华中科技电子显示技术05_等离子体显示器显示原理

2020/5/281第三章等离子体显示板3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理3.2彩色PDP的放电特性及发光机理3.3AC型PDP与DC型PDP的结构及驱动方式3.4PDP的主要部件及材料3.5PDP的制造工艺及装置3.6PDP的应用3.7PDP的开发战略2020/5/2823.1.1什么是PDP所谓等离子体显示板（plasmadisplaypanel，PDP），即利用气体放电发光进行显示的平面显示板，可以看成是由大量小型并排构成的。日光灯:水银蒸汽，气体放电，紫外线，荧光粉所谓等离子体（plasma），是指正负电荷共存，处于电中性的放电气体的状态。稀薄气体放电的正光柱部分，即处于等离子体状态。3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/283玩具电光球利用高压电能气体放电发光（等离子体）创造奇幻光感！3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/284图1辉光放电_辉光球操作：用手指轻触玻璃球的表面，球内产生彩色的辉光。原理：玻璃球内充有某种单一气体或混合气体，球内电极接高频高压电源，手指轻轻触摸玻璃球表面，人体即为另一电极，气体在极间电场中电离、复合，而发生辉光。玻璃球内所充的气体不同，球内压强不同（即不同的真空度），所产生的辉光的颜色也不同。而“辉光球”是低压气体（或叫稀疏气体）在高频强电场中的辉光放电现象。3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/285日常所见的日光灯就是PDP的基础3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/286使用一段时间后的日光灯管可以看见被电子轰击的痕迹3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/2873.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/2883.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/289在PDP中，有数百万个如上所述的微小荧光灯，即放电胞。真空放电胞中封人的放电气体，一般采用Ne（氖）和Xe（氙），或He（氦）和Xe（氙）组成的混合惰性气体。放电胞内壁涂覆的荧光体并不是发白光，而是发红R，绿G，蓝B三原色光。这三种颜色布置成条状或马赛克状。对放电胞施加电压，放电胞中发生气体放电，产生等离子体。等离子产生的紫外线照射胞内壁上涂覆的荧光体，产生可见光，见图3－2。3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/28103.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/28113.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/2812放电胞发光机理：在2块玻璃基板上分别形成相互正交的电极，通过在其上施加电压或定时控制使放电胞放电，产生等离子体发光，见图3－3。其中行电极为扫描电极，在PDP的横向施加电压；列电极为信号电极，在PDP的纵向施加电压。3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/28133.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/28143.1.2AC型PDP与DC型PDPPDP按引起放电时施加电压的方式不同，可分为AC型和DC型两种类型，见表3－l3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/28153.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/28163.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/2817DC型PDP的电极不加保护层，而是直接暴露在放电空间中，放电电流为直流（directcurrent，DC）。为防止电极磨损、提高寿命，要通过电阻限制放电电流，而且封人气体的压力也较高。AC型PDP电极表面覆以透明介电层及保护层，通过绝缘体的介电层表面产生放电。为形成放电单元而起隔离作用的障壁（隔断）为条状，而不是像DC型那样采用胞状，见图3－4。因此，图像分辨率可从VGA（640X480）到SVGA（800X600），在此基础上采取措施还可以进一步使画面精细化3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/28183.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/2819DC型PDP由于设有辅助放电胞，可确保放电的“火种”，因此比AC辅助放电胞型PDP的对比度高，反应速度也快。但是由于采用比较复杂的胞状放电单元，形成胞状障壁（隔断）的难度较大，画面高精细化（提高图像分辨率）比较困难。在DC型PDP的制造中，多采用印刷工艺，使用的印刷机要比AC型PDP造中使用的光刻制版设备价格低得多，因此设备投资要比AC型PDP小。3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/28203.1.3PDP的特征和应用PDP的特征自然与其“发光性”相关联。与其他显示器比较，定性地讲，PDP具有下述优点：①利用气体放电发光，为自发光型，即主动发光型显示（与LCD比较）；②其放电间隙为0．1～0．3mm，便于实现薄型化（与CRT比较）；③利用荧光体，可以彩色发光，容易实现多色化、全色化（与LCD比较）；④容易实现大画面平板显示与CRT比较）。3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/2821其缺点为：①功耗大，不便于采用电池电源（与LCD比较）；②彩色发光效率低（与CRT比较）；③驱动电压高（与LCD比较）；④目前的价格还较高（与CRT、LCD比较）。基于上述特点，PDP的优势是薄型，大画面，自发光型，彩色丰富（与CRT相当），大视角、便于众多观众同时观看，响应快，具有存储特性，全数字化工作，受磁场影响小、无需磁屏蔽等。其可能的应用领域如图3－6、图3－7所示。3.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/28223.1等离子体显示板(PDP)的工作原理2020/5/28233.2.1低压气体放电的基本特性在气体中的两电极间施加电压，在一定条件下，会产生气体辉光放电。凡是电流通过气体的现象即为气体放电。日光灯、PDP也是利用气体放电而发光的。按辉光放电的外貌及微观过程，从阴极到阳极大致可分为阿斯顿暗区、阴极光层、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正光柱区及阳极区等几个区域。3.2彩色PDP的放电特性及发光机理2020/5/2824阿斯顿暗区：电子从阴极出来立刻进入场强很大的区域而被电场加速，但在阴极附近电子速度很小。由于电子能量小于最低激发电位，还不能产生激发，因此该区域是暗的。阴极光层：该区域电子能量达到激发电位，产生一层很薄很弱的发光层。阴极暗区：从阴极光层起的电子具有更大的能量，甚至超过激发几率，因此激发减少，发光强度变弱。该区域中，电子能量已超过电离电位，产生大量的碰撞电离，雪崩放电集中在这个区域发生。3.2.1低压气体放电的基本特性2020/5/2825负辉区：进入负辉区的多数电子，经过了多次非弹性碰撞，其能量虽比电离能小，但是大于或接近激发能，从而产生许多激发碰撞，因而产生明亮的辉光。法拉第暗区：大部分电子在负辉区经历了多次碰撞损失了能量，不足以引起电离和激发，因此不发光。正光柱区：任何位置电子密度和正离子密度相等。放电电流主要是电子流。在不同的条件下，它可表现为均匀的光柱或明暗相间的层状光柱。阳极区：该区有时可以看见阳极暗区，在阳极暗区之后是紧贴在阳极上的阳极辉光。3.2.1低压气体放电的基本特性2020/5/28261)是一种稳态的自持放电；2)放电电压明显低于着火电压，而后者由后面谈到的帕邢定律决定；3)放电时，放电空间呈现明暗相间的、有一定分布的光区；4)严格地讲，只有正光柱部分属于等离子区，其中正负电荷密度相等，整体呈电中性；5)放电主要依靠二次电子的繁流来维持。辉光放电具有以下的基本特征：3.2.1低压气体放电的基本特性气体导电的现象。又称气体导电。气体通常由中性分子或原子组成，是良好的绝缘体，并不导电。气体的导电性取决于其中电子、离子的产生及其在电场中的运动。加热、照射(紫外线、X射线、放射性射线）等都能使气体电离，这些因素统称电离剂。一旦撤除电离剂，气体中离子很快消失，电流中止。这种完全靠电离剂维持的气体导电称为被激导电或非自持导电。2020/5/2827正常辉光放电区有4个明显的发光区域，即阴极光层、负辉区、正光柱区和阳极光层。阴极光层和阳极光层对发光的贡献远小于负辉区和正光柱区。负辉区的发光强度最大，但发光区域较小。正光柱区的发光区域最大，对光通量的贡献也最大。3.2.1低压气体放电的基本特性2020/5/2828但是气体放电时，以上4个区域并不一定全部出现。当电极间距逐渐缩短时，正光柱区也逐渐缩短并首先消失，然后是法拉第暗区和负辉区相继消失。当负辉区的左端与阴极重合时，放电就会停止。阴阳极之间的电位降主要发生在负辉区之前；维持辉光放电所必需的电离大部分发生在阴极暗区。也就是说，阴极位降区（包括阿斯顿暗区、阴极光层和阴极暗区）是维持辉光放电必不可少的部分。3.2.1低压气体放电的基本特性2020/5/28293.2.1低压气体放电的基本特性2020/5/2830①发光效率低，放电间距只有几十到几百纳米，日光灯的光效率达80lm／W，而目前PDP的光效率只有1~2lm／W。主要是因为日光灯放电时其正光柱区长，而PDP发光的主要贡献者是负辉区，放电时，正光柱区非常短甚至消失。与普通辉光放电不同，PDP所涉及的气体放电具有下述特点：②表面放电型AC型PDP存在一个分辨率的理论极限。提高分辨率就意味着缩小放电电极间距。而从辉光放电的特性来看，当充气气压一定、电极间距缩小到一定数值时，在两个电极间不会形成正常的辉光放电，从而产生击穿（即打火）现象。③极限分辨率与充气压力成正比。充气气压越高，极限分辨率也越高。3.2.1低压气体放电的基本特性2020/5/2831图3－13表示利用正光柱部分的10英寸彩色PDP放电胞的结构及放电区的电位分布。如图中所示，若阳极部分向左移动，正光柱的长度将缩短，而负辉光部分不变。从图中还可以看出，电位下降主要发生在负辉光区以左很窄的部分，并由此基本上决定PDP的工作电压。若图中的阳极向左挪动1mm，则不会出现正光柱，对应的放电电压大约为250V。此时从负辉光区发出的光可为PDP所利用。3.2.1低压气体放电的基本特性2020/5/2832对于实用的PDP来说，希望尽量降低工作电压并设法提高画面的显示精细度。仅利用负辉光的设计方案，既可降低工作电压，又因为其放电胞的尺寸变小，有利于提高显示精细度，显然十分理想。目前，达到实用化的PDP正是采用了这种方案3.2.1低压气体放电的基本特性2020/5/2833彩色PDP虽然有多种不同的结构，但其放电发光的机理是相同的。彩色PDP的发光显示主要由以下两个基本过程组成：①气体放电过程，即隋性气体在外加电信号的作用下产生放电，使原子受激而跃迁，发射出真空紫外线（200nm）的过程；②荧光粉发光过程，即气体放电所产生的紫外线，激发光致荧光粉发射可见光的过程。3.2.2彩色PDP的发光机理2020/5/2834下面以充有Ne－Xe混合气体的表面放电型AC型PDP为例，来说明PDP的发光机理，见图3－14。3.2.2彩色PDP的发光机理2020/5/2835Ne－Xe混合气体在一定外部电压作用下产生气体放电时，气体内部最主要反应是Ne原子的直接电离反应e+Ne＝Ne++2e(电子能量大于21.6ev)其中Ne＋为氖离子。由于受到外部条件或引火单元激发，气体内部已存在少量的放电粒子。其中电子被极间电场加速并达到一定动能时碰撞Ne离子，使其电离而导致气体内部的自由电子增殖，同时又重复（3－l）式反应致使形成电离雪崩效应。这种电离雪崩过程中会大量产生以下的两体碰撞反应3.2.2彩色PDP的发光机理2020/5/2836e+Ne＝Ne++2e（电子碰撞电离）(3-1)e+Ne＝Nem+e（亚稳激发）(3-2)e+Xe＝Xe++2e（电子碰撞电离）(3-3)其中Nem为Ne的亚稳激发态。由于Nem的亚稳能级（l6.62eV）大于Xe的电离能（12.127eV），寿命长达0.1－10ms，因此，亚稳原子Nem与Xe原子碰撞的过程为Nem+Xe=Ne+Xe++e(3-4)3.2.2彩色PDP的发光机理2020/5/2837人们称此为Penning