（物理电子学专业论文）具有立体电极结构的等离子体平板背光源的研究.pdf

摘要 摘要 等离子体平板背光源是一种采用氙氖混合气体放电的新型的平板荧光灯，具有无汞污染、白场 均一性好、稳定性好并且响应速度快等优点，适合制作能够消除图像模糊现象的扫描式液晶背光源， 因而有着较好的应用前景，但是与液晶显示器中主流的冷阴极荧光灯( c c f l ) 相比，目前还存在着亮 度低，发光效率比较小的缺点，难以达到实用要求。 本论文以提高发光效率为目的，从空间电场分布的角度提出了一种立体电极结构，重点研究了 立体电极结构对放电产生的粒子数量以及1 4 7 n mv u v 自吸收效应的影响，立体电极结构的制备也是 论文的研究方向之一。 空间电场分布是影响发光效率的主要因素之一，本课题在理论分析以及软件模拟立体电极对等 离子体放电空间分布的影响后，制作了一批电极间距为3 m m 的平面电极与立体电极的对比实验屏， 测量了具有立体电极与平面电极的实验屏的单次放电红外强度以及光谱谱线强度，结果表明在同样 的驱动条件，气体条件以及支撑高度下，立体电极结构比平面电极结构放电强更剧烈，且减弱了 1 4 7 n mv u v 的自吸收效应对发光效率的影响。 立体电极的制备是工艺难题，本课题对立体电极的制备方法进行了大量的实验，最终确定采用 模压法技术作为立体电极的制备方法，同时规范了介质制备，荧光粉涂敷等其他工艺流程，制备出 尺寸为3 2 0 m * 8 0 m m 的具有立体电极的等离子体平板背光源，为进一步研究奠定了良好基础。 关键词：等离子体平板背光源立体电极空间电场1 4 7 n m v u v 模压法 4 摘要 a 。b s t r a c t p l a s m af l a tb a c k l i g h t s ( p f b ) 丽t l lx e d i s c h a r g eh a v e b e e ns t u d i e da n df a b r i c a t e di nt h i s p a p e r i ti ss u i t a b l ef o rt h ep r o d u c i n gs c a n n i n gl c db a c k l i g h tt oe l i m i n a t eb l u rf o ri t sm e r i t s ， i n c l u d i n gm e r c u r yf r e e ，g o o du n i f o r m i t ya n dr e l i a b i l i t y s oi tg e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb y t h ew o r l d w i d er e s e a r c h e r s b u tc o m p a r e dw i t hc o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n t1 a m p ( c c f l ) i n l c d ，i t sl o w e rb r i g h t n e s sa n dl u m i n a n c ee f f i c i e n c ya l eh a r dt or e a c ht h em a r k e tr e q u i r e m e n t ， w h i c hi st h eu r g e n ti s s u et ob ei m p r o v e d i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s e dan e we l e c t r o d es t r u c t u r ew h i c hi sc a l l e d3 ds h a p ee l e c t r o d e i nt h ev i e wo fi m p r o v i n gt h es p a c ee l e c t r i cf i e l do ft h ep l a s m ad i s c h a r g e t h ee f f e c to ft h e n e we l e c t r o d es t r u c t u r eo nt h eq u a n t i t yo fe l e c t r o n sa n dx e n o ni o n sp r o d u c e db yd i s c h a r g e a n dt h e1 4 7 n mv u v s e l f - a b s o r p t i o nw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ep r o d u c t i o np r o c e s so f t h e 3 ds h a p ee l e c t r o d ea l s ow a sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h es p a c ee c l e c t i cf i e l di so n eo ft h em a j o rf a c t o r so ft h ep l a s m al u m i n a n c ee f f i c i e n c y a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds o f t w a r es i m u l a t i o no ft h e3 ds h a p ee l e c t r o d es t r u c t u r e ，w e p r o d u c e dan u m b e ro fe x p e r i m e n ts c r e e n 、航mo rw i t h o u t3 ds h a p ee l e c t r o d es t r u c t u r ei nt h e e l e c t r o d eg a po f3 m m t h em e a s u r e m e n tr e s u l to ft h ei ri n t e n s i t yo fd i s c h a r g ea n dt h e s p e c t r a ll i n ei n t e n s i t yi n d i c a t e dt h a tt h e3 ds h a p ee l e c t r o d es t r u c t u r ec a ni m p r o v et h e d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l a tp l a s m ab a c k l i g h t t h ep r o d u c t i o np r o c e s so ft h e3 ds h a p ee l e c t r o d ei so n eo ft h em a j o rt e c h n o l o g y p r o b l e m s i nt h i sp a p e rw et r i e dal o to fm e t h o d st op r o d u c et h e3 ds h a p ee l e c t r o d e ，f i n a l l y t h em o l d e dm e t h o dw a su s e da s3 ds h a p ee l e c t r o d ep r o d u c t i o np r o c e s sm e t h o d ，a n d m e a n w h i l et h eo t h e rp r o d u c t i o np r o c e s sm e t h o d sw e r es t a n d a r d i z e d as i z eo f3 2 0 m m 幸 8 0 m m 撕t h3 ds h a p ee l e c t r o d ef l a tp l a s m ab a c k l i g h tw a s p r o d u c e df o rr e s e a r c h i n g ，a n dt h e s e a c h i e v e m e n t sl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h i n g k e y w o r d ：p l a s m af i a tb a c k l i g h t s ，3 ds h a p ee l e c t r o d e ，s p a c ee l e c t r i cf i e l d ，1 4 7 n mv u v m o l d e d m e t h o d 5 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：! 翌舀导师签名：研究生签名：玉些导师签名：e t 期：2 1 ：丝： 第一章绪论 第一章绪论 随着家庭娱乐需求的不断增加，大尺寸平板显示器正占领着越来越大的市场分额i l ，。平板显示领域竞 争激烈，薄膜晶体管液晶显示器( t f t - l c d ) ，等离子体平板显示器( p d p ) ，场致发射平板显示器( f e d ) ， 背投电视( r p t v ) 各自在不断地改善各自在亮度，对比度，响应时间，寿命，功耗、体积和重量方面的 性能，以满足市场要求。目前普遍认为液晶平板显示器，特别t f t _ l c d ，是近期内在综合性能上最为成熟 的技术之一【1 1 。 l c d 是非主动发光型显示器件，背光源作为l c d 必不可少的配件之一，其开发与发展一直是l c d 产 业十分重要的一个环节。t f t - l c d 画面的亮度、对比度、亮度均匀性和功耗等重要性能与其背光源有很 大关系。l c d 背光源应具有以下性能：亮度高、均匀且可调、照明角度大、功耗低、厚度薄且重量轻等： 此外，作为彩色l c d 的背光源，还应有良好的显色性。表1 1 是l c d 背光源应具有的一些技术指标n 1 。 表1 1l c d 背光源的指标 项目指标 趋势 光学 旨标 表丽亮度2 0 0 0 c d , m 2 照暖角度- - + 4 5 。( 水平) ，- - + 2 5 ( 霉直 增大 亮度调节 1 0 倍增大、实时可调 不均匀性 l o 耗电指标 2 影 、 3 1 0 0 0 硝 诬 妊 姻 i o l j 气| 匿p _ 矩离d p a c m 图2 5 巴邢曲线 7 荧光粉发光原理【2 0 】 由于1 4 7 n m 的真空紫外线能量大，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。这种发光称为光致发光。真空紫外光激发荧光粉发光的原理图如图2 - 6 2 l 第二章等离子体平板背光源的工作原理及放电过程的研究 所示。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。当荧光粉的基层吸收了真空紫外线能量后，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。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。本实验中采用适当比例的红绿蓝三色荧光粉混合后产生均匀的白光。 l 目e 重e 一 导带 j ：心黼 、睁 价带 0 图2 - 6 真空紫外线激发荧光粉发光的过程示意图 2 2 等离子体背光源的能量损耗分析 表2 - l 为等离子体背光源的能量损耗百分比典型值，随着放电条件的改变能量损耗的百分比值 也会随之改变。下文中将分析各部分能量损耗的原理，减少能量损耗的可能性，从理论分析的角度 找到提高等离子体背光源发光效率的可能方法。 表2 1 等离子体背光源中各部分能量损耗百分比 能量百分比1 ) 能圣损失 用予放电的总电场能量 10 0 i t 用于加热电子的能琶 4 ) 6 0 嘉；予加热j 爱托 i 7 用于鼠激发妁能奄 20 5 0 x e 电离n e 激踅和电离 i t 用于产生紫外光的能量 l5 25 转换 _ ， 到迭荧光彷的萦外圮能鼋 7 5 5 0 紫外光不能到达焚允衿 t 用于产生可见光冠子的能迂 2 5 6 7 紫外光转换时损耗 i 跣察到的可见恕能圣 1 5 4 ( j 可见光不能到达前西饭 第二章等离子体平板背光源的工作原理及放电过程的研究 1 离子加热 等离子体背光源的发光机理是辉光放电，正常的辉光放电必需由二次电子发射来维系，通过二 次电子发射引发电子雪崩从而维系放电的稳定进行。二次电子发射以及电子繁殖的过程主要发生在 阴极鞘层区中，相比于负辉区与正柱区，阴极鞘层区的平均电场强度和带电粒子密度都要远大于前 者。失去电子的正离子在阴极鞘层区中获得速度，一部分运动到介质层表面与介质层碰撞产生有用 的二次电子，另一部分与容器壁或者相互碰撞转变为热能，即离子加热。由于离子加热对于j v 的 产生基本上没有贡献，所以减少离子加能量热损耗是提高等离子体背光源的必然途径。以下几条为 减少离子加热能量损耗的有效方法： 提高驱动频率到射频范围，此时放电维持的方式就不再是二次电子模式，离子加热能量损 耗所占百分比将大大减少，但本论文中等离子体背光源的放电形式还是正常辉光放电，故 对这种方法不做进一步的讨论。 增大等离子体背光源的放电路径，减少阴极位降占总电压降的比例。从辉光放电的电位分 布图上可以看出，在输入能量不变情况下，放电路径越长，阴极位降区面积占总位降的比 例越低，从而减少例子加热的能量损耗百分比。 在相同的输入功率情况下提高电压降低介质的电容，研究显示这种方法对减少离子加热有 显著的作用。 改变气体成份，例如加入5 比例的氩气，氢气的快速电离可以明显地减少阴极鞘层区的电 压降大小。 2 x e 激发 电子自阴极位降区加速，经过负辉区与正柱区时与拖原子碰撞，将自身的能量传递给x e 原子。 若电子的平均能量值高于x e 的电离能，则x e 原子将被直接电离，反之若电子平均能量值低于x e 的激发能，则只会发生弹性碰撞，能量将转变为x e 原子的动能和热能。只有当电子平均能量值处于 x e 原子激发能时才能最有效地激发x e 原子，得到对光通有贡献的真空紫外线。归纳起来提高x e 的 激发效率的有效途径有下述方法： 提高x e 气成份的比例，提高气体压强。高x e 高压可以增加x e 的有效碰撞截面，从而提高 电子激发x e 原子的概率。目前这种方法被广泛的采用在p d p 中以提高发光效率。 增大放电路径长度以提高电子激发x e 原子的概率。电子在经过负辉区进入正柱区后，由于 正柱区等离子密度要远小于负辉区，导致电子在这个区域的有效碰撞截面远小于负辉区。 拉大放电路经可以使电子与娩原子的碰撞几率提高。 调整驱动电压至合适的值，使得电子平均能量处于最有利于激发及原子的状态。实验中可 以通过绘制电压与发光效率曲线来得到最佳的驱动电压值。 3 1 4 7 n m 紫外光自吸收 由于谐振态娩对自身所产生的1 4 7n t n 真空紫外线存在自吸收效应，当谐振态x e * 处于远离荧 光粉的位置时，它所产生的1 4 7 n mv u v 通常会因为谐振态屉自吸收，而后谐振态娩。与其它粒子 碰撞而退激，故1 4 7 n mv u v 的产生范围仅在荧光粉的几个吸收长度之内加以考虑。而对于x e 2 二聚 物态所产生的1 7 3a m j v 射线，则没有这个限制。另外，在放电熄灭后，亚稳态屉作为储存库， 在很多微秒内吸入能量产生。娩2 ，增加了单元中x e 2 的有效寿命。由于这些时空上的差别，二聚态 施2 对可见光有着重要贡献，甚至远大于殷谐振态的贡献。对于共面电极等离子体平板背光源，由 于谐振态屁产生在远离荧光粉的前板表面附近，因此胞紫外辐射几乎完全被捕获在单元之内，没 有有效地到达荧光粉从而转化为可见光。以下两种途径可以减弱自吸收效应对于发光效率的影响： 2 3 第二章菩离子体半楹背光潭的工作原理爰放电过程的研究 改变放电气体，使更多的能量引向盈f 。提高盟浓度和气体气压都可以有敷的使放电时的 三体碰撞更加有效，增加二聚态分子娩2 的生成，获得波长为l ，3 岫的真空紫外线，增加 发光效率。 使放电尽可能的接近荧光粉，减少1 4 7 皿真空紫外线的自由程。将放电引入到更靠近荧光 粉的位置时减轻1 4 7 r i m 真空紫外线的自吸收教应。 2 3 等离子体平板背光源的放电过程 等离子体平扳背光源的放电过程分为四个阶段，分别用图片2 - 7 至图片2 - 1 0 代表说明图片中 左边的电极为瞬时阴极，右边的电极为瞬时阳极，腰影代表电子的空同分布。在第一阶段放电建立 初期，电子快速向阳极运动，电离阳极附近皿原子。相比于知离子，电子的质量小运动速度快， 赦电子很块就会在阳极表面均匀的分布。随着电子在阳极表面的积累等效阳极向阴极附近运动，皿 离子的产生随之向阴极运动，其形状类似于“彗星”，如图2 4 所示。在第2 阶段随着放电的进行， 从阴极到阳极的一条离子化通道形成。在这条通道中不断产生皿离子，正离子受到阴极电场的作用 附着在阴极表面，与此同时电子运动到阳极后形成电流，由此形成一个平衡的放电通道，如图2 4 所示。在放电的第3 阶段，阴极表面因积景正离子而导致电位低于维持这一平街的电位时，这个放 电通道舍逐渐截至，当阴极表面的局部区域困离子的持续累积而完全截至时，放电通道便会向阴极 表面的其他区域蔓延发展，如图2 - 9 所示。在放电的第4 阶段，整个阴极表面都被正离子所覆盖， 放电结束，如圈2 - 1 0 所示。 蔓垡些! 上墨韭l u 亨1 n ： j 瞄l j l 1 r 1 - ；一 图2 7 放电阶段 一 。1 。毒i 吒! 曼笪曼垒! ，一 j 。言- 宙r 1 r ；一 图2 - 9 放电阶段3 1 2 9 g 二2 4 一 p - t l 鼍_ _ 兰j 1 r d 1 r 1 r 一 目2 - 8 放电阶段2 。；= = = 兰竺兰兰兰兰= = = ； ：。_ _ - - - ，j 图2 1 0 放电阶段4 等离子体背光源的放电过程可以用高速i c c d 拍摄到的8 2 3 1 8 2 8n m 红外辐射强度米表示将 1 c c d 的拍摄触发设置为驱动脉冲电压的上升沿，在屏体两端加电的瞬间i c c d 开始拍摄在电极间 距为5 r n m ，气压2 0 0 t o r t 。2 0 x e + 8 0 e 狲e ，5 0 占空比脉冲驱动，频率2 0 k h z ，电压6 0 0 v 的情况下 拍摄到等离子体背光源的放电全过程如图2 - 1 1 ： 第= 章等离f 体平桎背光源的i 柞原理丑放电过研究 图2 - i i 等离子体背光源放电过程的i c c d 图像 图2 - 1 1 中左边电极为瞬时阴极，右边电极为瞬时阳授。晴极和阳极的表面均制作了徽细凸起 以形成多个三角形的放电区域从而防止正柱区收缩。从田中可以看出，第一条放电通道在加电后 5 0 0 n s 左右形成，阴极附近出现的亮斑为阴极负辉区，在放电通道形成的初期正柱区的等离子体密度 很小。所以在5 0 0 n s 时看不到正柱区发光的迹象从本节韧的分析中可以看出，随着放电的进行， 阴极表面应该有。蔓延吼孽。但是因为电极是不透啊的所以这一现象没有拍摄到。放电进行到1 0 0 0 n s 时，发光区域从朗极附近向空问扩散，当放电进行到 5 0 0 n s 时可以拍摄到完整的负辉区与正柱区， 由于徽细电极凸起的存在使得放电区域呈三角形分布，这样的分布形状可以有效地扩张放电通道形 成的范围，防止柱柱区收缩。放电进行到2 0 0 0 n 时达到最高峰。而后逐渐熄灭。从这一系列拍摄照 片中可以得到等离子体背光源放电的几个特点：1 ；负辉区的发光亮度最强，但发光区域仅限于阴极 附近，对叠光通的贡献有限。2 ；正柱区发光亮度比负辉区弱，但是其亮度分布均匀且发光区域广( 约 等于电极间距) ，对垒光通的贡献大。3 ：徽细电极凸起的制作有利于防止放电通道收缩。4 t 等离子 体背光源从点亮到全光通输出需要一定的时间，驱动额率不能过快。例如对于上述情况，点亮至全 光通输出时间约为3 m ，故驱动电压的相位转换频率不能大于1 6 7 k h z ( i 6 u s ) 。 第三章具有立体电极结构的等离子体平板背光源的提出 第三章具有立体电极结构的等离子体平板背光源 的提出 3 1 立体电极结构提出的理论依据 通过分析等离子体背光源的放电理论以及能量损耗，可以看出等离子背光源发光效率与以下两个因素 有紧密的联系： 1 ：电极间距。有关大电极间距有利于提高等离子体背光源发光效率的事实已被众多实验结果所证明， 在此不再赘述，仅提出电极间距的大小影响放电的两个方面，第一：x e 的激发概率，从放电理论碰撞截面 的角度而言，增加放电路径的长度将会增加电子碰撞x e 原子的几率，只要将电子的平均能量调整到适合于 激发x e 的能量值，则增加电极间距就会增加x e 的激发碰撞截面，从而提高发光效率；第二：离子加热部 分能量损失占总能量损失的百分比，在前面的分析中提到等离子体背光源大部分发光区域都是正柱区，而 离子加热主要发生在电场强度相对较大的阴极鞘层区与负辉区，从辉光放电的电位分布图上可以分析得出 正柱区越长则分布在鞘层区与负辉区的电位降越低，正柱区两端电位降越高，总的能量分布会趋向于高发 光效率的方向。因为在等离子体背光源中电极间距可以粗略的等效为正柱区的长度，所以以上两个方面概 括起来就是：正柱区越长发光效率越高。 2 ：自吸收效应对于h v ( 1 4 7 n m ) 利用效率的影响。考虑谐振态的激发与退激过程：首先被加速后的电 子与x e 离子碰撞复合后，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： p + 皿+ 专x e ”( 2 办或2 p 6 ) + h v ( 3 1 ) 然后x e 原子2 珐或纸的能级的激发态娩”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 热或2 风) 专x e + ( 1 s 4 或l s ：；) + h v ( 8 2 3 n m ：，8 2 8 n m ) ( 3 2 ) x e + ( 1 黾) 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： 恐( 1 ) _ x e + ( 1 & ) 这里，l s 。是皿原子的谐振激发能级膨原子1 矗能级的激发态跃迁至娩的基态时，就发生共振跃迁，产 生使等离子体背光源放电发光的1 4 7 n m 紫外线： x e o s , ) 一x e + h v ( 1 4 7 m ) ( 3 3 ) 与此同时也存在上述退激过程的逆过程： x e + h v ( 1 4 7 m ) 一x e ( 1 矗) ( 3 - 4 ) x e ( 1 & ) 粒子很容易与空间中存在的其它粒子碰撞而失去其激发状态，从整体的角度看就像是娩原子把 1 4 7 n m 真空紫外线吸收了，整个过程就叫做恐的自吸收效应。 从以上分析中可以看出厅v ( 1 4 7 1 1 1 ) 到达荧光粉的自由程越短自吸收效应越小，而h v ( 1 4 7 n m ) 的产生地点 第三章具有立体电极结构的等离子体平板背光源的提出 离荧光粉的距离是整个自吸收效应的关键参数。空间电场分布决定了h v ( 1 4 7 n m ) 的产生地点，要改善自吸收 效应就应该从优化空间电场着手。关于空间电场分布对于自吸收效应的影响可以通过测量放电过程中产生 的可见光强度与8 2 8 n m 红外线强度反映出来。图3 - 1 为光纤光谱仪测量得到的等离子体背光源工作时各种 波长谱线的强度分布图，图3 - 2 为8 2 3 8 2 8a m 红外强度的局部放大图，8 2 8n m 红外线强度可以代表放电时 产生的h v ( 1 4 7 n m ) 强度。 wa v e l e n g t h ( n m ) 图3 1 等离子体背光源放电产生的各种波长谱线强度图 图3 28 2 3 8 2 8 姗红外强度图 实验中设计一组电极间距从l m m 到6 m m 改变的对比实验屏，调整对比实验屏的驱动参数使得各个背 光源发出相同强度的5 4 5 n m 可见光，测量不同电极间距下8 2 8n l n 红外强度，由8 2 8r i m 红外强度大小来表 征空间电场分布对于自吸收效应的影响。如图3 3 所示，在相同的发光强度下，8 2 8l l r l l 红外强度随着电极 间距的增大而减少，且在电极间距大于5 m m 后基本趋于稳定，说明随着电极间距的增大h v ( 1 4 7 n m ) 的利用 效率变高。电极间距的增大有利于空间电场向荧光粉方向延伸，从而减弱自吸收效应的影响。 一西_c300xli西c旦c一 一旦c，8一l|sc卫u| 第! 章r 有女# 电构等离f # 板背光镡的提$ 2345 6 e l e c t r o d eg a p ( m m ) 图3 - 3 相同的发光强度下不同间距实验屏放射的8 2 8 r m 红外线强度 根据上述理论依据我们提出了具有立体电掇结构的等离于体平板背光源如图3 4 所示，立体电极结 构在传统的表面平行电极结构的基础上增加了向空间延伸的电极凸起，首先利用立体电极为气体放电提供 对向放电路径，实现比表面放电更长的放电路径，其次由于立体电极的存在使得放电电场向荧光糟方向延 伸。进而使得放电所产生的”( 1 4 r e a ) 真空，睁 线更靠近荧光糖通过减少自吸收效应的影响来提高等离 子体背光源的发光效率。 圈具有立体电极结构的等离子体平板背光潦放电路径示意图 伽 啪 舌| 啪 珈 啪 一旦c口。)鲁c3lc“ 第三章具有立体电极结构的等离子体平板背光源的提出 3 2 立体电极结构的模拟结果及分析 3 2 1 模拟模型及方法 等离子体背光源模拟的模型结构如图3 5 所示，该结构为一个放电单元的剖面图。整个结构上层是介 质层，模拟中设介质层厚度为e = 0 0 6 咖，相对介电常数，= 1 0 。介质外侧是左右两表面电极，表面电极的 宽度f 0 5m m ，左边的加电压+ v 。，右边的加电压一v 。在介质层内侧表面制作有一层0 5l u nj | l i 的，用以提 高二次电子发射系数，降低放电电压。相对于介质层的厚度，魄p 的厚度太小，不需要考虑。放电单元的 长度l 取决于电极距离d ，分别设定d = 3 m m ，对应l = s m m ，左右两边界用无厚度的介质封闭。上下层之间距 离h = i 0 4m m ，即为放电空间高度，设定有5 0 0 t o r r 的n e x e = 8 0 2 0 的混合气体。e 离子和托离子在脚 表面的二次电子发射系数分为o 5 和0 0 5 。 介 l 图3 - 5 等离子体背光源模拟模型结构 e h 模拟方法采用粒子网格一蒙特卡罗碰撞( p i c m c c ) 方法，算法流程如图3 - 6 所示。 图3 - 6 模型算法流程图 p i c 方法的基本方程为描述电磁场的m a x w e l l 方程和描述带电粒子运动的n e w t o n - l o r e n t z 方程。由 于放电较弱，电流比较小，因此不考虑磁场，而只考虑静电场作用。空间的电场分布由泊松方程给出 队b 军蚺5 ， 第三章具有立悻屯板结构的等离子悻平板背光源的提出 其中，e 为舟电常数，e 分别为电场强度m 为第i 种带电粒子的密度，q i 为第i 种带电粒子的电荷粒 子的运动方程为 鲁m 詈2 鲁一2 社 。6 ， 其中，m ，r 、v 分别为粒子的质量、位移和速度模拟过程中，由若干具有相同位置和速度的实际粒子组成 构成宏粒子，对宏粒子的运动方程进行求解，获得位置和运动速度在对气体放电过程，采用荣特卡罗碰 撞( m o n t ec s r l oc o l l i s i o n ，* o c ) 来模拟带电粒子、气体原子之问的碰撞。 在模拟中横纵方向均采用1 0 um 太小的阿格划分。时间步长为1 0 - ”s ，模拟中的每个粒子表示实际的 1 07 个粒子。为了对比立体电极结构与平面电极结构的模拟结果，需要在平面电极结构边界条件的基础上改 曲界条件，增加凸起高度为p 的立体电拯修改后立体电援结构与乎面电楫结构的边界条件如图3 - 7 所示： 图3 - 73 n u n 电极间距的表面电极与立体电极的边界条件 3 2 2 模拟结果及分析 立体电极结构与平面电极结构再两电极电压分别为+ 3 0 0 v 和- 3 0 0 v 对的模拟放电过程对比如图3 所 示：( e l e a r o n 、x e n o n 在不同时刻的空间分布情况) 电极结构时间 e l e c t r o n ( n s ) 平面2 0 翮 i il i园 立体 i 鞠 一 雾囵 i ! 蠹爨 平面 圈 一! l 霉圜i ! l 立体l 。“。“湖 重f雾：习 鬯 潮 平面 l甄圉誉 i l 。巍 立体 l 雪_ 1 雾露雾 第j 章具有体电桎结构的等离子体平楹背光源的提出 图3 - 8 立体电极与平面电极放电过程模拟结果对比图 以电极所在处为y 轴原点，y 轴坐标为横坐标，对x 轴方向上放电产生的电子数累加。得到6 0 0 v 电 压下立体电极结构电子数浓度随空间位置分布曲线如图3 - 9 ( a ) 所示。平面电极结构如图3 - 9 ( b ) 所示， 立体电极结构电子数峰值出现在y 轴坐标9 7 7 5 e 4 处，峰值为2 1 2 3 ，表面电极结构峰值出现在8 0 2 5 e - 4 处，峰值为1 7 1 2 ，曲线结果表明立体电极结构所产生的电子鼓峰值大于表面电极结构，且产生地点更靠近 荧光粉。 n ) 丘 e 3 z 00 0 0 000 0 0 200 0 0 400 0 0 600 0 0 800 0 1 000 0 1 2 y 1 d i s t a n c e ( m ) a ) 立体电极结构 0 l 黾 寻 伽 伽 第! 章a 有女体电楹结构的等离子体平板背光提“ 00 0 0 000 0 0 200 0 0 400 0 0 600 0 0 800 0 1 000 0 1 2 y d i s t a n c e ( m ) ( b ) 平面电极结构 图3 - 9 立体电极与表面电极放电过程模拟结果对比图 图3 一l o 为粒子数量随时闸的分布曲线，a 为立体电极结构，b 为表面电极结构。绿色曲线为氖离子， 黄色曲线为氤离子，蓝色曲线为电子。立体电极结构放电时产生的电子与氙离子峰值数量约为44 1 e + 5 ，表 面电极约为2 7 1 e + 5 ，立体电极粒子数量到达峰值的时间约为i f - 7 ，表面电极约为1 3 e - 7 。立体电极结构 的粒子数峰值大于表面电极，达到峰值的时间小于表面电极 图3 1 0 粒子数量随时间分布对比图 b 模拟放电过程的结果表明立体电极结构的存在增强了空间电场使得放电更加剧烈，电场向空间延 伸使得1 4 7 a m 紫外线产生地点更靠近荧光粉。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 湖啪枷抛咖咖咖枷抛 抛 苗d e ：z 第j $ 具有体电极结构的婷离子体平扳背光的提 3 3 具有立体电极结构的等离子体平板背光源的结构 具有立体电极结构的等离子体平板背光源包括以下组件，如图3 1 1 所示：前基板1 、后基板2 ， 前基板主要由前衬底玻璃基板3 、立体电掇4 、介质层5 、保护膜6 、薄荧光粉层7 组成，立体电极由 在玻璃基板表面的平面电极8h 及与平面电极相连通的具有一定立体形状的电极9 组成；后基板2 主要由后村底玻璃基板1 2 、边框支撑1 3 、内部支撑1 4 、组成，其中边框支撑位于后衬底玻璃基扳周 边，所包围的面积为平板光源发光的面积，厚荧光粉层1 5 涂敷在发光面积以内。 幽3 - 1 1 具有立体电板结构的等离子体背光源的结构图 第四章具有立体电极的等离子体平面背光源的制备 第四章具有立体电极的等离子体平面背光源 的制备 4 1 等离子体平板背光源的制备工艺 等离子体平板背光源制作的工艺流程如图4 - l 所示： l 自6 玻乎基板 后玻璃基板 土土 l 立体电极制各 钻排气孔 上 上 l 贴介质膜 制作支撑 l il l , 蒸镀m g o 涂封框胶 喷荧光粉 封接 上 充气 上 老练测试 图4 1 等离子体平板背光源制备的工艺流程 前板的制备过程如下：首先划取所需尺寸的钠钙玻璃，标注玻璃的正反面：经过退火，清洗， 烘干后使用导电银浆材料，采用丝网印刷或其他工艺技术形成所需形状的电极：烧结后使用压膜机 在烧结后的电极上热压介质膜经高温烧结形成透明介质膜：高温烧结后采用电子束真空蒸发技术， 在介质层表面蒸镀均匀的氧化镁膜层，这样前板就制备完成了。 后板的制备过程如下：首先划取所需尺寸的钠钙玻璃，在距离边角2 c m 的位置钻排气孔；经过 退火，清洗，制备支撑，烘干后使用涂边机涂封框胶，注意距离玻璃板边框的距离和下料的均匀性； 预烧封框胶，使粘合剂软化，与玻璃浸润；接着在封接框内喷涂荧光粉，注意红绿蓝三色的配比以 及喷涂的均一性；最后低温烘烤荧光粉，去除溶剂。 3 5 第四章具有立体电极的等离子体平面背光源的制备 前后板制备完成后，进行高温封接，最后充入5 0 0 - - 6 0 0 t o r t n e x e ( 2 0 - - - , 3 0 ) 混合气体。 工艺过程中的重点和难点： 1 丝网印刷银电极 实验采用丝网印刷的方法制作平面电极，因为等离子体平板背光源对电极的精细度要求不高， 这种方法工艺简单，成本低并且成品率高，如果发现断线易修补。 丝网印刷技术的印刷原理如图4 2 所示，经传动机构传递动力，让刮墨板在运动中挤压银浆和 丝网版，使丝网版与承印物形成一条接触线压印线f ，由于丝网具有张力n l 和n 2 ，对刮墨板 产生反作用力回弹力f 2 。回弹力使丝网版除压印线外都不与承印物相接触，银浆在刮墨板的挤 压力f l 作用下通过网孔，从运动着的压印线f 漏印到承印物上。 翻剔方内 图4 2 丝网印刷技术的印刷原理 在印刷过程中，刮刀的操作对印刷质量有重要的影响： ( 1 ) 刮印角。刮刀刮印角对银浆转移量和印出的电极质量有一定的影响，简单地说刮印角越 大，银浆漏量越少，刮印角越小，银浆漏量就越大。刮印角的确定是丝网印刷中复杂的实际问题。 在实际印刷时，要根据承印物的形状、特性来选择确定刮印角。制作时需要反复试验选取最佳参数。 ( 2 ) 刮刀刮印速度与印刷质量的关系。刮印速度对银浆的转移量以及对银浆转移的均匀程度 都有一定的影响，对电极的印刷质量也会产生很大影响。 2 m g o 的蒸镀 为了提高气体放电的二次电子发射系数，增强介质表面抗离子轰击能力，提高器件的寿命，在 等离子体平板背光源的介质层表面要蒸镀m g o 保护膜。m g o 保护模要求均匀致密，具有良好的1 1 l 取向。通常采用电子束真空蒸发技术或溅射技术制作此膜层，这里采用电子束蒸发技术，工艺原理 如图5 5 所示：在氧气气氛中，具有一定束流的电子束在扫描机构的控制下扫描氧化镁蒸发源， 使氧化镁晶体融熔蒸发，蒸发气体碰撞到加热旋转的基板冷却并沉积在其表面。直接蒸镀的膜层不 均匀，中间厚、边缘薄，如4 - 3 ( a ) 所示。如果加装一块纺锤形的修正板，如图4 - 7 ( b ) 所示，就可得 到均匀的膜层。 第四章具有立体电撮的等离子体平面背光潭的制各 图+ 1 - 3 电子束蒸发氧化镁薄膜 3 荧光粉的涤覆 采用喷枪将混合均匀的红绿蓝三色荧光粉均匀地喷涂于后玻璃基板，使得后板沉积足够厚度的荧光 糟。实际制作中发现，由于后扳是光玻璃，附着力小。很难沉积足眵厚度的荧光糟在荧光糟的浠 覆实验中，我们采用了毛玻璃与光玻璃作对比，从涝 藿效果可以看出，毛玻璃对荧光糟的嗳附力较 强，荧光粉的沉积效果比光玻璃好，因此在今后的实验中应采取摩擦系数较高的材料。 4 2 立体电极的制备方法 立体电极的制备是等离子体平扳背光源制作工艺中的关键部分，也是工艺的难点其具体工艺 流程如图4 4 所示： j 宅 第四章具有立体电极的等离子体平面背光源的制备 i 丝印子面电极 l 平面电极烧结 j 制备立体电极 微小浮雕模型 i 丝印立体电极 上 i 立体电极烧结 0 i 介质膜制备 土 l 介质烧结 图4 - 4 立体电极制备的工艺流程 1 ：丝印平面电极 平面电极的制备方法选用的是丝网印刷，制备带有电极图案的丝网，采前前玻璃基板上印制银 电极。由于平面电极对于电极的厚度要求较低，所以对丝网的膜厚和丝网印刷的湿印高度上要求不 高，丝印电极的成功率较高。为了下一步平面电极的表面制作立体电极，实验中平面电极的印制宽 度较大，为0 9 m m 。 2 ：制备立体电极微小浮雕模型( 模压法) 立体电极的制备方法有两种：一种是直接在烧结后的平面电极上套印立体电极，为了达到立体 电极的设计高度，套印立体电极用的丝网要求膜厚为6 0 啪，而丝网印刷的湿印高度往往达不到这 个高度，需要多次套印才能达到设计要求。在实际操作中存在套印对准问题，后一次套印的立体电 极往往难以对准已有的电极图案，这种方法的工作量大，工作周期长，制作难度高。另一种方法是 微小浮雕模型制作法。这种方法是目前最先进的制备方法，普遍应用于p d p 的障壁制作工艺，。在 本文中，我们借鉴了这种工艺，将其应用于立体电极的制备。整个过程分为4 步： 第一步：热压感光膜( 蓝膜) ，将压膜机上下滚调整至温度1 0 0 摄氏度，把蓝膜滚动压敷在玻璃基 板表面，由于需要制备具有6 0 u m 深度的凹槽，所以在本文中热压了3 层蓝膜。 第二步：制作掩膜，制作带有立体电极图案的菲林正片。 第三步：曝光，将带有掩模及蓝模的玻璃基板放入曝光机中，由于是3 层蓝膜，曝光时间较长，本 文中曝光时间控制在2 0 u s 至3 0 u s 之间。 第四步：显影成型，将千分之三的五水碳酸钠加热至3 0 摄氏度，使用蚀刻显影机以0 7 l i l s 的速度 进行显影处理，显影结束后蓝膜的表面呈现出带有立体电极图案的凹槽。 3 8 第日章其有a 体电极等离f 体f 面背光源制* - + t 1 r l _ _ + “；e t i ：热压蓝膜 _ _ _ - _ l ，。 一 一 2 ；制作掩膜 “0 0 0 “ - _ _ _ 一一 阻4 j 立体电极微小浮雕模型制作流程 最终蓝膜成型为带有立体电极图案的微小浮雕模型如斟4 巧所示： 图4 立体电极蓝膜模型 第口章具有女体电桠的等高于体平面背光源的制备 3 ：丝目i 立体电极 在蓝膜制各好以后，在蓝膜表面上丝印银浆，银浆在刮刀的作用下会演入到蓝膜的凹槽中。制 作过程中刮刀的刀深不能调整太大，咀免银浆过多的残留在蓝膜表面，假若丝印立体电极后蓝膜表 面残留银浆过多将根难清理。刮刀刀深以及速度都应以现场实验环境调整为准。 4 ：烧结立体电极 蓝膜在摄氏2 3 0 度以上的高温环境中烧结后将会挥发，而银电极的烧结温度为5 8 0 度此时蓝 膜凹槽中渗入的立体电极结经过烧结后成型，图4 4 ( a ) 为烧结后的立体电极结构的俯视图像，图 中深色部分为烧结后的立体电极，浅色部分为平面电极，图4 1 ( b ) 为侧视图，可以看到立体电极 已经在平面电极表面成型。 5 ：介质膜制备 i ! 孽擎“箩爨丞爨霭氅簿鬻隳篱黪穗麟 粪鬻鋈囊 第四章具有立件电极的等离子体平面背光潭的制备 介质膜的制备方法有两种一为印刷法，二为贴膜法。由于立体电楹的存在使得电极表面凹凸不 平，采用丝同印刷介质的方法会导致介质内气泡众多，故实验中采用第二种方法。将厚度为3 0 u m 的介质干膜通过压膜机贴附在电极表面然后重复这一过程，使得介质厚度选刊6 0 u r n 。需要注意 的是贴膜过程中一定要将气泡排除干净。 4 3 具有立体电极结构的等离子体平板背光源参数介绍 通过上述工艺流程制各出来的具有立体电极结构的等离子体平板背光源的几何如表4 前基板尺寸长3 2 0 m ，宽8 0 a i m 后基板尺寸长3 0 0 m m ，宽8 平面电极尺寸宽0g r a m ，间距3 咖 立体电极尺寸宽0 l