光电显示技术第章等离子体显示器

第4章等离子体显示器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4.1概述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。二、PDP的发展史1、DC－PDP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。2、AC－PDP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。三、PDP的特点⑴易于实现薄型大屏幕显示；⑵具有高速响应特性；⑶可实现全彩色显示；⑷视角宽，可达1600；⑸伏安特性非线性强，具有很陡的阈值特性；⑹具有存储功能；⑽长寿命。⑺无图像畸变，不受磁场干扰；⑻应用的环境范围宽；⑼工作于全数字化模式；4.2气体放电的物理基础一、气体放电的伏安特性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。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）⑴阴极表面发射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－α系数。⑵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－γ系数。自持放电的条件：放电稳定后到达阳极的电子数为：2、巴邢定律三、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压。2、气体种类和成份的影响；⑴当原子的电离能较低时，其着火电压低。⑵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。四、、辉辉光光放放电电的的发发光光⑴阴极极暗暗区区，产产生生大大量量的的碰碰撞撞电电离离，，雪雪崩崩放放电电集集中中在在这这个个区区域域发发生生。。⑵负辉辉区区，在阴阴极极暗暗区区电电离离产产生生的的大大量量电电子子进进入入这这一一区区域域，，电子子能能量量大大于于或或接接近近激激发发能能，，产产生生明明亮亮的的辉辉光光。。⑶正柱柱区区，任任何何位位置置电电子子密密度度和和正正离离子子密密度度相相等等，，表表现现为为均均匀匀的的光光柱柱或或明明暗暗相相间间的的层层状状光光柱柱。。五、气体放电电延迟从在电极间加加上一个大于于着火电压的的瞬时到气体体击穿所需的的时间称为气气体放电延迟迟或击穿时滞滞。总的气体放电电延迟由两部部分组成：⑴统计性时间间延迟ts⑵形成性时间间延迟tf气体放电延迟迟是关系到PDP单元放放电稳定性的的因素之一，，是进行PDP单元结构构和驱动波形形设计时必须须考虑的一个个问题。4.3交交流等离子体体显示板一、基本结构构显示电极（包包括透明电极极和汇流电极极）制作在前前基板上，寻寻址电极制作作在后基板上上并与显示电电极正交，一对显示电极极与一条寻址址电极的交叉叉区域就是一一个放电单元元，维持放电电在两组显示示电极间进行行。汇流电极三电极表面放放电型AC－－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层保护层发光区行电极列电极放电胞电压无论是哪种结结构的AC-PDP，在电极上均有有一介质层，该介质层使使气体放电产产生的空间电电荷存储在介介质壁上，这这些电荷称为为壁电荷，壁电荷的建立立可使AC-PDP工作作在存储模式式，并有利于于降低放电的的维持电压。。由于介质层材材料的抗离子子溅射性能较较差，因此为为延长显示器器的寿命，增增加工作电压压的稳定性，，降低器件的的着火电压，，在介质层上再再覆盖一层抗抗溅射和二次次电子发射系系数高的薄膜膜作为保护膜膜，通常为MgO膜。二、工作原理理以对向放电型型为例，AC-PDP的的驱动脉冲由由维持脉冲Vs、书写脉冲Vw和擦除脉冲Ve组成。AC-PDP在维持脉冲的的每个周期内内产生两次放放电发光。维持电压脉冲冲宽度通常5μs~10μs，幅幅度90V~100V，，主要工作频频率范围30KHz~50KHz，，因此光脉冲冲重复频率在在数万次以上上，人眼不会会感到闪烁。。4.4彩色色AC-PDP一、实施途径径彩色AC-PDP通常利利用稀有混合合气体放电产产生的VUV来激发三基基色光致荧光光粉发光。1、放电气体体要求：①着火电压低低；②辐射的真空空紫外光谱与与荧光粉的激激励光谱相匹匹配；③放电电本身发出的的可见光对荧荧光粉发光色色纯影响小；；④放电产生生的离子对介介质保护膜材材料溅射小；；⑤化学性能稳稳定。彩色AC-PDP必须须合理选择气气体配比。目目前，在量产产的彩色AC-PDP中中，通常充入入的放电气体体有Ne-Xe(4％～6％％)、He-Ne(20％～30％％)-Xe(4％)。2、三基色荧荧光粉要求：①在真空紫外外线的激发下下，发光效率率高；②色彩饱和度度高，色彩再再现区域大；；③余辉适宜；④热稳定性和和辐照稳定性性好；⑤有良好的真真空性能；⑥涂覆性能良良好：彩色AC-PDP通常选选用的荧光粉粉有：红粉：(Y，Gd)BO3:Eu3+；绿粉：BaAl12O19:Mn2+，Zn2SiO4:Mn2+；蓝粉：BaMgAl10O17:Eu2+，BaMgAl14O23:Eu2+。二、发光机理理彩色AC-PDP的发光光由两个基本本过程组成：：①气体放电过过程，即利用稀有有混合气体在在外加电压的的作用发射出出真空紫外线线(VUV)的过程；混合气体放电电过程：潘宁电离②荧光粉发光光过程，即利用气体体放电产生的的紫外线，激激发光致荧光光粉发射出可可见光的过程程。三、结构特点点彩色AC-PDP有对向向放电型和表表面放电型两两种。对向放放电型的三个个放电单元R、G、B成成三角形分布布，表面放电电型的放电单单元为直条沟沟状。彩色AC-PDP按荧光光粉的涂敷方方式分为透射射式和反射式式。四、多灰度级级显示的实现现方法彩色AC-PDP利用调调节维持脉冲冲个数的方法法来实现多灰灰度级显示。。以寻址与显示示分离的子场场驱动方法（（ADS）为为例：将某一种颜色色的电平信号号量化为n位数据，对显显示数据按位位进行显示。。发光脉冲个个数和该位的的权重相关联联，权重越大大，该显示期期的发光脉冲冲个数越多，，反之，则发发光脉冲个数数越少。各位显示的亮亮度也就不同同，一位的显显示时间称为为一个子场。。每个子场包括括准备期、寻寻址期和维持持显示期。以显示数据量量化为8位为为例，将一场场时间分为8个子场，其其维持期的时时间(即维持持脉冲个数)不同，例如如1－8子场场分别对应显显示从图像数数据的最低位位至最高位，，则8个子场的维维持期的时间间成1:2:4:8:16:32:64:128的关系。。每种颜色可显显示28级灰度，三基基色可显示224种颜色。若一个数据为为0000，，0000，，则所有子场场都不点亮，，显示为最暗暗的0级灰度度；当数据为为0000，，1001时时，只有第一一和第四子场场点亮，对应应灰度级为9的亮度。例：若彩色AC-PDP采用分子场场显示来实现现128级灰灰度，⑴显示数据如如何量化？⑵若采用ADS驱动法，，则各子场的的维持显示时时间比是多少少？⑶该彩色AC-PDP可可以实现多少少种颜色的彩彩色显示？⑷若某一像素素要实现85级灰度显示示，各子场显显示情况如何何？4.5彩彩色AC－PDP的制造造材料和工艺艺以富士通公司司开发的三电电极结构表面面放电型AC-PDP为为例，制造过过程总体上可可分为3部分分：前基板制造工工序、后基板板制造工序和和总装工序。。一、彩色AC-PDP的的主要部件及及其制作材科科1、前后基板板普遍使用的玻玻璃基板为采采用浮法工艺艺制作的平板板钠钙玻璃。。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采用复合式电电极结构，即即显示电极用用较宽的透明明电极和较细细的金属电极极构成。透明电极仍用用ITO薄膜膜。2、透明电极极常用的汇流电电极的材料有有薄膜Cr-Cu-Cr电极、厚膜膜Ag电极。。常用的寻址址电极材料为为厚膜Ag电电极。3、汇流电极极和寻址电极极汇流电极用来来增加电极的的导电性，要要求宽度在100μm以下。4、介质层用来保护电极极，为低熔点点玻璃。为低熔点破璃璃，作用：①保证两基板板间的放电间间隙，确保一一定的放电空空间；②防止相邻单单元间的放电电干扰。5、介质保护护膜MgO6、障壁另外还有荧光光粉层和放电电气体。要求二次电子子发射系数高高，电阻率高高，耐溅射。。作用是延长显显示器的寿命命，增加工作作电压的稳定定性，并且能能够降低器件件的着火电压压，减小放电电的时间延迟迟。要求：高度一一致(偏差在在±5μm），宽度窄，，热膨胀系数数应与基板玻玻璃相匹配。。二、前基板的的关键制造工工艺1、透明电极极的制作方法同液晶显显示屏的ITO膜制作，，先在基板上上溅射一层SiO2，然后溅射一一层ITO膜膜，再光刻出出电极。2、汇流电极极的制作可采用薄膜光光刻技术（Cr-Cu-Cr）和厚厚膜技术（Ag浆料）。厚膜技术有有两种方法：：⑵用厚膜光刻刻技术制作，，使用的材料料是光敏Ag浆料。⑴用丝网印刷刷法直接制作作出电极，再再经高温烧结结而成。最常常用的材料是是Ag浆料。。3、介质层的的制作，采用用丝网印刷法法。要求四条边的的厚度和宽度度均匀一致，，以保证密封封质量。采用用丝网印刷法法或喷涂法制制作。4、封接层的的制作5、MgO介介质保护膜的的制作利用电子束蒸蒸发的方法制制备。三、后基板的的关键制造工工艺采用丝网印刷刷法或厚膜光光刻技术制作作。1、寻址电极极的制作2、介质层的的制作高度一般在l00～200μm的范围，制作技术有丝丝网印刷法和和喷砂法。3、障壁的制制作采用丝网印刷刷法或厚膜光光刻法制作。。4、荧光粉层层的制作四、总装工艺艺在前、后基板板都制作好后后，进入总装装工序，该工工序包括前后后基板封接，，屏的排气、、充气，AC-PDP的的老练和电极极引出。五、彩色AC-PDP制制造技术的发发展状况1、PDP结结构的发展（1）waffle障壁壁和T型电极极结构（日本本先锋公司））（2）栅栏型型Cr-Cu-Cr电极极结构（美国国Plasmaco公司司）（3）弯曲障障壁结构（日本富士通通）（4）非对称称单元结构和和彩色滤光膜膜（松下和NEC）4.7彩色色AC-PDP电路系统统一、三电极表表面放电型彩彩色AC-PDP的工作作原理彩色AC-PDP要实现现图像的显示示，首先根据据显示数据选选择在要点亮的单单元中形成或或保留壁电荷荷到维持期，，使维持放电电得以进行，，积累了壁电荷荷的单元就会会发生维持放放电，实现图图像的显示。。称一个有壁电电荷(壁电压压与维持电压压的绝对值之之和大于着火火电压)的显显示单元处于于点亮状态，，否则称该单单元处于熄灭灭状态。三电极表面放放电型彩色AC-PDP的三个电极极分别为：维持电极（X电极）、扫扫描电极（Y电极）、寻寻址电极（A电极）。维持显示放电电发生在X电电极和Y电电极之间，寻寻址放电发生生在A电极和和Y电极之间间。使单元点亮可可使寻址电极极和扫描电极极间发生放电电，积累维持持放电所需的的壁电荷。使一个单元由由点亮到熄灭灭，即擦除单单元中的壁电电荷，有如下下方式：⑴加一个远大大于着火电压压Vf的电压脉冲，，使放电结束束后单元内的的壁电压还大大于着火电压压，壁电荷本本身形成的壁壁电压使单元元内发生放电电，在脉冲下下降后，使单单元中各电极极的外加电压压相同，由于于此时外电路路并不提供电电流，放电使使壁电荷基本本中和，单元元回到熄灭状状态；⑵是利利用A电极极和Y电极极放电电，在在单元元内积积累额额外的的壁电电荷，，使壁壁电荷荷的电电压超超过着着火电电压，，引起起单元元内放放电，，后面面的放放电进进行时时外电电路不不提供供电流流，则则壁电电荷因因该放放电而而被中中和。。⑶利用用窄脉脉冲(脉冲冲宽度度约1μs左右)的擦擦除作作用，，窄脉脉冲引引起放放电，，而且且要在在放电电未结结束时时使脉脉冲结结束，，放电电造成成壁电电荷中中和。。加上合合适的的电压压脉冲冲序列列，可可以实实现显显示单单元中中壁电电荷的的建立立、擦擦除以以及维维持显显示等等操作作。采采用不不同时时序的的电压压脉冲冲序列列就构构成了了不同同的驱驱动方方法。。（4））用缓缓慢上上升的的脉冲冲，使使单元元刚达达到着着火电电压时时，就就进行行一次次放电电，壁壁电荷荷被中中和掉掉一部部分，，电压压再上上升，，重复复以上上过程程，最最终接接除掉掉大多多数壁壁电荷荷。⑶维持期二、驱驱动方方法1、寻寻址与与显示示分离离的子子场驱驱动方方法（（ADS））⑴准备期⑵寻址期缺点：：显示示亮度度低。。以VGA显显示为为例，，工作作于场场频60Hz，，则场场周期期为16.7ms。。假设扫扫描一一行的的时间间为3μs，扫描描480行行所需需的时时间为为1.44ms，则在在一场场时间间16.7ms内，8个子子场扫扫描寻寻址所所用的的时间间为11.52ms，留给给维持持放电电显示示的时时间只只有5.15ms，维持持显示示时间间占一一场总总时间间的31％％。2、寻寻址并并显示示的驱驱动方方法（（AWD））寻址电电极分分为上上、下下两部部分，，两部部分同同时扫扫描寻寻址。。将一一个行行周期期H分分成8个长长度为为△(△＝3.7μs)的时时间段段，作作为每每一子子场的的寻址址期。。占空比比：3、表表面交交替发发光(ALIS)驱驱动法法⑴普通通驱动动方法法驱动动的PDP应用用于HDTV时时亮度度下降降的原原因：：①HDTV显示示像素素多，，放电电空间间减小小；②发光光面积积与像像素面面积之之比下下降，，开口口率下下降；；③像素素尺寸寸减小小，放放电产产生的的电荷荷向障障壁扩扩散，，造成成相当当程度度的能能量损损失；；④显示示时间间缩短短。彩色AC-PDP一一般使使用条条状障障壁结结构，，相邻邻显示示行之之间设设置了了非发发光区区域。。大量量电极极的存存在，，非发发光区区不能能设计计太宽宽，相相邻像像素间间会产产生放放电的的相互互干扰扰。基本思思路：：充分分利用用两行行之间间的非非发光光区域域。所有的的维持持电极极和扫扫描电电极等等间距距排列列，相相邻两两个维维持电电极和和扫描描电极极之间间的间间距作作为一一个显显示行行，扫描电电极分分成奇奇数行行和偶偶数行行分别别在两两场显显示，，奇数数场和和偶数数场交交替显显示，，构成成一帧帧图像像。⑵表面面交替替发光光(ALIS)驱动动法显示奇奇数行行时，，在电电极X1和和Y1之间间，X2和和Y2之间间施加维持持电压压Vs，使使其发发生维维持放放电，，同时时由于于Y1和X2电电极电电位相相等，，使偶偶数行行没有有维持持放电电发生生而不不显示示。显显示偶偶数行行的操操作与与奇数数行相相似，，只在在Yl和X2电电极之之间存存在维维持电电压，，进行行维持持放电电。以奇数数场显显示为为例分分析其其工作作原理理：从准备备期开开始，，通过过在X电极极施加加全屏屏写脉脉冲使使显示示屏上上的所所有单单元的的壁电电荷得得到擦擦除，，处于于一致致状态态。在寻址址期，，将寻寻址期期分为为前后后两部部分，，在奇奇场的的前半半部分分寻址址期，，寻址址显示示1、、5、、9……等行行，在在其后后半部部分寻寻址期期，寻寻址显显示3、7、11……等行行；在维持持放电电期，，只在在构成成奇数数显示示行的的电极极之间间施加加维持持电压压脉冲冲，使使之发发生维维持放放电；；偶数数显示示行上上电极极之间间电压压为0V，，不发发生放放电。。12345ALIS驱驱动方方法的的优点点：①可实实现高高清晰晰度和和高亮亮度的的显示示；②经济济性好好；③寿命命长；；一根扫扫描电电极就就可驱驱动两两个显显示行行，显显示电电极中中扫描描驱动动集成成电路路个数数和以以前的的相比比数量量减半半。一个像像素的的发光光时间间只有有以前前的1/2，因因此发发光时时间短短，寿寿命延延长。。4、CLEAR驱动动法属于擦擦除寻寻址的的驱动动方法法：先点点亮所所有显显示单单元，，在寻寻址期期根据据显示示数据据擦除除非点点亮单单元中中的壁壁电荷荷，使使其熄熄灭，，在维维持期期，那那些点点亮的的单元元会维维持发发光。。CLEAR驱动动用各个子子场的的维持持发光光的单单纯累累积来来显示示灰度度。在一场场中，，只有有在第第一子子场的的开头头有一一个准准备期期的发发光，，使全全屏所所有显显示单单元处处于点点亮状状态。。对于于一个个显示示单元元，一一场中中只有有一次次寻址址放电电。若单纯使使用CLEAR驱动方方法，可可显示的的灰度数数为“子子场数＋＋1”，，但灰度度级不够够。可使每场场中的各各个子场场的维持持脉冲数数发生变变化显示示更多的的灰度级级，例如1场场由m个个子场构构成，使使n场中中的维持持脉冲数数发生变变化时，，得到的的灰度数数为m×n+1。。三、驱动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ACPDP1、数据据存储与与控制电电路是彩色AC-PDP电电路中对对图像数数据进行行数字处处理，实实现分子子场显示示的主要要控制部部分。其主要功功能是将图像数数据按照照显示屏屏的结构构和ADS分子子场驱动动技术的的要求进进行转换换、存储储和处理理（按位位进行分分离、分分块存储储），向向驱动电电路传送送显示数数据，并并提供显显示所需需的一些些驱动集集成电路路的控制制信号（（扫描时时序信号号和驱动动时序信信号等））。2、高压压驱动电电路主要功能能是按一定的的逻辑控控制时序序，产生生驱动显显示屏的的高压驱驱动波形形。包括扫描描电极驱驱动脉冲冲产生电电路，维维持电极极驱动脉脉冲电路路，寻址址电极和和扫描电电极驱动动器等。。3、高压压集成块块⑴逻辑电电路，负负责控制制显示屏屏信号和和显示数数据；⑵高压驱驱动电路路，负责责将信号号电平移移位和对对显示屏屏施加发发光所需需的高压压脉冲。。4、能量量恢复电电路彩色AC-PDP显示示屏可看看作是一一个容性性负载。。在对电容容的充放放电过程程中电容容本身并并不消耗耗能量，，但对其其进行充充放电引引起的电电流将导导致在回回路电阻阻上消耗耗能量。。电容的的一个充充放电过过程中，，电路损损耗的总总能量为为CV2。当屏的总总电容为为C＝1μF，用幅值值为100V，，频率f为100kz的的脉冲驱驱动时，，回路中中电阻消消耗的功功率：应用能量量恢复电电路以减减小对屏屏电容的的充放电电过程中中在回路路电阻中中能量的的消耗。。①储能电电容Cs经S1、D1、L对对屏电容容Cp充充电；②电源V给屏电电容Cp充电并并使之维维持在电电压V；；③屏电容容Cp经经L、D2、S2对储储能电容容Cs充充电；④屏电容容Cp对对地放电电。Cs为储储能电容容，Cp为屏电电容。电电路的工工作过程程包括：：使用能量量恢复电电路后的的能量恢恢复率可可达80%。4、8显显示示动态图图像时的的干扰及及解决决措施一、显示示动态图图像时的的干扰及及其形成成机理人们在观观看运动动的物体体时，观观察者的的视点会会跟随运运动物体体一起移移动，由由于人眼眼的视觉觉暂留效效应，观观察者看看到在图图像的某某些地方方，尤其其是明暗暗变换比比较明显显的边缘缘地带出出现了亮亮的或暗暗的虚影影，即动动态假轮轮廓现象象。彩色AC-PDP在显显示运动动图像时时会出现现干扰现现象，CRT则则不会。。将两者者进行比比较：以显示灰灰度127和128为为例分析析产生干干扰的原原因：1、CRT显示示动态画画面2、AC-PDP显示示动态画画面Ⅳ像素在在灰度转转变时，，在1.5－2.5F之间整整整一场场时间内内完全不不发光，，发光不不均匀造造成灰度度等级的的紊乱。。从发光光在人眼眼视网膜膜上的分分布可看看出，在在128和127两个个灰度等等级边界界之间出出现了明明显的暗暗区，