光电显示技术第4章等离子体显示器.ppt

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1、第第4章章 等离子体显示器等离子体显示器概 述气体放电的物理基础交流等离子体显示板彩色AC-PDP彩色AC-PDP的制造材料和工艺彩色AC-PDP制造技术的发展状况彩色AC-PDP电路系统显示动态图像时的干扰及解决措施直流等离子体显示板PDP的应用2021/9/211指所有利用气体放电而发光的平板显示器件的总称。它属于冷阴极放电管，利用加在阴极和阳极间一定的电压，使气体产生辉光放电。一、PDP的定义与分类4.1概 述按工作方式的不同主要分为直流型(DC-PDP)和交流型(AC-PDP)两大类。AC-PDP根据电极结构的不同，分为对向放电型和表面放电型两种。2021/9/212二、PDP的发展史

2、1、DCPDP的发展史20世纪50年代初，Burroughs公司开发出一种用于数码显示的直流气体放电管；1954年，Burroughs公司研制出直流矩阵结构PDP显示板；1972年，Burroughs研制出具有自扫描功能的DCPDP板；1978年，G.E.Holz提出脉冲存储技术，使得DCPDP可工作于存储模式。2021/9/2132、ACPDP的发展史1964年，美国Illinois大学的Bitzer和Slottow发明了单色AC-PDP；1967 年，Illinois大学开发出对向放电型AC-PDP；1976，G.W.Dick和M.R.Biazzo提出单一基板面放电结构；1990年，富士通

3、提出寻址与显示分离ADS驱动方法；1984年，G.W.Dick、内池等提出了三电极表面放电反射型AC-PDP；90年代后期，日本提出了边寻址边显示AWD驱动方法，富士通公司提出表面交替发光ALIS驱动方法，新的驱动方法层出不穷。2021/9/214三、PDP的特点易于实现薄型大屏幕显示；具有高速响应特性；可实现全彩色显示；视角宽，可达1600；伏安特性非线性强，具有很陡的阈值特性；具有存储功能；长寿命。无图像畸变，不受磁场干扰；应用的环境范围宽；工作于全数字化模式；2021/9/2154.2 气体放电的物理基础一、气体放电的伏安特性2021/9/216由于弧光放电产生的大电流容易烧毁显示器，而

4、且在其辐射光谱中，常含有阴极材料蒸气的光谱，因而PDP总是选择工作在正常辉光和反常辉光放电区。为此，必须在PDP放电回路中串联电阻、电感、电容来确定放电工作点。DC-PDP通常串联薄膜电阻来限制电流，而ACPDP放电单元电极上涂覆的介质层也起到了限制电流的阻抗作用。2021/9/217二、气体的击穿和巴邢定律1、气体的击穿（由非自持放电转变为自持放电的过程）阴极表面发射的电子在电场作用下运动，与气体原子发生碰撞电离，电子在空间雪崩。汤生第一电离系数系数。新产生的离子打上阴极又引起新的二次电子发射，从而使阴极发射增强，使气体导电率不断增加。汤生第三电离系数系数。自持放电的条件：放电稳定后到达阳极

5、的电子数为：2021/9/2182、巴邢定律2021/9/219三、影响气体放电着火电压的因素1、pd值的影响；PDP中充入气体的压强和电极间隙决定着火电压。2、气体种类和成份的影响；当原子的电离能较低时，其着火电压低。在基本气体中混入微量杂质气体时，若两种气体间满足潘宁电离条件，着火电压下降。如在Ne气中混入Ar气或Xe气，可使着火电压下降。3、阴极材料和表面状况的影响；4、电场分布的影响；5、辅助电离源的影响。2021/9/2110四、辉光放电的发光阴极暗区，产生大量的碰撞电离，雪崩放电集中在这个区域发生。负辉区，在阴极暗区电离产生的大量电子进入这一区域，电子能量大于或接近激发能，产生明亮

6、的辉光。正柱区，任何位置电子密度和正离子密度相等，表现为均匀的光柱或明暗相间的层状光柱。2021/9/2111五、气体放电延迟从在电极间加上一个大于着火电压的瞬时到气体击穿所需的时间称为气体放电延迟或击穿时滞。总的气体放电延迟由两部分组成：统计性时间延迟ts形成性时间延迟tf气体放电延迟是关系到PDP单元放电稳定性的因素之一，是进行PDP单元结构和驱动波形设计时必须考虑的一个问题。2021/9/21124.3 交流等离子体显示板一、基本结构显示电极（包括透明电极和汇流电极）制作在前基板上，寻址电极制作在后基板上并与显示电极正交，一对显示电极与一条寻址电极的交叉区域就是一个放电单元，维持放电在两

7、组显示电极间进行。汇流电极三电极表面放电型ACPDP壁障(隔断)荧光粉选址电极后玻璃基板紫外线介质层透明电极放电区前玻璃基板透明介电质层保护层发光区 2021/9/2113行 电极列电极放 电胞电压2021/9/2114无论是哪种结构的AC-PDP，在电极上均有一介质层，该介质层使气体放电产生的空间电荷存储在介质壁上，这些电荷称为壁电荷，壁电荷的建立可使AC-PDP工作在存储模式，并有利于降低放电的维持电压。由于介质层材料的抗离子溅射性能较差，因此为延长显示器的寿命，增加工作电压的稳定性，降低器件的着火电压，在介质层上再覆盖一层抗溅射和二次电子发射系数高的薄膜作为保护膜，通常为MgO膜。202

8、1/9/2115二、工作原理以对向放电型为例，AC-PDP的驱动脉冲由维持脉冲Vs、书写脉冲Vw和擦除脉冲Ve组成。AC-PDP在维持脉冲的每个周期内产生两次放电发光。维持电压脉冲宽度通常5s 10s，幅度90V100V，主要工作频率范围30KHz50KHz，因此光脉冲重复频率在数万次以上，人眼不会感到闪烁。2021/9/21164.4彩色AC-PDP一、实施途径彩色AC-PDP通常利用稀有混合气体放电产生的VUV来激发三基色光致荧光粉发光。1、放电气体要求：着火电压低；辐射的真空紫外光谱与荧光粉的激励光谱相匹配；放电本身发出的可见光对荧光粉发光色纯影响小；放电产生的离子对介质保护膜材料溅射小

9、；化学性能稳定。2021/9/2117彩色AC-PDP 必须合理选择气体配比。目前，在量产的彩色AC-PDP中，通常充入的放电气体有Ne-Xe(46)、He-Ne(2030)-Xe(4)。2、三基色荧光粉要求：在真空紫外线的激发下，发光效率高；色彩饱和度高，色彩再现区域大；余辉适宜；热稳定性和辐照稳定性好；有良好的真空性能；涂覆性能良好：2021/9/2118彩色AC-PDP通常选用的荧光粉有：红粉：(Y，Gd)BO3:Eu3+；绿粉：BaAl12O19:Mn2+，Zn2SiO4:Mn2+；蓝粉：BaMgAl10O17:Eu2+，BaMgAl14O23:Eu2+。2021/9/2119二、发光

10、机理 彩色AC-PDP的发光由两个基本过程组成：气体放电过程，即利用稀有混合气体在外加电压的作用发射出真空紫外线(VUV)的过程；混合气体放电过程：潘宁电离2021/9/2120荧光粉发光过程，即利用气体放电产生的紫外线，激发光致荧光粉发射出可见光的过程。2021/9/2121三、结构特点彩色AC-PDP有对向放电型和表面放电型两种。对向放电型的三个放电单元R、G、B成三角形分布，表面放电型的放电单元为直条沟状。2021/9/2122彩色AC-PDP按荧光粉的涂敷方式分为透射式和反射式。2021/9/2123四、多灰度级显示的实现方法彩色AC-PDP利用调节维持脉冲个数的方法来实现多灰度级显示

11、。以寻址与显示分离的子场驱动方法（ADS）为例：将某一种颜色的电平信号量化为n位数据，对显示数据按位进行显示。发光脉冲个数和该位的权重相关联，权重越大，该显示期的发光脉冲个数越多，反之，则发光脉冲个数越少。各位显示的亮度也就不同，一位的显示时间称为一个子场。每个子场包括准备期、寻址期和维持显示期。2021/9/2124以显示数据量化为8位为例，将一场时间分为8个子场，其维持期的时间(即维持脉冲个数)不同，例如18子场分别对应显示从图像数据的最低位至最高位，则8个子场的维持期的时间成1:2:4:8:16:32:64:128的关系。每种颜色可显示28级灰度，三基色可显示224种颜色。若一个数据为0

12、000，0000，则所有子场都不点亮，显示为最暗的0级灰度；当数据为0000，1001时，只有第一和第四子场点亮，对应灰度级为9的亮度。2021/9/21252021/9/2126例：若彩色AC-PDP采用分子场显示来实现128级灰度，显示数据如何量化？若采用ADS驱动法，则各子场的维持显示时间比是多少？该彩色AC-PDP可以实现多少种颜色的彩色显示？若某一像素要实现85级灰度显示，各子场显示情况如何？2021/9/21274.5 彩色ACPDP的制造材料和工艺以富士通公司开发的三电极结构表面放电型AC-PDP为例，制造过程总体上可分为3部分：前基板制造工序、后基板制造工序和总装工序。一、彩色

13、AC-PDP的主要部件及其制作材科1、前后基板普遍使用的玻璃基板为采用浮法工艺制作的平板钠钙玻璃。障壁(隔断)透明介电质层保护层透明电极放电气体前玻璃基板荧光粉选址电极后玻璃基板汇流电极介质层2021/9/2128采用复合式电极结构，即显示电极用较宽的透明电极和较细的金属电极构成。透明电极仍用ITO薄膜。2、透明电极常用的汇流电极的材料有薄膜Cr-Cu-Cr电极、厚膜Ag电极。常用的寻址电极材料为厚膜Ag电极。3、汇流电极和寻址电极汇流电极用来增加电极的导电性，要求宽度在100m以下。4、介质层用来保护电极，为低熔点玻璃。2021/9/2129为低熔点破璃，作用：保证两基板间的放电间隙，确保一

14、定的放电空间；防止相邻单元间的放电干扰。5、介质保护膜MgO 6、障壁另外还有荧光粉层和放电气体。要求二次电子发射系数高，电阻率高，耐溅射。作用是延长显示器的寿命，增加工作电压的稳定性，并且能够降低器件的着火电压，减小放电的时间延迟。要求：高度一致(偏差在5m），宽度窄，热膨胀系数应与基板玻璃相匹配。2021/9/2130二、前基板的关键制造工艺1、透明电极的制作方法同液晶显示屏的ITO膜制作，先在基板上溅射一层SiO2，然后溅射一层ITO膜，再光刻出电极。2、汇流电极的制作可采用薄膜光刻技术（Cr-Cu-Cr）和厚膜技术（Ag浆料）。厚膜技术有两种方法：用厚膜光刻技术制作，使用的材料是光敏A

15、g浆料。用丝网印刷法直接制作出电极，再经高温烧结而成。最常用的材料是Ag浆料。2021/9/21313、介质层的制作，采用丝网印刷法。要求四条边的厚度和宽度均匀一致，以保证密封质量。采用丝网印刷法或喷涂法制作。4、封接层的制作5、MgO介质保护膜的制作利用电子束蒸发的方法制备。2021/9/2132三、后基板的关键制造工艺采用丝网印刷法或厚膜光刻技术制作。1、寻址电极的制作2、介质层的制作高度一般在l00200m的范围，制作技术有丝网印刷法和喷砂法。3、障壁的制作采用丝网印刷法或厚膜光刻法制作。4、荧光粉层的制作2021/9/2133四、总装工艺在前、后基板都制作好后，进入总装工序，该工序包括

16、前后基板封接，屏的排气、充气，AC-PDP的老练和电极引出。2021/9/2134五、彩色AC-PDP制造技术的发展状况1、PDP结构的发展（1）waffle障壁和T型电极结构（日本先锋公司）2021/9/2135（2）栅栏型Cr-Cu-Cr电极结构（美国Plasmaco公司）（3）弯曲障壁结构（日本富士通）2021/9/2136（4）非对称单元结构和彩色滤光膜（松下和NEC）2021/9/21374.7彩色AC-PDP电路系统一、三电极表面放电型彩色AC-PDP的工作原理彩色AC-PDP要实现图像的显示，首先根据显示数据选择在要点亮的单元中形成或保留壁电荷到维持期，使维持放电得以进行，积累了

17、壁电荷的单元就会发生维持放电，实现图像的显示。称一个有壁电荷(壁电压与维持电压的绝对值之和大于着火电压)的显示单元处于点亮状态，否则称该单元处于熄灭状态。2021/9/2138三电极表面放电型彩色AC-PDP的三个电极分别为：维持电极（X电极）、扫描电极（Y电极）、寻址电极（A电极）。维持显示放电发生在X电极和 Y电极之间，寻址放电发生在A电极和Y电极之间。使单元点亮可使寻址电极和扫描电极间发生放电，积累维持放电所需的壁电荷。2021/9/2139使一个单元由点亮到熄灭，即擦除单元中的壁电荷，有如下方式：加一个远大于着火电压Vf的电压脉冲，使放电结束后单元内的壁电压还大于着火电压，壁电荷本身形

18、成的壁电压使单元内发生放电，在脉冲下降后，使单元中各电极的外加电压相同，由于此时外电路并不提供电流，放电使壁电荷基本中和，单元回到熄灭状态；2021/9/2140是利用A电极和Y电极放电，在单元内积累额外的壁电荷，使壁电荷的电压超过着火电压，引起单元内放电，后面的放电进行时外电路不提供电流，则壁电荷因该放电而被中和。2021/9/2141利用窄脉冲(脉冲宽度约1s左右)的擦除作用，窄脉冲引起放电，而且要在放电未结束时使脉冲结束，放电造成壁电荷中和。2021/9/2142加上合适的电压脉冲序列，可以实现显示单元中壁电荷的建立、擦除以及维持显示等操作。采用不同时序的电压脉冲序列就构成了不同的驱动方

19、法。（4）用缓慢上升的脉冲，使单元刚达到着火电压时，就进行一次放电，壁电荷被中和掉一部分，电压再上升，重复以上过程，最终接除掉大多数壁电荷。2021/9/2143维持期二、驱动方法 1、寻址与显示分离的子场驱动方法（ADS）准备期寻址期2021/9/2144缺点：显示亮度低。以VGA显示为例，工作于场频60Hz，则场周期为16.7ms。假设扫描一行的时间为3s，扫描480行所需的时间为1.44ms，则在一场时间16.7ms内，8个子场扫描寻址所用的时间为11.52ms，留给维持放电显示的时间只有5.15ms，维持显示时间占一场总时间的31。2021/9/21452、寻址并显示的驱动方法（AWD

20、）寻址电极分为上、下两部分，两部分同时扫描寻址。将一个行周期H分成8个长度为(3.7s)的时间段，作为每一子场的寻址期。占空比：2021/9/21463、表面交替发光(ALIS)驱动法普通驱动方法驱动的PDP应用于HDTV时亮度下降的原因：HDTV显示像素多，放电空间减小；发光面积与像素面积之比下降，开口率下降；像素尺寸减小，放电产生的电荷向障壁扩散，造成相当程度的能量损失；显示时间缩短。彩色AC-PDP一般使用条状障壁结构，相邻显示行之间设置了非发光区域。大量电极的存在，非发光区不能设计太宽，相邻像素间会产生放电的相互干扰。2021/9/2147基本思路：充分利用两行之间的非发光区域。所有的

21、维持电极和扫描电极等间距排列，相邻两个维持电极和扫描电极之间的间距作为一个显示行，扫描电极分成奇数行和偶数行分别在两场显示，奇数场和偶数场交替显示，构成一帧图像。表面交替发光(ALIS)驱动法2021/9/2148显示奇数行时，在电极X1和Y1之间，X2和Y2之间施加维持电压Vs，使其发生维持放电，同时由于Y1和X2电极电位相等，使偶数行没有维持放电发生而不显示。显示偶数行的操作与奇数行相似，只在Yl和X2电极之间存在维持电压，进行维持放电。2021/9/2149以奇数场显示为例分析其工作原理：从准备期开始，通过在X电极施加全屏写脉冲使显示屏上的所有单元的壁电荷得到擦除，处于一致状态。在寻址期

22、，将寻址期分为前后两部分，在奇场的前半部分寻址期，寻址显示1、5、9等行，在其后半部分寻址期，寻址显示3、7、11等行；在维持放电期，只在构成奇数显示行的电极之间施加维持电压脉冲，使之发生维持放电；偶数显示行上电极之间电压为0V，不发生放电。123452021/9/2150ALIS驱动方法的优点：可实现高清晰度和高亮度的显示；经济性好；寿命长；一根扫描电极就可驱动两个显示行，显示电极中扫描驱动集成电路个数和以前的相比数量减半。一个像素的发光时间只有以前的1/2，因此发光时间短，寿命延长。2021/9/2151 4、CLEAR驱动法属于擦除寻址的驱动方法：先点亮所有显示单元，在寻址期根据显示数据

23、擦除非点亮单元中的壁电荷，使其熄灭，在维持期，那些点亮的单元会维持发光。CLEAR驱动用各个子场的维持发光的单纯累积来显示灰度。在一场中，只有在第一子场的开头有一个准备期的发光，使全屏所有显示单元处于点亮状态。对于一个显示单元，一场中只有一次寻址放电。2021/9/2152若单纯使用CLEAR驱动方法，可显示的灰度数为“子场数1”，但灰度级不够。可使每场中的各个子场的维持脉冲数发生变化显示更多的灰度级，例如1场由m个子场构成，使n场中的维持脉冲数发生变化时，得到的灰度数为mn+1。2021/9/2153三、驱动电路场同步行同步数据时钟数据存储与控制电路显示数据扫描时序控制信号驱动时序控制信号显

24、示数据缓冲寻址电极驱动器维持脉冲产生电路扫描脉冲产生电路扫描电极驱动器开关电源DC/DC转换电路ACPDP2021/9/2154 1、数据存储与控制电路是彩色AC-PDP电路中对图像数据进行数字处理，实现分子场显示的主要控制部分。其主要功能是将图像数据按照显示屏的结构和ADS分子场驱动技术的要求进行转换、存储和处理（按位进行分离、分块存储），向驱动电路传送显示数据，并提供显示所需的一些驱动集成电路的控制信号（扫描时序信号和驱动时序信号等）。2021/9/21552、高压驱动电路主要功能是按一定的逻辑控制时序，产生驱动显示屏的高压驱动波形。包括扫描电极驱动脉冲产生电路，维持电极驱动脉冲电路，寻址

25、电极和扫描电极驱动器等。3、高压集成块逻辑电路，负责控制显示屏信号和显示数据；高压驱动电路，负责将信号电平移位和对显示屏施加发光所需的高压脉冲。2021/9/21564、能量恢复电路彩色AC-PDP显示屏可看作是一个容性负载。在对电容的充放电过程中电容本身并不消耗能量，但对其进行充放电引起的电流将导致在回路电阻上消耗能量。电容的一个充放电过程中，电路损耗的总能量为CV2。当屏的总电容为C1F，用幅值为100V，频率f为100kz的脉冲驱动时，回路中电阻消耗的功率：应用能量恢复电路以减小对屏电容的充放电过程中在回路电阻中能量的消耗。2021/9/21572021/9/2158储能电容Cs经S1、

26、D1、L对屏电容Cp充电；电源V给屏电容Cp充电并使之维持在电压V；屏电容Cp经L、D2、S2对储能电容Cs充电；屏电容Cp对地放电。Cs为储能电容，Cp为屏电容。电路的工作过程包括：使用能量恢复电路后的能量恢复率可达80%。2021/9/21594、8 显示动态图像时的干扰及解决措施一、显示动态图像时的干扰及其形成机理人们在观看运动的物体时，观察者的视点会跟随运动物体一起移动，由于人眼的视觉暂留效应，观察者看到在图像的某些地方，尤其是明暗变换比较明显的边缘地带出现了亮的或暗的虚影，即动态假轮廓现象。彩色AC-PDP在显示运动图像时会出现干扰现象，CRT则不会。将两者进行比较：2021/9/2

27、1602021/9/2161以显示灰度127和128为例分析产生干扰的原因：1、CRT显示动态画面2021/9/21622、AC-PDP显示动态画面像素在灰度转变时，在1.52.5F之间整整一场时间内完全不发光，发光不均匀造成灰度等级的紊乱。从发光在人眼视网膜上的分布可看出，在128和127两个灰度等级边界之间出现了明显的暗区，称之为负极性的动态假轮廓现象。2021/9/2163运动图像的虚影现象不仅会产生灰度的紊乱，对彩色显示而言，同时会出现色彩的紊乱彩色AC-PDP显示动态图像时干扰的出现主要是由于采用了分子场显示的驱动方法来实现多灰度显示造成的，在显示运动物体时就会出现发光在时间分布上的

28、不均匀，从而在人眼视点跟随运动图像移动时，在视网膜上出现了虚影等干扰。2021/9/2164二、显示动态图像时的干扰的抑制措施 1、减少发光在时间和空间上的不均匀性压缩一场中的发光时间2021/9/2165分割两个最大的子场并且优化子场的顺序动态假轮廓现象在权重较大的两个子场易出现且最明显，这两个子场的发光时间分布较宽，从而导致了严重的动态假轮廓现象出现。改进的方法是将这两个子场分成4个权重为48的等长度的子场，并通过优化子场顺序使相邻子场的发光强度差异降低到最低程度，2021/9/2166子场控制法把48这个灰度等级用一个权重为48的子场（SFC1）或一个权重为32的子场加一个权重为16的子

29、场（SFC0）两种方法来实现。电路在处理相邻像素的灰度显示时，在SFC1和SFC0 两种方法中优选一种，使相邻像素所加的子场的发光差别减到最小。2021/9/2167可以在原有的信号上加上几个额外的光发射区，即加上几个补偿脉冲，使动态假轮廓的相应暗区得到补偿。同样对于亮区性质的动态假轮廓，可以在相应的位置加上几个负的补偿脉冲加以补偿。2、补偿脉冲法2021/9/21683、误差扩散法在彩色AC-PDP的驱动中，可采用时间、空间的三维散射法。这种方法的思路是将灰度的紊乱在时间和空间的领域里分散开去，减少人们对彩色PDP动态假轮廓现象的感受。2021/9/21694、开发新的驱动方法2021/9/21702021/9/2171