等離子顯示技術(shù)

1、沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)光電顯示作業(yè)作 業(yè) 題 目： 等離子顯示技術(shù) 學(xué) 院 名 稱： 理學(xué)院 專 業(yè)： 應(yīng)用物理 學(xué) 生 姓 名： 袁兵華 學(xué)號： 120702120 指 導(dǎo) 教 師： 權(quán)善玉 等離子體顯示技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 引言等離子體顯示器（PDP）的出現(xiàn)至今已有很長的歷史，但直到1990年代初才突破彩色化、亮度和壽命等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)入彩色PDP的實用化階段，其亮度均勻、無X射線輻射、抗電磁干擾能力強(qiáng)、對迅速變化的畫面響應(yīng)速度快、視角大、易于實現(xiàn)大畫面顯示等優(yōu)點，覆蓋了從30in到70in的高分辨率顯示領(lǐng)域，是高清晰度電視（HDTV）的主要候選者。但由于該類顯示器功耗大、亮度和光效率低

2、、工作時容易發(fā)生像素間串?dāng)_、價格昂貴等，目前還難于普及推廣到家庭用戶。因此，世界上的許多PDP生產(chǎn)廠家，如松下、富士通、LG、Plasma等公司，針對PDP存在的問題，做了許多相應(yīng)的研究并取得了重大突破。本文介紹了目前世界各PDP生產(chǎn)公司和研究機(jī)構(gòu)在改進(jìn)PDP的結(jié)構(gòu)技術(shù)、驅(qū)動電路技術(shù)以及其他應(yīng)用技術(shù)等方面所做的研究和取得的進(jìn)步，并且根據(jù)目前等離子體顯示技術(shù)存在的問題，對今后PDP的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。1等離子顯示器1.1等離子顯示器的工作原理PDP是一種利用氣體放電的顯示技術(shù)，其工作原理與日光燈很相似。它采用了等離子管作為發(fā)光元件，通過在管子兩端的激勵電極上加入電壓，使放電空間內(nèi)的混合惰性氣體

3、電離成一種特殊物理狀態(tài)電漿狀態(tài)1，同時發(fā)生等離子體放電現(xiàn)象。氣體等離子體放電產(chǎn)生紫外線，紫外線激發(fā)熒光屏，熒光屏見光，發(fā)射出可顯現(xiàn)出圖像。當(dāng)使用涂有三原色（也稱三基色）熒光粉的熒光屏?xí)r，紫外線激發(fā)熒光屏，熒光屏發(fā)出的光則呈紅、綠、藍(lán)三原色。當(dāng)每一原色單元實現(xiàn)256級灰度后再進(jìn)行混色，便實現(xiàn)彩色顯示。等離子管組成原理如圖1所示。圖1 等離子管組成原理1.2 等離子顯示器的特點等離子顯示器是采用了近幾年來高速發(fā)展的等離子平面屏幕技術(shù)的新一代顯示設(shè)備。這種顯示器的主要特點是圖像真正清晰逼真，在室外及普通居室光線下均可視，可提供在任何環(huán)境下的大屏視角，不會因磁場影響產(chǎn)生色彩、幾何失真及噪音等優(yōu)勢。具體

4、有以下比較突出的特點：亮度、對比度高；色彩還原性好；顯示效果非常出色；純平面圖像無扭曲；超薄設(shè)計、超寬視角；具有齊全的輸人接口2，可接駁市面上幾乎所有的信號源；具有良好的防電磁干擾功能；環(huán)保無輻射；散熱性能好；無噪音困擾。1.3 等離子顯示器的分類PDP產(chǎn)品根據(jù)限制電流的方式或是在放電時所施加的電壓形式可簡單分為DC型PDP和AC型PDP兩種。DC型PDP是以直流（DC）電壓啟動放電并用電阻來限制放電電流的大小，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，容易在等離子體放電時受到離子碰撞導(dǎo)致?lián)p壞及劣化，縮短PDP壽命，很難設(shè)計電路并且無法有效控制產(chǎn)品的質(zhì)量；AC型PDP在放電電極上覆蓋有透明介電層與耐離子撞擊的保護(hù)層，可以

5、利用交流（AC）電壓在介電層表面引發(fā)放電，其電極上覆蓋有保護(hù)層耐離子撞擊，壽命較DC型長。由于AC型PDP有結(jié)構(gòu)簡單、壽命長的優(yōu)點，因此目前PDP產(chǎn)品是以AC型PDP為主流。2 等離子體顯示技術(shù)的研究現(xiàn)狀2.1 PDP結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究PDP結(jié)構(gòu)技術(shù)的研發(fā)工作一直圍繞著障壁技術(shù)、電極的制造工藝和材料進(jìn)行。在AC-PDP器件中，障壁的主要作用有兩點：一是保證兩塊基板間的放電間隙，確保一定的放電空間；二是防止相鄰單元間的光點串?dāng)_。對障壁幾何尺寸的要求是寬度應(yīng)盡可能窄，以增大單元的開口率，提高器件亮度，同時要求高度一致、形狀勻稱。障壁的主要制作技術(shù)有絲網(wǎng)印刷法、噴沙法，現(xiàn)在又提出并試驗成功了許多新工藝，

6、如光敏漿料法、模壓法、玻璃原料成型技術(shù)、刻蝕研磨法3。目前噴沙法是制作障壁的主流技術(shù)。障壁的形成是PDP制造中最關(guān)鍵也是最困難的工藝。所以開發(fā)工藝簡單，材料成本低的障壁制作技術(shù)是一項降低PDP成本的有效措施。因此，各PDP制造公司和研究機(jī)構(gòu)對于新型障壁制作方法的研究開發(fā)十分積極。PDP的電極也起著舉足輕重的作用：透明電極、匯流電極和尋址電極材料的選擇和制作工藝由器件對其的光電要求決定，要考慮到導(dǎo)電性、對基板的附著力和保護(hù)介質(zhì)的兼容性，同時又要在工藝滿足簡易性和經(jīng)濟(jì)性。透明電極一般是用ITO制成，為了增強(qiáng)它的導(dǎo)電性，在這上面加做一條金屬匯流電極（bus電極），尋址電極一般是厚膜Ag電極。現(xiàn)在已有

7、研究機(jī)構(gòu)提出了用柵極Cr/Cu/Cr電極結(jié)構(gòu)來代替原來傳統(tǒng)的顯示電極。常見的PDP結(jié)構(gòu)有Waffle障壁和T型電極結(jié)構(gòu)、Delta蜂窩狀單元及彎曲障壁結(jié)構(gòu)、CSP結(jié)構(gòu)、不等寬結(jié)構(gòu)和CCF（彩色濾光）膜結(jié)構(gòu)。采用Waffle 障壁結(jié)構(gòu)可擴(kuò)大熒光體所占比例，提高20%的發(fā)光效率。此外，采用T字型透明電極來抑制放電峰值電流，以此來提高發(fā)光效率。目前，先鋒公司研制的新結(jié)構(gòu)表面放電型的AC-PDP就是采用了Waffle障壁結(jié)構(gòu)和T型電極4以及新型綠、藍(lán)熒光粉，并提高放電氣體中的氙氣含量，使得42英寸PDP的發(fā)光效率提高到1.8lm/W，白場峰值亮度提高到900cd/m2，功耗降到380W，但有電極對位和

8、排氣上的困難。富士通公司開發(fā)的彎曲障壁AC-PDP的像素結(jié)構(gòu)為像素三角形排列和彎曲形障壁(Meander ribs )結(jié)構(gòu)5，即所謂的DelTA(Delta Tri 2colorArrangement)結(jié)構(gòu)。其設(shè)計思想是增大熒光粉的涂覆面積，增加單元中的有效發(fā)光面積，從而使亮度和光效都得到提高，同時備有一定的排氣管道。如像素大小為1.08mm的DelTA結(jié)構(gòu)，亮度為200cd/m2時發(fā)光效率可達(dá)3lm/W白場峰值高達(dá)1000cd/m2，實現(xiàn)了高亮度高光效，并使排氣暢通，但是提高了對電極對位精度的要求。韓國LG 公司提出CSP (charge storage pad)結(jié)構(gòu)6，在透明介質(zhì)層與MgO

9、保護(hù)膜之間添加一形狀為方形，相互間隔離并與外電路分離、處于浮動狀態(tài)的透明導(dǎo)電材(ITO)，該導(dǎo)電體可以起屏蔽和增加電容，儲藏電荷的作用。同時還可以平抑電流強(qiáng)度，延長放電時間，提高發(fā)光效率。又由于浮動狀態(tài)的CSP塊與維持電極相比電壓較低，所以電荷被限制在CSP塊之間，所以還能起到降低串?dāng)_的作用。實驗結(jié)果表明，CSP與普通結(jié)構(gòu)相比，發(fā)光效率提高1.6倍，而且亮度也提高了1.6倍。Waffle結(jié)構(gòu)和Delta結(jié)構(gòu)中RGB三色熒光粉都是等寬的，但考慮到在RGB三色熒光粉發(fā)光效率不一致，而且衰減也不一致，這就帶來色溫和色平衡的壽命問題。特別是藍(lán)色熒光粉目前還存在發(fā)光效率偏低和衰減較快的問題，所以除了從熒

10、光粉著手外還可以從單元結(jié)構(gòu)入手。松下公司提出的非對稱單元結(jié)構(gòu)，特別擴(kuò)大了藍(lán)色熒光粉的面積，成功地解決了色溫偏低的問題，使色溫偏差可以高于10000K，解決了色溫和色平衡的問題。但是，這樣的結(jié)構(gòu)同時也會帶來單元工作電壓偏差范圍增大的問題。NEC公司則通過在前基板上添加彩色濾光膜(CCF)的方法來改善屏的色溫和對比度，將CCF制作在顯示電極(X、Y電極)與介質(zhì)層之間，并與后基板上配置的三色熒光粉相對應(yīng)，能擴(kuò)大彩色再現(xiàn)范圍，達(dá)到10000K左右的白場色溫，提高對比度。Plasmaco提出的柵型Cr/Cu/Cr電極結(jié)構(gòu)7，成功應(yīng)用于60英寸AC型PDP。位于前基板的每條顯示電極(X、Y電極)都由三條很

11、細(xì)的Cr/Cu/Cr薄膜電極組成，它們提供了與透明電極類似的較大放電區(qū)域和電容。一方面，當(dāng)一根或二根電極斷路時，可以保持導(dǎo)電；另一方面，提高了開口率從而提高了亮度。由于金屬Cr較易氧化成黑色，這又可以提高對比度。另外，由于Cr/Cu/Cr電極無須高溫工藝，因此可采用普通鈉鈣硅玻璃，降低了材料成本。但Cr/Cu/Cr電極制造過程也比較復(fù)雜，須采用濺射工藝，而且在刻蝕中使用三種不同刻蝕液，須經(jīng)三次刻蝕，并且存在邊蝕等工藝難題。這一結(jié)構(gòu)的商業(yè)化生產(chǎn)還處于研究之中。障壁材料的選擇在整個障壁制作中也十分重要，直接關(guān)系著障壁的制作工藝的難易和制作成本的高低。普通的絲網(wǎng)印刷采用的是低熔點玻璃粉材料。噴沙法先

12、用耐噴沙的光敏膠或光敏干膜用光刻法制成圖形，噴沙時利用障壁材料和光敏膠的選擇性刻蝕形成障壁圖形，再經(jīng)去膠和燒結(jié)而成。但是這兩種方法都存在成本高，成品率低的缺點，因此很多研究機(jī)構(gòu)開始考慮不采用障壁而采用別的方式來重新考慮PDP的結(jié)構(gòu)。富士通提出了一種新型的PDP結(jié)構(gòu)，采用管徑為1mm左右細(xì)長的等離子管陣列來代替原有的條狀障壁結(jié)構(gòu)。由于顯示屏是由這些細(xì)小的管子排列而成，屏幕尺寸僅取決于管子的數(shù)目，實現(xiàn)大尺寸就不會受到生產(chǎn)設(shè)備的限制，即使是生產(chǎn)100英寸的大屏幕也只需要生產(chǎn)單個管子的設(shè)備。同時，由于熒光粉涂覆在管內(nèi)，而管子只有兩頭與空氣接觸，灰塵不易進(jìn)入，就降低了對生產(chǎn)環(huán)境無塵的要求。試驗表明，該種

13、結(jié)構(gòu)的PDP完全可以采用已有的驅(qū)動方式，從整體來說在很大程度上降低了生產(chǎn)的成本。同時，等離子體管的放電間距與放電空間較大，發(fā)光的效率較普通的PDP高，但是圖像的質(zhì)量還有待改進(jìn)。東南大學(xué)發(fā)明的一種新型的蔭罩式PDP(SM-PDP)結(jié)構(gòu)8，不用介質(zhì)障壁而用金屬網(wǎng)罩將各個放電單元隔開，避免了光點串?dāng)_。SM-PDP屬于對向式表面放電，工作時，上基板的掃描電極、下基板的尋址電極、中間的金屬罩各加上一電壓。在交變電壓的作用下，使氣體放電發(fā)光。試驗表明，金屬蔭罩作為導(dǎo)體能夠影響放電單元中電場的分布，類碗狀金屬蔭罩能更好地將放電粒子集中在放電單元的中心，一方面可以改善離子束的聚焦情況，提高圖像的顯示質(zhì)量；另一

14、方面也減小了粒子對金屬障壁上熒光粉的轟擊，延長了PDP的使用壽命。2.2 PDP驅(qū)動電路技術(shù)的研究對于彩色PDP來說，必須要有驅(qū)動電路才能正常的工作。驅(qū)動電路無論在技術(shù)上還是在價格上都起著舉足輕重的作用。一個性能良好的PDP彩色電視，驅(qū)動電路占到總成本的70%80%。因此如何開發(fā)出適合彩色PDP的驅(qū)動電路也是提高其性能、降低成本的重要因素。目前常用的驅(qū)動技術(shù)有ADS驅(qū)動技術(shù)、ALIS技術(shù)、Plasma AI技術(shù)、CLEAR技術(shù)、AwD技術(shù)、斜坡啟動驅(qū)動技術(shù)等。富士通提出的選址和顯示分離技術(shù)ADS(Address and Display Separation)采用脈沖個數(shù)調(diào)制方式來實現(xiàn)不同灰度等

15、級的圖像。ADS技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)256級灰度，但是點亮占空比低，對比度不高，峰值亮度難以提高，存在運動圖像模糊、偽輪廓、畫面閃爍和長時間圖像水紋印9等現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像質(zhì)量不太令人滿意。但已有研究表明，可以采用改進(jìn)的二進(jìn)制編碼法10、非二進(jìn)制編碼法和運動補(bǔ)償?shù)姆椒▉硐齻屋喞?，提高圖像質(zhì)量。改進(jìn)的二進(jìn)制編碼法、非二進(jìn)制編碼法是目前等離子體顯示屏所普遍采用的方法，但是這兩種方法只是部分的改進(jìn)了圖像的質(zhì)量；而運動補(bǔ)償方法從理論上可以消除顯示運動圖像出現(xiàn)的問題?，F(xiàn)在有研究機(jī)構(gòu)提出將運動補(bǔ)償法與ADS視頻驅(qū)動模塊緊密結(jié)合在一起：在研究了人眼觀看視頻圖像時的視覺心理模型后，提出將空間積分的影響加入到人眼的視

16、覺心理過程；并采用將子場和視頻幀分離的視頻驅(qū)動優(yōu)化方法和基于bit位進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，充分利用PDP子場尋址方式來實現(xiàn)補(bǔ)償，更進(jìn)一步的是，將數(shù)字信號處理的相關(guān)算法引入到PDP顯示屏的視頻驅(qū)動模塊中，通過信號處理來提高顯示的圖像質(zhì)量，適應(yīng)了高端顯示器件的發(fā)展方向。針對ADS驅(qū)動技術(shù)存在的問題，富士通又提出了ALIS（表面交替發(fā)光）。該驅(qū)動技術(shù)關(guān)鍵是利用不點亮的顯示行的兩個電極之間的零電壓，將該行作為非發(fā)光區(qū)，從而將單元之間彼此的放電干擾減小到最低程度。ALIS技術(shù)的匯流電極位于維持電極的中央，能夠最大限度地利用表面空間，發(fā)光面積也增大了50%。由于顯示線增加了一倍，因此非常易于實現(xiàn)高清晰化。采用A

17、LIS技術(shù)使用原來的屏生產(chǎn)設(shè)備就可生產(chǎn)1000線高清晰的PDP。并且，由于1000線不需分割驅(qū)動，可使驅(qū)動IC減少一半，大大降低了成本。可以說ALIS技術(shù)是實現(xiàn)高清晰度PDP較為理想的技術(shù)。松下公司提出的Plasma AI也是ADS的改進(jìn)技術(shù)，根據(jù)某一電視場圖像中平均亮度水平來調(diào)節(jié)子場數(shù)。由于在低亮度的情況下，圖像的偽輪廓不是很明顯，可以減少子場數(shù)，高亮度的情況下相應(yīng)的采用增加子場數(shù)的辦法來改善子場在時間分布上的線性關(guān)系，以降低偽輪廓。先鋒公司提出的CLEAR是一種區(qū)別于ADS的新穎的驅(qū)動技術(shù)。在CLEAR中，初始化后即進(jìn)入維持點亮階段，灰度等級到達(dá)后，再選擇擦除（熄滅）。CLEAR技術(shù)采取的

18、圖像處理方法為誤差擴(kuò)散法和高頻振蕩法。其灰度實現(xiàn)在時間分布上的線性排布徹底去除了偽輪廓，提高了PDP表現(xiàn)動畫的能力，但是增加了電路開銷，不易在灰度等級中實現(xiàn)補(bǔ)償再現(xiàn)，并且很難降低工作頻率。AwD11技術(shù)是選址同時顯示技術(shù)，發(fā)光的占空比高達(dá)90%。顯示屏的結(jié)構(gòu)特點是尋址電極分為上下兩部分，同時掃描尋址。在低選址電壓AwD中，選址掃描階段不僅依靠壁電荷，而且依靠空間分布亞穩(wěn)態(tài)Xe原子產(chǎn)生放電，所以可降低點亮電壓，也是一種比較好的驅(qū)動方法。L. F. Weber提出的斜坡啟動驅(qū)動技術(shù)，利用了平衡弱放電時低發(fā)光使壁電壓趨于一致的原理。在準(zhǔn)備期保持較好的對比度和控制放電單元狀態(tài)的情況下，采用斜坡電壓來提

19、高發(fā)光效率。當(dāng)波形上升斜率很小時，發(fā)電單元就會發(fā)生湯生暗放電。這種驅(qū)動方法一方面能使不同空間尺寸單元的壁電壓維持一致；另一方面可以降低選址電壓，還可大幅提高對比度。在PDP驅(qū)動電路中涉及成本的一個重要部分是高壓驅(qū)動部分，一是因為它所要求的電壓高，二是因為目前的需求量還沒有達(dá)到批量生產(chǎn)的水平。解決途徑一邊可以從電路本身著手，另外通過設(shè)計優(yōu)化放電單元可以有效降低驅(qū)動電壓，比如SM-PDP。由于采用導(dǎo)電金屬材料作為障壁，SM-PDP在EMI散熱等方面優(yōu)于傳統(tǒng)障壁結(jié)構(gòu)的SM-PDP的蔭罩的邊緣處場強(qiáng)比較高，從而可以在較低的外加電壓情況下快速地產(chǎn)生放電過程。采用SM-PDP結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點是帶動了整機(jī)成本的

20、下降，首先是復(fù)雜的障壁生產(chǎn)工藝和流程因采用了簡單的蔭罩而簡化了，其次是蔭罩型結(jié)構(gòu)可以采用較低的著火電壓從而帶動驅(qū)動芯片成本的降低。2.3 理論與計算機(jī)模擬技術(shù)理論研究和模擬計算是PDP研究中十分重要的內(nèi)容，是圍繞提高PDP發(fā)光效率，降低功耗進(jìn)行的，具體在放電單元結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣體壓強(qiáng)、稀有氣體最佳混合比例、熒光粉涂覆等方面進(jìn)行理論研究工作?，F(xiàn)常用理論模擬或監(jiān)測放電單元發(fā)射的真空紫外線來進(jìn)行彩色PDP的放電機(jī)理研究，如研究真空紫外光發(fā)光效率和等離子體粒子濃度的關(guān)系，尋找氦氖混合氣體的最佳比例，以提高PDP放電單元的發(fā)光效率；同時，在PDP放電單元中，Mg O起著保護(hù)電極和介質(zhì)層的作用，同時產(chǎn)生大量的

21、二次電子。由于提高放電單元中二次電子發(fā)射系數(shù)能夠有效提高發(fā)光效率，降低著火電壓，改善PDP放電單元的放電特性，所以研究在不同氣體混合比例下二次電子的發(fā)射系數(shù)也是十分有意義的課題。此外，放電單元的結(jié)構(gòu)對PDP發(fā)光效率也有著不可忽略的影響，很多研究通過模擬計算來對PDP放電單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和分析，從而優(yōu)化PDP的結(jié)構(gòu)，提高PDP放電的效率。同樣，熒光粉本身的性質(zhì)對PDP的發(fā)光效率也有影響：在PDP放電單元中，Xe放電產(chǎn)生的VUV照射熒光粉產(chǎn)生可見光，所以要求熒光粉材料有較高的量子效率和對VUV的較低的反射率。有基于Mai散射理論的PDP放電單元中光子轉(zhuǎn)換過程的模擬計算表明，對于厚度為2030m的

22、熒光粉層，熒光粉顆粒的最佳半徑是12m。2.4其他PDP應(yīng)用技術(shù)目前，其他PDP技術(shù)還有：多屏幕應(yīng)用技術(shù)、PDP性能增強(qiáng)技術(shù)、視端接口技術(shù)、控制電源技術(shù)12等。其中，多屏幕應(yīng)用技術(shù)包括了用于多屏幕觀賞的圖像放大技術(shù)、遙控號碼指定技術(shù)、RGB有源直通連接技術(shù)等。PDP性能增強(qiáng)技術(shù)是諸多PDP生產(chǎn)公司為了提高等離子屏的工件性能而開發(fā)的新技術(shù)，包括等離子真實還原技術(shù)、對比度自動跟蹤技術(shù)、逐行掃描技術(shù)等。視端接口技術(shù)是繼松下公司向市場推出世界上首臺支持BS數(shù)字廣播電視及110°CS數(shù)字廣播電視兩種制式的PDP電視機(jī)TH-42PX10之后，先鋒、富士通和東芝以及國內(nèi)許多公司也陸續(xù)采用的新技術(shù)，并且各自推出了內(nèi)置電視調(diào)諧器的新機(jī)型。控制電源技術(shù)包括待機(jī)電源技術(shù)、邏輯電源技術(shù)、驅(qū)動電源技術(shù)、音頻電源技術(shù)、維持電源技術(shù)、尋址電源技術(shù)、建立電源技術(shù)和掃描電源技術(shù)等。3 等離子體顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢雖然目前等離子體顯示技術(shù)水平有了很大提高，但仍存在著一些問題，主要是：產(chǎn)品功耗、成本過高；分辨率、對比度、發(fā)光效率有待提高