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1、2023/6/8,1,第四章 等离子体显示,引言气体放电的基础性质交流等离子体显示器自扫描等离子体显示板直流等离子体显示器,2023/6/8,2,玩具 电光球 利用高压电能气体放电发光（等离子体）创造奇幻光感！,2023/6/8,3,图1 辉光放电_辉光球,操作：用手指轻触玻璃球的表面，球内产生彩色的辉光。原理：玻璃球内充有某种单一气体或混合气体，球内电极接高频高压电源，手指轻轻触摸玻璃球表面，人体即为另一电极，气体在极间电场中电离、复合，而发生辉光。玻璃球内所充的气体不同，球内压强不同（即不同的真空度），所产生的辉光的颜色也不同。而“辉光球”是低压气体（或叫稀疏气体）在高频强电场中的辉光放电
2、现象。,2023/6/8,4,在物理学中指正、负电荷浓度处于平衡状态的体系，即等离子体就是一种被电离，并处于电中性的气体状态。由于电离气体整体行为表现出电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，因此称这种气体状态为等离子体态。在近代物理学中把电离度大于 1的电离气体都称为等离子体。,什么是等离子体（plasma）？,4.1 引言,2023/6/8,5,等离子体的形成,任何不带电的普通气体受到外界高能作用后（如高能粒子束轰击、强激光照射、气体放电、高温电离等方法），部分原子中的电子吸收足够的能量成为自由电子，同时原子由于失去电子成为带正电的离子。这样原来中性的气体就因为电离成为由大量自由电子、正电
3、离子和部分中性原子组成的物质，即等离子体。,2023/6/8,6,00C,1000C,100000C,高温产生等离子体,2023/6/8,7,气体放电产生等离子体,在通常情况下,气体是不导电的。但是,在适当的条件下，组成气体的分子可能发生电离,产生可自由移动的带电粒子,并在电场作用下形成电流,这种电流通过气体的现象称为气体放电。,电源,R,阴极,阳极,当电极间的电压足够高时，就使电极间气体击穿而产生放电。,2023/6/8,8,气体中的带电粒子，在电场加速下获得足够高的速度（动能）,再与中性气体原子碰撞，使其释放出另一个电子，失去一个电子的气体原子形成带正电的离子。离子带正电后受阴极的吸引，而
4、与电子的运动方向相反,也会与电子一样获得加速运动。最后撞击阴极，使其发射电子。这样气体中产生大量带电粒子，形成电流，即气体放电。,电源,R,阴极,阳极,2023/6/8,9,电离气体是一种常见的等离子体,放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式，等离子体 电离气体，但是需要有足够电离度的电离气体才具有等离子体性质。,2023/6/8,10,等离子体具有准中性,2023/6/8,11,定义：等离子体是一种高度离化的气体状态，被称物质的第四态。正负离子电荷相等，对外呈电中型。特点：极高的电导率是一个完整的体系是宏观中性物质态,2023/6/8,12,电离气体按电离程度可分为弱电离气体(只有很少的原
5、子或分子被电离)、部分电离气体(部分原子或分子被电离)和完全电离气体(几乎所有的原子或分子被电离)三种。弱电离气体主要由中性粒子组成,它与完全电离气体在基本机理和行为方面的区别很大。,2023/6/8,13,看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体。,等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。,等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场来控制等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间科学的进一步发展提提供了新的技术。,2023/6/8,14,在研究和分析气体放电时，重要的是要了解和分析气体放电中所涉及的大量粒子和它们的状态。气体放电
6、实际上是一个复杂的粒子运动体系，所以首先要讨论气体放电中的粒子以及各种粒子间的相互作用。气体放电过程中一般存在着六种基本粒子：光子、电子、基态原子(或分子)、激发态原子(或分子)以及正离子和负离子。,2023/6/8,15,1、对等离子体的研究是从气体放电现象开始的2、其应用：离子管、气体放电灯（霓虹灯）、气体激光器和等离子体显示等方面,2023/6/8,16,PDP的发展历史,美国是PDP的发明国。1964年美国的伊利诺斯大学的D.L.Bitzer和Slottow发明了AC-PDP；1968年，美国Burroughs公司发明了自扫描等离子体显示板（SS-PDP）;同年，荷兰Philip公司研
7、制成功直流等离子体显示板（DC-PDP）；彩色PDP是利用气体放电产生紫外线（127nm）激发三基色荧光粉而实现彩色显示的。1971年，具有实用价值的计算机用等离子体显示屏问世。,2023/6/8,17,进入80年代，美国IBM和Burrough等一些大公司相继生产了各种各样的等离子体显示器，但是当时市场没有打开，PDP驱动电压比较高（约250V），几十千Hz的交流驱动集成块没有专用的标准和大量生产，寿命短，价格高。许多公司放弃了对PDP的开拓，只有少数几家公司幸存下来，如Plasmaco公司和Photonices,Imaging公司。,2023/6/8,18,进入90年代，美国PDP出现了根
8、本性的改变，PDP 的应用范围不断扩大，成本也随着大规模集成电路的发展不断下降。1992年，日本富士通公司批量生产53cm VGA产品后，获得迅速发展；1996年，有6家日本公司展出了107cm PDP彩色电视机样品，日本显示界将1996年称作彩色PDP电视元年。促进PDP突飞猛进的根本原因是大屏幕壁挂和高分辨率电视HDTV的兴起。,2023/6/8,19,彩色PDP作为大屏幕图像显示的优势较多，如气体放电响应速度快，非线性强，具有存储特性等，这些使得PDP再成为高信息容量的显示方面独具魅力。在工艺技术上，彩色PDP用厚膜技术制作，工艺成本相对较低，需要27道工艺，与TFT-LCD需要65道工
9、序相比大大降低生产成本。因而可以预言PDP极具竞争力。本章着重介绍气体放电物理，交流等离子体显示器的原理、制作工艺及应用和发展。,2023/6/8,20,4.2 气体放电的基本性质,气体放电是指在一封闭的气体容器两端，加上一定的电压，引起气体媒质电离，产生的正负离子在电场作用下又去碰撞其他气体分子，而引起放电的现象在气体放电器件中常充有惰性气体或金属蒸汽，器件工作时，这些气体原子部分转变为带电粒子，这些粒子对气体放电现象和器件的特性起决定性的作用,2023/6/8,21,4.2.1 低压气体放电的基本特性,在气体中的两电极间施加电压，在一定条件下，会产生气体辉光放电。凡是电流通过气体的现象即为
10、气体放电。日光灯、PDP也是利用气体放电而发光的。按辉光放电的外貌及微观过程，从阴极到阳极大致可分为阿斯顿暗区、阴极光层、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正光柱区及阳极区等几个区域。,2023/6/8,22,阿斯顿暗区：电子从阴极出来立刻进入场强很大的区域而被电场加速，但在阴极附近电子速度很小。由于电子能量小于最低激发电位，还不能产生激发，因此该区域是暗的。,阴极光层：该区域电子能量达到激发电位，产生一层很薄很弱的发光层。,阴极暗区：从阴极光层起的电子具有更大的能量，甚至超过激发几率，因此激发减少，发光强度变弱。该区域中，电子能量已超过电离电位，产生大量的碰撞电离，雪崩放电集中在这个区域发生。,
11、4.2.1 低压气体放电的基本特性,2023/6/8,23,负辉区：进入负辉区的多数电子，经过了多次非弹性碰撞，其能量虽比电离能小，但是大于或接近激发能，从而产生许多激发碰撞，因而产生明亮的辉光。,法拉第暗区：大部分电子在负辉区经历了多次碰撞损失了能量，不足以引起电离和激发，因此不发光。,正光柱区：任何位置电子密度和正离子密度相等。放电电流主要是电子流。在不同的条件下，它可表现为均匀的光柱或明暗相间的层状光柱。阳极区：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。,4.2.1 低压气体放电的基本特性,2023/6/8,24,是一种稳态的自持放电；放电电压明显低于着火电压，而
12、后者由后面谈到的帕邢定律决定；放电时，放电空间呈现明暗相间的、有一定分布的光区；严格地讲，只有正光柱部分属于等离子区，其中正负电荷密度相等，整体呈电中性；放电主要依靠二次电子的繁流来维持。,辉光放电具有以下的基本特征：,气体导电的现象。又称气体导电。气体通常由中性分子或原子组成，是良好的绝缘体，并不导电。气体的导电性取决于其中电子、离子的产生及其在电场中的运动。加热、照射(紫外线、X射线、放射性射线）等都能使气体电离，这些因素统称电离剂。一旦撤除电离剂，气体中离子很快消失，电流中止。这种完全靠电离剂维持的气体导电称为被激导电或非自持导电。,4.2.1 低压气体放电的基本特性,2023/6/8,
13、25,正常辉光放电区有4个明显的发光区域，即阴极光层、负辉区、正光柱区和阳极光层。阴极光层和阳极光层对发光的贡献远小于负辉区和正光柱区。负辉区的发光强度最大，但发光区域较小。正光柱区的发光区域最大，对光通量的贡献也最大。,4.2.1 低压气体放电的基本特性,2023/6/8,26,但是气体放电时，以上4个区域并不一定全部出现。当电极间距逐渐缩短时，正光柱区也逐渐缩短并首先消失，然后是法拉第暗区和负辉区相继消失。当负辉区的左端与阴极重合时，放电就会停止。阴阳极之间的电位降主要发生在负辉区之前；维持辉光放电所必需的电离大部分发生在阴极暗区。也就是说，阴极位降区（包括阿斯顿暗区、阴极光层和阴极暗区）
14、是维持辉光放电必不可少的部分。,4.2.1 低压气体放电的基本特性,2023/6/8,27,4.2.1 低压气体放电的基本特性,2023/6/8,28,发光效率低，放电间距只有几十到几百纳米，日光灯的光效率达80 lmW，而目前PDP的光效率只有 12 lmW。主要是因为日光灯放电时其正光柱区长，而PDP发光的主要贡献者是负辉区，放电时，正光柱区非常短甚至消失。,与普通辉光放电不同，PDP所涉及的气体放电具有下述特点：,表面放电型AC型PDP存在一个分辨率的理论极限。提高分辨率就意味着缩小放电电极间距。而从辉光放电的特性来看，当充气气压一定、电极间距缩小到一定数值时，在两个电极间不会形成正常的
15、辉光放电，从而产生击穿（即打火）现象。,极限分辨率与充气压力成正比。充气气压越高，极限分辨率也越高。,4.2.1 低压气体放电的基本特性,2023/6/8,29,图313表示利用正光柱部分的10英寸彩色PDP放电胞的结构及放电区的电位分布。,如图中所示，若阳极部分向左移动，正光柱的长度将缩短，而负辉光部分不变。从图中还可以看出，电位下降主要发生在负辉光区以左很窄的部分，并由此基本上决定PDP的工作电压。若图中的阳极向左挪动1mm，则不会出现正光柱，对应的放电电压大约为250V。此时从负辉光区发出的光可为PDP所利用。,4.2.1 低压气体放电的基本特性,2023/6/8,30,对于实用的PDP
16、来说，希望尽量降低工作电压并设法提高画面的显示精细度。仅利用负辉光的设计方案，既可降低工作电压，又因为其放电胞的尺寸变小，有利于提高显示精细度，显然十分理想。目前，达到实用化的PDP正是采用了这种方案,4.2.1 低压气体放电的基本特性,2023/6/8,31,彩色PDP虽然有多种不同的结构，但其放电发光的机理是相同的。彩色PDP的发光显示主要由以下两个基本过程组成：气体放电过程，即隋性气体在外加电信号的作用下产生放电，使原子受激而跃迁，发射出真空紫外线（200nm）的过程；荧光粉发光过程，即气体放电所产生的紫外线，激发光致荧光粉发射可见光的过程。,4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/
17、6/8,32,下面以充有NeXe混合气体的表面放电型AC型PDP为例，来说明PDP的发光机理，见图 414。,4.2.2 彩色PDP的发光机理,图 414,2023/6/8,33,NeXe混合气体在一定外部电压作用下产生气体放电时，气体内部最主要反应是Ne原子的直接电离反应 e+NeNe+2e(电子能量大于21.6ev)其中Ne为氖离子。由于受到外部条件或引火单元激发，气体内部已存在少量的放电粒子。其中电子被极间电场加速并达到一定动能时碰撞Ne离子，使其电离而导致气体内部的自由电子增殖，同时又重复（4l）式反应致使形成电离雪崩效应。这种电离雪崩过程中会大量产生以下的两体碰撞反应,4.2.2 彩
18、色PDP的发光机理,2023/6/8,34,e+NeNe+2e（电子碰撞电离）(4-1)e+NeNem+e（亚稳激发）(4-2)e+XeXe+2e（电子碰撞电离）(4-3)其中 Nem为Ne的亚稳激发态。由于Nem的亚稳能级（l6.62eV）大于 Xe的电离能（12.127eV），寿命长达0.110ms，因此，亚稳原子Nem与Xe原子碰撞的过程为Nem+Xe=Ne+Xe+e(4-4),4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/6/8,35,人们称此为Penning电离反应，这种反应产生的几率极高，从而提高了气体的电离截面，加速了Nem的消失和Xe原子的电离雪崩。此外，这种反应的工作电压比直接
19、电离反应的要低，因此也降低了显示器件的工作电压。与此同时，被加速后的电子也会与Xe+发生碰撞。形成Xe的激发态:e+Xe+Xe*(2P5或 2P6)+hv(4-5)由于Xe原子2p5，2p6能级的激发态Xe*很不稳定，极易由较高能级跃迁到较低的能级，产生逐级跃迁 Xe*(2P6或 2p5)Xe*(1s4或 1s5)+hv(823nm，828nm)(4-6),4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/6/8,36,Xe*（1s5）与周围的分子相互碰撞，发生能量转移，但并不产生辐射，即发生碰撞转移 Xe*(1s5)Xe*(1s4)(4-7)式中，1s4是Xe原子的谐振激发能级。Xe原子1s4能级
20、的激发态跃迁至Xe的基态时，就发生共振跃迁，产生使PDP放电发光的147nm紫外光 Xe*(1s4)Xe+hv(147nm)(4-8)Ne，Xe原子的能级与发光光谱如图415所示；Penning电离反应与Xe*逐级跃迁的示意见图416。,4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/6/8,37,4.2.2 彩色PDP的发光机理,图 416,2023/6/8,38,(2)荧光粉发光过程,由于147nm的真空紫外光能量大，发光强度高，所以大多数PDP都利用它来激发红、绿、蓝荧光粉发光，实现彩色显示。一般称这种发光为光致发生。真空紫外光激发荧光粉发光的原理如图417所示。荧光粉是一种粉末状结晶物质,
21、由基质和激活剂组成。通常表示为：基质：激活剂,4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/6/8,39,当真空紫外光照射到荧光粉表面时，一部分被反射，一部分被吸收，另一部分则透射出荧光粉层。当荧光粉的基质吸收了真空紫外光能量后，基质电子从原子的价带跃迁到导带，价带中因为电子跃迁而出现一个空穴。空穴因热运动而扩散到价带顶，然后被掺人到荧光粉中的激活剂所构成的发光中心俘获。,4.2.2 彩色PDP的发光机理,图 417,2023/6/8,40,例如，红粉Y2O3：Eu中的銪是激活剂，它是红粉的发光中心。没有掺杂的荧光粉基质Y2O3是不具有发光本领的。另一方面，获得光子能量而跃迁到导带的电子，在导带
22、中运动，并很快消耗能量后下降到导带底，然后与发光中心的空穴复合，放出一定波长的光。同一种基质的荧光粉，由于掺杂元素不同，构成的发光中心的能级也不同，因此产生了不同颜色的可见光。,4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/6/8,41,一、气体放电中的帕邢定律和着火电压确定 1、气体放电的伏安特性曲线 上述发光并非凭空产生，而是必须要满足气体放电的条件。对于一定的放电胞尺寸和一定的气体压力，两电极之间要施加一定的电压。首先要使气体击穿，气体放电开始，而后要以一定的电压来维持，使上述Xe原子处于激发状态，不断发射紫外光。那么气体是如何被击穿，气体放电又是如何来维持的呢？,4.2.2 彩色PDP的
23、发光机理,2023/6/8,42,一般把电流通过气体的现象都称为气体中的放电或气体放电。在气体放电中，作为电源负载的放电气体可看作是可变电阻：击穿之前其电阻无穷大，放电开始的着火电压（即击穿电压）、其可变电阻的大小及变化规律与气体种类及成份、压力及温度、极间距离、电极材料、电极表面状态密切相关。图418表示典型的气体放电曲线。,4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/6/8,43,其中AB段是非自持放电，它是依靠空间存在的自然辐射照射阴极所引起的电子发射和气体的空间电离所产生的。BC是自持的暗放电，有微弱的发光。B点对应于击穿电压（即放电着火电压）。,若电路中的限流电阻不很大,则电压U提高
24、到Uz后，放电可迅速过渡到E点之后，即U突然下降，而I突然上升，并随之立即发出较强的辉光；若回路里串有很大的电阻（106欧以上），则可能逐点测出CE段。这是由自持暗放电BC段到辉光放电EG段的过渡区域，很不稳定。只要放电回路中电流稍有增加，电压则很快向E点转移。,当电流增加到E点，这时阴极表面只有一部分发光，即只有一部分阴极表面发射电子，这部分叫阴极斑点。随着放电电流增加阴极斑点面积按正比例增加，而U保持不变。一直到阴极斑点覆盖整个阴极表面后，再使I增加，则U也增加。PDP大都使用正常辉光放电阶段，而离子镀膜和溅射镀膜大都使用反常辉光放电阶段。,图 418,图 418,2023/6/8,44,
25、1889年帕邢（Paschen）在测量击穿电压对击穿距离和气体压力的依赖关系时发现：在两个平行平板电极上加以直流电压后，在极间形成均匀场。令极间距离为d，压力为p，如果气体成份和电极材料一定，气体恒温，则在冷电极条件下，击穿电压是Pd的函数，而不是以P和d为两个变量的函数。并且改变Pd时，Uz有一极小值Uzmin。这便是有名的帕邢定律。,2、帕邢定律和着火电压的确定,4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/6/8,45,根据汤生放电原理，在均匀电场中，放电电流为：,式中，I0为因外界因素产生的初始电流；d为阴阳极间距离；为电子对气体的体积电离系数，即每一个电子从阴极到阳极繁衍过程中，单位距
26、离所增加的电子数；为正离子的表面电离系数，即每一个正离子轰击阴极表面而发射出个新的电子。,4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/6/8,46,其中，可见Uz=f(pd)，即Uz是pd乘积的函数。就是说，一个放电管其他条件不变时，虽然p和d可以不同，但只要乘积pd相同，Uz就会不变。,（4.14）,4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/6/8,47,为了求得电压的最低值Uzmin，把式（414）进行求极值运算 解得：(4-15)将（315）式代入到（414）式，得(4-16)即起辉电压Uz有一极小值Uzmin。从而帕邢定律得到证明。,由（414）式、（415）式决定的曲线称为帕邢曲线
27、。图419为不同气体的帕邢曲线。,4.2.2 彩色PDP的发光机理,2023/6/8,48,由各条曲线可以看出，如果从较大压力或较大极间距离的情况来分析，当pd值减小时，Uz跟着减小到一最小值Uzmin，当pd值继续减小，击穿电压又开始急剧增加。实际上，帕邢定律有一定的适用范围，pd不能太大也不能太小。一般说来，辉光放电的电流范围约为10-3102mA，而正常辉光放电的电压下限约为几十伏到几百伏。,4.2.2 彩色PDP的发光机理,图 414,2023/6/8,49,影响气体放电着火电压主要因素:,pd 值:巴邢定律表明，当其他因素不变时pd 值的变化对着火电压的变化起了决定性的作用，因此，P
28、DP 中充入气体的压强和电极间隙对PDP 的着火电压有很大影响。,气体种类和成分的影响:,气体种类不同，着火电压也就不同。通常当原子的电离能较低时，其着火电压偏低。另外，研究表明，如在给定的基本气体中加入少量的杂质气体，如果杂质气体的电离电位小于基本气体的亚稳态能，则混合气体的着火电会小于基本气体的着火电压，这就是所谓的潘宁（Penning）效应,阴极材料和表面状况:阴极材料与表面状况的变化直接影响到正离子轰击下的二次电子发射系数的大小，从而影响到着火电压的大小。在其他条件相同的条件下，二次电子发 射系数系数越高，着火电压越低。,电场分布的影响:电场分布对第一电离系数和第三电离系数的数值与分布
29、起决定性作用，因此，它对着火电压影响很大。辅助电离源的影响:使用辅助电离源来加快带电粒于的形成，也可以使着火电压降低。,2023/6/8,50,AC型电极电位不断变化，在作为瞬时阴极的介电体表面，存在电子周期性积蓄和释放的过程。DC型PDP中，放电气体一旦被击穿，电子便雪崩式地发生，施加直流电压即可维持放电的正常进行。但是，若不加控制，会引起阴极过热，造成放电胞的破坏。因此，可以在后述的脉冲存储驱动方式中，通过周期性地在过热之前切除电压，而在电子完全消失之前再接通电压，以维持放电的正常进行。人们称此为过热控制放电方式。,二.DC型和AC型PDP中气体放电的区别,2023/6/8,51,AC型P
30、DP:离子向电极入射时，先与介电质层表面积蓄的电荷发生复合，失去部分能量后，以较低的能量轰击介电质层的表面;,DC型PDP:较高能量的离子直接碰撞作为阴极的电极表面，离子所带的能量全部释放在阴极中，结果离子对阴极表面产生溅射作用，并造成很大损伤。,AC型PDP:介电体电极表面状态的变化会引起壁电荷积蓄量的变化。随着运行时间增加，会造成工作电压及存储特性变化，从而显示特性变差。,DC型PDP:离子的轰击造成阴极物质的溅射飞散，沉积在放电胞障壁四周，对比度及灰度等都会下降。,2023/6/8,52,在AC型PDP中，电极表面覆以介电质层，电子可以在介电质层表面积蓄。当施加反向电压时，电子会从电极表
31、面射出，积蓄的电荷逐渐变少，直至放电停止。因此，对面的电极也要覆以同样的介电质层，通过施加交变电场，造成电子反复的积蓄一释放过程，这便是称其为AC型的理由。另一方面，离子的运动方向与电子相反，它被电场加速到一定能量后，除了可造成气体原子的激发之外，最终会碰撞MgO薄膜表面，产生电子。氧化镁是目前所知最为理想的电子放出材料。电子在两电极之间被加速到一定的能量，与气体原子碰撞，造成后者激发或电离，发生前述的过程，被激发的原子发光，电离原子产生的电子和离子又继续参与到气体放电的过程中。,2023/6/8,53,AC型PDP电极表面覆以透明介电层及保护层，通过绝缘体的介电层表面产生放电，在交流电压下工
32、作。为形成放电单元而起隔离作用的障壁电极表面覆以透明介电层及保护层，通过绝缘体的介电层表面产生放电，在交流电压下工作。为形成放电单元而起隔离作用的障壁(隔断)为条状，而不是像DC型那样采用胞状。而DC型PDP的电极不加保护层，而是直接暴露在放电空间中，放电电流为直流。为防止电极磨损、提高寿命，要通过电阻限制放电电流、而且封入气体的压力也较高。DC型PDP由于设有辅助放电胞，可确保放电的火种，因此比AC型PDP的对比度高，反应速度也快。但是由于采用比较复杂的胞状放电单元，形成胞状障壁的难度较大,画面的精细化比较困难。由于ACPDP具有结构简单、亮度和光效高的优点，因此世界上各大制造公司大多采用A
33、CPDP结构。,2023/6/8,54,4.3.1交流等离子显示器（ACPDP),4.3 等离子显示器,典型的AC-PDP按结构的不同可分为：对向放电型和表面放电型两种,对向放电型ACPDP 的结构是在两块研磨过的玻璃上制作条状X 电极和Y 电极X和Y两组电极互相正交，每一个交叉点就构成一个放电单元。并且在电极上覆盖有介质层和介质保护膜（一般为MgO）对向放电型结构简单，但放电发生存上、下电极之间，等离子体对荧光体的冲击大。,2023/6/8,55,表面放电型结构的特点是维持放电的两电极做在同一基板上，放电发生在基板的一侧，通常还需要其它的辅助电极（如寻址电极）共同进行工作，表面放电式ACPD
34、P 器件的典型结构如图 所示。前基板上用透明导电层制作一组平行并由X 电极和Y电极组成一对显示电极，为降低透明电极的电阻，在其上面制作一层金属汇流电极。电极上同样覆盖有透明介质层和MgO保护层后基板上先制作一组平行的选址电极，其上覆盖一层白色介质层，作反射之用。在白色介质层上制作一组与选址电极平行的条状障壁，条状障壁既作两基板之间的隔子，又作防止光串和电串的之用。,2023/6/8,56,2023/6/8,57,表面放电型ACPDP选址电极与显示电极的每一对X 和Y电极正交即为一个放电单元显示单元，显示单元的维持放电是在其对应且为同一前板上X 和Y显示电极间进行的，故称表面放电式，后基板的选址
35、电极仅作显示单元的选址之用。,2023/6/8,58,当开始给放电单元施加维持电压Us时，由于其幅度低于着火电压Ub，放电单元不发光。当在电极上加上一个幅度大于着火电压Ub书写脉冲Uwr，单元开始放电发光。放电进所形成的正离子和电子在电场作用上分别向瞬时阴极和瞬时阳极移动，并在介质层或介质保护膜表面积累形成壁电荷Qw。壁电荷Qw形成的壁电压Uw，其方向与外加电压相反。因此，单元壁上一旦形成壁电荷，这时加在单元上的电压是外电压与壁电压的叠加，当壁电荷Qw积累到一定程度使叠加电压低于维持电压下限时，放电暂时停止。可是当外界电压反向时，该电压将与上次放电中形成的壁电压叠加，由于二者的方向相同，因此叠
36、加后的幅度大于着火电压Ub，于是又产生新一轮的放电发光，然后不断重复上述过程。因此单元一旦着火，就由维持电压来维持放电，所以ACPDP放电单元具有存储性。如要使发光的单元停止发光、可在维持电压前部间隙期间施加一擦除脉冲Ue，由于擦除脉冲Ue的脉宽比维持脉宽窄许多，并且其幅度相对较小，因此擦除脉冲Ue将产生一次微弱的放电，将壁电荷中和，单元停止发光，而以后所再加维持电压脉冲由于没有了壁电压辅助，也将不能引起新的放电发光，放电将不能再以维持。,ACPDP工作原理,2023/6/8,59,表面放电型工作过程与对向放电型类似：,2023/6/8,60,从ACPDP工作原理可知，因为其在放电过程中在介质
37、表面形成壁电荷,因此产生了壁电压，ACPDP具有存储能力。利用ACPDP的存储特性可以降低维持脉冲幅度、简化电路制作，并实现高亮度。由此可见壁电荷的存在，对于CPDP的工作特性非常重要。,2023/6/8,61,选址和显示分离ACPDP驱动方式,ADS(Adress and Display Separation)ACPDP工作的常用驱动方式之一。其主要包括以下三个过程：初始化阶段、选址阶段和维持阶段。(1)初始化阶段 为清除像素里充电产生的残余电荷，在扫描电极和维持电极间加上一个梯形电压，等离子开始放电，但逐渐减弱，这样就清除了残余电荷。(2)选址阶段寻址的目的是选择所要点亮的单元或不点亮的单
38、元，即选择在要点亮的单元中形成或保留壁电荷到维持期，使得维持放电得以进行。(3)维持阶段在维持期，积累了壁电荷的单元就会发生维持放电，实现图像的显示。我们把维持电压脉冲正负交替变化的驱动方式称为AC驱动方式.如果维持电压脉冲重复周期长，则像素的亮度等级增加。因此，通过控制维持放电时间，像素的亮度得以控制。,2023/6/8,62,彩色ACPDP的灰度调节及全色显示,1、依靠控制放电强度的方法来控制发光亮度强放电十弱放电，总的亮度最高；强放电十弱放电停（即仅强放电），总的亮度次之；强放电停十弱放电，总亮度第三；强放电停十弱放电停，总亮度最低,2023/6/8,63,2、依靠控制放电时间长短的方法
39、来控制发光亮度,PDP 在实现灰度时要把一个电视场分为若干个子场，每一子场产生相同强度的辐射的时间不同，亮度的高低是因这些相同光强辐射在人眼视网膜上的辐射强度与作用时间的积分效应不同造成的。AC 驱动方式的维持电压脉冲不断进行着正负交替变化，如果维持电压脉冲重复周期长，则像素的亮度等级增加。因此，通过控制维持放电时间，像素的亮度得以控制。,2023/6/8,64,1、直流等离子体显示DCPDP 的特点（同ACPDP相比）DC 型PDP 的电极不加保护层，而是直接暴露在放电空间中，放电电流为直流。DCPDP放电单元通常采用胞状。因此，形成胞状障壁的精细化比较因难。为防止电极磨损、提高寿命，要通过
40、电阻限制放电电流、而且封入气体的压力也较高。DC型PDP通常设有辅助放电胞。可确保放电的“火种”，因此比AC型PDP的对比度高，反应速度也快。,4.3.2 直流等离子显示器（DCPDP),2023/6/8,65,2、自扫描显示器件(SSPDP)结构特点 它的阴极是每隔两根共同连接，包括复位用阴极驱动电路在内，仅有4组驱动电路。开始时，复位阴极和扫描阳极之间产生辉光放电，紧接着对3组时钟脉冲1，2，3扫描，沿着沟槽传送辉光放电，沿着沟槽传送辉光放电(称为辅助放电)。这样就可以大幅度地减少驱动电路。处于阴极上所开的引火孔，由辅助放电而产生的荷电粒子，亚稳态离子等被吸引到显示单元上，使显示单元放电稳
41、定。,2023/6/8,66,2023/6/8,67,一、制作工艺流程,4.3.3 AC-PDP的制作工艺及关键技术,2023/6/8,68,彩色PDP的大面积微型化技术主要是借用了厚膜技术和光刻工艺图形形成技术。下面主要讨论AC-PDP的微型化技术中有关电极和障壁的制作。1、电极制作技术 彩色PDP的电极有ITO电极、汇流电极和数据电极等三种，其材料和制作方法的选择应根据器件对它的光电要求而定，考虑的因素主要有：,2023/6/8,69,导电性。一般要设计成在给定的工作条件下，电极二端的压降不超过数伏，否则会出现远端和近端像素亮度的差异。对于PDP特有的存储特性而言，压降如超出存储范围，还可
42、能出现擦写信号的误动作。与基板的附着力和与保护介质的兼容性。AC-PDP的电极表面都覆盖有透明介质，要求在500度左右在空气中烧结时不与电极发生反应。工艺性。制作工艺尽量简单，产品率高经济性,2023/6/8,70,A、透明导电电极 它是表面放电式彩色PDP前基板上扫描电极的主要组成部分，ITO制 作工艺十分成熟，常采用溅射法制作，成本较高。目前，印刷法制 作ITO的技术也在开发中。B、薄膜金属电极 ITO电极有很好的导电性，但在较长的电极中，仍然不足。在ITO边 缘加一条金属汇流电极，也称bus电极。,2023/6/8,71,常用的汇流电极的薄膜材料有Cr-Cu-Cr,Al,Cr-Au,Ag
43、等。Cr-Cu-Cr电极是以在生产中采用的通用技术，底层Cr用以增加电极与玻璃片的附着力，顶层Cr用以防止Cu的氧化，Cu是电极导电的主体。这种电极性能优良，但是制作复杂。Cr和Cu薄膜是采用溅射法制作，在刻蚀方面需要选用23种腐蚀液，方能完成对不同金属层的刻蚀而不影响ITO薄膜性能。,2023/6/8,72,Al电极在单色PDP中使用广泛，它是导电性能好，附着力强，薄膜制作成本较低，刻蚀容易。但Al熔点较低，在高温烧结介质层时易氧化，产生表面粗糙和Al堆积现象，突起处容易打火，使器件的绝缘性能破坏。目前还没有在实际生产中采用Au或Cr-Au电极，它的制作方法有蒸发和电镀两种。金电极性能优良，
44、但材料昂贵，因而在实际生产中除了特殊要求以外，一般不采用此电极。薄膜电极的特点是图形精细准确，边缘整齐，但是制作成本高，是彩色PDP尤其是高分辨率器件的基本方案,2023/6/8,73,C、厚膜金属电极 厚膜电极一般采用丝网印刷法将金属桨料印刷在基板上，再 经烧结而成。制作厚膜的目的是取代设备昂贵的薄膜技术。采用厚膜电极主要是制作汇流电极。美国杜邦公司开发一种 光敏Fodel，它是用2um直径颗粒的Ag粉混合在感光性树脂中，用丝印法形成电极，再烧结而成。Fodel电极宽度可达20um，边缘平直，尺寸准确，对位和普通光刻法的要求相同。,2023/6/8,74,2、障壁制作技术无论直流还是交流，在
45、彩色PDP中最难的工艺是制作障壁。对障壁的几何尺寸的要求是壁应近可能的窄，以增加像素的开口率，提高器件的亮度。要求障壁端面平整度优于几个um，以防止因交叉干扰引起PDP在寻址时的误动作。障壁主体应该是白色，有较高的反射系数，以提高亮度，端面呈黑色，以提高器件的对比度。目前，对于障壁的制作常采用以下几种方法：,2023/6/8,75,A、丝网印刷法 这是最早用来制作障壁的技术之一，要用45种不同的桨料，印刷1113次，其中需对准1012次，才能印出150um的障壁。由于工序次数多，成品率难以大幅度提高。近来，开发了只用黑白两种桨料，只用9次印刷，35次对准的新丝印方法，大大提高成品率。,2023
46、/6/8,76,B、喷沙法 是采用一种耐喷沙的光敏胶（或光敏干膜），用光刻法制成图形。喷沙时利用障壁材料和光敏胶的选择性刻蚀，形成障壁图形，再经去胶和烧结而成。利用喷沙工艺制作障壁的工艺流程如下图所示:,2023/6/8,77,2023/6/8,78,喷沙法的优点：障壁尺寸一致性好喷沙法仅需和数据电极对准一次，制作大面积器件时失配问题较小产率高。一块107cm板子只需几分钟就可完成喷沙刻蚀喷沙法的缺点：材料的利用率低环保问题。因为喷沙刻蚀材料中含有不少的Pb的氧化物，需要回收处理，增加成本,2023/6/8,79,C、光敏桨料法 这种方法是在障壁材料中加入光敏树脂形成浆料，用印刷的方法涂覆到基
47、板上形成连续膜，然后直接用掩模曝光显影，最后经烧结而成障壁。这是一种标准的光刻方法，图形可以做的比较精细，但是存在着材料消耗大的问题，而且要使150um的厚膜从上到下充分曝光有很大的困难。其制作流程如下图所示:,2023/6/8,80,2023/6/8,81,2023/6/8,82,此外还有填平法（lift-off,又称剥离法）、金属掩模填平法、模压法等，各有特点。,2023/6/8,83,几种障壁制作技术比较,2023/6/8,84,彩色ACPDP的主要部件及制作材料,前后基板 为了降低器件制造成本，普遍采用普通钠钙玻璃（浮法工艺，应变点低）。电极 显示电极复合式电极结构：较宽的透明电极较细
48、的金属电极（汇流电极CrCuCr）寻址电极：厚膜Ag电极,2023/6/8,85,介质膜 介质浆料：玻璃粉、树脂粘结剂、溶剂 流动型、软化型介质保护膜：MgO障壁：低熔点玻璃 作用：保证前后基板间的放电间隙，防止相邻单元间的光电串扰 要求：高度一致，宽度窄,彩色ACPDP的主要部件及制作材料,2023/6/8,86,荧光粉放电气体,彩色ACPDP的主要部件及制作材料,2023/6/8,87,前基板的关键制造工艺1、透明电极的制造：磁控溅射、光刻2、汇流电极3、介质层：丝网印刷4、封接层：丝网印刷5、介质保护膜：电子束蒸发,彩色ACPDP的主要制造工艺,2023/6/8,88,后基板的关键制造工
49、艺1、寻址电极的制造：丝网印刷、厚膜光刻2、介质层：丝网印刷3、障壁的制作,2023/6/8,89,（二）荧光粉的使用在单色PDP中用气体放电产生的光直接进行显示，而彩色PDP则通过气体放电时产生的紫外线激发荧光粉发光实现R、G、B三基色显示。对PDP使用的荧光粉要求满足以下条件：,在真空紫外领域具有较高的激励光谱在同一放电电流时，通过三基色荧光体的发光混色获得基低白色三基色的发光应具有各自鲜明的色彩度对于短波长紫外线和离子轰击不产生劣化涂浆和热处理工艺中具有稳定性放电单元工作状态的温度很少影响其发光效率余辉短,2023/6/8,90,彩色PDP涂覆荧光粉技术是采用的膜厚印刷技术形成障壁内侧的
50、基色荧光体。在显示单元的壁面和底面用喷沙法形成荧光面。红色用（Y,Gd）BO3:Eu，绿色用Zn2SiO4：Mn，蓝色用BaMgAl14O23:Eu。采用发射型荧光面，寿命可达3万小时。荧光粉性能检测：温度性能器件工作时，输入的能量相当一部分转化成热，随着温度的上升对荧光粉的亮度有较大的影响。,2023/6/8,91,烧结劣化在器件的制作工艺中要进行障壁、荧光面烧结等高温处理，要求不影响器件的性能。下表给出了几种荧光体在460高温烧结20min后，烧结前后亮度的比较结果。,2023/6/8,92,余辉问题几种荧光粉0.1余辉时间如表所示。BaAl12O19:Mn有0.1的长余辉不适宜大屏HDT
