(东南大学)等离子体显示-电子书

1、等离子体平板显示东南大学一、等离子体物理 1901年12月12日，发生了一件使当时的科学家们为之一惊的“怪事”。在加拿大的纽芬兰收到了英国人马克尼从英国康沃尔发出的电讯号。人们在当时怎么也弄不明白，一向以直线传播的无线电波怎么会横越3400公里的大西洋，绕过弯曲的地球表面传到纽芬兰呢？原来这是等离子体在作怪。 等离子体又被称为物质的第四态，它是由电子和正离子组成的一种物质的聚集态。众所周知，物质的聚集态随着物质温度的升高会发生由固态到液态最后到气态的变化。然而，这只是常温状态下的情况，如果温度升高，达到几万度甚至几十万度，则分子和原子之间已难以相互束缚，原子中的电子也会摆脱核的束缚而成为自由电

2、子，这样原来的气体就变成了一团由电子和核离子组成的混合物。这种混合物就称为等离子体。等离子体是一种全新的物质的状态，它与气体有本质的区别。 等离子体的存在使本节开头的问题得到解决。英国的物理学家海维赛德和美国电气工程师肯涅利在等离子体概念确立之前就设想大气层的高处有一个带电粒子层（等离子层），无线电波向四面八方传播时，有一部分向地面上空传播，这部分电磁波遇到了高空中的带电粒子层就反射回来传到远处。30年代英国物理学家阿普顿（E.V.Appleton）用实验证实了高空中电离层的存在，因而他获得了1947年度的诺贝尔物理学奖。 等离子体有下述特征： 1等离子体是一种由带电粒子构成的物质的聚集态，这

3、许多粒子的集体对外界物质进行作用。如前所述，是电离层对电磁波进行反射，而不是单一的粒子对电磁波的散射。这种效应就是由于诸带电粒子之间的库仑作用而导致的“协作效应”。而对一般的气体而言，诸分子之间的相互作用只是近程的相互作用（如碰撞），所以一般的气体无协作效应。 2等离子体基本上是电中性的，因为它是在星电中性的气体的基础上形成的。 3离子体具有很高的温度。一般说来，即使温度在 1 万左右，物质中等离子体所占的比例约为1%。因此，在我们生存的空间，等离子体现象很少见。然而宇宙中大量的物质均以等离子体的形式存在，等离子体约占宇宙物质的99，甚至更多，这是因为宇宙中大部分物质都集中在恒星内，而恒星的温

4、度都比较高，如太阳中心的温度高达1千万，那里的物质显然都以等离子体的形式存在。 离子体物理是研究等离子体的性质及其和外界相互作用的学科。 等离子体显示技术介绍 等离子体显示器又称电浆显示器，是继CRT(阴极射线管)、LCD（液晶显示器）后的最新一代显示器，其特点是厚度极薄，分辨率佳。可以当家中的壁挂电视使用，占用极少的空间，代表了未来显示器的发展趋势。 等离子体显示技术之所以令人激动，主要出于以下两个原因：可以制造出超大尺寸的平面显示器（50英寸甚至更大）；与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，从而使视角扩大到了160度以上。另外，等离子体显示器的分辨率等于甚至超过传统的显示器，所显示

5、图像的色彩也更亮丽，更鲜艳。等离子体显示技术（Plasma Display)的基本原理是这样的：显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，它们再发出我们在显示器上所看到的可见光。换句话说，利用惰性气体（Ne、He、Xe等）放电时所产生的紫外光来激发彩色荧光粉发光，然后将这种光转换成人眼可见的光。等离子显示器采用等离子管作为发光元器件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕，每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体。在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产

6、生紫外光激发平板显示屏上的红、绿、蓝三原色荧光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和彩色的图像，与显像管发光很相似。 从工作原理上讲，等离子体技术同其它显示方式相比存在明显的差别，在结构和组成方面领先一步。其工作原理类似普通日光灯和电视彩色图像，由各个独立的荧光粉像素发光组合而成，因此图像鲜艳、明亮、干净而清晰。另外，等离子体显示设备最突出的特点是可做到超薄，可轻易做到40英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到100毫米（实际上这也是它的一个弱点：即不能做得较小。目前成品最小只有42英寸，只能面向大屏幕需求的用户，和家庭影院等方面）。， 依据电流

7、工作方式的不同，等离子体显示器可以分为直流型（DC）和交流型（AC）两种，而目前研究的多以交流型为主，并可依照电极的安排区分为二电极对向放电（Column Discharge）和三电极表面放电（Surface Discharge）两种结构。 等离子体显示器具有体积小、重量轻、无X射线辐射的特点，由于各个发光单元的结构完全相同，因此不会出现CRT显像管常见的图像几何畸变。等离子体显示器屏幕亮度非常均匀，没有亮区和暗区，不像显像管的亮度-屏幕中心比四周亮度要高一些，而且，等离子体显示器不会受磁场的影响，具有更好的环境适应能力。 等离子体显示器屏幕也不存在聚焦的问题，因此，完全消除了CRT显像管某些

8、区域聚焦不良或使用时间过长开始散焦的毛病；不会产生CRT显像管的色彩漂移现象，而表面平直也使大屏幕边角处的失真和色纯度变化得到彻底改善。同时，其高亮度、大视角、全彩色和高对比度，意味着等离子体显示器图像更加清晰，色彩更加鲜艳，感受更加舒适，效果更加理想，令传统显示设备自愧不如.dsn)GC与LCD液晶显示器相比，等离子体显示器有亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对快速变化的画面响应速度快等优点。由于屏幕亮度很高,因此可以在明亮的环境下使用。另外，等离子体显示器视野开阔，视角宽广（160度），能提供格外亮丽、均匀平滑的画面和前所未有的更大观赏角度。当然，由于等离子体显示器的结构特殊也带来一些弱点。

9、比如由于等离子体显示是平面设计，其显示屏上的玻璃极薄，所以它的表面不能承受太大或太小的大气压力，更不能承受意外的重压。等离子体显示器的每一个像素都是独立地自行发光，相比显示器使用的电子枪而言，耗电量自然大增。一般等离子体显示器的耗电量高于300瓦，是不折不扣的耗电大户。由于发热量大，所以等离子体显示器背板上装有多组风扇用于散热。 等离子体显示技术进展 一、改进结构 PDP的基本结构是由前后两块玻璃基板组成的。在前基板上面制作有汇流电极、透明电极、支撑电极等；后基板上则制有与前基板上电极互相垂直的电极与肋条，并涂有荧光粉。前基板作为PDP的阳极，后基板则作为PDP的阴极。肋条用于隔离后基板，以形

10、成放电空间，并分隔与构成像素单元，以防止因像素间窜扰而恶化像质。在放电空间内有用作气体离子化放电的惰性气体(通常是氖气)。 PDP中的荧光粉应精确定位。因为虽然从理论上讲所有在像素四壁及顶和底上的荧光粉都会因放电而受激发光，但是在放电过程中，产生的电极溅射会引起荧光粉的恶化，从而导致PDP的寿命缩短。为了解决这个问题，在传统的做法中，要避免在PDP阴极着粉，以免使产生的正离子撞击阴极，引起强烈的溅射。但是日本富士通公司以简单的结构解决了这个问题。在此结构中，阴极与前基板的支撑电极相一致，不在前板上涂荧光粉，可将溅射减至最小；而在全部后极上涂粉，可以提高光效。利用这种结构，日本富士通、三菱以及N

11、EC公司已生产出了40英寸与42英寸的PDP。 二、制作PDP的新材料 在AC-PDP与DC-PDP中，铅玻璃常常被用作介电层的基底。这是因为铅玻璃具有良好的电气特性，并能在600的温度以下烧结。但由于铅有较强的氧化还原性，在烧结中，会与氧化还原性小于其他金属电极材料，例如镍等发生反应，使铅玻璃中以离子形式存在的铅变成金属铅。又因铅的熔点低，蒸汽压强高，这就会在基底玻璃与电极材料间生成气泡，降低两种材料粘接的强度。为了避免这种现象的发生，美国Ferro公司做了较为成功的研究工作。 Ferro公司的主要做法是在玻璃中加入陶瓷成分，通过改变陶瓷流填充物的量来改变基底玻璃的微结构与流体性；同时，采用

12、把镍、玻璃焊料与高氧化性元素掺在一起，以用作阴极材料(材料代号为FX51-025)的做法，也可以用一些性能相近的金属材料代替镍作为阴极材料。该公司以银作为其PDP的电极材料。 三、提高发光效率性能 光效低是PDP的一个缺点。同样以气体放电激发荧光粉发光的荧光灯发光效率一般为80lm/W，而PDP则低得多。富士通公司的PDP发光效率仅为0.7lm/W，Plasma公司通过优化电极尺寸以及内充气体的组分，在其21英寸的P 四、提高亮度目前的AC-PDP产品的峰值亮度一般为350-400cd/m2，DC-PDP的则更低，这与CRT的700cd/m2亮度相比，差距还很大。日本富士通公司在其PDP产品上

13、采用了表面变光驱动系统(Alis)，以同样的间隔交变显示电极与扫描显示电极，使放电能够在所有的电极间进行，从而扩大了放电与光发射区域，在传统的PDP中，放电仅在显示电极与扫描电极对内进行，而在电极对与电极对间则不发生放电，从而限制了放电发光区域的面积。富士通公司以这种方法使其它PDP产品的亮度较传统PDP产品提高了0.6倍，达到了500cd/m2。在此基础上日本松下公司，又通过改进荧光粉材料，优化放电单元尺寸等手段，使其研制的42英寸PDP的亮度达到了550cd/m2。如果再对因采用滤光器等部件造成的亮度损失作补偿，可使亮度进一步达到600cd/m2。 Ferro公司上述各材料的组合能在530

14、580温度，烧结这些材料的压强为一个大气压，整个烧结过程为130分钟，其中在峰值温度(580)下为1020分钟。该公司用作肋条的材料是一种可用机械冲压、光刻或喷沙法加工的柔性材料。在该公司制作的PDP中，FX51-025阴极材料与FXl0-062基底材料间匹配得很好，几乎无气泡现象发生。 五、降低功耗 功耗大是PDP的一个弱点，对此，世界各PDP厂家都做了许多工作。例如美国Plasma公司通过采用减少PDP用电容的恢复支持电路，使其研制的21英寸彩色PDP的功耗减少了100W。日本先锋公司在其PDP产品中使用了4个先进的系统集成电路，也有效地降低了功耗。世界各PDP厂家的近期目标是把目前的30

15、0500W功耗降到200300W的水平。 六、提高分辨率 自PDP问世以来，在世界各PDP厂家的努力下，分辨率已有了很大的提高，特别是近期印刷制屏及光刻技术的进步，使得PDP的分辨率迅速提高。例如，1993年，美国Plasma公司在其21英寸的彩色PDP上实现了0.22mm的像素节距；1995年，25英寸的PDP像素节距达到了0.6mm；1997年，50英寸PDP取得了0.81mm的像素节距；而法国汤姆逊公司则在其研制的19英寸PDP上，制得了0.125mm的像素节距，取得了1024768像素(扩展图形阵列XGA)的分辨率。该公司和美国的Photonic公司还通过采用双基板结构，制出了具有12

16、801024像素的超XGA(SXGA)分辨率的PDP。 七、改进对比度 在彩色PDP中，需要利用预放电信号光(背景辉光)稳定PDP的发光。但是这样，在显示暗场时，屏上会出现模糊的光，从而降低了对比度。这就需要降低这种背景光，以确保PDP的暗场对比度。日本富士通公司已对此提出了一种子场寻址技术，用以降低PDP的背景辉光。这种技术就是把显示的每一帧图像分成一系列与灰度密度相对应的子场，以显示连续灰度的图像。在对选中的子场进行写入操作时，需要擦除前面子场的信息，并建立正常的壁电荷，而这个擦除与建立的过程是由能减少背景辉光的子场发微光微弱气体放电完成的。采用这种技术，美国Plasma公司在其PDP产品

17、上实现了2001的暗场对比度。 至于提高亮场对比度，则是通过以过滤层克服环境光与反射光，采用彩色过滤器(在彩色AC-PDP中)以及在肋条上部使用黑条带等方法实现的。 美国Plasma公司利用透射比为0.40的线路极化过滤器，抑制了其PDP前基板对环境光的反射和环境光两次通过荧光粉层造成的扩散反射，从而提高了亮场对比度。虽然这样会使亮度有所降低，但却是在可以接受的范围之内。日本先锋公司通过采用单透明电极结构的放电单元，提高了亮度，改进了对比度。它的工作原理是：光屏暗时，该单元便减少放电，恢复时便重新放电；而当屏亮时，则整个单元完全放电。这样，就能产生比传统PDP更暗的暗画面和更亮的亮画面，从而增

18、强了对比度。 八、克服虚像 在彩色PDP显示视频图像时，是通过调节视像的半场发射时间、寻址以及显示周期分离系统来产生层次的。但在把全场视像分割为半场时，会扰动层次与动态图的显示，产生虚像。此外，由于视像场发射时间在灰度变化时，会变得不均匀，这也会产生虚像。 克服虚像的方法有优化视像半场纠正信号，采用超快速写入等。日本先锋公司则采用分别驱动寻址电极，改进图像轮廓清晰度的方法，抑制了虚像的干扰。 九、提高彩色再现能力 目前，彩色PDP的彩色再现能力是逊于CRT的，其中一个原因是PDP内充的惰性气体在放电时会发出具有一定颜色的光，例如氖气会发出橙色光，它会降低对比度，引起显示颜色的改变。为了克服这一

19、问题，日本NEC公司设计了一种彩色过滤系统(CCF)，它是由红、绿、蓝(R，G，B)过滤器组成的。3种颜色是以条带形嵌在系统中，并被封于每个放电单元中。CCF能够通过抑制惰性气体放电所产生的光色来改进显示的色纯度。此外，调节CCF的密度，还可以显著地改变色温。日本富士通公司利用这种CCF，使其彩色PDP产品的彩色再现能力达到了传统型的1.6倍，与CRT相当。 由于人工智能技术与多媒体技术的发展，对PDP产品功能的要求也在提高。这就促使了多功能PDP产品的发展，例如日本先锋公司在其PDP电视中增加了计算机用途与动态图像显示功能，以满足数字化广播与多媒体等应用的需要。 现在，除了用于普通电视以及计算机显