等离子电视PDP基本原理.ppt
PDP基本原理,内容,一、气体放电物理基础二、彩色PDP发展与特点三、PDP结构设计原理四、PDP制作工艺介绍,气体放电物理基础,固态 液态 气态 等离子体？如果气体的温度继续升高，物质受热能的激发而电离。如果温度足够高，就可以使物质全部电离。电离后形成的电子之总电荷量同所有的正离子的总电荷量在数值上相等，而在宏观上保持电中性。太阳就是一个等离子体，2006年9月28日中国人造太阳成功完成首次等离子体放电试验。,气体放电物理基础,等离子体的分类:,等离子体,高温等离子体（完全电离气体）温度范围：106108K，如可控热核反 应等离子体、太阳、恒星等。,低温等离子体（部分电离气体）,热等离子体（Te=104106K，Ti=31033104K）,冷等离子体（Te104K，Ti=室温）,如电弧等离子体、高频等离子体、燃烧等离子体等。,如辉光放电正柱区,气体放电物理基础,Plasma Display Panel：所有利用气体放电而发光的平板显示器件的总称。,气体放电物理基础,日光灯发光示意图,气体放电物理基础,气体放电中的基本粒子：基态原子（或分子）运动电子 e1/2mve2，典型密度为10161020/m3.激发态原子(或分子)正离子和负离子 光子 h,气体放电物理基础,气体原子的激发和电离,激发态原子能级,谐振能级（受激原子自发地直接过渡到 基态，并产生光子辐射。）,较高激发态能级（向较低基发态能级跃迁，并产生光子辐射。）,亚稳能级（不能自发地通过光辐射向基态跃迁。）,气体放电物理基础,Ne-Xe混合气体放电能量转移简图,气体放电物理基础,气体放电的伏安特性,气体放电物理基础,气体发生稳定放电的区域：正常辉光放电区DE 反常辉光放电区EF 弧光放电前区FG,气体放电物理基础,为了描述气体放电中的电离现象，汤生提出了三种电离过程，并引出三个对应的电离系数：（1）汤生第一电离系数系数。它是指每个电子在沿电场反方向运行单位距离的过程中，与气体原子发生碰撞电离的次数。,气体的击穿和巴邢定律,气体放电物理基础,（2）汤生第二电离系数系数。它是指一个正离子沿电场方向运行单位路程所产生的碰撞电离次数。（3）汤生第三电离系数系数。它是指每个正离子打上阴极表面时，产生的二次电子发射数。,气体放电物理基础,帕邢(Paschen)首先发现，在气体种类、电极材料等条件不变时，着火电压Ub不仅单独和压强P或极间距离d有关，而且和Pd的乘积有关，即Ub是Pd的函数 Ub=f（Pd）这个规律称为帕邢定律。,气体放电物理基础,影响气体放电着火电压的因素pd值的作用 巴邢定律表明，当其它因素不变时，pd值的变化对着火电压的变化起了决定性的作用。因此，PDP中充入气体的压强和电极间隙对PDP的着火电压有很大影响。,气体放电物理基础,气体种类和成分的影响 值和击穿电压Ub值，都与气体的性质(种类和气压)有关，并主要由电子与一定气体粒子发生碰撞的过程来决定。气体的电离电位对击穿电位的影响是另一个重要的因素，在其他条件不变的情况下，通常电离电位越大的气体，它的击穿电位就越大。如果碰撞时电子还未达到足以使气体电离的速度，电子与这种气体粒子碰撞损失的平均能量较大，那么这种气体被击穿所需要的电场强度就大，相应地要求击穿电位也高。,气体放电物理基础,在放电管内有两种气体的混合物时，Ub就不能简单地用混合方法以混合气体的浓度去计算。实验指出，混合气体的击穿现象往往与纯粹气体完全不同。在氖气中混入少量氙气能使气体的击穿电压降低，其降低量由氙气的混合量决定。这种现象就是放电中潘宁效应的结果。这种效应在氖汞混合气体中也存在。,气体放电物理基础,潘宁电离：设A、B为不同种类的原子，原子A的亚稳激发电位大于原子B的电离电位，亚稳原子A*与基态原子B碰撞时，使B电离，变为基态正离子B+（或激发态正离子B+*），而亚稳原子A*降低到较低能态，或变为基态原子A，此过程称为潘宁电离，可用符号表示为：A*+BA+B+（或B+*）+e由于亚稳原子具有较长的寿命，其平均寿命是10-410-2s（而一般激发态原子的寿命为10-810-7s），因此潘宁电离的几率较高，使得基本气体的有效电离电位明显降低。另外，着火电压下降的大小还与两种气体的性质和它们量的混合比有非常密切的关系。,气体放电物理基础,使用辅助电离源来加快带电粒子的形成，也可以使着火电压降低。例如：人工加热阴极产生热电子发射，取代发射过程的作用；用紫外光照射阴极，使阴极产生光电发射；放射性物质靠近放电管，放射性射线引起气体电离；通过预放电提供初始的带电粒子等可以大大降低着火电压。,气体放电物理基础,正常辉光放电的基本特征：(1)放电时，在放电空间呈现明暗相间、有一定分布规律的光区。(2)由于着火后，空间电荷引起的电场畸变使放电空间电位基本上分成两段：阴极位降区和正柱区。在阴极位降区中产生电子繁流过程，满足放电自持条件，故它是维持辉光放电必不可少的部分。(3)管压降明显低于着火电压，并且不随电流而变。电压一般在几十到几百伏。电流为毫安级。电流密度为A/cm至mA/cm数量级。(4)阴极电子发射主要是过程。,气体放电物理基础,正常辉光放电的光区分布：(1)阿斯顿暗区 它是紧靠阴极的一层很薄的暗区。在这里由于受正离子轰击从阴极发射出来的二次电子初速很小，不具备激发条件。由于没有受激原子，因而是暗区。(2)阴极光层 这是一层很薄、很弱的发光层。电子在通过阿斯顿暗区以后，从电场中获得了一定的能量，足以产生激发碰撞，使气体发光。但电于数量不大，激发很微弱。,气体放电物理基础,(3)阴极暗区 电子离开明极后，到这里获得的能量愈来愈大，甚至超过了激发几率的最大值，于是激发减少，发光减弱。在这个区域内，电子能量已超过电离电位，引起了大量的碰撞电离，繁流放电集中在这里发生。产生电离后，电子以较快的速度离开，这里就形成很强的正空间电荷的堆积，从而引起电场畸变。管压降的大部分集中在这里和阴极之间。,气体放电物理基础,(4)负辉区 进入负辉区的电子可以分为两类:快电子和慢电子。慢速电子是多数，它们在负辉区产生许多激发碰撞，因而产生明亮的辉光。另外，在阴极暗区，因离子浓度很高，它们会向负辉区扩散，因而负辉区中，电子和正离子的浓度都很大，而电场很弱，几乎是无场空间。可以说，负辉区是一个由快速电子维持的、复合占优势的等离子区。负辉区中电子和正离子浓度比正柱区中约大20倍。,气体放电物理基础,（5）法拉第暗区 这是一个处于负辉区和正柱区之间的过渡区。由于电子在负辉区中损失了很多能量，进入这个区域以后，便没有足够的能量来产生激发，所以是暗区。辉光放电的各发光区中，发光强度以负辉区最强，正柱区居中，阴极光层和阳极辉光最弱。,气体放电物理基础,（6）正柱区 在正柱区，任何位置上电子密度和正离子密度相等，放电电流主要是电子流。（7）阳极区 在阳极附近可以看到阳极暗区，在阳极暗区之后是紧贴阳极上的阳极辉光。辉光放电的各发光区中，发光强度以负辉区最强，正柱区居中，阴极光层和阳极辉光最弱。正柱区的发光效率高，日光灯就是利用正柱区发光。,气体放电物理基础,PDP的发光效率不高的原因：虽然正柱区的强度不如负辉区强，但它的发光区域最大，因此对光通量的贡献也最大。如日光灯就是利用正柱区发光，光效高达80 lm/W。而PDP由于其放电单元的空间通常很小（电极间隙约100m），放电时只出现阴极位降区和负辉区，所以通常利用的是负辉区的发光。提高PDP的亮度和发光效率的措施之一：改进放电单元结构，采用正柱放电。,气体放电物理基础,Ne-Xe混合气体放电的主要电离过程包括电子碰撞电离和潘宁电离。电子被电场加速到能量大于21.6ev时，可与基态Ne原子发生电离碰撞 e+NeNe+2e 电子被电场加速到能量达16.6ev时与Ne原子碰撞，可使基态Ne原子激发到亚稳态 e+NeNem+e Nem的寿命长达0.110ms，与其它原子碰撞的几率,Ne-Xe混合气体放电,气体放电物理基础,很高，当与Xe原子碰撞时可使其电离，即发生潘宁电离 Nem+XeNe+Xe+e 混合气中Xe原子对着火电压的影响：与He和Ne原子发生潘宁电离，有利于放电进行；Xe含量增高使平均电子能量下降，引起电子对He Ne Xe原子电离碰撞总截面减小，不利于放电进行。最终使着火电压增高还是降低，要看这两方面的影响哪个是主要的。这与Xe气含量有关。,气体放电物理基础,Ne-Xe混合气体放电能量转移简图,彩色PDP发展与特点,彩色PDP发展与特点,彩色PDP发展与特点,彩色PDP发展与特点,2003年7月24日，日本最大的5家PDP生产厂家松下、富士通、日立、先锋、NEC联合成立下一代PDP研发中心（APDC），注册资本5000万日元。日本经济产业省旗下的NEDO(新能源和工业技术发展组织)为APDC提供约7.5亿日元科研补助金。ADPC的任务是开发提高发光效率、降低功耗和降低生产成本的新技术。ADPC采用集中研发和分散研发2种方式，集中研发设在富士通公司明石工厂，富士通研究所Shinoda博士担任研发总负责人。,彩色PDP发展与特点,FHP公司PDP技术与特点2.先锋公司PDP技术与特点3.松下公司PDP技术与特点,FHP公司PDP技术发展,（1）ALiS驱动方法（高亮度和高分辨率，已用于产品）（2）TERES驱动方法（低功耗，已用于产品）（3）DelTA像素结构（高亮度和高发光效率，正在产业化）（4）等离子体管技术（高亮度和高发光效率，超级大屏幕显示）,独自开发的技术,FHP公司PDP技术发展,ALiS:Alternate Lighting of Surfaces,ALiS驱动方法,FHP公司PDP技术发展,（1）上基板电极结构与原来的ALiS相同，下基板障壁为栅格状。（2）采用逐行驱动技术，而原来的ALiS技术则是隔行驱动。e-ALiS驱动时，奇行和偶行交替寻址，然后所有行同时进行维持放电。（3）同时具有高分辨率和高亮度，在50英寸以上PDP中亮度最高。,e-ALiS 技术的特点,FHP公司PDP技术发展,DelTA单元结构,FHP公司PDP技术发展,DelTA结构寻址放电,FHP公司PDP技术发展,黑底条技术,高对比度驱动方法,FHP公司PDP技术发展,先锋公司PDP技术发展,（1）CCF滤光膜（改善色纯，提高对比度）（2）PLE峰值亮度增强技术（提高亮度和对比 度，降低功耗）（3）栅格状障壁结构（提高荧光粉发光面积）（4）梳状ITO电极（降低放电电压和电流，提高 发光效率）（5）Waffle障壁结构消除行间串扰适合高分辨率,独自开发的技术,先锋公司PDP技术发展,CCF:Capsulated Color Filter,CCF彩色滤光膜,透过需要的光,阻断不需要的光,减少环境光反射,峰值亮度增强技术（PLE）,PLE:Peak Luminance Enhancement,在亮度、对比度和功耗之间获得最佳平衡。平均亮度等级为256级，亮度层次变化更加平滑。在一场中，准备期、寻址期和维持期的时间根据每场图像的平均亮度动态调整。亮度和对比度提高20%，暗场灰度细节得到更好再现。,先锋公司PDP技术发展,栅格单元结构,传统单元结构,先锋公司PDP技术发展,黑条,低电流，低电压显示屏电容减小无功功率减小降低功耗,先锋公司PDP技术发展,Waffle障壁结构,传统结构存在行间串扰限制分辨率,Waffle结构消除行间串扰适合高分辨率,松下公司PDP技术发展,（1）非对称放电单元结构（改善色温）（2）Plasma AI驱动方法（自适应亮度增强）（3）利用感光障壁形成工艺（精细结构）（4）纯黑驱动方法（Real Black）（5）自适应变换（Real Gamma，1024灰度级）,独自开发的技术,松下公司PDP技术发展,非对称单元结构改善色温,松下公司PDP技术发展,AI提高图像质量,松下公司PDP技术发展,感光障壁形成工艺,PDP结构设计原理,PDP结构设计原理,PDP结构设计原理,需确定的尺寸：前板：显示电极间隙g1，显示电极宽度(ITO电极:w1，汇流电极:w2)，相邻单元间隙g1，黑条宽度ws，前板介质层厚度t1。后板：寻址电极宽度w3，后板介质层厚度t2，障壁高度h和宽度wb。,PDP结构设计原理,着火电压Uf随充气压强p电极间隙g1乘积变化的关系,PDP结构设计原理,放电间隙对Uf、Ue和Us的影响,PDP结构设计,在一定的w1的条件下，随g1增大，Uf、Ue和Us均近乎线性增加。从图中我们可以看出着火电压Uf直接与间隙g1相关，但随着着火电压降低，熄灭电压降低越来越慢，结果造成工作电压馀度Us降低,PDP结构设计,放电间隙对平均放电电流的影响,PDP结构设计原理,放电间隙对平均放电电流无显著影响但放电间隙对放电的亮度有影响。随放电间隙增大，亮度和发光效率都得到提高。为了降低着火电压，又不降低亮度，有许多辅助放电的发明。,PDP结构设计原理,放电间隙增大，放电路径变长，一方面电子在到达阳极前与气体原子的碰撞次数增多，产生更多的激发和电离；另一方面由于PDP放电单元的空间很小，放电时只出现阴极位降区和负辉区，而VUV主要产生于负辉区。在一定的气压下，阴极位降区的长度d是一定的(pd=常数)，随着电极间隙的增大，负辉区增长，使得VUV辐射的强度增强。,放电间隙增大，亮度和光效提高原因：,PDP结构设计原理,显示电极宽度对Uf、Ue、Us和的影响,PDP结构设计原理,显示电极宽度对Uf、Ue、Us和的影响,PDP结构设计原理,随着w1的增加，放电单元的Uf和Ue略有降低，而Us则基本保持不变，而放电电流I增加。随着显示电极宽度增大，亮度提高，而光效基本不变。,PDP结构设计原理,AC-PDP未放电时单元的等效电路图,PDP结构设计原理,上基板放电单元的设计原则:(1)在确定的像素面积内，尽可能提高像素的光输出开口率，以提高PDP的发光效率，同时又要避免引起邻线电极间的放电。,(2)在工艺允许范围内，尽可能降低PDP的着火电压，以利于降低驱动功率和成本。,PDP结构设计原理,显示电极间隙g1，g2 和宽度W的确定：提高开口率的措施：Bus电极宽度b，透明电极宽度W。,当电极宽度W为常数时,随着g的增大,PDP的发光亮度和光效都在提高。但是过大的放电间隙将引起着火电压的升高,使驱动困难。为了降低着火电压,宁可选择比较小的放电间隙。,PDP结构设计原理,随着w1的增加，放电单元的Uf和Ue略有降低，而Us则基本保持不变，而放电电流增加。随着显示电极宽度增大，亮度提高，而光效基本不变。为避免邻线放电，显示电极非发光区间隙g1，g2 要考虑。,PDP结构设计原理,介质层厚度的确定 减小介质层厚度都会使着火电压下降，放电电流增大，亮度增加，功耗增加。从工艺角度，为了保证透明介质有一定的耐击穿能力，不宜做的太薄，一般分两次印、烘、烧的过程。对于薄膜Bus电极(Cr-Cu-Cr)，透明介质厚取2025m，对于厚膜银Bus电极，透明介质厚取2530m。,PDP结构设计原理,障壁宽度：在满足均匀性的前提下，障壁宽度应尽可能窄，以增大单元的开口率，提高器件亮度。障壁高度：谐振辐射的自吸收 e+Xe*(3P1)Xe+2e如果高度h，则着火电压，维持电压，寻址电压，发光亮度。一般选取障壁的高度为显示电极间隙1.21.5倍。对障壁的要求是高度一致(偏差在5m以内)，形状均匀。,PDP结构设计原理,障壁高度对PDP电压性能的影响,PDP结构设计原理,障壁高度对亮度的影响,PDP结构设计原理,寻址电极宽度：为了确保正交的A-Y电极对向放电有足够的区域，A电极应有足够的宽度。但是，如电极太宽，会增大寻址时的放电电流，使寻址功率变大，增加电路的难度。介质层厚度：下板介质的主要作用是保护寻址电机，特别是在喷砂和刻蚀工艺制作障壁的过程中要考虑加工的可行性。,PDP结构设计原理,研究目标：PDP低成本、高效率材料和部件研究内容：介质、障壁、荧光粉和电极材料 用于低成本制造技术的材料 高效率、长寿命荧光粉,PDP制作工艺,PDP制作工艺,PDP制作工艺,PDP制作工艺,透明电极ITO薄膜特点：ITO工艺成熟，刻蚀性能良好，但在PDP工艺中经过高温处理时，阻值变化较大。SnO2薄膜特点：成膜工艺简单，成本低，且热稳定性好，但其刻蚀性能不易掌握。制作材料和方法:湿法刻蚀 激光直描,PDP制作工艺,BUS电极作用:减小显示电极电阻 要求:导电性能好，与透明导电薄膜附着力强 制作材料和方法:Cr-Cu-Cr薄膜 磁控溅射法制备薄膜，刻蚀成形 Ag浆料 丝网印刷图形，烧结制成 光敏Ag浆料 丝网印刷，光刻成形，烧结制成,PDP中的曝光工艺,BUS曝光浆料：DC-206 DC-243(黑色)工艺过程：黑Bus印刷干燥白Bus印刷干燥曝光显影烧结备注：干燥的程度对曝光的结果有影响,PDP中的曝光工艺,PDP制作工艺,寻址电极要求:导电性能好，与基板玻璃附着力强。制作材料和方法:Ag浆料 丝网印刷图形，烧结制成。光敏Ag浆料 丝网印刷，光刻成形，烧结制成。,PDP制作工艺,介质层作用:把电极与放电等离子体分隔开，限制了放电电流的无限增长，保护了电极；使 AC-PDP工作在存储模式,有利于降低放电的维持电压。制作材料和方法:介质浆料:丝网印刷图形，烧结制成。介质浆料:涂敷图形，烧结制成。介质绿膜：贴膜，烧结制成。,PDP制作工艺,氧化镁保护膜 作用: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；减小放电的时间延迟。制作材料和方法:电子束蒸发：磁控溅射：,PDP制作工艺,障壁 作用:保证两块基板间的放电间隙，确保一定的放电空间 防止相邻单元间的光电串扰。制作材料和方法：喷砂法、印刷法、感光材料法和刻蚀法 对障壁的要求是高度一致(偏差在5m以内)，形状均匀。障壁宽度应尽可能窄，以增大单元的开口率，提高器件亮度。,PDP制作工艺,喷砂法 由于采用光刻中的曝光技术，障壁尺寸一致性好，目前障壁的宽度实验室可做到30m，生产上做到70m，有利于器件开口率的提高。喷砂法的缺点是材料利用率低，并且被喷砂刻蚀的材料中含有不少铅的氧化物，污染环境。,PDP制作工艺,丝网印刷法制作障壁示意图,丝网印刷法优点：材料浪费少，材料成本低。缺点：工艺步骤多，制作时间长，对位要求严格，而且要求操作人员有熟练的技术，以及对印刷设备的性能、浆料性能、环境对丝网的影响等有全面的了解，所以制作工艺复杂。,PDP制作工艺,感光材料法,PDP制作工艺,刻蚀法,涂敷感光胶,曝光,显影,刻蚀,PDP制作工艺,荧光粉 作用:将VUV转变为可见光，实现彩色显示。要求:发光效率高，色彩饱和度高，厚度均匀 制作材料和方法:丝网印刷法：厚膜光刻法制作：喷涂法制作：,PDP制作工艺,要求荧光粉均匀地涂覆在单元的谷底和障壁的侧壁上，以增大视角，而在障壁顶部不能留有荧光粉，防止混色。,PDP制作工艺,荧光体材料的改进 用在普通CRT上的荧光体有相当历史，而用于等离子电视的则历史很短。在使等离子电视的Xe产生的紫外线的波长达到最佳值的过程中，渐渐地提高了转换效率。另外关于蓝色荧光体，由于在面板制作工序的烘烤过程中亮度劣化，如何改进是个课题。绿色荧光体由于余辉特性的原因，使亮度饱和造成亮度劣化，所以此余辉特性希望得到改善。,PDP制作工艺,研究目标：PDP低成本、高效率材料和部件研究内容：介质、障壁、荧光粉和电极材料 用于低成本制造技术的材料 高效率、长寿命荧光粉,PDP研发设备条件,PDP研发设备条件,PDP研发设备条件,PDP研发设备条件,PDP研发设备条件,欢迎指导！谢谢,
