光电显示-08 第十章 彩色pdp基础

光电显示技术Photoelectric Display Technology,1,第10章 彩色PDP基础,10.1 PDP的发展历史,一、等离子显示器件（PDP）,PDP是指所有利用气体放电而发光的平板显示器的总称,PDP属于冷阴极放电管，利用加在阴极和阳极之间一定的电压，使气体产生辉光放电。,单色PDP通常直接利用气体放电发出的可见光来实现单色显示，放电气体一般选择纯氖气（Ne) 或氖氩（Ne-Ar）混合气体。,2,彩色PDP通过气体放电产生的真空紫外线（VUV）照射红、绿、蓝三基色荧光粉，使荧光粉发光实现彩色显示；其放电气体一般选择含氙的稀有混合气体，比如氖氙混合气体（Ne-Xe）、氦氙混合气体（He-Xe）或氦氖氙混合气体（He-Ne-Xe)。,根据工作方式的不同，PDP大致可分为两类：,直流型（DC-PDP） ：电极与气体直接接触交流型（AC-PDP） ：电极用覆盖层与气体相隔离,目前研究较多以交流型为主，并可依据电极结构不同区分为对向放电和表面放电两种结构。,3,4,二、PDP发展历史,1964年美国Illinois大学的教授Bitzer和Slottow在电极表面制作介质层，发明了利用气体放电实现显示的交流器件，并命名为等离子体显示（plasma display panel，PDP）。,1968年，Owens-Illinois将PDP单元改为开放式结构，器件寿命大为延长，使PDP的批量生产成为可能。,1970年至80年代早期，先后出现了直流PDP，自扫描PDP、交直流混合PDP等，并确立了PDP在大面积显示方面的优势。,1976年，美国贝尔实验室的G.W.Dick发明了单基板结构的ACPDP，奠定了现代PDP的基础。,5,20世纪70年代，开始彩色PDP的开发，人们曾试图通过不同气体的混合发出不同色彩的光或利用电子激发的荧光粉实现彩色显示，但没有取得成功。,20世纪70年代，发现Xe在100200nm间有丰富的谱线，而且发光效率高，才逐渐确立了气体放电产生紫外线激发光致发光荧光粉实现彩色显示的方法。,为了避免荧光粉受到放电粒子的轰击，20世纪70年代开展彩色PDP研究的公司多采用DCPDP。,1983年，日本的NHK公司最早研制出了对角线16英寸、320240像素的DC彩色PDP电视，由于单元无记忆能力，采用的是印刷式工作方式。,6,1983年，美国的Photonics公司制作出了最大的单色等离子体显示器，对角线1m，有12121596个单元。IBM也制作出了960768单元的单色ACPDP。,20世纪80年代至90年代初，美国的Photonics公司、法国的Thomson公司分别利用与单色PDP类似的双基板结构研制出了17、21、30英寸交流彩色ACPDP。,1993年日本的富士通公司利用1976年G.W.Dick发明的单机版结构，设计了条状障壁，制作出了彩色PDP原理样机，奠定了现代彩色PDP产业的基础。,1996年，日本富士通公司对单机版结构进行了改进，实现了21英寸640480彩色PDP显示器的批量生产。,7,近10年来，彩色PDP性能进一步提高，成为产业化发展加快的最新一代显示器，其厚度极薄，分辨率佳，大屏幕壁挂式平板彩电已经商品化，作为信息处理终端装置的多媒体显示板也已开始普及。,1998年实现40英寸彩色PDP批量生产。到目前为止32英寸、34英寸、42英寸、50英寸、60英寸的彩色PDP已实现量产。,8,10.2 气体放电特性,一、PDP的伏安特性,在外加电场的作用下，气体中产生电流形成电离气体的现象,气体放电,气体放电形式很多，若按是否需要外界电离源来维持放电，可分为自持放电和非自持放电。,欲使电流通过气体，必须要有外界电离源；导电后，若去掉外界电离源，放电电流很快减小，直至放电不能维持而熄灭。,在外界电离源作用下，放电管两端的电压增加到某一特定值时，管内电流突然增大而使气体击穿，这时若去掉外界电离源，气体仍处于导电状态，继续维持稳定的放电。,非自持放电,自持放电,9,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，放电后其电阻的大小与气体种类及成份、压力及温度、极间距离、电极材料、电极表面状态密切相关。,10,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;B点后是非自持放电过渡到自持放电，CD是自持的暗放电，有微弱的发光，C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，区是过渡区，放电发展到E点才能达到稳定状态；,当电流增加到E点，到达EF段，同时观察到放电电流急剧增大，管压降几乎维持不变，管内出现明暗相间的辉光，阴极表面的辉光斑随电流增大而扩大，该段叫作正常辉光放电区域（EF段）;辉光放电后若继续增大极间电压，电流继续增大，可观察到辉光布满整个阴极表面并充满放电空间，电流密度远大于正常辉光放电状态，放电进入了反常辉光放电区域（FG段）;放大电流达到G点时，电流突然猛增，管压降突然降低，进入VII弧光放电区。,11,分析：,气体发生稳定放电区域有三个：正常辉光放电区、反常辉光放电区和弧光放电区。由于弧光放电产生的大电流容易烧毁显示器，所以PDP总是选择工作在正常辉光放电和反常辉光放电区。为此必须在PDP回路中串入电阻、电感、电容来确定放电工作点。,二、辉光放电的发光空间分布,许多低压气体放电光源都直接或间接地利用气体放电而发光，如日光灯、霓虹灯等，在气体中两电极间施加电压，在一定条件下，会产生气体辉光放电，PDP正是利用气体辉光放电而发光的。按辉光放电外貌及其微观过程，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，阳极暗区及阳极光层等几个区域。,12,13,在外加电场作用下，阴极发出的电子或在放电空间产生的电子在电场作用下流向阳极，并不断增加速度，刚离开冷阴极的电子能量很低，不足以引起气体原子激发和电离，所以，阴极表面为一暗区，即阿斯顿暗区；随着电子在电场中加速，当电子的能量足以使气体原子激发时，就产生辉光，这就是阴极光层；电子能量进一步增加时，就能引起气体原子电离，从而产生大量的离子与低速电子，这一过程不发可见光，这一区域成为阴极暗区，阴极位降主要发生在这一区域中，低速电子增加速度后，会引起气体原子激发，从而形成负辉区，再向阳极方向还有几个明暗相间的区域。,14,辉光放电具有以下基本特征：,（1）是一种稳定的自持放电；（2）放电电压明显低于着火电压，其着火电压由巴刑定律决定；（3）放电时，放电空间呈现明暗相间的有一定分布的光区；（4）只有正光柱区部分属于等离子区，其中正负电荷密度相等，整体呈现电中性；（5）放电主要依靠二次电子繁流来维持。,正常辉光放电有4个明显发光区，即阴极光层，负辉区，正柱区及阳极光层；阴极光层和阳极光层对发光的贡献远小于负辉区和正柱区；,15,正柱区的发光区域最大，对光通量的贡献也最大，正柱区的本质是等离子体，可用来激发荧光粉使其发光，常用于荧光灯等光源；,气体放电时，以上四个区域并不一定全部出现，当电极间距离逐渐缩短时，正柱区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；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；阴极位降区（包括阿斯顿暗区、阴极光层和阳阴极暗区 ）是维持辉光放电不可缺少的部分。,16,三、巴邢定律,放电管电极是一对平板电极，电极间是均匀电场。在均匀电场中，气体着火电压是气体压强和极间距乘积（pd）的函数，这就使气体放电的巴刑定律，是彩色PDP工作的基本定律之一。,17,在给定的基本气体中加入少量的杂质气体，如果杂质气体的电离电位小于基本气体的亚稳态能级，混合气体的着火点电压会小于基本气体的着火电压。,四、潘宁效应,例如Ne， Ar， He，Xe，ArHg混合可产生潘宁效应，他们的混合气体通常称为潘宁气体。PDP设计中常用潘宁气体来降低器件的着火电压,18,单色等离子体显示是利用Ne-Ar混合气体在一定电压作用下产生气体放电，直接发射出582nm的橙色光。,10.3 PDP的结构和特性,一、PDP的结构,实用化方案：采用He-Xe混合气体放电时产生不可见的147nm真空紫外线（VUV），再使用VUV激发相应的三基色光致发光荧光粉，荧光粉发出可见光，实现显示目的。,可以找到一些混合气体，放电时产生红、绿、蓝三基色，但这些气体的发光效率低，稳定性差，有的还与腐蚀性，而且为避免不同种类的气体混合，发光单元不能做在一个气室内，需要制成上下互不相通的三个气室叠合在一起，不仅工艺复杂，不同角度观察也会产生视差，所以不能实用化,19,彩色PDP根据工作方式的不同，大致可分为三类： 交流型、直流型和交直流混合型目前商品化的生产的均为交流彩色PDP，并可依据电极的安排区分为二电极对向放电（Column Discharge）和三电极表面放电（Surface Discharge）两种结构。表面放电型PDP发光效率较高，目前市场售彩色PDP产品都是表面放电型彩色PDP,显示屏由前后两个基板组成，在前基板上，每一彩色像素包括一对ITO透明电极，ITO电极之上制作有金属电极，称为汇流电极（BUS电极）；像素之间，与电极平行方向制作有黑色介质条，用于提高显示对比度，介质和黑条之上，是透明介质，最上层是用于降低工作电压和对介质进行保护的MgO层。,表面放电型彩色PDP,20,后基板上， 最下层是选址电极，每个像素包括3条电极，与前基板电极呈空间正交状态，电极之上先制作的是白色介质层，介质之上，两条电极之间制作的是用于防止单元间光串扰和控制基板间隙的障壁，障壁的底部和侧面涂覆的是真空紫外光致发光荧光粉，相邻3个障壁内分别涂RGB三基色荧光粉，形成一个彩色像素；,后基板一角有一个排气管， 前后基板用低融点玻璃粉进行气密封连接，通过排气管排出基板间的气体后，充入的是Ne-Xe潘宁工作气体,21,22,等离子体显示板工作原理,23,PDP的发光显示主要由以下两个基本过程组成：（1）气体放电过程，即惰性气体在外加电信号的作用下产生放电效应，使原子受激跃迁，发射出真空紫外线（波长小于200nm）的过程；（2）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。,二、PDP的发光机理,24,潘宁电离反应与Xe*逐级跃迁的示意图,1 .气体放电过程,25,2.荧光粉发光过程,26,发光体的发光效率可用下式表示： =F/P其中，F为发光体发出的光通量，单位为lm，P为输入的功耗，单位W假定彩色PDP的发光近似于余弦发射，光通量和发光亮度B满足下式所示关系：F=BS其中S为有效发光区域的面积，则发光效率为= BS /P,三、PDP的发光效率,27,彩色PDP与荧光灯发光效率比较,28,荧光灯的高效率在其利用了热阴极，低阴极位降的弧光放电，并且利用了放电正柱区内的Hg的254nm的紫外线去激发荧光粉发光。,彩色PDP利用高阴极区位降的辉光放电，又由于PDP放电单元狭小，只有负辉区辐射的Xe的147nm真空紫外光线激发荧光粉发光。,提高彩色PDP的发光效率应着重提高放电产生紫外线的效率，以及荧光粉对紫外线转换效率。,29,四、PDP壁电荷和存储特性,极性和外加电场相反,壁电荷：交流PDP的电极表面覆盖有介质，这样当气体着火后，产生的电子和正离子会沿外加电压方向定向移动并聚积在电极对应的介质表面，形成壁电荷。,壁电压,壁电压极性与外加电场相反，导致实际加在气体两端的电压减弱，停止放电；由于采用交流电驱动，当电压反向时，壁电荷产生的电场和外加电场正向叠加，使得放电空间的实际电压增强，脉冲幅值大于阈值电压，放电再次发生。,30,设单元外加的交流脉冲幅值为U，取UsmUUf时，该单元产生放电而发光，产生壁电荷；壁电荷产生的电场与外加电场相反，经几百纳秒后其合成电场已不足以维持 放电，放电终止，发光呈光脉冲；,维持电压转至下半周期时极性相反，外加电场与上次壁电荷所产生的电场同向叠加，不必再加书写脉冲，靠维持电压可引起再次放电结论：只要加入一个书写脉冲，就可以使得单元从熄火转变为放电，并维持下去,34,要停止放电单元，可在维持脉冲之前加入一个擦除脉冲，它产生一个弱放电，消除原来存在介质表面的壁电荷，没有足够的新的壁电荷，放电不能继续持续，转入熄火状态在书写脉冲和擦除脉冲的作用下分别进入放电和熄火状态后，仅在维持脉冲的作用下就能保持原有状态，直到下一个书写或擦除脉冲到来。,35,六、PDP的寿命,PDP是一种气体放电型器件；工作时，气体放电所产生的大量电子和离子在电场作用下定向撞击放电单元的表面，使单元表面受到损伤；尤其是带正电的离子，由于质量较大，相对动量较大，轰击单元表面时往往引起溅射，造成单元表面的物理化学损伤，所以需要对PDP单元表面进行保护。,MgO薄膜耐离子轰击性能优良。由于它的二次发射系数较大，离子轰击的动量很容易以发射若干个二次电子来消化，从而保护了MgO薄膜下面的结构；且MgO由于具有较高的二次发射系数，还可以降低器件的着火电压；现在的PDP器件都采用MgO保护膜，采用MgO保护膜的器件，采用合理设计，寿命可达35万小时。,36,彩色PDP的寿命过程由以下两个方面决定：,（1）MgO膜在离子轰击下，二次发射系数不断减小，着火电 压不断增高，同时加剧了各个显示单元的不一致性，导致M下降，直到PDP无法驱动；（2）荧光粉在少量正离子的轰击