光电显示技术第4章等离子体显示器分析

1、光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 概 述 气体放电的物理基础 交流等离子体显示板 彩色AC-PDP 彩色AC-PDP的制造材料和工艺 彩色AC-PDP制造技术的发展状况 彩色AC-PDP电路系统 显示动态图像时的干扰及解决措施 直流等离子体显示板 PDP的应用 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 指所有利用气体放电而发光的平板显示器件的总称。 它属于冷阴极放电管，利用加在阴极和阳极间一定的电 压，使气体产生辉光放电。 一、PDP的定义与分类 按工作方式的不同主要分为直流型(DC-PDP)和交流型 (AC-PDP)两大类。AC-PDP根据电极结构的不同，分为对 向放电型和表面放电型两种

2、。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 二、PDP的发展史 1、DCPDP的发展史 20世纪50年代初，Burroughs公司开发出一种用于数码 显示的直流气体放电管； 1954年， Burroughs公司研制出直流矩阵结构PDP显 示板； 1972年， Burroughs研制出具有自扫描功能的DC PDP板； 1978年，G.E.Holz提出脉冲存储技术，使得DC PDP可工作于存储模式。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 2、ACPDP的发展史 1964年，美国Illinois大学的Bitzer和Slottow发明了单 色AC- PDP； 1967 年，Illinois大学开发出

3、对向放电型AC-PDP； 1976，G.W.Dick和M.R.Biazzo提出单一基板面放电结构； 1990年，富士通提出寻址与显示分离ADS驱动方法； 1984年，G.W.Dick、内池等提出了三电极表面放电反射 型AC-PDP； 90年代后期，日本提出了边寻址边显示AWD驱动方 法，富士通公司提出表面交替发光ALIS驱动方法，新 的驱动方法层出不穷。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 三、PDP的特点 易于实现薄型大屏幕显示； 具有高速响应特性； 可实现全彩色显示； 视角宽，可达1600； 伏安特性非线性强，具有很陡的阈值特性； 具有存储功能； 长寿命。 无图像畸变，不受磁场干扰；

4、应用的环境范围宽； 工作于全数字化模式； 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 一、气体放电的伏安特性 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 由于弧光放电产生的大电流容易烧毁显示器，而且 在其辐射光谱中，常含有阴极材料蒸气的光谱，因而 PDP总是选择工作在正常辉光和反常辉光放电区。为此， 必须在PDP放电回路中串联电阻、电感、电容来确定放 电工作点。 DC-PDP通常串联薄膜电阻来限制电流，而AC PDP放电单元电极上涂覆的介质层也起到了限制电流 的阻抗作用。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 二、气体的击穿和巴邢定律 1、气体的击穿（由非自持放电转变为自持放电的过程） 阴极表面发射

5、的电子在电场作用下运动，与气体原 子发生碰撞电离，电子在空间雪崩。汤生第一电离系数 系数。 新产生的离子打上阴极又引起新的二次电子发射， 从而使阴极发射增强，使气体导电率不断增加。汤生第 三电离系数系数。 自持放电的条件： 0 1(1) d a d n e n e 放电稳定后到达阳极的电子数为： 1(1)0 d e 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 2、巴邢定律 min 1 2.72ln(1) f B V A min 11 ()2.72ln(1)pd A 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 三、影响气体放电着火电压的因素 1、pd值的影响； PDP中充入气体的压强和电极间隙决定着火电

6、压。 2、气体种类和成份的影响； 当原子的电离能较低时，其着火电压低。 在基本气体中混入微量杂质气体时，若两种气体间 满足潘宁电离条件，着火电压下降。如在Ne气中混入 Ar气或Xe气，可使着火电压下降。 3、阴极材料和表面状况的影响； 4、电场分布的影响； 5、辅助电离源的影响。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 四、辉光放电的发光 阴极暗区，产生大量的碰撞电离，雪崩放电集中在 这个区域发生。 负辉区，在阴极暗 区电离产生的大量电子 进入这一区域，电子能 量大于或接近激发能， 产生明亮的辉光。 正柱区，任何位置电 子密度和正离子密度相等， 表现为均匀的光柱或明暗 相间的层状光柱。 光电显

7、示技术第4章等离子体显示 器分析 五、气体放电延迟 从在电极间加上一个大于着火电压的瞬时到气体击穿 所需的时间称为气体放电延迟或击穿时滞。 总的气体放电延迟由两部分组成： 统计性时间延迟ts 形成性时间延迟tf 气体放电延迟是关系到PDP单元放电稳定性的因素之 一，是进行PDP单元结构和驱动波形设计时必须考虑的 一个问题。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 一、基本结构 显示电极（包括透明电极和汇流电极）制作在前基板 上，寻址电极制作在后基板上并与显示电极正交， 一对显示电极与 一条寻址电极的 交叉区域就是一 个放电单元，维 持放电在两组显 示电极间进行。 汇流电极 三电极表面放电型AC

8、PDP 壁障(隔断) 荧光粉 选址电极 后玻璃基板 紫外线 介质层 透明电极 放电区 前玻璃基板 透明介电质层 保护层 发光区 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 行电 极 列电极 放 电 胞 电压 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 无论是哪种结构的AC-PDP，在电极上均有一介质层， 该介质层使气体放电产生的空间电荷存储在介质壁上， 这些电荷称为壁电荷，壁电荷的建立可使AC-PDP工作 在存储模式，并有利于降低放电的维持电压。 由于介质层材料的抗离子溅射性能较差，因此为延 长显示器的寿命，增加工作电压的稳定性，降低器件 的着火电压，在介质层上再覆盖一层抗溅射和二次电 子发射系数高的

9、薄膜作为保护膜，通常为MgO膜。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 二、工作原理 以对向放电型为例，AC-PDP的驱动脉冲由维持脉冲 Vs、书写脉冲Vw和擦除脉冲Ve组成。AC-PDP在维持脉 冲的每个周期内产生两次放电发光。 维持电压脉冲宽度通常5s 10s，幅度90V100V， 主要工作频率范围30KHz50KHz，因此光脉冲重复频 率在数万次以上，人眼不会感到闪烁。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 一、实施途径 彩色AC-PDP通常利用稀有混合气体放电产生的VUV 来激发三基色光致荧光粉发光。 1、放电气体 要求： 着火电压低； 辐射的真空紫外光谱与荧光粉的激励光谱相匹配；

10、 放电本身发出的可见光对荧光粉发光色纯影响小； 放电产生的离子对介质保护膜材料溅射小； 化学性能稳定。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 彩色AC-PDP 必须合理选择气体配比。目前，在量产 的彩色AC-PDP中，通常充入的放电气体有Ne-Xe(4 6)、He-Ne(2030)-Xe(4)。 2、三基色荧光粉 要求： 在真空紫外线的激发下，发光效率高； 色彩饱和度高，色彩再现区域大； 余辉适宜； 热稳定性和辐照稳定性好； 有良好的真空性能； 涂覆性能良好： 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 彩色AC-PDP通常选用的荧光粉有： 红粉：(Y，Gd)BO3:Eu3+； 绿粉：BaAl1

11、2O19:Mn2+，Zn2SiO4:Mn2+； 蓝粉：BaMgAl10O17:Eu2+，BaMgAl14O23:Eu2+。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 二、发光机理 彩色AC-PDP的发光由两个基本过程组成： 气体放电过程，即利用稀有混合气体在外加电压的 作用发射出真空紫外线(VUV)的过程； *1 4 ()(147)XeSXehnm m NeXeNeXee * eXeXeh 混合气体放电过程： 潘宁电离 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 荧光粉发光过程，即利用气体放电产生的紫外线， 激发光致荧光粉发射出可见光的过程。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 三、结构特点 彩

12、色AC-PDP有对向放电型和表面放电型两种。对向 放电型的三个放电单元R、G、B成三角形分布，表面放 电型的放电单元为直条沟状。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 彩色AC-PDP按荧光粉的涂敷方式分为透射式和反射 式。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 四、多灰度级显示的实现方法 彩色AC-PDP利用调节维持脉冲个数的方法来实现多 灰度级显示。 以寻址与显示分离的子场驱动方法（ADS）为例： 将某一种颜色的电平信号量化为n位数据，对显示数 据按位进行显示。发光脉冲个数和该位的权重相关联， 权重越大，该显示期的发光脉冲个数越多，反之，则发 光脉冲个数越少。各位显示的亮度也就不同，一

13、位的显 示时间称为一个子场。每个子场包括准备期、寻址期和 维持显示期。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 以显示数据量化为8位为例，将一场时间分为8个子 场，其维持期的时间(即维持脉冲个数)不同，例如18 子场分别对应显示从图像数据的最低位至最高位，则8 个子场的维持期的时间成1:2:4:8:16:32:64:128的关系。 每种颜色可显示28级灰度，三基色可显示224种颜色。 若一个数据为0000，0000，则所有子场都不点亮， 显示为最暗的0级灰度；当数据为0000，1001时，只有 第一和第四子场点亮，对应灰度级为9的亮度。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 光电显示技术第4

14、章等离子体显示 器分析 SF1SF2SF3SF4SF5SF6SF7SF8 Original Image 1 . . . 2 480 128T64T32T16T8T4T2T1T 1TV field (time) scan line address sustain sub-field Plasma Display（PDP）各子场显示方式 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 光电显示技术第4章等离子

15、体显示 器分析 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 例：若彩色AC-PDP采用分子场显示来实现128级灰度， 显示数据如何量化？ 若采用ADS驱动法，则各子场的维持显示时间比 是多少？ 该彩色AC-PDP可以实现多少种颜色的彩色显示？ 若某一像素要实现85级灰度显示，各子场显示情 况如何？ 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 以富士通公司开发的三电极结构表面放电型AC-PDP 为例，制造过程总体上可分为3部分：前基板制造工序、 后基板制造工序和总装工序。 一、彩色AC-PDP的主要部件及其制作材科 1、前后基板 普遍使用的玻璃基 板为采用浮法工艺

16、制 作的平板钠钙玻璃。 障壁 (隔断) 透明介电质层 保护层 透明电极 放电气体 前玻璃基板 荧光粉 选址电极 后玻璃基板 汇流电极 介质层 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 采用复合式电极结构，即显示电极用较宽的透明电极 和较细的金属电极构成。透明电极仍用ITO薄膜。 2、透明电极 常用的汇流电极的材料有薄膜Cr-Cu-Cr电极、厚膜Ag 电极。常用的寻址电极材料为厚膜Ag电极。 3、汇流电极和寻址电极 汇流电极用来增加电极的导电性，要求宽度在100m 以下。 4、介质层 用来保护电极，为低熔点玻璃。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 为低熔点破璃，作用： 保证两基板间的放电间隙

17、，确保一定的放电空间； 防止相邻单元间的放电干扰。 5、介质保护膜MgO 6、障壁 另外还有荧光粉层和放电气体。 要求二次电子发射系数高，电阻率高，耐溅射。 作用是延长显示器的寿命，增加工作电压的稳定性， 并且能够降低器件的着火电压，减小放电的时间延迟。 要求：高度一致(偏差在5m），宽度窄，热膨胀 系数应与基板玻璃相匹配。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 二、前基板的关键制造工艺 1、透明电极的制作 方法同液晶显示屏的ITO膜制作，先在基板上溅射一 层SiO2，然后溅射一层ITO膜，再光刻出电极。 2、汇流电极的制作 可采用薄膜光刻技术（Cr-Cu-Cr）和厚膜技术（Ag浆 料）。厚

18、膜技术有两种方法： 用厚膜光刻技术制作，使用的材料是光敏Ag浆料。 用丝网印刷法直接制作出电极，再经高温烧结而成。 最常用的材料是Ag浆料。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 3、介质层的制作，采用丝网印刷法。 要求四条边的厚度和宽度均匀一致，以保证密封质量。 采用丝网印刷法或喷涂法制作。 4、封接层的制作 5、MgO介质保护膜的制作 利用电子束蒸发的方法制备。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 三、后基板的关键制造工艺 采用丝网印刷法或厚膜光 刻技术制作。 1、寻址电极的制作 2、介质层的制作 高度一般在l00200m 的范围，制作技术有丝网 印刷法和喷砂法。 3、障壁的制作 采

19、用丝网印刷法或厚膜光刻 法制作。 4、荧光粉层的制作 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 四、总装工艺 在前、后基板都制作好后，进入总装工序，该工序包 括前后基板封接，屏的排气、充气，AC-PDP的老练和 电极引出。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 五、彩色AC-PDP制造技术的发展状况 1、PDP结构的发展 （1）waffle障壁和T型电极结构（日本先锋公司） 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 （2）栅栏型Cr-Cu-Cr电极结构（美国Plasmaco公司） （3）弯曲障壁结构 （日本富士通） 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 （4）非对称单元结构和彩色滤光膜（松下和

20、NEC） 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 一、三电极表面放电型彩色AC-PDP的工作原理 彩色AC-PDP要实现图像的显示，首先根据显示数据 选择在要点亮的单元中形成或保留壁电荷到维持期，使 维持放电得以进行，积累了壁电荷的单元就会发生维持 放电，实现图像的显示。称一个有壁电荷(壁电压与维 持电压的绝对值之和大于着火电压)的显示单元处于点 亮状态，否则称该单元处于熄灭状态。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 三电极表面放电型彩色AC-PDP的三个电极分别为： 维持电极（X电极）、扫描电极（Y电极）、寻址电极 （A电极）。维持显示放电发生在X电极和 Y电极之间， 寻址放电发生在A电

21、极和Y电极之间。 使单元点亮可使寻址电极和扫描电极间发生放电，积 累维持放电所需的壁电荷。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 D1D2D3D4D5 S1 S2 S3 S4 S5 导通电压导通电压 Vs 信号电极信号电极 电压电压 Vd 放电保护电阻放电保护电阻 导通开关导通开关 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 Matrix Drive mode矩阵驱动矩阵驱动方式方式 (2电极放电电极放电) 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 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。 (Me

22、mory) D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 导通电极 电压 Vs 信号电极 电压 Vd 导通 开关 维持电极 电压 V sus X 障壁 Matrix drive mode矩阵驱动方式矩阵驱动方式 (3电极表面放电电极表面放电PDP) 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 使一个单元由点亮到熄灭，即擦除单元中的壁电荷， 有如下方式： 加一个远大于着火电压Vf的电压脉冲，使放电结束 后单元内的壁电压还大于着火电压，壁电荷本身形成的 壁电压使单元内发生放电，在脉冲下降后，使单元中各 电极的外加电压相同，由于此时外电路并不提供电流， 放电使壁电荷基本

23、中和，单元回到熄灭状态； 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 是利用A电极和Y电极放电，在单元内积累额外的 壁电荷，使壁电荷的电压超过着火电压，引起单元内放 电，后面的放电进行时外电路不提供电流，则壁电荷因 该放电而被中和。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 利用窄脉冲(脉冲宽度约1s左右)的擦除作用，窄 脉冲引起放电，而且要在放电未结束时使脉冲结束， 放电造成壁电荷中和。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 加上合适的电压脉冲序列，可以实现显示单元中壁 电荷的建立、擦除以及维持显示等操作。采用不同时 序的电压脉冲序列就构成了不同的驱动方法。 （4）用缓慢上升的脉冲，使单元刚达到

24、着火电压时， 就进行一次放电，壁电荷被中和掉一部分，电压再上 升，重复以上过程，最终接除掉大多数壁电荷。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 维持期 二、驱动方法 1、寻址与显示分离的子场驱动方法（ADS） 准备期寻址期 minminsxyfxy VVVV maxayfay VVV 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 缺点：显示亮度低。 以VGA显示为例，工作于场频60Hz，则场周期为 16.7ms。 假设扫描一行的时间为3s，扫描480行所需的时间 为1.44ms，则在一场时间16.7ms内，8个子场扫描寻址 所用的时间为11.52ms，留给维持放电显示的时间只有 5.15ms，维持

25、显示时间占一场总时间的31。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 2、寻址并显示的驱动方法（AWD） 寻址电极分为上、下两 部分，两部分同时扫描寻 址。将一个行周期H分成 8个长度为 ( 3.7s) 的时间段，作为每一子场 的寻址期。 占空比： 50048 93.4% 500 HHH H 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 3、表面交替发光(ALIS)驱动法 普通驱动方法驱动的PDP应用于HDTV时亮度下降 的原因： HDTV显示像素多，放电空间减小； 发光面积与像素面积之比下降，开口率下降； 像素尺寸减小，放电产生的电荷向障壁扩散，造成 相当程度的能量损失； 显示时间缩短。 彩色AC

26、-PDP一般使用条状障壁结构，相邻显示行之 间设置了非发光区域。大量电极的存在，非发光区不 能设计太宽，相邻像素间会产生放电的相互干扰。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 基本思路：充分利用两行之间的非发光区域。 所有的维持电极和扫描电极等间距排列，相邻两个 维持电极和扫描电极之间的间距作为一个显示行，扫 描电极分成奇数行和偶数行分别在两场显示，奇数场 和偶数场交替显示，构成一帧图像。 表面交替发光(ALIS)驱动法 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 显示奇数行时，在电极X1和Y1之间，X2和Y2之间施 加维持电压Vs，使其发生维持放电，同时由于Y1和X2电 极电位相等，使偶数行没

27、有维持放电发生而不显示。显 示偶数行的操作与奇数行相似，只在Yl和X2电极之间存 在维持电压，进行维持放电。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 以奇数场显示为例分析其工作原理： 从准备期开始，通过在X电极施加全屏写脉冲使显示 屏上的所有单元的壁电荷得到擦除，处于一致状态。 在寻址期，将寻址期分为前后两部分，在奇场的前半 部分寻址期，寻址显示1、5、9等行，在其后半部分寻 址期，寻址显示3、7、11等行； 在维持放电期，只在构成奇数显示行的电极之间施加 维持电压脉冲，使之发生维持放电；偶数显示行上电极 之间电压为0V，不发生放电。 1 2 3 4 5 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析

28、 ALIS驱动方法的优点： 可实现高清晰度和高亮度的显示； 经济性好； 寿命长； 一根扫描电极就可驱动两个显示行，显示电极中扫 描驱动集成电路个数和以前的相比数量减半。 一个像素的发光时间只有以前的1/2，因此发光时间 短，寿命延长。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 4、CLEAR驱动法 属于擦除寻址的驱动方法：先点亮所有显示单元，在 寻址期根据显示数据擦除非点亮单元中的壁电荷，使其 熄灭，在维持期，那些点亮的单元会维持发光。 CLEAR驱动用各个子场的维持发光的单纯累积来显示 灰度。在一场中，只有在第一子场的开头有一个准备期 的发光，使全屏所有显示单元处于点亮状态。对于一个 显示单元

29、，一场中只有一次寻址放电。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 若单纯使用CLEAR驱动方法，可显示的灰度数为 “子场数1”，但灰度级不够。可使每场中的各个子场 的维持脉冲数发生变化显示更多的灰度级，例如1场由 m个子场构成，使n场中的维持脉冲数发生变化时，得 到的灰度数为mn+1。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 三、驱动电路 场同步 行同步 数据 时钟 数据存储 与 控制电路 显示数据 扫描时序 控制信号 驱动时序 控制信号 显示数 据缓冲 寻址电极驱动器 维持脉冲产生电路 扫描脉冲产生电路 扫描 电极 驱动 器 开关 电源 DC/DC 转换电路 ACPDP 光电显示技术第4章

30、等离子体显示 器分析 1、数据存储与控制电路 是彩色AC-PDP电路中对图像数据进行数字处理，实 现分子场显示的主要控制部分。 其主要功能是将图像数据按照显示屏的结构和ADS分 子场驱动技术的要求进行转换、存储和处理（按位进行 分离、分块存储），向驱动电路传送显示数据，并提供 显示所需的一些驱动集成电路的控制信号（扫描时序信 号和驱动时序信号等 ）。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 2、高压驱动电路 主要功能是按一定的逻辑控制时序，产生驱动显示 屏的高压驱动波形。包括扫描电极驱动脉冲产生电路， 维持电极驱动脉冲电路，寻址电极和扫描电极驱动器 等。 3、高压集成块 逻辑电路，负责控制显示

31、屏信号和显示数据； 高压驱动电路，负责将信号电平移位和对显示屏施加 发光所需的高压脉冲。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 4、能量恢复电路 彩色AC-PDP显示屏可看作是一个容性负载。 在对电容的充放电过程中电容本身并不消耗能量， 但对其进行充放电引起的电流将导致在回路电阻上消 耗能量。电容的一个充放电过程中，电路损耗的总能 量为CV2。 当屏的总电容为C1F，用幅值为100V，频率f为 100kz的脉冲驱动时，回路中电阻消耗的功率： 2 1 WWfCVk 应用能量恢复电路以减小对屏电容的充放电过程 中在回路电阻中能量的消耗。 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 光电显示技术第4章等离子体显示 器分析 储能电容Cs经S1、D1、L对屏电容Cp充电； 电源V给屏电容Cp充电并使之维持在电压V； 屏电容Cp经L、D2、S2对储能电容Cs充电； 屏电容Cp对地放电。 Cs为储能电容，Cp为屏电容。电路的工作过程包括： 使用能量恢复电路后的能量恢复率可达80%。 光电显示技术第4章等