（物理电子学专业论文）荫罩式等离子体显示屏单元放电特性的研究.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闯题，一是发光效率偏低，二是生产成本偏高。目 前对于p d p 的研究主要集中在工作原理和结构、驱动电路以及制造工艺方面。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 迸一步提高其性能。等离子体显示板放电单元很小，实际单元实验研究困难，因此数值模拟和放大 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，确定了放大单元实验屏的制作流程。根据p d p 性能参数的测试原理，提出了放大单元中放电电 流，放电效率和壁电荷、壁电压等参量的测量方法。设计、优化并制作了相应的驱动波形和驱动电 路，该驱动系统具有较强的通用性。在此基础上，建立了包括实验屏，驱动电路和测试系统的放大 单元实验系统。论文在理论分析和计算机模拟的基础上，采用放大单元实验方法，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s m - p d p 单元结构，制作了 相应的实际小屏。对实际小屏的测量研究结果表明，结构优化后的非对称s m - p d p 放电性能得到较 大改善，电压范围提高了6 8 ，在相同的维持电压下，亮度增加了2 0 ，放电效率提高了3 0 。 关键字：荫罩式等离子体显示器放大单元实验放电特性放电过程放电效率 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 g hc 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 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 ( 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 i e n c yo fp d ps t i l ln e e dt ob ei m p r o v e d m o s to ft h ew o r kf o c u s e do ns t r u c t u r eo 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 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 f l o wc o s tp d p t h em o s t d 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 su s e di n s t e a do ft h e c o m p l e xd i e l e c t r i cb a r r i e rr i b si ns m p d p t 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 di n c r e a s e dg r e a t l y i n a 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 f m 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 、no v e r a 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 p b e c a u s et h ed i s c h a r g ec e l lo f p d p i 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 衙c u l t n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm a c r o - e e l lm e a s u r e m e n th a v eb e c o m eu s e f u lt o o l sf o r o p t i m i z i n g 也ep e r f o r l n a n e eo f p d p si 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 d b a s e do nt h es i m i l a r i t yl a w so f g a sd i s c h a r g e t h em e a s u r e m e n tm e t h o do f d i s c h a r g ec u r r e n t ，e f f i c i e n c ya n d w a l lc h a r g ea c c u m u l a t i o ni nm a c r o - c e l ld i s c h a r g ei sd i s c u s s e d t h ed r i v i n gs c h e m ei sd e s i g n e da n d o p t i m i z e df o rt h em a c r o c e l lt h ec o r r e s p o n d i n gd r i v i n gc i r c u i t sa r em a d e t h em e a s u r e m e n ts y s t e mi ss e t u pb a s e do nt h et h e o r e t i c a la u a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i co ft h es m - p d p i ss t u d i e di nd e t a i la n dt h ee e l ls t r u c t u r ej so p t i m i z e db yt h em a c r o - c e l 】m e a s u r e m e n t a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t s ，t h ec o r r e s p o n d i n gs m a l lr e a lp a n e li sm a d e t h es m a l lp a n e lw i t ho p t i m i z e dc e l ls t r u c t u r eg e t s6 8 i n c r e a s eo f t h ev o l t a g em a r g i n 2 0 i n c r e a s eo f l u m i n a n c ea n d3 0 i n c r e a s eo f d i s c h a r g ee 币c i e n c y 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 le x p e r i m e n t ，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 ep r o c e s s ，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：差礁日期：t ，互上 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：超导师签名：篮日 期。 第1 章绪论 进入2 0 世纪以来，显示技术作为人际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。在 我国，显示技术及相关产业的产品占信息产业总产值的4 5 左右。随着现代科学技术的进步，人们 对图像显示质量不断提出了更高的要求。上世纪中叶以来显示技术的研究和开发工作异常活跃，陆 续有新型显示器问世。 在各类显示器件中，c r t 由于具有良好的图象质量，优越的性能价格比，以及规格尺寸多样化 等优点，无论在电视接收机领域，还是在计算机终端方面，都还占据着主导地位。但是随着平面尺 寸的不断增大，其重量、厚度也随之不断增大，无法满足人们对大屏幕、薄型化日益增长的要求 在目前研究较多的平板显示器件中，等离子体平板( p l a s m a d i s p l a y p a n e l 简称p d p ) 显示器一直是 人们研究的热点。自从1 9 6 4 年，美国i l l i n o i s 大学的b i t z e r 和s l o t c o w 教授发明了交流等离子体显示 板a c p d p 以来，在历经多次的技术改革，尤其在9 0 年代初，在亮度、灰度级、寿命等关键技术上 的突破后，等离子体显示板得到了飞速发展，被学术界公认为2 1 世纪大屏幕壁挂电视，计算机工 作站，多媒体显示等领域的主流”j 。 。 1 1 等离子体显示器概述 1 1 1p d p 发展历史回 1 9 6 4 年在美国的伊利诺依斯大学( u n i v e r s i t yo f i l l i n o i s ) 内，由两位教授( p r o f g e n es l o t t o w & p r o f d o nb i t ：z c r ) 和一名研究生( r o b e r tw i l s o n ) 共同研制了世界上第一块单像素的交流等离子体显 示屏，由此开启了向当今高性能全彩色等离子体显示屏及其电视产品转化的漫长的发展道路。 伊利诺依斯大学的研究人员在1 9 6 4 年至1 9 6 8 年之间先后开发了4 x 4 以及1 6 x 1 6 像素的等离子 体显示屏，首先提出了矩阵寻址技术，如图1 - 1 所示；他们还在1 9 6 7 年率先研制了彩色p d p 的雏形， 它由三个子单元组成，并利用氙气进行气体放电时产生的紫外线激发红绿荧光粉发光，目前所有的 彩色p d p 皆采用此基本工作方式。由于他们的杰出研究，他们荣获1 9 6 8 年评选的美国工业研究1 0 0 强的奖项。 图1 1 伊利诺依斯大学p d p 实验屏 其后，p d p 技术研究的发展主要以公司行为为主。o w a n s - i l l i n o i s 公司于1 9 6 8 年开发了在4 英 l 2东南大学硕士学术论文 寸见方的玻璃板上1 2 8 x 1 2 8 像素的p d p ，这是第一个具有现实意义、可产业化的显示屏结构，且一 直沿用至今。该公司还于1 9 7 1 年推出了具有5 1 2 x 5 1 2 像素的等离子体显示屏，如图1 - 2 所示，它也 是第一个实际的交流p d p 产品，可用于各种图形显示。1 9 7 3 年由i b m 推出的银行终端产品中，采 用了p d p 阴极上涂覆m g o 层的技术，该技术由i b m 、o w e n s - i l l i n o i s 和f u j i t s u 等几家公司各自独立 开发，可大大提高p d p 的寿命和稳定性。 围1 - 2 第一台p d p 产品，1 2 英寸，用于计算机的图形显示 早期的彩色交流p 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l - 3 是采用表面放电结构、 a d s 驱动的p d p 。 图1 3 第一台3 1 英寸采用a d s 驱动方法的显示屏( 富士通1 9 9 0 ) 进入2 0 世纪9 0 年代以后，等离子体显示板的发展非常迅速，在提高亮度，实现多灰度级显示， 延长使用寿命方面均有了重大突破，p d p 被公认为是最适合作为高清晰度电视( h d t 、，) 的大屏幕彩色 显示终端技术。1 9 9 3 年，日本的富士通公司采用表面放电式结构率先实现了5 4 c m 的彩色p d p 量产； 1 9 9 6 年被称为“等离子体电视时代”的起点，从1 9 9 6 年开始，多家公司相继推出了大屏幕的彩色 等离子体电视产品，包括日本的n e c 、先锋、松下等多家公司的产品开始市场化。韩国的三星，l g 、 o r i o n ，法国的t h o m s o n 等都加速了开发和规模生产的步伐，投资兴建p d p 生产线的资金累计已超 过2 0 亿美元。2 0 0 5 年，多家公司推出了5 0 英寸左右的f u l i - h d 产品，其中，三星，l g 和东芝更 2 第1 章绪论3 是已经推出了1 0 0 英寸以上的超大尺寸高分辨率p d p 产品【3 】。 1 i 2 p d p 发光原理 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一种发光型( 主动型) 平板显示器件， 其工作原理与日光灯很相似，如图1 4 所示。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 图1 - 4 日光灯发光原理示意图 1 气体放电过程 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粉从而产生彩色光，图1 _ 5 所示为一 般气体放电的组成和伏安特性。如图1 - 5 ( a ) 中所示，气体在放电过程中产生了两个区域：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，放电空间距离非常的短，通常只有 o 1 5 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 - 5c o ) q a 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。 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氤气。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、氙的原子，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、 离子对通常记为口。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，是外加的电压必须满足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 电对，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。或者说潘宁放电是利用主 3 4东南大学硕士学术论文 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r 因此在n e + x e 混合气体中， 氖的亚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【4 】。等离子体显示屏正是利用这一现象来 降低放电空间的着火电压，在早期氙气的浓度大约在5 左右。但为了提高发光效率，目前氙气的浓 度已经普遍提高到接近2 0 0 , 6 。 ( i ) 辉黼 负辉区i 1 ；t t g 书焉鲁 q 2 e z z 口z z e 日l 触逸二d 警匕二型 槠 涪 下了亏三二寸 w 特性 图1 - 5 气体放电的特性曲线 着火电压的降低也可以通过提高二次电子的发射来实现，目前等离子显示屏的放电单元普遍在 介质层上加上了一层m g o 层，m g o 层除了能保护介质层免受离子轰击外，它具有较高的二次电子 发射系数。因此目前等离子体显示屏的着火电压已经降低到2 0 0 v 左右。 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亚稳态原子以及 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l _ 6 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。 。+ o 日 + 。 + o + 日+ o 日o + ( 1 4 7 r i m ) 日o + o 图1 - 6 氖氙潘宁混合气体的主要电离过程 4 ( 1 7 3a m ) + v x x r - - 第1 章绪论 5 从上l l t 中可以看出，1 4 7 - r i m 的紫外线是激发态的氤原子通过谐振辐射反应( r e s o n a n c er a d i a t i o n ) 产生的，而1 7 3 - m 的紫外线则是通过激发态二聚物氙分子的激发辐射反应( e x c i m e r r a d i a t i o n ) 产生 的。等离子体显示屏利用这两个波长的紫外线来激发荧光粉，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，紫外线的激发随之很快便达到了最高值，此后便 呈指数衰减，大约在l o o n s 时衰减到一半，l u s 时紫外线的激发基本停止。 1 1 3p d p 的典型结构 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，电极外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 三种典型的结构：直流放电型、交流对向放电型和交流表面放电型。三种结构的截面图如图l - 7 所示。图中上半部表示水平方向的截面图，下半部表示对应的垂直方向的截面图。 图1 7 三种典型的放电单元结构 图1 - 7 ( a ) 中所示直流放电型结构相对比较简单，每个放电单元有两个交叉的行列电极相 对应，当两个电极的电压差达到某个数值时，气体产生放电，并进一步激发荧光粉产生可见光。在 直流型结构中，为了限制放电过程的电流，通常在每个放电单元都串接一个限流电阻，对于整屏所 有的像素而言限流电阻的相对误差必须小于o 5 ，而这一过程在大规模的生产过程中比较难以控 制。由于直流放电结构的p d p 在亮度和效率方面的不足，目前已经基本消失，市场上大部分等离子 体显示屏采用的都是交流结构，本论文在下面也将主要讨论交流型结构的工作原理，关于直流型放 电过程的工作原理可以参考”。 图1 7 ( b ) 所示为交流对向放电型单元的结构图，与直流型相比，交流对向放电型结构在 前后基板的电极上增加了介质层。介质层的引入，一方面对电极起到保护作用，另一方面在放电过 程中介质层表面将不断积累壁电荷，放电空间的场强被逐步减弱，并最终导致放电的停止。因此为 了使放电过程不断继续，极性相反的电压必需交替的加载在行列电极的两端，这个交替的电压就是 后面将要介绍的维持电压。另外由于壁电荷的积累，使放电空问产生维持放电所需的电压幅值也会 有所下降。 5 6东南大学硕士学术论文 图1 - 7 ( c ) 所示交流表面放电型结构与对向放电型结构的区别在于，在前基板每个像素拥 有两个平行的行电极，维持电压就加载在前基板的两个电极之上。这是目前绝大多数等离子体显示 屏所采用的结构。它与对向放电型相比，优势在于放电集中在前基板的表面，而荧光粉涂覆在后基 板之上，因此离子对荧光粉的轰击要弱许多，从而可以提高荧光粉的寿命。 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 i j i t s u ) 公司所提出三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。图1 - 8 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。 围1 - 8 三电极表面放电型交流p d p 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、后基板两大部分组成。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 g o 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) ，另一组构成扫描电极( 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、介质反射层 和障蔽。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 o 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，最后在障蔽中间涂覆荧光粉层。 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，引起放电空间内惰性气体的电离，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粉上，激发荧光粉产生相应的彩色 光，并从前基板透出。 1 1 4 p d p 存在问题 随着我国数字电视标准的逐步制定完成，未来家庭高清晰娱乐显示终端的竞争将更加剧烈- 目 前加入到竞争行列的平板显示器件有：液晶显示屏，等离子体显示屏，大屏幕背投显示屏等。与其 他显示器件相比，等离子体显示屏所具有的优势在于，主动式发光、高亮度和大尺寸显示面积a 但 同时，等离子体显示屏也存在着一些问题，主要包括：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， 6 第1 章绪论 7 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，提高成品率，这样 才可以降低屏的成本，改普显示屏的工作特性，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。 以上所有罗列的问题中，成本问题是最关键的。对于4 2 英寸的等离子体显示屏而言，其进入中国家 庭必须跨越整机单价1 0 0 0 美元的价格关口。为降低生产成本，创新是唯一的出路，这其中包括，提 出新型的放电单元结构并带动着火电压的下降、设计和优化显示屏的生产工艺流程，降低大规模生 产的成本，同时等离子体显示屏还需要进一步设计和优化带能量恢复的电源驱动模块以降低整机功 耗、以及设计和优化视频驱动模块并改进显示的图像质量等。 为解决上述问题，一些新型的驱动方式被提出来，如a w l ) 驱动方式 o l 、a l i s 驱动方式 6 1 、c l e a r 驱动方式9 1 、p l a s m aa i 驱动方式1 9 等；同时一些新型的放电单元和屏结构被创造性地提出了，如 d e l t a e 、t u b e - a r r a y 结构【“、w a f f l e 结构、s m 结构1 4 1 1 5 1 等；为改善图像质量，带运动估 计的补偿方法也被采用到等离子体显示屏的视频驱动系统之中1 日【1 1 。 国内东南大学提出了荫罩型等离子体显示屏( s m p d p ) 结构，该结构与传统a c c - p d p 结构相比， 用成熟的荫罩替代障蔽结构，从而简化了生产工艺流程，带动了整屏成本的降低。 1 2s m p d p 显示屏 p d p 技术的飞速发展也使得p d p 产业迅速崛起，p d p 产品由最初大量出现在飞机场、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，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 术此次新一轮的发展，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，由东南大学完成最基本的验证试验之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 h s h a d o w m a s k , 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给予了大力 的支持，s m p d p 技术进入了其迅速发展的阶段 1 2 1s m p d p 单元结构 图l - 9 为s m p d p 结构图，该结构由前基板、荫罩和后基板三部分组成。在前基板上用光刻的方 法制作透明电极组，在透明电极表面用丝网印刷的方式叠印黑、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，通常称为总线电极( 又称汇流电极) 。 总线电极和透明i t o 电极共同组成了显示板的扫描电极，用于逐行扫描和维持放电显示。在扫描电 极表面用丝网印刷厚膜工艺制作了透明介质层，通常该介质层分为两层，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，而上层为流淌性较好的介质材料，使介质表面光滑，有 利于后道薄膜工艺。在介质层表面通过电子束蒸发的方法制作了m g o 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二次电子发射，降低工作电压。后基板与前基板基本 相同，不同处在于没有透明电极，仅用了a g 电极，为了提高亮度，介质通常采用高反白材料，有 效地反射可见光。前后基板中间是金属荫罩，采用丝网印刷的方法，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1 0 - 3 帕后充入适当气压 的n e + 4 x e 混合气体，封口后老炼，最后组装成整机。 7 8 东南大学硕士学术论文 通过以上结构分析可以得出，s m p d p 和a c c - p d p 相比，在结构上最大的不同就是s m p d p 用 荫罩( s h a d o w m a s k ) 代替了a c c - p d p 中的障壁。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一样的，为c r t 工业中广泛应用的部件，通常采用的材料为a k 钢或i n v a r ( 一种铁镍合金) ，厚度为o 1 2 - 0 2 5 m m ，通过光刻制作图形，用f e c l 3 化学腐蚀而成。由于荫罩原 材料成本低，工艺简单，成品率高，因此价格低，用于p d p 可以有效地降低成本。 图1 - 9 s m p d p 结构图 金属材料的荫罩对放电空间的电场分布会产生一定的影响，模拟计算表明p g l 0 9 口0 】，放电的初始 阶段，在荫罩边缘处的场强最强，因此荫罩型等离子体显示单元的放电过程是从荫罩与上基板接触 的边缘处开始的，如图1 1 0 所示。随着碰撞电离产生的电子的增多，放电过程逐步的向放电单元的 中间扩散，当电子和离子以及各种激发态粒子的浓度增加到一定的数值，在上下基板的电极之间便 产生雪崩效应的放电过程，并激发出大量的紫外线，随着放电过程的不断继续，放电电流在上下基 板的介质层上逐渐的积累起壁电荷，壁电荷产生的电场与上下基板电极所产生电场的极性正好相反， 因此壁电荷的积累会逐渐的降低放电空间的场强，并最终导致放电的结束。图1 1 0 描述了放电的四 个过程。 图1 1 0s m p d p 模拟放电过程 另外，由于s m p d p 中荫罩本身也起到现有等离子体显示板中障壁结构的作用，因此能防止诸 像素各方向之间的光干扰，与现有结构相比，还有利于提高分辨率特别是行分辨率。金属的加工技 术比现有等离子体显示板中所用绝缘材料构成的障壁制造技术要简单成熟得多，因此，该结构有利 于优化放电过程，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。 8 第1 章绪论 9 1 2 2s m p d p 的发展 2 l 】 2 叼 1 9 9 9 年1 1 月，在国家科技部的支持下，东南大学显示技术中心开始了s m p d p 研究项目，从此 开始了s m p d p 的发展历程。2 0 0 0 年初, - , 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。在短短的四、五年时间内，其问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。下图是s m p d p 的发 展历程。 围1 - 1 1s m p d p 发展历程 目前东南大学围绕s m p d p 的结构设计、制造工艺、驱动技术等多方面进行研究，取得了多项 研究成果，已申请并通过国际发明专利一项，申请并通过国家发明专利和实用新型专利十多项。2 0 0 4 年初，在由东南大学承办的亚洲信息显示技术年会上展示了3 4 英寸v g a 彩色s m p d p 样机，赢得 了国内外专家的赞誉。该s m p d p 样机的部分技术指标，如大于5 0 0 0 ：1 的超高对比度，在当时已经 达到国际领先水平。 1 3p d p 放电特性的研究 随着产量的增长彩色p d p 的研究开发日益活跃，研究范围也逐渐深入。目前彩色p d p 主要面临 两个关键技术问题，一是发光效率不高，二是生产成本偏高。围绕这两个基本问题，全世界各大相 关公司、研究所、大学针对p d p 的工作原理和结构、驱动电路以及制造工艺等进行了深入细致的工 作。公司之间开展各种合作，降低开发成本，提高在全球的竞争力。提高发光效率的主要途径是提高 p d p 中气体放电的效率，因此研究p d p 的放电特性是提高效率的基础，对于改善p d p 的性能是非 常重要的。 1 3 1 研究方法 数值模拟 在p d p 的工作原理以及结构优化方面，计算机模拟已经显示出越来越多的重要性，它是从已知 的物理模型出发，利用计算机进行数值计算处理，从而模拟并揭示出等离子体及等离子体显示屏的 9 1 0东南大学硕士学术论文 某些性质和规律。p d p 模拟方法目前包括两大类，分别是流体力学模型0 5 】口。和p i c 模型 2 7 1 1 2 ”。前者 主要通过将各种空间微观粒子视作不同特性的粒子流运用流体力学方法进行处理，后者则通过跟踪 大量粒子在空间的运动来描述统计运动过程。 流体力学模型法应用较早也较广，是目前研究p d p 放电单元工作特性的主流模拟仿真方法。它 根据流体力学的处理方法，把等离子体中不同种类带电粒子的运动一一特别是电子和离子的漂移、 扩散、中和等分别用不同的导电流来进行描述和分析。具体来说，它通过流体动力学中的连续性方 程、粒子的动量传送方程( 包含质量守恒、动量守恒和能量守恒的原理) 与电磁学中的泊松方程构 成联立方程组，分别对时间和空间作适当的剖分。剖分后的方程组如下， h + v f = s ， ( 1 1 ) e = 一d i v n i + s g n ( q j ) 肛n i e 。， ( 1 2 ) v ( 虎) = q n ( 1 - 3 ) i 其中，i 代表不同的电子、离子( 如x e + 或n e + ) 及各种激发态粒子。变量n i 、r i 、s i 、d 。、 e i 、e i 和q i 分别代表在某一时刻一定空间内的对应离子的数量密度、流量、源函数、扩散系数、移动 性、介电常数及电荷量。等式( 1 - 1 ) 就是粒子i 的连续性方程；等式( 1 - 2 ) 就是对应于粒子流r i 的动量传送方程；等式( 1 - 3 ) 就是电场e 的泊松方程。 该模拟仿真技术一般利用有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 或有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d ，f d m ) 等数值计算方法对上述方程组进行求解，得到等离子体显示屏放电单元内的各种参 数，包括壁电荷的积累情况、空间中的电场分布、各种带电粒子、激发态粒子的分布及其随时间的 运动变化情况等，并由此推算出该等离子体显示屏的放电电压，放电电流、放电效率等工作特性参 量。 实际屏测量 采用模拟的方法在模型的制定上都已简化，因此模拟的结果起方向性的指导作用，需要实验的 进一步验证。等离子体显示板放电单元很小，尺寸在百微米左右，实际单元放电的测量有较大的困 难。基于测试仪器的实际单元放电特性的诊断在近几年得到迅速的发展。如用光谱仪，激光吸收技 术可以研究p d p 中等离子体放电的光谱分布。采用高速c c d 成像可以研究等离子体放电过程中 的光分布口0 】。韩国k i mjh 等人提出用激光诱导荧光光谱测量放电空间电场p ”，并根据电场估算出 壁电压的大小。日本y a s u y u k in o g u c h i 等人采用激光汤姆逊散射方法【4 7 1 直接测量了放电中的电子浓 度和温度。实际屏的测量诊断和模拟的发展使得我们对等离子放电机理有了深入的了解。 放大单元 等离子体显示板放电单元很小，尺寸在百微米左右，如果将实验研究都基于实际单元，会耗费 很大的时间和资金。b o e a f 根据相似定律d 2 1 1 3 3 1 ，采用放大单元的研究方法，可以在较大的空间和 时间范围内对p d p 的放电特性进行研究。放大单元的结构和实际屏的结构相似，但是其尺寸为实际 屏的a 倍，气压为实际屏的l a 。根据相似定律，具有相同p d 值的放电具有相似性。在一定条件下， 放大单元的研究对于了解p d p 放电过程和放电机理、优化放电单元结构及参数、寻找提高效率方法、 验证理论模型都是一种非常有效和实用的研究手段。 1 0 第1 章绪论 1 3 2 研究方向 放电机理的研究 p d p 是利用气体放电产生紫外辐射激发荧光粉产生可见光实现显示的。理解p d p 中的等离子体 动态过程，电子能量的分布，以及等离子体与介质表面的碰撞机理是改善p d p 技术的基础。目前p d p 中大多采用n e - x e 混合气体放电产生紫外辐射。n e - x e 混合气体的主要反应方程式以及反应几率在 一些p d p 放电模型中都己给出，但是某些反应方程几率没有确定o q 口”，而研究这些反应对于放电模 型的影响度是是非常有意义的。p i t c h f o r d 等人在他们的论文中o ”对这个影响度作了研究。 为了研究等离子体的形成，扩展和耗尽的过程，可以用高速c c d 拍摄p d p 单元放电过程。实 验表明8 w ，光辐射首先出现在阴极和阳极中间靠近阳极的区域，并随放电的进行向阴极和阳极区域 扩散。放电过程中伴随阳极区域伴随条纹的出现。由于阳极的电场较小，不能使激发能和电离能较 大的n e 原子产生雪崩反应，因此n e 的光谱辐射主要集中在阴极区域，而x e 在阴极和阳极都有口7 】p s 】。 y o s h i o k a 等人研究了放电条纹和气压以及x e 浓度的关系。当气压为4 0 0 t o r t 时，x e 浓度分别为 2 ，4 ，1 0 时，条纹数分别为3 ，4 ，5 。条纹数值和具体的单元结构有关，但是不同单元结构中， 条纹数随气压和x e 浓度的变化趋势是一致的。 放电过程中积累于放电空间介质层上的壁电荷所形成的壁电压，使得a c - p d p 具有记忆功能， 从而方便地实现像素的点亮和熄灭。壁电荷是a c - p d p 中一个极其重要的参量，它动态地存在于微 小放电单元中，比较难于测量。韩国k i mjh 等人提出用激光诱导荧光光谱测量放电空间电场，并 根据电场估算出壁电压的大小【3 i 】。他们在方波驱动的充有h e 的放电单元中，研究了壁电压的变化 过程。在电压上升沿，气体击穿放电时，壁电压的极性迅速改变。且壁电压值随着放电余晖区介质 表面带电粒子碰撞作用增加。当在电压下降沿存在自擦除放电时，壁电压的值迅速减少了1 1 0 v ，并 随着粒子扩散运动减少。脉冲关时期壁电压减少的速度主要由介质层保护膜的表面状态决定。壁电 荷、壁电压是a c - p d p 中极其重要的参数，利用它们可得到电压转移曲线，壁电压输入输出曲线等 多种特性曲线”州4 ”，进行放电过程分析，从而能更加深入地理解a c - p d p ，优化其波形设计。 效率研究 p d p 中影响发光效率的主要因素有以下几个过程：输入的电场能量转化为u v 光子的效率，u v 光子入射荧光粉的效率，荧光粉对的转换效率，可见光的输出效率。用式1 4 表示 町2 叩缸玎w 刁咖。玎曲 ( 1 4 ) 其中，是电场能转化为u v 光子能量的效率，刁匆是u v 光子传递到荧光粉的传输效率，刁函 是荧光粉将u v 光转化成可见光的效率，刁0 是可见光的输出效率。表1 - 1 给出了目前p d p 中上述 各种效率的典型数据。 表1 - 1p o p 中各种效率的典型数据 刁如，7 协 效率 l o 5 0 2 5 4 0 】2 东南大学顼士学术论文 由于p d p 中主要的紫外光波长为1 4 7 n n l ，而可见光的波长中心为5 5 5 n m ( 绿色) ，两者能量( h ) 比小于2 5 ，因此转化成可见光的效率( 玎。) 小于2 5