改變納秒脈沖驅(qū)動波形提高等離子體顯示平板維持期光效的研究

吳曉震 劉克富 區(qū)瓊榮 李柳霞

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

1 引言

PDP雖然在在成像舒適度、動態(tài)效果、對比度、色彩還原、景深層次等方面具有天然的優(yōu)勢，但是發(fā)光效率不高，整機功耗過大，這是它應(yīng)用于3D顯示的瓶頸。PDP的光效很低，僅有1～2lm/W，主要是因為放電單元電能到紫外光能轉(zhuǎn)化效率很低(只有3% ～5%)。

近些年來，為了提高PDP的顯示效率，很多機構(gòu)做了深入研究并取得了一些成果，其中在改變驅(qū)動方式的研究中，主要是改變驅(qū)動電壓的幅值、波形、頻率等參數(shù)［1］。本文主要致力于從脈沖驅(qū)動方式上提高PDP光效。

2 快脈沖上升沿提高PDP光效的理論依據(jù)

2.1 脈沖驅(qū)動提高介質(zhì)阻擋放電紫外光效的實驗基礎(chǔ)

脈沖驅(qū)動氙燈已經(jīng)被證明相對于正弦信號能夠顯著提高光效和能效。圖1為脈沖和正弦驅(qū)動下氙燈的紫外輻射效率變化圖，可以看到脈沖驅(qū)動氙燈的輻射效率隨著氣壓增加顯著高于正弦驅(qū)動方式。在600Torr氣壓下是正弦方式的2.5倍左右。這主要是因為更高的氣壓下脈沖方式提高了Xe*轉(zhuǎn)化成Xe*2的有效碰撞率［2］。此外，研究表明更快電壓上升沿的脈沖能夠顯著提高KrCl*準分子燈輻射效率。上升沿越快，電子在高的約化電場 (E/n)作用下獲得足以電離氣體中原子或分子的能量占總能量的比例越高，而電子和原子分子碰撞截面減少［3］。在圖2中隨著電壓上升沿的變快，172nm紫外輻射效率顯著提高。氙燈、KrCl*準分子燈、PDP同屬于介質(zhì)阻擋放電。假設(shè)快脈沖驅(qū)動可以改善PDP單元介質(zhì)阻擋放電加熱陽離子的熱效應(yīng)，則可以通過對PDP驅(qū)動方式的改變，尋求電壓電流上升沿和脈寬對發(fā)光效率的影響，求得最佳值，以期提高PDP光效和效率。

圖1 脈沖和正弦驅(qū)動下紫外光-氣壓的曲線

2.2 PDP單元氣體放電反應(yīng)過程

圖2 KrCl*準分子燈輻射效率-脈沖上升沿的曲線

PDP每一彩色像素包括前后基板，前基板上有一對ITO透明電極，ITO電極之下制作有金屬電極。與電極平行方向制作是透明介質(zhì)。再下層是用于降低工作電壓和對介質(zhì)進行保護的MgO層。后基板上，最下層是選址電極，與前基板電極呈空間正交狀態(tài)。兩條電極之間障壁的底部和側(cè)面涂覆真空紫外光致發(fā)光熒光粉。相鄰3個障壁內(nèi)分別涂RGB三基色熒光粉，形成一個彩色像素，充入的是Ne-Xe潘寧工作氣體。

如圖3所示，在一定的外部電壓作用下電極間產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電時，Ne原子的直接電離產(chǎn)生Ne+繼而產(chǎn)生大量兩體碰撞反應(yīng):

圖3 潘寧電離反應(yīng)與Xe＊＊逐級躍遷

其中Ne*表示Ne的激發(fā)態(tài)，Nem是Ne的亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)。由于Nem的亞穩(wěn)能級 (16.62eV)大于Xe的電離能 (12.27eV)。亞穩(wěn)原子 Nem與 Xe發(fā)生panning電離:

高速電子與Xe+發(fā)生碰撞躍遷產(chǎn)生激發(fā)態(tài)Xe＊＊(2P5或2P6)，該能態(tài)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致其產(chǎn)生逐級躍遷，即

Xe*(1S5)發(fā)生能量轉(zhuǎn)移:

其中1S4是原子Xe諧振激發(fā)能級共振躍遷到Xe基態(tài)時，產(chǎn)生使PDP放電發(fā)光的147nm紫外光，即:

而Xe諧振態(tài)會形成由Xe2*二聚物態(tài)，即為圖3中由輻射產(chǎn)生的172 nm VUV射線。

2.3 電壓上升沿對反應(yīng)過程氣體密度的影響

對于共面電極，原子態(tài)Xe激發(fā)出現(xiàn)的位置遠離熒光粉，它產(chǎn)生的147nm的紫外輻射幾乎全部被捕獲在放電單元內(nèi)部;而的有效壽命很長，達數(shù)μs。由二聚態(tài)產(chǎn)生173 nm VUV射線激發(fā)熒光粉發(fā)光產(chǎn)生重要貢獻［4］。因此，改進PDP單元效率的方式之一就是選擇驅(qū)動方式，將更多的能量引向［5～9］。

PDP單元中的放電等離子體是一種典型的非平衡等離子體。快脈沖上升沿可能使使電子溫度和離子溫度差增大，從而發(fā)生更多的有效碰撞，粒子能夠被更有效地激發(fā)。而且快脈沖過程中，離子被加熱時間變短，吸收能量和輻射紅外光的現(xiàn)象都會得到改善。從而提高電能到紫外光能的轉(zhuǎn)化效率［10］。提高PDP驅(qū)動電壓上升沿，能夠有效激發(fā)產(chǎn)生更多高能電子的同時維持Ne，Xe等離子在較低溫度，使三體碰撞過程更有效，有利于的產(chǎn)生。

3 實驗構(gòu)架

3.1 實驗平臺和電源參數(shù)

自主研發(fā)的PDP納秒脈沖驅(qū)動測試平臺框如圖4所示，納秒脈沖驅(qū)動源為黑框所示，由控制信號電路，信號隔離放大電路和高壓脈沖主電路三個部分組成。其中控制信號電路是由隔離開關(guān)電源給CPLD供電，控制信號由VIOLOG語言實現(xiàn)。信號放大電路是通過具有很強的隔離干擾的光纖收發(fā)光信號，隔離電氣連接，再進行信號放大驅(qū)動快上升沿MOSFET。

圖4 PDP維持期驅(qū)動脈沖電源系統(tǒng)模塊和結(jié)構(gòu)

電源輸出參數(shù)為:電壓:0～400V 上升沿45～500ns 電流:0～30A 阻性負載電壓最快上升沿50ns

掃描頻率:50K～1000KHz，子場頻率:0～200Hz，產(chǎn)生PDP分子場維持期驅(qū)動波形，在一個掃描周期內(nèi)僅在維持期工作。表現(xiàn)為周期性脈沖陣列的形式。典型驅(qū)動波形如圖5所示:

圖5 快脈沖驅(qū)動源輸出典型波形示意圖

3.2 實驗方案

本研究側(cè)重于提高PDP的白光光效，因此簡化了PDP的驅(qū)動方式，截取了ADS分子場驅(qū)動中維持期部分。在該驅(qū)動方式下測得的功率和光效反映的是維持期的趨勢和變化率，因此，在本文中測量量都轉(zhuǎn)化成單位“1”的參考量。從圖6可以看到PDP單元的介質(zhì)阻擋放電特性，電流出現(xiàn)在外加電場發(fā)生突變的時候，隨著時間的推移低氣壓腔室絕緣恢復(fù)后電流振蕩趨于零。

圖6 單次放電典型波形圖

通過在圖7中的PDP負載端串入可調(diào)電感L，可以近似無損改變圖6中PDP電壓上升沿。通過改變控制信號可以改變圖5中脈沖寬度。在同一上升沿的情況下改變脈寬，測試屏照度，紅外光強的值，再改變電壓上升沿的值，重復(fù)前述試驗。測得的823nm和828nm的紅外光強反映在脈寬和上升沿的變化過程中147nm紫外輻射的變化情況。

圖7 調(diào)節(jié)上升沿電路局部圖

4 實驗結(jié)果和分析

4.1 紅外光譜測量分析

圖8中為隨著脈寬的變化823nm和828nm紅外輻射總強度相對值變化曲線，不同的曲線表示不同的電壓上升沿情況下測得的值。在試驗中是通過分光光譜儀分別測得823nm和828nm的紅外輻射強度，考慮到兩者波長接近，測量條件相同，因此相加得到總輻射強度。在分析Xe的輻射過程中我們已經(jīng)可以得到對于147nm的真空紫外光與特定波長的紅外輻射完全對應(yīng)。即 Xe＊＊(2P5或2P6)→Xe*(1S4或1S5)+hν(823nm、828nm)。即圖8中的紅外輻射強度代表了147nm真空紫外輻射強度。

圖8 不同電壓上升沿，823nm和828 nm紅外輻射光強相對值隨脈寬的變化

在脈寬從1μs到3.5μs左右，輻射強度逐漸增加。147nm輻射的存在時間為2μs左右，由于在脈沖上升沿和下降沿各有一次放電過程，脈寬從1μs逐漸增加，所以短脈沖相當(dāng)于人為地縮短了147nm紫外激發(fā)過程。隨著脈寬變長，紫外光激發(fā)過程得到完整發(fā)展，因此對應(yīng)的紅外輻射也逐漸變強。結(jié)合電壓上升沿和下降沿的時間，在3μs～3.5μs左右147nm紫外產(chǎn)生達到飽和，脈寬持續(xù)增加輻射強度并沒有顯著增加，這與第二部分電壓上升沿對反應(yīng)過程氣體密度的影響是吻合的。

圖8中不同上升沿情況下紅外輻射強度的曲線可以看到顯著的規(guī)律性:對于不同上升沿情況下測得的曲線，趨勢相同。隨著其從200ns到800ns，輻射強度增加了約32%。說明電壓上升沿越緩，147nm紫外輻射強度越高。823nm和828nm紅外光作為主要紅外輻射也有顯著提高。這說明147nm紫外的增加一方面對提高PDP的最終光通量有貢獻，另一方面也會顯著增加PDP的熱效應(yīng)。

4.2 照度測量分析

實驗測量了在0～12μs的脈寬變化范圍內(nèi)，不同電壓上升沿對應(yīng)照度。由于在0～4μs和4～12μs的情況不同，也為了更好的顯示曲線細微差別，因此分短脈沖和長脈沖兩個階段分別給出曲線并加以分析。

如圖9所示，在0～4μs內(nèi)照度隨脈寬的變化趨勢是比較明顯的，隨著脈寬的增加，照度逐漸增加并在3～3.5μs趨近飽和，脈寬從1μs到4μs的過程中照度增加了45%。這是因為在激發(fā)熒光粉的兩種真空紫外光中。147nm的真空紫外光存在時間主要在2μs內(nèi)。在脈寬為3μs以后就趨近于飽和，與圖8是一致的。短脈沖的情況下，上升沿越緩，照度值越大。800ns的上升沿的情況下比200ns的照度同比提高了4.8～8.7%。隨著脈寬接近4μs，147nm紫外輻射達到飽和，172nm的紫外輻射存在時間長，開始呈現(xiàn)主導(dǎo)作用。

圖9 不同電壓上升沿脈寬-照度曲線 (1.0～4.0μs)

如圖10所示，在4～12μs內(nèi)照度隨脈寬的變化接近線性增加，斜率為34.4lx/μs(2%/μs)。照度增加的主要原因有兩個，其一單個脈沖對應(yīng)的光脈沖間距增大，使整體光通量增大。由于熒光粉的余暉效應(yīng)光脈沖相對于電脈沖嚴重形變，拖尾至ms量級，當(dāng)一連串脈沖波產(chǎn)生光脈沖的時候光脈沖疊加在一起具有削弱效應(yīng)，因此間距增加有助于減少疊加效應(yīng)，使照度顯著提高。其二，147nm紫外和172nm紫外的存在時間有顯著差異。尤其對于共面電極放電結(jié)構(gòu)，由Xe*諧振態(tài)所產(chǎn)生的147 nm VUV射線僅在熒光粉的幾個吸收長度之內(nèi)加以考慮。由于原子態(tài)的Xe激發(fā)出現(xiàn)在遠離熒光粉的介質(zhì)附近，因此Xe*紫外輻射幾乎完全被捕獲在放電單元之內(nèi)，沒有有效地轉(zhuǎn)化為可見光;而對于由二聚物態(tài)所產(chǎn)生的172 nm VUV射線，則沒有這個限制。隨著脈寬的增加，172nm紫外激發(fā)時間被逐漸覆蓋。在4～12μs的脈寬階段，可以看到電壓上升沿越陡，照度值越大。200ns上升沿的情況下比800ns的照度同比提高了2.9～5.0%。而PDP主要通過Ne，Xe混合氣體放電輻射147nm和172nm的紫外激發(fā)熒光粉發(fā)光。結(jié)合前述電壓上升沿的提高降低了147nm的紫外輻射強度，可以推斷電壓上升沿的提高主要是能夠更多的能量引向，提高172nm紫外輻射的強度。PDP一般工作在5～10μs的脈寬區(qū)域，在這個區(qū)域顯然應(yīng)該盡可能提高驅(qū)動脈沖的硬開關(guān)階段上升沿，以獲得較大的光通量。

圖10 不同電壓上升沿脈寬-照度曲線 (4.5～12.0μs)

5 總結(jié)

本文從PDP顯示發(fā)光機理和氣體放電過程入手，提出了利用快脈沖上升沿驅(qū)動提高PDP發(fā)光效率的思路，并給出實驗結(jié)果，給出了不同上升沿、脈寬與照度、紅外輻射強度的對應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合實驗結(jié)果分析給出硬開關(guān)階段上升沿參數(shù)的選取。緩脈沖雖然對提高PDP的最終光通量有貢獻，但也會顯著增加PDP的熱效應(yīng)。電壓上升沿的提高主要是能夠提高172nm紫外輻射的強度。200ns上升沿的情況下比800ns的照度同比提高了2.9～5.0%。長脈寬有利于提高白光光效，在4～12μs范圍內(nèi)斜率為34.4lx/μs(2%/μs)。本文的結(jié)論可以應(yīng)用于現(xiàn)有的PDP維持驅(qū)動電路的硬開關(guān)部分設(shè)計，以期進一步降低整機功耗，最終提高可見光效。

致謝:本文工作得到了合作方長虹公司的大力支持，特此感謝。

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