（凝聚态物理专业论文）场发射平板显示器件的灰度显示控制技术研究.pdf

中山大学硕士学位论文 场发射平板显示器件的灰度显示控制技术研究 专业 凝聚态物理 硕士生 林文富 指导老师 邓少芝教授 摘要 场发射平板显示 f i e l de m i s s i o nd i s p l a y f e d 技术是目前在研的新型平 板显示技术之一 场发射平板显示器的驱动是器件实现显示的关键 本论文围绕 灰度显示问题 针对自主研发的c n t 场发射平板显示器件 在测试器件电流一 电压 频率等特性的基础上 开展了灰度显示控制技术研究 同时 为了实施上 述工作 研制了电压幅度调制和脉冲宽度调制测试电路 建立了电流幅度调制测 试实验系统 具体内容包括四方面 第一 针对电压幅度调制方式的灰度显示 技术 研制了f e d 电压幅度调制测试电路 该电路包括低压控制模块和驱动电 压放大模块 可以输出幅度调节范围为5 0 0v 1 6 0 0v 频率为1 0 0h z 1 0k h z 的脉冲电压 针对印刷型c n t 场发射平板显示器件的像素单元 进行了电压幅 值调制性能的测试和分析 并利用所研制的电压幅值调制测试电路 测试灰度显 示级别与电压幅值的关系 引入灰度亮度变换关系 获得在电压幅值调制下的灰 度一电压曲线 第二 针对脉冲宽度调制 p w m 方式的灰度显示技术 研制 了f e d 脉冲宽度调制测试电路 该电路包括了灰度图片处理模块 时序控制模 块 p w m 模块 行扫描控制模块 列数据输出模块以及驱动电压输出模块组成 输出的脉冲电压幅度为5 0 0v 1 2 0 0v 频率为1 0 0h z 一5k h z 脉冲宽度为1 0 m s 一 9 0v t s 针对印刷型c n t 场发射平板显示器件的像素单元 利用所研制的 p w m 测试电路 测试灰度显示级别与脉冲宽度的关系 获得在p w m 下的灰度 一占空比曲线 另外 研究了p w m 模式下的显示性能和均匀性校正方法 提出 了一种改善显示均匀性的方法 该方法把单个像素和周围的像素联系起来 分别 作权重处理 实现了图像的平滑显示 第三 针对电流幅度调制方式的灰度显示 技术 建立了f e d 电流调制测试实验系统 针对c n t 场发射平板显示器件的像 中山大学硕士学位论文 素单元 测试了电流一亮度曲线 同时测试了电流随时间变化的曲线 通过对上 述曲线的研究 发现电流调制方式下对f e d 灰度显示的控制最为精确 发现可 以通过控制阴极发射电流 来改善f e d 显示的均匀性 第四 比较上述三种灰 度显示控制模式的优缺点 提出印刷型c n t 场发射显示器件采用脉冲宽度调制 方式的灰度显示控制方案 关键词 场发射平板显示 f e d 印刷型c n t 灰度显示 电压幅度调制 脉 冲宽度调制 p w m 电流调制 f p g a 校正 均匀性 中山大学硕 1 学位论文 t h er e s e a r c ho fg r a yd i s p l a yc o n t r o lt e c h n o l o g yo nf i e l d e m i s s i o nd i s p l a yd e v i c e m a j o r n a m e r i l t o r c o n d e n s em a t t e rp h y s i c s l i nw e n f u p r o f d e n gs h a o z h i a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo ff i e l de m i s s i o nd i s p l a y f e d i so n eo fn e wd i s p l a y t e c h n o l o g yi nr e s e a r c h t h ek e yo fd i s p l a yi s t h ed r i v i n go ff e d t h i sp a p e rh a s r e s e a r c h e dt h eg r a yd i s p l a yb a s eo nt h ef e dd e v i c eo fo u rl a b i no r d e rt od e v e l o pt h e g r a yd i s p l a yc o n t r o lt e c h n o l o g y t h ec h a r a c t e rs u c ha sl vc u r v e t h ef r e q u e n c ye t c h a v eb e e nt e s t e d a tt h es a m et i m e t h ev o l t a g ec o n t r o lc i r c u i t p u l s e w i d t hm o d u l a t e c i r c u i ta n dc u r r e n tt e s t i n gs y s t e mh a v eb e e nd e v e l o p e d t h i sp a p e rh a sf o u rp a r t s t h e f i r s tp a r ti sf e d v o l t a g ec o n t r o lc i r c u i tf o rt e s t i n gt h eg r a yd i s p l a y t h ec i r c u i th a s i n c l u d e dl o wv o l t a g ec o n t r o lm o d u l ea n dh i g hv o l t a g eb l o w i n gu pm o d u l e i tc a n o u t p u tv o l t a g ef o r m5 0 0 vt o1 6 0 0 v t h ef r e q u e n ti sf r o m1 0 0h zt o1 0k h z t h e c h a r a c t e ro fv o l t a g ec o n t r o lm o d u l a t ef o rt h ec n tf e dp i x e lu n i th a v eb e e nt e s t e d a n da n a l y z e d t h er e l a t i o no ft h eg r a d eg r a yd i s p l a ya n dt h ev o l t a g eh a sb e e ng o tb y o u rd e v e l o p e dt e s t i n gc i r c u i t a n dt h eg r a y v o l t a g ec u r v eh a sb e e ng o tu n d e rt h e v o l t a g ec o n t r o lm o d u l a t eu s i n gt h er e l a t i o no ft h eg r a d eg r a yd i s p l a ya n dt h e l u m i n a n c e t h es e c o n dp a r ti sd e v e l o p i n gt h ep w m d r i v i n gc i r c u i to ff e df o rt h e g r a yd i s p l a yo fp w mm o d u l a t e t h i sc i r c u i ti n c l u d e sg r a yi m a g ed i s p o s a lm o d u l e t i m ec o n t r o lm o d u l e p w mm o d u l e r o ws c a l em o d u l e l i n ed a t am o d u l ea n dh i g h v o l t a g em o d u l e i tc a no u t p u tv o l t a g ef o r m5 0 0 vt o1 2 0 0 v t h ef r e q u e n ti sf r o m1 0 0 i h 中山大学硕士学位论文 h zt o5k h z t h ep u l s ew i d t hi sf r o m1 0 m st o9 0 陋 t h er e l a t i o no fg r a d eg r a yd i s p l a y a n dt h ep u l s ew i d t hf o rt h ec n tf e dp i x e lu n i th a sb e e nt e s t e du s i n gt h ep w m c i r c u i ta n dt h eg r a d e p u l s ew i d t hc u r v eh a sb e e ng o t a l s oo u rl a bh a sr e s e a r c ht h e d i s p l a yc h a r a c t e ra n du n i f o r m i t yo fd i s p l a yu n d e rp w m a n dd e v e l o p saw a yt o i m p r o v et h eu n i f o r m i t y t h i sw a y m a k es i n g l ep i x e lh a v er e l a t i o nw i t ho t h e r si no r d e r t or e a l i z et h eb e t t e rd i s p l a y t h et h i r dp a r ti se s t a b l i s h i n gt h et e s ts y s t e mu n d e r c u r r e n tm o d u l a t ef o rf e dg r a yd i s p l a y t h ec u r v ef o rc u r r e n ta n dl u m i n a n c ea n dt h e r e l a t i o no ft i m ea n dc u r r e n th a v eb e e nt e s tb a s eo nt h ep i x e lu n i to fc n tf e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h e s ed a t a c u r r e n tm o d u l a t ei st h eb e s tw a y f o rg r a yd i s p l a y i tc a n c h a n g et h ec u r r e n to ft h ec a t h o d et oi m p r o v et h eu n i f o r m i t y t h ef o u r t hp a r t i s c o m p a r i n gt h et h r e ew a y so fg r a yd i s p l a ya n dd e v e l o p saw a yf o rc n t f e dg r a y d i s p l a yb a s eo np w m k e yw o r d s f i e l de m i s s i o nd i s p l a y p r i n t a b l ec n t g r a yd i s p l a y v o l t a g e m o d u l a t e p u l s e w i d t hm o d u l a t e c u r r e n tm o d u l a t e f p g a e m e n d a t i o n u n i f o r m i t y i v 中由大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导 下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内 容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已文中以 明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 彩豁 驾 日期 2 耐年衫月 de l 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交 论文的电子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量 复制并允许论文进入学校图书馆 院系资料室被查阅 有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索 可以采用复印 缩印或 其他方法保存学位论文 学位论文作者签名 力叛乌导师签名 日期 捌年乡月 o 日日期 涛莎 月i 夕e l 知识产权保护声明 本人郑重声明 我所提交答辩的学位论文 是本人在导师 指导下完成的成果 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学 院 受国家知识产权法保护 在学期间与毕业后以任何形式公开 发表论文或申请专利 均须由导师作为通讯联系人 未经导师的 书面许可 本人不得以任何方式 以任何其它单位做全部和局部 署名公布学位论文成果 本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担 学位论文作者签名 菇搬 弓 日期 红对 多 o 中山大学硕士学位论文 第一章绪论 场发射平板显示器 f i e l de m i s s i o nd i s p l a y f e d 是在研的新型平板显示 技术之一 其发光原理与传统的阴极射线管显示器 c a t h o d er a yt u b e c r t 的发光原理相同 是以高能电子轰击红绿蓝 r g b 三基色荧光粉而发光 二者 不同之处在于 c r t 显示器采用一支热阴极电子枪来获得三束电子 采用电磁偏 转系统来实现电子逐点轰击荧光屏上的荧光粉单元 实现图像显示 f e d 采用冷 阴极来获得电子 以冷阴极电子源阵列结构代替c r t 的电磁偏转系统 一个电子 源对应一个荧光粉单元 通过控制冷阴极电子源阵列的工作 实现图像显示 由 于发光原理和实现图像显示的原理相似 场发射显示器将具备c r t 高质量显示的 性能 比如高亮度 宽视角 彩色还原性好等 因此f e d 受到国内外研究机构和 公司的关注 投入力量开展技术攻关 本论文以碳纳米管冷阴极f e d 器件 简 称c n t f e d 为对象 开展灰度显示技术研究 1 1 场发射平板显示技术研究概述 1 9 2 8 年f o w l e r 和n o r d h e i m 基于金属材料建立了场发射理论模型1 1 j 1 9 5 6 年 m u r o h y 和g o o d 完善了上述模型 即提出较接近实验现象的经典镜像力模型l 卫 2 0 世纪6 0 年代以来 由于半导体技术的飞速发展 人们逐渐把场发射理论应用于 半导体 但其大体理论框架并没有改变 不过相对于金属来说 其理论己涉及到 了能带弯曲问题 其中金刚石类场发射由于实验上的成功 理论研究因而显得相 对成剥孓 基于应用价值 最近掺杂半导体合金场发射理论 7 t8 l 也引起了人们 关注 但上述理论都是沿用f o n 模型做出部分改进 并没有突破其理论的经典局 限性 利用场致电子发射现象来获得电子发射的结构 人们称为冷阴极 冷阴极在 真空微电子器件中有重要应用 例如行波管 x 射线管 扫描电镜 平板显示器 发光管 平面光源等 冷阴极的发展经历了三个阶段 s p i n d t 型冷阴极 例如硅 微尖电子源 薄膜型冷阴极 例如金刚石薄膜电子源 印刷型复合材料电子源 和纳米材料冷阴极 例如碳纳米管冷阴极 一维纳米材料冷阴极 其中纳米冷 中山大学硕士学位论文 阴极是目前的研究热点 场发射平板显示器冷阴极应用的重要内容之一 它的技术研究发展历程与冷 阴极相似 第一代f e d 器件是基于s p i n d t 结构的冷阴极 其制备技术依赖于微加 工技术 制作成本高 9 1 为了解决第一代s p i n d t 结构f e d q j 存在的问题 人们进 行了广泛的尝试1 1 0 1 例如金刚石薄膜和类金刚石薄膜冷阴极的f e d 印刷型复合 材料冷阴极f e d 等 金刚石薄膜具有低的电子亲和势 稳定的化学和物理特性 高熔点和好的热导性能 1 1 j 实验表明阈值电场强度约为2 x 1 0 5v c m 阴极电流密 度1 0 0m a c m 2 1 1 因此它可以实现低电场电子发射的薄膜型冷阴极 但是由于 无法实现低温大面积制备 使得这类材料难于得到实际应用f 1 2 2 0 世纪9 0 年代 随着碳纳米管材料的发现 1 3 一维纳米材料冷阴极在f e d 中的应用成为关注点 国内许多研究机构和公司投入相关的研究 下面举例说明国内外f e d 技术的研究 进展情况 1 9 9 8 年美国p i x t e c h 公司有小批量1 2 7c i i l 5i n c h 彩色f e d 显示器面市1 1 4 1 美国的f e p e t 研制基于金刚石薄膜的f e d 其目标是大尺寸超薄壁挂式电视 1 4 英国p f e 是一家拥有该公司自主开发的使用可印刷阴极的f e d 技术的企业 该公司采用可印刷的阴极 避免微尖式的阴极结构 显著降低了成本 并易于制 作大尺寸面板 2 0 0 3 年p f e 在制作均匀性f e d 面板上有了新的突破 并且该面板 在f p di n t e r n a t i o n a l2 0 0 3 的会场上进行了演剥1 5 l 在这之前的面板由于阴极发射 的电子中的一部分冲撞相邻象素的荧光体的原因存在着均匀性差的问题 此次 p f e 通过在阴极上安装开有孔 厚度0 7m m 的玻璃板 从而使从阴极发射的电子 向正上方前进 玻璃板上的孔是利用喷沙工艺形成的 这些孔与各象素相对应 另外还可以减小阴极电压变动对于电子的状态的影响 因此可以提高p i x e l 内亮度 的均匀性 三星公司的 先进技术研究机构 s a m s u n ga d v a n c e di n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y s 触t 开展c n t f e d 研制 图1 1 所示 1 9 9 9 年推出了全世界第一个9 0 6 英寸的彩色c n t 阴极f e d 并发表了其规格 1 6 1 最近又报道了采用c n t 阴极的 3 1 8 9 英寸f e d 屏 1 0 l 日本i s e 公司展示了4 0 英寸f e d 样机 这些样品的技术尚未 成熟 碳纳米管场致发射阴极的均匀性和稳定性目前达到高画质指标还有距离 因此尚未进入量产阶段 日本佳能公司开展表面传导发射显示器 2 中山人学硕士学位论文 s u r f a c e c o n d u c t i o ne l e c t r o n e m i t t e rd i s p l a y s e d 研制 2 0 0 5 年在s i d 会e 展 示t 9 7c m 的s e d 样机 其亮度 对比度和响应时f 日j 可与c r t 相媲美 该公司宣 称性能指标达到呵投产水平 1 6 图1 1s a m s u n g 公司研制的1 2 1 9c m 全彩c n t f e d 样机 1 4 中国火陆从事f e d 的研究单位主要有中山大学 西安交通大学 长春光机所 清华大学 东南人学 华东师范大学 郑州人学和福州大学等 上述单位相继都 有器件研究进展报道 中ll l 大学采用研制出1 6 0 1 2 04 5 英寸c n t f e d 样屏 研制出双栅纳米线冷 阴极f e d 原理型样机 福州大学2 0 0 5 年展示了6 3 5c m 彩色f e d 场发射显示器样机 如图1 2 所示 1 8 其技术路线是采用印刷丝网技术和阴极激活技术来制作f e d 阴极 采用丝网印刷 技术 真空镀膜和阴极激活技术来制作f e d 显示屏 图1 2 福州大学研制的6 3 5c mf e d 样机彩色视频鼹示 1 4 东南大学采用丝网印刷工艺成功地制作了后栅极场致发射显示板 u n d e r g a t e 1 7 利用碳纳米管作为阴极材料 并对介质层厚度对器件的影响 老炼 发光 均匀性等问题进行了探讨 u n d e r g a t e 结构简单地说就是阴极在栅极和阳极之间 中山大学硕士学位论文 栅极在阴极下面 而且栅极与阴极之间的距离很小 因此栅极几乎没有电子截获 电子都被加速至高压阳极 三极结构具有低压调制的优点 而后栅极场致发射显 示板更具有结构简单 发射均匀性好的优势 后栅极场致发射显示板工艺流程如 图1 3 所示 由于主要采用丝网印刷法 使得制屏工艺成本低廉 设备要求简单 适用于大规模生产 图1 3 后栅极场致发射显示板工艺流程 1 7 郑州大学报导了一种非晶碳 m 0 2 c 混合薄膜的制备方法及其场致发射特性 给出了其作为f e d 器件阴极材料的发光显示效果刚1 2 l 在高真空室中测量了样品 的场发射特性 其开启场强为0 5 5v 岬 在1 8w l a m 电场下测得样品的场发射 电流密度为6 8m a c m 2 该样品发射点密度随场强的增大而增加 发射点比较均 匀 同时计算样品在2 2v 岬场强下样品发射点密度大9 1 0 3 c m 2 实验表明该薄 膜是一种好的场致电子发射体 关于非晶碳场发射性能的报道很多 其阈值场强 较低 发射电流密度大而均匀 是比较好的阴极材料 场发射平板显示器件要能够工作 需要显示控制和驱动技术支持 事实上 在电视机产品中中 驱动电路无论是在技术含量上还是在价格比例上 所占的地 位均非常重要 例如液晶电视机 n 呵基板 视频处理电路 音频处理电路等在 整机所占的价格比例超过5 0 目前 场发射显示和驱动电路技术是待研发的关 键技术 没有商品化的电路芯片 相关电路技术报道也不多 同时它也是各研究 机构自主技术的内容 图1 4 是f e d 的一种驱动方案 其中行扫描电路输出 x 方向 接栅极或阳极阴极 作为显示数据信号输入 列扫描电路输出 方向 接阴 4 中山大学硕士学位论文 极 作为显示选通行的控制信号输入 当要禁止阴极发射电子时 应使栅极电位 低于阴极电位 并对栅极进行逐行选址 当要允许阴极发射电子时 应使对相应 的栅极施加高电位 其余行施加低电位 并且所旌加的信号与所需显示图像信号 相对应 可以通过控制阴极上驱动的电压持续时间长短或电压幅度大小 可以获 得不同亮度的显示 图1 4f e d 一种驱动方案原理图 根据f e d 器件研发阶段的特点 驱动电路目前采用两种技术路线实现 分立 元件电路技术和集成电路技术 对于二极结构的f e d 由于没有栅极 其阳极电 压既用于产生电场又用于加速电子 而阴一阳极之间由于之间距离较大 因此所 需的驱动电压也较大 因此其驱动电路一般采用分立元件电路 对于三极结构的 f e d 阴极所需强电场是靠在栅极一阴极两端施加电压产生 驱动电压相对较低 而阳极上所施加的固定高压仅用来加速电子 电压相对较高 因此其驱动电路一 般采用集成电路 在研阶段的f e d 显示器的电性能差异很大 相关电路技术研究热点主要集中 在图像处理部分 灰度显示实现方法 均匀性校正等方面 例如 在均匀性校正 方面 根据冷阴极电子源的不同发射特性 希望可以找到一种自适应的校正方法 来进行自动的均匀性 另外根据屏荧光粉的不同响应特性 也希望从电路技术方 5 中山大学硕士学位论文 面通过作出校正 1 2本论文内容和组成 如前面所提到 驱动电路作为场发射显示器件的重要组成部分 处于在研阶 段的场发射显示器件 没有商品化的电路芯片和开放的共享技术 本论文围绕自 主研发的c n t f e d 器件 以灰度显示实现技术具体内容 开展f e d 器件灰度响 应特性和实现方法的研究 以期掌握f e d 器件狄度显示规律和技术 具体内容包 括 1 系统地对自主研发的场发射显示器件的电流 电压和灰度显示特性进行 测试和分析 指导设计f e d 灰度显示控制系统 2 测试在电压幅度调制 驱动 脉宽调制和阴极电流幅度调制下f e d 器件的灰度显示效果并对其特性做分析评 价 3 根据测试的试验数据分析 提出基于自主研发的场发射平板显示屏灰度 显示控制电路方案 本论文由五章组成 第二章主要介绍电压幅度调制的c n t f e d 器件灰度 响应特性 第三章主要介绍驱动脉宽调制的c n t f e d 器件的灰度响应特性 第 四章主要介绍阴极电流幅度调制的c n t f e d 器件的灰度响应特性 第五章对三 种调制方式下的灰度显示特性进行总结 并通过比较提出适合于自主研发的c n t f e d 器件的灰度显示控制方式 6 中山大学硕士学位论文 第二章基于电压幅度调制的碳纳米管场发射显示器 件灰度显示特性研究 传统的c r t 显示器的灰度显示采用电压幅度调制方式实现 f e d 显示原理 与c r l r 相似 因此我们针对f e d 器件开展基于幅度调制原理的灰度显示特性研 究 本章以二极结构的c n t f e d 为对象 通过改变阳极驱动电压幅度大小 测 试了像素单元亮度一电压响应特性 在实验基础上 提出了电压调幅控制的直接 灰度电压变换法 给出电压幅度与灰度显示级别的关系 对器件的灰度进行定标 确定其灰度显示级别 根据灰度响应特性 提出电压幅度调制下灰度显示的校正 方案 针对器件的显示均匀性问题 提出在电压幅度调制下的一种处理方法 下 面具体介绍相关内容 2 1 基于电压幅度调制的灰度显示特性测试电路的建立 基于电压幅度调制原理的灰度显示控制思想是 通过控制冷阴极电子源驱动 电压大小 使c n t f e d 产生灰度的变化 幅值调制灰度显示技术非常直观 是在两极加不同的电压 使其发射极发射不同数量的电子 导致荧光粉发出不同 亮度的光 利用电压幅度调制技术实现f e d 灰度显示 其电路系统包括了三大部 分 如图2 1 第一部分是数字信号处理单元 该单元功能主要是实现图像或视 频信号的处理 同时生成行扫描信号和列数据信号 第二部分是幅值调制模块 该模块功能是把灰度数据信号转换成为电压信号 本质上是d j a 转换器 最后一 部分是驱动电路单元 其功能是实现电压变换和功率放大 为了能够进行电压幅 度调制的灰度显示特性研究 我们需要建立相关测试电路 图2 1电压幅度调制电路组成原理框图 7 中山人学颂i 学位论义 2 1 1 电压幅度调制测试电路概述 测试电路组成框图如图2 2 所示 由低压控制电路和驱动电压放大电路组 成 它们需要研制实现 如图2 3 所示 测量仪表包括电流表 电压表 数码 相机和亮度计 其中采用的亮度计型号是l s 一1 0 0 它的主要性能是 1 度接收角 0 0 0 1 2 9 9 9 0 0c d m 2 测量范围 f e d 低压控 显 制电路 剖搿净 不 模块 屏 图2 2电压幅度调制测试电路组成框图 图2 3电压幅度调制测试电路实物图 测试电路输出的信号是脉冲波形 采用1 m h z 晶振 经过逻辑电路分频后获 得所需要的信号频率 测试电路输出的电压幅度调节范围为 5 0 0v 1 6 0 0v 中山大学硕士学位论文 输出的驱动信号频率为1 0 0i i z 1 0k h z 从图2 3 中 可以看到 高压模块和低 压模块是分开的 中间通过接口相连 另外 我们设计有晶振槽 可以实现不同 频率晶振的更换 2 1 1 测试电路设计与实现 l 低压控制电路模块 低压控制电路模块由晶振 j a t g l 2 1 c p l d 内置p r o m 编程生成的时钟分 频器和计数器 输出部分组成 如图2 4 所示 其功能是产生频率1 0 0h z 1 0 k h z 的驱动信号 根据测试要求 该电路设计的性能指标是输出电压是5 v 的标准 数字电压 输出频率是1 0 0i i z 1 0k h z c p u d x c 9 5 图2 4 低压控制电路组成框图 我们利用复杂可编程逻辑器件 c p l d 来实现低压控制电路 具体采用 c p l d x c 9 5 7 2 芯片 该芯片的主要性能概列如下 n 町 1 系统频率达至1 j 1 2 5m h z 2 7 5n s 的引脚到引脚的逻辑延迟 3 可编程i o i 二i 5v 的系统可编程电压 4 支持i e e es t d l l 4 9 1 j t a g 下载标准 支持并行下载模式 5 2 4m a 的输出驱动电流 6 i o 口兼容3 3v 和5v 9 一 一 圈 暑器 中山大学硕上学位论文 图2 5 是采用c p l d x c 9 5 7 2 芯片设计的低压控制电路 我们采用v h d l 语言对 c p l d x c 9 5 7 2 芯片进行编程与实现 该电路可以控制不同宽度的脉冲输出 同时 可以对时钟进行分频 图2 5 基于c p l d x c 9 5 7 2 芯片实现的低压控制电路 2 驱动电压放大电路 驱动电压放大电路脉冲驱动放大器和电压放大器组成 具体电路如图2 6 所示 实物如图2 7 所示 c 3 图2 6 驱动电压放大电路 1 0 中山人学坝i j 学位论文 图2 7 驱动电压放大电路实物图 脉冲驱动放大器采用t c 4 4 2 0 芯片实现 该款芯片主要作用是隔离和提供大 电流驱动电压放大器 该j 占片构成框图如图2 8 峰值电流达到6 a 单管输 h 输入端口能兼容1 t r l 信号 0 3 v d d 一5 v 信弓 均可以驱动该芯 l 并且有过流 保护 其芯片主要特性如下 1 0 i 能够忍受1 5 a 反向灌电流输出 能接收 5 v 的逻辑信号输入 4k v 的e s d 保护 上升沿和下降沿可达2 5n s 高达6a 的峰值电流 4 5v 1 8 v 的工作电压 范闷广 1 0 0 0 0p f 的容抗负载 低的输出阻抗 约2 5q 输出电压范围为2 5m v v d d 中山大学硕士学位论文 图2 8t c 4 4 2 0 功能框图 1 9 电压放大器采用高压m o s f e t 管a t p l 0 0 3 5 实现 在该测试电路中 高压 脉冲放大管的选择非常重要 因为被测试器件的驱动电压范围宽 并且电压高要 求8 0 0v 以上 因此要求m o s 管耐高压并且有较窄的上升沿和下降沿 2 2c n t 阴极场发射平板显示器件灰度显示特性测试与分析 我们针对印刷型c n t 场发射平板显示器件的像素单元 进行了电压幅度调 制性能的测试和分析 并利用所研制的电压幅值调制测试电路 测试灰度显示级 别与电压幅值的关系 引入灰度亮度变换关系 获得在电压幅值调制下的灰度一 电压曲线 下面具体介绍相关内容 2 2 1f e d 像元特性 1 f e d 像元的电阻限流 f e d 是像素点 称为f e d 像元 场发射阴极中存在发射电流不稳定的问题 这个我们在电流调制章节中会有详细讨论 以热发射为例 只要温度足够高 发 射电流受控于阳极和栅极电压 与发射体的各种性质关系不大 但是场发射中 发射电流大小决定于表面电场和阴极表面形态 发射过程中受表面形态变化 环 境温度 玻璃腔真空度 离子轰击 气体吸附等多种因素影响 造成发射电流起 伏不定 如果没有自动反馈控制或者外部处理措施 场发射阴极难于正常工作 这种反馈不能仅仅靠外电路实现 同时需要靠其内部的自动反馈机制实现 中山大学硕士学位论文 以s p i n d t 阴极为例 一个简单的方法是在阴极串联一个电阻1 2 0 l 其作用是 第一 限流作用 即当个别发射体发射过大时 由于限流电阻的分压作用使电流 受限 从而均衡了各发射体的发射能力 第二 当个别发射微尖与栅极发射短路 时 电阻承受了电压降 其它微尖仍可以j 下常工作 由于微尖数量很多 个别微 尖的损失影响不大 若无串联电阻 则整个发射阵列就会失效 s p i n d t 阴极限流 电阻的作用原理如图2 9 所示 图中给出了发射电流和栅极电压之间的关系曲 线 发射时可能出现三种情况 大多数发射微尖正常发射 但发射能力有差别 少数发射微尖发射能力异常 个别发射微尖与栅极发射短路 当没有限流电阻时 发射电流就如小空心圆所示 对异常发射体 发射电流很大 有短路发生时 发 射体根本无法工作 当有串联电阻时 电阻负载线如图中斜虚线所示 限流电阻 承担了部分压降 发射电流越大 电阻分压越高 有效地均衡了各发射体的发射 能力 并限制了短路电流 发射电流如图中小实心圆所示 对异常发射体 电阻 承担的电压为v f e s i 加到发射体上的压降为 限流作用明显地体现出来了 对于正常发射体 即使有限流电阻存在 发射电流仍有差别 对于s p i n d t 类型 的f e d 每个像素包含的发射微尖数量巨大 各像素总发射电流之间的差异就 可以忽略了 图2 9s p i n d t 阴极电阻限流元 捌 2 c 肌 e d 像元的场发射特性和临界频率 为了了解被测c n t f e d 器件特性 我们首先对c n t f e d 器件像素单元 进行常规的场发射曲线测试和频率响应特性测试 中山大学硕士学位论文 频率响应特性测试就是为了获得f e d 器件的临界频率 在本论文里临界频 率被定义为人眼观察f e d 器件不出现闪烁时候的最小刷新频率 较高的频率响 应才能实现f e d 的动态显示 所以频率响应是一个关键的因素 在测试中 我 们使用信号发生器代替来获得周期性的脉冲电压输出 输出脉冲信号的占空比为 1 1 通过对c n t f e d 屏进行多次测量后 得到c n t f e d 像素单元的临届 频率为1 0 4 7 8 9h z 即当频率大于1 0 4 7 8 9h z 时候 像素显示不闪烁 当频率小 于1 0 4 7 8 9h z 时候 像素显示出现闪烁 在频率响应特性测试中 当增加频率 时候 显示亮度开始变暗 原因在于所使用的电压驱动放大器频率响应特性存在 问题 场发射特性曲线采用了多像素点测试方法 测试实验中 由于单个像素点 发射的电流太小 进行电流电压测试时不能准确反映发射点电流 因此采用了多 像素点测试方法 即在不同的电压下 对6 个像素点的发射电流进行测试 在电 压升高过程中 电流会出现不稳定现象 表现为荧光屏亮点闪烁 在原始数据记 录中 在较高电压范围内 我们记录的电流数据不是一个精确的稳定值 而是有 一个范围的变化 在进行数据处理时 我们先对所获得的电流数据进行求平均值 处理 然后作出电流一电压特性曲线 图2 1 0 是对c n t f e d 显示屏进行测试获得的6 组的电流一电压特性曲线 每组由6 个像素点组成 从图中我们可以看到 f e d 显示像元的i v 特性发射电流随电压的增大而增大 在一定电压范围 内呈线性关系 当驱动电压高到一定程度后电流会变得不稳定 各组发射电流不 均匀 阈值电压约为8 0 0v 定义为 发射电流密度2 0 t t a c m 2 所对应的电压 售 f e d 显示像元在驱动电压超过阈值电压后 其发射电流随着驱动电压呈 现出急剧上升趋势 所以阴极限流电阻r 显得必不可少 否则容易烧坏f e d 像元 将图2 1 0 中的六组曲线画在一个坐标系中 如图2 1 1 所示 从中可以看 到 被测显示屏的i v 特性曲线一致性差 因此 除去从器件角度解决外 需要 从电路技术角度解决 在上述测量过程中 电压v 是f e d 器件阴极和阳极间的电压 在电压表中 显示有波动 电压数据测量时取的是平均值 电流表的微小压降也计算在内 电 流表测到的电流i 是流过场发射单元的电流l 图2 1 1 的伏安特性曲线是根据电 1 4 中山人学硕士学位论文 压表和电流表数据描绘出来的 电流特性真实地反映了像元的值 驱动电压存在 委禧 一垂 嘻卜一 一 矿z 二 图2 1 0c n t f e d 像素群i v 特性曲线 图2 1 1c n t f e d 六组像素群l v 特性曲线 中山大学硕士学位论文 电流表压降的误差 但是 由于被测对象的驱动电压较大 电流表压降很小 因 此所获得的电流一电压特性真实地反映了像元的特性 2 2 2 基于电压幅度调制的灰度显示特性 先介绍关于描述显示器件光度状态的几个概念 乜妇 1 光通量 巾 通过某一面积的光能与照射时间的比叫做通过这一面积 的光通量 也可以说 光通量是单位时间的光流 通常情况下 光通量是按波长 分布的 单位是流明 1 m 1 流明是1 烛光的点光源在单位立体角内所发射的 光通量 流明可以用功率单位表示 其光功当量转换式为 1 流明 入 5 5 5n m o 0 0 1 6 1 瓦 2 发光强度 1 单位立体角内发出的光通量称为发光强度 单位是烛光 1 烛光是发射面积等1 6 0c n l 2 的绝对 黑体 辐射器在纯铂固化温度 2 0 4 2 1k 时 沿垂直方向的发光强度 3 照度 e 单位面积上所受到的光通量 单位 勒克司 1 x l l x l l m m 2 4 亮度 b 发光面上亮度是指单位面积上的发光强度 单位是c d m 2 坎 德拉每平方米 也称尼特 n t 关于亮度单位 各个国家有自己的定义 例如 英制单位有烛光每平方尺 与国际标准单位转换关系为 1c d f t 2 1 0 7 6 x 1 0c d m 2 烛光每平方英寸 与国际标准单位转换关系为 l e d i n 2 1 5 5 0 x 1 0 3 c d m 2 法国使 用过亚熙提 a s h 代表l m 2 面积发出l l m 光通量的余弦漫射体的亮度 与国际 标准单位转换关系为 l a s b 3 1 8 2 x 1 0 1 c d m 2 美国使用过郎伯 l 或l a 表示 l c m 2 面积的余弦漫射体发出的总光通量为l l m 时的亮度 与国际标准单位转换 关系为 1 l l l m c m 2 3 1 8 3 x 1 0 sc d m 2 亮度是显示器件最基本的表征量 它和照度不同 照度是指受到的光通量 而亮度是指发出的光强度 即对于一个发光面 亮度是主动量 而照度是被动量 另外 它和一般的明亮程度不是一个意思 明亮程度是指人的感觉 常称为直观 亮度 以便和亮度相区别 f e d 显示器亮度表征包括最大亮度和亮度均匀性 通常所说的亮度指的是 最大亮度 其定义为在一定的环境照度下 显示器显示最高亮度级和最高灰度级 1 6 中山大学硕士学位论文 下测量的亮度 显然 该定义包括了环境亮度 为表征f e d 显示器特性 需要 在测量时扣除这部分亮度偏置 需要说明的是 我们研究对象是 灰度显示特性 测量对象为一个像元 因此这里说的亮度指的是像元亮度 c n t f e d 灰度显示特性测试步骤如下 准备好待测试f e d 屏 调整 测试电路系统 调节l s l 0 0 使其光心对准测试像元 距离大概为1 m 在 电路中接好电流表 电压表 记下环境亮度作为亮度本底 逐步抬高电压 记下电流表 电压表和亮度计读数 在c n t f e d 显示屏 我们用亮度计l s l 0 0 收集亮度数据 并记下电压幅 度 然后作出特性曲线 图2 1 2 是f e d 器件像元的场发射曲线 我们可以看到 该像元的起始电压大概为6 0 0 v 左右 随着电压的增大 电流不断增加 当电压 增大到一定程度时候 电流增加开始变缓和 是一个典型的场发射曲线 图2 1 3 是f e d 器件像元的亮度一电压特性曲线 l v 特性曲线 该曲线是整个幅值 调制灰度显示的核心 在图中可以知道 随着电压的增大 亮度也在不断增加 但是不是成正比关系 f e d 器件的亮度特性 在暗场区域变化比较缓慢 随着 电压增加 亮度变化幅度加大 6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0 v o l t a g e v 图2 1 2 是f e d 器件像元的场发射曲线 1 7 2 0 8 6 4 2 0 i i v 3 一一 中山大学硕士学位论文 图2 1 3c n t f e d 多个像元亮度一电压关系曲线 为了进一步研究 在我们还对在一定电压下屏上一区域的发光亮度进行测 试 研究其均匀性 最后 我们在实验的基础上进行数据分析得出一条调幅控制 曲线 采用该曲线我们测试了f e d 能显示的灰度级别 然后通过比较 评价该 方法对f e d 均匀性的影响 2 2 3c n t f e d 灰度显示性能分析与改善方法 2 2 3 1 电压幅度调制灰度显示的校正 从上述的亮度响应特性 我们看到了f e d 的器件亮度非线性响应特性 因 此我们通过对驱动的图像信号进行预处理 即引入校正技术 以改善显示器件的 非线性 在这里 我们把这种校正称为灰度电压直接变换法 具体实现方法是 测量印刷型f e d 的器件的电压一亮度曲线 通过经验公式1 2 0 把亮度值转为灰度 级别 对应数字图像上的灰度值 最后得出一条灰度一电压曲线 在驱动电路中 通过数字图像处理的方法 矧调用这条曲线来实现f e d 的调幅控制 在制作印刷型f e d 器件的时候 碳纳米管和桨料混合在一起 然后以矩阵形 式印刷到玻璃基板上 每个像素点上的碳纳米管放置方式都是随机的 因此 对 于其发射特性均匀性处理 我们采用了绝对均匀图像预处理的方法 2 4 1 在幅度 调制下 不同像素点调制特性随着位置的变化而变化 因此 可以用k x y 来表 1 8 中山大学硕士学位论文 征整个器件的调制特性 如果以k x y 表示显示器件的调制特性 以v g 表示灰度值和电压值直接 的转换关系 以f x y v 表示f e d 显示屏上某一灰度需要的电压值 则它们之 问的关系为 f x y v k x y v g 2 1 从2 1 式我们可以知道 为了不失真地再现图象要求在实际驱动电路中 针 对每个点做测试 制定其调制特性然后把其固化在存储器中 图像处理时候用查 表方法实现幅度调制 这个做法对于不同的屏 从统计学角度分析 总的不确定 度 2 5 1 会很大 即是一个屏的参数应用到其它屏上会产生不好的效果 同时 每个像素点要固化一个函数 如果是1 0 2 4 7 6 8 个点 就会占用了很多内部存储 器资源 降低系统速度 在驱动电路设计上也是不可取的 如果令k x y c c 为常数 2 6 j 这样就可以解决上述问题 于是 2 1 式可以变为 f x y v cv g v g 2 2 在实际操作中 为了求得v g 我们对多个印刷型f e d 屏进行亮度测试 采 用数学统计分析的方法阶 取每个像素点的权重为1 求得矿 g 方程 我们称 为灰度电压直接变换曲线 经过对f e d 器件进行多次测量 采用上述的统计方 法取平均值后 得到该器件的亮度一电压曲线 如图2 1 4 所示 从曲线中 我 们可以看到 在电压大概6