（物理电子学专业论文）14”等离子体平板背光源的结构设计.pdf

摘要 等离子体平板背光源是一种采用氙放电的新型的平板荧光灯，其工作原理及工艺流程与表面放 电型a c p d p 类似。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b l u r 现象的扫描式液晶背光源，因而有着广阔的应用前景，但是目前还存在着亮度，光效比较 低的缺点，难以达到实用要求。 本论文针对等离子体平板背光源放电效率低的问题展开研究，在理论分析和计算机模拟计算的 基础上设计了几种新型的表面放电式电极结构，分别是六边形电极，指接型电极和互嵌型电极，并 且制作放大单元实验屏，通过对屏的测试研究，结果表明与传统表面放电的平行电极相比新型的电 极结构可以有效改善放电性能，提高亮度，降低工作电压。 根据放大单元实验结果，本文选取亮度较高的六边形结构和指接型结构，制作了一批3 ”实验 屏，通过实验确定了等离子体平板背光源制各的工艺流程，并且系统研究了电极结构、电极间距、 支撑高度、气体成分对其放电性能的影响，并总结出了四者的优化参数。最后根据这些参数制各了 1 4 ”等离子体平板背光源。结果表明，采用指接形电极结构，电极间距7 0 0 u m ，支撑高度0 2 2 n n n ， 充入2 0 5 t o r t n e x e ( 2 0 ) 混合气体可以获得比较好的放电性能。这对于等离子体平板背光源进一 步的研制和开发具有重要的意义。 关键词：等离子体平板背光源亮度电极结构电极间距支撑高度气体成分 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 sw i t hx e d i s c h a r g eh a v eb e e ns t u d i e da n df a b r i c a t e di nt h i sp a p e r t h i s k i n do f b a c k l i g h tp o s s e s s e sm a n ym e r i t si 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 d r 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 yt h ew o r l d w i d er e s e a r c h e r s b u ta tp r e s e n t ，i t s l 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 r 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 s t h eu r g e n ti s s u et ob ei m p r o v e d nt h i sp a p e r , n o v e le l e c t r o d es t r l l c r u e sh a v eb e e nd e s i g n e dt o i m p r o v et h ed i s c h a r g e p e r f o r m a n c eo fp l a s m af l a tb a c k l i g h t sb a s e do i lo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n t h em a c r o c e l lp a n e lh a sb e e nf a b r i c a t e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e w s t r u c t u r e sc o n v e n i e n t l y a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e ws t r u c t u r e sc a ni m p r o v et h e b r i g h t n e s sa n dd e c r e a s et h ef i r ev o l t a g ee f f e c t i v e l y ；h e x a g o ns t r u c t u r ea n db r a n c hs t r u c t u r e p e r f o r mb e s ta m o n ga l l ， t h e nt h eb e s tt w os t r u c t u r e sw e r ec h o s e nt om a k et h e3i n c he x p e r i m e n tp a n e l s p r o c e s s p a r a m e t e r sh a v eb e e ns e ta n dt h ei n f l u e n c eo ft h es h a p eo fe l e c t r o d es t r u c t u r e ，e l e c t r o d e s e p a r a t i o n ，g a ph e i g h t ，g a sm i x t u r ea n dd r i v ef r e q u e n c yo nd i s c h a r g ep e r f o r m a n c eh a v eb e e n i n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t o p t i m a lp a r a m e t e r sh a v eb e e ns u m m a r i z e dt om a k et h e 1 4 p l a s m af l a tb a e k l i g h t s g o o dd i s c h a r g ep e r f o r m a n c ec a nb eo b t a i n e db yb r a n c he l e c t r o d e s t r u c t u r eo f7 0 0 u me l e c t r o d es e p a r a t i o n , 0 2 2 m mg a ph e i g h t , 2 0 5 t o r tn e x e ( 2 0 ) g a s m i x t u r e t h er c s u i t se s t a b l i s ht h eb a s ef o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：p l a s m af l a tb a c k l i g h t s ，b r i g h t n e s s ，e l e c t r o d es t r u c t u r e ，e l e c t r o d es e p a r a t i o n , g a ph e i g h t ，g a sm i x t u r e n 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；薹垂蕴 日期：三立矿 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：篮阻导师签名：壅盔日期：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。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。 t f r - 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”“。目前 平板液晶显示器普遍采用的背光源是冷阴极荧光灯( c c f l ) ，其优点是光效和亮度高( 分别可达 8 0 1 m w 和2 0 0 0 0 c d m 2 以上) 。而c c f l 的缺点是低温启动性能差，启动后达到全光通输出的响应时 间长和寿命较短”1 。为使显示器亮度均匀还需配置反光板、导光板、扩散板和棱镜板等部件，使灯管 的亮度损失较大，并且c c f l 需要汞蒸汽作为工作气体，因此荧光灯的生产和废弃都会造成对环境的 污染。随着世界各国环境保护意识的增强，各国政府纷纷制订法律逐步减小工业生产中的用汞量，欧 盟r o h s 已经规定禁用含汞的电子产品。在此背景下，开发新型光源受到世界上许多显示器制造厂家 和研究机构的重视。这些新型光源主要包括电致发光( e l ) 板、有机发光二极管( 0 l e d ) 板和采用x e 放 电的等离子体平板背光源等。其中等离子体平板背光源具有无汞污染，白场均一性好，稳定性好 等优点受到全球业者的广泛关注，但是目前还存在光效比较低的缺点，难以达到实用要求，这也是 目前需要重点解决的问题。 1 1t f t - l c d 显示器件 t f t - l c d 使液晶显示器件进入高画质，真彩色显示的新阶段，所有高档的液晶显示器件中都毫 不例外地使用n 叮有源矩阵川。 1 1 1t f t - l c d 显示器驱动原理 同一般液晶显示器件类似，叮液晶显示器件也是在两块玻璃之间封入液晶，并且是普通t n 型 工作方式。但是玻璃基板则与普通液晶显示器不一样，在下基板上要光刻出行扫描线和列寻址线， 构成一个矩阵，在其交点上制作出n t 有源器件和像素电极，其工作原理如图l l 所示。同一行中与 各像素串联的场效应管( f e t ) 的栅极是连在一起的，故行电极x 也称栅极母线。而信号电极y 将同 一列中p e t 的漏极连在一起，故列电极也称漏极母线。而f e t 的源极则与液晶的像素电极相连。为 了增加液晶像素的弛豫时间，还对液晶像素并联上一个合适的电容。 当扫描到某一行时，扫描脉冲使该行上的全部f e t 导通。同时各列将信号电压施加到液晶像素 上，即对并联的电容器充电。这一行扫描过后，各f e t 处于开路状态，不管以后列上信号如何变化， 对未扫描行上的像素都无影响，即信号电压可在液晶像素上保持接近一帧时间，使占空比达到百分 之百，而与扫描行数n 无关。这样就彻底解决了普通矩阵中交叉效应与占空比随n 增加而变小的问 东南大学硕士学位论文 题。 图1 1 订可矩阵驱动l c d 的工作原理 i i 2b l u r 现象的产生及其去除方法 虽然目前液晶显示器已经广泛地用作计算机终端，但是作为电视机，液晶显示器仍然存在着很 大的缺点，特别是显示快速运动图像时会出现b l u r 现象。b l u r 现象主要是由于液晶分子的响应时间过 长i s 以及t f t - l c d 所采用的h o l d - t i m e 的驱动方式造成的1 9 。当一帧图像还没有全部显示结束，下一 帧图像已经出现时，b l u r 现象便会发生。针对这种现象，目前已经提出很多消除方法。比如，提高 液晶分子响应速度i l q ，使用过驱动法提高电路的响应速度【i ”；使用空帧插入法【l ”，在显示下一帧前 消除当前帧的图像信号；使用运动图象模拟系统预测下一帧的画面提高显示质量【l ”；使用动态扫描 式背光源“目，周期性瞬间照亮部分区域，原理图如1 2 所示，通过设定合适的照明周期，在写入新 的一帧前熄灭背光源，便可以消除b l u r 现象，这种方法凭借低成本以及易操作性得到越来越多的关 注。图1 3 为扫描式背光源的结构图，每根灯管依次点亮可以有效提高运动图像的清晰度。 2 第一章绪论 图1 2 利用扫描式背光源消除b l u 觑象的原理图 图1 3 扫描式背光源结构图 i 2 液晶背光源概述 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 i ) 背光 源应有利于l c d 的使用。它应具有以下性能：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 是l c d 背光源应具有的一些技 术指标。 3 东南大学硕士学位论文 表1 - 1l c d 背光源的指标 项目 指标趋势 光学指标 表面亮度 2 0 0 0c d m 2 增大 照明角度 增大，实时可调 亮度调节 - i - 4 5 ( 水平) ，2 5 。( 垂直) 不均匀性 1 0 倍 1 0 4 0 0 0 d , 时( 目标为8 0 0 0 b 时) 8 5 0 0 k4 0 0 0 小时后为7 5 据该公司称，在这种灯反光系统近光源处的平均发光亮度为5 6 1 0 5 c d m 2 ，可获得等同于两 倍功率，电弧长为4 5 m 的金属卤化物灯的亮度。因为电弧长度短，所以它可以发出小束角的光束， 因而与电弧长为4 5 m m ，2 0 0 w 金属卤化物灯相比，让更多的光通过较小的光阈；从而可以在l c d 系统 中使用价格较低的小尺寸投影器件。降低了系统的成本。图卜5 是这种灯采用的短弧小光束角的工 作原理图。借助凸面透镜，光束被投向光阙，再通过第二个透镜，将图像投向显示屏蔽。飞利浦公 司称，他们的这种超高强度短弧灯是用目前在照明工业中还鲜为人知的技术研制成的第一种新一代 灯。它的色温极稳定，因而不会产生在传统金属卤化物灯中那种寿命期内的色温变化。该灯也没有 因金属卤化物盐沉积而造成色温变化的现象发生，并具有良好的光束维持特性。这种灯主要是用作 4 第一章绪论 投影型l c d 的背光源。高压气体放电灯的电弧管工作温度很高，并且不易微型化，因而更多的是用于 作投影型l c d 背光源，而不适合与l c d 板组合在一起，做成很薄的l c d 系统。 纩 飙 弋 。 图卜4 短弧灯l c d 反射器件组图l - 5 短弧小光束角的工作原理 2 电致发光板( e l 板) e l e c t r ol u m i n e s c e n t ，简称e l ，中文就是电致发光片( 或电致发光片冷光片) ，是一种新型 的平板冷光源，其结构和电路原理如图1 - 6 所示。电场发光e l 可以将电能直接转换成光能，在1 9 3 6 年首次被德国科学家d e s t r i a 博士发现，是一项已有六十年历史的技术，直到近年由于固态化学与 透明薄膜半导体技术( i t o ) 的发展，e l 平面显示器才逐渐受到重视。其发光原理是发光材料中的 电子在电场作用下碰撞发光中心，出现电离并发生能级跃迁而导致发光。场致发光片是将发光粉( 荧 光粉) 置于两个平板电极之间，当交流电压加在两个电极上时，电场使得发光片急速地充放电，从 而在每一个充放电循环中发光。e l 的发光亮度取决于电压及频率的变化。亮度随电压的升高而增强， 但过高的电压会严重影响e l 的使用寿命，一般使用的电压不超过1 4 0 v ；交流电频率在5 0 h z 2 0 0 0 h z 范围内，发光光谱的频率随交流电频率的增加而增加，但同时频率增加也会影响e l 的寿命。它的缺 点是和使用环境有很大关系，合适的工作电压及频率对e l 亮度和寿命是至关重要的决定性因素。一 般使用频率不超过1 5 0 0 h z 的交流电。e l 的寿命指其发光亮度减弱到初始发光亮度的一半时所需的时 间，用小时表示，标准作用条件下e l 的寿命一般大于1 0 0 0 0 小时( 蓝色光除外) 。e l 不像其它的光 源会在使用过程中突然失光导致完全不能使用，但是其亮度随着使用时间的延长而逐渐减弱，减弱 的速度受电压、频率、温度的影响，其中温度影响最为严重，它可在很短的时间内使e l 的亮度迅速 降低，直至完全失光，但这并不影响它的应用。目前，由于e l 背光方式具有体积小、重量轻、超薄 平、温度低，功耗少、无闶烁、发光均匀等特性，已广泛运用于民用手持设备上。在l c d 显示器的 背光等方面上也有一定的应用，但是由于它的发光效率会随着时问而减弱。所以目前的l c d 显示器 应用e l 背光技术并不广泛。 圈1 - 6 电致发光板( e l 板) 的结构和电路原理 3 发光二极管( l e d ) l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，发光二极管，如图1 - 7 所示) 是一种革命性的半导体照明技术， l e d 器件由两层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带有过量的电子，另一层则缺乏电子而形成带正 5 东南大学硕士学位论文 电的“空穴”。工作时电流通过，电子和空穴相互结合，多余的能量则以光辐射的形式被释放出来， 由此实现亮度输出。l e d 背光源具有工作电压低、亮度高、使用寿命长等优点，发光颜色也有多种， 但工作电流较大，一般一支l e o 典型的工作电压是2 1 v ，电流在1 0 i l l a 左右。在背光源的实际电路中， 是把两支l e o 串联使用，使工作电压接近数字电路的工作电压5 0 v 。在显示砸积较大的情况下，需 要把很多l e d 串联后再并联起来，需要很大的电流。与现有的冷阴极荧光灯技术相比，发光二极管 有许多优点，如它是一种平面状的光源，最基本的l e d 发光单元是3 5 m 边长的正方形，很容易组 合在一起成为既定面积的面光源，自身便具有很好的亮度均匀性，出色的色彩表现( 与n t s c 规格相 比，采用l e d 背光的液晶显示器色域范围可以达到它的1 0 5 ，而c c f l 背光的液晶显示器色域仅有n t s c 的7 0 ) ；l e d 的使用寿命可长达1 0 万小时。即便每天连续使用1 0 个小时，也可以连续用上2 7 年， 且在漫长的时间内都可维持出色的亮度，而不会在几年以后就出现诸如屏幕发黄、变暗的问题；第 四，l e d 使用的是6 2 4 v 的低压电源，十分安全，供电模块的设计也颇为简单，同时l e d 不需使用对 环境有害的金属汞，这显然比传统的标有含汞的冷阴极荧光灯产品更为环保。但是由于蓝光l e d 的 亮度相对于红光l e 睐说过低，因而用l e d 作为l c d 背光源就难以发出全光谱的“白光”，从而不适合 用于彩色l c i ) 。 单个l e d 灯 组合l e d 灯 图1 7 照明用l e d 4 冷阴极荧光灯( c c f l ) 冷阴极荧光灯( c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tl a m p s ，简称c c f l ) 是采用冷阴极代替钨丝等熟阴 极的低气压汞- 稀有气体放电灯，在强电场的作用下，依靠离子轰击由镍钽和锆等金属组成的电 极来发射电子，使汞原子激发和电离，形成丰富的2 5 3 7 m 紫外线和足够的电流，紫外线激发管壁 上的荧光粉涂层而发光。冷阴极荧光灯灯内充满惰性气体和微量水银，并在玻璃管内壁涂有荧光物 质。当加高电压到管两端的电极上时，两极便开始放电。水锟会因电子或充入的惰性气体的原予等 相互碰撞而被激活，发出紫外线( 主要波长为2 5 3 7 m ) ，紫外线再激活荧光物质。因荧光物质的 组成材料不同，故能发出不同颜色的光。有源薄膜晶体管阵列液晶显示器( a m - t f t - l c d ) 几乎全都 采用冷阴极荧光灯( c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n c el a m p ，c c f l ) 作为背光照明的发光部件，c c f l 需 要在高压( 5 0 0 v 以上) ，交流( 4 0 k h z 左右) 电源的驱动下工作，因此通常需要将直流、低压电源 逆变为高压交流电源。为了降低c c f l 的功耗，有必要提高逆变电路的转换效率，尽可能地使逆变电 路的电气参数与采用的c c f l 电气特性相匹配。c c f l 背光源的安装有背光式和侧光式两种。背光源 由冷阴极荧光灯，倒光板、反射片、扩散片组成。图l - 8 为侧光式c c f l 背光源模组的示意图。 6 第一章绪论 蛔光反x 蓁圣圣圣茎圣薹薰翼镜片 衄 。巍片 j 亍翼 c c f l f反射片 图1 - 8 侧光式c c f l 背光源模组 凭借其亮度、光效方面的出色表现c c f l 成为目前背光源的主流，但是几乎所有的c c f l 都采 用汞放电，含汞荧光灯存在着低温启动性能差，启动后达到全光通输出的响应时间长，环境污染等 问题，并且c c f l 还存在结构复杂和寿命短的问题 2 1 ，加上欧盟r o l l s 的规定( 该规定要求从2 0 0 6 年7 月1 日开始，在欧盟成员国进行销售的电子电器设备产品必须禁止使用6 种有害化学物质，这 6 种有害物质为铅、六价铬、镉、汞、溴化阻燃剂聚溴二苯醚和聚溴联苯) 。寻找h g 的替代品迫在 眉睫。 1 3 等离子体平板背光源的提出 汞的替代元素必须满足以下几个条件，首先化学性质稳定，最好是惰性气体；第二，放电时能 够产生强烈的真空紫外线( v l r v ) 辐射；第三，为了减小对荧光粉的损害，真空紫外线的波长需要 长些【1 7 1 。综上考虑，氙是最好的选择，为了降低放电电压，延长背光源的寿命，氙中需要夹杂氖氩 等混合气体。 等离子体平板背光源与传统概念上的荧光灯的结构有很大的不同。平板背光源是一种特殊形式 的荧光灯，其原理是在放电空间充入氙，工作时在电极上施加交变的高压电场，使这种特殊的气体 击穿产生气体放电，氤激发电离，产生稳定而均匀的等离子体，即可发出真空紫外线，利用波长 1 4 7 m n , 1 7 2 n m 的真空紫外光辐射，激励灯内的荧光粉层即可以发出用于照明的可见光。平板背光源 的基本结构都是由两块平板玻璃组成，其上不同的电极形式构成了各种类型的平板背光源。 近年来研制和开发的比较具有代表性的是o s r a m 公司的平板背光源。 德国o s r a m 公司开发出一种命名为p l a n o ni 的平面光源，其结构如图1 - 9 所示电极、介质层、 反射层和荧光粉均采用厚膜印刷工艺制作。灯的封接和充气工艺有两种。早期采用先将前后基板对 位后用低熔点的玻璃封接，然后通过排气管抽气，最后往板内充气并封屏。后来为进一步减小平面灯 的厚度，开发出无排气管封接和充气工艺，即将前、后板放在真空腔体内，在使低熔点玻璃熔化的温 度下充入一定压力的气体，然后真空腔体降温，低玻固化将其内的气体封入前、后板内。此工艺的优 点是排气对间短，可显著提高生产效率，而且制作出的灯的厚度仅是两块玻璃板厚度与它们距离之 和，因而厚度很薄( 不超过8 5 ) 。p l a n o ni 的亮度维持性能如图1 一1 0 所示。可以看出，点亮4 0 0 0 h 后，p l a n o ni 的亮度下降为初始亮度的9 0 。而多管( 8 1 2 只) 并列直下式c c f l 亮度下降为8 帆，多管 ( 4 6 只) 侧置式c c f l 亮度下降为7 0 9 6 。所以p l a n o ni c y 的亮度衰减慢，寿命长“”。 7 东南大学硕士学位论文 封接鬟鬻嘉夼蕊暖 图1 - 9p l a n o ni 平板荧光灯结构示意图 夷蠢糟 匮甜肄 时瓤南 图1 - 1 0p l a n o ni 灯与c c f l 亮_ 度衰减的比较 后来o s p a m 公司在p l a n o ni 灯技术基础上设计出的二代产品“”。其结构如图1 一l l 所示。它结构 简单。仅由3 个部件组成：前玻璃板、后玻璃板和柔性印刷电路( f p c ) 。各种平面灯由于内部气体压力 低于外界大气压，前后板问一般需要附加隔离柱来支撑。然而，p l a n o n 的不同之处在于隔离柱和密 封框架已集成在前玻璃板上。为此，开发出一种特殊而可靠的玻璃成形工艺。设计隔离柱形状时，使 其不会干扰l c d 显示区域的发光，并且通过合理选择隔离柱的数目使玻璃扳的厚度减小为l m 。这样 就可把电极制作在后玻璃板的外表面，用1 m 玻璃板作为介质层，而省去费时并且可靠性较差的用丝 网印刷制作介质层的工艺步骤及后续的烧结过程。 p l a n o n 内部的详细结构如图卜1 2 所示。表面具有凹凸形状的前板和平整的后板用特殊的焊料 玻璃技术封接在一起。灯的内表面被荧光粉层所覆盖，它们将x e 放电产生的真空紫外线转化为可见 光。后板上荧光粉层下的可见光反射层用来防止可见光从后板射出造成亮度损失。在把前、后板封 接好后，用一薄层粘结胶将具有铜制电极结构的柔性导电带粘贴在后板的外表面。图1 - 1 3 是p l a n o n 工作中的照片。 8 第一章绪论 图卜i ip l a n o n u 结构示意图 图1 - 1 2p l n o n 内部的详细结构示意图 图1 1 3o s r a m 公司的平板荧光灯外形图 等离子体平板背光源的特点是亮度均匀性好( 8 5 ) ，易于制作成分区域扫描的动态背光源；光 输出不随环境温度变化( 一3 0 + 8 0 ) ；全亮度瞬时启动( 5 m s ) ；灯寿命长，达3 0 0 0 0 h 以上；由于无 汞。因而大大减缓了荧光粉发黑的进程。目前存在的问题是发光效率有待进一步提高，放电易发生正 柱收缩，难以进一步提高放电均匀性“”。因此，进一步提高氙的放电效率和放电均匀性，开发出满 足市场要求的等离子体平板背光源是i l l ) 背光源生产和研发部门所面临的一个重要任务。 9 东南大学硕士学位论文 1 4 论文主要工作及意义 为了实现等离子体平板背光源的基本功能，并提高亮度和发光均匀性，本论文首先为等离子体 平板背光源设计了合适的电极结构，接着通过实验系统研究电极间距、支撑高度等结构参数以及气 体成分对等离子体平板背光源放电性能的影响，最后在匹配的电路系统下驱动优化后的等离子体平 板背光源，为制作动态扫描式背光源打下了坚实的基础。 论文的结构安排如下；首先介绍t f t - l c d 背光源的发展现状以及研究等离子体平板背光源的 意义；接着阐述等离子体平板背光源的工作原理及确定实验方案；然后在理论分析及模拟计算的基 础上设计前板电极结构；制备实验屏研究各种结构参数以及气体成分对等离子体背光源放电性能的 影响；最后根据实验结果选择最佳结构参数制备1 4 等离子体平板背光源；得出结论。- 1 0 第二章等离子体平板背光源的工作原理与实验方案的建立 第二章等离子体平板背光源的工作原理与实 验方案的建立 平板背光源的基本结构都是由两块平板玻璃组成，放电空间内充有氖氤混合气体，在交流高压 作用下使气体击穿产生放电。在放电过程中，氙的谐振态辐射产生1 4 7 n m ，1 7 3 r i m 的真空紫外线 ( v a c u u mu l t r a v i o l e t ，v u v ) 轰击混合均匀的三色荧光粉发光。其上不同的电极形式构成了各种 类型的平板背光源。 2 1 等离子体放电特性和发光原理 气体放电原理是研究等离子体平板背光源放电特性的基本原理，其主要有两个基本过程：气体 放电过程，放电空间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。 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l 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、光子的运动以及相互作用。粒子在放电空间将尽心 能够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放电的漂移运动。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 i - v 关系如图2 - - 1 所示。从图可以看出放电曲线具有明显的非线性。 鲢鍪皇燕= = = ：= ： 另霄彝光麓电畦 二磊疆 “；蔷， 鸶誊发电匿 甚挣基电) 戢决于棚、煮 彻始曩件 t 詹太电h i $ o o 瑚 = 加“一1 ) 流 图2 一l 气体放电的特性曲线图2 - 2 气体放电的反馈模型 渺炉胪扩 东南大学硕士学位论文 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刚。由电子繁流理论可知，要使放电得以 白恃，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 2 所示的反馈模型来描述，图中口为气体电离系数，d 为放电路径，y 为 电极问的电压。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，这些次级电子又急促参与电子雪崩，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。气体放电从稳态到非稳态的过度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 气体放电特性0 1 茹】 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。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体区，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 “) 光区分布 b ，光强分布 ( c ) 皂位分布 图2 - - 3 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 正柱区4 一阳极辉区 5 一阿斯顿暗区6 - 阴极暗区7 一法拉第暗区8 _ 阳极暗区) 如图2 - 3 中所示，气体在放电过程中存在两个主要的发光区域：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，气体在放电过程中产生的辉光主要 集中在正柱区。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。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。但是目前p d p 的发光效率只有l l m w 。造成发光效率低的主要愿意是因为日 第二章等离子体平板背光源的工作原理与实验方案的建立 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 等离子体的发光机理 2 0 2 1 茹1 等离子体平板背光源肃然有许多不同的结构，但其放电机理都是相同的。下面以氖氤混合气体 为例，来说明发光机理。 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 7 与x e 原予碰撞的过程为； 艺+ x e 一肫+ x e + + p ( 潘宁电离) 所产生的电子在电场的作用下发生如下反应： p + n e - n e + + 2 e( 电子碰撞电离) e + n e 一憾+ p ( 亚稳激发) e + x e 义矿+ 2 e ( 电子碰撞电离) 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l f 的消失和 n e 原子的电离雪崩，降低了工作电压。 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 + 一x e ( 2 p 5 或z 玩) + v 由于x e 原子2 见或z 风的能级的激发态j 白”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 既) - x e ( 1 s 4 或l s 5 ) + h v ( 8 2 3 n m ，8 2 8 n m ) x e ( 1 s , 1 与周围的分子相互碰撞，发生能量转移，但并不产生光辐射，印发生碰撞转移： x e ( k ) jx e * ( 1 s 4 ) 这里，1 凡是盟原子的谐振激发能级舷原子l s 4 能级的激发态跃迁至j 白的基态时，就发生共振 跃迁，产生使p d p 放电发光的1 4 7 n m 紫外线： x e ( 1 s 4 ) - a zx e + h v ( 1 4 7 m ) n e , x e 原子的能级与发光光谱图如图2 _ 4 所示。 东南大学硕士学位论文 2 16 e v 1 87 e v 1 6 7 e v 1 66 e v 基态n e基态x e 图2 - 4n e x e 原子的能级与发光光谱图 由图可知，真空紫外线都是由亚稳态的x e 跃迁产生的，因而提高x e 的含量可以提高紫外线 强度也就能提高亮度，目前氙气的浓度已经普遍提高到接近2 0 0 0 。 4 巴邢定律 气体放电电流密度随两电极间电压的增大而增大。当放电电极间电压增大到某个定植时，即满 足击穿条件时，放电电流会骤然增长，同时有显著的光辐射，放电由汤生放电过度到自持放电( 如 图2 1 b 所示) ，放电空间内的气体由绝缘状态而变成导电状态，这种现象就被称为气体击穿，气体 击穿瞬间的电压称为击穿电压。 十九世纪末，巴邢在测量气体击穿电压的大量实验中发现：在冷阴极、均匀电场的条件下，着 火电压是随放电管内的p d 乘积而变化，并不是分别随p 和d 的数值变化。这里的p 是气体压力，d 是两平板电极间的距离。实验还发现，击穿电压随p d 乘积的变化时，有最小值存在。击穿电压随 p d 乘积变化的规律称为巴邢定律。巴邢定律是被大量实验所证实的，它是气体击穿的基础理论之一。 它也可以从汤生理论推倒得出。着火电压随p d 变化的曲线称为巴邢曲线，通过巴邢定律推倒出的 巴邢曲线形状基本相似，如图2 - 5 所示，变化规律不同。当p d 值从很小开始增大时，击穿电压从较 高值很快随之下降；当p d 却d ) m 时，击穿电压降到最小值v ，而后当p d 增加时，v f 又随之上 升。通常将p d ( p d k 。的曲线部分称为巴邢曲线右支击 穿电压最小值的存在是因为当p d 乘积发生变化对，一方面因碰撞次数增多，有利放电发展；另一 方面，因电子在一个自由程中获得的能量减少，不利于放电的发展。综合两方面的影响因素，在p d 较小时，若p d 增大，则对放电有利为主要影响因素，其击穿电压随着p d 增大而下降；p d 较大时， 若p d 增大，则对放电不利为主要影响因素，其击穿电压随p d 增大而上升，因此有最小值存在。 1 4 第二章等离子体平板背光源的工作原理与实验方案的建立 3 1 0 0 0 硝 神 瓣 1 日 气压p x 矩藕d ，p a - t m 图2 - 5 巴邢曲线 5 荧光粉发光原理1 由于1 4 7 r i 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 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。 弋 导带 复合 禁带 户觥帕 9 价带 l 图2 - 6 真空紫外线激发荧光粉发光的过程示意图 东南大学硕士学位论文 2 2 等离子体平板背光源的基本结构 目前等离子体平板发光器件的典型结构有以下两种，如图2 7 所示。 ( a ) 对象放电( b ) 表面放电 图2 7 典型的放电单元结构 图2 - 7 ( a ) 所示为交流对向放电型单元的结构图，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。因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2 7 ( b ) 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。它与对向放电型相比，优势在于放电路径更长， 电子同基态氙原子碰撞的几率增大，于是真空紫外线辐射强度增强，提高了亮度和发光效率，并且 这种结构放电集中在前基板的表面，而荧光粉涂敷在后基板之上，因此离子对荧光粉的轰击要弱许 多，从而可以提高器件的寿命。 根据以上分析，考虑到亮度和光效是背光源最重要的性能指标参数，因而本文采用表面放电的 放电机理设计等离子体平板背光源。设计的背光源结构示意图如图2 5 所示，工作原理是在放电空间 冲入氖氙混合气体，电极成对置于前板，电极上覆盖透明介质层和m g o 保护膜，工作时在电极上施 加交变高压电场，如图2 - 9 所示，使这种特殊的气体击穿形成气体放电，产生稳定而均匀的等离子体， 谐振态氙原子激发出波长为1 4 7 n m 和1 7 3 r i m 的真空紫外线( v u v ) 轰击后板荧光粉，发出可见光。 不同的电极结构会对等离子体放电性能产生不同的影响 2 4 1 。 图2 - 8 等离子体平板背光源的结构示意图 1 6 板 璺 第二章等离子体平板背光源的工作原理与实验方案的建立 日一，几 丌 b 。一： 几几 图2 9 等离子体平板背光源的驱动波形 2 3 实验方案的建立 本课题研究的目标是制各白场均一性好、亮度高、效率高的扫描式等离子体平板背光源，从对 等离子体平板背光源的工作原理分析可知，电板结构、支撑高度、气体成分，荧光粉效率等因素是 影响其放电性能的重要参数，因而本文的主要工作就是优化这些结构参数来提高放电性能。 对于电极结构及面板结构的研究，我们首先采用现有的p d p 放电软件进行模拟计算，研究各种 结构参数对表面放电放电性能的影响，结合气体放电理论知识，设计新型的电极结构，接着用放大 单元实验屏测试新结构的放电性能，并且选择亮度较高的结构制作3 ”背光源面板，改变电极间距， 支撑高度、气体成分测试放电性能。选择在现有实验条件下性能较好的各种结构参数，气体成分参 数制备l4 等离子体平板背光源样品。 本实验采用p d p 老练电路作为测试平台。改变驱动电路频率，测试其对实验屏放电性能的影响 也是论文的一部分。 最后，根据小屏实验的结果，选择最优的结构参数，制作l4 ，平板背光源，确定整个工艺过程