（物理电子学专业论文）荫罩式等离子显示器气体放电性能的研究.pdf

摘要 彩色等离子显示器( p d p ) 被认为是最适合作为高清晰 电视( h d t v ) 彩色显示终端的技术，市场应用前景广泛。 但是目前彩色p d p 面临发光效率低和生产成本高两个关键技 术问题。东南大学显示中心自行研发的新型荫罩式等离子体 显示器( s m - p d p ) ，与a c - p d p 相比，在工艺上用c r t 中工艺 简单的荫罩代替a c p d p 中工艺复杂且成本高的障壁，将表 面放电变为对向式放电，提高了发光效率，降低了生产成本。 本论文采用实验的方法对东南大学显示中心提出的 s m p d p 进行性能研究，基于s m - p d p 结构，研究不同工作气 体成分和荧光粉种类及工艺对s m - p d p 的影响。此项目利用 实验室条件搭建1 4 ”s m - p d p 实验平台，测试n e x e 、n e n 。 气体在不同配比和压强下s m - p d p 着火电压、亮度、光效等 性能参数，结合模拟计算结果，分析工作气体对s m p d p 的 影响，为进一步研究s m - p d p 的气体放电性能奠定了基础。 关键词：荫罩式等离子显示器n e x e 混合气体荧光粉发光效率 a b s t r a c t c o l o rp l a s m ad i s p l a yp a n e l ( p d p ) i sc o n s i d e r e dt ob et h eb e s t c a n d i d a t ef o rh i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ( h d r v ) t e r m i n a la n di th a sn i c e f u t u r ei nm a r k e t b u tt h e r ea r et w oc r u c i a lt e c h n o l o g i c a li s s u e s ：l o w l u m i n o u s e f f i c i e n c y a n dh i g hc o s t s h a d o wm a s kp l a s m a d i s p l a y p a n e l ( s m - p d p ) ，an e wt y p es t r u c t u r ew i t hs h a d o wm a s kw h i c hr e p l a c e s c o n v e n t i o n a lb a r r i e rr i b ，w a si n v e n t e db ys o u t h e a s tu n i v e r s i t yd i s p l a y r e s e a r c hc e n t e r i n d e p e n d e n t l y t h en e wp a n e li m p r o v e sl u m i n o u s e f f i c i e n c ya n dd e c r e a s ec o s t i nt h i s p a p e r , e x p e r i m e n t w h i c hr e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fg a s c o m p o s i t i o na n dp h o s p h o rh a v eb e e nd o n et oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo f s m - p d p t h er e s e a r c hp l a t f o r mo f 1 4i n c hp a n e li se s t a b l i s h e dt o m e a s u r et h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ra n da n a l y s et h ei n f l u e n c eo np a n e l w i t hs i m u l a t i o nr e s u l ti nd i f f e r e n tg a sc o m p o s i t i o na n dp r e s s u r e t h e r e s u l te s t a b l i s ht h eb a s ef o rf u t u r er e s e a r c h k e y w o r d ：s m - p d p n e x eg a sm i x t u r e p h o s p h o r l u m i n o u s e f f i c i e n c y 东南大学学位论文独创性声明 本人申明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了本人特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰 写果的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与本人一起工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 那，口谴 l 日期护o 。3 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、缩印或者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之外，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： 暑噌 刁卜谴 责奄 日期a 寸j j 卯，； 东南大学硕士论文 第一章绪论 人们在从事科研生产等社会活动时，各种信息大量的产生、更新和传递，于 是人们对信息交换的要求日益增高。其中，显示技术是信息传输，处理过程中最 重要的一环，其技术新发展快，应用广，前景好等特点使其已成为信息交换的重 要支柱之一。电子显示技术的发展从第一只阴极射线示波器到现在已有百年的时 间。最早进入千家万户的显示器件是阴极射线管( c r t ) ，c r t 经过长期发展， 在亮度、分辨率、色度、响应速率、对比度、寿命、视角、驱动方法、调制特性 等方面十分卓越。但是c r t 的缺点随着科学技术的发展日益变的突出：笨重、需 用高电压、有x 射线辐射等等。但是随着现代科学技术的进步，人们对现实图像 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，已经陆续有种类繁多的新型显示器问世。 近年来，随着高清晰度电视( h d t v ) 的即将推广，显示器平面尺寸的不断 增大，其重量、厚度也随之不断增大，平板显示器件逐步受到普遍关注。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 e 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 1 显示器件概述 目前显示器件包括显象管( c r t ) ，液晶显示屏( l c d ) ，等离子显示屏( p d p ) ， 有机发光二极管( o l e d ) ，电致发光屏( e l ) 和场发射屏( f e d ) 等等。而大屏幕 显示主要分为直视型和投影型。直视型的大屏幕主要有l c d ，p d p ，等离子体寻 址液晶显示( p a l e ) ，投影型主要有阴极射线管( c r t ) 投影机，液晶投影机，数字 微镜( d m d ) ，l c o s 等。各种不同器件采用了不同的电子物理规律，各有特点，应 用范围也各不相同。理想的显示技术应实现高亮度、高对比度、高分辨率并有大 显示容量、能全彩色显示、驱动电压低、低功耗、高可靠性、使用寿命长的薄而 轻的平板显示。但是目前形形色色的显示技术当中。尚没有一种显示技术能全面 实现这些要求。目前，显示技术正在以下几个方面谋求发展：( 1 ) 高分辨率、大 容量显示；( 2 ) 平板化：( 3 ) 大型化。计算机显示器与h d t v 要求每帧图像分辨率 在1 0 0 0 行以上，象素组在2 0 0 万以上。显示画蕊的尺寸要求也日趋大型化。彩 色显象管面屏对角线尺寸液晶超过4 5 英寸，分辨率1 8 0 0 x 1 4 0 0 行以上。t f tl e d 已经有对角线超过1 8 英寸以上，分辨率1 2 8 0 1 0 2 4 的多种商品。而赢视式显示 屏幕尺寸最大者当推p d p ，已经达到6 l 英寸。从目前情况来看，直视式的p d p 、 p a l c 和t f t l e d ，投影式的多种液晶投影显示、数字微镜投影仪、l c o s 是实现大 屏幕显示的主要手段。但是对于h d t v ，只有p b p 将来最有可能实现h d t v 的全部 要求。 东南大学顶十论文 1 2p d p 发展现状 图1 1 为2 0 0 1 年部分有代表性的p d p 新产品介绍。图中列出了从3 2 6 3 英寸的部分产品，其它平板显示技术基本上还没有占领这一领域。在较小的3 2 英寸产品中c r t 是p d p 的竞争对手，而在较大尺寸的产品中，投影显示有与p d p 竞争的实力。 c o m p a n y g i a g o n a tx p 缸如y 嘶幽x m my ma s pr 躺n i t sd r c o n t r a i l c a o r sc o m m e 惜 08 4o ，3 9 0 7 0 t 3 5 1 1 1 ，0 81 1 10 8 o 引0 8 1 n 9 7 20 9 7 2 09 7 8o9 7 8 o9 90 9 9 6 5 05 0 0 ：11 6 ma l i s 3 。04 0 0 ：11 6 啦m 3 5 0 5 b 。1 1 6 m 6 5 03 0 ：1 6 m 5 5 09 0 0 ：11 6 m 4 5 06 5 0 ：l1 6 mc o nf i l l e r s 1 8 m 6 0 08 0 0 ：11 6 mp r 咖 1 6 m p r o 。l y p e 8 7 0 0 ：11 6 m p r o t o t y p e t 6 mp 帅咖e 图1 12 0 0 1 年各公司p d p 新产品介绍 现今，为降低p d p 的成本，研究人员在器件结构、驱动电路、材料、制作 工艺等方面作了许多研究，下面是现在普遍采用和最近新开发的几种典型的p d p 结构： ( 1 ) 脉冲存储型彩色d c - p d p “。 d c p d p 的阴极和阳极直接暴露在充气的放电空间，工作时电极上加直流脉 冲电压放电发光，它与a c p d p 的基本区别是没有a c - p d p 的存储特性，即单元仅 仅在被施加电压时才发光。早期这种非存储型彩色d c - p d p 与单色d c - p d p 有相似 的结构，由于它的流明效率低，亮度低，因此并不实用，目前对彩色d c - p d p 的 研究集中在适于大屏幕显示的脉冲存储型彩色d c - p d p 方面。图1 2 为脉冲存储 型彩色d c p d p 的结构示意图，这种结构已制成4 0 英寸的显示屏。 ( 2 ) 电子加速型彩色d c p d p 印 利用直流等离子显示板的自扫描特性，可减少驱动单元，简化驱动电路。 图1 3 为电子加速型d c - p d p 的结构示意图。 2 啪雌瓣摊瑚栅珊瑚m瑚瑚糯琳珊蛳喇瓣擞舰粥狮錾l毫躺蝴驼盯蛇舵轮叫 腓哪 钟蚴 嘲 忡泔一眦憾 东阿大学颀上论文 图l 一1脉冲存储型彩色d c p d p 的结构图l 一2电子加速型d c - p d p 的结构 d c - p d p 自扫描型采用双层结构，将扫描和显示分开，可防止由于统计滞后 造成书写失误和亮度分布不均匀。但扫描侧从引发孔透过的辉光仍会影响对比 度，解决方法是将扫描电极黑化。图中显示部分放电单元的绝缘板蜂窗结构，可 消除放毫荦元对邻近单元的串据，增大放电电流。 ( 3 ) 交流对向放电型( a 咖) ”。 图卜3 是对向式放电的a c p d p 典型结构示意图，x 、y 电极分别做在相对放 置的玻璃基板上，在i d 9 0 层上涂敷荧光粉，在电极和荧光粉以外的部分涂敷吸收 紫外线的黑自物质，称为黑柜，在相邻放电单元之间为防止泄漏光子而制作了障 壁，以减轻混色，提高对比度。红、绿、蓝三种颜色的荧光粉涂敷在壁障形成的 沟道内。 较 量量 图i - 3对向式放电的a c - p d p 结构示意图 对向放电式结构的不足是在其放电过程中，荧光粉容易受离子轰击而使其 发光性能变差，同时，荧光粉沉积在m 9 0 绝缘层上也使驱动电压不稳定。但这种 结构与单色a c p d p 工艺相近，制备简单，仍有较多的产品问世。 ( 4 ) 交流表面放电型( a c c ) 5 1 为了提高p d p 的寿命，在a c m 的基础上，发展了交流表面放电型p d p 。图卜4 为表面放电型a c - - p d p 的典型结构示意图。它的特点是电极位于同一侧的底板 上，放电也在同侧电极闻进行。从而避免了离子对荧光粉的轰击。表面放电型彩 东南大学硬士论文 色p d p 的电极结构有三种形式：寻址电极位于显示电极之上( u a e ) ；寻址电极位 于显示电极之下( l a e ) 和寻址电极位于另一侧的底板上( 0 a e ) 。 近年来，表面放电型a c - - p d p 已成为了彩色p d p 的主流结构。与其它结构p d p 相眈，它具有高亮度和光效、结构简单、长寿命等优点，故现被世界上许多p d p 制造厂商使用。 图卜4 表面放电型a c - - p d p 的典型结构 ( 5 ) 彩色交直流混合型等离子显示板( m s p d p ) ”。 为了提高p d p 的亮度和发光效率，以满足h d t v 的要求，韩国三星公司开发 出了一种结构如图卜5 的彩色交直流混合型p d p ( 简称m s p d p ：m e m o r y - s h e e t 期p ) 。 该结构比a c p d p 和d c p d p 结构简单，增加两块特别的存储板一存储板a 和 b ，厚度约5 0 1 0 0pm ，材料为铁镍合金，刻蚀放电孔后涂敷一层约1 5i j 的玻 璃介质层，而后涂敷m g o 保护层。两片存储板作为障壁及a c 驱动的维持电极， 网孔结构决定了象素的大小并避免了邻近单元间的干扰。上下基板作d c 放电电 极，即可实现用直流放电方式进行选址工作。 图卜5 韩国三星公司的彩色交直流混合型p d p ( 5 ) 等离子体寻址液晶显示板( p a l c ) 等离子体一液晶混合显示( p a l c 。p l a s m aa d d r e s s i n gl i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ) 是用等离子体寻址l c d ，其结构如图卜6 所示。等离子体的放电功能 起到一个大型开关元件( 类似_ r f u r s ) 阵列的作用，而不是作为光发射元件使用。 显示板由3 个基本层构成：带有滤色器和偏振器的液晶层，负责合适的液晶盒开 关的等离子体层以及带荧光管的背光层。这种显示板的特点是鲍t f t 板简单，比 4 东南大学硕士论文 t f t 更易实现大尺寸显示。在标准的p a l c 结构中，只需要用壁障分隔每个全色 象素，颜色的分隔用液晶滤色片来实现。所以p a l c 需要的壁障数是具有相似尺 寸和寻址能力的p d p 显示板的三分之一。相反，对于相等的壁障间距，p a l c 技 术可以得到三倍的屏幕分辨率，因此，p a l c 技术具有的分辨率优势可以用于降 低成本和改善性能。 辱膏军di i 烈 卿舀鲻 国国一c s p 图卜6 等离子体寻址液晶显示板图l - 7 带有c s p ( c h a n g es t o r a g e dp a d ) 的显示板结构 ( 7 ) 放电单元可控的显示板结构 这种显示板结构同传统的三电极表面放电型p d p 几乎一样，不同的是加入了 一些辅助电极。维持电极平行的制作在前基板上，两电极之间没有i t o 膜，并且 在其附近制作有平行的辅助电极，介质层和m 9 0 层按通常的方法涂敷在维持电极 上。采用此结构后，可使得放电在维持电极间发生，不会出现放电发生在维持电 极和选址电极之间的情况，其发光效率可提高到2 1 m w 。 ( 8 ) 带有c s p ( c h a n g es t o r a g e dp a d ) 的显示板结构 韩国的l g 公司提出了一种既能延长平均放电路径的长度，又不会引起驱动 电压增高的新的p d p 显示板结构。图卜7 为其结构示意图。 这种显示板同传统的三电极表面放电p d p 的结构极为类似。前基板上平行 地制作维持电极，其上涂敷介质层和m 9 0 膜，c s p 置于介质层和0 膜之间，这 些c s p 是由透明导电金属制成( 如i t o 膜) ，呈方形，并且与外部电路无任何连 接，处于一种浮动状态。这种结构可以更加有效地调节亮度和放电电流之间的 关系。 ( 9 ) 采用a l i s 的新型显示板 采用a l i s 方法，维持电极等距离排列，每个维持电极之间的间隙当作一条 显示线。因此，与传统方法相比，同样的电极数目，可获得2 倍的分辨率。a l i s 用驱动奇偶线产生放电，来控制稳定的放电，这与c r t 的隔行扫描相似。采用 a l i s 方式的高分辨率显示板可显示1 0 2 4 1 0 2 4 个象素，平均亮度为8 0 0 c d m 7 ， 是传统方式的1 5 倍。采用a l i s 方式和传统方式的放电比较如图1 9 所示。图 卜8 为a l i s 驱动技术的图示。 东南大学硕士论文 。督殖 图卜8 a l i s 方式与传统方式的放电比较图卜9f h p 开发的a l i s 隔行扫描维持方式 ( 1 0 ) 桥式电极结构的新型显示板 图卜1 0 为“t ”型电极的示意图“。这种电极独立地排列在每个放电单元 内，能实现高发光效率和高分辨率的a c p d p 显示，对于5 0 英寸x g a w i d e 显示板， 予像素间距为0 2 8 6 m m ，象素数7 6 8 1 2 6 0 。它的优点是，在保持相同的光电特 性的条件下，可降低象素的电容和放电电流。缺点是，前后板之间的装配误差为 3 0 微米，这就要使用较昂贵的高应变点玻璃，来保证高温处理工艺不影响p d p 的空间稳定性。 圈卜1 0t 型电极示意图图l - 1 1 带b s 区域的新型电极结构 图卜1 1 为带b s 区域的显示板结构示意图。其特点是，在放电单元中每一 边的i t 0 维持电极上带有三个b s ( b u l l e t s h a p e de t c h i n gp a r t ) 区域，可减 小放电电流，降低功耗。经研究，b s 区域的宽为8 0 ur f l 、高为1 3 0 pm 、两个b s 间隙为3 0um 时，显示板的工作性能最好。这种显示板具有与传统结构显示板相 同的亮度、放电电压特性，由于功耗小，因此它具有较高的发光效率。实验证明， 6 东南大学硕士论文 它的发光效率比普通的显示板高3 0 左右，而且，在装配时它可以自由对准，这 一点比t 型结构的显示板优越。 ( 1 1 ) 栅栏电极结构的显示板 图卜1 2 所示为p l a s m a e o 开发的栅栏电极设计，并制作了6 0 英寸的样品。 它的优点是，不需要透明电极，因而节约了成本。这些不透明的栅栏条宽为3 0 微米左右，所以不会阻挡有效的光透出。另一个优点是，在前后板装配时不需考 虑装配误差。它的缺点是，需要高分辨率的光刻技术割作电极，但是，对于c r c u c r 电极的光刻来说，这不是主要的问题。 、补 n + j 仃 图卜1 2 不需要透明电极的栅栏电极结构 图卜1 3w a f f l e 障壁结构图卜i 4w a f f l e 和条形障壁的比较 ( 1 2 ) w a f f l e 障壁的显示板 图卜1 3 所示为p i o n e e r 最近生产的w a f f l e 障壁结构的显示板。图卜1 4 为 w a f f l e 和条形障壁的比较。它有以下优点：可防止垂直方向的串扰；困荧光粉 还可以涂敷在水平方向的障壁上，所以亮度有一定提高。缺点是：制作比条形障 壁复杂；排气更困难；前后板的装配也很不容易。 7 东南大学硕士论文 ( 13 ) 带有c c f ( c a p s u l a t ec o l o rf i l t e r ) 的显示板 图1 - 1 5n f 托的c c f 结构 图卜1 5 为n e c 开发的带c c f 结构显示板。它有较高的亮室对比度。它的特 点是，在红色亚象素的前板处放一个红色滤光片，在蓝色亚象素的前板处放一个 蓝色滤光片，对于绿色也同样处理。这样，在保持一个合理亮度的同时降低了前 板玻璃对荧光粉的发光反射率。其缺点是：彩色滤光片的处理工艺使成本提高了 很多；前后板的装配误差有严格的限制。 1 3p d p 的特点 p d p 之所以能与其它显示器件竞争。因为它具备许多有独特的优点： 平板化、重量轻、可实现壁挂式显示； 为自主发光型显示，能发单色光和彩色光。它有较好的发光效率与亮度。 p d p 亮度为3 0 0 1 7 0 0 c d m 2 ，而充氖( n e ) 的p d p 视掺入的气体成分，发光 效率在0 1 o 5 1 m w ，以上数值与其它显示相比虽不算太高，但因p d p 显示 媒质是透明的，它对环境光的反射率比较低，能得到较高的对比度，因此可 得到很高的脉冲亮度。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； 适合大屏幂、高分辨率显示。目前单色p d p 已做到对角线达到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； 等离子体显示单元具有很强的非线性特性。我们己经知道，简单矩阵显示为 了对单元寻址，要求显示单元从熄灭到点亮有很强的非线性特性，这种非线 性越强，能显示的行数就越多，而气体放电单元有很强的非线性，或称开关 特性，即当单元上麓加电压低于着火电压时，它基本不发光，因此，即使每 行多达1 0 0 0 个象素，但全选点与半选点仍有较高的亮度比，不会显著降低 等离子体显示板的对比度。另外一个好处是，许多矩阵显示都有大量的驱动 电路用于选址，而p d p 单元的开关特性减少了必须的驱动电路数。 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 8 东南大学硕士论文 为司能； 寿命长，目前等离子体显示屏的使用寿命已超过1 0 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。 此外，等离子体显示板是平板显示，象素位置固定而无畸变，结构较简单， 因为是刚性结构，耐振动，机械强度高，象素响应快，借助于气体放电产生的紫 外线激发荧光能做到彩色显示等，都是p d p 值得重视的特点。 可以说，p d p 比其它平板显示更适合于作大画面的显示。近些年来，彩色 p d p 研究取得了较大的进展，许多技术难题都已得到解决。虽然与液晶显示板相 比，p d p 的驱动电压较高，驱动电路贵一些，但显示板本身制作比较容易，如存 储型彩色a c p d p ，荧光粉涂敷和象索的精细制作多应用厚膜印刷技术，这与有 源液晶显示板每个象素必须制作一个薄膜晶体管元件相比，显然容易些，因而成 品率高，成本较低。液晶显示板本身的功耗显然比p d p 低得多，但为了实现彩色 显示的液晶器件常需采用荧光灯做背照光源，这是透过彩色滤光膜的光通仅为光 源光通的百分之几，因此，两种显示的总功耗相差不多。另外，彩色等离子体显 示板所用的三色荧光粉具有与彩色显象管三色荧光粉同样良好的发光特性，这保 证了彩色p d p 有很好的色纯，加上它具有良好的灰度显示能力，因此，目前普遍 认为，彩色交流存储型等离子体显示是最有希望实现直视型大屏幕壁挂电视的显 示器件，同时它也是实现h d t v 显示最有前途的平板显示器件 1 4 目前等离子显示技术存在的问题隋1 如1 3 节所示，目前世界上存在许多等离子显示器结构，但是各种结构都存 在着以下种或者几种问题 ( 1 ) 成本过高：目前p d p 的成本大约为2 0 0 美金英寸，一台普通的4 2 ”v g ap d p 市场销售价约为6 0 0 0 美金，这极大地限制了p d p 的市场扩大。 ( 2 ) 分辨率：显示像素沿水平方向受到扫描电极和公共电极的宽度所限制 ( 3 ) 对比度：影响p d p 的对比度有以下三种光：显示用的气体发光亮度、控 制用发光亮度和环境反射光亮度，提高前者降低后两者是目前提高对比度 的主要手段。 ( 4 ) 色温：p d p 显示图像的色温与其使用的三色紫外激发荧光粉和工作气体有 关，荧光粉的性能有待提高，并且在目前荧光粉的基础上改变结构和驱动 方法来补偿荧光粉缺陷引起的色温问题 ( 5 ) 功耗和发光效率低：目前大多p d p 的功耗很高，相当于c r t 的2 倍，从 理论上来讲，降低功耗最有效的途径就是提高发光效率。p d p 的目标是效 率达到5 l n l w 其中最关键的两个问题是成本高和功耗低。 9 东南大学硕士论文 1 5 论文主要工作 目前彩色p d p 主要面对两个关键技术问题，一是发光效率不高，二是生产成 本高针对这一要求，本中心自行研制开发了新型荫罩式等离子体显示器 ( s m p d p ) ，s m p d p 与目前市面上主流的a c p d p 相比，在工艺上用c r t 中工艺 简单且制作成熟的荫罩代替p d p 中复杂且成本高的障壁，将表面放电改为对向式 放电，从而提高了发光效率，降低了生产成本。 论文采用实验的方法对东南大学东飞显示中心提出的s 卅p d p 进行性能研究， 基于s m - p d p 结构，研究不同工作气体成分和荧光粉种类及工艺对s 卅p d p 的影响。 本人首先在对s m p d p 结构了解的基础上，制作1 4 ”s m - p d p 作为实验平 台，改变气体成分、气体配比及荧光粉的种类，研究其对s m p d p 的影响，同时 通过对s m _ p d p 内部放电进行模拟计算，并与实验结果比较，为进一步研究工作 气体对s m p d p 的影响提供了基础。 论文第一章为绪论，主要介绍p d p 的研究发展方向和现今等离子显示器的发 展水平，并总括论文的研究工作。第二章介绍p d p 的工作原理，比较目前市面上 主流的a c c p d p 与本中心自行研发的s m - p d p ，阐述s m - p d p 的优点与不足。第三 章介绍实验所用的1 4 ”s m p d p 制造工艺、驱动方案和模拟模型。第四章研究了 气体成分和配比以及荧光粉成分和种类对s 卅p d p 的影响。第五章得出结论。 东南人学硕士论文 第二章p d p 工作原理与结构研究 世界上有许多不同结构的p d p 叫，以不同的驱动方式来区分，p d p 分为d c p d p 和a c p d p 两种除了第一章中中提到的n h k 开发的新型d c p d p 外，目前的研究工 作及推广重点都在a c p d p 上 2 1a c p d p 基本工作原理与结构 a c p d p 中，可分为对向放电式a c p d p 和表面放电式a c p d p 。如图2 - 1 所示。 ( 1 ) 对向放电式( 2 ) 表面放电式 图2 - ia c p d p 放电单元结构比较 目前市面上主流的等离子显示器是a c p d p 的表面放电结构，即a c c p d p ，我 们以a c c p d p 为例，了解p d p 的工作原理a c c p d p 的基本结构如图2 - 4 所示， 图中所指是个放电单元结构，放电单元按矩阵式排列，构成p d p 显示板。r i o 图2 2a c p d p 放电单元基本结构及上作原理简图 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。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、 东南大学硕士论文 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。 1 控制不同的色度就可以得到希望显示的颜色“。 每一个放电单元是由驱动电路进行选择控制的。图2 5 所示为a c p d p 所加的 各种电压的工作时序。x 电极、y 电极问始终加有维持电压v s ( 低于气体放电点 火电压g f ) ，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舀，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l 变反时，维持电压t 和壁电压。方向相同，此时不需要再加 吼k 嗣陆 。m i 光脉 中n nn n n 2 2p d p 的放电特性和发光机理 气体放电原理是研究p d p 的基本原理，其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。 东南大学硕士论文 ( 1 ) 气体放电中粒子的运动与相互作用 气体放电过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交为导电状态，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，v 关系如图2 6 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。 i e 广 l o 1 0 4 0 l o 必妻照二= = = = ： 异常靠光触电豆 1 日1 肆兆t l o o 1 0 1 0 、， i o o 1 0 煎睚区 孳耋苎皇苎、l 取超千井a 篓当鬻星苎三曼詈耖业电压 1 0 0 2 3 环路增益f 2 m d 图2 - 4 气体放电的反馈模型图2 - 5 气体放电豹伏安特性曲线 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 7 所示的反馈模型来描述，图中口为气体电离系数，v 为电极问电压。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l ，则这个系统就会变得不稳定。气体放电从稳态蓟 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 起始电流厶，则放电电流将呈指数增长。 ( 2 ) p 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。 东南大学硕士论文 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 8 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。 h ) 光区分布 ( b ) 光强分布 e ) 电位分雍 图2 - 6 正常辉光放电的光区、电位和光强分布 ( 1 _ 阴极辉区2 一负辉区3 一正柱区4 一阳极辉区 5 - n 斯顿暗区6 一阴极暗区7 一法拉第暗区8 一阳极暗区) 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。“ ( 3 ) p 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1 。 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w e 与x e 原予碰撞的过程为： 讹：十皿一n e + x e + + 8 ( 潘宁电离)( 2 1 ) 1 4 东南大学硕士论文 所产生的电子在电场的作用下发生如下反应： e + 肫一n e + + 2 e ( 电子碰撞电离)( 2 - 2 ) p + 讹_ 讹：+ 8 ( 亚稳激发)( 2 3 ) g + x e x e + + 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n e 原子的电离雪崩，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 + 哼x e “( 2 p 5 或2 p 6 ) + y ( 2 5 ) 由于x e 原子2 p 5 和2 p 6 能级的激发态嫩”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： 托”( 2 p 5 或2 p 6 ) 斗x e + ( 1 s 4 或1 如) + 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： 恐+ ( 1 屯) x e ( 1 s 4 ) ( 2 7 ) 这里，1 丘是x e 原子的谐振激发能级。x e 原子1 以能级的激发态跃迁至x e 的基态 时，就发生共振跃迁，产生使p d p 放电发光的1 4 7 n m 紫外光： 盈( 1 s 4 ) _ x e + h v ( 1 4 7 n m ) ( 2 8 ) ，x e 原子的能级与发光光谱图如图2 - 9 所示。 东南大学硕士论文 基态n e基态x e 图2 7 ，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。真空紫 外光激发荧光粉发光的原理如图2 1 0 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y 2 0 3 是不具有发光本领的。另 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。 lt i e 、 肆带 i 加 曩带 jl 。 鼬 芦靴忡 一一 帆 图2 - 8 真空紫外光激发荧光粉发光的过程示意图 东南大学硕士论文 2 3s 妒p d p 与a c c - p d p 的比较 图2 - 9a c c p o p 示意图图2 一i os m - p o p 示意图 图2 - 9 和2 一1 1 是表面交流放电型等离子体显示示意图和单元结构示意图。 该结构是世界上大多数公司所采用的结构。此结构通过扫描电极和寻址电极之间 的放电形成与显示图象相应的壁电压来实现矩阵寻址；通过前基板上公共电极与 扫描电极上所加交流脉冲电压激发表面放电，产生真空紫外线( v u v ) 激发荧光 粉产生可见光实现图像显示，与对向式放电p d p 比较，表面放电结构的电场为非 均匀场，在表面平行电极形成较强的电场，有利于诱发气体放电，降低着火电压， 并且由于主放电为表面放电因此与早期对向式放电相比，离子对荧光粉的轰击大 大降低，提高的寿命。虽然目前表面式放电p d p 已经量产，但是仍然存在成本高、 发光效率低、图像显示质量低等很多问题，尤其突出的是成本和发光效率。成 本是与表面放电结构本身相关的，由于在表面放电结构中，必须依靠介质材料制 作高而窄的障壁来形成放电空间，因此对障壁的要求比较高，包括障壁的均匀性， 内壁形状、气孔率等等。而目前障壁制作的工艺主要为丝网印刷和喷沙的方法， 前者精度较低，后者成品率较低。 东南大学显示技术研究中心发明的新型的荫罩式结构s m - p d p “”结构如图 2 一l o 所示，其放电单元结构图如图2 - 1 1 所示。 图2 1 1a c c p b p 显示单元截面图 图2 1 2s m p d p 显示单元截面图 东南大学硕士论文 这种结构与对向放电式a c - p d p 看起来是很类似的，但是放电单元的分隔方 法不一样，新型s m p o 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 0 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，以驱动 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。工作时，上电极加上一个电压，下电极加上一电压，中间的金属罩也可加 上一电压。在交变电压的作用下，气体将会的放电发光。该结构的主要特点是放 电性能好，制作成本低。 通过实验和计算机模拟结果证明：s m - p d p 有以下几个优点： ( 1 ) s m p o p 的工作电压低于现在的表面放电式结构，因此降低了对电源 和高压驱动i c 的要求，因此能够降低驱动成本。 ( 2 ) 目前表面放电结构的寻址方式通常为3 s 行，对于高容量显示来 说，寻址速度不够，因此必须采用双扫描方式，即将屏分为上下两 部分，两组高压寻址i e 同时工作来缩短寻址时间，但是这回大幅度 提高驱动成本，而s m - p d p 通过实验和模拟都已经证明了s m - p d p 的 寻址速度高于表面放电结构，目前已经实现了1 5 u s 行的寻址速度， 有利于实现低成本高容量的要求。 ( 3 ) 在s m - p d p 结构中，荫罩电极和行、列电极的最短极间间隙只有介电 层与保护膜的厚度，最长极间距可达荫罩的厚度，而且极间的气体 击穿路径可在很大范围内变动。即在定的工作气压下范围内， s m p d p 所有显示单元的最低着火电压和维持电压变化幅度窄，一位 着动态范围即着火电压和维持电压之差很大，这就降低了对驱动的 要求，从而降低成本。 ( 4 ) s m p d p 中由于荫罩每一网孔为碗状，它与前基板的接触面积很小， 既可以保障荫罩本身的强度，又保障对前基板的支撑的强度，还能 最大限度地增加显示板有效地放光面积与视角。 ( 5 ) 由于s 卅p d p 中荫罩本身也起到现有等离子显示板