新型SMPDP菱形单元结构的研究
为了提高等离子体显示单元的亮度和放电效率,本文采用三维流体模型对新型荫罩式等离子体显示板(SMPDP)的菱形单元结构进行了优化。研究了放电单元中的荫罩小孔结构改变对寻址期和维持期放电的影响。详细分析了小孔取向平行寻址电极和垂直寻址电极条件下电场和壁电荷的分布,以及对寻址时间、真空紫外辐射量和放电效率的影响。模拟结果表明:当小孔垂直寻址电极、长度和宽度分别为240μm和120μm 时为最佳结构,通过优化小孔结构可以获得较高的寻址速度和放电效率,又可保证荧光粉的涂覆面积。
等离子体平板显示(PDP) 技术是目前实现大屏幕、高亮度平板显示的主流技术之一,已成为高清晰度电视(HDTV) 的主要候选者。为了与液晶显示抗衡,它的成本以及某些特性,如亮度、发光效率等,必须进一步改进。为改善PDP 的显示性能、降低成本,除了在驱动波形、材料和工艺上进行研究外,结构的优化设计同样具有很重要的意义 ,受到越来越多的关注。但由于放电单元小,放电速度快,实验测量比较困难且成本较高,计算机数值模拟成为PDP 研究的主要手段。与常用的二维流体模型相比,三维流体模型可以准确描述放电单元的几何结构,在PDP 理论研究中具有重要地位。
荫罩式等离子体显示板(SMPDP) 利用阴极射线管中的金属荫罩做障壁,避免了现行的表面放电结构中复杂的介质障壁制作工艺,降低了成本,而且具有响应频率快、亮度高、着火电压低等优点,该结构有望成为表面放电PDP 结构的一个强有力竞争者 。作为障壁的金属荫罩具有导电性,它的结构直接影响放电单元内的场分布,从而影响放电性能。目前新型SMPDP 中普遍采用的荫罩结构不但决定了显示板的开口率及可涂覆荧光粉的面积,而且最终影响单元的寻址速度、维持电压和放电效率等。
为了尽可能增加开口率和侧壁荧光粉涂覆面积以达到提高发光效率的目的,本文中的荫罩结构由菱形大孔和矩形小孔共同组成。荫罩的屏蔽作用使寻址电极所加电压只有通过小孔才能渗透到放电空间,小孔结构不但决定了荧光粉的涂覆面积,同时决定了空间电场和壁电荷的分布,因此小孔结构的优化对提高SMPDP 的放电特性有重要作用。本文在三维流体模型的基础上研究了小孔结构对放电空间的电场及壁电荷的影响,从寻址时间、真空紫外辐射量和放电效率的角度对小孔结构进行优化,为新型荫罩式等离子体显示板的设计提供参考。
1、新型SMPDP菱形单元结构
新型SMPDP菱形单元结构具有很多优点。按照Delta 型排列的菱形结构显示板在保证显示性能的前提下可十分容易地实现42 英寸WVGA 显示,较大的开口率不但增加了可见光的输出效率,而且有利于提高分辨率。另外,菱形单元结构在荫罩四周的荧光粉涂覆面积较大,使显示单元的亮度增加,这种独特的结构还可以把荧光粉涂覆在大孔与小孔相接的界面上,使真空紫外光子激发荧光粉转化为可见光的效率增加。菱形结构的这些优点都进一步提高了SMPDP 的发光效率。图1 为新型SMPDP 菱形单元结构示意图,由前基板、荫罩和后基板组成。其中,前基板包括前玻璃基板、扫描电极(S)及上介质层;后基板包括后玻璃基板、寻址电极(A) 及下介质层;夹在前基板和后基板之间的荫罩包括菱形大孔和矩形小孔,矩形的长边和短边分别代表小孔的长度和宽度。根据小孔结构的不同取向,长度方向可以沿着寻址电极,也可以垂直寻址电极,图1 所示的单元结构中小孔长度方向垂直寻址电极。正交排列的扫描电极和寻址电极的中心与荫罩的中心在Z轴方向同一直线上。沿Z 轴方向菱形大孔和矩形小孔的深度分别为100μm 和40μm。限于文章篇幅有限,本文在最佳小孔宽度值的基础上讨论小孔长度改变对放电的影响,关于小孔宽度的优化过程在后续文章中给出。
新型SMPDP 菱形单元的大孔和小孔之间的结构差异使维持期内正周期和负周期的对向放电强度不同,其中正周期指扫描电极为阳极的时刻,负周期指寻址电极为阳极的时刻。图2 给出了ICCD 拍摄的菱形单元结构在维持期的放电过程。从图上可以看出,正周期阴极亮区呈长条形沿寻址电极方向扩展,而阳极条纹沿阳极扩展;负周期阴极亮区主要集中在扫描电极和寻址电极的交叉区域,沿扫描电极方向略有扩展。从正负周期的放电差异可以看出小孔结构对单元的放电特性有很大影响。
图1 新型SMPDP 菱形单元结构示意 图2 菱形单元结构在维持期的放电过程
3、总结
新型SMPDP 菱形单元结构的小孔结构对放电特性有很大影响。本文采用三维流体模型研究了小孔结构变化对寻址期和维持期放电的影响。结果表明,随着小孔长度的增加,放电空间电场分布区域扩展,介质层积累的壁电荷增多,寻址速度变快,寻址时间缩短了大约20 %。维持期真空紫外辐射量和放电效率随小孔长度的增加而增加,但在小孔长大于240μm 后增长幅度基本很小。小孔长度方向对寻址时间和真空紫外辐射量的影响较小,但对放电效率的影响很大,小孔长度垂直寻址电极的结构放电效率提高了44 % ,而沿着寻址电极的结构只有32 %。增加小孔长度虽然可以提高寻址速度和放电效率,但会减小荧光粉涂覆面积,综合考虑以上因素对放电的影响,选择小孔长度垂直寻址电极、面积为240μm ×120μm 的小孔结构最合适。
