(東南大學)等離子體顯示-電子書

1、等離子體平板顯示東南大學一、等離子體物理 1901年12月12日，發(fā)生了一件使當時的科學家們?yōu)橹惑@的“怪事”。在加拿大的紐芬蘭收到了英國人馬克尼從英國康沃爾發(fā)出的電訊號。人們在當時怎么也弄不明白，一向以直線傳播的無線電波怎么會橫越3400公里的大西洋，繞過彎曲的地球表面?zhèn)鞯郊~芬蘭呢？原來這是等離子體在作怪。 等離子體又被稱為物質(zhì)的第四態(tài)，它是由電子和正離子組成的一種物質(zhì)的聚集態(tài)。眾所周知，物質(zhì)的聚集態(tài)隨著物質(zhì)溫度的升高會發(fā)生由固態(tài)到液態(tài)最后到氣態(tài)的變化。然而，這只是常溫狀態(tài)下的情況，如果溫度升高，達到幾萬度甚至幾十萬度，則分子和原子之間已難以相互束縛，原子中的電子也會擺脫核的束縛而成為自由電

2、子，這樣原來的氣體就變成了一團由電子和核離子組成的混合物。這種混合物就稱為等離子體。等離子體是一種全新的物質(zhì)的狀態(tài)，它與氣體有本質(zhì)的區(qū)別。 等離子體的存在使本節(jié)開頭的問題得到解決。英國的物理學家海維賽德和美國電氣工程師肯涅利在等離子體概念確立之前就設(shè)想大氣層的高處有一個帶電粒子層（等離子層），無線電波向四面八方傳播時，有一部分向地面上空傳播，這部分電磁波遇到了高空中的帶電粒子層就反射回來傳到遠處。30年代英國物理學家阿普頓（E.V.Appleton）用實驗證實了高空中電離層的存在，因而他獲得了1947年度的諾貝爾物理學獎。 等離子體有下述特征： 1等離子體是一種由帶電粒子構(gòu)成的物質(zhì)的聚集態(tài)，這

3、許多粒子的集體對外界物質(zhì)進行作用。如前所述，是電離層對電磁波進行反射，而不是單一的粒子對電磁波的散射。這種效應就是由于諸帶電粒子之間的庫侖作用而導致的“協(xié)作效應”。而對一般的氣體而言，諸分子之間的相互作用只是近程的相互作用（如碰撞），所以一般的氣體無協(xié)作效應。 2等離子體基本上是電中性的，因為它是在星電中性的氣體的基礎(chǔ)上形成的。 3離子體具有很高的溫度。一般說來，即使溫度在 1 萬左右，物質(zhì)中等離子體所占的比例約為1%。因此，在我們生存的空間，等離子體現(xiàn)象很少見。然而宇宙中大量的物質(zhì)均以等離子體的形式存在，等離子體約占宇宙物質(zhì)的99，甚至更多，這是因為宇宙中大部分物質(zhì)都集中在恒星內(nèi)，而恒星的溫

4、度都比較高，如太陽中心的溫度高達1千萬，那里的物質(zhì)顯然都以等離子體的形式存在。 離子體物理是研究等離子體的性質(zhì)及其和外界相互作用的學科。 等離子體顯示技術(shù)介紹 等離子體顯示器又稱電漿顯示器，是繼CRT(陰極射線管)、LCD（液晶顯示器）后的最新一代顯示器，其特點是厚度極薄，分辨率佳?？梢援敿抑械谋趻祀娨暿褂?，占用極少的空間，代表了未來顯示器的發(fā)展趨勢。 等離子體顯示技術(shù)之所以令人激動，主要出于以下兩個原因：可以制造出超大尺寸的平面顯示器（50英寸甚至更大）；與陰極射線管顯示器不同，它沒有彎曲的視覺表面，從而使視角擴大到了160度以上。另外，等離子體顯示器的分辨率等于甚至超過傳統(tǒng)的顯示器，所顯示

5、圖像的色彩也更亮麗，更鮮艷。等離子體顯示技術(shù)（Plasma Display)的基本原理是這樣的：顯示屏上排列有上千個密封的小低壓氣體室（一般都是氙氣和氖氣的混合物），電流激發(fā)氣體，使其發(fā)出肉眼看不見的紫外光，這種紫外光碰擊后面玻璃上的紅、綠、藍三色熒光體，它們再發(fā)出我們在顯示器上所看到的可見光。換句話說，利用惰性氣體（Ne、He、Xe等）放電時所產(chǎn)生的紫外光來激發(fā)彩色熒光粉發(fā)光，然后將這種光轉(zhuǎn)換成人眼可見的光。等離子顯示器采用等離子管作為發(fā)光元器件，大量的等離子管排列在一起構(gòu)成屏幕，每個等離子對應的每個小室內(nèi)都充有氖氙氣體。在等離子管電極間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體會產(chǎn)

6、生紫外光激發(fā)平板顯示屏上的紅、綠、藍三原色熒光粉發(fā)出可見光。每個等離子管作為一個像素，由這些像素的明暗和顏色變化組合使之產(chǎn)生各種灰度和彩色的圖像，與顯像管發(fā)光很相似。 從工作原理上講，等離子體技術(shù)同其它顯示方式相比存在明顯的差別，在結(jié)構(gòu)和組成方面領(lǐng)先一步。其工作原理類似普通日光燈和電視彩色圖像，由各個獨立的熒光粉像素發(fā)光組合而成，因此圖像鮮艷、明亮、干凈而清晰。另外，等離子體顯示設(shè)備最突出的特點是可做到超薄，可輕易做到40英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到100毫米（實際上這也是它的一個弱點：即不能做得較小。目前成品最小只有42英寸，只能面向大屏幕需求的用戶，和家庭影院等方面）。， 依據(jù)電流

7、工作方式的不同，等離子體顯示器可以分為直流型（DC）和交流型（AC）兩種，而目前研究的多以交流型為主，并可依照電極的安排區(qū)分為二電極對向放電（Column Discharge）和三電極表面放電（Surface Discharge）兩種結(jié)構(gòu)。 等離子體顯示器具有體積小、重量輕、無X射線輻射的特點，由于各個發(fā)光單元的結(jié)構(gòu)完全相同，因此不會出現(xiàn)CRT顯像管常見的圖像幾何畸變。等離子體顯示器屏幕亮度非常均勻，沒有亮區(qū)和暗區(qū)，不像顯像管的亮度-屏幕中心比四周亮度要高一些，而且，等離子體顯示器不會受磁場的影響，具有更好的環(huán)境適應能力。 等離子體顯示器屏幕也不存在聚焦的問題，因此，完全消除了CRT顯像管某些

8、區(qū)域聚焦不良或使用時間過長開始散焦的毛??；不會產(chǎn)生CRT顯像管的色彩漂移現(xiàn)象，而表面平直也使大屏幕邊角處的失真和色純度變化得到徹底改善。同時，其高亮度、大視角、全彩色和高對比度，意味著等離子體顯示器圖像更加清晰，色彩更加鮮艷，感受更加舒適，效果更加理想，令傳統(tǒng)顯示設(shè)備自愧不如.dsn)GC與LCD液晶顯示器相比，等離子體顯示器有亮度高、色彩還原性好、灰度豐富、對快速變化的畫面響應速度快等優(yōu)點。由于屏幕亮度很高,因此可以在明亮的環(huán)境下使用。另外，等離子體顯示器視野開闊，視角寬廣（160度），能提供格外亮麗、均勻平滑的畫面和前所未有的更大觀賞角度。當然，由于等離子體顯示器的結(jié)構(gòu)特殊也帶來一些弱點。

9、比如由于等離子體顯示是平面設(shè)計，其顯示屏上的玻璃極薄，所以它的表面不能承受太大或太小的大氣壓力，更不能承受意外的重壓。等離子體顯示器的每一個像素都是獨立地自行發(fā)光，相比顯示器使用的電子槍而言，耗電量自然大增。一般等離子體顯示器的耗電量高于300瓦，是不折不扣的耗電大戶。由于發(fā)熱量大，所以等離子體顯示器背板上裝有多組風扇用于散熱。 等離子體顯示技術(shù)進展 一、改進結(jié)構(gòu) PDP的基本結(jié)構(gòu)是由前后兩塊玻璃基板組成的。在前基板上面制作有匯流電極、透明電極、支撐電極等；后基板上則制有與前基板上電極互相垂直的電極與肋條，并涂有熒光粉。前基板作為PDP的陽極，后基板則作為PDP的陰極。肋條用于隔離后基板，以形

10、成放電空間，并分隔與構(gòu)成像素單元，以防止因像素間竄擾而惡化像質(zhì)。在放電空間內(nèi)有用作氣體離子化放電的惰性氣體(通常是氖氣)。 PDP中的熒光粉應精確定位。因為雖然從理論上講所有在像素四壁及頂和底上的熒光粉都會因放電而受激發(fā)光，但是在放電過程中，產(chǎn)生的電極濺射會引起熒光粉的惡化，從而導致PDP的壽命縮短。為了解決這個問題，在傳統(tǒng)的做法中，要避免在PDP陰極著粉，以免使產(chǎn)生的正離子撞擊陰極，引起強烈的濺射。但是日本富士通公司以簡單的結(jié)構(gòu)解決了這個問題。在此結(jié)構(gòu)中，陰極與前基板的支撐電極相一致，不在前板上涂熒光粉，可將濺射減至最小；而在全部后極上涂粉，可以提高光效。利用這種結(jié)構(gòu)，日本富士通、三菱以及N

11、EC公司已生產(chǎn)出了40英寸與42英寸的PDP。 二、制作PDP的新材料 在AC-PDP與DC-PDP中，鉛玻璃常常被用作介電層的基底。這是因為鉛玻璃具有良好的電氣特性，并能在600的溫度以下燒結(jié)。但由于鉛有較強的氧化還原性，在燒結(jié)中，會與氧化還原性小于其他金屬電極材料，例如鎳等發(fā)生反應，使鉛玻璃中以離子形式存在的鉛變成金屬鉛。又因鉛的熔點低，蒸汽壓強高，這就會在基底玻璃與電極材料間生成氣泡，降低兩種材料粘接的強度。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，美國Ferro公司做了較為成功的研究工作。 Ferro公司的主要做法是在玻璃中加入陶瓷成分，通過改變陶瓷流填充物的量來改變基底玻璃的微結(jié)構(gòu)與流體性；同時，采用

12、把鎳、玻璃焊料與高氧化性元素摻在一起，以用作陰極材料(材料代號為FX51-025)的做法，也可以用一些性能相近的金屬材料代替鎳作為陰極材料。該公司以銀作為其PDP的電極材料。 三、提高發(fā)光效率性能 光效低是PDP的一個缺點。同樣以氣體放電激發(fā)熒光粉發(fā)光的熒光燈發(fā)光效率一般為80lm/W，而PDP則低得多。富士通公司的PDP發(fā)光效率僅為0.7lm/W，Plasma公司通過優(yōu)化電極尺寸以及內(nèi)充氣體的組分，在其21英寸的P 四、提高亮度目前的AC-PDP產(chǎn)品的峰值亮度一般為350-400cd/m2，DC-PDP的則更低，這與CRT的700cd/m2亮度相比，差距還很大。日本富士通公司在其PDP產(chǎn)品上

13、采用了表面變光驅(qū)動系統(tǒng)(Alis)，以同樣的間隔交變顯示電極與掃描顯示電極，使放電能夠在所有的電極間進行，從而擴大了放電與光發(fā)射區(qū)域，在傳統(tǒng)的PDP中，放電僅在顯示電極與掃描電極對內(nèi)進行，而在電極對與電極對間則不發(fā)生放電，從而限制了放電發(fā)光區(qū)域的面積。富士通公司以這種方法使其它PDP產(chǎn)品的亮度較傳統(tǒng)PDP產(chǎn)品提高了0.6倍，達到了500cd/m2。在此基礎(chǔ)上日本松下公司，又通過改進熒光粉材料，優(yōu)化放電單元尺寸等手段，使其研制的42英寸PDP的亮度達到了550cd/m2。如果再對因采用濾光器等部件造成的亮度損失作補償，可使亮度進一步達到600cd/m2。 Ferro公司上述各材料的組合能在530

14、580溫度，燒結(jié)這些材料的壓強為一個大氣壓，整個燒結(jié)過程為130分鐘，其中在峰值溫度(580)下為1020分鐘。該公司用作肋條的材料是一種可用機械沖壓、光刻或噴沙法加工的柔性材料。在該公司制作的PDP中，F(xiàn)X51-025陰極材料與FXl0-062基底材料間匹配得很好，幾乎無氣泡現(xiàn)象發(fā)生。 五、降低功耗 功耗大是PDP的一個弱點，對此，世界各PDP廠家都做了許多工作。例如美國Plasma公司通過采用減少PDP用電容的恢復支持電路，使其研制的21英寸彩色PDP的功耗減少了100W。日本先鋒公司在其PDP產(chǎn)品中使用了4個先進的系統(tǒng)集成電路，也有效地降低了功耗。世界各PDP廠家的近期目標是把目前的30

15、0500W功耗降到200300W的水平。 六、提高分辨率 自PDP問世以來，在世界各PDP廠家的努力下，分辨率已有了很大的提高，特別是近期印刷制屏及光刻技術(shù)的進步，使得PDP的分辨率迅速提高。例如，1993年，美國Plasma公司在其21英寸的彩色PDP上實現(xiàn)了0.22mm的像素節(jié)距；1995年，25英寸的PDP像素節(jié)距達到了0.6mm；1997年，50英寸PDP取得了0.81mm的像素節(jié)距；而法國湯姆遜公司則在其研制的19英寸PDP上，制得了0.125mm的像素節(jié)距，取得了1024768像素(擴展圖形陣列XGA)的分辨率。該公司和美國的Photonic公司還通過采用雙基板結(jié)構(gòu)，制出了具有12

16、801024像素的超XGA(SXGA)分辨率的PDP。 七、改進對比度 在彩色PDP中，需要利用預放電信號光(背景輝光)穩(wěn)定PDP的發(fā)光。但是這樣，在顯示暗場時，屏上會出現(xiàn)模糊的光，從而降低了對比度。這就需要降低這種背景光，以確保PDP的暗場對比度。日本富士通公司已對此提出了一種子場尋址技術(shù)，用以降低PDP的背景輝光。這種技術(shù)就是把顯示的每一幀圖像分成一系列與灰度密度相對應的子場，以顯示連續(xù)灰度的圖像。在對選中的子場進行寫入操作時，需要擦除前面子場的信息，并建立正常的壁電荷，而這個擦除與建立的過程是由能減少背景輝光的子場發(fā)微光微弱氣體放電完成的。采用這種技術(shù)，美國Plasma公司在其PDP產(chǎn)品

17、上實現(xiàn)了2001的暗場對比度。 至于提高亮場對比度，則是通過以過濾層克服環(huán)境光與反射光，采用彩色過濾器(在彩色AC-PDP中)以及在肋條上部使用黑條帶等方法實現(xiàn)的。 美國Plasma公司利用透射比為0.40的線路極化過濾器，抑制了其PDP前基板對環(huán)境光的反射和環(huán)境光兩次通過熒光粉層造成的擴散反射，從而提高了亮場對比度。雖然這樣會使亮度有所降低，但卻是在可以接受的范圍之內(nèi)。日本先鋒公司通過采用單透明電極結(jié)構(gòu)的放電單元，提高了亮度，改進了對比度。它的工作原理是：光屏暗時，該單元便減少放電，恢復時便重新放電；而當屏亮時，則整個單元完全放電。這樣，就能產(chǎn)生比傳統(tǒng)PDP更暗的暗畫面和更亮的亮畫面，從而增

18、強了對比度。 八、克服虛像 在彩色PDP顯示視頻圖像時，是通過調(diào)節(jié)視像的半場發(fā)射時間、尋址以及顯示周期分離系統(tǒng)來產(chǎn)生層次的。但在把全場視像分割為半場時，會擾動層次與動態(tài)圖的顯示，產(chǎn)生虛像。此外，由于視像場發(fā)射時間在灰度變化時，會變得不均勻，這也會產(chǎn)生虛像。 克服虛像的方法有優(yōu)化視像半場糾正信號，采用超快速寫入等。日本先鋒公司則采用分別驅(qū)動尋址電極，改進圖像輪廓清晰度的方法，抑制了虛像的干擾。 九、提高彩色再現(xiàn)能力 目前，彩色PDP的彩色再現(xiàn)能力是遜于CRT的，其中一個原因是PDP內(nèi)充的惰性氣體在放電時會發(fā)出具有一定顏色的光，例如氖氣會發(fā)出橙色光，它會降低對比度，引起顯示顏色的改變。為了克服這一

19、問題，日本NEC公司設(shè)計了一種彩色過濾系統(tǒng)(CCF)，它是由紅、綠、藍(R，G，B)過濾器組成的。3種顏色是以條帶形嵌在系統(tǒng)中，并被封于每個放電單元中。CCF能夠通過抑制惰性氣體放電所產(chǎn)生的光色來改進顯示的色純度。此外，調(diào)節(jié)CCF的密度，還可以顯著地改變色溫。日本富士通公司利用這種CCF，使其彩色PDP產(chǎn)品的彩色再現(xiàn)能力達到了傳統(tǒng)型的1.6倍，與CRT相當。 由于人工智能技術(shù)與多媒體技術(shù)的發(fā)展，對PDP產(chǎn)品功能的要求也在提高。這就促使了多功能PDP產(chǎn)品的發(fā)展，例如日本先鋒公司在其PDP電視中增加了計算機用途與動態(tài)圖像顯示功能，以滿足數(shù)字化廣播與多媒體等應用的需要。 現(xiàn)在，除了用于普通電視以及計算機顯