第四章光显示材料课件.ppt
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1、1.显示技术发展史显示技术发展史黑白显示黑白显示彩色显示彩色显示数字显示数字显示激光激光显显示示OLED3D显显示示电电子子纸纸技技术术FEDOLED 2005?OLED 2005?CRT 19402025CRT 19402025LCD 19802050?LCD 19802050?19401940200020002025202520502050显示器的時代变迁电子显电子显示器件示器件主动发光型主动发光型(发光型)(发光型)非主动发光型非主动发光型(受光型)(受光型)阴极射线管显示器(阴极射线管显示器(Cathode Ray Tube,CRT)等离子体显示器(等离子体显示器(Plasma Dis
2、play Panel,PDP)电致发光显示器(电致发光显示器(Electroluminescent Display,ELD)真空荧光显示器(真空荧光显示器(Vacuum Fluorescent Display,VFD)发光二极管显示器(发光二极管显示器(Light Emitting Diode Display,LED Display)场致发射显示器(场致发射显示器(Field Emission Display,FED)有机发光二极管显示器(有机发光二极管显示器(Organic Light Emitting Diode Display,OLED Display)液晶显示器(液晶显示器(Liqui
3、d Crystal Display,LCD)电致变色显示器(电致变色显示器(Electrochromism Display,ECD)按发光类型分类按发光类型分类利用信息来调制个像素利用信息来调制个像素的发光亮度和颜色,进的发光亮度和颜色,进行直接显示行直接显示本身不发光,本身不发光,而是利用信息而是利用信息调制外光源而调制外光源而使其达到显示使其达到显示的目的的目的2.发光显示材料发光显示材料正投式正投式背投式背投式直观式直观式投影式投影式图像直接显示图像直接显示在显示器件的在显示器件的屏幕上屏幕上把显示器件生成的较把显示器件生成的较小图像源,通过透镜小图像源,通过透镜等光学系统放大投影等光学
4、系统放大投影于屏幕上于屏幕上Digital Light Processor数字光处数字光处理器理器Liquid Crystal on Silicon 硅基液晶硅基液晶按观看位置分类按观看位置分类2.1 CRT(Cathode Ray Tube)显显示的特点示的特点组成:组成:电子枪电子枪(Electron Gun),偏转线圈偏转线圈(Deflection coils),荫罩荫罩(Shadow mask),荧光粉层荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳及玻璃外壳v电子枪电子枪v聚焦系统聚焦系统v加速电极加速电极v偏转系统偏转系统v荧光屏荧光屏工作原理:在电子枪中,阴极被灯丝间接加热至约2000
5、时,阴极发射大量的电子,经加速、聚焦、偏转后轰击荧光屏上的荧光粉,发出可见光。灰度灰度:控制每个像素的电子束强度控制每个像素的电子束强度 1 场信号场信号:扫描过程中每个图像的扫描周期扫描过程中每个图像的扫描周期 CRT显像管图像显示原理显像管图像显示原理Principle of image display scheme for CRTelectron gun 电子枪电子枪电子束电子束electron beamPixel像素像素scan line 扫描线扫描线1TV-field1场信号场信号2023/1/49CRT荧光粉 CRT荧光粉一般具有高的发光效率和各种各样的发射光荧光粉一般具有高的发光
6、效率和各种各样的发射光谱。制备谱。制备CRT发光材料的原材料要求具有发光材料的原材料要求具有较高的纯度较高的纯度。例如,。例如,Fe、Co、Ni、Mn质量分数不超过质量分数不超过110-7,Cu的质量分数不的质量分数不超过超过510-8。荧光粉由荧光粉由基质、激活剂基质、激活剂和和助熔剂助熔剂组成。组成。荧光粉基质可分为:荧光粉基质可分为:氧化物:氧化物:ZnO:Zn 硫化物:硫化物:ZnS:Cu,Al;CdS 硅酸盐:硅酸盐:Zn2SiO4:Mn2+钨酸盐:钨酸盐:CaWO4 稀土化合物:稀土化合物:Y2O3;YGdO2S:Tb为降低基质结晶温度,为降低基质结晶温度,促进晶体形成和长大,促进
7、晶体形成和长大,并使激活剂易于进入晶并使激活剂易于进入晶格中而加入的物质。往格中而加入的物质。往往不含在最终产品中。往不含在最终产品中。杂质类型杂质类型 激活剂激活剂:对某种特定的化合物起激活作用,使原来不发光或发:对某种特定的化合物起激活作用,使原来不发光或发光很微弱的材料发光,如光很微弱的材料发光,如ZnS:Ag共激活剂共激活剂:与激活剂协同激活基质的杂质,掺入后有利于发光:与激活剂协同激活基质的杂质,掺入后有利于发光中心的形成,称为共激活剂,如中心的形成,称为共激活剂,如ZnS:Cu,Al敏化剂敏化剂:能够将所吸收的能量传给发光中心,有助于激活剂引:能够将所吸收的能量传给发光中心,有助于
8、激活剂引起的发光,使发光亮度增加,称为敏化剂,如起的发光,使发光亮度增加,称为敏化剂,如YF3:Yb,Er猝灭剂猝灭剂:损害发光性能,使发光强度降低的杂质。如:损害发光性能,使发光强度降低的杂质。如Fe、Co、Ni等等惰性杂质惰性杂质:对发光性能影响较小,对发光亮度和颜色不起直接:对发光性能影响较小,对发光亮度和颜色不起直接作用的杂质,如碱金属、碱土金属等。作用的杂质,如碱金属、碱土金属等。2023/1/411荧光粉的制备配料配料(Y2O3:Eu)(Y0.96Eu0.04)2O3助熔剂(助熔剂(NH4Cl,Li2SiO3)球磨球磨选粉选粉中性中性烧结烧结1340下灼烧12h石英坩埚石英坩埚氧化
9、铝坩埚氧化铝坩埚253.7nm紫外光紫外光去离子水洗去离子水洗CRT典型发光粉特性荧光粉的发光特性表征阴极射线管显示器阴极射线管显示器阴极射线管显示器的优缺点阴极射线管显示器的优缺点 优点:优点:视角度大、无坏点、色彩还原度高、视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短响应时间极短 缺点:缺点:体积大,重量大,耗电量大,辐射较体积大,重量大,耗电量大,辐射较强,容易磁化等强,容易磁化等2023/1/4142.2 FED(Field Emission Display)发光材料发光机理发光机理:属于电子射线激发发光(阴极发光)。将强
10、电场属于电子射线激发发光(阴极发光)。将强电场集中在阴极上面的圆锥形发射极上,通过电场使电子集中在阴极上面的圆锥形发射极上,通过电场使电子发射到真空中(发射到真空中(冷阴极冷阴极)。)。特点特点:图像质量好,耗能低,体积薄,亮度高。图像质量好,耗能低,体积薄,亮度高。FED基本基本结结构构2023/1/416FED发光材料FED采用矩阵式逐行扫描方式,寻址时间较长(几十采用矩阵式逐行扫描方式,寻址时间较长(几十微秒),使发光粉库仑负载较大,容易发光饱和并老微秒),使发光粉库仑负载较大,容易发光饱和并老化。化。满足满足FED使用条件的荧光粉:使用条件的荧光粉:ZnO:Zn、ZnCa2O4(蓝光)
11、、(蓝光)、ZnCa2O4:Mn(绿粉)、(绿粉)、Gd2O2S:Tb(绿(绿粉)、粉)、Y2O2S:Eu(红粉)。(红粉)。缺点:缺点:亮度偏低,开发新型亮度偏低,开发新型FED发光粉成为当务之急。发光粉成为当务之急。2023/1/417项项目目CRTFED阴极阴极类类型型热热阴极阴极冷阴极冷阴极加速加速电压电压1530kV3008000V扫扫描方式描方式逐点逐点扫扫描描矩矩阵阵式逐行式逐行扫扫描描寻寻址址时间时间ns量量级级几十几十sCRT与FED2023/1/4182.3 真空荧光显示器(VFD)VFD(vacuum fluorescence display)是是1967年由伊势电年由伊
12、势电子工业公司开发的光电显示器件,它子工业公司开发的光电显示器件,它利用电子撞击荧利用电子撞击荧光粉,使荧光粉发光,是一种自身发光显示器件光粉,使荧光粉发光,是一种自身发光显示器件。用途用途:它可以做:它可以做多色彩显示多色彩显示,亮度高,又可以用低电,亮度高,又可以用低电压来驱动,压来驱动,易与集成电路配套易与集成电路配套,用于家电产品、,用于家电产品、AV产产品、车载设备和测试设备等方面。品、车载设备和测试设备等方面。2023/1/419VFD基本结构基本原理:当对涂有氧化材料的阴极加热时,它在近650度时发射热电子。热电子被金属网栅加速后,再轰击阳极的荧光物质发光。结构:玻璃面板 阴极
13、栅极 阳极(涂荧光物质)玻璃衬底2023/1/420灯灯丝丝:直径直径为为1020m的的钨丝钨丝用用热电热电子子发发射率射率 高的氧化物涂覆高的氧化物涂覆栅栅极:极:开孔度大的开孔度大的筛筛网状网状极薄不极薄不锈钢锈钢板板荧荧光材料:光材料:ZnO:Zn(蓝绿蓝绿色)色)多种荧光粉发光频谱多种荧光粉发光频谱2023/1/4222.4 电致发光材料EL无机电致发光材料无机电致发光材料有机电致发光材料有机电致发光材料粉末发光材料粉末发光材料薄膜发光材料薄膜发光材料发光二极管发光二极管单晶发光材料单晶发光材料在直流或者交流电场作用下,依靠电流和电场的激发使材料发光的现象,又称场致发光。相应的材料称为
14、电致发光(场致发光)材料。无机电致发光材料分类2023/1/424电致发光材料电致发光(电致发光(ELEL)按激发过程的不同分为两大类:)按激发过程的不同分为两大类:本征型电致发光本征型电致发光:荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外:荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速,碰撞发光中心并使其激加强电场的作用下在晶体内部加速,碰撞发光中心并使其激发或离化,电子在恢复到基态时辐射发光。发或离化,电子在恢复到基态时辐射发光。注入式电致发光注入式电致发光:直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴,:直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴,当电子与空穴在晶体内再复合时,以光的形式释
15、放出多余的当电子与空穴在晶体内再复合时,以光的形式释放出多余的能量。注入式电致发光的基本结构是能量。注入式电致发光的基本结构是结型二极管(结型二极管(LEDLED););电致发光薄膜电致发光薄膜为使器件能够耐受高电压为使器件能够耐受高电压,因此,因此绝缘层应具有高的介电强度;绝缘层应具有高的介电强度;绝缘层要有高的介电系数,绝缘层要有高的介电系数,使电使电压能尽可能多地分配到发光膜压能尽可能多地分配到发光膜绝缘膜通常采用绝缘膜通常采用Y2O3或或Si3N4器件的制作采用器件的制作采用电子束真空蒸发或射频溅射电子束真空蒸发或射频溅射的方法,将各层膜按次序蒸发的方法,将各层膜按次序蒸发碰撞离化过程
16、示意图碰撞离化过程示意图薄膜薄膜EL机理:机理:碰撞离化(激碰撞离化(激发发)而次级电子又将被加速,这就是电子的倍增过程。而次级电子又将被加速,这就是电子的倍增过程。过过程程1.电子可以穿过势垒进入导带产生电子可以穿过势垒进入导带产生隧道效隧道效应应过过程程2.电子在导带中被电场加速电子在导带中被电场加速3.发光中心发光中心4.晶格晶格(interface state)IS当器件加电压后,当器件加电压后,ZnS能带倾斜,在边界出现一个能带倾斜,在边界出现一个三角形势垒。界面态和三角形势垒。界面态和ZnS导带之间的距离缩小了导带之间的距离缩小了达到一定速度后即可离化达到一定速度后即可离化发发光中
17、心或晶格光中心或晶格,产产生更多生更多的的电电子,即次子,即次级电级电子子(Secondary electrons)带中的一部分电子可能直接激发发光中心带中的一部分电子可能直接激发发光中心一部分则可能从导带落入发光中心的激发能级。一部分则可能从导带落入发光中心的激发能级。这些结果都可以产生发光。这些结果都可以产生发光。2023/1/427ACTFEL结构示意图交流粉末电致发光交流粉末电致发光2023/1/428交流粉末电致发光交流粉末电致发光交流粉末电致发光结构图交流粉末电致发光结构图目前的交流粉末电致发光多采用目前的交流粉末电致发光多采用ZnS:CuZnS:Cu粉末粉末,器件由三层组成。,器
18、件由三层组成。发光层作用:消除漏电流与避免击穿发光层作用:消除漏电流与避免击穿2023/1/429优点:优点:寿命长寿命长(大于(大于2 2万小时),万小时),亮度高,工作温度宽亮度高,工作温度宽(-55-55+125+125)缺点:缺点:掺不同杂质则发不同的光,只有掺掺不同杂质则发不同的光,只有掺MnMn的发光效率高,且的发光效率高,且为橙黄色。对全色显示要求的三基色,研制高效的发光材料是为橙黄色。对全色显示要求的三基色,研制高效的发光材料是当今研究的课题。当今研究的课题。应用:应用:EL EL器件目前已被应用在背光源照明上,在汽车、飞机及其器件目前已被应用在背光源照明上,在汽车、飞机及其他
19、设备仪器仪表、手机、手表、电子钟、他设备仪器仪表、手机、手表、电子钟、LCDLCD模块、笔记本电脑模块、笔记本电脑显示器等方面获得应用。也作为交通安全标志,公司标志,出显示器等方面获得应用。也作为交通安全标志,公司标志,出口通道等发光指示牌上的发光显示器件。口通道等发光指示牌上的发光显示器件。交流粉末电致发光优缺点交流粉末电致发光优缺点2023/1/430几种电致发光粉特性2023/1/431发光二极管(发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)是一种半导体固体发光器件。它是利用是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导固体半导体芯片体芯片作为发光材料,在半导体中通过的载流
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