着火电压升高。彩色等离子体显示屏中，氙气的作用是其谐振态产生真空紫外激发荧光粉发光。 1 1 2 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砸稳态原予以及 激发态二聚物分子等多种粒子，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 - 3 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。 0 +o 日+ 0 + o + 日+ o 日o ( 1 4 7n m ) + ，、一 日o + o 日 ( 1 7 3n m ) + 、八八一 ( 8 2 8r i m ) + ，、l 八l 一 图1 3 氖氙潘宁混合气体的主要电离过程 3 e 南 学碛学位论文 从上图中可以看出，1 4 7 r i m 的紫外线是激发态的x c 原子通过谐振辐射产生的，而1 7 3 r i m 的紫 外线则是通过激发态二聚物x 的激发辐射反应产生的。p d p 利用这两个波长的紫外线来檄发荧光 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 的激发随之稂快便选到了最高值。x e + 为x e 原子2 p 5 、2 p 6 能级的激发态，很不稳定极易跃迁到 谐振态x e * ，并发出波长为8 2 8 n m 的红外线。 1 13p d p 单元结构 p d p 按工作方式的不同主要分为直流型( d c - p d p ) 和交流型( a c - p d p ) 两大类。d c p d p 放 电气体与电极直接接触，电极卦部串联电阻作限流之用，发光位于阴极表面，且为与电压波形一致 的连续发光。a c - p d p 放电气体与电极由透明介质层相隔离隔离层为串联电容作限流之用放电 因受该电容的隔直通交作用，需用交变脉冲电压驱动，为此无固定的阴极和阳极之分，发光位于两 电极表面，且为交替呈脉冲式发光。而a c - p d p 根据电极结构的不同，可分为对向放电型和表面放 电型。 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 u j i t s u ) 公司所提出二电极表面放电型交流等离子体显示屏( a cc o p l a n a r p l a s m a d i s p l a y p a n e l ，a c c p d p ) 为代表的主流p d p 结构方案。蹦1 4 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。 如图所示- 三电极表面放电型交流p d p 主要由前、后基扳两人部分组成。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 9 0 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、舟质反射层 和璋壁。汇流电极按垂直方向平行排列，构成寻址电极( 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 d 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蔽结构，它们为介质材料，不导电， 硬度较高，最后在障壁中间涂覆荧光耪层。 三电极表面放电型交流p d p 的基本工作方式如下，首先由寻址电极和数据电极之间施加足够的 高压，引起放电空问内惰性气体的电离，再依靠寻址电极与扫描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糟上，激发荧光耪产生相应的彩色 光，井从前基板透出。 b u s ( m e t a l ) 目l e c ”。曲3 _ 闰1 4 ：电极表面j 应l u 型交流p d p 放电单元结构示意目 第一$ 绪论 三电极表面放电型交流等离子体显示屏为当今主流p d p 结构方案，悬初采用条状障壁结构，像 素结构简单但难以实现像素的高精细化。为了更好的改善p d p 的显示性能和降低成本，对p d p 结构的研究一直是研发工作的热点，随着技术的发展，新的结构也在不断涌现。目前常见的p d p 结 构有w a f f l e 障壁h 和t 墅电极结构”1 、d e l t a 蚌窝状单元”1 及弯曲障壁结构。 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问增加了障壁隔断，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覆面积，更好地收集紫外光于，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碱小放电单元间的串扰。囤1 - 5 为两种结构障壁 的显微图像。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。图1 6 为t 型电极结构示意图，图1 7 为w a h l c 结构与t 型电极的组合结构醋。2 0 0 1 年，先锋公司研制的表面 放电型a c p d p 就是采用w a f f l e 障壁结构和t 型电极( 如图1 7 所示) ，并采用了新型绿、蓝荧光粉， 提高了放电气体中的x e 含量，使得4 2 英寸p d p 的发光效率提高到1g l m w ，白场峰值亮度提高到 9 0 0 c d m 2 功耗降低判3 8 0 w ，但有电极对位和捧气上的困难。 毫矩阵 i 琉电极 透明电授 障壁 图1 - 6 t 型电极结构 幽1 - 7 w a f f l e 结构与t 型电极的组合结构图 富士通公司开发的弯曲障壁a c p d p 的像素结构为像素三角形排列和弯曲形障壁( m c a t l d o r f i b s ) 结构，即所谓的d e l t a ( d e l t a t r i - c o l o r a r m n g c m o n t ) 结构。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井覆盖介质层：后基扳上制作寻址电极和介质障壁， 障壁内涂有红绿蓝三色荧光糟不同之处在于放电单元的形状和排列。图i - $ c a ) 为d e l t a 结构放 电单元像素结构示意图( b ) 为障壁的显锻图像c o ) 为弯曲( m e a n d e r ) 障壁和电极组合的结构示 意圈，可以看到d e l t a 结构放电单元由弯曲的障壁构成，一个像素由按d e l t a 方式捧列的红绿蓝放电 单元组成。由于该结构增大了荧光耪的洙覆面积，增加了单元中的有效发光面积，从而使亮度和发 光效率都得到提高，同时具有一定的捧气管道，但该结构提高了对电极对位精度的要求。 荤套 东南 学硕学位论文 l _ 1 4p d p 驱动方法 幽1 8 d e l t a 结构 2 0 世纪8 0 年代k y o s h i k a w a 等发表了寻址与显示分离的子场法( a d s ，a d d r e s s d i s p l a y p e r i o d s e p a r a t e ds u b f i e l dm e t h o d ) 来驱动波形咀形成2 5 6 灰阶，奠定了现今驱动波形的主要架构a d s 驱 动方法是彩色a c c p d p 箍典型的应用展j 泛的驱动方法，许多驱动方法部是基于它开发山米的。 1f r a m e 1 6 7 m s ll i m e - - - - - - - - - - - - - - - - - - r - - - - - - - - - r - o 12481 6 3 26 41 2 0 吣y 图1 - 9 a d s 驱动方式 对于典型的a d s 驱动方法，如图l 一9 个帧频为6 0 h z 的视频帧时间为1 66 7 m s ，每一个视颠帧 分为8 个予场显示每个于场x 分为重置期、寻址期和维持期。首先，重置期将全部子像素的壁电荷 清除，使得所有子像素都在同一状态下。在寻址期，决定此子像素是否耍发光( 被寻址到的子像素积 累壁电荷) 。到了维持期，被寻址到的子像素放电而发光，反之，没被寻址的子像素不发光。每一个 子场内都要顺序扫描寻址异显示行，然后整屏所有显示单元同时维持显示。同时，每个子场都有不 同的维持脉冲数可以显示不同的灰度等级。2 5 6 级内的灰度可以通过不同的于场组合柬实现。 1 1 5p d p 技术研究热点及目前进展 下一代p d p 技术研发的热点领域和相关技术，主要集中在改善图像质量、降低功耗和成本上 与之相对应的关键技术在于改进图像处理技术，采用新的单元结构和电极性状提高x e 浓度，降低 驱动电压等各个方面。随着圈像质量的不断改进，市场需求将研究重点集中在了低功耗和低成本上。 为了满足屏幕尺寸不断增大的要求，屏的功耗成为必需首先解决的问题。而在较低的能源成本下， 6 f m 甜：| l 镕一章绪* 通过制造工艺的改进和元器件的发展来降低功耗成为推动p d p 继续发展的重要前提。考虑到屏幕的 r j - ，4 0 5 0 英寸仍然是市场的主流产品但大尺寸仍然具有较大的需求，因此人尺寸高分辨率的发 展也是十分重要的。图1 - 1 0 展示了c e s 2 0 0 8 上展出的松下15 0 英寸p d p 其分辨率达到4 0 9 6x 2 1 6 0 。 崮1 - 1 1 则为先锋5 0 寸超薄p d p ，厚度仅为9 r a m 。 凹1 1 0p a n a s o n i e1 5 0 寸p d p 电视 图i 1 1 先锋超薄p d p 目前p d p 产品的发光效率一般在1 , 5 i n t w 左右4 2 英寸电视的最大功耗为3 0 0 w 左右。对于 p d p 而言，实际的功耗与显示图像有关，一般比最 功耗低2 0 3 0 左右，因此就功耗而言，p d p 和l c d 并没有多大区别。但如果尺寸再太，p d p 将占有一定优势。下一阶段的目标是发光般率达到 3 1 m w 如果实现这个目标的话，4 2 寸p d p 的功耗将达到2 0 0 w 左右，这是目前3 2 寸c r t 电视的 指恬，也是一般消费者所认可的指标，而且这个功耗也低于同样尺寸的l c d 的值。 东南大学硕士学位论文 表1 1 给出了p d p 放电中的能量损耗表( 不包含驱动电路的能量消耗) 【引。第二列中的百分比是 相对于单元中的总电能消耗能量。第三列的百分比是第一列中连续的两步间相应的能量损耗。从表 1 1 可看出，只有4 0 的能量被用于电子的加热上，大部分的能量损耗在鞘层的离子加热上。而用于 电子加热的能量中，只有一半用来激发x e ( ，7 始= 2 0 ) ，其余的都损耗在x e 的电离，及n e 的激发和 电离上。x e 对于产生紫外光子是非常有效的，x e 激发态储存的能量大部分都被用来产生紫外光子 ( 仇匀括= 7 5 ) 。粗略估计约5 0 的紫外光子损耗在前没有荧光粉的前板上。即使荧光粉的量子 效率接近1 0 0 ，根据能量转换的原理，紫外光子仍然不能被有效的转换成可见光子。因为紫外光子 的波长范围在1 4 7 1 8 0 h m ，而可见光光子的波长范围在4 0 0 n m - - 7 0 0 n m ，紫外光子的能量和可见光 光子的能量相差较大( 约3 倍) 。汞原子产生的紫外光子波长在2 5 4 n m ，因此目光灯中的能量转换效 率比较高，但p d p 中汞蒸汽很难控制。消费者可观测到的可见光子很难精确估计，p d p 荧光粉对可见 光必须具有较好的反射率。表1 1 中假设约有6 0 的可见光可被观测到。 表1 1p d p 放电中的能量损耗表 表1 1 中的能量损耗是近似情况，但可以帮助我们清楚地理解p d p 效率低的原因。提高紫外光 子和可见光子的收集效率是可行的，很明显，p d p 的放电效率( 紫外光子的产生效率约为1 5 ) t - 常 低，亟待提高。 通过表1 1 对p d p 放电中能量损耗的分析，可以看到提高发光效率的途径主要集中在以下几个 方面：1 ) 优化电极形状和单元结构；2 ) 优化气体成份：3 ) 新型材料( m g o 保护层，荧光粉等) ； 4 ) 驱动波形的优化。优化电极形状和单元结构体现在单元排布的改进、障壁结构的改进、b u s 电极 的位置、i t o 电极的形状和宽度、辅助电极的添加等多方面p 1 2 j ，通过改进使得放电的路径更长( 利 用正柱区放电) ，放电更有利于紫外光子的产生等，从而提高发光效率。优化气体成份一方面体现在 n e x e 混合气体中的x e 比例的优化，另一方面也体现在增加另一种气体如h e ，a r 等到n e x e 混合 气体中，通过优化获得合适的气体比例从而获得更高的发光效率，此外还可以寻找其他气体粒子来 代替x e 的激发态粒子作为u v 源【i ) 。怕j 。m g o 保护层的特性对于p d p 气体的放电具有重要的意义， 且m g o 层的溅射对荧光粉层有污染，同时由于m g o 层的不透光性实际上减少了荧光粉层的涂敷面 积，因此寻找更有效的新型保护层材料对提高发光效率也具有重要的意义。好的荧光粉材料必须具 有较高的量子转化效率和对于真空紫外光子的低反射率，此外荧光粉的颗粒大小对于最终的转化效 8 第一章绪论 率也具有较大的影响【1 7 。1 训。驱动波形的优化一方面体现在重置期、寻址期的波形优化使得寻址速度 提高，放电比较稳定从而使一帧时间里用于维持的时间更长，另一方面通过对维持期的波形参数， 如频率、占空比等进行优化来提高发光效率，或者通过添加辅助波形，或改维持期波形为斜坡形波 形等各种方法来提高p d p 的发光效纠2 0 - 2 4 i 。可能改善发光效率的各种因素如图1 1 2 所示。 u 心一 i 有效紫外线 瞠刍言守 吸收 j 9 i 二 i 禁数l 藏一 j 9 i 弋侗釉、 i 显示光 障壁等 n b i j 打 蓁蓁 兰薹耄量蔷 荧 f 翥_ i 荧光粉种类 ，1 反射层 鎏_ ；：篇黧 图1 - 1 2 改善p d p 发光效率的可能方法 为了获得更高的发光效率，世界各地的p d p 的研究机构通常是综合上述几种手段来提高p d p 的发光效率。提高开口率和真空紫外( v u v ) 的辐射对于获得更高的发光效率是非常重要的。d e l t a 单元排布目的就是为了获得更高的开口率。p d p 利用m e a n d e r 障壁获得了3 1 m w 的发光效率，利用 h e r o 结构【2 5 j ( 新型障壁和优化的电极结构) 以及s d e 2 6 】结构( 段式电极，d e l t a 排布密闭的子像 素) 都获得了较高的发光效率。目前在已经发表的文献中p d p 的最高发光效率已经达到8 7l m w 汜训。 其主要特点为在前板上的行电极与扫描电极间增加辅助电极，且使用高x e 比例( 2 0 ) 的混合气体。 在提高p d p 发光效率的方法中，p d p 的研究人员还提出了两种新型工作机制的p d p ，一种是 r fp d p ，另一种是x e lp d p l 2 酗。r fp d p 的发光效率已达到4 1 m w ，r fp d p 是将工作频率提高到 r f 范围上的一种a cp d p 。由于工作频率的提高，利用电子的振荡运动就可使得等离子体在低电场 下得以维持，而且由于电场低，r f 等离子体中的电子平均能量低于传统的a cp d p 中的电子能量， 因此r fp d p 中的转换成x e 激发态能量的转换效率比传统a cp d p 高。当然r fp d p 的结构比传统 p d p 复杂，制造工艺难度增大，在这种方法能够实际应用之前，还有一些技术问题必须解决，比如 在显示器沿着电极方向电势的一致性场的波长对于显示器的平板而言不够大，需要设计一个对应于 r f p d p 的新的寻址机制。 x e lp d p 是选用独特的放电气体x e i 代替传统n e x e 混合气体作为a cp d p 的u v 源的一种新 型p d p ，是s a m s u n g 公司首创。x e i 具有吸引力的原因还在于发射波长为2 5 4 n m ，几乎跟h g 灯的 主发射线一致，比x e 谐振态( 1 4 7 n m ) 或x e 二聚物分子( 17 3 n m ) 的波长要长，从而可有效提高紫外 光转化成可见光的效率。尽管在目前的实验中，x e lp d p 的发光效率与n e x e 混合气体相当，但由 于x e l 研究处于尚初期阶段，从原理上讲x e ip d p 在改进发光效率方面还具有很大的空间。 在目前的研发中，提高发光效率是研究的热点，除此之外，提高寻址速度降低驱动电压也是产 品性能提高的关键所在。p d p 目前的发光效率还远低于c r t 的发光效率，而发光效率的改进可以大 大降低成本，因为发光效率的提高可降低对驱动电子元器件的要求从而降低电路成本，而电路成本 是p d p 整个成本的重要组成部分。高的发光效率意味着低功耗、高亮度和长寿命，同时这一切还使 得电路、能源供给和封装成本下降。 9 路构问体 靛矧崆帆驱电放放 l z 蔓t 一 放电 、_ 、 量 东南大学硕士学位论文 1 2 荫罩式等离子体显示板( s m - p i ) p ) p d p 技术的飞速发展也使得p d p 产业迅速堀起p d p 产品由最初大鼍出现在飞机场，商场、地 铁或者一些企业的小型会议室，作为公共信息显示、商业广告、会务等商业用途逐步进入到寻常 家庭t 作为主要的高清数字电视显示终端或家庭影院核心等消费电子应用领域。为了迎接显示技术 此扶新一轮的发展，我国各级政府和部门从上个世纪9 0 年代初就开始投入大量财力和人力进行该技 术的研究工作。 最早国内的p d p 技术研究项目集中在南京电子研究所( 又称南京5 5 所) 和西安交通大学。1 9 9 9 年，由东南人学完成是基本的验证试验2 后提出了一个全新的p d p 结构设计方案“荫罩式等离 子体显示屏”( p l a s m a d i s p l a y p a n e l w i t hs h a d o w m a 啦s m p d p ) ，并及时申请了国家和国际专利。本 着鼓励科技创新以及注重自主知识产权的精神，国家科技部与江苏省政府一起对该技术培予了大力 的支持，s m p d p 技术进入了其迅速发展的阶段。 1 9 9 9 年1 1 月”4 0 ”- 在国家科技部的支持f ，东南又学显示技术中心开始了s m p d p 的研究。 2 0 0 0 年初一2 0 0 2 年底，中心成功地开发出了1 4 英寸单色、彩色和高亮度全彩色视频显示，驱动技术 上也得到了改进实现了p d p 的基本性能指标。3 4 英寸v g a 彩色s m p d p 项目的成功标志着大屏 幕s m p d p 已具有产业化的可能，是s m p d p 发展历程的里程碑。随后又先后开发出了2 5 英寸高 分辨率，3 2 英寸( 1 6 ：9 ) s m p d p ，显示性能和驱动技术都获得了极大的提高。经过了无数研究人员 的不懈努力s m p d p 已经从当初的放电单元模型发展到了高分辨率大尺寸p d p ，并正逐步向着产业 化的道路前进。 图1 - 1 34 2 英寸全彩色荫罩式p d p ( x g a1 0 2 4 x 7 6 8 、 第一章绪论 2ls m p d p 单元结构 p 1 月自 图1 1 4s m p d p 结构 幽l 1 4 为s m p d p 结构图该结构由前基扳、荫罩乖i 后基板二二部分组成。在前基板上月 光刻的 方法制作透明电极组，在透明电极表面用丝阿印刷的方式叠印黑、白银电极，一方面提高对比度， 另一方面减小电阻值，保持驱动时每行所有单元上的电压相同，通常称为总线电撒( 又称汇流电极) 。 总线电极和透明i t o 也极共同组成丁显示扳的扫描电极，蹦于逐行扫描和维持放电显示。在扫描电 极表面h | 丝网印刷j 争膜i 艺制作了透明介质层，通常该介质岳分为两层，底层为隔离层，阻断总线 电极中的a g 离子向介质中扩散形成黄斑，而上层为流淌性较耍f 的介质材料，使介质表面光滑，有 利于后道薄膜i ：艺。在介质层表面通过电子束蒸发的方法制作了m 妒薄膜，一方面保护介质免受离 子轰击，提高器件寿命，另一方面提供较高的一次电千发射，降低一r 作电压。后基扳与前基板基本 相同，不同处在丁没有透明电极。仅片j 了a g 电极，为了提高亮度，介质通常采高反自材料有 效地反射可见光。前后基扳中间是金属荫罩，采j j 丝网印刷的方法，在荫罩孔内壁形成荧光粉膜。 将上述三部分用低熔点玻璃封接材料高温封接后，进行烘烤除气，真空度达i 矿帕后充八适当气压 的n e + 4 x e 混台气体封口后老炼，最后组装成整机。 通过以上结杜分析可咀得出，s m p d p 和a c c p d p 相比，在结构上昂人的不同就是s m p d p 用 i 辑( s h a d o w m a s k ) l g 替了a c c - p d p 中的障罐。s m p d p 中所用的荫罩和是c d t ( c o l o r d i s p l a y t u b e ) 中用的高分辨率荫罩是样的，为c r tr 业中j l 泛应用的部件通常采用的材料为a k 钢或l n v a r ( 一种铁镍台金) ，厚度为01 2 - 02 5 r a m ，通过光刻制作幽形，片jf e c l 3 化学腐蚀而成。由于荫罩原 材料成本低，工艺简单，成晶率高，因此价格低儿j 1 4 p d p 可以有效地降低成本。 12 2s m p d p 驱动波形 荫罩式p d p 也是采用a d s 驱动方法吏现视频显示的。 酗l - 1 5 为s m p d p 一个于场内的驱动波形，分为重置期、寻址艄和维持期 重置期：在整个驱动波形中，重置艄的作是非常重要的。重置期分为预重置( 肿- m s e t ) 、斜 坡上( r a m p - u p ) 和斜坡f ( r a m p - d o w n ) 三个阶段由三个斜坡波形构成。重置期的预重置期土要是拣 除维持期积累的擘电荷，斜坡上和斜坡f 阶段的作崩主要是使无论这个像素前一个子场是处于点亮 或者是熄灭状态的放电单元，其壁电压都可被重置到一个特定的，适合