（物理电子学专业论文）pdp相邻显示单元放电影响研究.pdf

摘要 等离子体显示技术具有高亮度、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。目前对p d p 的研究主要集中在提高发光效率，高分辨率，长寿命等方面。 由于等离子体显示板放电单元很小，实验研究非常困难。不仅时间长、成本高，而且由于放 电过程的复杂性，许多因素难以研究。而采用数值模拟的方法可方便地研究放电单元的放电 特性，了解影响放电过程的各种因素。优化放电单元参量，从而改善p d p 性能。 本论文采用二维数值模拟的方法计算了表面放电式和荫罩式p d p 在不同结构下相邻三 个单元的放电过程。基于本中心自行开发研制的计算模拟软件，增加了计算三单元放电的模 块，分析了影响计算速度的因素，采用半隐格式计算电场并合理选取网格步长从而大大提高 了模拟软件计算速度。研究了放电过程中，各单元内电子、氤谐振态平均浓度和它们的空间 分布随时间的变化情况。在流体模型计算的基础上，采用蒙特卡罗模型对单元内大量谐振光 子辐射、捕获过程进行模拟跟踪，从而得出放电单元内所产生谐振光子在单元荧光粉层上的 分布。研究了放电过程中相邻单元之间的影响，分析了不同单元结构的串扰情况。对传统条 形障壁结构，单元内维持电极间距增大，维持电极宽度增大，会使串扰加强。单元放电空问 高度增大，串扰亦会随之增强。而w a f f l e 型障壁结构不仅能提高光效，而且能有效的阻止 串扰的发生，且障壁高度越高，串扰越弱。荫罩式p d p ，相邻单元在寻址期受到较大影响， 而维持期影响极微，几乎没有串扰发生。 关键词：表面放电式p d p ，荫罩式p d p 。二维数值模拟，相邻单元，串扰 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 st h ea d v a n t a g eo fh i g hb r i g h t n e s s ，h i g hc o n t r a s t ，w i d e v i e w i n ga l l g l e ，f u l lc o l o r , e t c i t sap r o m i s i n gc 柚d i d a t ef o rt h el a r g es c r e e nh i g h - d e f i n i t i o n ( h d ) d i s p l a y m o r ee f f o r t sa r ep a i dt oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e , s u c ha sh i g hl u m i n o u se f f i c i e n c y h i g h r e s o l u t i o n 1 0 n g1 i f ct i m e 1 1 l ee x p e r i m e n t a lr c s o a r c ho fp l a g i i l ad i s c h a r g ei np d pc e l lh a sm a n y l i m i t a t i o n sd u et ot h es m a l lc e l ls i z ea n ds h o nd i s c h a r g et i m e t h e r e f o r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa u s e f u lt o o lf o ru u d e r s m n d i n gt h ep l a s m ad i s c h a r g eb c h a v i o ri no r d e rt oo p t l , n i z ec e l lp a r a m e t e r s t w o - d i m e n s i o n a lf l u i dm o d e li su s e dt os i m u l a t ea d j a c e n tp i x e l s d i s c h a r g ep r o c e s so f s b r f a p 一d i s c h a r g ep d pa n ds h a d o w - m a s kp d pf s m - p d p iw i t hd i f f c 他 n ts 眦t u 伸i nt h i sp a p e r a v e r a g ed e n s i t ya n d , k n a l t yd i s u d b u t i o no fo l r o na n dr c 8 0 n a n c cx o n o na r ep r e s e n t e d t h e r a d i a t i o na n dc a p t u r ep r o c e s so fr e s o n a n tp h o t o si ss t u d i e db ym o n t oc a r l om e t h o d t h e d i s t r i b u t i o no fp h o t o n so nt h ep h o s p h o rl a y e r so fc o n t s p o n d i n gc e l li sa l s oc a l c u l a t e dt h e c r o s s - t a l ko fa d j a c e n tp i x e l sa r cs t u d i e df o rv a f i o k i n d so fp d ps t r u c t u r e f o rc o n v e n t i o n a l s t r i p - t y p es u r f a c e - d i s c h a r g ep d ps r 1 1 c t u l ，o r o s s - t a l ki si n c r e a s e d t h ee l e c t r o d eg a p ，e l e c t r o d e w i d t ha n dp 呔e lh e i 曲ti n c r e a s e d w a f n er i bs l r n c t x l r ec a np r e v tt h i se f f e c t i v e l y , a n dc r o s s t a l ki s d c o r e a s e e lb yi n c x c a s i n gr i bh e i g h lf o rs h a d o w - m a s kp d p c r o s s - t a l ki st i n y k e yw o r d s ：p l a s m ad i s p h y , s u r f a c e - d i s c h a r g ep d p ，s h a d o wm a s kp d p ( s m - p d p ) ，t w o d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n ，a d j a c e n tp i x o l s ，c r o s s t a l k 东南大学学位论文独创性声明 v 7 9 0 8 5 0 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： 盔里釜 日 期：至! 堕：3 ，2 r 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：垒卫绎导师签名：盛白日期：2 口护j 3z ， 东南大学硕士论文 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 ，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 j 。 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 示器阀世，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。 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 。但是与此同时，平板显示技术也在飞速发展着，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( f p d ) 应运而生，逐步发 展起来。目前研究工作比较集中的平板显示器件中，液晶显示器( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ， l c d ) 和等离子体平板显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，p d p ) 占主导地位。其中p d p 则是最 有前途的超大屏幕h d t v 接收机之一。 1 1p d p 基本特点与发展 1 p d p 的发展历程 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。 对气体放电的研究可以追溯到1 9 世纪，但真正开始对p d p 显示技术进行大规模的研究开始 于2 0 世纪6 0 年代中期： 1 9 6 6 年，美国i i l i n o i s 大学的b i t 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p h i l i p s 公司发明了直流等离子体显示板d c p d p ：1 9 7 0 年，美国布劳 斯公司又研制成功了自扫描等离子体显示板，从而逐步推动了等离子体显示器的发展。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，p d p 被公认为是最适合作为高清晰 度电视( h d t v ) 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。目前，日本的日立、n e c 、 先锋、松下等多家公司的产品开始市场化。韩国的l g 、三星、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，投蛊兴建p d p 生产线的资金累计已超过2 0 亿美元。 2 p 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 已傲到对角线达到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： 2 东南大学硕士论文 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 适合用于数字化显示； 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的多的亮度，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l o 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新不成问题； 受磁场影响小，无需磁屏蔽。 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。 3 p d p 的应用 现阶段p d p 主要用于如飞机场、火车站、展示会场、企业研讨、学术会议、远程会议等 公共场所的信息显示以及自动监视系统等。彩色p d p 除用于普通彩色电视及计算机终端显示 外，还用于军事指挥控制中心( c 4 i 系统) 的彩色显示屏。专门用于工业生产过程监控、航 天发射状况监控等的彩色p d p 产品亦都处于研发与生产之中。今后彩色等离子体显示的主攻 市场为瑚丌v 和家庭影院用的等离子体电视。未来数年内在平板显示研究领域必将形成彩色 p d p 的研制热，可以预计，彩色等离子体显示将是2 l 世纪大屏幕h 跏r v 及多媒体计算机终端 显示的主流产品。 4 p d p 研究已取得的进展 p d p 自上世纪6 0 年代问世以来，从单色到彩色；d c p d p 到a c p d p ，得到了长足的发展。 p d p 结构上，电极从暴露在空气中到镀有保护膜；荧光粉在阴极上精确定位的解决，从 而提高了光效，延长了p d p 的使用寿命；日本富士通提出了适用于4 0 英寸以上大屏幕的新 型结构，美国p h o t o n i c 与法国t o m s o n 的双基板结构，日本n h k 的改进型d c p d p ，以及本中 心的金属荫翠式p d p ，都是p d p 在结构上所取得的技术进步。 p d p 制作材料上，从基板材料到电极，基板从铅玻璃到陶瓷成分的添加，电极从镍基材 料到银材料的使用，新型材料的使用为提高p d p 性能，降低成本提供了实质基础。 在性能上，p d p 研究工作已经在提高光效，提高亮度。降低功耗。提高分辨率，改进对 比度，克服虚像，以及提高彩色再现能力上取得了进展。同时各研究机构和生产厂家也一直 致力于扩大p d p 产品的功能与用途的开发与扩展，并为p d p 能降低成本，更大规模的走进家 庭做出努力。1 。 5 p d p 存在的问题 各国相继投入大量的人力物力对p d p 进行开发完普。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，提高成品率，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： 3 东南大学硕士论文 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 3 。 6 p d p 的研究方向 目前p d p 的研究方向主要集中在以下几个方面： 通过采用一些新的实验方法，精确地估计放电单元壁电荷在时间和空间上的特性； 实现各种放电结构不同形式的结合，开发出具有新型放电结构的p d p 研制出更适合p u p 显示的材料； 寻找辐射v u v 最强的气体及其混合比例： 对工艺进行监测。 1 2p d p 显示单元放电数值模拟 一直以来，研究人员对p d p 显示单元放电情况的研究都未曾停止过，以期在各个研究方 向上取得突破，改善p d p 的性能。由于p d p 放电单元非常小，采用实验的方法研究它的放电 特性非常困难，而且成本高。目前，比较流行的是采用数值模拟与实验相结合，研究p d p 的气体放电过程。不但节省大量的时间和经费，还能为实验提供大量的理论依据，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的优化设计工作，对设计起指导 作用。采用的模拟方法主要包括动力学模型( k i n e t i cm o d e l ) ，流体力学模型( f l u i d m o d e l ) ， 和混合模型( h y b r i dm o d e l ) “。 数值模拟p d p 单元放电已经累集了大量的研究成果。七十年代，5 a h n i 和l a n z a 利用一 维流体模型研究了单色p d p 的放电情况，证实二次电子发射对放电有很大的影响。 v e r r a s i n g a m ，c a m p b e l l 等人利用一维和二维流体模型研究了混合气体下对向放电式p d p 的 放电情况，计算结果和实验数据本质上比较的吻合，数据上的差异认为是由于电子碰撞截面 数据和二次电子发射系数的不确定性以及本地场近似的误差。d r a l l o s 等人发展了一维动力 学分析模型，模拟结果表明本地场近似在解决阴极位降区的细节问题上存在较大的误差。 b o u e u f 等人使用二维混合模型研究了n e x e 混合气体的放电情况，研究表明障壁在避免相 邻单元问的串扰中起着重要的作用”1 。 b o e u f 等人通过比较流体模型和混合模型的模拟结果说明在a c p d p 显示单元放电的数 值模拟中，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，并不比碰撞界面、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，在本论文中，仍然使用流体模型， 这主要是考虑了流体模型的计算简单，速度较快，适合于工程应用，方便应用到实际的p d p 结构优化中来。 1 3 本论文的研究工作 目前对p d p 的研究，主要是通过数值模拟方法结合新的实验手段，较准确地估计放电单 元壁电荷在时间和空间上的特性，实现各种放电结构不同形式的结合，从而开发出新型结构 的p d p ，以及寻找辐射最强的气体及混合比例等。 由于p d p 结构设计以及制造工艺的原因使每一个显示单元不可能完全隔离，相邻单元间 的相互影响难以避免，这就可能给显示器件带来串扰问题，降低其分辨率，无法满足p d p 显示高分辨率的要求。降低串扰的影响要求设计新的结构及提高制造工艺水平，这又会带来 4 东南大学硕士论文 p d p 成本的提升。因此，研究单元放电过程中相邻单元问的相互影响，尽可能避免串扰现 象对高分辨率p d p 是非常重要的。本论文的研究工作主要是针对高分辨率p d p ，采用二 维数值模拟的方法研究了几种主要结构相邻放电单元的放电特性。采用流体力学模型分别对 表面放电式传统条形障壁和w a f f l e 型漳壁p d p 以及东南大学显示中心荫罩式p d p 结构的多 放电单元的放电过程进行模拟计算，研究了多放电单元在不同结构中放电特性的差异。采用 蒙特卡罗方法模拟谐振光子的辐射捕获过程。得出不同结构相邻单元的放电串扰及光串扰情 况，分析了表面放电式p d p 单元维持电极间距、维持电极宽度、放电空间高度以及障壁高 度对串扰的影响，同时对比分析了荫罩式p d p 的相邻单元串扰情况。由此可对p d p 像素 单元的几何尺寸，电极结构等提出改进方案，以尽量减少象素串扰，提高p d p 高分辨率显 示质量。 i 4 本论文的结构安排 本论文第一章为绪论，主要介绍p d p 的研究发展方向以及数值模拟研究的重要性，并 总结论文的研究工作。第二章p d p 的工作原理以及几种典型结构的p d p 单元。第三章介绍 了本论文模拟放电过程采用的流体模型以及数值求解方法，介绍了计算谐振光子辐射捕获采 用的蒙特卡罗方法。第四章介绍多单元p d p 放电过程数值模拟软件模块，研究了影响数值 模拟计算速度的因素以及加速方法。第五章采用该软件模拟计算了几种典型结构的p d p 单 元放电过程，并对比研究了不同结构的p d p 相邻单元放电影响，分析了影响串扰的因素， 提出了改进方案。第六章得出结论。 东南大学硕士论文 第二章p d p 介绍 早在上世纪5 0 年代，n i c l o s o n 就设想出分别垂直和平行扫描的点阵式等离子屏结构。 1 9 6 7 年，针对计算机用平板显示器，美国i l l i n o i s 大学开发出了对向型交流放电a c p d p 。 与此同时p h i l i p s 开发出了直流放电d c p d p 。1 9 7 6 年首次提出了面放电概念。在p d p 发展的 过程中还出现了各种各样的放电单元结构，其中富士通公司开发的三电极表面放电结构具有 性能优良和结构简单的特点，使其成为彩色a c p d p 制造的主流结构。随后的p d p 结构的研 究开发基本上是在这一基础之上进行的。 2 1p d p 的分类 p d p 是指所有利用气体放电而发光的平板显示器件的总称。它属于冷阴极放电管，其 利用加在阴极和阳极间一定的电压，使气体产生辉光放电。单色p d p 通常直接利用气体放 电时发出的可见光来实现单色显示，其放电气体一般选择氖气( n e ) 或氖氩混合气( n c - a r ) 。 彩色p d p 则通过气体放电发射的真空紫外线( v a c u u mu l t r a v i o l e t ，) 照射红、绿、蓝 三基色荧光粉，使荧光粉发光来实现彩色显示，其放电气体一般选择含氤的稀有混合气体， 如氖氤混合气体( n e - x e ) 、氮氖混合气( h o - x e ) 或氨氖氙混合气( h e - n e x e ) 等。 p d p 按照工作方式的不同主要可分为电极与气体直接接触的直流型( d c - p d p ) 和电极 用覆盖介质层与气体相隔离的交流型( a c - p d p ) 两大类。而a c - p d p 又根据电极结构的不 同，可分为对向放电型和表面放电型两种。它们的基本结构如图2 - 1 所示。还有一种交直流 混合型p d p ( a c d c - p d p ) ，它是通过阳极与阴极间的直流放电来寻址，通过一对存储片电 极间的交流放电来提供存储特性和获得高亮度，但它现在仍处于试验阶段。 ( i ) d c p 肿 o ) 对舟敲电j c r d p “) 表面放电 c 呻卯 图2 - 1p d p 结构的分类 目前的研究工作及推广重点都在表面放电a c p d p 上。在类型p d p 中，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，因此无固定的阴极和阳极之分，x 、y 电极位于同一基板上，放电发 生在介质的表面，交替呈脉冲式发光，荧光粉在另一基板表面。表面放电型a c - p d p 由于其 结构简单，易于制造，放光效率高，寿命长而倍受重视。 2 2p d p 的工作原理m p d p 是利用气体放电的原理来工作的。彩色p d p 放电气体通常为和x e 等混合稀有气 6 东南大学硕士论文 体。在电极上加上足够的电压后，放电单元中将会产生放电。在放电过程中，气体会发出可 见光，并辐射紫外线。在n e - x e 混合气体放电中，紫外线由x e 的激发态辐射产生。同时气 体放电会发出可见光，但p d p 通常不直接利用放电产生的辉光，而是利用放电产生的紫外线 照射到放电单元内壁的荧光粉而激发出可见光。每个显示单元由三个放电单元构成，这三个 放电单元分别沉积能够激发红、绿、蓝色的荧光剂。放电时只要产生足够的激发态x e 原子， 这些激发态x e 能够辐射紫外线，紫外线能够分别使红、绿、蓝三色荧光剂发出红、绿、蓝 可见光。控制不同的色度就可以得到希望显示的颜色 图2 - 2 所示为表面放电a c - p d p 的基本结构，图中所指是一个放电单元结构，放电单元 按矩阵式排列，构成p d p 显示扳。ky 电极位于同一基板，前基板上。寻址电极位于后基 板，与x 、y 电极正交。电极上均有一介质层，由于介质层材料的抗离子溅射性能较差，因 此为了延长显示器件的寿命，增加工作电压的稳定性，降低器件的着火电压，在介质层上再 覆盖一层抗溅射和二次电子发射系数高的薄膜作为保护膜，通常为m 9 0 膜。 图2 2 表面放电a c p d p 放电单元截面图 每一个放电单元是由驱动电路进行选择控制的。图2 3 所示为a c p d p 所加的各种电压的 工作时序。x 电极、y 电极间始终加有维持电压( 低于气体放电点火电压) ，这是一个 上下交变的电压。当需要点燃某象素时，对该象素施加大于点火电压的书写脉冲p k 而使气 体发生放电。放电产生的正离子和电子在电场作用下向瞬时阴极和瞬时阳极运动，积累到电 介质表面形成壁电荷q 0 ，并产生壁电压。壁电压与外加电场方向相反，且随时间 而增大，最终使放电停止。当维持电压t 变反时，维持电压k 和壁电压比。方向相同，此时 不需要再加上写电压，维持电压与壁电压之和k + p r 啪。大于点为电压，能够再次产生放电。 接着壁电位发生改变，放电又熄灭，熄灭后由于维持电压方向改变又重复前述过程，发生放 电，周而复始。总之，只要加上一写电压，气体就能够一直断续放电。如果要想使发光单元 停止发光，或者说让上面所说的断续放电不再发生，则需施加一擦除脉冲e 。加上擦除脉冲 后，气体发生一次微弱放电，将壁电荷q ；中和掉。由于壁电荷被中和掉因而没有了壁电压， 维持电压又低于着火电压，因而放电将不会发生，始终处于熄灭状态。 7 东南大学硕士论文 。h 炳一 乩i 娄塑璺凸凸凸凸 图2 - 3a c p d p 所加电压的工作时序图 2 3p d p 的放电特性和发光机理 p d p 的气体原理主要有两个基本过程：气体放电过程。放电单元内所充的惰性气体在外 加脉冲信号的作用下产生放电，使气体原子受激而跃迁，发射出真空紫外线；荧光粉发光过 程。利用气体放电产生的紫外线，激发光致荧光粉发射可见光。由于气体放电过程不仅产生 紫外线，还决定p d p 的显示特性，是理论研究工作的重点所在。 2 3 1 气体放电中粒子的运动与相互作用 气体放电进程是指当作用于气体的电场强度超过某临界值时出现的气体放电现象。此时 气体从绝缘状态转变为导电状态，通常气体放电时伴随着热、光和x 射线等物理效应，并且 不同的气体在放电过程中具有不同的伏安特性。气体放电过程是一个复杂的粒子运动体系， 需要研究电子、基态原子( 或分子) 、激发态原子( 或分子) 、离子，以及光子的运动以及相 互作用。粒子在放电空间将进行大量无规则的热运动，在外加电场作用下，带电粒子还要进 行上沿电场方向的漂移运动。在运动的同时，气体粒子会通过碰撞过程与其他各种粒子发生 相互作用，粒子之间通过碰撞交换动量、动能、位能、电荷，使粒子发生激发、电离、复合、 光子发射和吸收等物理过程。气体放电的典型，r 关系如图2 4 所示“”，图中的横坐标为 电压。纵坐标为电流。从图可以看到放电曲线具有明显的非线性。 皇电生蜜蔓曼一= = = = 并膏一兜黛旺 l o 。 一光麓电 一；i i 一 * 区 i l l t 电 年c 谩，。扑翱 扣蚰t 件 电 o o2 0 03 0 0 4 0 0 环菇增益一。，【一d 图2 - 4 气体放电的反馈模型图2 - 5 气体放电的伏安特性曲线 8 东南大学硕士论文 显示单元放电过程的产生与电子雪崩的形成是密切相关的。电子雪崩的物理模型是：电 子在向阳极运动的过程中不断的从电场吸收能量，如果场强足够强，则电子会不断的发生电 离碰撞，而产生的新电子又发生电离碰撞，如此电子的数量便产生雪崩式的增长。由电子繁 流理论可知，要使放电得以自持，就必须依靠放电本身由阴极及时补充消失在阳极的电子， 消失多少，就补充多少。这个电子繁流倍增过程可以用图2 - 5 所示的反馈模型来描述，图中 口为气体电离系数，v 为电极间电压。电子雪崩导致电子数目以指数关系增长，雪崩产生的 离子回轰阴极产生了次级电子发射，这些次级电子又继续参与电子雪崩，于是便出现了一个 正向反馈。若反馈增益大于1 ，则这个系统就会变得不稳定。气体放电从稳态到非稳态的过 渡点电压称为着火电压。当电极间电压大于着火电压时，若存在一个起始电流l ，则放电电 流将呈指数增长。 2 3 2p d p 中的气体放电特性 一般认为等离子体平板显示器中的气体属于弱电离状态，不同于高温等离子体中的气体 状态。所谓弱电离一般是指气体的电离度小于1 0 - 4 ，研究弱电离气体中粒子的运动时，可 以忽略带电粒子间相互场的作用，使运动行为的讨论大为简化。 等离子体显示屏一般工作在辉光放电区。正常辉光放电的光区分布、电位分布和光强分 布如图2 _ 6 所示。辉光放电具有以下的基本特征： 稳态的自持放电： 放电电压明显低于着火电压； 放电时，放电空间呈现明暗相间的、有一定分布的光区： 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； 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。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 极位降区的宽度随气体压力成反比例变化。 ( ) 光区分布 ( b ) 光强分布 ( c ) 电位分布 图2 - 6 正常辉光放电的光区、电位和光强分布 ( 卜阴极辉区2 一负辉区3 一正柱区4 一阳极辉区 5 一阿斯顿暗区6 一阴极暗区7 一法拉第暗区8 一阳极暗区) 9 东南大学硕士论文 与正常辉光放电不同，p d p 发光效率低，放电间距只有几十到几百微米，虽然与日光灯 有类似的发光机理，但目前p d p 的发光效率只有l l m w 。造成发光效率低的主要原因是因为 日光灯放电时其正柱区长，而p d p 发光的主要贡献者是负辉区，放电时正柱区非常短甚至没 有。 2 3 3p d p 的发光机理 p d p 虽然有许多不同的结构，但其放电机理都是相同的。下面以n e + x e 混合气体为例， 来说明p d p 的发光机理。 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 ) ， 因此，亚稳原子：与x e 原子碰撞的过程为： 肫：+ x e 斗n e + x e + + 8 ( 潘宁电离) ( 2 - 1 ) 所产生的电子在电场的作用下发生如下反应： p + j 矿+ 2 e ( 电子碰撞电离)( 2 2 ) g + 肫寸肫：+ 8 ( 亚稳激发) ( 2 - 3 ) e + x e _ 恐+ + 2 e ( 电子碰撞电离)( 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 的消 失和原予的电离雪崩，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x e + 发生碰撞。碰撞复合后，激发态x e 原子的外围电 子，由较高能级跃迁到较低能级，产生碰撞跃迁： e + x e + 斗髓。( 2 既或2 风) + y ( 2 5 ) 由于x e 原子2 p 5 和2 p 6 能级的激发态般”很不稳定，极易由较高能级跃迁到较低的能级， 产生逐级跃迁： x e “( 2 岛或2 p 6 ) 施( 1 s 4 或1 屯) + h v ( 8 2 3 n m ，8 2 8 n m ) ( 2 - 6 ) x e ( 1 s ) 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： x e + ( 1 屯) 斗娩( 1 s 4 ) ( 2 - 7 ) 这里，1 矗是x e 原子的谐振激发能级。x e 原子l 能级的激发态跃迁至x e 的基态时，就发生 麸振跃迁，产生使p d p 放电发光的1 4 7 n m 紫外光： x e ( 1 墨) 寸x e + h v ( 1 4 7 n m ) ( 2 8 ) n e ，x e 原子的能级与发光光谱图如图2 7 所示。 l o 东南大学硕士论文 2 1 6 e v 1 8 7 e v 1 67 e v 1 6 6 e v 基态n e基态x e 图2 7n e ，x e 原子的能级与发光光谱图 由于1 4 7 n m 的真空紫外光能量大，发光强度高，所以大多数p d p 都利用它来激发红、绿、蓝 荧光粉发光，实现彩色显示。这种发光被称为光致发光。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而出现一个空穴。在 价带中，空穴i 司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。例如红粉y 2 0 3 ；e u 。其中e u 是激活剂，它是红粉的发光中心。没有掺杂的荧光粉基 质y 2 0 3 是不具有发光本领的。另一方面，获得光子能量而跃迁到导带的电子，在导带中运 动，并很快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。 2 4 新型p d p 单元结构 随着科技的发展，技术的进步，研究人员设计出了许多新型p d p 单元结构，用以改善 p d p 的性能，提高亮度，提高发光效率，减少串扰等。本节介绍几种较为典型的结构。 1 w a f f l e 结构 先锋公司于2 0 0 1 年提出的w a f f l e 型单元结构，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，将条状障壁介质改为封闭状结构，能有效降低相邻显示单元 的串扰，同时由于荧光粉涂覆面积增大，可更好的收集紫外光子，从而大大提高了发光效率。 图2 - 8 为传统条形障壁结构和w a f f l e 型障壁结构比较图。图2 - 9 为条形障壁结构和w a f f l e 型障壁结构显微图像。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 。 东南大学硕士论文 ( a ) 传统条形障壁结构 c o ) w a f f l e 型障壁结构 图2 - 8 条形障壁结构和w a f f l e 型障壁结构 ( a ) 传统条形障壁( b ) w a f f l e 型障壁 图2 - 9 条形障壁结构和w a f f l e 型障壁结构显微图像 2 d e l t a 结构 富士通公司开发了d e l t a 型a c - p d p 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2 - 1 0 2 ( a ) 所示。不同之处在于放电单元的形状和 排列。图2 1 0 ( b ) 为放象素结构示意图，图2 1 0 ( 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。d e l t a 放电单元 结构与“弯曲电极”组合同样可有效提高发光效率。该结构对前后基板定位、i 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。 (a)(b)( c ) 图2 1 0d e l t a 型a c - p d p 结构 松下公司提出了非对称单元结构。在该结构中，特别扩大了蓝色荧光粉的面积，成功解 决了色温偏低的问题。n e c 公司则通过在前基板上添加彩色滤光膜( c c f ) 的方法来改善 屏的色温和对比度。 3 其他基于三电掇表面放电的结构 此外，还有几种几种基于三电极表面放电的新型结构。 p l a s m a c o 公司提出了栅栏型c r - c u - c r 薄膜电极结构。此结构不必再用昂贵的透明电极， 1 2 东南大学硕士论文 位于前基板的每条显示电极都由三条很细的c r - c h - c r 薄膜电极组成，它们提供了与透明电 极类似的较大放电区域和电容，并保证了较高的单口开口率，从而提高了亮度。在显示电极 上制作短路线是为了避免电极断线，而且还可以减小电极电阻。 松下公司提出了非对称单元结构。在该结构中，特别扩大了蓝色荧光粉的面积，成功解 决了色温偏低的问题。n e c 公司则通过在前基板上添加彩色滤光膜( c c f ) 的方法来改善 屏的色温和对比度。 4 荫罩式结构 由东南大学显示技术研究中心提出的荫罩式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。 图2 1is m 。p d p 单元结构截面图 这种结构如图2 一1 1 所示。这种结构与对向放电式放电结构看起来很类似，但是放电单 元的分隔方法不一样。新型s m _ p d p 结构不用介质障壁而用金属荫罩将各个放电单元隔开。 图2 1 1 中最上面一层为上电极，最下面一层为下电极，上下电极正交，构成一个放电单元。 在两电极之间，从上到下分别是上介质层、金属罩层，下介质层。上下介质层表面涂敷氧化 镁膜m g o ，起保护介质层的作用，同时还能增强二次电子发射。 由于金属荫罩的引入，改变了放电单元中的场分布，放电单元出现局部强场，使得这种 结构的放电过程不同于对向放电。图2 1 2 为s m p d p 的寻址过程。由于金属荫罩的引入， 使得有较强的局部场出现。放电首先从这些电场较强的部位开始，然后向空间扩展。在行列 电极间形成放电。由于介质层上壁电荷的积累，使放电空间电场减弱，最终放电熄灭。但此 时介质层上积累的壁电荷，为维持期作好了准备。 图2 一1 2s m p d p 寻址过程 研究表明，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。 是一种很有竞争力的结构。 1 3 东南大学硕士论文 第三章p d p 放电过程数值模拟 3 1 数值模拟的分类 对等离子体平板显示单元的数值模拟而言，目前采用的模拟方法主要包括动力学模型 ( k i n e t i cm 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 ) 。 动力学模型包括p i c 模型( p a r t i c l e i n c e l l ) 和对流体系( c o n v e c t i v es h e m e s ) 模型。 它们可以在时间维和空间维上完全的解决粒子能量分布问题。电子和离子的能量分布是积分 b o l t z m a n 方程得到，通过m o n t e c a r l o 统计的方法( p i c ) 或在对流体系( c o n v e c t i v e s c h e m e s ) 中直接求解。这样就能很好的描述带电粒子能量分布中的非平衡因素，从而可以 精确的描述带电粒子传输中的非平衡状态。但是动力学模型耗时较长，计算复杂。 流体力学模型中，流体的运动用一组表达质量、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。流体模型从宏观上把握粒子运动，克服了动力学模 型耗时和复杂的缺点。但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( 意味着气体粒子运动处于滑动流动和自由分子运动之间) ，此时使用 流体模型就有问题了，需要使用动力学模型描述。流体模型不能很好的解决电子能量分布问 题。因此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。对于p d p 中的放电气体而言，满足流体力学模型的使用 条件。 混合模型将上述两种模型结合起来，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，由此综合了上述两种模型的优点，是 近年来数值模拟研究工作中常用的一种模型。 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和相比较时， 就意味着气体粒子运动处于滑动流动( f l i p f l o w ) 和自由分子运动( f r e em o l e c u l e - f l o w ) 之间，此时就不能使用流体模型。需要使用动力学模型描述。但对于我们感兴趣的平板显示 器件中的放电气体而言，满足流体力学模型的使用条件。而流体模型计算比较简单，因此在 我们编制的模拟软件中，使用流体模型。平板显示器件中的放电气体满足流体力学模型的使 用条件。且流体模型计算比较简单，因此在我们编制的模拟软件中，使用流体模型。 流体力学模型中，流体的运动用一组表达质量、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。 3 2 流体模型的基本方程 流体力学模型中，流体的运动用一组表达质量、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。这一组方程，可以从b o l t z m a n n 方程 出发，通过引入适当的假设来推导，由于放电空间存在大量的粒子，要具体计算每一个粒子 的运动情况是不可能的。因此，在计