光電顯示技術(shù)第4章等離子體顯示器

1、 概 述 氣體放電的物理基礎(chǔ) 交流等離子體顯示板 彩色AC-PDP 彩色AC-PDP的制造材料和工藝 彩色AC-PDP制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 彩色AC-PDP電路系統(tǒng) 顯示動態(tài)圖像時的干擾及解決措施 直流等離子體顯示板 PDP的應(yīng)用指所有利用氣體放電而發(fā)光的平板顯示器件的總稱。它屬于冷陰極放電管，利用加在陰極和陽極間一定的電壓，使氣體產(chǎn)生輝光放電。一、PDP的定義與分類按工作方式的不同主要分為直流型(DC-PDP)和交流型(AC-PDP)兩大類。AC-PDP根據(jù)電極結(jié)構(gòu)的不同，分為對向放電型和表面放電型兩種。二、PDP的發(fā)展史1、DCPDP的發(fā)展史20世紀(jì)50年代初，Burroughs公司開發(fā)出一

2、種用于數(shù)碼顯示的直流氣體放電管；1954年， Burroughs公司研制出直流矩陣結(jié)構(gòu)PDP顯示板；1972年， Burroughs研制出具有自掃描功能的DCPDP板；1978年，G.E.Holz提出脈沖存儲技術(shù)，使得DCPDP可工作于存儲模式。2、ACPDP的發(fā)展史1964年，美國Illinois大學(xué)的Bitzer和Slottow發(fā)明了單色AC- PDP；1967 年，Illinois大學(xué)開發(fā)出對向放電型AC-PDP；1976，G.W.Dick和M.R.Biazzo提出單一基板面放電結(jié)構(gòu)；1990年，富士通提出尋址與顯示分離ADS驅(qū)動方法；1984年，G.W.Dick、內(nèi)池等提出了三電極表面

3、放電反射型AC-PDP；90年代后期，日本提出了邊尋址邊顯示AWD驅(qū)動方法，富士通公司提出表面交替發(fā)光ALIS驅(qū)動方法，新的驅(qū)動方法層出不窮。三、PDP的特點易于實現(xiàn)薄型大屏幕顯示；具有高速響應(yīng)特性；可實現(xiàn)全彩色顯示；視角寬，可達1600；伏安特性非線性強，具有很陡的閾值特性；具有存儲功能；長壽命。無圖像畸變，不受磁場干擾；應(yīng)用的環(huán)境范圍寬；工作于全數(shù)字化模式；一、氣體放電的伏安特性由于弧光放電產(chǎn)生的大電流容易燒毀顯示器，而且在其輻射光譜中，常含有陰極材料蒸氣的光譜，因而PDP總是選擇工作在正常輝光和反常輝光放電區(qū)。為此，必須在PDP放電回路中串聯(lián)電阻、電感、電容來確定放電工作點。DC-PDP

4、通常串聯(lián)薄膜電阻來限制電流，而ACPDP放電單元電極上涂覆的介質(zhì)層也起到了限制電流的阻抗作用。二、氣體的擊穿和巴邢定律1、氣體的擊穿（由非自持放電轉(zhuǎn)變?yōu)樽猿址烹姷倪^程）陰極表面發(fā)射的電子在電場作用下運動，與氣體原子發(fā)生碰撞電離，電子在空間雪崩。湯生第一電離系數(shù)系數(shù)。新產(chǎn)生的離子打上陰極又引起新的二次電子發(fā)射，從而使陰極發(fā)射增強，使氣體導(dǎo)電率不斷增加。湯生第三電離系數(shù)系數(shù)。自持放電的條件：01(1)dadn ene放電穩(wěn)定后到達陽極的電子數(shù)為：1(1)0de2、巴邢定律min12.72ln(1)fBVAmin11()2.72ln(1)pdA三、影響氣體放電著火電壓的因素1、pd值的影響；PDP中

5、充入氣體的壓強和電極間隙決定著火電壓。2、氣體種類和成份的影響；當(dāng)原子的電離能較低時，其著火電壓低。在基本氣體中混入微量雜質(zhì)氣體時，若兩種氣體間滿足潘寧電離條件，著火電壓下降。如在Ne氣中混入Ar氣或Xe氣，可使著火電壓下降。3、陰極材料和表面狀況的影響；4、電場分布的影響；5、輔助電離源的影響。四、輝光放電的發(fā)光陰極暗區(qū)，產(chǎn)生大量的碰撞電離，雪崩放電集中在這個區(qū)域發(fā)生。負輝區(qū)，在陰極暗區(qū)電離產(chǎn)生的大量電子進入這一區(qū)域，電子能量大于或接近激發(fā)能，產(chǎn)生明亮的輝光。正柱區(qū)，任何位置電子密度和正離子密度相等，表現(xiàn)為均勻的光柱或明暗相間的層狀光柱。五、氣體放電延遲從在電極間加上一個大于著火電壓的瞬時到

6、氣體擊穿所需的時間稱為氣體放電延遲或擊穿時滯。總的氣體放電延遲由兩部分組成：統(tǒng)計性時間延遲ts形成性時間延遲tf氣體放電延遲是關(guān)系到PDP單元放電穩(wěn)定性的因素之一，是進行PDP單元結(jié)構(gòu)和驅(qū)動波形設(shè)計時必須考慮的一個問題。一、基本結(jié)構(gòu)顯示電極（包括透明電極和匯流電極）制作在前基板上，尋址電極制作在后基板上并與顯示電極正交，一對顯示電極與一條尋址電極的交叉區(qū)域就是一個放電單元，維持放電在兩組顯示電極間進行。匯流電極三電極表面放電型ACPDP壁障(隔斷)熒光粉選址電極后玻璃基板紫外線介質(zhì)層透明電極放電區(qū)前玻璃基板透明介電質(zhì)層保護層發(fā)光區(qū) 行電極列電極放 電胞電壓無論是哪種結(jié)構(gòu)的AC-PDP，在電極上

7、均有一介質(zhì)層，該介質(zhì)層使氣體放電產(chǎn)生的空間電荷存儲在介質(zhì)壁上，這些電荷稱為壁電荷，壁電荷的建立可使AC-PDP工作在存儲模式，并有利于降低放電的維持電壓。由于介質(zhì)層材料的抗離子濺射性能較差，因此為延長顯示器的壽命，增加工作電壓的穩(wěn)定性，降低器件的著火電壓，在介質(zhì)層上再覆蓋一層抗濺射和二次電子發(fā)射系數(shù)高的薄膜作為保護膜，通常為MgO膜。二、工作原理以對向放電型為例，AC-PDP的驅(qū)動脈沖由維持脈沖Vs、書寫脈沖Vw和擦除脈沖Ve組成。AC-PDP在維持脈沖的每個周期內(nèi)產(chǎn)生兩次放電發(fā)光。維持電壓脈沖寬度通常5s 10s，幅度90V100V，主要工作頻率范圍30KHz50KHz，因此光脈沖重復(fù)頻率在

8、數(shù)萬次以上，人眼不會感到閃爍。 一、實施途徑彩色AC-PDP通常利用稀有混合氣體放電產(chǎn)生的VUV來激發(fā)三基色光致熒光粉發(fā)光。1、放電氣體要求：著火電壓低；輻射的真空紫外光譜與熒光粉的激勵光譜相匹配；放電本身發(fā)出的可見光對熒光粉發(fā)光色純影響?。环烹姰a(chǎn)生的離子對介質(zhì)保護膜材料濺射小；化學(xué)性能穩(wěn)定。彩色AC-PDP 必須合理選擇氣體配比。目前，在量產(chǎn)的彩色AC-PDP中，通常充入的放電氣體有Ne-Xe(46)、He-Ne(2030)-Xe(4)。 2、三基色熒光粉要求：在真空紫外線的激發(fā)下，發(fā)光效率高；色彩飽和度高，色彩再現(xiàn)區(qū)域大；余輝適宜；熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性好；有良好的真空性能；涂覆性能良好：彩

9、色AC-PDP通常選用的熒光粉有：紅粉：(Y，Gd)BO3:Eu3+；綠粉：BaAl12O19:Mn2+，Zn2SiO4:Mn2+；藍粉：BaMgAl10O17:Eu2+，BaMgAl14O23:Eu2+。二、發(fā)光機理 彩色AC-PDP的發(fā)光由兩個基本過程組成： 氣體放電過程，即利用稀有混合氣體在外加電壓的作用發(fā)射出真空紫外線(VUV)的過程；*14()(147)XeSXehnmmNeXeNeXee*eXeXeh混合氣體放電過程：潘寧電離熒光粉發(fā)光過程，即利用氣體放電產(chǎn)生的紫外線，激發(fā)光致熒光粉發(fā)射出可見光的過程。三、結(jié)構(gòu)特點彩色AC-PDP有對向放電型和表面放電型兩種。對向放電型的三個放電單

10、元R、G、B成三角形分布，表面放電型的放電單元為直條溝狀。彩色AC-PDP按熒光粉的涂敷方式分為透射式和反射式。四、多灰度級顯示的實現(xiàn)方法彩色AC-PDP利用調(diào)節(jié)維持脈沖個數(shù)的方法來實現(xiàn)多灰度級顯示。以尋址與顯示分離的子場驅(qū)動方法（ADS）為例：將某一種顏色的電平信號量化為n位數(shù)據(jù)，對顯示數(shù)據(jù)按位進行顯示。發(fā)光脈沖個數(shù)和該位的權(quán)重相關(guān)聯(lián)，權(quán)重越大，該顯示期的發(fā)光脈沖個數(shù)越多，反之，則發(fā)光脈沖個數(shù)越少。各位顯示的亮度也就不同，一位的顯示時間稱為一個子場。每個子場包括準(zhǔn)備期、尋址期和維持顯示期。以顯示數(shù)據(jù)量化為8位為例，將一場時間分為8個子場，其維持期的時間(即維持脈沖個數(shù))不同，例如18子場分別

11、對應(yīng)顯示從圖像數(shù)據(jù)的最低位至最高位，則8個子場的維持期的時間成1:2:4:8:16:32:64:128的關(guān)系。每種顏色可顯示28級灰度，三基色可顯示224種顏色。若一個數(shù)據(jù)為0000，0000，則所有子場都不點亮，顯示為最暗的0級灰度；當(dāng)數(shù)據(jù)為0000，1001時，只有第一和第四子場點亮，對應(yīng)灰度級為9的亮度。例：若彩色AC-PDP采用分子場顯示來實現(xiàn)128級灰度，顯示數(shù)據(jù)如何量化？若采用ADS驅(qū)動法，則各子場的維持顯示時間比是多少？該彩色AC-PDP可以實現(xiàn)多少種顏色的彩色顯示？若某一像素要實現(xiàn)85級灰度顯示，各子場顯示情況如何？以富士通公司開發(fā)的三電極結(jié)構(gòu)表面放電型AC-PDP為例，制造過

12、程總體上可分為3部分：前基板制造工序、后基板制造工序和總裝工序。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為采用浮法工藝制作的平板鈉鈣玻璃。障壁 (隔斷)透明介電質(zhì)層保護層透明電極放電氣體前玻璃基板熒光粉選址電極后玻璃基板匯流電極介質(zhì)層采用復(fù)合式電極結(jié)構(gòu)，即顯示電極用較寬的透明電極和較細的金屬電極構(gòu)成。透明電極仍用ITO薄膜。2、透明電極常用的匯流電極的材料有薄膜Cr-Cu-Cr電極、厚膜Ag電極。常用的尋址電極材料為厚膜Ag電極。 3、匯流電極和尋址電極匯流電極用來增加電極的導(dǎo)電性，要求寬度在100m以下。4、介質(zhì)層用來保護電極，為低熔點玻璃。為低熔點破璃，作用

13、：保證兩基板間的放電間隙，確保一定的放電空間；防止相鄰單元間的放電干擾。5、介質(zhì)保護膜MgO 6、障壁另外還有熒光粉層和放電氣體。要求二次電子發(fā)射系數(shù)高，電阻率高，耐濺射。作用是延長顯示器的壽命，增加工作電壓的穩(wěn)定性，并且能夠降低器件的著火電壓，減小放電的時間延遲。要求：高度一致(偏差在5m），寬度窄，熱膨脹系數(shù)應(yīng)與基板玻璃相匹配。二、前基板的關(guān)鍵制造工藝1、透明電極的制作方法同液晶顯示屏的ITO膜制作，先在基板上濺射一層SiO2，然后濺射一層ITO膜，再光刻出電極。2、匯流電極的制作可采用薄膜光刻技術(shù)（Cr-Cu-Cr）和厚膜技術(shù)（Ag漿料）。厚膜技術(shù)有兩種方法：用厚膜光刻技術(shù)制作，使用的材

14、料是光敏Ag漿料。用絲網(wǎng)印刷法直接制作出電極，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。最常用的材料是Ag漿料。3、介質(zhì)層的制作，采用絲網(wǎng)印刷法。要求四條邊的厚度和寬度均勻一致，以保證密封質(zhì)量。采用絲網(wǎng)印刷法或噴涂法制作。4、封接層的制作5、MgO介質(zhì)保護膜的制作利用電子束蒸發(fā)的方法制備。三、后基板的關(guān)鍵制造工藝采用絲網(wǎng)印刷法或厚膜光刻技術(shù)制作。1、尋址電極的制作2、介質(zhì)層的制作高度一般在l00200m的范圍，制作技術(shù)有絲網(wǎng)印刷法和噴砂法。3、障壁的制作采用絲網(wǎng)印刷法或厚膜光刻法制作。4、熒光粉層的制作四、總裝工藝在前、后基板都制作好后，進入總裝工序，該工序包括前后基板封接，屏的排氣、充氣，AC-PDP的老練和電極引

15、出。五、彩色AC-PDP制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r1、PDP結(jié)構(gòu)的發(fā)展（1）waffle障壁和T型電極結(jié)構(gòu)（日本先鋒公司）（2）柵欄型Cr-Cu-Cr電極結(jié)構(gòu)（美國Plasmaco公司）（3）彎曲障壁結(jié)構(gòu)（日本富士通）（4）非對稱單元結(jié)構(gòu)和彩色濾光膜（松下和NEC）一、三電極表面放電型彩色AC-PDP的工作原理彩色AC-PDP要實現(xiàn)圖像的顯示，首先根據(jù)顯示數(shù)據(jù)選擇在要點亮的單元中形成或保留壁電荷到維持期，使維持放電得以進行，積累了壁電荷的單元就會發(fā)生維持放電，實現(xiàn)圖像的顯示。稱一個有壁電荷(壁電壓與維持電壓的絕對值之和大于著火電壓)的顯示單元處于點亮狀態(tài)，否則稱該單元處于熄滅狀態(tài)。三電極表面放電型彩色

16、AC-PDP的三個電極分別為：維持電極（X電極）、掃描電極（Y電極）、尋址電極（A電極）。維持顯示放電發(fā)生在X電極和 Y電極之間，尋址放電發(fā)生在A電極和Y電極之間。使單元點亮可使尋址電極和掃描電極間發(fā)生放電，積累維持放電所需的壁電荷。使一個單元由點亮到熄滅，即擦除單元中的壁電荷，有如下方式：加一個遠大于著火電壓Vf的電壓脈沖，使放電結(jié)束后單元內(nèi)的壁電壓還大于著火電壓，壁電荷本身形成的壁電壓使單元內(nèi)發(fā)生放電，在脈沖下降后，使單元中各電極的外加電壓相同，由于此時外電路并不提供電流，放電使壁電荷基本中和，單元回到熄滅狀態(tài)；是利用A電極和Y電極放電，在單元內(nèi)積累額外的壁電荷，使壁電荷的電壓超過著火電壓

17、，引起單元內(nèi)放電，后面的放電進行時外電路不提供電流，則壁電荷因該放電而被中和。利用窄脈沖(脈沖寬度約1s左右)的擦除作用，窄脈沖引起放電，而且要在放電未結(jié)束時使脈沖結(jié)束，放電造成壁電荷中和。加上合適的電壓脈沖序列，可以實現(xiàn)顯示單元中壁電荷的建立、擦除以及維持顯示等操作。采用不同時序的電壓脈沖序列就構(gòu)成了不同的驅(qū)動方法。（4）用緩慢上升的脈沖，使單元剛達到著火電壓時，就進行一次放電，壁電荷被中和掉一部分，電壓再上升，重復(fù)以上過程，最終接除掉大多數(shù)壁電荷。維持期二、驅(qū)動方法 1、尋址與顯示分離的子場驅(qū)動方法（ADS）準(zhǔn)備期尋址期minminsxyfxyVVVVmaxayfayVVV缺點：顯示亮度低

18、。以VGA顯示為例，工作于場頻60Hz，則場周期為16.7ms。假設(shè)掃描一行的時間為3s，掃描480行所需的時間為1.44ms，則在一場時間16.7ms內(nèi)，8個子場掃描尋址所用的時間為11.52ms，留給維持放電顯示的時間只有5.15ms，維持顯示時間占一場總時間的31。2、尋址并顯示的驅(qū)動方法（AWD）尋址電極分為上、下兩部分，兩部分同時掃描尋址。將一個行周期H分成8個長度為 ( 3.7s)的時間段，作為每一子場的尋址期。占空比：5004893.4%500HHHH 3、表面交替發(fā)光(ALIS)驅(qū)動法普通驅(qū)動方法驅(qū)動的PDP應(yīng)用于HDTV時亮度下降的原因：HDTV顯示像素多，放電空間減??；發(fā)光

19、面積與像素面積之比下降，開口率下降；像素尺寸減小，放電產(chǎn)生的電荷向障壁擴散，造成相當(dāng)程度的能量損失；顯示時間縮短。彩色AC-PDP一般使用條狀障壁結(jié)構(gòu)，相鄰顯示行之間設(shè)置了非發(fā)光區(qū)域。大量電極的存在，非發(fā)光區(qū)不能設(shè)計太寬，相鄰像素間會產(chǎn)生放電的相互干擾?；舅悸罚撼浞掷脙尚兄g的非發(fā)光區(qū)域。所有的維持電極和掃描電極等間距排列，相鄰兩個維持電極和掃描電極之間的間距作為一個顯示行，掃描電極分成奇數(shù)行和偶數(shù)行分別在兩場顯示，奇數(shù)場和偶數(shù)場交替顯示，構(gòu)成一幀圖像。表面交替發(fā)光(ALIS)驅(qū)動法顯示奇數(shù)行時，在電極X1和Y1之間，X2和Y2之間施加維持電壓Vs，使其發(fā)生維持放電，同時由于Y1和X2電極

20、電位相等，使偶數(shù)行沒有維持放電發(fā)生而不顯示。顯示偶數(shù)行的操作與奇數(shù)行相似，只在Yl和X2電極之間存在維持電壓，進行維持放電。以奇數(shù)場顯示為例分析其工作原理：從準(zhǔn)備期開始，通過在X電極施加全屏寫脈沖使顯示屏上的所有單元的壁電荷得到擦除，處于一致狀態(tài)。在尋址期，將尋址期分為前后兩部分，在奇場的前半部分尋址期，尋址顯示1、5、9等行，在其后半部分尋址期，尋址顯示3、7、11等行；在維持放電期，只在構(gòu)成奇數(shù)顯示行的電極之間施加維持電壓脈沖，使之發(fā)生維持放電；偶數(shù)顯示行上電極之間電壓為0V，不發(fā)生放電。12345ALIS驅(qū)動方法的優(yōu)點： 可實現(xiàn)高清晰度和高亮度的顯示；經(jīng)濟性好；壽命長；一根掃描電極就可驅(qū)

21、動兩個顯示行，顯示電極中掃描驅(qū)動集成電路個數(shù)和以前的相比數(shù)量減半。一個像素的發(fā)光時間只有以前的1/2，因此發(fā)光時間短，壽命延長。 4、CLEAR驅(qū)動法屬于擦除尋址的驅(qū)動方法：先點亮所有顯示單元，在尋址期根據(jù)顯示數(shù)據(jù)擦除非點亮單元中的壁電荷，使其熄滅，在維持期，那些點亮的單元會維持發(fā)光。CLEAR驅(qū)動用各個子場的維持發(fā)光的單純累積來顯示灰度。在一場中，只有在第一子場的開頭有一個準(zhǔn)備期的發(fā)光，使全屏所有顯示單元處于點亮狀態(tài)。對于一個顯示單元，一場中只有一次尋址放電。若單純使用CLEAR驅(qū)動方法，可顯示的灰度數(shù)為“子場數(shù)1”，但灰度級不夠?？墒姑繄鲋械母鱾€子場的維持脈沖數(shù)發(fā)生變化顯示更多的灰度級，例

22、如1場由m個子場構(gòu)成，使n場中的維持脈沖數(shù)發(fā)生變化時，得到的灰度數(shù)為mn+1。三、驅(qū)動電路場同步行同步數(shù)據(jù)時鐘數(shù)據(jù)存儲與控制電路顯示數(shù)據(jù)掃描時序控制信號驅(qū)動時序控制信號顯示數(shù)據(jù)緩沖尋址電極驅(qū)動器維持脈沖產(chǎn)生電路掃描脈沖產(chǎn)生電路掃描電極驅(qū)動器開關(guān)電源DC/DC轉(zhuǎn)換電路ACPDP 1、數(shù)據(jù)存儲與控制電路是彩色AC-PDP電路中對圖像數(shù)據(jù)進行數(shù)字處理，實現(xiàn)分子場顯示的主要控制部分。其主要功能是將圖像數(shù)據(jù)按照顯示屏的結(jié)構(gòu)和ADS分子場驅(qū)動技術(shù)的要求進行轉(zhuǎn)換、存儲和處理（按位進行分離、分塊存儲），向驅(qū)動電路傳送顯示數(shù)據(jù)，并提供顯示所需的一些驅(qū)動集成電路的控制信號（掃描時序信號和驅(qū)動時序信號等 ）。2、高

23、壓驅(qū)動電路主要功能是按一定的邏輯控制時序，產(chǎn)生驅(qū)動顯示屏的高壓驅(qū)動波形。包括掃描電極驅(qū)動脈沖產(chǎn)生電路，維持電極驅(qū)動脈沖電路，尋址電極和掃描電極驅(qū)動器等。3、高壓集成塊邏輯電路，負責(zé)控制顯示屏信號和顯示數(shù)據(jù)；高壓驅(qū)動電路，負責(zé)將信號電平移位和對顯示屏施加發(fā)光所需的高壓脈沖。4、能量恢復(fù)電路彩色AC-PDP顯示屏可看作是一個容性負載。在對電容的充放電過程中電容本身并不消耗能量，但對其進行充放電引起的電流將導(dǎo)致在回路電阻上消耗能量。電容的一個充放電過程中，電路損耗的總能量為CV2。當(dāng)屏的總電容為C1F，用幅值為100V，頻率f為100kz的脈沖驅(qū)動時，回路中電阻消耗的功率：21 WWfCVk應(yīng)用能量恢復(fù)電路以減小對屏電容的充放電過程中在回路電阻中能量的消耗。儲能電容Cs經(jīng)S1、D1、L對屏電容Cp充電；電源V給屏電容Cp充電并使之維持在電壓V；屏電容Cp經(jīng)L、D2、S2對儲能電容Cs充電；屏電容Cp對地放電。Cs為儲能電容，Cp為屏電容。電路的工作過程包括：使用能量恢復(fù)電路后的能量恢復(fù)率可達80%。一、顯示動態(tài)圖像時的干擾及其形成機理人們在觀看運動的物體時，觀察者的視點會跟隨運動物體一起移動，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，觀察者看到在圖像的某些地方，尤其是明暗變換比較明顯的邊緣地帶出現(xiàn)了亮的或暗的虛影，即動態(tài)假輪廓現(xiàn)象。彩色AC-PDP在顯示運動圖像時會出現(xiàn)干擾現(xiàn)象，CRT則不會。將