华中科技电子显示技术05_等离子体显示器显示原理.ppt

2020 3 15 1 第三章等离子体显示板 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 3 2彩色PDP的放电特性及发光机理 3 3AC型PDP与DC型PDP的结构及驱动方式 3 4PDP的主要部件及材料 3 5PDP的制造工艺及装置 3 6PDP的应用 3 7PDP的开发战略 2020 3 15 2 3 1 1什么是PDP所谓等离子体显示板 plasmadisplaypanel PDP 即利用气体放电发光进行显示的平面显示板 可以看成是由大量小型并排构成的 日光灯 水银蒸汽 气体放电 紫外线 荧光粉所谓等离子体 plasma 是指正负电荷共存 处于电中性的放电气体的状态 稀薄气体放电的正光柱部分 即处于等离子体状态 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 3 玩具电光球利用高压电能气体放电发光 等离子体 创造奇幻光感 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 4 图1辉光放电 辉光球 操作 用手指轻触玻璃球的表面 球内产生彩色的辉光 原理 玻璃球内充有某种单一气体或混合气体 球内电极接高频高压电源 手指轻轻触摸玻璃球表面 人体即为另一电极 气体在极间电场中电离 复合 而发生辉光 玻璃球内所充的气体不同 球内压强不同 即不同的真空度 所产生的辉光的颜色也不同 而 辉光球 是低压气体 或叫稀疏气体 在高频强电场中的辉光放电现象 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 5 日常所见的日光灯就是PDP的基础 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 6 使用一段时间后的日光灯管可以看见被电子轰击的痕迹 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 7 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 8 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 9 在PDP中 有数百万个如上所述的微小荧光灯 即放电胞 真空放电胞中封人的放电气体 一般采用Ne 氖 和Xe 氙 或He 氦 和Xe 氙 组成的混合惰性气体 放电胞内壁涂覆的荧光体并不是发白光 而是发红R 绿G 蓝B三原色光 这三种颜色布置成条状或马赛克状 对放电胞施加电压 放电胞中发生气体放电 产生等离子体 等离子产生的紫外线照射胞内壁上涂覆的荧光体 产生可见光 见图3 2 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 10 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 11 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 12 放电胞发光机理 在2块玻璃基板上分别形成相互正交的电极 通过在其上施加电压或定时控制使放电胞放电 产生等离子体发光 见图3 3 其中行电极为扫描电极 在PDP的横向施加电压 列电极为信号电极 在PDP的纵向施加电压 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 13 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 14 3 1 2AC型PDP与DC型PDPPDP按引起放电时施加电压的方式不同 可分为AC型和DC型两种类型 见表3 l 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 15 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 16 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 17 DC型PDP的电极不加保护层 而是直接暴露在放电空间中 放电电流为直流 directcurrent DC 为防止电极磨损 提高寿命 要通过电阻限制放电电流 而且封人气体的压力也较高 AC型PDP电极表面覆以透明介电层及保护层 通过绝缘体的介电层表面产生放电 为形成放电单元而起隔离作用的障壁 隔断 为条状 而不是像DC型那样采用胞状 见图3 4 因此 图像分辨率可从VGA 640X480 到SVGA 800X600 在此基础上采取措施还可以进一步使画面精细化 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 18 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 19 DC型PDP由于设有辅助放电胞 可确保放电的 火种 因此比AC辅助放电胞型PDP的对比度高 反应速度也快 但是由于采用比较复杂的胞状放电单元 形成胞状障壁 隔断 的难度较大 画面高精细化 提高图像分辨率 比较困难 在DC型PDP的制造中 多采用印刷工艺 使用的印刷机要比AC型PDP造中使用的光刻制版设备价格低得多 因此设备投资要比AC型PDP小 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 20 3 1 3PDP的特征和应用PDP的特征自然与其 发光性 相关联 与其他显示器比较 定性地讲 PDP具有下述优点 利用气体放电发光 为自发光型 即主动发光型显示 与LCD比较 其放电间隙为0 1 0 3mm 便于实现薄型化 与CRT比较 利用荧光体 可以彩色发光 容易实现多色化 全色化 与LCD比较 容易实现大画面平板显示与CRT比较 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 21 其缺点为 功耗大 不便于采用电池电源 与LCD比较 彩色发光效率低 与CRT比较 驱动电压高 与LCD比较 目前的价格还较高 与CRT LCD比较 基于上述特点 PDP的优势是薄型 大画面 自发光型 彩色丰富 与CRT相当 大视角 便于众多观众同时观看 响应快 具有存储特性 全数字化工作 受磁场影响小 无需磁屏蔽等 其可能的应用领域如图3 6 图3 7所示 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 22 3 1等离子体显示板 PDP 的工作原理 2020 3 15 23 3 2 1低压气体放电的基本特性 在气体中的两电极间施加电压 在一定条件下 会产生气体辉光放电 凡是电流通过气体的现象即为气体放电 日光灯 PDP也是利用气体放电而发光的 按辉光放电的外貌及微观过程 从阴极到阳极大致可分为阿斯顿暗区 阴极光层 阴极暗区 负辉区 法拉第暗区 正光柱区及阳极区等几个区域 3 2彩色PDP的放电特性及发光机理 2020 3 15 24 阿斯顿暗区 电子从阴极出来立刻进入场强很大的区域而被电场加速 但在阴极附近电子速度很小 由于电子能量小于最低激发电位 还不能产生激发 因此该区域是暗的 阴极光层 该区域电子能量达到激发电位 产生一层很薄很弱的发光层 阴极暗区 从阴极光层起的电子具有更大的能量 甚至超过激发几率 因此激发减少 发光强度变弱 该区域中 电子能量已超过电离电位 产生大量的碰撞电离 雪崩放电集中在这个区域发生 3 2 1低压气体放电的基本特性 2020 3 15 25 负辉区 进入负辉区的多数电子 经过了多次非弹性碰撞 其能量虽比电离能小 但是大于或接近激发能 从而产生许多激发碰撞 因而产生明亮的辉光 法拉第暗区 大部分电子在负辉区经历了多次碰撞损失了能量 不足以引起电离和激发 因此不发光 正光柱区 任何位置电子密度和正离子密度相等 放电电流主要是电子流 在不同的条件下 它可表现为均匀的光柱或明暗相间的层状光柱 阳极区 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 3 2 1低压气体放电的基本特性 2020 3 15 26 是一种稳态的自持放电 放电电压明显低于着火电压 而后者由后面谈到的帕邢定律决定 放电时 放电空间呈现明暗相间的 有一定分布的光区 严格地讲 只有正光柱部分属于等离子区 其中正负电荷密度相等 整体呈电中性 放电主要依靠二次电子的繁流来维持 辉光放电具有以下的基本特征 3 2 1低压气体放电的基本特性 气体导电的现象 又称气体导电 气体通常由中性分子或原子组成 是良好的绝缘体 并不导电 气体的导电性取决于其中电子 离子的产生及其在电场中的运动 加热 照射 紫外线 X射线 放射性射线 等都能使气体电离 这些因素统称电离剂 一旦撤除电离剂 气体中离子很快消失 电流中止 这种完全靠电离剂维持的气体导电称为被激导电或非自持导电 2020 3 15 27 正常辉光放电区有4个明显的发光区域 即阴极光层 负辉区 正光柱区和阳极光层 阴极光层和阳极光层对发光的贡献远小于负辉区和正光柱区 负辉区的发光强度最大 但发光区域较小 正光柱区的发光区域最大 对光通量的贡献也最大 3 2 1低压气体放电的基本特性 2020 3 15 28 但是气体放电时 以上4个区域并不一定全部出现 当电极间距逐渐缩短时 正光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 当负辉区的左端与阴极重合时 放电就会停止 阴阳极之间的电位降主要发生在负辉区之前 维持辉光放电所必需的电离大部分发生在阴极暗区 也就是说 阴极位降区 包括阿斯顿暗区 阴极光层和阴极暗区 是维持辉光放电必不可少的部分 3 2 1低压气体放电的基本特性 2020 3 15 29 3 2 1低压气体放电的基本特性 2020 3 15 30 发光效率低 放电间距只有几十到几百纳米 日光灯的光效率达80lm W 而目前PDP的光效率只有1 2lm W 主要是因为日光灯放电时其正光柱区长 而PDP发光的主要贡献者是负辉区 放电时 正光柱区非常短甚至消失 与普通辉光放电不同 PDP所涉及的气体放电具有下述特点 表面放电型AC型PDP存在一个分辨率的理论极限 提高分辨率就意味着缩小放电电极间距 而从辉光放电的特性来看 当充气气压一定 电极间距缩小到一定数值时 在两个电极间不会形成正常的辉光放电 从而产生击穿 即打火 现象 极限分辨率与充气压力成正比 充气气压越高 极限分辨率也越高 3 2 1低压气体放电的基本特性 2020 3 15 31 图3 13表示利用正光柱部分的10英寸彩色PDP放电胞的结构及放电区的电位分布 如图中所示 若阳极部分向左移动 正光柱的长度将缩短 而负辉光部分不变 从图中还可以看出 电位下降主要发生在负辉光区以左很窄的部分 并由此基本上决定PDP的工作电压 若图中的阳极向左挪动1mm 则不会出现正光柱 对应的放电电压大约为250V 此时从负辉光区发出的光可为PDP所利用 3 2 1低压气体放电的基本特性 2020 3 15 32 对于实用的PDP来说 希望尽量降低工作电压并设法提高画面的显示精细度 仅利用负辉光的设计方案 既可降低工作电压 又因为其放电胞的尺寸变小 有利于提高显示精细度 显然十分理想 目前 达到实用化的PDP正是采用了这种方案 3 2 1低压气体放电的基本特性 2020 3 15 33 彩色PDP虽然有多种不同的结构 但其放电发光的机理是相同的 彩色PDP的发光显示主要由以下两个基本过程组成 气体放电过程 即隋性气体在外加电信号的作用下产生放电 使原子受激而跃迁 发射出真空紫外线 200nm 的过程 荧光粉发光过程 即气体放电所产生的紫外线 激发光致荧光粉发射可见光的过程 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 34 下面以充有Ne Xe混合气体的表面放电型AC型PDP为例 来说明PDP的发光机理 见图3 14 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 35 Ne Xe混合气体在一定外部电压作用下产生气体放电时 气体内部最主要反应是Ne原子的直接电离反应e Ne Ne 2e 电子能量大于21 6ev 其中Ne 为氖离子 由于受到外部条件或引火单元激发 气体内部已存在少量的放电粒子 其中电子被极间电场加速并达到一定动能时碰撞Ne离子 使其电离而导致气体内部的自由电子增殖 同时又重复 3 l 式反应致使形成电离雪崩效应 这种电离雪崩过程中会大量产生以下的两体碰撞反应 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 36 e Ne Ne 2e 电子碰撞电离 3 1 e Ne Nem e 亚稳激发 3 2 e Xe Xe 2e 电子碰撞电离 3 3 其中Nem为Ne的亚稳激发态 由于Nem的亚稳能级 l6 62eV 大于Xe的电离能 12 127eV 寿命长达0 1 10ms 因此 亚稳原子Nem与Xe原子碰撞的过程为Nem Xe Ne Xe e 3 4 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 37 人们称此为Penning电离反应 这种反应产生的几率极高 从而提高了气体的电离截面 加速了Nem的消失和Xe原子的电离雪崩 此外 这种反应的工作电压比直接电离反应的要低 因此也降低了显示器件的工作电压 与此同时 被加速后的电子也会与Xe 发生碰撞 形成Xe的激发态 e Xe Xe 2P5或2P6 hv 3 5 由于Xe原子2p5 2p6能级的激发态Xe 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Xe 2P6或2p5 Xe 1s4或1s5 hv 823nm 828nm 3 6 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 38 Xe 1s5 与周围的分子相互碰撞 发生能量转移 但并不产生辐射 即发生碰撞转移Xe 1s5 Xe 1s4 3 7 式中 1s4是Xe原子的谐振激发能级 Xe原子1s4能级的激发态跃迁至Xe的基态时 就发生共振跃迁 产生使PDP放电发光的147nm紫外光Xe 1s4 Xe hv 147nm 3 8 Ne Xe原子的能级与发光光谱如图3 15所示 Penning电离反应与Xe 逐级跃迁的示意见图3 16 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 39 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 40 2 荧光粉发光过程 由于147nm的真空紫外光能量大 发光强度高 所以大多数PDP都利用它来激发红 绿 蓝荧光粉发光 实现彩色显示 一般称这种发光为光致发生 真空紫外光激发荧光粉发光的原理如图3 17所示 荧光粉是一种粉末状结晶物质 由基质和激活剂组成 通常表示为基质 激活剂 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 41 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 空穴因热运动而扩散到价带顶 然后被掺人到荧光粉中的激活剂所构成的发光中心俘获 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 42 例如 红粉Y2O3 Eu中的銪是激活剂 它是红粉的发光中心 没有掺杂的荧光粉基质Y2O3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 因此产生了不同颜色的可见光 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 43 3 2 2气体放电中的帕邢定律和着火电压确定3 2 2 1气体放电的伏安特性曲线上述发光并非凭空产生 而是必须要满足气体放电的条件 对于一定的放电胞尺寸和一定的气体压力 两电极之间要施加一定的电压 首先要使气体击穿 气体放电开始 而后要以一定的电压来维持 使上述Xe原子处于激发状态 不断发射紫外光 那么气体是如何被击穿 气体放电又是如何来维持的呢 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 44 一般把电流通过气体的现象都称为气体中的放电或气体放电 在气体放电中 作为电源负载的放电气体可看作是可变电阻 击穿之前其电阻无穷大 放电开始的着火电压 即击穿电压 其可变电阻的大小及变化规律与气体种类及成份 压力及温度 极间距离 电极材料 电极表面状态密切相关 图3 18表示典型的气体放电曲线 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 45 其中AB段是非自持放电 它是依靠空间存在的自然辐射照射阴极所引起的电子发射和气体的空间电离所产生的 BC是自持的暗放电 有微弱的发光 B点对应于击穿电压 即放电着火电压 若电路中的限流电阻不很大 则电压U提高到Uz后 放电可迅速过渡到E点之后 即U突然下降 而I突然上升 并随之立即发出较强的辉光 若回路里串有很大的电阻 106欧以上 则可能逐点测出CE段 这是由自持暗放电BC段到辉光放电EG段的过渡区域 很不稳定 只要放电回路中电流稍有增加 电压则很快向E点转移 当电流增加到E点 这时阴极表面只有一部分发光 即只有一部分阴极表面发射电子 这部分叫阴极斑点 随着放电电流增加 阴极斑点面积按正比例增加 而U保持不变 一直到阴极斑点覆盖整个阴极表面后 再使I增加 则U也增加 PDP大都使用正常辉光放电阶段 而离子镀膜和溅射镀膜大都使用反常辉光放电阶段 2020 3 15 46 1889年帕邢 Paschen 在测量击穿电压对击穿距离和气体压力的依赖关系时发现 在两个平行平板电极上加以直流电压后 在极间形成均匀场 令极间距离为d 压力为p 如果气体成份和电极材料一定 气体恒温 则在冷电极条件下 击穿电压是Pd的函数 而不是以P和d为两个变量的函数 并且改变Pd时 Uz有一极小值Uzmin 这便是有名的帕邢定律 3 2 3 2帕邢定律和着火电压的确定 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 47 根据汤生放电原理 在均匀电场中 放电电流为 式中 I0为因外界因素产生的初始电流 d为阴阳极间距离 为电子对气体的体积电离系数 即每一个电子从阴极到阳极繁衍过程中 单位距离所增加的电子数 为正离子的表面电离系数 即每一个正离子轰击阴极表面而发射出 个新的电子 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 48 其中 可见Uz f pd 即Uz是pd乘积的函数 就是说 一个放电管其他条件不变时 虽然p和d可以不同 但只要乘积pd相同 Uz就会不变 3 14 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 49 为了求得电压的最低值Uzmin 把式 3 14 进行求极值运算解得 3 15 将 3 15 式代入到 3 14 式 得 3 16 即起辉电压Uz有一极小值Uzmin 从而帕邢定律得到证明 由 3 14 式 3 15 式决定的曲线称为帕邢曲线 图3 19为不同气体的帕邢曲线 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 50 由各条曲线可以看出 如果从较大压力或较大极间距离的情况来分析 当pd值减小时 Uz跟着减小到一最小值Uzmin 当pd值继续减小 击穿电压又开始急剧增加 实际上 帕邢定律有一定的适用范围 pd不能太大也不能太小 一般说来 辉光放电的电流范围约为10 3 102mA 而正常辉光放电的电压下限约为几十伏到几百伏 3 2 2彩色PDP的发光机理 2020 3 15 51 3 2 4DC型和AC型PDP中气体放电的区别 2020 3 15 52 3 2 4DC型和AC型PDP中气体放电的区别 2020 3 15 53 AC型电极电位不断变化 在作为瞬时阴极的介电体表面 存在电子周期性积蓄和释放的过程 DC型PDP中 放电气体一旦被击穿 电子便雪崩式地发生 施加直流电压即可维持放电的正常进行 但是 若不加控制 会引起阴极过热 造成放电胞的破坏 因此 可以在后述的脉冲存储驱动方式中 通过周期性地在过热之前切除电压 而在电子完全消失之前再接通电压 以维持放电的正常进行 人们称此为过热控制放电方式 3 2 4DC型和AC型PDP中气体放电的区别 2020 3 15 54 在AC型PDP中 电极表面覆以介电质层 电子可以在介电质层表面积蓄 当施加反向电压时 电子会从电极表面射出 积蓄的电荷逐渐变少 直至放电停止 因此 对面的电极也要覆以同样的介电质层 通过施加交变电场 造成电子反复的积蓄一释放过程 这便是称其为AC型的理由 另一方面 离子的运动方向与电子相反 它被电场加速到一定能量后 除了可造成气体原子的激发之外 最终会碰撞MgO薄膜表面 产生 电子 氧化镁是目前所知最为理想的电子放出材料 电子在两电极之间被加速到一定的能量 与气体原子碰撞 造成后者激发或电离 发生前述的 过程 被激发的原子发光 电离原子产生的电子和离子又继续参与到气体放电的过程中 3 2 4DC型和AC型PDP中气体放电的区别 2020 3 15 55 3 2 4 2放电电压及电流的确定PDP的工作电压 功耗 发光效率等宏观参数与阴极的二次电子放出系数 气体电离系数 以及光电效率等微观参数密切相关 首先是工作电压的确定 作为经验公式 放电开始电压 即着火电压Uz由帕邢定律来确定 3 18 式中 p为封入气压的压力 d为电极间距离 帕邢定律指出 着火电压Uz的大小决定于p与d的乘积 3 2 4DC型和AC型PDP中气体放电的区别 2020 3 15 56 Uz与pd关系的具体曲线如下图所示 3 2 4DC型和AC型PDP中气体放电的区别 2020 3 15 57 其次是放电电流的确定 对此AC型和DC型有很大差异 对于DC型PDP来说 可根