荫照式等离子体显示器中Ne-Xe混合气体下MgO薄膜二次电子发射系数研究

况亚伟，朱 笛，崔 渊，李 青

（1.常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500；2.东南大学 电子科学与工程学院显示技术研究中心，江苏 南京 210096）

1 引言

等离子体显示器（Plasma Display Panel，PDP）被认为是最适宜作为大尺寸高清晰显示器（High Defini⁃tion TV，HDTV）的终端显示器.作为一种主动发光型显示器，等离子体显示器具备亮度高、视角宽、响应快、高分辨率及全数字化等优点.但是，PDP的发光效率偏低成为制约其性能进一步提高的瓶颈[1].改善PDP的发光效率主要集中在优化放电单元结构和驱动方法、气体成分的优化和新材料的应用等几个方面[2-3].其中通过提高Ne-Xe混合气体中的Xe浓度以提高PDP的发光效率已成为业界共识[4]，如何解决高Xe混合气体下着火电压过高的问题是研究的热点之一.

因为具备良好的抗离子溅射能力和透明性，以及较高的二次电子发射系数，MgO薄膜被认为是等离子体显示器中介质保护膜的最理想材料[5-7].本文基于荫罩式PDP的试验平台，通过测试对向放电结构下不同Xe浓度混合气体的帕邢曲线，得到着火电压随Xe浓度的变化曲线；并利用本地场近似的流体模型计算不同Xe浓度下放电过程产生的Ne+和Xe+的数量，得到混合工作气体中MgO薄膜二次电子发射系数的变化曲线.结果表明Ne-Xe混合气体条件下MgO薄膜的二次电子发射系数与纯Xe工作气体下的发射系数近似相等，提高MgO薄膜的Xe+的二次电子发射系数成为解决高Xe混合气体着火电压过高的主要途径.

2 实验

将未封接的7英寸荫罩等离子显示器置于动态真空腔内，呈典型的两电极对向放电型结构.前基板由玻璃基板、维持电极、介质层、MgO薄膜构成，其中维持电极采用透明电极和汇流电极组成；MgO薄膜由电子束蒸发制备，薄膜厚度约为500 nm.后基板由玻璃基板、寻址电极、介质层、MgO薄膜构成.前后基板之间置涂覆硅酸盐绿色荧光粉的荫罩.真空腔内充入Ne-Xe混合气体，气体压强变化区间为50 torr～600 torr.

图1所示为荫罩式等离子显示器的二维结构模型的截面图，由于此结构本身具有的对称性，模拟时只需计算一半，所以图1只是结构的右半部分示意图.放电单元的宽度和高度分别设定为400 um和150 um.介质层厚度为30 um，其介电常数设为εr=10.前基板上的扫描电极和后基板的寻址电极宽度分别为100 um和40 um，工作气体气压设定为450 torr.Ne+和Xe+的二次电子发射系数分别设定为0.5和0.05.

图1 荫罩式等离子显示器的二维结构模型截面图

3 结果与讨论

3.1 帕邢曲线测试

19世纪末，帕邢（Paschen）在测量气体着火电压的大量实验中发现：在冷阴极、均匀电场的条件下，着火电压Vf不是分别随工作气体气压p和电极间距d的数值变化，而是随放电管内pd乘积而变化，并存在一个最小值.其原因在于在pd增大的过程中，一方面因碰撞的次数增多，有利于放电的发展；另一方面，因为电子在一个自由程中获得能量减小，不利于放电的进行.着火电压随pd变化的规律称为帕邢规律[8].

图2所示为基于荫罩式PDP对向放电结构中，不同Xe浓度工作气体下帕邢曲线的测试结果.在气体成份下，随着pd值的增长，着火电压均出现最小值；且随着Xe浓度的提高，最小着火电压值呈左偏的趋势，工作点更多的集中在帕邢曲线的右支.图2（a）所示为40%Xe浓度以下较低Xe浓度工作气体的帕邢曲线，在此区间内着火电压随Xe浓度提高增加幅度较为明显；图2（b）所示为40%Xe浓度以上较高Xe浓度工作气体的帕邢曲线，在此区间内着火电压随Xe浓度提高增加幅度较小.目前商用PDP的工作点多数选取为pd=5，但考虑到实验数据的一致性，本文选取pd=3的工作点电压作为工作气体的着火电压.

图2 不同Xe浓度工作气体的帕邢曲线

3.2 放电Ne-Xe离子浓度计算

图3所示为在基于本地场近似的流体模型模拟的计算过程中施加的驱动波形.该波形由复位期的一个脉冲和维持期的两个脉冲构成.复位脉冲的作用是消除前一子场放

电的影响，使所有放电单元的状态达到接近一致的状态；维持脉冲的作用是再放电单元产生连续的维持放电.

图 4（a）和 4（b）分别是计算得到的所施波形下 Ne+和Xe+数量随放电时间的分布：在外加电场作用下，电子向阳极运动，在运动过程中获得足够的能量使得气体原子电离，离子在电场作用下向阴极运动，碰撞阴极产生二次电子发射，而二次电子在电场的作用下又向阳极运动并进一步电离气体原子产生离子，如此不断下去，离子的数量不断增长，形成离子数量的上升阶段；同时，由于带电粒子向两极运动，在电极表面的介质层表面形成与外加电压相反的壁电压，逐渐抵消外加电压形成的电场，当电场弱至不能提供足够的能量电离气体原子时，空间内离子的数量将开始下降，形成离子数量的下降阶段.如图4所示，在外加脉冲作用下，放电空间内离子数量在到达峰值后开始下降，且由于复位脉冲形成的壁电压与第一个维持脉冲电场叠加使得该维持脉冲的放电强度大大加强[9].

图3 基于流体模型计算波形设定示意图

图4 基于流体模型计算Ne-Xe离子浓度：(a)Ne离子浓度(b)Xe离子浓度

图5所示为第一个维持脉冲的驱动下，放电空间内Ne+和Xe+数量随Xe浓度增加的数量级变化.由图5可得，随着Xe浓度的增加，在10%～80%的变化范围内，Ne+数量下降了近3个数量级，而Xe+数量仅仅下降了1个数量级.这主要是因为Xe原子半径（108 pm）远大于Ne原子（38 pm）[10]，导致Xe原子的碰撞截面和电离截面也远大于Ne原子；同时由于Xe浓度的提升，空间粒子的碰撞几率增大导致电子温度的降低，使得需要较高电离能量（21.56 ev）才能形成的Ne离子数量大大降低，而仅需较低电离能量（12.12 ev）形成的Xe离子数量下降幅度不大[11].

3.3 Ne-Xe混合气体下的二次电子发射系数

Prof.Aboelfotoh利用公式（1）计算了Ne-Ar混合气体的二次电子发射系数

其中γ（Ne+）和γ（Ar+）分别是 Ne+和 Ar+的二次电子发射系数，F（Ne+）和F（Ar+）分别是放电过程中某时刻的Ne+和Ar+数量[12].本文利用公式（1）计算了不同Xe浓度下Ne-Xe混合气体的二次电子发射系数，其中γ（Ne+）和γ（Xe+）分别设定为 0.5和 0.05，F（Ne+）和F（Xe+）即为图5中不同Xe浓度下放电产生的 Ne+和 Ar+数量.

图6所示为Ne-Xe混合气体着火电压和二次电子发射系数随Xe浓度增加的变化.随着Xe浓度的增加，混合气体着火电压的上升趋缓渐呈饱和趋势.可由式（2）给出[13]，着火电压是工作气体常数和阴极薄膜二次电子发射系数的函数，

图5 模拟计算Ne+和Xe+数量随Xe浓度增加的变化

随着Xe浓度的增加，气体常数也发生改变，但是由于较难得到其准确数值，所以不能直接从着火电压的变化趋势估算二次电子发射系数的变化.图6中所示Ne-Xe混合气体下二次电子发射系数的变化是利用流体模型计算不同Xe浓度下Ne+和Xe+数量，并代入公式（1）计算得到.该曲线表明少量Xe掺入纯Ne工作气体中就会导致Ne+数量大幅下降，造成Xe+的二次电子发射主导整个的二次电子发射过程，即在Ne-Xe混合气体条件下MgO薄膜的二次电子发射系数与纯Xe工作气体下的发射系数近似相等.

图6 着火电压和二次电子发射系数随Xe浓度增加的变化

4 结论

本文测试了高Xe混合气体条件下对向放电结构的帕邢曲线，并通过计算不同Xe浓度下放电过程中产生的Ne+和Xe+的数量得到混合气体的二次电子发射系数.研究结果表明Ne-Xe混合气体条件下Xe+的二次电子发射主导整个的二次电子发射过程，MgO薄膜的二次电子发射系数与纯Xe工作气体下的发射系数近似相等.为满足PDP高发光效率的需要，提高MgO薄膜的Xe+的二次电子发射系数成为解决高Xe混合气体着火电压过高的主要途径.

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