华中科技电子显示技术06等离子体显示器驱动原理.ppt

2020 3 25 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 25 2 前基板上设有放电用的透明电极 正对着该透明电极的稍下方将发生气体放电 为使透明电极线电阻下降 透明电极上要附有汇流电极 电极内侧覆有透明介电层 为保护电极还要覆以MgO保护层 该保护层除保护透明电极之外 还有发射电子 维持放电状态 限制放电过流等作用 3 3 1AC型PDP的结构 2020 3 25 3 在后基板上 设有写入用的选址电极 电极覆以白色介电层 再在其上设置条状障壁 该障壁的作用是分隔放电空间 并作为放电空间的墙壁 为了实现可见光发光及彩色化 在每个放电空间内侧 按一定规律涂上R G B三原色荧光体 3 3 1AC型PDP的结构 2020 3 25 4 通过密封层将前基板和后基板贴合在一起 在贴合的2片玻璃基板间抽真空后 封入发生气体放电时可产生紫外线的气体 再连接上驱动IC等模块组件 就构成AC型PDP 3 3 1AC型PDP的结构 2020 3 25 5 与此相对 是称作对向放电型的AC型PDP 见图3 25左 其前基板和后基板分别设有一种电极 尽管结构简单 但放电发生在上 下电极中间 等离子体对荧光体的冲击大 以上是称为面放电型的AC型PDP的结构 见图3 25右及图3 24 这种AC型PDP由在同一基板上平行布置的2个透明电极 附有汇流电极 和在另一基板上布置的选址电极共3个电极构成 放电发生在前基板一侧 可减轻等离子体对荧光体的冲击损伤 3 3 1AC型PDP的结构 2020 3 25 6 PDP如何发光形成图形 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 7 PDP如何发光形成图形 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 8 PDP如何发光形成图形 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 9 PDP如何发光形成图形 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 10 信号电极和导通电极之间的导通开关合上ON 则相交的点放电 像素发光 MatrixDrivemode矩阵驱动方式 2电极放电 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 11 信号电极和导通电极导通则表示选通 Y导通电极和X维持电极同时打开ON 导通 则像素导通放电 Memory Matrixdrivemode矩阵驱动方式 3电极表面放电PDP 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 12 Addressaction寻址动作 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 13 Addressaction寻址动作 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 14 Addressaction寻址动作 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 15 Addressaction寻址动作 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 16 Addressaction寻址动作 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 17 Addressaction寻址动作 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 18 Addressaction寻址动作 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 19 Addressaction寻址动作 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 20 对于彩色PDP来说 驱动集成电路无论在技术上还是在价格上都起着举足轻重的作用 例如 一个性能良好的PDP彩色电视 驱动集成电路系统占总成本的70 80 3 3 2 1驱动集成电路的作用彩色PDP是主动发光器件 其亮度与各个像素的发光时间成正比 一般情况下 在进行矩阵平面的行顺序驱动时 随着扫描线数的增加亮度会下降 因此 不管是AC型或DC型彩色PDP 都采用存储式驱动来增加实际的发光时间 以实现高亮度 存储式驱动方式 基本上由写入 发光维持和擦除三个部分组成 驱动集成电路的作用就是给彩色PDP施加定时的 周期的脉冲电压和电流 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 21 图30表示AC型PDP两电极间的等效电路 电极充 放电 以及发光的原理 随着驱动电路极性的变化 电极表面介电质层上周期性地积蓄 释放电荷 这对于发光和存储功能起着关键作用 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 22 设某一瞬间 一侧介电质层上的MgO表面上积蓄电子 另一侧介电质层上的MgO表面上积蓄正离子 当施加交变电场时 两侧所积蓄的电子和正离子交替变化 在该瞬间 电子与放电胞中的中性Ne分子碰撞 发生 过程 产生新的电子e和被碰撞电离的氖离子Ne 被激发的Ne 后者发光将恢复到中性氖分子状态 发出波长为570 670nm可见光 此外还有红外光等 若交变电场的周波数增加 则发光的次数增加 此时 积蓄的电荷量越多越好 更利于实现稳定电压下的放电 还可以通过施加反向脉冲电场从外部对积蓄的电荷量进行控制 利用对积蓄电荷量增减的控制 赋予AC型PDP存储功能 可利用其稳定的存储功能 这是AC型PDP的显著特征之一 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 23 3电极型ACPDP放电壁电荷记忆 形成过程 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 24 3 3 2 2驱动集成电路的构成图3 31表示PDP驱动电路方块图 适用于AC型 DC型及各种彩色PDP 驱动电路分五个部分 即列 column 驱动器 行 row 驱动器 同步 timing 控制器 数据缓冲器 databuffer 以及电源 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 25 彩色PDP的驱动器耐高压输出能力 是其最重要而且是最基本的性能 它完全是由彩色PDP本身的结构特性所决定的 这就要求彩色PDP的制造者和半导体集成电路的制造者建立必要的紧密合作关系 共同开发彩色PDP的驱动集成电路 除此之外 对于驱动器逻辑部分来说 要保证移位寄存器 将串行信号变换为并行信号的电路 有足够高的最大时钟工作频率fmax 降低驱动电路除电流部分之外的功耗 克服高耐压CMOS驱动集成电路系统中的相互串扰噪声 解决功率的回收问题 确保多组电源依照规定时刻同步工作等 因此对其要求是相当高的 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 26 3 3 2 3彩色PDP驱动集成电路的高耐压工艺 半导体各厂家对于彩色PDP驱动集成电路的高耐压工艺的开发工作 始于20世纪80年代 现在已有许多种工艺投入实用 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 27 3 3 2 4彩色PDP如何实现灰度和全色显示AC型彩色PDP实现灰度显示是通过子场选址的方法变换放电量 就能显示出灰度不同的图像 以4级灰度显示为例 屏上有两种不同亮度的显示组合 一种是强放电 高亮度 一种是弱放电 低亮度 两种放电强度在屏幕上交替产生 变换迅速 这一过程可以产生四种不同的亮度 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 28 强放电十弱放电 总的亮度最高 强放电十弱放电停 总亮度次之 强放电停十弱放电 总亮度第三 强放电停十弱放电停 总亮度最低 同样 利用这一原理 由放电强度不同的6种亮度所构成的帧信号便能显示出26 64级灰度 而由8种放电强度组成的帧信号则能组成28 256级灰度 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 29 AC型彩色PDP能产生全色显示 因它的每一个像素由三基色荧光粉RGB组成 与显示板同步产生的 这些彩色RGB荧光体的亮度是不同的 当每一种RGB荧光粉有64种不同的灰度时 能产生 64X64X64 大约26X104种颜色 而当每一种RGB荧光粉的总灰度有256级时 显示板就能显示出 256X256X256 大约16 7X106种颜色 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 30 3 3 2 5多灰度驱动系统表面放电式AC型PDP实际动态工作时一般采用选址期与维持期分离的驱动方法 简称ADS技术 其工作原理 如下文所述 尽管整个电视画面看起来好像是同时发光的 但实际上 画面是从左上向右下由光束 在CRT中是电子束 逐渐扫描的 参照第二章 其平行线称为扫描线 CRT电视中 整个电视画面由525条扫描线构成 使525条扫描线顺序发光需要一定的时间 一般是先让一半即262 5条扫描线按顺序发光 稍后再让其余的262 5条顺序发光 由此映出正常的画面 这种扫描方式称为隔行扫描制 通过发光时间的调整进行灰度调节的方法即ADS addressanddisplayperiodseparated 方式 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 31 可以将一个半帧发光的时间分别为上图所示的8份 其中每一份称为子帧 其排列次序从小到大为SF1 SF2 SF8各个帧发光的时间比为 20 21 23 27在扫描过程中 可通过选择子帧发光来调节灰度 若想画面最暗 可使其只在SF8时间发光 若想画面最亮 可使其在SF1 SF8所有的时间内发光 若完全不发光 可使其SF1 SF8的任何时间内都不发光 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 32 3电极型ACPDP子场技术 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 33 PlasmaDisplay PDP 各子场显示方式 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 34 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 35 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 36 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 37 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 38 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 39 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 40 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 41 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 42 功率耗散是256级灰度显示的一个难点 256级灰度需要快速寻址 它是无灰度显示的8倍 由于寻址时须施加200kHz的快速脉冲 因此寻址电极的充放电要消耗大量功率 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 43 为了降低256级灰度显示的功耗 富士通公司研制成一种能使寻址放电在低压下完成的驱动系统 低压寻址程序由5步组成 清洗全画面 初始化 写入全画面 形成壁电荷 再清除全画面 消去无用电荷 写入数据 仅发光的像素形成壁电荷图 维持全面放电 在显示期间 利用这种程序 可以用低电压来进行高速驱动 例如可将寻址驱动电压由80V降到50V以下 3 3 2AC型PDP的驱动 2020 3 25 44 在玻璃前基板上形成发射电子的阴极 在后玻璃基板上 与前基板阴极相对设有放电用的阳极 以及为限制多余的电子而形成的电阻 且由障壁 隔断 形成胞状结构来组成放电空间 并在该放电胞内侧 按一定规则配置R G B荧光体 DC型PDP的驱动更复杂 略 3 3 3DC型PDP的结构 2020 3 25 45 DC型PDP与AC型结构的主要不同之处是 前者前基板的阴极 后基板的阳极都暴露于放电空间中 而且AC型PDP保护层所起的作用在DC型PDP中分别由几种部件及材料来承担 这几部分是为放电而发射电子用的阴极 维持放电用的辅助放电胞和限制多余放电电流用的电阻 3 3 3DC型PDP的结构 2020 3 25 46 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 47 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 48 3 4 1玻璃基板3 4 1 1要求具有高屈服点的玻璃基板对PDP基板用玻璃的最主要的要求是高屈服 塑性形变 温度 参照图3 41 这是因为PDP基板在PDP制造工程中 需要经受500 以上的高温 因此高屈服温度是必不可少的 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 49 高屈服温度玻璃的热膨胀系数选择与传统苏打石灰玻璃的热膨胀系数基本在同一水平 除此之外 PD200含钠量很低 具有电阻高等优点 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 50 3 4 1 2PDP用玻璃基板的课题PDP用玻璃基板厚且面积大 与LCD用玻璃相比要重得多 现在普遍采用的3mm厚的玻璃 将来需要改为lmm左右的薄型玻璃板 以达到轻量化的要求 同时 PDP厂家以电视机这一大型市场为目标 必须降低其价格 为此PDP用玻璃基板的价格也应该降低 由于现在PDP大批量生产的体制还不完善 对玻璃基板的需求量还不是很大 其价格是按 样品 确定的 比较高 玻璃生产厂家的目标是 在未来的一二年中 PDP玻璃基板的价格要降低到目前的1 5 l 8 即达到200元 块 42英寸 的程度 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 51 3 4 1 3PDP用玻璃基板主要生产厂家日本国内PDP玻璃基板厂家主要有旭硝子 Central硝子 日本板硝子等公司 最先开始着手此行业的旭硝子于1991年前后与PDP厂家签订共同开发合同 1992年制成PDP用玻璃板 1995年夏购人PDP用玻璃基板的浮法生产设备 同年开始出售小批量产品 1996年7月发表了关于PDP高屈服温度玻璃的信息 除日本的厂家之外 美国的Corning公司和法国的SaintGobain公司正在联合进行PDP用玻璃基板的生产 今后会有更多的厂家加人PDP玻璃基板的生产行列 从降低价格的观点出发 他们以浮法苏打石灰玻璃为主攻方向 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 52 3 4 1 4发展趋势应用途要求 PDP用玻璃基板看来会向二极发展 一极是适应20英寸左右普通电视正采用的图像分辨率 VGA 480X640 要求 采用正在使用的改进型苏打石灰玻璃 另一极是适应40英寸以上大屏幕 更高图像分辨率 高精细 PDP的要求 开发600oC左右高屈服温度的玻璃 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 53 3 4 2前基板制造工艺中相关的部件与材料3 4 2 1透明电极 仅对AC型PDP 1 透明电极的作用透明电极仅设置在AC型PDP的前基板上 见图3 42 与同一前基板上设置的汇流电极成对构成放电用的电极 即扫描电极 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 54 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 55 2 透明电极的材料透明电极使用ITO indiumtinoxide 铟锡氧化物 膜或SnO2 氧化锡 膜 ITO膜采用氧化铟与氧化锡比值大致为9 1的混合物靶通过溅射法制取 膜层具有优良的光透射率及导电性 PDP用ITO膜的表面电阻从20 30 口 每单位面积电阻 膜厚1500 到100 口 膜厚500 SnO2膜的特点是耐热性好 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 56 3 4 2 2汇流电极 仅对AC型PDP 1 汇流电极的作用汇流电极在AC型PDP的前基板上形成 与透明电极成对地引起放电 而且还可使透明电极很高的线电阻降低 2 汇流电极的材料对于汇流电极来说 应极力避免妨碍发光 引起辉度下降等消极影响 为此 在达到所需要的电阻值的范围内 汇流电极做得越细越好 目前 汇流电极的线宽一般在50 200 m范围内 多数用Cr Cu Cr膜来形成 但也有的厂家采用以Sn为主要成份的膜层 一般情况下汇流电极由PDP厂家自己来制作 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 57 3 4 2 3透明介电质层 仅对AC型PDP 透明介电质层在AC型PDP前基板上形成 以低熔点玻璃粉末为主要成份 再添加粘结剂和溶剂配成浆料 经印刷形成约20 m厚的膜层 在日本 透明介电质层所用的低熔点玻璃粉末等 由旭硝子和日本电气硝子等玻璃厂家提供 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 58 3 4 2 4保护层 仅对AC型PDP 1 保护层的作用保护层在AC型PDP的前基板上形成 覆盖在电极表面 它除具有保护电极防止磨损之外 还有许多其他的重要功能 如放出维持放电用的电子 相当于DC型PDP阴极的功能 限制过放电电流 相当于DC型PDP中限流电阻的功能 维持正常的放电状态 存储功能 相当于DC型PDP中辅助放电胞的功能 等不可替代的功能 因此是PDP中十分关键的部分 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 59 2 保护层的材料由于保护层应具有上述多种功能 因此对其性能要求应很高 例如绝缘性及透光率要高 起始放电电压要低 放电特性要稳定等 目前看来 兼有上述各种特性的最佳材料是MgO 其厚度一般为20 30 m 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 60 3 4 2 5阴极 仅对DC型PDP 1 阴极的作用阴极在DC型PDP的前基板上形成 其作用是放出电子以产生并维持气体放电 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 61 2 阴极材料阴极材料使用Al和Ni 以前以Ni为主 当时由于放电胞中封入水银蒸气 可以防止磨损 现在已不再采用水银蒸气 因此多用Al粉中加玻璃粉末及树脂 再加溶剂配成浆料 经印刷形成电极 Al阴极的电阻及工作电压较高 但由于采用印刷成膜 具有低价格等优点 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 62 3 4 2 6点火放电胞障壁 隔断 仅对DC型PDP 点火放电胞障壁在DC型PDP前基板上形成 在与后基板障壁形成的间隙中埋设 一般采用玻璃浆料来制取 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 63 3 4 2 7封接层 1 封接层的作用无论对AC型还是DC型PDP都要形成封接层 AC型PDP中 在前 后两个基板上都要形成此层 而在DC型PDP中仅在前基板形成即可 封接层的作用是使两块玻璃板封接并密封 2 封接层材料封接剂采用低熔点玻璃 相对于LCD的封接剂采用环氧树脂或紫外线硬化树脂而言 对于PDP的部件材料来说 要求选用耐热性更好的封接层材料 因此 高于100oC就要熔化的高分子材料 不适于用作PDP的封接材料 一般是PDP厂家向玻璃厂家购买玻璃封接剂 自己形成封接层 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 64 3 4 3后基板制造工艺中相关的部件与材料3 4 3 1电极 1 电极的作用在后基板上形成的电极 对于AC型PDP来说称为数据电极 见图3 44 而对于DC型PDP来说称为阳极 见图3 45 数据电极 又称为选址电极 为写人用电极 而阳极的作用是与前基板上形成的阴极成对引起气体放电 其厚度为5 10 m 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 65 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 66 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 67 2 电极的材料无论AC型还是DC型PDP 后基板上形成的电极大多采用Ag浆料 而在AC型PDP中 也有的采用Al浆料 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 68 3 4 3 2电阻 仅对DC型PDP 1 电阻的作用电阻在DC型PDP的后基板上形成 其作用是限制放电过流 延长电极寿一命等 2 电阻材料电阻由RuO2 氧化钌 等电阻浆料印刷而成 其膜厚为10 15 m 但目前大部分已采用感光性浆料 一般对DC型PDP用电阻阻值的一致性要求很高 其目的在于保证放电胞辉度及寿命的一致性 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 69 3 4 3 3障壁 隔断 1 障壁的作用无论对AC型还是对DC型PDP来说 都需要在后基板上形成障壁 隔断 其作用是确保微小的放电空间 防止3色荧光体的混合 在AC型PDP中 要做成宽50 m以下 高150 m左右的条状 在DC型PDP中 要做成宽60 80 m 高150 200 m左右的方形胞状 AC型PDP的条状障壁节距 对于42英寸VGA来说 大约为220 m 对于25英寸XGA来说 大约为150 m 应该说 上述障壁的形成是PDP制造中最关键 也是最困难的工艺 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 70 2 障壁用的材料障壁材料采用低熔点玻璃 其中混有氧化铝等金属氧化物 除印刷用的浆料之外 目前正在开发的还有贴附用的带状材料 混有感光性树脂的玻璃光刻浆料等 3 4PDP的主要部件及材料 2020 3 25 71 3 4 3 4荧光屏荧光层的作用荧光层的作用是发出可见光及使光彩色化 荧光体涂布在障壁与障壁间的平面及障壁侧壁上 荧光体材料荧光体由母体材料和发光中心材料构成 见图3 46 即在母材中加入发光中心 称为活化或掺杂 再经烧结而成 荧光体 例如以 Zn2SiO4 Mn 表示 其中Zn2SiO4为母体 Mn为发光中心 一般说来