交流彩色等离子体显示板的结构.docx

交流彩色等离子体显示板的结构.docx

《交流彩色等离子体显示板的结构.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交流彩色等离子体显示板的结构.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

交流彩色等离子体显示板的结构

交流彩色等离子体显示板的结构

胡文波

【摘要】　介绍了AC－PDP结构的改进过程和近期研究的新进展，等离子体显示板（PDP）结构的改进对于其性能的提高起到了至关重要的作用。

【关键词】　等离子体显示板　对向放电型（双基板型）　表面放电型（单基板型）

【Abstract】　ThispaperintroducesthedevelopmentprocessofthestructuresofACtypePDPandnewprogressintheresearchanddevelopmentinrecentyears．Thedevelopmentofthestructureofplasmadisplaypanels,PDP,iscriticaltotheimprovementoftheirperformance．

【KeyWords】　PDP　Opposite－dischargeType（Two－substrateType）　Surface－dischargeType（Single－substrateType）

1　引言

　　自从等离子体显示技术（PDP）发明以来，PDP已经过了30多年的发展历程。

随着PDP的结构、封装气体（包括成份、比例、压强等方面）、驱动电路、原材料、制造工艺和设备的改进，它的性能得到了很大提高，其中结构的改进对于其性能的提高贡献最为显著。

伴随着结构的每一次重大改进，都使得PDP的性能产生很大飞跃。

　　PDP按工作方式的不同主要可分为交流型（AC型）和直流型（DC型）两大类。

由于AC－PDP具备固有的存储特性及结构简单、寿命长等优点，目前世界上除少数几家公司，如NHK、松下、OKI公司等，大多数研制和生产的PDP采用的都是AC型结构。

　　AC－PDP按电极结构的不同又可分为对向放电型（双基板型）和表面放电型（单基板型）两种。

这两种结构的PDP相比，性能上各有优缺点。

AC－PDP最初的结构是对向放电型，其结构简单，可实现较高的分辨率，单元容抗小，功耗低。

因此现在有些公司仍采用此结构制作彩色PDP，这样还可以继承单色PDP的全部制造工艺。

但它也存在很大的缺点，尤其是在制作彩色PDP时，由于荧光粉处于放电区域，受到离子轰击严重，造成荧光粉劣化，从而影响了PDP的寿命。

为了防止离子的轰击，需对荧光粉进行包膜处理，但这又会使PDP的亮度下降。

而表面放电结构AC－PDP的出现很好地解决了这个问题。

它使荧光粉处于放电区域之外，不易受到离子的轰击，使PDP具有很长的寿命。

除此之外它还具有亮度和光效高的优点。

同样该结构也有缺点，即维持电极处在同一块基板上，极间电容大，对介质绝缘要求高，分辨率受到限制。

但其缺点与优点相比，优点是主要的，因此该结构得到了普遍采用。

现在世界上研制和生产的彩色AC－PDP以表面放电型为主。

　　下文着重介绍自交流等离子体显示技术发明以来AC－PDP结构的改进过程和近几年研究的新进展。

2　AC－PDP结构的改进过程

2．1　对向放电型AC－PDP

　　AC－PDP是由Bitzer和Slottow［1］于1964年首先研制出。

当时他们为了简化DC－PDP的结构，设想把电极制作在基板的外表面，用基板电容替代每个放电单元中的限流电阻，结构如图1所示。

显然，由于电极与放电单元被基板玻璃分隔开来，不能维持DC放电，必须对电极施加交变电压才能使单元放电发光。

图1AC-PDP基本结构

　　1969年，Owens－lllinois研究小组[1]研制出开放单元（open　cell）结构的AC－PDP，结构如图2所示。

它去掉了起限制放电区域作用的中间玻璃板。

它的电极制作在基板的内表面，并被介质层所覆盖。

因为介质层具有比玻璃基板低得多的容抗，且具有较好的电子发射特性，使得工作电压减小，再加上使用的封装气体是潘宁混合气（Ne加少量Ar），维持电压可下降到120V。

为了保护介质层不被离子溅射，保证PDP工作的稳定性，再在介质层上沉积一层氧化铅，可使其寿命延长到10000h。

后来用MgO作保护层，由于它具有更好的二次电子发射特性和耐离子轰击性能，又使维持电压下降到100V，并使PDP寿命进一步延长。

这种结构与现在的对向放电结构很接近，所不同的是现在对向放电型彩色AC－PDP的放电单元之间用介质障壁分隔开以防止光串扰。

图2Owen-lllinois开放单元结构AC-PDP

　　法国Thomson公司[2]现在仍采用对向放电型结构制作高分辨率彩色显示器。

它研制的13inVGA和19in1024×768彩色PDP的结构如图3所示。

荧光粉用光刻法涂覆在下板的介质层和障壁侧壁之上，只是保留电极正上方区域的介质层上不涂荧光粉，这样可减少离子对荧光粉的轰击。

图3Thomson公司彩色AC-PDP的结构

2．2　表面放电型AC－PDP

　　60年代末期研制的单色对向放电型AC－PDP存在几个缺点：

（1）前基板上的金属电极屏蔽掉单元放电所发出的大部分光，使PDP的亮度和光效不高；

（2）环境光在前基板上的金属电极和玻璃交界面处被反射，造成对比度下降；（3）为使PDP具有较大的动态范围，对两基板间保持一致的间距要求严格。

　　针对对向放电结构存在的缺点，G．W．Dick[3]提出一种表面放电型AC－PDP，其结构如图4所示。

它的两组金属电极均制作在同一块基板上，并由一介质层分开，上层电极也被一介质层覆盖。

每个单元之间用介质障壁分隔开以防止光串扰。

对PDP显示性能有影响的关键几何尺寸由光刻或丝网印刷技术来保证。

由于前玻璃板上没有电极，单元发出的光可直接透过前板，使得PDP亮度和光效得到很大提高。

图4交叉电极结构的表面放电型AC-PDP

　　图5是另一种结构的表面放电型AC－PDP[3]的下层电极通过一“连通”导体与和上层电极处于同一层的“片”电极相连。

该结构PDP的优点可由下面的分析看出。

图6是交叉电极结构表面放电型PDP的下板结构示意图，电容C1＇和C1起记忆和限流元件的作用，Csh是极间电容。

Csh的值较大，因此流过它的电流较大。

这部分电流对辉光放电没有贡献，所以应当被减小。

这可通过增加介质层t2的厚度使Csh的值减小，但是这样作也会使C1的值减小，从而减小了放电电流的大小，使PDP的亮度下降。

而对于图5所示的表面放电型结构，C1＇和C1具有相同的厚度，并且它们的大小与Csh的值无关，这就可以通过增加t2的厚度，即减小Csh的值来减小极间电流，降低功耗。

该结构的另一个优点是可以把辉光放电限制在一定区域，因为电场在电极以外的区域迅速减弱，从而使其达到与对向放电型PDP一样的象素密度。

图5带有"连通导体的表面放电型AC-PDP

图6交叉电极结构表面放电型AC-PDP下板结构

　　图5所示的表面放电型PDP虽然在性能上有了改善，但制作起来很困难。

首先连通孔必须与下层电极精确对位。

其次为保证各个放电单元具有一致的工作电压特性，导体材料必须均匀填充连通孔，使之不产生突起或下陷。

要做到这两点都是比较困难的。

因此70年代末G．W．Dick[4]对此结构又进行了改进，设计出带有“连通”电容的表面放电型AC－PDP，结构如图7所示。

它与原结构不同之处在于它的“片”电极与下层之间没有金属导体连接，它们通过夹在中间的介质电容进行耦合。

“片”电极与下层电极的对应部分作成面积较大的圆盘形以获得所需大小的电容值。

该结构克服了以前表面放电结构的缺点，并且获得了更好的限制辉光放电区域的特性。

图7带有"连通"电容的表面放电型AC-PDP

　　虽然表面放电型AC－PDP的研究取得了很大的进展，但上述两电极结构的表面放电型AC－PDP存在共同的缺点：

（1）电极材料的选择很困难。

因为两电极制作在同一块基板上，它们之间有一介质层将它们分隔开。

当上层电极烧结时，介质层会再度融化，这样可能会损坏上层电极或引起上下层电极短路。

因此所选电极材料的烧结温度必须低于介质层的软化点，这是比较困难的。

（2）电场集中在上下层电极的交叉区域，容易造成该区域保护层的毁坏，引起放电电压的改变。

（3）这种交叉电极结构的容抗较大，使得驱动困难。

由于这些原因，使得这种类型的AC－PDP始终没有进入实用化。

　　1985年，G．W．Dick[5]又提出一种三电极结构的表面放电型AC－PDP，结构如图8所示。

X电极在这里只是作为寻址电极，因寻址电流很小（3～5mA），所以它可以使用小电流低价格的驱动电路，并可使用阻值较大的透明ITO薄膜（10～20kΩ）作为电极材料，而不致使电极上电压下降很多。

下基板上除了Y电极组外还有第三组电极，它们接到Se和So电极上。

寻址时，X电极上加80～90V电压，Y电极上加－80～－90V电压；维持放电时Y电极和Se或So电极间加120V的交变电压。

由于这种结构PDP的寻址和维持放电分别由不同的电极来实现，因此它的驱动电路比具有两电极的PDP来得简单，而且可以获得较大的动态范围。

图8三电极结构表面放电型AC-PDP

　　进入90年代，日本Shinoda和Tsutae[6]对上面三电极结构PDP进行了改进，获得了极大的成功，它的结构如图9所示。

它具有很多优点，因而被世界上PDP主要制造公司如Fujitsu，Mitsubishi和Plasmaco等采纳，现在成为AC－PDP制造的主流结构。

该结构的优点是：

（1）上下基板都只具有一维结构，并且相互正交。

它不需要两块板严格对位，因为正交结构无论在哪里交叉都会自动构成象素。

这样不仅可以带来制作上的方便，而且可以使用低成本的丝网印刷技术，从而使产量提高，降低大面积显示制作成本。

（2）象素结构简单。

传统的PDP结构，象素由两行两列四个发光单元构成，如图10所示。

这种结构的缺点是难以使象素节距减小。

这是因为随着节距的减小，显示电极变得很细，容易造成电极断开，并且使相邻发光单元不发生放电干扰的工作电压范围变得很窄。

另外，显示一个象素需要扫描两行发光单元的时间，因为受到驱动电路频率的限制，使得高速显示困难。

而改进的PDP结构中，象素构成如图11所示，一个象素中只通过一对显示电极。

这样便于减小象素节距，而且可以使没有被电极覆盖的象素面积增加，使亮度提高。

（3）障壁制作成平行条状，且顶部为黑色，下部为白色。

根据试验，当显示电极和放电间隙的总宽度小于象素节距的70％时，可以避免相邻显示电极对间的放电干扰。

因此可以省去沿维持电极方向障壁的制作，从而使工艺简化，并且增加了有效发光面积。

障壁顶部为黑色，可以提高对比度，下部为白色，可以提高亮度。

（4）荧光粉涂覆在后玻璃板和障壁的侧壁上，而维持放电发生在靠近前玻璃板的区域，这样就避免了离子对荧光粉的轰击。

而且因为在障壁的侧壁上也涂有荧光粉，一方面增加了发光面积，使亮度提高，另一方面也使视角增大（＞140°）。

荧光粉发出的可见光直接透过前板，因此该反射式结构PDP的亮度高于透射式结构PDP。

（5）为了增加透光性，前基板上的维持电极使用透明ITO薄膜材料。

但ITO薄膜电极阻值较大（10～20kΩ），为了增加动态范围，必须减小电极电阻（＜200Ω），因此再在ITO电极之上制作很细的金属电极。

图9改进的三电极结构AC-PDP

图10第象素包含四个发光单元的象素结构

图11每象素包含三个发光单元的象素结构

2．3　AC－PDP结构研究的新进展

　　目前除了上面这种得到普遍采纳的三电极结构的表面放电型AC－PDP外，还有其它几种结构的表面放电型AC－PDP正在研制当中，如悬浮电极结构AC－PDP和四电极结构AC－PDP等。

　　悬浮电极结构AC－PDP是由J．R．Wullert[7]等人设计出的，结构如图12所示。

它的所有电极都位于同一块基板上，寻址电极位于障壁顶，荧光粉涂覆在前板上。

这种结构完全避免了离子对荧光粉的轰击，而且它还具有很好的高频工作特性，它工作在600kHz时仍具有33V的动态范围。

维持电压频率的提高可使PDP获得高亮度和较多的灰度等级。

另外，由于前板上没有电极，使得荧光粉的涂覆非常简单。

图12悬浮电极结构AC-PDP

　　美国专利介绍了一种四电极结构AC－PDP[8]，结构如图13所示。

它包括三条平行共面电极和一条正交电极，它们可以分别做在前后板上，或者做在同一块基板之上，但彼此之间有介质层把它们分开。

三条平行电极中有两条作为维持电极，另外一条与正交电极作为寻址电极。

这种结构PDP的寻址和维持功能分别由不同的电极来完成，这样可以简化驱动电路，降低驱动电路成本。

图13四电极AC-PDP结构示意图

　　现在采用表面放电型、对向放电型结构制作的彩色AC－PDP已获得了较好的显示性能。

它们的亮度达到300cd／m2，光效达1．2lm／w，对比度达200：

1（黑暗环境）以上，灰度达256级，寿命达10000h以上。

但为了使PDP用于HDTV和高分辨率显示器，必须进一步提高其亮度和光效，增加象素数，减小放电单元节距。

然而随着节距的减小，这两种结构PDP的放电单元中的电子和离子在障壁上复合越来越严重，使得放电空间中电子和离子的浓度降低，引起PDP的亮度和光效下降。

　　为了解决这一问题，日本Hiroshima大学[9]研制出障壁电极结构的AC－PDP，它的结构如图14所示。

Xa和Xb电极都制作在障壁的侧面之上。

这里的障壁起到了电子和离子倍增的作用，因而放电空间中电子和离子的浓度不会随着单元节距的减小而降低，也就不会使PDP的亮度和光效下降。

图14障壁电极结构AC-PDP

　　除了通常的AC型和DC型PDP外，日本TT＆T公司[10]还研制出了一种AC／DC混合型PDP，它的结构如图15所示。

它是通过阳极与阴极间的直流放电来寻址，通过一对存储片电极间的交流放电来提供存储和高亮度。

存储片由金属刻蚀制得，整个表面被介质层所覆盖。

由于存储片为整个显示器所共有，故其驱动电路成本很小。

据测试，该结构PDP的亮度高达470cd／m2。

它的优点是免除了AC－PDP和DC－PDP复杂的障壁制作，而且亮度和光效高，存储片电阻小。

图15AC/DC混合型PDP

　　日本NEC公司[11]还在PDP前板上制作彩色滤色片以减少对外部入射光线的反射来提高对比度，并滤掉气体放电所发出的可见光来提高色纯。

3　结束语

　　PDP发展到今天，它的结构处于不断的改进当中，改进的目的是为了提高其性能，它包括提高亮度、光效和对比度，延长使用寿命，简化制作工艺和降低功耗等。

由Shinoda等人研制的三电极结构表面放电型AC－PDP具有诸多优点，被确立为目前彩色PDP的主流结构。

但是对于新型结构PDP的研究并未停止，要使彩色PDP的画面质量超过其竞争对手--CRT或更进一步达到HDTV的要求，还必须对包括其结构在内的各个方面做较大的改进。

另外，现在PDP采用的放电模式是低压辉光放电，即负辉光放电，它的发光效率不高，因此今后可能会采用发光效率较高的放电模式，如高压辉光放电，这将导致PDP的放电结构做相应的改变。

作者单位:

西安交通大学电子物理与器件研究所　邮编：

710049

参考文献

1H．G．Slottow．PlasmaDisplay．IEEETRANSONED1996（7）：

760～772

2DoyeuxH．etal．AHigh－Resolution19in1024×768ColorAC－PDP．SID＇95DIGEST：

811～813

3G．W．DICKetal．APlanarSingle－SubstrateACPlasmaDisplay．IEEETRANSONED,1976（4）,429～437

4G．W．DICKetal．APlanarSingle－SubstrateACPlasmaDisplayWithCapacitanceVias．IEEETRANSONED,1979（8）,1168～1172

5G．W．DICK．Three－Electrode－Per－PelACPlasmaDisplayPanel．IEEETRANSONED,1986（8）,1169～1173

6欧洲专利0554172A1．FullColorSurfaceDischargeTypePlasmaDisplayDevice

7J．R．Wullertetal．High－SpeedMemoryandGas－MixtureOptimizationinSuspend－ElectrodeColorPlasmaDisplays．SID＇90,41～45

8美国专利4914352．PlasmaPanelwithFourElectrodesPerPixelandMethodFortheControlofPlasmaPanelofthisType

9Y．Kaweietal．HighLuminanceandHighLuminousEfficiencyinBarrier－ElectrodeColorACPlasmaDisplaysFabricatedbySandblastingTechnology．SID＇95,815～818

10雷鸣编译．新型交直流混合等离子体显示板．光电子技术，1995

（1）,85～86

11HidehikoKatoh．ColorPDPPresentandFuture．NECColorPlasmaDisplay