《光电显示技术》PDP概述及气体发光

1、光电显示技术Display Technology等离子体显示器PDP概述等离子的发现追溯历史，美国诺贝尔奖得主，化学家Langmuir可谓是发现等离子这一物理现象的第一人。他用18世纪捷克医学家Johannes Purkinje(1787-1869)发明的“PLASMA（中文译：血浆）”一词，来形容他在1927发现的离子化的气体。这就是为什么台湾把plasma译作电浆，而我们则称之为等离子。何为等离子？何为等离子体？我们知道有什么离子？ 我们知道有什么体？參考資料 :http:/.tw/_NewFiles/popular_science.asp?add_year=2003&popsc_aid=

2、45http:/.tw/Winnie/Winnie11.htm 我们所熟知的物体有固体、液体、气体。固、液、气三态互变的过程称为相变。相变可以从两个方向发展，一是对一固体继续降温，一是对一气体继续加热。实验结果告诉我们，前者只会引起物质性质的变化，但是，后者却完全不同，它会使物质变成一种新的状态等离子态， 等离子态是物质的第四态。呈现第四态的物体称为等离子体。物质是由分子组成的，一个分子可以包含一个或多个原子，而一个原子则是由原子核和若干个电子组成。原子核带正电，电子带负电，原子呈电中性。气态时，电子在电场束缚下围绕原子核旋转。如果气体被加热，其电子的热运动动能就会增加。一旦电子的热运动动能超

3、过原子核对它的束缚，电子就成为自由电子，这种过程称之为电离。如果气体中的所有原子都被电离，就称为完全电离，如果只有部分原子被电离，则称为部分电离。被电离的原子数与总原子数之比称为电离度。电离度为 100时，即气体被完全电离，就成为我们上面所说的物质第四态等离子态，也称为等离子体。这是最严格定义的等离子体，在实际应用中，部分电离的气体，只要满足一定的条件，也通称为等离子体。等离子体中，失去电子的原子称为离子。因此，产生等离子体的最简单方法就是对气体进行加热使其电离，即成等离子体。 參考資料 :http:/.tw/_NewFiles/popular_science.asp?add_year=200

4、3&popsc_aid=45等离子体指的是原子在电子与原子核分离时的状态（电离），在等离子体状态时，离子与电子的结合会发出紫外线。參考資料 :http:/.tw/seemore/cmo_p1_4_1.html在等离子体显示器结构中，氙（ Xenon ）与氖（ Neon ）的混合气体被封裝在显示格內，透过电极加入电压就成为等离子体状态。而等离子体产生的紫外线撞击显示格內的荧光粉，就成为波长较长的 RGB 三原色可视光线。 使用荧光粉来发光这一点，与显像管（ CRT ）的原理有些类似。而等离子体本身就会发光的特点，与需要背光板的液晶显示技术却差别很大。但是只能有亮或暗的区分，无法如同液晶显示器一样

5、可以发出不同的亮度。 而 PDP 为了实现中间亮度的效果，只好采用特殊的闪烁方式。例如，如果想要在 16ms 反应时间內，显示只有白色一半的灰度效果，就只好在 16ms 內同时闪烁明暗，让亮的时间与暗的时间一样长 都是 8ms ，利用人类视觉无法辨别高频闪烁的特性，来制造出灰度的平均亮度。參考資料 :http:/.tw/seemore/cmo_p1_4_1.html* 随着数字化多媒体资讯时代的来临，消费者对于显示器的要求，越来越苛刻，不但要求画面清晰、色彩逼真、视角广、高亮度、薄型化的基本特性外，并且要具备能收播数字信号、连接网络等功能。*等离子体显示器正是能符合家庭要求的显示器。* 等离子

6、体面板显示器(Plasma Displat Panel,PDP)是利用气体放电产生发光的显示器，其发光原理基本上是与荧光灯的原理一样，都是在真空的玻璃管中注入惰性气体或水银气体，在利用加电压方式，使气体产生等离子体效应，而放出可见光或紫外光，此紫外光照射到涂抹在玻璃表面上的荧光粉时，荧光粉会激发出可见光。* 彩色PDP可以想像成被缩小化的荧光灯，有多个以阵列的方式聚集在一起放电，每一个放电空间称为一个单元（cell），这些放电空间中所封入的气体，经由施加高压电后，产生气体放电现象，发出的紫外线波长是以147nm为主，彩色PDP的荧光粉包括可发出红(R)、蓝(B)、绿(G)三原色的三种不同荧光粉

7、，再配合驱动电路的设计，可将这三种原色的光混合成各种各样的颜色。 *追溯最早的应用案例，则应该是1927年Bell System公司所做现场示范的气体放电电视，其尺寸大小为宽65cm，高75cm，其中包含有5050个气体放电单元，所使用的气体为氖气，当时该电视可显示每秒16个图像的灰度画面。 *在其之后发展实用化的气体放电显示器，则为1950年代所开发出来的NIXIE，其主要的功能是做为显示数字之用，且最大的优点是发展阵列式的数字显示器。 *1964年由伊利诺大学教授提出以电容取代电阻的方式，当施加合适的交流电压，即可使显示器工作并具有记忆功能，他们将此显示器正式命名为等离子体显示器面板(PD

8、P)，当时是利用环氧树脂将气体封闭在两层玻璃基板中。*1968年Owens-Illinois公司将AC型PDP实用化，其基板是采用较厚的6.3mm玻璃，以改善显示器的脆度，而其封合玻璃是以较高温处理的材料，这样做气体不受污染而达到较长的寿命。*在1970年Burroughs公司发展出自扫描(Self-ScanTM)方式而促使DC型PDP实用化，如下页图所示，此方式可大大的減少驱动电路，但这种DC型PDP显示器，有放电不一致的困扰。*松下电子所设计有辅助放电区域的DC-PDP，并且该公司配合优良的工艺技术，用此DC-PDP可以生产低价格的笔记本电脑，在当时也只有DC-PDP可以作为电脑的显示器，

9、松下公司一直以此产品称霸笔记本电脑到1980年代。*1983年商品化的直流型等离子体显示器(DC-PDP)，则是利用汞蒸气作为放电气体，以达到长寿命的目的。*Burroughs公司所发明的(Self-ScanTM)直流型等离子体型面板显示器*松下公司所设计的DC-PDP结构图*伊利诺大学所开发的AC-PDP，是在前面玻璃板的中间产生气体放电，因此称为对向型AC-PDP，但是现在彩色面板放电型AC-PDP的基本结构，是由G.W.Dick博士发表，如下图所示，在电极对的中间有介电层，当施加电压于电极上，即产生电场而行成气体放电。*最早的对向型AC-PDP的原型样本*19701980年代，彩色PDP

10、的发展是以DC-PDP为中心。*在1974年日立所发展的文献做为基础，其发光的基本原理是利用阴极辉光(Negative Glow)区域，所放射出来的真空紫外线，再由紫外线激发位于阴极附近的荧光粉，而产生可见光。由于此种方式的PDP可以自扫描 (Self-ScanTM)方式操作，因此可大大減少驱动电路，而降低生产成本。*NHK放送技术研究所研究开发的DC-PDP，是将PDP由基本的自行扫描型转换为平面构成，使得其性能更向前迈进。*在AC-PDP的彩色化过程中，早期是对向型电极，因此阴极与阳极是随着交流电压的周期而交替地改变，如此不论荧光粉涂抹在哪一侧的电极上，都会受到离子的溅射撞击而使其寿命降低

11、，所以长寿命的彩色AC-PDP一直是研究开发的重点。*1989年左右富士通公司开始发展三电极面放电型彩色PDP的实用化产品，在1990年发表了ADS驱动方式，且成功将具有可显示红色、绿色，与其混合色的20寸三色AC-PDP推出市场。该公司在1992年发表有利于大量生产的直线型阻隔壁结构，并且成功开发出引人注目的21寸全彩PDP，各公司都投入彩色AC-PDP的量产开发。*PDP真正引人所注目的时间是在1994年，由富士通公司卖给纽约的证券交易所1200台的21寸AC型PDP。在1995年后，日本各家公司开使朝向42寸的彩色PDP开发，在1996年称为PDP量产元年。*由于AC-PDP的快速发展，

12、且在1996年将42寸的产品商品化后，目前彩色的PDP商品都是以AC-PDP为主，事实上PDP制造工艺成品率一直无法提高，因此价格一直无法降低，以致于无法快速普及。* * 1983年PDP都是单色，且依照气体放电时，所施加的电压不同型式，可分为直流型(DC)与交流型(AC)，DC型的PDP是以直流(DC)电压启动放电，因此在结构中不可以有介电体层或电容层的存在，因而导致无法累积壁电荷于介电层上，使得其需要很高的启动放电电压。为了要降低启动电压，因而设计有辅助阳极与辅助放电通道，以辅助启动放电，又为了容易限制放电电流，以增加PDP寿命，因而在每个单元中设计有电阻层，以降低放电电流。* AC型PD

13、P在放电电极上，有覆盖透明介电层与耐离子轰击的氧化鎂保护。因为AC型的PDP有结构简单与寿命长的优点，因此目前商品化彩色PDP产品，都是AC型的PDP为主，在以下我们也是主要讨论彩色AC型的PDP 。等离子体显示器气体放电原理概述气体发生稳定放电的区域：正常辉光放电区(EF) 反常辉光放电区(FG) 弧光放电区(GH)气体放电的伏安特性非自持放电区，电流很小，10-2010-12A，特点是外界电压取消后，放电立即停止，起始带电粒子完全是由外界电离源提供的；自持暗放电区，此时放电电流为10-1110-7A之间，管压降接近电源提供的电压；过渡区（欠辉区），管压降突然下降，电流急剧增加，其中D点称为

14、着火电压（起辉电压、击穿电压）；正常辉光放电区，电流在10-410-1之间，E点电压称为维持电压，管内出现明暗相间的辉光，管压降维持不变；异常辉光放电区，如加大电流并使电压突破G点，则电流突然猛增，管压降突然降低，进入弧光放电区；弧光放电区，是一种自持放电状态，管内出现明暗的弧光放电电流在10-1A以上。G点称为弧光放电的着火电压。辉光放电的发光 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

15、。 (3) 管压降明显低于着火电压，并且不随电流而变。电流为毫安级。电流密度为A/cm2至mA/cm2数量级。 (4) 阴极电子发射主要是过程。正常辉光放电的光区分布：一个充氖的冷阴极放电管长50cm，气压P133Pa，在正常辉光放电时的光区和电参量分布(1)阿斯顿暗区 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 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。但电子数量不大，激发很微弱。(3)阴极暗区 电子离开阴极后，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

16、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。在正常辉光放电时的光区和电参量分布(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。 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。负辉区中电子和正离子浓度比正柱区中约大20倍。在正常辉光放电时的光区和电参量分布（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。在

17、正常辉光放电时的光区和电参量分布（6）正柱区 在任何位置电子密度和正离子密度相等，净空间电荷为零。电场沿管轴均匀分布。因正离子的迁移率很小，放电电流主要是电子流。正柱区中有一定的轴向电场强度，电子从电场中获得一定的能量，产生一定数量的碰撞电离和激发。 （7）阳极区 在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。在正常辉光放电时的光区和电参量分布正常辉光放电规律： (1)在正常辉光放电时，放电仅仅发生在阴极表面的一部分面积上，随着放电电流的增大，阴极表面的辉光面积也随之增大，而在这个过程中，阴极电流密度jcn则保持不变，阴极位降Ucn也保持常数。当阴极面积全部被辉光覆盖后，若继续增大电流，则阴极位降Ucn随之增加，放电转入了反常辉光放电阶段。 (2)当放电的其他条件保持不变时，正常辉光放电阴极位降区的长度dcn随气压P成反比例变化。即Pdc常数 (3)当气压P改变时