（光学工程专业论文）等离子体显示板放电单元结构的三维优化设计.pdf

摘要 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，它仍然存在制造成本高，放电效率低等缺点。目前对p d p 的研究主要集中在 提高发光效率、结构优化、驱动机制、制造工艺等方面。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 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p d p 放电单元很小，实验研究很困难，并且无法直接测量放电过程中的粒子分布的变化， 因此数值模拟的方法成为p d p 研究的一个重要且有效的方法。本论文通过自行编制的基于流体模型 的软件，用数值模拟的方法，模拟出放电单元的放电过程，研究了各种因素对荫罩式等离子显示屏 ( s m p d p ) 放电性能的影响，并研究了一些新型的放电单元结构和电极形状对放电性能的影响。 通常对向放电结构、表面放电结构、荫罩式结构使用的电极均为条状结构电极，而为了提高发光 效率，优化电极结构亦是一行之有效的途径，而对于电极结构的设计，如何尽可能准确地描述不同 电极结构对场分布的影响是非常重要的。这是一个开区域问题，本文首次采用表面电荷法来求解各 种形状电极所在表面的电位分布，从而获得准确的边界条件，而放电空间电位的求解仍然采用有限 差分法。 本论文扩展后的三维网格发生器不仅可使用表面电荷法处理不同电极结构，包括王字形、i 形、 u 形、t 形、w 形电极等。同时还增强了网格发生器单元结构部分，在三维网格发生程序中添加了菱 形双层结构、十字形双层结构等新型结构。网格发生器中可以改变结构参数( 介质层高度，介电常 数，双层结构中小孔宽度等) 和电极形状参数( 电极宽度等) ，产生的网格点信息输入至u p d p 流体放 电程序可以研究不同参数对放电性能的影响。 本文利用完成的模拟软件对s m - p d p 的放电性能作了系统的分析。研究了4 2 ”对向放电菱形双 层结构s m p d p 的放电过程并针对表面放电菱形双层结构s m _ p d p 研究了各结构参数、放电气体、驱 动电压波形等因素对放电性能的影响。研究表明改变放电单元的结构，使放电空间的电场发生变化， 从而使放电性能发生改变。提高放电气体中的氙的比例，可以提高所产生的氙谐振态粒子的数量， 从而使放电效率提高；增加放电气体的压强，尽管放电气体的着火电压增高，但同时电子与其它粒 子碰撞的几率增大，放电效率提高。同时新的驱动波形、新的电极形状、新型结构可以不同程度上 提高放电性能。 关键字：荫罩式等离子体显示板流体模型表面电荷法网格发生新型结构新型电极放电性能 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 l c 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 d0 1 1i m p r o v i n gl u m i n a n c ee f f i c i e n c y , s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n , d r i v i n gs c h e m ea n d f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t h en o v e lp 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 g s o l u t i o no fl o wc o s tp d et h em o s td 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 p d pi st h a tc h e a ps h a d o w m a s ki su s e di ns m p d pt or e p l a c et h ec o m p l e xd i e l e c t r i cb a r r i e rf i b s t h i sm a k e st h ec o s tr e d u c e da n dt h e y i e l di n c r e a s e dg r e a t l y i na d d i t i o n ，d 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 yu s i n gm e t a lb a r r i e rr i b s b e c a u s ep d pd i s c h a r g ec e l li sv e r ys m a l l ，e x p e r i m e n t a ls t u d yo fp d pm i c r o - c e l li sd i f f i c u l ta n di ti s d i f f i c u l tt om e a s u r ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o no fd i s c h a r g ep r o c e s s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e c o m eau s e f u l t o o lf o rp d ps t u d y d i f f e r e n tf a c t o r sw h i c hc o u l da f f e c tt 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 - p d ph a v eb e e n s t u d i e di nt h i st h e s i sa n dt h ei n f l u e n c eo fn o v e ld i s c h a r g ec e l ls t r u c t u r ea n de l e c t r o d ec o n f u g u r a t i o nh a s a l s ob e e ns t u d i e d 。u s i n g3 一ds i m u l a t i o ns o f t w a r eb a s e do nf l u i dm o d e l n o r m a l l ys t r i pe l e c t r o d e sh a v eb e e nu s e di nt r a d i t i o n a lm a t r i xp d p , c o p l a n a rp d pa n ds h a d o wm a s k p d 只e l e c t r o d ec o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o ni sau s e f u lm e t h o dt oi n c r e a s ed i s c h a r g ee 伍c i e n c y i ti s i m p o r t a n tt od e s c r i b et h ei n f l u e n c eo fe l e c t r o d ec o n f i g u r a t i o no ne l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o na c c u r a t e l y t m s i sa no p e n - f i e l dp r o b l e m s u r f a c ec h a r g em e t h o dh a sb e e nu s e df o rt h ef i r s tt i m et oh a n d l et h ep o t e n t i a lo f t h es u r f a c ew h e r ee l e c t r o d e sa r el o c a t e d i no r d e rt oo b t a i nam o r ea c c u r a t eb o u n d a r yc o n d i t i o n i nt h e m e a nt i m et h ef r u i t yd i f f e r e n c em e t h o dh a ss t i l ib e e nu s e di nt h ep o t e n t i a lc a l c u l a t i o no fd i s c h a r g es p a c e d i f f e r e n te l e c t r o d ec o n f i g u r a t i o nc a nb eh a n d l e db yt h ee x t e n d e d3 d 鲥d p r o d u c ep r o g r a m ，s u c ha s w a n g s h a p e ，i - s h a p e ，u - s h a p e ，t - s h a p e ，w - s h a p ea n ds oo n n o v e ld i s c h a r g ec e l ls t r u c t u r e sc a nb eh a n d l e d b yt h ep r o g r a mt o o ，s u c ha sr h o m b u ss t r u c t u r e ，c r o s ss t r u c t u r ea n ds oo n s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ( h e i g h to f d i e l e c t r i cl a y e r , d i e l e c t r i cc o n s t a n t , w i d t ho fs m a l lc u b o i dh e l ei nt w o - l a y e rs t r u c t u r e ，e t c ) a n de l e c t r o d e p a r a m e t e r s ( e l e c t r o d ew i d t h , e t c ) c a nb ec h a n g e di nt h ep r o g r a m t h ei n f o r m a t i o no f 鲥dp o nc a nb e i m p o r t e dt ot h ef l u i dm o d e lp r o g r a mt oc a l c u l a t et h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so nd i s c h a r g e p e r f o r m a n c e ad e t a i l e da n a l y s i so fd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so fs m - p d ph a sb e e nd o n eb yt h e3 - ds i m u l a t i o n s o f t w a r e t h ed i s c h a r g ep r o c e s so f4 2 ”r h o m b u st w o l a y e rm a r xs m - p d ph a sb e e ns t u d i e d t h ei n f l u e n c e o fs l a n a c t u r ep a r a m e t e r s ，d i s c h a r g eg a s ，d r i v i n gs c h e m eh a sb e e ns t u d i e db a s e do nr h o m b u st w o - l a y e r c o p l a n a rs m - p d p r e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e c t r i cf i e l dc o u l db ec h a n g e db yc h a n g i n gd i s c h a r g ec e l l s t r u c t u r ew h i c hw i l lc h a n g et h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c s d i s c h a r g ee f f i c i e n c yc o u l db ei m p r o v e db y i m p r o v i n gx e n o nc o n t e n t a l t h o u g hf i r ev o l t a g em a yg e th i g h e rb ye n h a n c i n gg a sp r e s s u r e ，t h ep o s s i b i l i t y o fc o l l i s i o nb e t w e e ne l e c t r o n sa n do t h e rp a r t i c l e sg e t sl a r g e ra n dt h ed i s c h a r g ee f f i c i e n c yg e t sh i g h e r n e w d r i v i n gs c h e m e ，e l e c t r o d e sw i t hn o v e ls h a p ea n dn o v e ld i s c h a r g ec e l ls t r u c t u r e sc a l li m p r o v ed i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：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 ) ，f l u i dm o d e l ，s u r f a c ec h a r g em e t h o d , g r i d p r o d u c e ，n o v e ld i s c h a r g ec e l ls t r u c t u r e ，e l e c t r o d e sw i t hn o v e ls h a p e ，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 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：z 壁丝 e l期：龇f 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：幺匕篷导师签名： 碎 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗口己应用于娱乐、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 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。 1 1 显示技术的分类及各种显示器件的对比 在2 0 世纪，图像显示器件中，阴极射线管( c r d 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 。但与此同时，平板显示器也在飞速地发展着，平板显示器的质量大幅度改善，价 格也在持续下降。2 1 世纪将是平板显示的时代，人们梦寐以求的、薄而轻的壁挂式电视机已经出现， 并将在不久的将来得到普及。 电子显示器可分为主动发光型和非主动发光型两大类n 1 。前者利用信息来调制各像素的发光亮 度和颜色，进行直接显示；后者本身不发光，而是利用信息调制外光源而使其达到显示的目的。 表1 1 显示器分类 主动发光非主动发光 阴极射线管显示( c r t ) 等离子显示( p d p ) 发光二极管显示( l e d ) 有机发光二极管显示( o l e d ) 液晶显示( l c d ) 电致发光显示( e l ) 真空荧光管显示( v f d ) 场发射显示( f e d ) 一种理想的显示技术应该是高亮度、高对比度、高分辨率，并具有大显示容量、全彩色显示、 低电压驱动、低功耗，显示器件本身与驱动电路连接为一体，高可靠、长寿命以及薄而轻的平板显 示。但是，在目前种类繁多的显示技术中，没有一种显示技术能实现所有这些要求。由于每种已进 入市场的显示器件都能满足上述完美要求中的一部分，因此也只能在一定的领域中获得广泛的应用。 2 0 世纪显示器件中，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 。c r t 具有工艺成熟、高性价比、成本低廉、图像显示出色、可靠性高等优点。但是，c r t 的大尺寸带来的大体积和重量无法接受，屏幕内有光散射，图像有畸变，应用电压高( 2 万伏左右) 。 这些缺点给平板显示器( f p d ) 带来了较大的发展机会。 东南大学硕士论立 f p d 中获得较大成功的有l c d 、p d p 等。l c d 具有高显示性能、高分辨率、轻薄等优点，主 要用于个人视频用品( w 等) 、笔记本电脑、桌上监视器、手机屏等领域。等离子显示屏( p d p ) 具 有易于实现大屏幕、厚度薄、重量轻、视角宽、图像质量高和工作在全数字化模式等优点，因此受 到世界电子工业界的广泛关住。特别是2 0 世纪9 0 年代以来，等离于体显示技术在实现全彩色显示， 提高亮度和发光效率、改普动态图像显示质量、降低功耗和延长寿命等方面取得了重大突破，使p d p 成为大屏幕壁挂电视、高清晰度电视( h i 曲1 ) e f i r d t i o n t e l e v i s i o n , h d t v ) 和多媒体显示器的首选器 件。 1 2p d p 概述 p d p 按工作方式的不同主要可分为电楹和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 ) 两太类。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。 1 9 6 6 年，美国1 1 1 i n o i s 大学的b i t ；e r 和s 1 0 t t o w 教授发明了交流等离子体显示板a c p o p ，1 9 6 8 年荷兰飞利浦公司发明了直流等离子显示板d c p d p ：1 9 7 0 年美国布劳斯公司研制成功了自扫描等离 子显示扳。此后p d p 在计算机终端显示、字符显示方面得到广泛应用。 早期的彩色交流p o 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 o 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 o p 彩色化关键技术上的重大突破。图卜1 是采用表面放电结构、a d s 驱动的 p o p 。此后p o p 的发展非常迅速，1 9 9 3 年，日本的富士通公司率先实现了5 4 c m 的彩色p d p 量产。1 9 9 5 年富士通公司在市场上推出了第一台4 2 英寸1 6 ：9 的交流彩色p d p 。1 9 9 6 年被称为“等离子体电视 时代的开始”，多家公司相继推出了大屏幕的彩色等离子电视产品。 图卜i 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 ) 2 0 0 0 年，松下研制出了当时世界上最大的1 0 3 寸等离子电视屏幕分辨率达到( 1 9 2 0 1 6 8 0 ) 2 0 0 万象素，l1 8 2 m 间距，3 0 0 0 ：1 对比度和l o o o c d m 2 的亮度。它也是目前商品化销售的最大尺寸的 等离子电视。夏普的1 0 8 英寸的液晶电视机目前仍是原型产品，还没有上市销售。松下在2 0 0 8 年一 月展出了1 5 0 英寸等离子显示屏，尺寸大约是2 米35 米，显示格式为4 0 9 6 2 1 6 0 像素，是当前 1 0 8 0 p 高清电视清晰度的4 倍。它是目前世界上尺寸最大的等离子电视，如图卜2 所示。 第一章绪论 冒融， q ，_ i _ 攀勰熟鬟钏 图l _ 21 5 0 寸等离子电视( 松下) 现在市场上流通的p d p 产品多为a c 方式已成为主流商品。a c 方式p d p 同d c 方式p d p 相比，因为结构相对简单便于制造大屏幕显示器可实现精细显示效果。在亮度上也有优势，但 是，实现高对比度和高灰度级显示以及高画面显示质量较为困难。 与此相反，d c 方式p d p 比a c 方式p d p 结构复杂，像素点租糙、亮度差，但是实现高对比度 和高灰度级相对容易，因此d c 方式p d p 适用于高品位电视应用。 l 、直流p d p p l l 3 i 松下电子公司1 9 9 4 年与n h k 公司合作开发出6 6 0 4 c m 脉冲存储式全色直流p d p , 脉冲存储方 式的d c p d p 的亮度和发光效率较之前的扫描方式的d c - p d p 高，其结构如图1 0 所示，寿命超过 3 0 0 0 0 h , 1 9 9 5 年投入批量生产。 图1 - 3 脉冲存储式d c - p d p 结构 从图中可见，p d p 主要由两块制作有矩阵电极的玻璃基板和障壁组成。阴极位于前基扳上r 阳 极和辅助阳极在后基板上，在阳极和阴极交叉点处，被介质障壁围成的空间为显示单元；辅助阳极 和阴极交叉点处的空间为辅助单元；两单元经障壁顶端的缺口相通。 通过在各条阴极上按顺序施加扫描脉冲在辅助阳极上施加辅助脉冲，可以在辅助单元产生扫 描放电放电产生的大量电子、离子和亚稳态粒子，通过缺口进入显示单元，使之着火电压降低。 在阳极上加维持脉冲，其与阴极间的压降低于着火电压因此不会使显示单元产生放电。当在维持 东南大学硕士论文 鐾2 震掌；要磊糯鐾? 鐾箍罂蠢；嚣甭；荤凳；籍i 盂誊；：落黔竺量羞霎；嚣：i 冀稳态粒于消失的时间短，在维持脉冲的作用下单元将持续放电而不熄灭，一直到去掉维持脉冲或者 施加个擦除脉冲为止。 2 、变流对向放电式p d p 圈1 4 为交流对向放电p d p 的结构示意圈。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。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。由于舟质材料的抗离子轰击能力较差，因 此在其表面覆盖一层抗轰击、二次电子发射系数较高的m 9 0 保护膜。 加上寻址电压引发放电之后行电极和列电极加上交替的极性相反的电压后，放电集中在行列 电极的交叉部分。这个交替电压我们称之为维持电压。维持电压的幅值低于着火电压( 可以使单元 点亮的最小寻址电压) 。这是因为寻址期结束时介质表面的积累的壁电荷在下半个周期中累加在维持 电压值上，这样可以使得实际的空间电压差大于着火电压，使放电顺利进行。通过在电楹上加上可 咀消除壁电荷的电压来使放电终止。对向式放电p d p 的驱动方法很简单。但是功耗仍然有待降低， u v 效率有待提高n m 日 * 持自# n * # 目 n e 目 3 、交流表面放电式p d p 图1 4 交流对向放电p d p 结构 图1 5 所示为交流表面放电式p d p 的结构示意图。与交流对向放电结构的区别在于，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。维持放电发生在前基 板上的两个平行电极之闻。因为表面放电式p d p 中第三根电极的引入，使得其驱动方法多样化 9 “”“”。a c - p d p 驱动方法的研究是p d p 研究中最活跃的一部分，一方面是因为驱动方法可以在屏 结构不变的情况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中占很大的比重，而好 的驱动方法可以降低电路的工作电压，从而降低电路的成本。目前寻址和显示分离( a d s ) 的子场 驱动方法是彩色a c - p d p 最典型的应用毋广泛的驱动方法。 第一章绪论 a n e s # 自极 自职氍塞 图1 交流表面放电式p d p 结构 i t 口亳极 b b 极 介质屡 表面放电型与对向放电型相比，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。 p d p 平板显示具有以下一系列优点：( 1 ) 易于实现太面积显示；( 2 ) 全色显示( 利用红、绿、 蓝三基色可实现2 5 6 级灰度) ；( 3 ) 伏安曲线非线性性强，阀值特性好：( 4 ) 具有固有存储特性；( 5 ) 对比度高( 彩色p d p 产品已实现1 0 0 0 0 0 0 ：1 ) ；( 6 ) 视角大( 6 0 度，为所有显示技术中最大的) ； ( 7 ) 色纯度极好( 相同于c r t ) ：( 8 ) 寿命长；( 9 ) 器件结构及制作工艺简单，易于批量生产( 投 资成本小于t f r l c d ，投资回报率相同于c r t ) ；( 1 0 ) 环境性能优异( 可满足美国军用l 标准) 。 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；( 1 ) 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；( 2 ) 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；( 3 ) 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；( 4 ) 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；( 5 ) 显示质量有特提高。p d p 像素尺寸受结构限制不能傲的足够小；色温偏低，有待提高：动态图像伪 轮廓希望有低成本的解决方法。 1 3p d p 发光机理 等离子体显示是一种利用气体放电的显示技术其工作原理与日光灯根相似。它采用了等离子 放电单元对应一个像素，屏幕以玻璃作为基板，基板间隔一定距离四周经气密性封接形成一个个 放电空间。放电空间内充入氖、氙等混合惰性气体作为工作媒质。在两块玻璃基板的内侧面上涂有 金属氧化物导电薄膜作激励电极。当向电极上加 电压，放电空间内的混合气体便发生等离子体放 电现象。气体等离子体放电产生觜外线，紫外线激发荧光屏，荧光屏发射出可见光，显现出图像。 当使用滁有三坂色( 也称三基色) 荧光粉的荧光屏时，紫外线激发荧光屏，荧光屏发出的光则里红、 绿、蓝三原色。三基色经时间调制和空间混色实现彩色显示。 简单说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。 鬻 一 般茺 东南大学硕士论文 1 、气体放电的伏安特性 图1 - 6 给出了放电管的伏安特性测试线路和一个典型的两平板电极充气元件的伏安特性曲线， 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。当放电由非自持 转变为自持放电时，此时的极间电压称为击穿电压或着火电压。通常p d p 工作在正常或异常辉光放 电区，这个区域放电稳定、功耗小。 i t ( t ， l p 4 1 0 。o 1 0 ”i 熟擐鲢墅毛= = = ： l l l r - 蠛q 1 l l 口。 蓐毙教电 1 0 l o - 1 0 。i 1 0 j 1 0 。 i i i 一 街森戚电医 目掩致电) 取决于朝蠢 栩始条件 - j j j i ：电区 1 0 0 2 1 1 0 04 0 0 图l - 6 气体放电的伏安特性曲线 2 、辉光放电 一个典型的冷阴极放电管在正常辉光放电时，光区和电参量分布如图1 7 所示。辉光放电沿阴 极到阳极方向可以划分为图中所示的几个区域。阿斯顿暗区，阴极光层、阴极暗区总称阴极位降区 和阴极区。图中所示的7 个区域，在辉光放电管中并非一定全部出现，这与气体种类、压强、放电 管尺寸、电极材料及形状大小、极间距离等因素有关。辉光放电的各发光区中，发光强度以负辉区 最强，正柱区居中，阴极光层和阳极辉光最弱。虽然正柱区的强度不如负辉区强，但它的发光区域 最大，因此对光通量的贡献也最大。如日光灯就是利用正柱区发光，光效高达8 0 1 i i 洲矿。而p d p 由 于其放电单元的空间通常很小，放电时只出现阴极位降区和负辉区，所以通常利用的是负辉区的发 光，这是其发光效率不高的主要原因之一。因此，为了提高p d p 的亮度和发光效率，改进放电单元 结构，采用正柱区放电是今后提高p d p 性能的一个技术发展方向。 鱼光区分布 ( b ) 光强分布 c ) 电位分布 图1 - 7 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 - 阴极暗区7 - 法拉第暗区8 一阳极暗区) 6 第一章绪论 3 、p d p 中气体放电过程 彩色p d p 放电气体通常为n e 和x e 混合气体。在电极上加上足够的电压后，放电单元中将会 产生放电。放电过程包含电离、激发、弹性碰撞、潘宁电离等过程。在阴极表面，主要是由n e 离 子、x e 离子、亚稳态原子等轰击阴极，产生二次电子发射。发射出来的电子在电场的作用下从阴极 逐渐向阳极漂移，在漂移过程中从电场得到能量。在运动过程中，部分高能电子使气体原子发生电 离、激发，电离导致了电子雪崩，电子成倍增长，产生了许多电子离子对，这些电子、离子在外电 场的作用下再向两极运动。 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。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( u v ) 的方式向外界辐射。 x e ( 3 p 1 ) 是x e 原子的谐振态，它跃迁至基态时，辐射1 4 7 n m 紫外光，该过程称为谐振辐射。 x e 的分子激发态( x e 2 * ) 跃迁至基态时，辐射1 5 2 n m 和1 7 3 n m 的紫外光，该过程称为分子辐射过程 【9 】【1 们。分子辐射过程和谐振辐射过程产生的紫外辐射均可有效地激发荧光粉产生可见光。 x e ( 3 p 1 ) 一x e + h v 施：( 阱) 一2 x e + h v 恐：( 1 ：) 专2 恐+ 厅y 勋：( 3 ：) 斗2 x e + h v 1 4p d p 的研究方向及研究方法 1 4 1p d p 的研究方向 ( 1 4 7 n m ) ( 1 5 0 h m ) ( 1 7 3 n m ) ( 17 3 r i m ) 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。 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，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。 p d p 的显示发光过程同时是将电能转化成光能的过程，图1 8 给出了p d p 发光过程中的能量 转化过程。减小能量损耗，提高p d p 的效率，降低p d p 的功耗是目前p d p 研究的一个重点。 7 东南大学硕士论文 嚣r l o 相介艟融屣鬟 l 显豢黻 v 孵7 r 网瑚啊瓦 6 l 秽鬟。獭7 瞩 矿“7 锄 一 譬蜊掣簟缝螨黼 o 唔 1 1 一受籼翘宰l 躲弘 谬溯佛白 。 ”一， l 群一黼 i 篓。? 黻。囊黼燃 3 5 i 翼黠静躺剃l 。，9 耄 嘿 i 一一l f r 毒帔 ； v ? 。7 髫 i f oi 吲嚏哆稻溺矿。 黪一薹 鼻氅劭 l 。 ，砧由翠e u 出糊撼。豸篪 翟黝 撑麓置麓器梢一。、“ 撑麓元结巍 蒸童撼饿灰幺：勉i 锄池娩貔磊么缓貔缎缴蹴黝施貔滋流磊磊巍绂么绷缫二么纭l i l i 乏豢 图1 - 8 p d p 能量转化过程 p d p 发光效率主要由放电效率、真空紫外到达荧光粉上的效率、荧光粉将真空紫外线转化为可 见光的效率以及可见光通过屏的传输效率决定【1 l 】。 刁2 ，7 咖。7 7 w 刁肋d 矽恤 这些效率中相对较低的是放电效率，因此提高发光效率，最主要的途径是提高放电效率，即提高电场能 转换为真空紫外辐射能量的比。在p d p 中，u v 光子激发荧光粉产生可见光，主要的u v 光子有 x e ( 3 互) 产生的1 4 7 姗的u v 光子，洫：( 饼) 产生的1 5 0 n m 的u v 光子，x d ( 3 ：) ，x d ( 1 ：) 产 生的1 7 3 n m 的u v 光子【1 2 1 。 1 4 2p d p 放电特性的研究方法 由于p d p 放电单元非常小，且放电过程十分复杂，采用实验的方法研究放电单元的放电特性是 非常困难的，而且成本很高。采用数值模拟的方法研究p d p 的工作机理，模拟气体的放电过程，可 节省大量的时间和经费，为实验提供理论依据，加快研发步伐。不仅如此，数值模拟还可以实现用 实验手段难以完成研究和优化设计工作，为p d p 性能的改善提供理论依据。 数值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 ) 【l 别【1 4 】【”】 和混合模型( h y b r i dm o d e l ) 1 1 6 。 动力学模型主要采用的是p i c 模型( p a r t i c l e - i n - c e l l ) ，它可以在时间维和空间维上完全地解 决电子和离子的能量分布问题。电子和离子的能量分布由积分b o l t z m a n 方程得到，通过m o n t e c a r l o 统计的方法求解【1 7 1 【1 8 1 。这样可以很好地描述带电粒子能量分布中的非平衡因素，从而较为精确地模 拟带电粒子传输中的非平衡状态。但是动力学模型由于要跟踪大量粒子的运动，耗时较长，计算复 杂。 8 第一章绪论 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。与动 力学模型相比流体模型简单、计算速度快。目前大部分学者都采用流体模型。流体模型鞍难解决 电子能量分布问题，必须假设电于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。因此，与动力学模型相比它是一种较为近似的计算模型。 混合模型将动力学模型和流体模型结合起来用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，这样就综台了上述两种模型的优点，是近 年来国， 文献中常提及和使用的一种模型。当然它的计算量较流体模型还是大许多。 通过比较混合模型和流体模型的计算结果人们发现对于p d p 放电过程的模拟，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截面、二次电子发射系数等基本数据的不确定性引入 的误差大。因此采用流体模型完全可满足研究p d p 放电单元特性的需要。 i 4 3 目前p d p 研究最新进展 】、单元结构和电极形状的研究进展 改进器件结构是在现有放电模式下提高发光效率的重要方法。富士通的d e l t a 结构，增加荧光 粉橡覆面积、放电面积增大；n e c 发展c c f 结构该结构则可以吸收环境光，降低环境光在面板 表面的反射、提高亮度对比、修正荧光粉发光纯度、调整色温：先锋的d e e p w a f f l e 障壁与t 型电 极结构，除增加荧光粉发光面积提高发光亮度外，可避免放电单元间的串绕并且提高驱动动态范国， 荧光粉的改善也可使发光效率提高1i 倍而改善驱动波形是提高发光效率的非常有效的途径它 可使发光效率提高i6 倍。 k y u n g p o o k 国立丈学提出了十字形结构的交流p d p 结构，通过与传统的长方体结构的比较( 6 英寸绿色荧光粉的测试屏驱动频率3 0 k h z ) ，发现新型的十字形结构有更高的发光效率( 十字形结 构在电压i s o v , 1 0 x e , 气压6 0 0 t o r t 下发光效率2 2 1 m w ；传统结构在电压1 5 0 v 4 x e ，气压 4 0 0 t o n 下发光效率i5 1 m w ) ”。 松下公司提出了一种新型的p e a k s 面板结构，该结构采用了s t e p - f o r m c d 盒状障壁，使得面板 有很高的亮度。这种障壁的垂直方向高度比水平方向高度小既能防止单元之间的串扰，又有很好 的气体传导性这使得在耗尽过程中气体耗尽时间没有改变，这是w a f f l e 结构所欠缺的刚。 三星公司提出了六边形结构的p d p ，井被用于3 7 英寸高清晰等离子显示中可以低成本地获 得很好的图像质量”。 由东南大学提出的荫罩式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。圈i - 9 是s m - p d p 的结构示意图。s m - p d p 和a c - p d p 相比在结构上艟大的不 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 - p d p 中的障壁。 嘭。 缅氅j 图i 9 荫罩式p d p 结构 东南大学硕士论文 该结构同交流对向放电结构类似。分别制作在上下基板上的一组相互正交的行列电极构成一个 放电单元。荧光粉涂敷在荫罩内侧。 该结构具有低着火电压、高响应速度、高亮度、高效率以及长寿命等优点。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，降低生产成本口2 1 。 很多研究表明，通过改变电极形状可以有效地提高发光效率，如使用悬浮电极、v 型电极、多电 极等等【2 3 1 【矧【2 5 1 【2 6 】。在p d p 单元的介质层和m g o 层中插入导电介质( 悬浮电极) ，可以有效地降低维持 电压，放电空间被限制，可以有效地减少相邻单元之间的串扰。t 电极的引入使得结构的工作电压介 于传统电极结构( 共面间距小，低维持电压，低效率) 和正柱区电极结构( 共面间距大，高维持电 压，高效率) 之间，维持期寻址电极实际上不起作用，因为放电是由t 电极的突出部分的放电而引发 的。v 型电极的引入在放电空间产生了强电场可以降低着火电压。 2 、基于流体模型的数值模拟方法的研究进展 通过流体模型的放电模拟，可以得到放大单元的红外和可见光的发射和实际