光电显示技术第4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：01(1)dadnene放电稳定后到达阳极的电子数为：1(1)0de2、巴邢定律min12.72ln(1)fBVAmin11()2.72ln(1)pdA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、辉光放电的发光⑴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。⑵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。⑶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。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：⑴统计性时间延迟ts⑵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。4.3交流等离子体显示板一、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－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行电极列电极放电胞电压无论是哪种结构的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薄膜作为保护膜，通常为MgO膜。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5μs~10μs，幅度90V~100V，主要工作频率范围30KHz~50KHz，因此光脉冲重复频率在数万次以上，人眼不会感到闪烁。4.4彩色AC-PDP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：①着火电压低；②辐射的真空紫外光谱与荧光粉的激励光谱相匹配；③放电本身发出的可见光对荧光粉发光色纯影响小；④放电产生的离子对介质保护膜材料溅射小；⑤化学性能稳定。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(20％～30％)-Xe(4％)。2、三基色荧光粉要求：①在真空紫外线的激发下，发光效率高；②色彩饱和度高，色彩再现区域大；③余辉适宜；④热稳定性和辐照稳定性好；⑤有良好的真空性能；⑥涂覆性能良好：彩色AC-PDP通常选用的荧光粉有：红粉：(Y，Gd)BO3:Eu3+；绿粉：BaAl12O19:Mn2+，Zn2SiO4:Mn2+；蓝粉：BaMgAl10O17:Eu2+，BaMgAl14O23:Eu2+。二、发光机理彩色AC-PDP的发光由两个基本过程组成：①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；*14()(147)XeSXehnmmNeXeNeXee**eXeXeh混合气体放电过程：潘宁电离②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。三、结构特点彩色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。彩色AC-PDP按荧光粉的涂敷方式分为透射式和反射式。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。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1－8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。例：若彩色AC-PDP采用分子场显示来实现128级灰度，⑴显示数据如何量化？⑵若采用ADS驱动法，则各子场的维持显示时间比是多少？⑶该彩色AC-PDP可以实现多少种颜色的彩色显示？⑷若某一像素要实现85级灰度显示，各子场显示情况如何？4.5彩色AC－PDP的制造材料和工艺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100μm以下。4、介质层用来保护电极，为低熔点玻璃。为低熔点破璃，作用：①保证两基板间的放电间隙，确保一定的放电空间；②防止相邻单元间的放电干扰。5、介质保护膜MgO6、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±5μm），宽度窄，热膨胀系数应与基板玻璃相匹配。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）。厚膜技术有两种方法：⑵用厚膜光刻技术制作，使用的材料是光敏Ag浆料。⑴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。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。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l00～200μm的范围，制作技术有丝网印刷法和喷砂法。3、障壁的制作采用丝网印刷法或厚膜光刻法制作。4、荧光粉层的制作四、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。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）（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）（4）非对称单元结构和彩色滤光膜（松下和NEC）4.7彩色AC-PDP电路系统一、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。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。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：⑴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，放电使壁电荷基本中和，单元回到熄灭状态；⑵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