电浆显示器的原理郭艳光.docx
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电浆显示器的原理郭艳光
新一代的顯示器------電漿平面顯示器
班級科研所博士班
姓名姜志忠
任課教師郭艷光
新一代的顯示器------電漿平面顯示器（報告學生:
姜志忠）
顯示器的歷史
發明於1897年的映像管，歷經兩次世界大戰，在顯示器領域早已築起不可搖撼的領導地位。
第二次世界大戰時，映像管被廣泛使用在軍事上的電子裝置和雷達方面，這個基礎提供了顯示器得以快速成長與提升技術的契機。
映像管具有畫質優良和價格低廉的特點，長久以來一直被採用為電視和電腦的顯示器，維持其不可替代的地位。
然而，年產180億美元，已經構築起堅實堡壘的映像管，如今卻也同樣在技術上，面臨著薄膜電晶體液晶顯示器（TFTLCD）、電漿顯示器（PDP）等各種平面顯示器（FPD）的挑戰，其領導地位已開始動搖。
進入90年代，LCD、PDP等各種技術逐漸商品化，緊緊跟在位居顯示器領先地位的映像管後面，亦步亦趨。
據了解，目前業界除映像管以外，有將近十種的顯示器相關技術正在開發，並且即將商品化。
目前桌上型電腦顯示器仍以CRT為主流，CRT是CathodeRayTube的縮
寫，這是電
腦螢幕和電視機的主要元件（其構造如上圖所示），它利用電子束打在塗滿磷化物（phosphor）的弧形玻璃上，後端則是使用陰極線圈放出的負電壓，以驅動電子槍將電子放射在弧形玻璃上，由於CRT本身是真空的，因此放射出來的電子不會受到空氣分子的阻礙，可以很準確的在弧形玻璃上發出光亮，得以讓人類看到電腦的執行結果，也稱為映像管。
CRT可以分為單色和彩色兩大類，單色的CRT只有一個電子槍，而彩色則有亮紅、綠色和藍色三支電子槍來組合成為不同的顏色，因為電子槍藉由打在弧形玻璃的磷化物上來顯示顏色，所以磷化物之間的距離越小，代表所製造出來的顯示器的解析度越高，這個距離稱為點距（dotpitch），通常常見的點距有0.22、0.25或是0.28mm。
CRT也常稱為VDT（VideoDisplayTerminal），但是嚴格來說，CRT代表的是映像管本身，而VDT則是整個電腦顯示器。
CRT的缺點是體積龐大，而取產生的輻射線，有危害人體健康的疑慮；而筆記型電腦使用的LCD，雖然亮度、視角廣度等問題已漸獲改善，但由於產品不易大型化（受制於堅固性和產品良率問題，只能做到30吋以下），又給了尺寸可大型化的電漿顯示器未來可望應用在家庭壁掛式電視機、桌上型電腦顯示器、工業顯示設備、及航空顯示設備等。
目前日本富士通已生產出42吋的電漿顯示器，價格約120萬日圓，台灣廠商目前已知有製造電漿顯示器的計畫，該公司曾宣稱這一兩年可以開始生產，不過據了解似乎不大順利。
不過可預期的是電漿顯示器將在21世紀佔有一席之地。
平面顯示器（flatdisplaypanel，FDP）：
目前大部份的電視機所採用的顯示器多為CRT（陰極射線管），這種型式的顯示器有諸多的缺點，如體積過大、過重、尺寸受限、視角較小；新一代的顯示器---平面顯示器，則具有輕、薄（40吋的顯示器厚度不超過10公分）的優點，且視角更大、尺寸變大畫質也不受影響，因此成為各家廠商研發的重點。
平面顯示技術：
包含低溫多晶矽TFTLCD、反射式TFTLCD、矽單晶反射式液晶光閥、顯示器構裝技術、場發射顯示器、電漿顯示器等；電漿顯示器在電子專賣店有時可以看到，目前價格仍相當昂貴平均每吋要一萬元，但未來潛力無窮已有多家廠商投入資金進行研發。
低溫多晶矽TFTLCD低溫多晶矽薄膜電晶體液晶顯示器（TFTLCD）乃製造商全力投入之下一世代技術，本所亦已投入大尺寸及高解析度之應用研發工作，先後完成低溫複晶矽薄膜電晶體元件設計、製程模組開發、製程流程整合及測試等工作，元件電子遷移率達130cm2/V×S、Ion/Ioff>1E7、Ioff<0.15pA/um，並藉由此元件製程開發過程衍生多項專利申請中，其最大突破在於製程模組之成功開發並植入製程流程，如TEOSOxide製程、PH3Treatment製程、雷射回火製程與氫化製程皆有重大突破，元件製程技術漏電流之表現更為全球至今發表文獻中最佳之成果，本所將應用此技術研製大尺寸高解析度面板。
反射式TFTLCD反射式液晶顯示器（ReflectiveLCD）係利用環境光為顯示光源，具有省電、全彩顯示、高亮度、高對比等優點。
本技術結合單偏光片、反射式彩色濾光膜、散射式反射板等相關技術，已克服傳統反射式液晶顯示器技術無法達到之全彩顯示以及反射率不佳、雙重影像等缺點。
本技術已成功移轉國內廠商，目前正積極開發散射式反射板技術以充分利用環境光進一步提高反射式LCD之亮度。
矽單晶反射式液晶光閥矽單晶反射式液晶光閥（Si-WaferLCD）為發展液晶投影機中投影光閥之關鍵零組件，本所開發出以單晶矽為基板之液晶顯示器，亦建立驅動電路及像素之設計技術，並配合晶圓廠後段製程的調整，提高平坦度及反射率。
在液晶方面，建立了工作模式及製程相關技術，已完成0.55”QSVGA（400x300）等級之矽單晶反射式液晶光閥，並應用於投影機及頭配式顯示器，未來將積極從事SXGA（1280x1024），UXGA（1600x1200）等高解析度技術之開發。
本產品除可應用在投影機和頭配式顯示器外，還可應用於監視器、背投影電視、電視遊樂器、影像電話及行動電話觀景窗上。
顯示器構裝技術輕薄短小之開發趨勢對於平面顯示器產品尤其重要。
為配合此一需求，本所特別發展顯示器構裝相關技術--TAB和COG技術；捲帶式晶粒接合技術（TAB；TapeAutomatedBonding）為目前廣泛應用於顯示器構裝之主要技術，製程主要分為捲帶設計、內引腳接合、封膠、外引腳接合等步驟；晶粒-玻璃接合技術（COG；ChiponGlass）則提供了顯示器產品的高密度構裝技術能力，更適合於通訊產品之需求。
場發射顯示器場發射顯示器（FED）技術原理與陰極射線管（CRT）類似，是將CRT用螢光粉與尖端放電電子源分置於兩片基板，利用高電場將電子從尖端釋出，再利用高壓加速撞擊螢光板而發出亮光。
本所研發的場發射顯示器特點是省電、無視角限制，特別是高亮度，其亮度可達攜帶式電腦螢幕的10倍，而且其15lumen/watt的能量效率已被證實，本所正積極開發其相關應用，特別是應用於車內或是戶外的顯示看板技術。
電漿顯示器電漿顯示器（PDP）技術原理係利用惰性氣體（Ne,He,Xe等）放電時所產生之紫外線激發彩色螢光粉後，再轉換至人眼可接受之可見光。
依據限流工作方式不同，可分為直流型（DC）與交流型（AC），首先研發出來的是AC型的PDP，目前的產品多以交流型為主，並可依照電極的安排區分為二電極對向放電（ColumnDischarge）與三電極表面放電（SurfaceDischarge）兩種結構，整個電漿顯示器市場尚處於起步階段，在技術與性能方面，本所正致力開發其相關應用以改善發光效率、提高亮度、增加對比，並降低操作電壓、節省耗電以解決生產技術問題、提高生產良率。
PDP的優點：
1、輕、薄：
相同尺寸的PDP，其深度只有CRT的1/3、重量只有1/3，因此可以輕易的掛在牆上擺設上較不占空間。
2、不受磁場的影響，畫質較穩定，適合使用在交通運輸工具上。
3、影像不會扭曲：
PDP是數位控制的顯示器，所有像素的位置能精確掌控，即使在邊緣或轉角處；而CRT為類比控制的顯示器，在顯示器的邊緣顏色會不均勻。
4、視角更寬廣，可大到160度，因此在任何角度都能輕鬆的觀賞。
5、壽命長（指的是亮度減為原有一半所需的時間），可連續使用超過20000小時和CRT幾乎一樣，而LCD只有5000小時。
6、尺寸更大，40吋到60吋都有。
電漿（Plasmas）:
在以前提到物質的三態，為固態、液態、氣態，其實物體的狀態有第四態的存在---電漿。
電漿是一種部分離子化氣體，其成份包括大量中性氣體原子和少量的陽離子及電子。
在自然界中，如地球外圍的電離層、太陽表面、或是星際氣體中，皆存在著電漿（太陽產生的電漿，向宇宙發散出去，形成太陽風；這些帶電粒子被地球的磁場捕捉後，在南北極和大氣層中的氣體分子相撞，形成極光）。
此外，若在真空室中通入氣體至數十至數百毫托耳的壓力，並於外部加入交直流電場，使氣體被游離而形成一帶正負電粒子的集合體，亦可生成電漿，在實際的應用上大部分是利用高電場，提供足夠的能量讓原子或分子內部的電子脫離原子或分子的束縛；其實電漿在日常生活中早已存在，例如日光燈內的氣體在使用時就是一種電漿。
真空室內的氣體形成電漿態時，系統所存在的自由度很多，並有無數次碰撞在發生，包含了中性原子與中性原子之間、中性原子與離子間、中性原子與電子間、離子與離子以及離子與電子間的碰撞，使得電漿系統中不斷重覆著游離、激發、弛豫，及結合等動作。
而當原子在激發及弛豫動作時，將以發光的方式釋放出能量，成為可用肉眼看到的電漿顏色。
在工業應用上，可利用其粒子的高熱動能，以引發熱和融合反應而產生能源；或利用外加電磁場控制粒子雲動狀態，來製造雷射或其他電磁波源，即各型原子、分子、離子、電子束。
更可直接利用其間粒子的高能量與活潑化學性質從事化學合成、材料製造、表面處理等工業應用，為近世紀半導體材料製造中不可或缺的重要體系。
電漿濺射鍍膜、電漿化學氣相沈積、電漿氧化、電漿及活化離子蝕刻、離子濺射等為幾個著名例子。
另一方面，亦可利用電漿系統中激態原子、分子、離子放射出的大量光子來製造各種光源，如離子雷射、弧光燈，或縮小至微米尺度製造電漿平面顯示器等。
微粒電漿（Dustyplasma）:
在電漿系統中，若加入一群微粒子（約為數個微米大小10-6m），則電漿裡的電子會因為其質量較輕（約為質子的1/1000），具有較高的行動力（mobility）而依附在微粒子上使其帶負電。
因此在微粒電漿中便至少有四種以上的元素，其中電子、離子、與中性原子為原來氣體解離下的產物，另外還加上帶著負電荷的微粒子。
加入最後這項元素後，使得電漿變得更加複雜了。
其中電子、離子和微粒為具有電性之元素，中性原子則是不帶電。
因此在古典力場下，要考慮電子與電子、離子與離子、微粒與微粒、電子與離子、電子與微粒、離子與微粒之間的庫侖力場，還要考慮這些粒子（包含中性原子）在相互撞擊時產生不同的動量交換。
雖然如此複雜，我們仍可以因其所具有的物理性質來作一些近似消去的工作。
在實驗系統中，隨著觀察者所要觀察的時空尺度的不同，對於時空尺度相差甚遠的一些運動行為，可被近似成簡單的單元物理量。
舉例來說，因電子的質量遠比離子來的輕，其對外力的反應時間便相對的比離子來得快的多，而微粒又比離子的反應時間來得更慢了（Me<若我們所要觀察的是微粒的運動行為，則在微粒受力的反應時間內，電子或離子可能已經來回運動上萬次了，如此我們便可以把電子或離子對微粒的影響，歸化成非時間參數。
也就是說，站在微粒的角度來看，在動態平衡系統下，電子、離子、與中性原子皆為靜止不動的元素。
似二維系統（Quasitwo-dimension）:
二維系統即是指被局限在只能在二維平面上運動的系統。
探討二維系統運動，可簡化系統的變數，使得不論在理論模型上、數值模擬的速度上、實驗數據的分析上都可以簡化工作時間與困難度。
另外還有一點，在三維空間中只要三個質點，這系統立即便成一渾沌（Chaos）系統，產生許多非線性的結果。
因此科學家紛紛致力於二維系統的結構與動力行為的研究，特別是相轉變的行為研究。
一般來說，二維系統有兩種，一是將系統做得非常薄，限制粒子的運動只能在二維平面上;另一種則是延伸系統在第三維的長度，使得系統沿著第三維的分佈為均相分佈，如此粒子間的作用力自然便被歸化成二維作用力。
一般自然界中是沒有真正的二維系統存在的，因為沒有任一系統是真正無限大的。
所以對於上述二維系統中，只要其應該無限大的尺度相較於其它軸是大很多的，則稱為似二維系統。
我們實驗室的系統即是將第三維的長度延伸至約二維尺度的20倍，再來觀察此系統的二維切面運動。
以應證不同的二維運動行為。
缺陷（Defects）:
在一個均相的單原子系統中，原子之間的排列遵守著特定的幾何結構，我們稱之為晶格結構，例如:
面心立方（FCC）、體心立方（BCC）及六角晶格結構（Hexagonal）等等。
一般二維系統最緊密堆積結構為六角晶格結構（又稱三角晶格結構），也就是說，每一個原子都被六個原子所環繞著。
當系統受到外力擾動時，例如:
熱擾動、橫向剪切力、局限阱之形變力等等，原來的三角對稱晶格被扭曲產生晶格排列時的錯位，即是所謂的晶格缺限。
定義晶格中的缺限很簡單，只要將系統中的各個原子最近的連線連起來，即去計算各個原子的相鄰原子數。
如上面所說的，一完美的二維晶格擁有六個相鄰原子，當原子的相鄰原子數不再是六個，而變成五個或七個相鄰原子數時（密度發生變化），我們便稱這些原子所在的位置發生了缺限行為。
研究晶格中的缺限變化（數目、空間分佈、撞擊生滅......），可以幫助我們了解系統的結構性變化，與物理性質的演變。
簡而言之，當系統產生缺限時，原來所具有的對稱性就被破壞了（Symmetrybreaking），我們即可用此作為系統次序性的指標，來了解系統的混亂程度。
日光燈的原理：
在了解電漿電視或電漿顯示器的原理之前，必須先了解日光燈運作的原理。
日光燈管中充入水銀，管壁上所見的白色粉末為螢光粉；當通電之後管內的燈絲因為電阻產生熱，提供能量讓燈絲內的電子逸出。
因為燈管兩邊通電形成電場，讓電子加速前進（電力=電子所帶的電量x電場，這個部分學生常會有問題，必須讓他們了解電場的定義為：
每一庫倫的電荷所受的電力為電場強度），在過程中管內的水銀變為水銀蒸氣、瀰漫在電子行經的路徑上，部分電子會和水銀產生碰撞，將汞原子中的電子由較低的能階激發到較高的能階，而這些具有較高能量的電子由高能階掉下來的同時，會將能量以紫外線（UV放出來，這些紫外線的能量會被塗佈在管壁上的螢光物質吸收，進而產生可見光；而所塗的螢光物質不同，產生的顏色也不同。
有時在路邊的檳榔攤，其日光燈管為粉紅或是藍色，有的是用玻璃紙濾光，有的則是塗上不同的螢光物質。
螢光物質由母體和發光中心組合而成亦就是在母體中添加發光中心（作為活畫作用是一種添加劑）。
螢光體以[Zn2SiO4:
Mn]為例，前面的Zn2SiO4，就是母體，而Mn就是發光中心。
當水銀蒸氣產生的紫外線，照射螢光物質時，母體會吸收紫外線，導致母體產生電子、電洞對，而產生的電子、電洞對撞擊到發光中心時，將發光中心的電子激發到高能階，在掉下來時放出光線。
電漿顯示器的原理：
電漿顯示器的構造：
電漿顯示器是由許許多多的CELL所組成每個小CELL的構造如圖所示：
一、玻璃基板（FrontGlassSubstrate）：
現在所使用的玻璃為鈉玻璃（sodalimeglass），這是和窗戶相同的玻璃且價格便宜。
PDP所使用的基板為高應變點（歪點），所謂的應變點指的是玻璃本身並非均勻物質，且熱傳導方向不均勻，使得各方向的身長與收縮不一致而產生變形，此時的溫度稱為應變點。
在PDP的製造過程中，因有攝氏500度以上的加熱製程，因此使用高應變點的基板是必須的。
二、透明電極（掃描電極，TransparentElectrode）：
只有在AC型的PDP才有，所使用的材料為ITO膜（銦錫合金氧化膜和Sno2二氧化矽膜），而為了只讓特定的CELL發光，電極分為橫向電極與縱向電極；只有兩種電極都通過電流的CELL才會發光。
三、BUS輔助電極（AuxiliaryElectrode）：
位於透明電極的下方，以輔助透明電極引發放電並附有降低透明電極的高線電阻之任務。
為了避免造成發光的阻礙、造成亮度降低的事情發生，在必要的電阻條件下近可能的纖細，其寬度約50-200μm。
四、透明誘電體層（DialetricLayer）。
五、保護層（ProtectiveLayer）：
成分為氧化鎂，主要在防止電極的磨耗、產生放電電子、限制多餘的放電電流、維持放電狀態。
六、阻隔壁（BarrierRibs）：
使用的材料為玻璃漿料，其目的在確保微小的放電空間與防止三色螢光體的混合，其線寬在50μm之下。
高度在150μm左右；阻隔壁的形狀，在AC型為條狀；在DC型為格子狀，構造較為複雜。
七、螢光層：
為了達到可見光的發光及彩色化的目的，將螢光體塗在阻隔壁與阻隔壁之間的平面及側面上，不同的螢光體吸收紫外線後發出不同波長的色光。
如：
BaMgAl10O17:
Eu2+發出藍光
BaO.6Al2O3:
Mn發出綠光
（Y,Gd）BO:
Eu發出紅光
下圖所示為PDP單一CELL的構造圖。
PDP中單一CELL的剖面圖
單一CELL所佔的空間
PDP發光的時間
PDP發光過程模擬圖
PDP發光過程示意圖
和日光燈管很像，可想像PDP就是將許許多多的小日光燈管排列形成螢幕。
上圖所示為PDP的一個CELL，每個CELL裡面填充的氣體，可能是氖氣或其他氣體的混合物（如Xe、He），這是和日光燈不同之處，不同的混合氣體產生的光會有所不同。
其中1為顯示電極，共有兩片，當左右兩片的電壓不同時（當然要夠大），會讓填充的氣體放電（這和閃電的原理相同），產生紫外線讓塗佈在組隔壁上的螢光體（4）所吸收，主要的發光區域為3；電極設計成兩片排列左右而非上下的原因，是因為放電產生的衝擊會破壞螢光體，縮短PDP的使用年限，而為了不阻礙到光線，用的是透明電極，但因為透明電極的電阻較大，因此在其中埋有輔助電極（buselectrode），以金屬製成，可以降低電阻；2是前面基板、6是背面基板，都是用含鈉的玻璃所作成，用以保護內部的構造。
PDP的發光機制，可以多種方式來描述，本文以電場的觀點來解釋PDP的發光過程（ElectricFieldDescription）。
如下圖所示：
當電源以方波的形式在每個cell間建立電場E0，這個電場可讓填充氣體內的正、負電荷稍微分開，但不至於產生游離，因為強度不夠；而誘電導體層內的介電物質，受到外在電場的影響，產生極化；極化的結果產生另一個電場E’，這個電場和E0的方向相反，兩者合成一個新的電場。
當方波的電流方向反過來時，E0消失，但誘電導體層中的感應電場依然留著（稱為記憶效應memoryeffect），而這個電場和新建立的電場方向一致，使得CELL中的電場增加，造成游離現象，電漿於是產生，產生的紫外線造成發光。
彩色的電漿顯示器的每個CELL都只能發出紅、藍、綠單一色光，但將其排列在一起，調整每色光的比例，就變成彩色螢幕了，這和電視機或其他的彩色顯示器的原理是相同的。
電漿顯示器未來研究的課題：
1、延長壽命
2、增加亮度
3、降低耗電量
4、解析度提高
5、電磁波對策：
PDP在發光的過程中會產生對人體有害的電磁波，必須加上阻隔濾片，對於畫質多少會有影響。
如何減低影響並降低成本成為研發的重點。
6、近紅外線對策：
發光過程中產生的紅外線會影響遙控器的接收也必須加裝濾片。
電漿顯示器未來的展望：
電漿顯示器低價有望
在平面顯示器技術不斷往大型化發展的刺激下，過去價位高不可攀的電漿顯示器（PDP）將可望進一步壓低價格以擴大市場。
根據工研院經資中心ITIS計畫的統計，去年全球PDP顯示器產值約四億五千七百萬美元，估計今年將成長四四％，達到六億六千一百萬美元的規模，而粗估從一九九九年到二○○五年的產值年複合成長率則高達五○％。
目前在各種平面顯示器市場領域的區分方面，小於一○．四吋的中小型面板包括TN、STN、非晶矽TFT與低溫多晶矽TFT，及最近國內有許多廠商競相投入的有機電致發光顯示器（OLED）等，至於在十吋到四十吋的大型顯示器方面，十吋到三十吋市場暫時由非晶矽TFT主導市場，二十五吋到四十吋的市場則仍由CRT獨佔鰲頭。
但在超大型顯示器（三十五吋到三百吋）的市場方面，三十五吋到八十吋的市場將由PDP與背投影顯示器分食，超過八十吋的市場則仍由前投影顯示器主導。
目前PDP顯示器最大的應用市場仍在會議簡報系統方面，約佔五○％，成長幅度最大是電視機市場，估計一九九九年到二○○四年的年複合成長率達七三％。
在實際的市場出貨量方面，去年全球產量約三十一萬八千台，今年將成長至三十七萬二千台，如以此成長速度估算，預計到二○○五年時，全球PDP的市場值將達五十二億一千五百萬美元。
目前已在少量試產PDP顯示器的達碁科技指出，在今年正式進入跨入數位電視傳播時代以後，未來PDP最佳的應用尺寸應在二十五吋到六十吋之間，而過去因發光效率低導致耗電的技術問題，估計也可以逐步獲得改善，從目前每瓦特一流明（1lmw），可漸漸提昇至二流明，估計到二○○五年時可以達到五流明的發光效率，解決過去PDP耗電的技術問題。
而在其他國家的PDP製造廠商方面，目前日本富士通與日立合資成立的ＦＨＰ、南韓ＬＧ，都是投資PDP量產相當積極的廠商，其他還有恩益禧、先鋒、松下、三星、Orion等，國內也有達碁、中華映管、台塑等廠商準備進入建廠量產階段。
至於產品價格方面，去年平均每吋三萬日圓的PDP售價，可望在二○○二年時達到每吋一萬日圓的合理價位，將促使市場由目前的導入期，進一步跨入量大的成長期。
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