（物理电子学专业论文）非对称荫罩式等离子体显示板的研究.pdf

、v，鲁 彤，b秽 ， 矗ji缨。m菇气矗鼍，叁一，。一，棚叼警，；_酵， s t u d yo nu n s y m m et r i c a l s h a d o wm a s kp d p ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i 够 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fd o c t o ro fe n g i n e e r i n g b y f a nz h a o w e n s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rw a n g b a o p i n g s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a u g u s t 2 0 0 9 ；：pi； l，ir rr尸 ；：j，一 j-_，11 】，irr 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：麴堕量 日 期：塑2 ：! ! ： 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：整西塑遂导师签名： 日期： ，1 -，l-rp iryr jj：一一 11 摘要 题目：非对称荫罩式等离子体显示板的研究 作者：樊兆雯 导师：王保平教授 学校：东南大学 等离子体显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，p d p ) 作为大屏幕高清平板电视的主要技术 之一，在对比度、色彩、响应速度等性能方面具有明显的技术优势，而亮度低、功耗高则是 影响该技术竞争力的主要因素。因此提高发光效率，是p d p 所需解决的关键技术问题。论 文在现有对向放电型荫罩式等离子体显示器( s h a d o wm a s kp l a s m ad i s p l a yp a n e l ，s m p d p ) 结构的基础上，提出了非对称荫罩式等离子体显示器结构，该结构既保持了s m p d p 低成本、 高分辨率、高良品率的优点，又有效地提高了发光效率和亮度。 本文采用数值模拟理论分析和实验测试相结合的方法详细研究了非对称荫罩式等 离子体显示板的放电特性。采用流体模型，计算研究了非对称荫罩式等离子体显示单元 放电过程并进行了结构优化，同时以实验测试结果进行辅助验证，两者相辅相成。数值 模拟结果从理论上证明了非对称结构的放电强度和放电效率均高于对称结构。在此基础 上，制作了相应的放大单元和4 英寸屏，并对其性能进行了测试。测试结果同样表明， 非对称结构在放电强度( 或亮度) 和放电效率方面性能优于对称结构。由理论计算和实 验测量结果可以看到，数值计算理论分析、放大单元、真实单元三个研究手段所得结果 是一致的，而采用计算机辅助设计和放大单元方法可节省大量的时间和费用。 本文采用放大单元和模拟计算的方法对影响非对称荫罩式等离子体显示单元效率 的主要结构参数进行了研究，研究结果表明电极的形状、位置、荫罩后开口长度、气体、 配比与气压等是影响非对称荫罩式等离子体显示单元效率的主要因素。放大单元的研究 表明，通过对扫描电极结构和参数的优化，可使非对称结构的放电效率提高约8 5 ；同 时适当减小寻址电极的宽度，也可以在一定程度上提高放电效率。数值模拟的研究表明， 通过对荫罩后开口长度的优化，可使非对称结构的放电效率提高约1 0 ；非对称结构比 对称结构更适合在高x e 浓度和高气压下工作，在气压为4 3 5 t o r r 、x e 浓度为2 0 的工 作条件下，非对称结构的放电效率比对称结构提高了1 3 。 本文探讨了大尺寸s m p d p 的设计和制备工艺，阐述了研制大尺寸s m p d p 的难点 和解决方案，经过技术攻关，成功地研制出3 2 英寸w v g a 非对称s m p d p 样机。3 2 英寸 w v g a 非对称s m p d p 样机的研制成功，验证了非对称结构s m p d p 技术的可行性。研制 过程中积累的设计、制备和驱动方面的经验为今后从事大尺寸屏的研制奠定了基础。 关键词：非对称荫罩式等离子体显示器，气体放电，发光效率 ，i r-r匕， r厂r l l a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo nu n s y m m e t r i c a ls h a d o wm a s kp d p a u t h o r ：f a nz h a o w e n t u t o r ：p r o f - e s s o r ，a n gb a o p i n g s c h o o l ：s o u t h e a l s tu n i v e r s i t ) ， a so n eo f 吐l en l a i o rl 雄es l 狯f l a tp a n e ld i s p l a yt e c h n o l o g i e sf o rh i 曲d e 觚t i o n1 vp d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) h a sa p p a r e n ta d v a n t a g e so nc o n 们s t ，c o l o rr e p r o d u c t i o nr e s p o r l s et i l l l e 锄d s oo n h o w e v e rt l l e r e 锄s t i l ls o m ei s s u e st ob ei 1 1 1 p r o v e 也s u c ha sb r i 2 - h m e s sa 1 1 dp o w e r c o n s l 】m p t i o n h o wt oi i l l p r o v et l l el l l m i l l o u se 伍c a c yi sm em o s ti m p o r t a n j tt e c h r l i c a li s s u e b a s e d o no p p o s i t ed i s c h a r j 箩s h a d o wm a s kp l a s m ad i s p l a yp 锄e l ( s m p d p ) ，a 1 11 1 n s y m m e 仃i c a ls m p d p s t r u c t u 】陀i sp r o p o s e di i l “s 吐l e s i s t m sn e ws t r u c t u 】旧i m p r o v e sb o i hl u 玎 1 i n o u se m c a c ya n d m j 乏1 1 协e s sw m l ek e e p 访g 陀t a j n m gt i l ea d v a n t 喀eo fl o wc o s t ，h i 曲d e f “t i o na n dy i e l dr a t e 1 1 l ed i s c h a r g ec t 甜蛳co f 咖研m m e t r i c a ls m p d pi s 咖d i e db yc o m b i n i i l g 1 e o i i e t i c a l n u m e r i c a js i n l u l a t i o na n de x p e r i i n e n t 出m e a 圈l r e m e m t h ed i s c h a r g ep r o c e s so fu r 、y m m 甜c a j s m p d pi sc 枷e do u tb a s e do nn u i dm o d e l s t h em a t c hb c 帅e e nt 1 1 ec a l c u l a t e ds j m l l l a ：c i o nr e s u l t s 觚dm em e a s l 鹏m e n tr e s u l t si sv a l i d a t e db ye x p l e r i m e n t sq u hw e l l t h ea d v a n t 唱e so fs 的n g e ra n d m o r ee 丘爸c t i v ed i s c k - 2 ef o rm s y m m e t r i c a ls m p d pa r ed i e m o n 鼬陷：c e db y 也em 】i 】1 e ! r i c a l s i l i m l a 石o n c o r r e 邓i o n d i i l gm _ a l c r oc e l la r l d4 i l l c h 朝m p l ep l a i l e la r ef 址时c a t e db a s e do n 恤 s i i l l u l a t i o nr e s u l t s t h ee x p e r i m e n t a l 陀s u l t sa l s or e v e a lm a tm ed i s c i 醒ei m e n s i 够o ft 1 1 e u i l g m m 嘶c a ls m p d ps 咖曲】陀i s 咖n g e ra n d 砥1 1 1 1 1 1 曲o u se 伍c a c yi sl l i 曲e r t h em e o 硎c a l c a l c u l 撕o n 锄de x p e r i i n e n t a l 陀s u l t ss h o wm a tm e r ei sag o o dc o h e r e l l c ea m o n gn u n l 甜c a l s i l i m l a t i o i l m a c r oc e ua n dr e a l s 切ec e l l - u s i l 培m es i m u l a t i o na n dm a c c e l lm e t l l o d ss a v e sal o to f 6 m e i n dr e s o u i c e s t h e 砌u e n c eo fs m l 曲l r ep a 阳瑚锄粥o f 硼巧舢m e t r i c a ls m p d po nl 1 1 i n o u se 伍c a c yi s s t i j d i e d 、) ，i 吐lb o lm a c r oc e u 锄ds i l l l l l l 撕o nm e t l o d s t h e 陀s u bt e s t 毋血a ti t sm 勾o rp 猢e t e r s i 1 1 c l u d et 1 1 ee l e c 仃o d es h a p e ，e l e c 缸d d ep o s i t i o l l ，r e a ro p e no fs h a d o wm a s i ( ，g a sc o m p o s i t i o na n dg a s p r e s s u i e t h em a c mc e l ls t u d ys h o w sm a t 吐l ed i s c h a 玛ee 伍c i e n c yc a l lb ei i n p r o v e db y8 5 i f t l l e s c a ne l e c 们d es t r u c t u r ea n do t l l e rp a r a m 嘲sa r eo p t 姚d m e 删l e ，m ed i s c h a 唱ee 伍c i e n c y c 锄a l s ob ei i n p r o v e dt oa 幽e ) ( t e n tb ya p p r o 研a t e l yr e d u c i l l gt h e 诵拙o fa d d r e s s i i 唱e l e c 们d e t h es 豳m a t i o nr e 刚t ss h o w 吐l a t 山ed i s c h 嘲ee 伍c i e n c yi s 砷p r o v e db y 舭u tl0 也r o u 曲 o p t i m i 五n gt h el e n g t l lo fr ro p e no fs h a d o wm a s ka n d 吐1 a tm eu r 嘲m 埘硎c a ls 臼舭i sm o r e s u i t a b i et ow o 呔u i l d e rl l i g t lx e n o nc o n t e n ta n dh i 曲g a sp r e s s u 】r e t h eu n s y 舢嘶c a ls m j c t u r e s d i s c h a r g ee 伍c i e n c yi s13 h i g h e rc o m p a r e d 谢ms ) ，m m e t r i c a ls n 眦t u r e 咖d e r2 0 x e i l o nc o n t 饥t a n dg a sp r e s s u i eo f 4 3 5t i 弧 1 1 1 ed e s i 印a n df a l m c 撕o np r o c e s so fl 姆s 沈s d pa r ea l s od i s c u s s e d 1 1 1 ed i 伍c u l 廿e sa n d s o l u t i o i l sa r ep u tf o r w ar d 砌t hat e c c a lb r e 出a3 2 一砌 lw v g a 眦s ) r 咖嘶c a ls m p d p p 舳妙p em o d u l ei ss u c c e s s 如l l yd e v e l o p e d i tv 耐6 e st i l et e c m c a lf e a s i b i l 时o f p r o d u c i l l g 锄s y m m e t r i c ms m l i 嘶l r es m p d p1 kd e s i g 鸭p r e p a r a l i o n 锄dd d v i n ge x p 商e n c e sa c c u m u l a t e d d 曲g 廿1 ed e v e l o p m e i l tp e r i o dh a v el a i dt h ef o u r l d 撕o nf o r 向t u r ed e v e l o p f n e n to f b i gs 沱es c r e e i l s k 码w o r d s ：u r 坷m m “c a ls h a d o wm a s kp l 踟ad i s p l a yp a n e l ，( 凇d i s c h a 玛e ，l u n l i l l o u s e m c a c y i i rr ，-l ryr 1一_一11 】11j 笙三兰堑型斐型整! 竺! 里! 垄堕窒查鎏 不同。寻址期在y 电极与a 电极间施加合适的电压产生对向寻址放电，介质层积累壁 电荷为维持放电作准备。维持期在y 电极与x 电极间施加合适的电压产生维持放电， 用于显示。由于y 电极与x 电极同在前基板上，因此维持放电的路径形成在x 、y 电 极之间并朝向放电空间弯曲，如图2 2 ( b ) 【9 0 】所示。可以看到，表面放电结构维持放电 路径显然比s m p d p 的维持放电路径长，因此有利于放电效率的提高。 质 xy a ( a ) a c c p d p 截面图( b ) a c c p d p 放电路径 图2 2 表面放电p d p 的维持放电 如果在s m p d p 中能够借鉴表面放电p d p 的优点，设法获得较长的放电路径，就可 以进一步提高s m p d p 的发光效率。 基于上述思考，本文提出了一种非对称s m p d p 的结构，目的是增加放电路径，提 高放电效率和亮度，使其既保持s m p d p 低成本、高分辨率和高良品率的优点，又具有较高 亮度和发光效率的特点，为s m p d p 的性能提升完成理论和实践方面的探索。 2 1 2非对称s m p d p 的结构及特点 图2 3 为非对称s m p d p 的结构图，它由前基板、后基板和荫罩三部分组成，其 中荫罩位于前、后基板之间。 描电极 后基板由下至上依次由后玻璃基板、寻址电极( 或列电极) 、介质层和m 9 0 保护膜 组成。其中列电极组位于后衬底玻璃基板表面，介质层覆盖在列电极组上，m g o 保护 膜则覆盖在介质层表面。后基板的结构与对称s m p d p 完全相同。 前基板由上至下依次由前玻璃基板、扫描电极( 或行电极) 、介质层和m g o 保护膜 组成。其中行电极组位于前衬底玻璃基板下表面并与后基板上的列电极组成空间垂直正 1 9 东南大学博士学位论文 交，介质层覆盖在行电极组表面， * 明毯 其上覆盖m g o 保护膜。 誓心戡- ( a ) 对称结构 图2 4s m p d p 荫罩的照片 鬻硼 ( b ) 非对称结构 开口 前、后基板之间所夹的荫罩是包含网格孔阵列的导电金属板，如图2 4 所示。网格 孔阵列的排列规律由p d p 显示板的像素设计决定，每个网格孔与前、后基板的相应部 位所围成的三维空间构成一个放电单元，因而网格孔的三维结构也在一定意义上决定了 放电单元的三维结构。 网格孔与前基板相接触的部位，本文称作上开口或前开口；而网格孔与后基板相接 触的部位，本文称作下开口或后开口。非对称s m p d p 的结构虽然与对称s m p d p 的结 构有很多相似，但其不同之处也是显而易见的。如图2 4 所示，非对称结构上开口形状 与对称结构相同，由所设计的放电单元的形状决定，也就是单元放电时人们观察到的单 元的形状。对称和非对称结构的下开口均与上开口的形状匹配，设计成长圆形。非对称 结构下开口位置的设计与对称结构完全不同：对称结构的下开口总是位于单元中间，并 沿x 方向充满整个单元，如图2 4 ( a ) 所示；而非对称结构的下开口位于单元的一侧， 并且不充满整个单元，相对于上开口来看，构成偏心的结构，这也是“非对称s m p d p ” 名称由来的原因之一。可以看到，非对称s m p d p 上开口的面积要比下开口的面积大很 多，上开口到下开口的过渡区域形成了单元壁，这样每个单元类似漏斗状，漏斗壁上覆 盖荧光粉。 髟黝一 艚蝴鞲麓臻缀缓掰绣搿獭 、 ：| ll 2 裹。一， ； 。醴糍瓿糍l 猫自# 猫龇艨女茹 、 、 ( a ) 对称结构 j 一 吁一气” 7 确 门 a 。囊 上1 图2 5s m p d p 放电单元结构示意图 ( b ) 非对称结构 除了荫罩下开口构成了偏心结构外，前基板上的扫描电极也要与下开口对应，形成 偏心结构。如图2 5 所示，对称结构的扫描电极、寻址电极都位于单元的中间，并且成 空间正交的方式分别位于前、后基板上。在放电空间内，扫描电极和寻址电极之间没有 荫罩的阻挡。当外加电压合适时，在扫描电极和寻址电极之间的垂直路径上发生放电( 如 图2 6 ( a ) ) ，然后向空间扩展。而非对称结构的扫描电极不在单元的中间，而是偏向与 下开口所在位置相反的一侧，虽然也与寻址电极空间正交，但在放电空间内，扫描电极 和寻址电极之间受到了部分荫罩壁的阻挡。这也是“非对称s m p d p ”名称由来的原因之 二。当外加电压合适时，非对称结构就在扫描电极和寻址电极构成的倾斜路径上发生放 电( 如图2 6 ( b ) ) ，然后向空间扩展。 一豹豳爨趱i x l 第二章新型非对称s m p d p 及研究方法 司4 冕光 llt i-：一荧光粉。g，荧光粉。q 寻址电极 可见党 t tf| 寻址电极 ( a ) 对称结构( b ) 非对称结构 图2 6s m p d p 的放电路径 非对称结构在对称结构的基础上，将下开口和扫描电极分别向相反的方向偏移，使 单元在放电时，原本是扫描电极与寻址电极直接的对向放电，变成扫描电极与寻址电极 倾斜的对向放电，放电路径变长，达到了设计该结构的目的。 非对称结构与对称结构相比，有明显的优点。第一，在相同的放电空间高度( 小于 2 0 0 微米) 、同样的对向放电模式下，通过改变荫罩下开口和扫描电极的位置，使放电路 径增加，从而提高放电效率。第二，非对称结构的放电路径发生倾斜，使放电区域更靠 近单元壁上涂覆的荧光粉，这样气体放电产生的真空紫外光子运动到荧光粉表面所需要 的时间更短，空间损耗更小，从而使真空紫外光的传输效率提高，进而提高亮度和发光 效率。第三，由于非对称结构的下开口没有在x 方向充满整个单元，因此单元壁面积比 对称结构大，从而增加了荧光粉的涂覆面积，使亮度提高。第四，由图2 6 可见，非对 称结构中扫描电极偏离单元中间，刚好避开了可见光出射最强的区域，即非对称结构中 由电极遮挡造成的亮度损失小，亮度可进一步提高。 非对称结构除了具有本身的特点外，还兼具对称结构的特点，如低成本、高良品率 和高分辨率等。 综上所述，本文提出的非对称s m p d p ，既具有对称s m p d p 的优点，又具有放电路 径长的特点，是提高s m p d p 亮度和发光效率的有效的设计方案。 2 2非对称s m p d p 的研究方法 为了了解非对称s m p d p 的放电机理，本文采用数值模拟的方法进行理论研究，包 括模拟放电过程和计算放电效率，理论研究结果为后续的实验研究提供理论指导。在理 论研究的基础上，通过放大单元和真实单元的设计、制作、测量和分析，一方面验证理 论研究模型的正确性，另一方面进一步了解非对称s m p d p 的发光放电性能，从而对非 对称结构放电特性有了更深入的认识。 2 2 1非对称s m p d p 放电特- 眭的理论研究 彩色p d p 的工作原理主要由以下两个基本过程组成：一是气体放电过程，即利用 惰性气体在外加电场的作用下产生放电，使原子受激而跃迁，发射出真空紫外线的过程。 气体放电实际上是一个复杂的粒子运动体系。在p d p 显示单元的放电过程中，需要研 究电子、基态原子( 或分子) 、激发态原子( 或分子) 、离子以及光子的运动和相互作用： 二是荧光粉发光的过程，即利用气体放电产生的紫外线来激发光致荧光粉而发射可见光 的过程。等离子体显示单元的发光效率和这两个基本过程都密切相关。 本文的理论研究着重于模拟气体放电过程和计算放电效率，不涉及发光效率的计 2 l y jx 东南大学博士学位论文 算。 1 气体放电过程 典型的气体放电伏安特性曲线如图2 7 所示【9 2 l ，气体放电是一个复杂的、非线性变 化的过程，对于p d p 中应用的辉光放电区更是如此。正常辉光放电的光区分布、电位 分布和光强分布如图2 8 所示【93 。辉光放电具有以下的基本特征：( 1 ) 它是一种稳态的 自持放电；( 2 ) 放电电压明显低于着火电压；( 3 ) 放电时，放电空间呈现出明暗相间的 光区分布；( 4 ) 正柱区和阴极辉区均属于等离子区，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。正常辉光放电区有四个明显的发光区域， 即阴极辉区、负辉区、正柱区和阳极辉区。阴极辉区和阳极辉区对发光的贡献远小于负 辉区和正柱区。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，效率高。但是，气体放电时，以上四个区域并不一定全部出现。 当电极间距离逐渐缩短时，正柱区也逐渐缩短并首先消失，然后是法拉第暗区和负辉区 相继消失。当负辉区的左端和阳极重合时，放电就会停止。也就是说阴极位降区( 它包 括阿斯顿暗区、阴极辉区和阴极暗区) 是维持辉光放电必不可少的部分，阴极位降区的 宽度与气体压力成反比例变化。由于放电单元限制，p d p 的正柱区通常较小，故效率较 低。 矿l 矿i 旷i 酽1 矿l l 矿l 矿l l 矿电流( ) 图2 7 气体放电的伏安特性曲线 图2 8 正常辉光放电的光区、电位和光强分布 ( 1 阴极辉区2 负辉区3 正柱区4 阳极辉区 5 阿斯顿暗区6 阴极暗区7 法拉第暗区8 阳极暗区) 2p d p 的发光机理 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基色荧 光粉获得红、绿、蓝三基色光，三基色光经时间调制和空间混色实现彩色显示。 n e x e 混合气体放电时，由于n e 的亚稳能级( 1 6 6 2 e v ) 大于x e 的电离能( 1 2 1 2 7 e v ) ， 第二章新型非对称s m p d p 及研究方法 因此，亚稳原子肫。与x e 原子碰撞的过程为： 肫：+ 娅一舵+ 拖+ + p ( 潘宁电离) 电子在电场的作用下发生如下反应： p + 盹一肌+ + 2 p ( 电子碰撞电离) p + _ 肫二+ p ( 亚稳激发) p + 娩一娩+ + 2 p ( 电子碰撞电离) ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 如此循环，使x e 的电离几率极高，大大提高了气体电离截面并加速了寿命较长的盹：| 的 消失和n e 原子的电离雪崩，降低了p d p 的工作电压。 与此同时，被加速后的电子也会与皿+ 发生碰撞，形成氙的激发态： p + 娩+ 一恐”( 2 p 5 ，2 p 6 ) + 办y( 2 5 ) x e 原子2 p 5 和2 p 6 能级的激发态膨”很不稳定，极易跃迁到较低的能级，并产生 8 2 8 m 和8 2 3 n m 的红外辐射： 拖”( 2 p 5 ，2 p 6 ) 一娩( 3 鼻，3 只) + y ( 8 2 3 胛埘，8 2 8 刀m ) ( 2 - 6 ) 勋+ ( 3 p ：) 与周围的分子相互碰撞，发生能量转移，但并不产生光辐射，即发生碰撞 转移： 施+ ( 3 p 2 ) 一拖+ ( 3 a ) ( 2 - 7 ) 拖( 3 p 。) 是x e 原子的谐振态，它跃迁至基态时，辐射1 4 7 1 1 i i l 紫外光，该过程称为 谐振辐射。x e 的分子激发态( 拖：) 跃迁至基态时，辐射1 5 0 i l i l l 和1 7 3 n 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的激发 荧光粉产生可见光。 娩。( 3 p 1 ) _ 屉+ 办y ( 1 4 7 甩聊) 叉叠：( d 0 ) 2 j 国+ 乃y ( 1 5 0 ，z 聊) 删：) _ 2 托+ 办y ( 1 7 3 ，z 朋) ( 2 - 8 ) 皿：( 3 ：) _ 2 拖+ 办y ( 1 7 3 ，2 历) 由x e 的谐振态娩( 3 只) 和x e 的分子激发态屁：( d ：) 、：( 1 ：) 以及胞：( 3 ：) 产生 的1 4 7 n m 、15 0 n m 和17 3 姗真空紫外光均可有效地激发荧光粉产生可见光。 放电产生的真空紫外光激发荧光粉发光的原理如下【2 】【3 6 1 。当真空紫外光照射到荧光 粉表面时，一部分被反射，一部分被吸收，另一部分则透射出荧光粉层。当荧光粉的基 质吸收了真空紫外光能量后，基质电子从原子的价带跃迁到导带，价带中因为电子跃迁 东南大学博士学位论文 而出现一个空穴。在价带中，空穴因热运动而扩散到价带顶，然后被掺入到荧光粉中的 激活剂所构成的发光中心俘获。获得光子能量而跃迁到导带的电子，在导带中运动，并 很快的消耗能量后下降到导带底，然后与发光中心的空穴复合，放出一定波长的光。同 一种基质的荧光粉，由于掺杂元素不同，构成的发光中心的能级也不同，因而产生了不 同颜色的可见光p 4 | 。 3p d p 单元放电的流体模型 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 场一样用一组表达质量、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【9 4 1 。与动力学模型相比，流体模型简单且计算速度快。目前大部分学者 都采用流体模型。但是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 系数和传输系数与e n ( 电场和气体粒子密度的比值) 有关，或者与电子的平均能量有 关。 方程( 2 9 ) ，( 2 1 0 ) ，( 2 1 1 ) 为流体模型所要求解的主要方程：粒子的连续性方程，电 子的能量守恒方程与p o i s s o n 方程【9 5 9 引。 a ” 三士+ v ( r 。) = s 。 ( 2 9 ) d f 。 - 、，一 一 导+ v ( i 。饥) = - p r 。e 氇承以 ( 2 1 0 ) u j v z 痧：一旦( 2 1 1 ) ( 2 - 9 ) 式中，r p = s g n ( g p ) p e 门p d p v 以p ，为粒子流通量。下标p 对应第p 种粒子， 可以是电子、离子或中性粒子等。疗。为该粒子的浓度，g 。为该粒子所带的电荷量。和 d 。分别为该粒子在场中的迁移系数和扩散系数，e 为电场强度。r 。等式的右侧第一项 是粒子的迁移通量，它表示带电粒子在电场作用下的运动，而中性粒子没有迁移通量； 第二项是粒子的扩散通量，它表示粒子由于空间浓度的不同而产生的变化。s 。为该粒子 的净产生量( 可正可负) ，它包括电离、复合、粘附和脱离粘附等产生或损失的粒子数 目，由反应方程和反应系数决定。 ( 2 - 1 0 ) 式中， 。= 丢瓦为电子的平均能量，q 。= 一詈甩。d 。v 。为热通量。方程的源 项s p = 一订。e 一承，门，中的两项分别代表从电场中获得的能量和由于碰撞损失的 能量，其中门，为电子碰撞的粒子浓度，七，为此项反应的反应系数，为阈值能量。 当放电产生以后，放电空间内有大量的带电粒子存在。每一时刻的电位分布可由泊松方 程( 2 1 1 ) 求出。其中矿为放电空间的电位，p 为放电空间的电荷密度，它们是随时间变化的。 为介电常数。在不同时刻，放电空间的电荷密度不同，故电位也不同。 模拟放电特性，要耦合求解方程( 2 9 ) 至( 2 1 1 ) 。 4 放电单元放电效率的计算 由于p d p 每个放电单元发射的可见光是通过放电产生的紫外光子激发荧光粉发光 产生的，因此发光效率应由输入的电场能量转化为u v 光子的效率7 7 咖、u v 光子传递到 荧光粉的效率、u v 光子被荧光粉吸收产生可见光光子的效率刁加和可见光输出损耗 2 4 第二章新型非对称s m p d p 及研究方法 7 7 。这四个连续发生的过程决定【9 9 枷。即 刁= 碾刁肭。仇。 ( 2 - 1 2 ) 低x e 浓度条件下，由于p d p 中主要的紫外光波长为1 4 7 i l i l l ，而可见光的波长中心 为5 5 5 i l n l ( 绿色) ，两者的能量( 比小于2 5 ，因此转化成可见光的效率( 刁砌。) 小于2 5 。 另外由于前基板涂敷的m 9 0 膜完全吸收u v 光子，因此u v 光子传输到荧光粉的效率 ( 刁) 通常小于5 0 。整体上看，只有提高放电效率( ) 才最具潜力，其他效率的提高 余地已不是很大。因此提高放电效率对提高p d p 的发光效率具有重要意义。 放电效率刁如定义为： 驴南 ( 2 - 1 3 ) 式中、形和彬分别为紫外光子的能量、电子的能量和离子的能量。 2 2 2非对称s m p d p 放电特性的数值模拟结果及讨论 为了验证所提非对称结构为斜路径放电，了解它的放电机理和放电过程，我们采用 流体模型，模拟了非对称结构的放电过程。 首先参照真实单元的结构尺寸，确定放电单元模型的结构尺寸，如图2 9 所示。图 中c l 为扫描电极的中心，c 2 为荫罩上开口的中心，c 3 为荫罩下开口的中心，d l 为扫描 电极中心c l 到荫罩下开口中心c 3 的x 方向的距离，d 2 为扫描电极中心c l 与单元边缘在 x 方向上的距离，l 为扫描电极在x 方向上的长度。对于图2 9 ( a ) 所示的对称结构来 说，c l 、c 2 、c 3 三个中心在y 方向上成一条直线，而在图2 9 ( b ) 所示的非对称结构 中，三个中心在y 方向上不在一条直线上，体现出偏心的结构特点。考虑到计算速度， 这里采用二维计算模型。 x 寻址电极寻址电极 ( a ) 对称结构( b ) 非对称结构 图2 9 二维s m p d p 放电单元模型 在气压为4 3 5 t o mn e x e 配比为9 0 + 1 0 的条件下，采用图2 1 0 所示的驱动波形， 模拟了非对称s m p d p 的放电情况。 当d l = 1 5 0 p m ，l = 1 0 0 岬，d 2 = 1 0 0 岬时，模拟结果如图2 - 1 1 。 y j 东南大学博士学位论文 ；一 ： 一 ：“眢 o 246l1 01 21 41 6l i2 0 2 2 五m ( m l 图2 - 1 0 模拟放电所施加的驱动波形图( d l _ 1 5 0 “m ) 豳口囝囝口 ( a ) 空间电场等位线分布 口囹囹圈口 ( b ) 电子浓度分布 囝刁e 刁臣刁口 ( c ) x e 离子浓度分布 囵囡囫口囵 ( d ) x e 谐振态粒子浓度分布 图2 1 l 非对称s m p d p 电场和空间粒子浓度的分布随时间的变化( d l = 1 5 0 肛m ) ( 起始发展峰值峰值后结束) 图2 1 1 为放电基本稳定后的一个正维持脉冲的作用时间里，非对称s m p d p 的放电 单元内的电场以及各粒子浓度的空间分布随时间的变化情况。观察图2 1 l ( a ) 所示的 等位线分布随时间的变化情况，可以看出，起始时刻放电空间的电力线( 垂直于等位线) 在扫描电极中心c l 与下开口中心c 3 的连线方向上分布最密集，因而此方向电场比较强， 放电产生的带电粒子将在电场的作用下沿此方向运动。随着放电的进行，带电粒子将在 前、后基板的介质表面积累，形成壁电荷，壁电荷所建立的电场与外加电场正好相反， 这样放电空间内的电场将是外加电场和壁电荷形成的内建电场的叠加，其导致放电空间 内的电场变弱，因而此时c 。与c 3 连线方向上的电力线不再密集，表现为此方向上的等 位线逐渐退向介质表面。 图2 1l ( b ) ( c ) ( d ) 中，电子、x e 离子和x e 谐振态粒子在起始时刻分布在阳 极附近，然后电子在漂移运动和扩散运动的共同作用下沿阳极向外运动，x e 离子在电 场的作用下沿不对称结构形成的斜拉线方向向阴极运动，同时与紫外辐射密切相关的 x e 谐振态粒子也出现了沿此路径的分布，这从理论上证明了非对称s m p d p 单元内的放 电仍然是对向式放电，但放电路径出现倾斜，且比对称s m p d p 的放电路径更长，这完 全是由于非对称的单元结构所致。 瑚 。 拗m o m o 踟 v莹罩 第二章新型非对称s m p d p 及研究方法 ：留：盈：圈：固：固 “一枷0i枷i _ ， m 0 l “ ” l 一4 呻 i j】“ ：| nm ( a ) 空间电场等位线分布 一：i ：_ ：互】 | 口：i r 口 mi j 0j _ j“ j _ “h i j1 1j i。 ( b ) 电子浓度分布 一：。口l i 口：丑： j 日 j 0l ” 二l - 枷 j 一- _ 姗 ( c ) x e 离子浓度分布 ：i _ i | 一 | _ ：_ ：i r _ 0_ _二j_ _ 4 帅ojl-二_ _ ” | _m0j r t二_o-1二_ _州h j ( d ) x e 谐振态粒子浓度分布 图2 1 2 对称s m p d p 的x e 谐振态粒子浓度分布随时间的变化 ( 起始发展峰值峰值后结束) 图2 1 2 为对称s m p d p 结构的放电过程。对称s m p d p 的放电沿扫描电极和寻址电 极之间的垂直路径进行，放电路径较短。虽然与紫外辐射密切相关的x e 谐振态粒子随 放电的进行也出现了从阳极向阴极的扩散，但作用不明显，大部分x e 谐振态粒子仍然 在阳极附近，远离荧光粉层。与图2 1 1 ( d ) 对比可以看出，非对称结构中x e 谐振态粒 子不象对称结构一样主要集中在放电单元的中间，而是扩散范围更广，这更有利于激发 涂敷在放电单元内壁上的荧光粉，提高亮度和发光效率。 以上通过放电过程的数值模拟验证了非对称结构的放电路径比对称结构长，从而能 够提高非对称结构的放电效率。在放电空间高度不变的情况下，非对称结构通过改变后 开口和扫描电极的位置，拉长了扫描电极与寻址电极的空间距离，从而使放电路径增加。 很显然，当后开口的长度和位置确定之后，扫描电极的位置不同，放电路径的长短也不 同，从而对放电也会产生相应的影响。因此下面研究扫描电极的位置对非对称结构的放 电过程和放电效率的影响。 气压和气体成份及配比不变，图2 i 1 3 为计算结构示意图，此时d l = 5 0 m ，l = 1 0 0 岬， 图2 1 4 所示为计算所用的的驱动波形和驱动电压，图2 1 5 为非对称s m p d p 的放电情 况模拟结果。 x l 介质层 n 八 n 一“ ：“吲 026 01 01 21 4 1 6 1 8 2 0 2 2 h ( i 。) 图2 1 3 扫描电极位置示意图( d l = 5 0 p m )图2 - 1 4 放电单元的驱动波形( d i - 5 0 岬) 2 7 枷 。 枷 曲。m 。 v量手 y7 东南大学博士学位论文 ：翔：稠：囝：翻：翻 0】l l口h j“h ， 枷 oi 二 i mm j 1l枷0 i “j ( i 柏00l | j 2 h啪 ( a 1 空间电场等位线分布 叠_ ：蜀：_ ：_ ：j 口 0l j i二m目0i 二mi j圳0_ _，川0j二cj _1j*m ( b ) 电子浓度分布 ：i 囵：- i 刁：i 口：置】：i 口 0i ” j 400 j_。f ”_ mjj-i【j一帅0 ( c ) x e 离子浓度分布 ：_ ：圈：i 口：口：口 ( d ) x e 谐振态粒子浓度分布 图2 1 5 非对称s m p d p 电场和空间粒子浓度的分布随时间的变化( d l _ 5 0 岬) ( 起始发展一峰值峰值后结束) d l = 5 0 “m 时，扫描电极和寻址电极间的空间距离很短，并且一部分扫描电极不再受 到单元荫罩壁的屏蔽而直接与寻址电极相对，这时斜拉放电已经不十分明显，放电路径 类似于对称结构。另外，由于扫描电极和寻址电极都集中在单元的左侧，使强放电区域 也集中在单元的左半部分，放电没有很好的扩展到涂有大面积荧光粉的单元右半部分， 因此亮度和发光效率受此影响会较低。 第二章新型非对称s m p d p 及研究方法 ：i ，_ ：量】j 口：口：i 口 “m _ 10二- - 00 ( c ) x e 离子浓度分布 图2 - 1 8 非对称s m p d p 电场和空间粒子浓度的分布随时间的变化( d l = 1 0 0 岬) ( 起始发展一峰值峰值后结束) d 1 = 1 0 0 “m 时，扫描电极刚好完全被单元荫罩壁屏蔽，扫描电极与寻址电极间的空间 距离较长，放电沿扫描电极和寻址电极间的倾斜路径扩展，放电路径较长。并且由于扫 描电极与后开口距离较近，维持放电需要的电压升高有限，放电的功耗升高也有限。另 外，由于斜拉放电的缘故，使放电在空间内得到了有效的扩展，并且比较靠近涂有大面 积荧光粉的单元的右半部分，因此亮度和发光效率受此影响会较高。 计算扫描电极位于d l - 1 8 0 岬时的放电情况( 如图2 1 9 ) 。图2 2 0 所示为计算所用 的驱动波形和驱动电压，图2 2 1 为非对称s m p d p 的放电情况模拟结果。 x 介质层 图2 - 1 9 扫描电极位置示意图( d l _ 1 8 0 岬) 2 钟 。 三：器 量 。 1 2 0 9 。 - 1 2 0 ； r蚰“ ；“皆 024631 01 2 1 4 1 6l s 2 02 2 1 _ 蛳c ( * ) 图2 - 2 0 放电单元的驱动波形( d l = l8 0 p m ) 函：豳：口：翔：翔 0i ( h jj j( m 柏ooi i h ，： l(hj 帕0 0 f “ ：l 一 c 枷0l u ( j：r j| 0 00l f m：帅 h