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等离子体显示技术 PlasmaDisplayTechnology 等离子体的发现 追溯历史 美国诺贝尔奖得主 化学家Langmuir可谓是发现等离子这一物理现象的第一人 他用18世纪捷克医学家JohannesPurkinje 1787 1869 发明的 PLASMA 中文译 血浆 一词 来形容他在1927发现的离子化的气体 这就是为什么台湾把plasma译作电浆 而我们则称之为等离子 何为等离子 何为等离子体 有什么离子 光电显示技术 2 參考資料 http www nsc gov tw NewFiles popular science asp add year 2003 popsc aid 45http www bud org tw Winnie Winnie11 htm 我们所熟知的物体有固体 液体 气体 固 液 气三态互变的过程称为相变 相变可以从两个方向发展 一是对一固体继续降温 一是对一气体继续加热 实验结果告诉我们 前者只会引起物质性质的变化 但是 后者却完全不同 它会使物质变成一种新的状态 等离子态 等离子态是物质的第四态 呈现第四态的物体称为等离子体 光电显示技术 3 物质是由分子组成的 一个分子可以包含一个或多个原子 而一个原子则是由原子核和若干个电子组成 原子核带正电 电子带负电 原子呈电中性 气态时 电子在电场束缚下围绕原子核旋转 如果气体被加热 其电子的热运动动能就会增加 一旦电子的热运动动能超过原子核对它的束缚 电子就成为自由电子 这种过程称之为电离 如果气体中的所有原子都被电离 就称为完全电离 如果只有部分原子被电离 则称为部分电离 被电离的原子数与总原子数之比称为电离度 电离度为100 时 即气体被完全电离 就成为我们上面所说的物质第四态 等离子态 也称为等离子体 这是最严格定义的等离子体 在实际应用中 部分电离的气体 只要满足一定的条件 也通称为等离子体 等离子体中 失去电子的原子称为离子 因此 产生等离子体的最简单方法就是对气体进行加热使其电离 即成等离子体 參考資料 http www nsc gov tw NewFiles popular science asp add year 2003 popsc aid 45 光电显示技术 4 等离子体指的是原子在电子与原子核分离时的状态 电离 在等离子体状态时 离子与电子的结合会发出紫外线 參考資料 tw seemore cmo p1 4 1 html 在等离子体显示器结构中 氙 Xenon 与氖 Neon 的混合气体被封裝在显示格內 透过电极加入电压就成为等离子体状态 而等离子体产生的紫外线撞击显示格內的荧光粉 就成为波长较长的RGB三原色可视光线 此处省去12页 光电显示技术 5 使用荧光粉来发光这一点 与显像管 CRT 的原理有些类似 而等离子体本身就会发光的特点 与需要背光板的液晶显示技术却差别很大 但是只能有 亮 或 暗 的区分 无法如同液晶显示器一样可以发出不同的亮度 而PDP为了实现中间亮度的效果 只好采用特殊的闪烁方式 例如 如果想要在16ms反应时间內 显示只有白色一半的灰度效果 就只好在16ms內同时闪烁明暗 让亮的时间与暗的时间一样长 都是8ms 利用人类视觉无法辨别高频闪烁的特性 来制造出灰度的平均亮度 參考資料 tw seemore cmo p1 4 1 html 光电显示技术 6 随着数字化多媒体资讯时代的来临 消费者对于显示器的要求 越来越苛刻 不但要求画面清晰 色彩逼真 视角广 高亮度 薄型化的基本特性外 并且要具备能收播数字信号 连接网络等功能 等离子体显示器正是能符合家庭要求的显示器 光电显示技术 7 等离子体面板显示器 PlasmaDisplatPanel PDP 是利用气体放电产生发光的显示器 其发光原理基本上是与荧光灯的原理一样 都是在真空的玻璃管中注入惰性气体或水银气体 在利用加电压方式 使气体产生等离子体效应 而放出可见光或紫外光 此紫外光照射到涂抹在玻璃表面上的荧光粉时 荧光粉会激发出可见光 彩色PDP可以想像成被缩小化的荧光灯 有多个以阵列的方式聚集在一起放电 每一个放电空间称为一个单元 cell 这些放电空间中所封入的气体 经由施加高压电后 产生气体放电现象 发出的紫外线波长是以147nm为主 彩色PDP的荧光粉包括可发出红 R 蓝 B 绿 G 三原色的三种不同荧光粉 再配合驱动电路的设计 可将这三种原色的光混合成各种各样的颜色 光电显示技术 8 追溯最早的应用案例 则应该是1927年BellSystem公司所做现场示范的气体放电电视 其尺寸大小为宽65cm 高75cm 其中包含有5050个气体放电单元 所使用的气体为氖气 当时该电视可显示每秒16个图像的灰度画面 在其之后发展实用化的气体放电显示器 则为1950年代所开发出来的NIXIE 其主要的功能是做为显示数字之用 且最大的优点是发展阵列式的数字显示器 光电显示技术 9 1964年由伊利诺大学教授提出以电容取代电阻的方式 当施加合适的交流电压 即可使显示器工作并具有记忆功能 他们将此显示器正式命名为等离子体显示器面板 PDP 当时是利用环氧树脂将气体封闭在两层玻璃基板中 光电显示技术 10 1968年Owens Illinois公司将AC型PDP实用化 其基板是采用较厚的6 3mm玻璃 以改善显示器的脆度 而其封合玻璃是以较高温处理的材料 这样做气体不受污染而达到较长的寿命 在1970年Burroughs公司发展出自扫描 Self ScanTM 方式而促使DC型PDP实用化 如下页图所示 此方式可大大的減少驱动电路 但这种DC型PDP显示器 有放电不一致的困扰 松下电子所设计有辅助放电区域的DC PDP 并且该公司配合优良的工艺技术 用此DC PDP可以生产低价格的笔记本电脑 在当时也只有DC PDP可以作为电脑的显示器 松下公司一直以此产品称霸笔记本电脑到1980年代 1983年商品化的直流型等离子体显示器 DC PDP 则是利用汞蒸气作为放电气体 以达到长寿命的目的 光电显示技术 11 Burroughs公司所发明的 Self ScanTM 直流型等离子体型面板显示器 光电显示技术 12 松下公司所设计的DC PDP结构图 光电显示技术 13 伊利诺大学所开发的AC PDP 是在前面玻璃板的中间产生气体放电 因此称为对向型AC PDP 但是现在彩色面板放电型AC PDP的基本结构 是由G W Dick博士发表 如下图所示 在电极对的中间有介电层 当施加电压于电极上 即产生电场而行成气体放电 最早的对向型AC PDP的原型样本 光电显示技术 14 1970 1980年代 彩色PDP的发展是以DC PDP为中心 在1974年日立所发展的文献做为基础 其发光的基本原理是利用阴极辉光 NegativeGlow 区域 所放射出来的真空紫外线 再由紫外线激发位于阴极附近的荧光粉 而产生可见光 由于此种方式的PDP可以自扫描 Self ScanTM 方式操作 因此可大大減少驱动电路 而降低生产成本 NHK放送技术研究所研究开发的DC PDP 是将PDP由基本的自行扫描型转换为平面构成 使得其性能更向前迈进 在AC PDP的彩色化过程中 早期是对向型电极 因此阴极与阳极是随着交流电压的周期而交替地改变 如此不论荧光粉涂抹在哪一侧的电极上 都会受到离子的溅射撞击而使其寿命降低 所以长寿命的彩色AC PDP一直是研究开发的重点 光电显示技术 15 1989年左右富士通公司开始发展三电极面放电型彩色PDP的实用化产品 在1990年发表了ADS驱动方式 且成功将具有可显示红色 绿色 与其混合色的20寸三色AC PDP推出市场 该公司在1992年发表有利于大量生产的直线型阻隔壁结构 并且成功开发出引人注目的21寸全彩PDP 各公司都投入彩色AC PDP的量产开发 PDP真正引人所注目的时间是在1994年 由富士通公司卖给纽约的证券交易所1200台的21寸AC型PDP 在1995年后 日本各家公司开使朝向42寸的彩色PDP开发 在1996年称为PDP量产元年 由于AC PDP的快速发展 且在1996年将42寸的产品商品化后 目前彩色的PDP商品都是以AC PDP为主 事实上PDP制造工艺成品率一直无法提高 因此价格一直无法降低 以致于无法快速普及 光电显示技术 16 1983年PDP都是单色 且依照气体放电时 所施加的电压不同型式 可分为直流型 DC 与交流型 AC DC型的PDP是以直流 DC 电压启动放电 因此在结构中不可以有介电体层或电容层的存在 因而导致无法累积壁电荷于介电层上 使得其需要很高的启动放电电压 为了要降低启动电压 因而设计有辅助阳极与辅助放电通道 以辅助启动放电 又为了容易限制放电电流 以增加PDP寿命 因而在每个单元中设计有电阻层 以降低放电电流 AC型PDP在放电电极上 有覆盖透明介电层与耐离子轰击的氧化鎂保护 因为AC型的PDP有结构简单与寿命长的优点 因此目前商品化彩色PDP产品 都是AC型的PDP为主 在以下我们也是主要讨论彩色AC型的PDP 光电显示技术 17 气体放电物理基础 请翻到书P277页 光电显示技术 18 气体发生稳定放电的区域 正常辉光放电区 EF 反常辉光放电区 FG 弧光放电区 GH 气体放电的伏安特性 光电显示技术 19 非自持放电区 电流很小 10 20 10 12A 特点是外界电压取消后 放电立即停止 起始带电粒子完全是由外界电离源提供的 自持暗放电区 此时放电电流为10 11 10 7A之间 管压降接近电源提供的电压 过渡区 欠辉区 管压降突然下降 电流急剧增加 其中D点称为着火电压 起辉电压 击穿电压 光电显示技术 20 正常辉光放电区 电流在10 4 10 1之间 E点电压称为维持电压 管内出现明暗相间的辉光 管压降维持不变 异常辉光放电区 如加大电流并使电压突破G点 则电流突然猛增 管压降突然降低 进入弧光放电区 弧光放电区 是一种自持放电状态 管内出现明暗的弧光放电电流在10 1A以上 G点称为弧光放电的着火电压 光电显示技术 21 辉光放电的发光 基本特征 1 放电时 在放电空间呈现明暗相间 有一定分布规律的光区 2 由于着火后 空间电荷引起的电场畸变使放电空间电位基本上分成两段 阴极位降区和正柱区 在阴极位降区中产生电子繁流过程 满足放电自持条件 故它是维持辉光放电必不可少的部分 3 管压降明显低于着火电压 并且不随电流而变 电流为毫安级 电流密度为 A cm2至mA cm2数量级 4 阴极电子发射主要是 过程 光电显示技术 22 正常辉光放电的光区分布 一个充氖的冷阴极放电管长50cm 气压P 133Pa 在正常辉光放电时的光区和电参量分布 1 阿斯顿暗区由于受正离子轰击从阴极发射出来的二次电子初速很小 不具备激发条件 由于没有受激原子 因而是暗区 2 阴极光层电子在通过阿斯顿暗区以后 从电场中获得了一定的能量 足以产生激发碰撞 使气体发光 但电子数量不大 激发很微弱 光电显示技术 23 3 阴极暗区电子离开阴极后 到这里获得的能量愈来愈大 甚至超过了激发几率的最大值 于是激发减少 发光减弱 在这个区域内 电子能量已超过电离电位 引起了大量的碰撞电离 繁流放电集中在这里发生 在正常辉光放电时的光区和电参量分布 光电显示技术 24 4 负辉区进入负辉区的电子可以分为两类 快电子和慢电子 慢速电子是多数 它们在负辉区产生许多激发碰撞 因而产生明亮的辉光 在阴极暗区 因离子浓度很高 它们会向负辉区扩散 因而负辉区中 电子和正离子的浓度都很大 而电场很弱 几乎是无场空间 负辉区中电子和正离子浓度比正柱区中约大20倍 在正常辉光放电时的光区和电参量分布 光电显示技术 25 5 法拉第暗区这是一个处于负辉区和正柱区之间的过渡区 由于电子在负辉区中损失了很多能量 进入这个区域以后 便没有足够的能量来产生激发 所以是暗区 在正常辉光放电时的光区和电参量分布 光电显示技术 26 6 正柱区在任何位置电子密度和正离子密度相等 净空间电荷为零 电场沿管轴均匀分布 因正离子的迁移率很小 放电电流主要是电子流 正柱区中有一定的轴向电场强度 电子从电场中获得一定的能量 产生一定数量的碰撞电离和激发 7 阳极区在该区有时可以看见阳极暗区 在阳极暗区之后是紧贴在阳极上的阳极辉光 在正常辉光放电时的光区和电参量分布 光电显示技术 27 正常辉光放电规律 1 在正常辉光放电时 放电仅仅发生在阴极表面的一部分面积上 随着放电电流的增大 阴极表面的辉光面积也随之增大 而在这个过程中 阴极电流密度jcn则保持不变 阴极位降Ucn也保持常数 当阴极面积全部被辉光覆盖后 若继续增大电流 则阴极位降Ucn随之增加 放电转入了反常辉光放电阶段 2 当放电的其他条件保持不变时 正常辉光放电阴极位降区的长度dcn随气压P成反比例变化 即Pdc 常数 3 当气压P改变时 放电电流密度jcn与气压的平方成正比 即jcn P2 常数 光电显示技术 28 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 PDP的发光效率不高的原因 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80lm W 而PDP由于其放电单元的空间通常很小 电极间隙约100 m 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 提高PDP的亮度和发光效率的措施之一 改进放电单元结构 采用正柱放电 光电显示技术 29 PDP与荧光灯的效率比较 光电显示技术 30 光电显示技术 PlasmaDisplayPanel等离子体显示原理 主体參考 海信培训资料 光电显示技术 31 光电显示技术 PDP主要利用电极加电压 惰性气体游离产生的紫外光激发荧光粉发光制成显示屏 PDP显示屏的每个发光单元工作原理类似于霓虹灯 每个灯管加电后就可以发光 显示屏由两层玻璃叠合 密封而成 当上下玻璃板之间的电极 施加一定电压 电极触电点火后 电极表面会产生放电现象 使显示单元內的气体游离产生紫外光 紫外光UV激发荧光粉产生可见光 一个像素包括红 绿 蓝三个发光单元 三基色原理 组合形成256色光 PlasmaDisplayPanel 等离子显示屏 光电显示技术 32 2020 1 9 33 34 光电显示技术 Pixels 42 VGA显示屏 852 480 3 122 6880个灯泡 PlasmaDisplayPanel 光电显示技术 34 35 光电显示技术 等离子显示器 等离子显示器按照驱动电压的方式不同分为 直流放电型和交流放电型 光电显示技术 35 36 光电显示技术 a 对向放电型AC PDP 交流等离子体 AC PDP 主要类型 b 表面放电型AC PDP 光电显示技术 36 37 光电显示技术 交流等离子体 AC PDP 面板结构 光电显示技术 37 38 光电显示技术 后面板 PDP面板结构 PanelStructure 前面板 光电显示技术 38 后面板 寻址电极 数据 介质层MgO 壁障 彩色荧光粉 黑色矩阵 后面板 光电显示技术 39 前面板 光电显示技术 40 41 光电显示技术 面板结构 CLICK CLICK CLICK CLICK CLICK CLICK 光电显示技术 41 42 光电显示技术 封接 总装 前面板 后面板 Neon Xenon气体 封接 光电显示技术 42 43 光电显示技术 PDP面板 面板玻璃组装 铝制基板 数据驱动板 COB 光电显示技术 43 44 光电显示技术 光电显示技术 44 45 光电显示技术 发光效率谱线 400 240lineScan Blue 500 600 700 nm Green Red 早期PDP器件的三种荧光粉的宽度一致 由于红 绿 蓝三种荧光粉发光效率各不相同 三种色光混色产生的彩色范围及亮度与CRT相比差别比较大 称为 非对称单元结构 的专利技术根据三种荧光粉的发光效率 将荧光粉制作成非等宽 在彩色还原度和亮度方面比以前的产品有很大提高 屏幕峰值亮度可达到1000cd m2以上 整机峰值亮度可达到400cd m2以上 带EMI滤光玻璃 对比度可达到10000 1 暗室 无外保护屏 荧光粉带非对称单元结构 光电显示技术 45 后面板 荧光粉层 非对称单元 光电显示技术 46 光电显示技术 PDP像素放电 发光单元结构 Note 1 PDP发光 电极加电压 正负极间激发放出电子 电子轰击惰性气体 发出真空紫外线 2 真空紫外线射在荧光粉上 使荧光粉发光 E 激发 P 潘宁电离 I 电离 M 亚稳态 光电显示技术 47 48 光电显示技术 激发 潘宁电离 电离 亚稳态产生 m 亚稳态 离子态 激发态r 谐振态 光电显示技术 48 49 光电显示技术 m 亚稳态 离子态 激发态r 谐振态 Ne Xe潘宁气体中原子的能级与发光光谱图 分子激发态 分子辐射过程 光电显示技术 49 50 光电显示技术 Xe原子不同能级激发态 Xe原子基态 UVU能量大 发光强度高 研究其有效利用 光电显示技术 50 51 光电显示技术 荧光粉发光过程 禁带 E h h 陷阱 导带 电子 价带 发光中心 空穴 光电显示技术 51 52 光电显示技术 当高能粒子轰