改变纳秒脉冲驱动波形提高等离子体显示平板维持期光效的研究

吴晓震 刘克富 区琼荣 李柳霞

(复旦大学电光源研究所，上海 200433)

1 引言

PDP虽然在在成像舒适度、动态效果、对比度、色彩还原、景深层次等方面具有天然的优势，但是发光效率不高，整机功耗过大，这是它应用于3D显示的瓶颈。PDP的光效很低，仅有1～2lm/W，主要是因为放电单元电能到紫外光能转化效率很低(只有3% ～5%)。

近些年来，为了提高PDP的显示效率，很多机构做了深入研究并取得了一些成果，其中在改变驱动方式的研究中，主要是改变驱动电压的幅值、波形、频率等参数［1］。本文主要致力于从脉冲驱动方式上提高PDP光效。

2 快脉冲上升沿提高PDP光效的理论依据

2.1 脉冲驱动提高介质阻挡放电紫外光效的实验基础

脉冲驱动氙灯已经被证明相对于正弦信号能够显著提高光效和能效。图1为脉冲和正弦驱动下氙灯的紫外辐射效率变化图，可以看到脉冲驱动氙灯的辐射效率随着气压增加显著高于正弦驱动方式。在600Torr气压下是正弦方式的2.5倍左右。这主要是因为更高的气压下脉冲方式提高了Xe*转化成Xe*2的有效碰撞率［2］。此外，研究表明更快电压上升沿的脉冲能够显著提高KrCl*准分子灯辐射效率。上升沿越快，电子在高的约化电场 (E/n)作用下获得足以电离气体中原子或分子的能量占总能量的比例越高，而电子和原子分子碰撞截面减少［3］。在图2中随着电压上升沿的变快，172nm紫外辐射效率显著提高。氙灯、KrCl*准分子灯、PDP同属于介质阻挡放电。假设快脉冲驱动可以改善PDP单元介质阻挡放电加热阳离子的热效应，则可以通过对PDP驱动方式的改变，寻求电压电流上升沿和脉宽对发光效率的影响，求得最佳值，以期提高PDP光效和效率。

图1 脉冲和正弦驱动下紫外光-气压的曲线

2.2 PDP单元气体放电反应过程

图2 KrCl*准分子灯辐射效率-脉冲上升沿的曲线

PDP每一彩色像素包括前后基板，前基板上有一对ITO透明电极，ITO电极之下制作有金属电极。与电极平行方向制作是透明介质。再下层是用于降低工作电压和对介质进行保护的MgO层。后基板上，最下层是选址电极，与前基板电极呈空间正交状态。两条电极之间障壁的底部和侧面涂覆真空紫外光致发光荧光粉。相邻3个障壁内分别涂RGB三基色荧光粉，形成一个彩色像素，充入的是Ne-Xe潘宁工作气体。

如图3所示，在一定的外部电压作用下电极间产生介质阻挡放电时，Ne原子的直接电离产生Ne+继而产生大量两体碰撞反应:

图3 潘宁电离反应与Xe＊＊逐级跃迁

其中Ne*表示Ne的激发态，Nem是Ne的亚稳激发态。由于Nem的亚稳能级 (16.62eV)大于Xe的电离能 (12.27eV)。亚稳原子 Nem与 Xe发生panning电离:

高速电子与Xe+发生碰撞跃迁产生激发态Xe＊＊(2P5或2P6)，该能态的不稳定性导致其产生逐级跃迁，即

Xe*(1S5)发生能量转移:

其中1S4是原子Xe谐振激发能级共振跃迁到Xe基态时，产生使PDP放电发光的147nm紫外光，即:

而Xe谐振态会形成由Xe2*二聚物态，即为图3中由辐射产生的172 nm VUV射线。

2.3 电压上升沿对反应过程气体密度的影响

对于共面电极，原子态Xe激发出现的位置远离荧光粉，它产生的147nm的紫外辐射几乎全部被捕获在放电单元内部;而的有效寿命很长，达数μs。由二聚态产生173 nm VUV射线激发荧光粉发光产生重要贡献［4］。因此，改进PDP单元效率的方式之一就是选择驱动方式，将更多的能量引向［5～9］。

PDP单元中的放电等离子体是一种典型的非平衡等离子体。快脉冲上升沿可能使使电子温度和离子温度差增大，从而发生更多的有效碰撞，粒子能够被更有效地激发。而且快脉冲过程中，离子被加热时间变短，吸收能量和辐射红外光的现象都会得到改善。从而提高电能到紫外光能的转化效率［10］。提高PDP驱动电压上升沿，能够有效激发产生更多高能电子的同时维持Ne，Xe等离子在较低温度，使三体碰撞过程更有效，有利于的产生。

3 实验构架

3.1 实验平台和电源参数

自主研发的PDP纳秒脉冲驱动测试平台框如图4所示，纳秒脉冲驱动源为黑框所示，由控制信号电路，信号隔离放大电路和高压脉冲主电路三个部分组成。其中控制信号电路是由隔离开关电源给CPLD供电，控制信号由VIOLOG语言实现。信号放大电路是通过具有很强的隔离干扰的光纤收发光信号，隔离电气连接，再进行信号放大驱动快上升沿MOSFET。

图4 PDP维持期驱动脉冲电源系统模块和结构

电源输出参数为:电压:0～400V 上升沿45～500ns 电流:0～30A 阻性负载电压最快上升沿50ns

扫描频率:50K～1000KHz，子场频率:0～200Hz，产生PDP分子场维持期驱动波形，在一个扫描周期内仅在维持期工作。表现为周期性脉冲阵列的形式。典型驱动波形如图5所示:

图5 快脉冲驱动源输出典型波形示意图

3.2 实验方案

本研究侧重于提高PDP的白光光效，因此简化了PDP的驱动方式，截取了ADS分子场驱动中维持期部分。在该驱动方式下测得的功率和光效反映的是维持期的趋势和变化率，因此，在本文中测量量都转化成单位“1”的参考量。从图6可以看到PDP单元的介质阻挡放电特性，电流出现在外加电场发生突变的时候，随着时间的推移低气压腔室绝缘恢复后电流振荡趋于零。

图6 单次放电典型波形图

通过在图7中的PDP负载端串入可调电感L，可以近似无损改变图6中PDP电压上升沿。通过改变控制信号可以改变图5中脉冲宽度。在同一上升沿的情况下改变脉宽，测试屏照度，红外光强的值，再改变电压上升沿的值，重复前述试验。测得的823nm和828nm的红外光强反映在脉宽和上升沿的变化过程中147nm紫外辐射的变化情况。

图7 调节上升沿电路局部图

4 实验结果和分析

4.1 红外光谱测量分析

图8中为随着脉宽的变化823nm和828nm红外辐射总强度相对值变化曲线，不同的曲线表示不同的电压上升沿情况下测得的值。在试验中是通过分光光谱仪分别测得823nm和828nm的红外辐射强度，考虑到两者波长接近，测量条件相同，因此相加得到总辐射强度。在分析Xe的辐射过程中我们已经可以得到对于147nm的真空紫外光与特定波长的红外辐射完全对应。即 Xe＊＊(2P5或2P6)→Xe*(1S4或1S5)+hν(823nm、828nm)。即图8中的红外辐射强度代表了147nm真空紫外辐射强度。

图8 不同电压上升沿，823nm和828 nm红外辐射光强相对值随脉宽的变化

在脉宽从1μs到3.5μs左右，辐射强度逐渐增加。147nm辐射的存在时间为2μs左右，由于在脉冲上升沿和下降沿各有一次放电过程，脉宽从1μs逐渐增加，所以短脉冲相当于人为地缩短了147nm紫外激发过程。随着脉宽变长，紫外光激发过程得到完整发展，因此对应的红外辐射也逐渐变强。结合电压上升沿和下降沿的时间，在3μs～3.5μs左右147nm紫外产生达到饱和，脉宽持续增加辐射强度并没有显著增加，这与第二部分电压上升沿对反应过程气体密度的影响是吻合的。

图8中不同上升沿情况下红外辐射强度的曲线可以看到显著的规律性:对于不同上升沿情况下测得的曲线，趋势相同。随着其从200ns到800ns，辐射强度增加了约32%。说明电压上升沿越缓，147nm紫外辐射强度越高。823nm和828nm红外光作为主要红外辐射也有显著提高。这说明147nm紫外的增加一方面对提高PDP的最终光通量有贡献，另一方面也会显著增加PDP的热效应。

4.2 照度测量分析

实验测量了在0～12μs的脉宽变化范围内，不同电压上升沿对应照度。由于在0～4μs和4～12μs的情况不同，也为了更好的显示曲线细微差别，因此分短脉冲和长脉冲两个阶段分别给出曲线并加以分析。

如图9所示，在0～4μs内照度随脉宽的变化趋势是比较明显的，随着脉宽的增加，照度逐渐增加并在3～3.5μs趋近饱和，脉宽从1μs到4μs的过程中照度增加了45%。这是因为在激发荧光粉的两种真空紫外光中。147nm的真空紫外光存在时间主要在2μs内。在脉宽为3μs以后就趋近于饱和，与图8是一致的。短脉冲的情况下，上升沿越缓，照度值越大。800ns的上升沿的情况下比200ns的照度同比提高了4.8～8.7%。随着脉宽接近4μs，147nm紫外辐射达到饱和，172nm的紫外辐射存在时间长，开始呈现主导作用。

图9 不同电压上升沿脉宽-照度曲线 (1.0～4.0μs)

如图10所示，在4～12μs内照度随脉宽的变化接近线性增加，斜率为34.4lx/μs(2%/μs)。照度增加的主要原因有两个，其一单个脉冲对应的光脉冲间距增大，使整体光通量增大。由于荧光粉的余晖效应光脉冲相对于电脉冲严重形变，拖尾至ms量级，当一连串脉冲波产生光脉冲的时候光脉冲叠加在一起具有削弱效应，因此间距增加有助于减少叠加效应，使照度显著提高。其二，147nm紫外和172nm紫外的存在时间有显著差异。尤其对于共面电极放电结构，由Xe*谐振态所产生的147 nm VUV射线仅在荧光粉的几个吸收长度之内加以考虑。由于原子态的Xe激发出现在远离荧光粉的介质附近，因此Xe*紫外辐射几乎完全被捕获在放电单元之内，没有有效地转化为可见光;而对于由二聚物态所产生的172 nm VUV射线，则没有这个限制。随着脉宽的增加，172nm紫外激发时间被逐渐覆盖。在4～12μs的脉宽阶段，可以看到电压上升沿越陡，照度值越大。200ns上升沿的情况下比800ns的照度同比提高了2.9～5.0%。而PDP主要通过Ne，Xe混合气体放电辐射147nm和172nm的紫外激发荧光粉发光。结合前述电压上升沿的提高降低了147nm的紫外辐射强度，可以推断电压上升沿的提高主要是能够更多的能量引向，提高172nm紫外辐射的强度。PDP一般工作在5～10μs的脉宽区域，在这个区域显然应该尽可能提高驱动脉冲的硬开关阶段上升沿，以获得较大的光通量。

图10 不同电压上升沿脉宽-照度曲线 (4.5～12.0μs)

5 总结

本文从PDP显示发光机理和气体放电过程入手，提出了利用快脉冲上升沿驱动提高PDP发光效率的思路，并给出实验结果，给出了不同上升沿、脉宽与照度、红外辐射强度的对应关系，并结合实验结果分析给出硬开关阶段上升沿参数的选取。缓脉冲虽然对提高PDP的最终光通量有贡献，但也会显著增加PDP的热效应。电压上升沿的提高主要是能够提高172nm紫外辐射的强度。200ns上升沿的情况下比800ns的照度同比提高了2.9～5.0%。长脉宽有利于提高白光光效，在4～12μs范围内斜率为34.4lx/μs(2%/μs)。本文的结论可以应用于现有的PDP维持驱动电路的硬开关部分设计，以期进一步降低整机功耗，最终提高可见光效。

致谢:本文工作得到了合作方长虹公司的大力支持，特此感谢。

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