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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[1]

《照明工程学报》2010-2012年优秀论文评选 优秀奖

2013-8-20  来源:照明工程学报  作者:吴晓震 刘克富 区琼荣 李柳霞  有4413人阅读

等离子体显示平板( PDP) 作为自发光显示器件存在光效低、功耗大的问题。本文提出了一种新思路,利用快脉冲驱动改善PDP 单元介质阻挡放电发光强度,提高电光转化效率。

  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。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。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。

  2. 2 PDP 单元气体放电反应过程

  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:

  e + Ne* → Ne + 2e ( 逐次电离) ( 1)

  e + Ne = Nem + e ( 亚稳态激发) ( 2)

  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

  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Xe*2二聚物态,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Xe*2的有效寿命很长,达数μs。由Xe*2二聚态产生173 nm VUV 射线激发荧光粉发光产生重要贡献。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Xe*2。

  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。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Xe*2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。

  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:

  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。

  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。

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