（物理电子学专业论文）pdp放电特性的研究.pdf

摘要 本文建立了包括i c c d 、光敏放大仪、示波器、数字时序控制电路、高压驱动电路的光发射测量 系统，利用实验方法，对不同结构p d p 放电单元的放电特性进行了较详细的研究。 基于气体放电相似特性定律，采用放大单元的方法研究了荫罩式对向放电结构、介质障壁对向 放电结构、荫罩式表面放电结构和介质障壁表面放电结构的放电特性。改进了荫罩式结构放大单元 的制作方案和工艺，设计、制作了荫罩式对向放电结构、介质障壁对向放电结构、荫罩式表面放电 结构和介质障壁表面放电结构的放大单元。从红外强度，放电效率和放电速度等方面，研究了这四 种结构，并对它们进行了比较，分析了四种结构的特点。 针对3 2 英寸w v g a 非对称结构s m p d p 的放大单元和4 英寸实际小屏，分别研究了放大单元 和实际小屏的工作电压、放电强度、效率等特性，并比较了放大单元和实际小屏的测量结果。 基于放大单元的实验方法，研究了十字形和菱形s m p d p 放电单元结构的放电特性。 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、电压峰值等因 素对正向斜坡放电、负向斜坡放电的影响：同时还研究了寻址脉冲对寻址放电和第一个维持放电的 影响。 关键字：相似定律放大单元放电特性放电效率驱动波形 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，am e a s u r e m e ms y s t e mc o n t a i n i n gi c c d ，p h o t os e n s o ra m p l i f i e r , o s c i l l o g r a p h ，d i g i t a l c o n t r o lc i r c u i ta n dp d pd r i v ec i r c u i th a sb e e ns e tu p n l ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i e so fd i f f e r e n tp d p sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e db yt h em e t h o do fe x p e r i m e n t 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 fs h a d o wm a s km a t r i xp d p , n o r m a lm a t r i xp d p , s h a d o wm a s kc o p l a n a r p d pa n dn o r m a lc o p l a n a rp d ph a v eb e e ni n v e s t i g a t e dw i t hm a c r oc e l l s ，b a s e d0 1 1t h es i m i l a r i t yl a w si ng a s d i s c h a r g e t h et e c h n i c so fm a c r oc e l lo fs h a d o wm a s kp d ph a v eb e e ni m p r o v e d t h ei n f r a r e dr a d i a t i o n , d i s c h a r g ee 币c i e n c ya n dn l ed i s c h a r g ed e l a yo ft h e s ep d p sh a v eb e e ns t u d i e d a n dt h e i rd i f f e r e n c eh a s b e e nc o m p a r e da n da n l y s e d t h ed r i v i n gv o l t a g e d i s c h a r g es t r e n g t ha n dd i s c h a r g ee f f i c i e n c yo fm a c r oc e l la n d4i n c hr e a lp a n e lo f 3 2i n c h g as m p d pw i t ha s y m m e t r i c a ls t r u c t u r eh a v eb e e ns t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h ec o m p a r i s o no f m 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 la l s oh a sb e e nm a d e b a s e do nt h em a c r oc e l l 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 fs m 口d pw i t hr h o m b u sa n dc r o s ss t r u c t u r e h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s e td r i v i n gw a v e f o 瑚o fs 巾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 eo fp o s i t i v es l o p ea n d i t sp e a kv a l u eo nb 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 eb e e ns t u d i e d t h ei n f l u e n c eo fa d d r e s s i n g p u l s 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 ni n v e s t i g a t e d k e y w o r d ：s i m i l a r i t yl a w s ，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 , c o m p a r e ，d r i v i n g w a v e f o r m 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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：兰亟至至 e t 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：弓蟊叠j 导师签名： n 日期： 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 显示技术概要及其分类 在人们的科研、生产和日常生活活动中，各种信息大量产生、更新和传递，在信息传输、处理 的过程中，显示技术是人机器系统的重要一环。显示技术具有技术新、发展快、应用广、 前景好等特点。显示技术的历史，特别是电子显示技术的历史，从第一只阴极射线示波管发明至今 已有百年，在这期间仅电子显示器件就出现了上千个品种，而且从原理上完全不同于阴极射线管 ( c a t h o d er a yt u b 简称c r t ) 。显示技术的广泛应用也促进了其它技术的发展，特别是半导体集成 电路技术、计算机技术、材料科学等。而半导体集成电路技术、计算机技术、材料科学等的发展又 大大加速了显示技术向前迈进的步伐。目前电子显示技术已经形成了一个很大的产业。新型显示技 术，特别是高清电视技术的出现，将在本世纪给人类各方面的社会生产生活带来意义深远的影响。 正因为如此，世界各发达国家都竞相投巨资开发研究新型显示技术，力争在竞争中走在前列f l 】。 目前的显示器件包括阴极射线管( c r t ) 、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( e l ) 和场致发射显示屏( f e d ) 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 1 。 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 t ) 场致发射显示( f e d ) 光阀显示 真空荧光显示( w d ) 投影显示 1 2 等离子平板显示器( p d p ) 概述 1 2 1p d p 发展历史 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 在此后的几十年间不断发展，到8 0 年代初，曾经成为占据主导 地位的大面积平板显示器件，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，进入9 0 年代以后，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1 0 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 1 5 2 c m ( 4 0 6 0 英寸) 彩色p d p 已实现商品化1 2 1 0 3 j 。 1 2 2p d p 的发光机理 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，图卜1 所示为一 般气体放电的组成和伏安特性。如图1 - 1 ( 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 东南大学硕论文 过挥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0 】；m m 因此等离子体显示屏在放电过程中一般只出现负辉区。图卜i ( b ) 中伏安曲线表币当加 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于并促使该中性分子产生电离t 并且这些高能 状态下的一次粒于在轰击固体表面时会导致二次电子发射，当碰撞产生的空间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社电离井在外电场的作用下向两极运动- 对于等离于体 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a ( 钔辉光放电 女# ee 隹e 遭雪 m l 立一 n k 二型 。叶爿 电 流 彻1 v 特| 生 图】i 气体放电的特性衄线 2 。潘宁效应 在等离子体显示屏的放电单元中，通常充的是混台的惰性气体如氖气或氮气加上少量的氙气 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 台碰撞到氖、氙的原子，井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n ，电离产生的离子在外电场的作用下会向阳极运动同样在离子的运动过程 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y 。 通过不断的碰撞，电场空司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。这一现象是 潘宁所发现，赦此命名为潘宁效应”。等离子体冠示屏正是利用这一现象来降低放电空间的着火电 压，在早期氤气的浓度大约在珊左右。但为了提高发光效率，目前氤气的裱度己经普遍提高到接近 2 0 。 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。冈此目前等离子体显示屏的着火电压己经降低到2 0 0 v 左右- 3 紫外线的产生 在等离于体显示单元的放屯过程中，氪氙潘宁混台气体会产生大量的激发态和亚稳态原于以及 擞投志二聚物分子等多种粒于其中馓发态的粒子根不稳定会自动还原到稳定的原子状态- 井将 多余的能量咀紫外光的方式向外界辐射。图卜2 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。 第1 章绪论 。+ o 日 + 。 + o to 日+ 日 ( 1 4 7n m ) + v v v - 日o + o ( 1 7 3n m ) + 飞、p 图卜2 氖氚潘宁混台气体的主要电离过程 从上图中可以看出，1 4 7 - r i m 的紫外线是撒发态的氙原子通过共振辐射反应( r e s o n a n c e r a ：l i a t i o n ) 产生的而1 7 3 唧的紫外线则是通过激旋态二聚物氙分子的激发辐射反应( e x c i m e rr a d l a f 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，紫外续的激发随之根快便达到了最高值，此后便 呈指数衰减在l o o n s 时衰减到一半，】u s 时紫外线的激发基本停止。 123p d p 的结构 l 典型结构 等离子体显示屏按照放电单元的结构来划分，有三种典型的结构：直流放电型、交流对向放电 型和交流表面放电型n 三种结构的截面图如图卜3 所示，图中上半部表示水平方向的截面图r f 半部表示对应的垂直方向的截面图。 r - 一f 一r 一 a ) 直流放电 ( b ) 交流对向放电( c ) 交流表面放电 崮卜3 三种典型的放电单元结构 东南大学硕论文 图卜3 ( 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某个数值时气体产生放电，井进一步激发荧光粉发出亮光。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电阻对于整屏所有的像素而言 电阻的相对误差必须小于05 。而这一过程在大规模的生产过程中比较难控制。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 见参考文献【4 】- 图卜3 ( b ) 所示为交流对向放电型单元的结构图，与直流型相比，交流对向放电型在前后基板 的电极上增加了舟质层。在放电过程中介质层上将由于放电电流而不断积累壁电荷，随着壁电荷的 进一步积累，放电空间的场强被逐步减弱，并最终导致放电的停止。困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间产生维持放电所需的电压幅值也会有所下降。 图卜3 ( 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，在前基板每个象素拥有两 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敷在后基扳之 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 u a r p l u m a d i s d l a yp m a e l ，a c c p d p ) 为代表的主流p d p 结构方案。图】- 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圉。 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 扳上依次印敷i t o 透明电极、汇流电板、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亍 流电极保证电好的导电性- 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) ：后基扳与前者相似，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t 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t 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，井从前基板透出。 荧光粉 前玻璃基板 ；l i 电摄 b u 电极 什质层 图1 4 三电极表面放电型交流p d p 放电单元结构示意圈 衢 第1 章绪论 三屯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。最初采用条状障壁结构- 像 亲结构简单但难咀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i s l 和t 型电极结构f 6 l i ”、d e l t a 蜂窝状单元i b i 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i - 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 f f l e 结构与t 型电极的组合结构图。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 c 含量，使得4 2 英寸p d p 的发光效率提高到18 1 m w ，白场峰值亮度提高到 9 0 0 = d m 2 ，功耗降低到3 8 0 w 但有电极对位和排气上的困难- 二 ( a ) 条状障壁( b ) w a f f l e 障壁 囤1 5 条状障壁和w a f f l e 障壁显微图像 图1 石t 型电极结构 图l 一7w 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 e a n d e r r i b s ) 结构，即所谓的d e l t a ( d e l t a t r l - c o l o r a r r 蛐g e m e 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糟不同之处在于放电单元的形状和排列。图l - 8 ( a ) 为d e l t a 结构放 电单元像秉结构示意图，( b ) 为障壁的显微图象，( c ) 为弯曲( m e a n d e r ) 障壁和电极组台的结构不 意图，可以看到d e l t a 结构放电单元由弯曲的障壁构成，一个像录由按d e l t a 方式排列的红绿蓝放电 单元组成。由于该结构增大了荧光粉的涂覆面积，增加了单元中的有效发光面积，从而使亮度和拄 光效率都得到提高，同时具有一定的排气管道但该结构提高了对电极对位精度的要求。 东南太学硕士论立 2 新型荫罩p d p ( s g p d p ) l 竺二生兰里l 坐浏 ( b ) 图1 - 8 d e l t a 结构 j 黧 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，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( 又称正流电极) ， 总线电橙和透明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。在舟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层。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 03 帕后充入适当气压的n e + 4 x e 混台气体，即完成了屏的制作。为了提高屏的放电均匀性，主要是m 印表面状态的均匀性通常需 进行一定时间的老炼。 荫罩 n 自极 图1 _ 9s m p d p 结构 s m p d p 和a c c - p d p 相比t 在结构上撮人的不同就是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 中的介质障壁。s m p d p 中所用的荫罩和与c d t ( c o l o r d i s p l a ) | r t u b e ) 中使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l n v a r ( 一种铁镍台金) 厚度为 0 1 2 02 5 m m ，通过光刻制作图形，用f e c l 3 化学腐蚀而成，其结构如图卜1 0 所示。由于荫罩原材 第】章绪论 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，提高成品率 图1 1 0 荫罩结构图 s m p d p 结构类似于早期的对向放电式结构，不同处在于用导电的荫罩取代了工艺难度高、用介 质材料制作的障壁，降低了成本提高了器件的均匀性。荧光粉的涂覆位置有效的避免了离子轰击， 提高了器件的寿命。 s m p d p 中由于荫罩的每一网孔截面为碗状它与前基板的接触面积很小毋 可以保障荫罩车身 的强度叉可保障对前基板支撑的强度，还能最大限度地增加整个等离子体显示板有效的发光面积 与视角。 由于s m p d p 中荫罩本身也起到现有辞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。 由于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，该结构适台于大批量生产，提高成品率降低生产成本。 与表面放电结构p d p 相比s m p d p 结构开口率高：荫罩本身黑化后可以提高对比度，不用在 前基板制作会碱小显示面积的黑底图案，因此提高了前衬底玻璃基板的通光( 可见光) 性能，有 利于提高亮度和发光效率。 通过改变放电单元的排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 1 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。 。x ：；：x x x x x x 冀：_ 碍鬈潲3 岳x ；8 芬x ；勰 ；“ll“il“il“li“iioh“il“llrll“n“u|i“dlll-葛：墨鬟譬掌焉鲁嚣菩；：鲁3薯碍；0iiiiiiiihiiiiiiiibililllll： 雕- 恶露凛焉黑器嚣3 9 搿 竺竺! 尘! ：竺! 竺竺兰z = = _ 门百t 再n _ ，霸憎n _ f 研憎n 棚 ：! 1 2 2 苎：2 苎2 2 盘2 2 2 只_ _ 商暑 玉并壬； 萄膏圣；芮i 寻；i i i 谛 脚；u 嗍g ；g 瞅! 鲤! 嫩删- 撩慧浦涌曩燕瀑 ；n n n x = ；：瑞：；：；：；x ，- n i n n f ，“i - c “i - i n “l - n o - 1 。- ；篇i - 。i n o i - r _ l - * - ，i i - ；l n n n n n n n n r n n _“n n i 洲i 嗍啷鲤蜊鲫f ! ! - 黑黑黑霜露搿；嚣 器 ：= ：= = x x ：x = ：，：_ _ _ _ 蠢；再i 雨i 试靖i 茹i 磊i 并砖i 并i ：2r ：2 2 2 2 2 2 2 2 ”：i 0 _ _ _ _ 若i x ；爿若； ；菇；磊蔷若；懿 山山山山山| 凼! i ! ：型! 曼曼羔曼曼量量墨昱量i 釜盖 ( a ) 弭萁寸v g as m d p d p 矩脯列抽) 2 5 英寸$ v o a 铷d p d p d e l t a 排列象索 图卜1 13 4 英寸和2 5 英寸s m p d p 象素排列 1 9 9 9 年】1 月肾_ l “，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 的研究。2 0 0 0 年初+ 2 0 0 2 年底中心成功地开发出了】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 辨翠，3 2 英寸0 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 内其间经过丁无数研究 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人 尺寸p d p ，并正透步向着产业化的道路前进。f 图屉s m p d p 的发展历程。 7 东南太学碗论女 2 0 0 02 0 0 1 。一im* am ：a l “z u 。 - - i r a 隧一m 口日 l 一。： 隧，曼 抽口盼j 一品t v 】2 , 4p d p 的常见驱动波形 对于p d p 显示屏，在各组电极上通过施加不同时序的高压脉冲序列就构成了不同的驱动方法。 彩色p d p 的驱动方法的研究是当令p d p 研究中最活跃的部分。方面是因为好的驱动方法可以在不 改变显示屏结构的前提下大幅度提高显示质量，另一方面驱动电路的成本在显示器整机中占有很大 的比重，好的驱动方法可以降低电路的工作电压，对驱动芯片的要求降低，从而可以降低电路成本。 除了普遍使用的a d s l 3 i 驱动方式之外，各十公司针对自己显示屏的结构和特性提出了许多基于 a d s 的驱动方式，例如寻址并显示驱动( a w d ) ”“，c l e a r 驱动方式“ 寻址与显示分离的子场( a d s ) 驱动方法 寻址与显示分离的子场( a d s ) 驱动方法是彩色a c c - p d p 最典型的应用最广泛的驱动方法。a d s 驱动方法由富士通公司首先提出许多驱动方法都是基于它开发出来的。 对于典型的a d s 驱动方法如图1 - i3 ，一个帧频为6 0 h z 的视频帧时间为】66 7 m s ，每个视 频帧分为8 个子场显示，每个子场又分为重置期、寻址期和维持期，每一个子场内都要顺序扫描寻 址各显示行，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。7 - 5 6 级内的灰度可以通过不同的子场组台柬实现。 “k ”pj8 ”pl ”6 | ”l “ i i i i ill _ 图1 1 3a d s 驱动方式 第1 章绪论 以显示数据量化为8 位为例，将一帧时间分为8 个子场，8 个子场的主要的区别在于维持期的 维持脉冲个数不同，如果采用二进制编码，则典型的8 个子场维持脉冲个数比为1 ：2 ：4 ：8 ：1 6 ：3 2 ：6 4 ：1 2 8 。 这样通过不同子场点亮的组合就可以实现2 5 6 级的灰度显示。例如一个数据为0 0 0 0 1 0 0 1 ，只有第一 子场和第四子场点亮，对应灰度级为9 的亮度。对于彩色a c c - p d p ，红，绿，蓝三种基本颜色，每 种颜色可以显示2 5 6 级灰度，这样就可以组合出1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色，从而实现全色显示。 c l e a r ( 即高对比度，低电力消耗的寻址驱动，降低动态伪轮廓的影响) 驱动方法是日本先锋公 司提出的用于高画质彩色a c c - p d p 的驱动方法。如图1 1 4 所示，为c l e a r 驱动法显示灰度的子 场排列情况。 l ! 塑一一一 圈准备期寻址簸圈维持簸 图1 1 4c l e a r 驱动方式 由于p d p 的放电单元只有放电发光和熄灭两种状态，因此灰度显示不能象传统的c r t 一样通 过控制电压的大小来调节发光强度实现，而是利用人眼在短时间内感觉到的光对时间的累积效应， 通过调节各单元在一场中产生放电发光的脉冲数目来实现。与a d s 等驱动方式通过子场维持发光的 组合来显示不同的灰度相比，c l e a r 驱动方式使用子场维持发光的积累来表达灰度。在一个电视场 ( 帧) 的时间里，每个显示单元只有一次准备期和选择擦除。在准备期中，通过全屏放电使所有单元内 累积上壁电荷。所以单元处于点亮状态。然后每个单元根据显示数据进行选择擦除放电，是该单元 处于熄灭状态，不再发光。在维持期，还没有进行过选择擦除的单元进行维持放电。如图1 1 5 ，如 果一个显示单元在第一子场就进行了寻址放电，则显示最暗，灰度级为o ；如果此单元在一场中都 没有进行寻址放电，则显示最亮，为最高的灰度级。由此可见，不论显示哪一级灰度，发光的子场 都是从一场的开头连续排列，c l e a r 方式从原理上消除了动态伪轮廓现象。 暗 亮 子场12 345m - 2m 1m 准备期放电 。发光的维持脉冲 选择撩除放电 不发光的维持脉冲 图1 - 1 5c l e a r 驱动方式发光序列 但是因为各个子场的维持脉冲个数相同，c l e a r 方式能够自然显示的灰度有限。例如1 2 个子 场仅仅能够显示1 2 + 1 = 1 3 级灰度。要想得到更多的灰度，需要使用抖动算法和误差扩散方法对显示 数据进行处理。 寻址并显示( a d d r e s sw h i l ed i s p l a y ，a w d ) 驱动方法是一种基于a d s 驱动方法，发光占空比( 一 场中维持期的时间与总时间之比) 高达9 0 的驱动方法。 9 东南大学颈论文 图1 - 1 6 a w d 驱动方式 从一行的角度来看a w l ) 驱动方式和a d s 驱动方式都是由顺序的重置期，寻址期和维持期 组成，但是从整屏来看，在某个时刻某行正在进行寻址，而另行正在进行维持，还有行在进行 重置。与a d s 方式比较在a d s 中，所以单元同时处于重置，寻址，维持三种状态之一，图1 1 6 表示了a d s 驱动方式，图中的斜线表示每子场的开始。每一个行都开始于不同的时间。由于选种 操作方式a w i ) 驱动不能进行同时进行整屏的重置。这对波形规划提出了很高的要求。 在p d p 驱动被形的研究中，重置期的研究受到较大关注。因为p d p 的最高亮度受到p d p 屏单 元结构，驱动方式，功耗等限制，一般来说报难进一步提高。所以如果想要提高对比度，晟好的方 法是降低最低显示亮度。晟低显示亮度对应的是不发光的屏单元的亮度，可以理解为是重置期的背 底亮度。 到目前为止。有三种典型的重置波形分别是窄脉冲型，指数渡型，斜坡型【”】1 2 ”。由l f w e b e r 提出的斜坡型重置脉冲是现在使用晟为广泛的重置方式。绝大多数商用a c c p d p 的重置波形都是 斜坡型和斜坡型的变型。斜坡型波形的好处是由于斜坡的斜率不变。可以较指数波型更为精确的确 保放电为弱放电，提高了对比度缩短丁重置期的时间。同时由弱放电产生的p r i m i n g 粒子有利于寻 址。 12 5p d p 的特点和问题 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，相对 于其它几种显示技术，p d p 有它自身的优点。p d p 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 度以上。等离子体显示 单元具有根强的非线性特性，做为矩阵显示，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。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得多的亮度，这使得高分辨 率大屏幕p d p 成为可能：目前单色p d p 己做到对角线选到15 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，1 6 7 0 万种颜色。由于p d p 利用的是气体放电，所以受磁场 影响小，无需碰屏蔽。另外，p d p 响应快，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。 同时，等离子体显示屏也存在着些问题。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。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。由于p d p 发光是利用的是辉光放电的负辉区，效率比较低。显示质量有待提高， 存在串扰，在分辨率、对比度、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 蕞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，创新是唯一的山路这其中包括， 第1 章绪论 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。 1 3 本论文的主要工作 本论文主要采用了实验诊断的方法，研究了不同放电方式、单元形状和驱动波形对p d p 放电特 性的影响。 首先，介绍实验系统的建立，同时对实验中所研究的物理量的测量方法进行了说明。 其次，改进了荫罩式结构放大单元的制作方案和工艺，设计、制作了荫罩式对向放电结构、介 质障壁对向放电结构、荫罩式表面放电结构和介质障壁表面放电结构的放大单元。利用放大单元的 研究的方法，对荫罩式对向放电结构、介质障壁对向放电结构、荫罩式表面放电结构和介质障壁表 面放电结构的p d p 进行了放电特性研究，分析了电极宽度、电极间距对放电特性的影响，并在相同 条件下对这四种结构的放电特性进行了比较。 然后，针对3 2 英寸w v g a 非对称结构s m p d p 的放大单元和4 英寸实际小屏，分别研究了放 大单元和实际小屏的工作电压、放电强度、效率等特性。研究了电极位置和电极小桥长度对放电特 性的影响，并比较了放大单元和实际小屏测量结果的趋势，验证放大单元的可行性。 基于放大单元的实验方法，研究了十字形和菱形s m p d p 放电单元结构的放电特性。 最后，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、电压峰 值等因素对正向斜坡放电、负向斜坡放电的影响；同时还研究了寻址脉冲对寻址放电和第一个维持 放电的影响。 东南大学硕士论文 第2 章实验系统及测试方法 目前，降低成本和提高效率是p d p 研究的两个主要方面，而了解和掌握p d p 单元的放电特性对 提高效率有着很重要的意义。实际的p d p 制作工艺流程复杂，且其放电单元尺寸在百微米量级，如 果将实验都基于实际单元，这将耗费大量的人力、物力和时间。本章着重介绍基于气体放电相似性 定律的放大单元模型，以及气体放电特性的测量系统和相关物理量的测量。 2 1 放大单元的介绍 2 i 1 理论基础【1 6 1 巴邢定律陈：，囟矽表明，气体击穿电压圪是气压p 与电极间距d 乘积的函数，也就是说，当两 个放电管的阴极材料、结构形状、充入的气体等都相同时，不管气压与电极间距离是否相等，只要 两管的p d 乘积相等，则两管的击穿电压相等。因此，当助西动西，即p l p 2 = d j d l 时，则有蹈= 比， 式中下标l 和2 分别表示放电单元的标号。显然，当两放电管满足气压和极间距离成反比时，击穿 电压相等。也就是说，当1 管气压是2 管气压的a 倍而1 管极间距离是2 管极间距离的1 a ，两管的 击穿电压相等。与相似三角形相仿，当放电单元中某些参量之间成比例变化时，两放电单元的放电 是相似的。巴邢定律是相似放电的特例。 霍姆( h o l m ) 在巴邢定律的基础上，提出了气体放电的相似定律，即两个相似放电空间，具有 相同的放电伏安特性，称之为相似放电。放电相似定律是气体放电中重要的定律之一。 图2 - 1 相似放电单元示意图 图2 - 1 为所示的两相似放电管，若它们的线度尺寸都相差a 因子， 则可得下列关系式： d 1 = a d 2 d 1 = a d s r l = a r 2 ( 2 1 ) r l = a r 2 式中d 为两平板电极间的距离，d 是放电管柱体直径，r 是电极的半径，r 为任意相应空间距离。 下标1 和2 表示放电管的标号。 放电管的面积之间的关系为 d a l - - a 2 讹 ( 2 2 ) 气体中电子、离子、分子的平均自由程之间的关系为 入l = a 入2 ( 2 3 ) 在温度相等时，气体粒子浓度与平均自由程成反比，而气体压力与气体粒子浓度成正比，因此 有 1 2 第2 章实验系统及测试方法 ( 2 - 4 ) 两相似放电管极间电位差相等，则相应空间电位相等，v , = v 2 ，则空间电场强度之间的关系为 毛。= 二毛2( 2 - 5 ) 因电极表面电荷密度。与电场的关系为暑= 4 zo ，所以有 ol = 二o2 ( 2 6 ) 由泊松方程d 毛d x = 4 万p ，则放电空间净电荷浓度有 肼2言岛(2-7) 带点粒子浓度有 1 r l e l 。彳1 1 2 ： 口 n i l = ；n 1 2( 2 - 8 ) 由式( 2 3 ) 、( 2 - 5 ) 可得 入1 毛l = 九2 毛2( 2 9 ) 则 f 2 l ：垒 ( 2 1 0 ) p lp 2 由此可知，在两相似放电管内带电粒子在一个平均自由程从电场获得的能量是相等的，而带电 粒子的温度和漂移速度决定于毛p 。所以有 t l = t 2 ，u 1 = u 2( 2 1 1 ) 由于放电密度j = p u ，从式( 2 7 ) 、( 2 - 1 0 ) 可得电流的关系有 1 1 = 1 2( 2 1 2 ) 由此可见，当两相似放电管所加电压相等时，放电电流相等。但是，当气体放电的基本过程导 致带电粒子浓度n 的变化率满足式( 2 1 3 ) 时，相似定律才成立。 ( 钟上a 3f ，l 引d t ) ： 气体放电过程电中的基本过程主要包括：放电空间各种带电粒子的产生过程，例如电子碰撞原 子电离、潘宁电离等：各种运动过程，如漂移运动、扩散运动等；各种消失过程，例如空间复合、 壁损失等。所有这些基本过程，并不是