| 出版日期：2004-08-09 总期号：1337 本年期号：58 |
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PDP：让平板显示更靓
——透视彩色等离子显示技术 中国电子科技集团公司第五十五研究所 樊卫华 等离子显示器件的技术特点 等离子体显示器（Plasma Display Panel, 以下简称PDP），从显示颜色分为 单色PDP和彩色PDP。单色PDP利用Ne-Ar潘宁气体在电场作用下放电发橙红色可见光而进行单色显示;彩色PDP利用Ne-Xe等潘宁气体在电场作用下放电产生真空紫外光, 激发涂覆在放电单元内的三基色荧光粉获得红、绿、蓝（R、G、B）三基色，三基色经时间调制和空间混色而实现彩色显示的平板显示器件。PDP按照限制其放电单元电流大小的方式不同，可分为交流工作方式AC-PDP、直流工作方式DC-PDP以及交、直流混合工作模式Hybird-PDP。彩色AC-PDP，具有存储方式工作易实现大面积高精细显示，发光效率较直流模式工作的DC-PDP要高等优点，发展最为快速。其中交流工作方式的三电极表面放电反射型结构的彩色PDP，已成为当今PDP生产和研究开发的主要对象。 交流工作方式的三电极表面放电反射型结构的彩色PDP主要特点如下： ●每个像素的位置是由器件电极结构确定的，没有畸变，确保显示图像清晰。 ●固有的数字化特性，更有利于与数字信号的衔接。 ●视角大、体积小、重量轻，适合大屏幕显示。 ●独特的记忆特性和非线性，可以实现大容量显示而亮度不会下降，完全满足HDTV的要求。 ●制作工艺易于批量生产，有利于产业形成。 根据上述彩色PDP的特点，随着规模生产的建立，在屏幕对角线尺寸30英寸至80英寸的范围内，彩色PDP显示了其它显示器件强大的技术优势，将在大屏幕壁挂数字电视、高清晰度电视(HDTV)、计算机工作站和多媒体显示等领域形成巨大的应用市场，具有较强的竞争优势。 等离子显示器发展状况 PDP作为一种平板显示器的实质性开发是以1966年美国Illinois大学存储型AC-PDP的发表以及1969年美国Burroughs公司自扫描型DC-PDP的发表为标志。1975年前后，单色AC-PDP以及DC-PDP用于数字、文字及图形显示开始普及。 20世纪80年代末，单色AC-PDP显示器的生产技术已经成熟，生产的各种单色显示器已被广泛应用于工业、商业及军事等。进入20世纪90年代后，随着彩色液晶显示的应用扩大，单色AC-PDP生产和研制陷入了低谷，这些公司纷纷停产或转移单色PDP。然而这时，在日趋临近的数字化电视广播和高清晰度电视的强烈刺激和液晶显示较难实现大面积显示状况的推动下，彩色AC-PDP的技术迅速发展并获得大突破。在军用彩色AC-PDP开发方面，美国Photonics公司研制成功30英寸1024×768彩色像素、对向放电方式的全色PDP，法国Thomson CSF公司在法国国防部的支持下，研制出21英寸、19英寸系列高分辨率对向放电全色AC-PDP。由于采用电极对向放电方式，且放电空间狭小，故这种工作方式的彩色AC-PDP放电效率低，亮度仅为100cd/m2左右，主要在一些军用特殊场合的计算终端应用。 真正具有重大意义的是日本富士通公司在1993年率先实现的21英寸三电极表面放电反射结构、选址和显示分离方式驱动（ADS）的彩色AC-PDP的批量生产。这种结构的PDP具有放电效率高、寿命长、易实现全色显示以及大规模生产等优点，成为此后彩色PDP研制开发和生产的样板。1996年日本多家公司推出了42英寸彩色PDP产品，其主要性能技术指标接近CRT的水平，当时除三菱公司生产线没有投产外，NEC、富士通、松下电子、先锋以及日立制作所等五条生产线的月产能力约为15000片。 随着欧美、日韩等发达国家和地区信息化进程的推进，数字电视广播的普及， PDP电视将于2006～2007年进入普及阶段，PDP的国际市场可望飞跃成长，现有工厂的产品将供不应求。根据FHP的预测，2004年全球PDP市场规模约为240～300万台，2006年可望扩增至470～700万台，2007年更可望成长为600～1000万台,其中绝大部分将用于数字电视。 为了占领数字电视用彩色PDP这一巨大市场，日本、韩国以及我国台湾地区的彩色PDP公司在继续进行产品性能改进的基础上，纷纷扩大量产规模，以期扩大市场份额，降低生产成本。目前，PDP的显示屏及模块生产厂家主要有7家，其中：日本3家：富士通日立等离子体显示公司（FHP）、松下等离子体显示公司（MPD）和先锋公司（PIONEER）（2004年初它收购了NEC PDP公司）；韩国2家：LG电子、三星SDI；我国台湾省2家：中华映管、台塑PDP。另外，LG电子在沈阳建有一条年产3万台的PDP模块组装线，在南京建有一条PDP模块组装线；日本松下控股在上海建有一条年产24万台的显示屏生产线。 为了提高市场占有率，进一步降低成本，日本、韩国和我国台湾的PDP公司正在投资建立更大规模的彩色PDP生产线，以适应高涨的全球市场需求。日本领头的PDP生产商松下电气正在全力赶超韩国的PDP公司，要成为该市场全球最大的生产商，并打算投资950亿日元在日本兵库县建造一个PDP新工厂，工厂建成后，预计到2005年其42英寸PDP年产量将达到150万台， 2006年将达到300万台，这将占据全球PDP市场份额的52%。FHP、先锋等也都宣布了其加大PDP投资力度的计划。另外LG电子、三星、中华映管和台塑PDP等公司也在极积扩产。各公司PDP生产能力及扩产计划如表1所示。 随着我国数字电视技术和产业的快速发展，数字电视接收机将由目前的市场启动阶段很快进入普及阶段，进入千家万户。国内有上亿有线电视用户，集中在城市及经济发达地区，成为推动数字电视产业化的重要可用资源，预计2002—2005年中国显示设备市场年均复合增长率将达到20.3%，到2005年市场规模达到1434.3亿元。 预计，中国PDP模块的市场，将从2002年的3万台和2003年的10万台，增长到2004年的40万台和2007年的160万台，将保持迅猛的增长。同时，中国PDP数字电视市场将从2002年的2万台和2003的8万台，提高到2004年的15万台和2005年的30万台，市场年均增长率超过100%。随着彩色PDP性能的提高和成本的下降， 2005年以后将进入普及阶段。主要用户是家用数字电视，另外是作为公用领域或商用显示器。 图1是美国iSuppli市场调研公司对中国市场PDP电视机及LCD电视的预测。以每台PDP电视3万元人民币计，2004年在中国的PDP电视的市场总价约为36亿元人民币，到2007年这一总价会增加至156亿元。可见其市场规模巨大。 
图1 中国PDP大屏幕电视市场预测 
图2 彩色PDP显示屏单元结构 
图3 ADS实现256级灰度的子场分配方法 
图4 显示屏制屏工艺流程图 彩色PDP的结构原理 等离子显示器实现彩色显示的方式有多种，其中交流三电极表面放电反射式结构以其具有发光效率高、寿命长、易驱动等特点，成为产业化和研究的主要对象。从图2可以看出，彩色PDP显示屏由前后两个基板组成，每一显示单元分别由制作在前后基板上的图形组合而成。每个彩色像素在前基板上包括一对ITO透明电极，构成一对前板放电电极，在ITO电极之上，制备金属电极（如cr-cu-cr薄膜电极或Ag厚膜电极）称为汇流电极（Bus电极）；相邻放电电极对之间，与电极平行方向制作有黑色条，用于提高明室对比度；在电极和黑色条之上制备透明介质，器件在交流方式工作时它起限流电阻作用；在透明介质上用真空镀膜的方法制备氧化镁层，起瞬时阴极的作用。每个彩色像素在后基板上包括红、绿、蓝三个单元，最下层是选址电极，材料同Bus电极，与前基板电极呈空间正交；在选址电极之上制作白色介质层，起限流和提高对显示基色光的反射作用；在白色介质之上，两条电极之间制作的是用于防止单元间光电串扰和控制前后基板间隙的障壁，障壁的高度一般在100-150μm；相邻两条障壁及所夹部分构成U型槽结构，在U型槽底部和侧面分别涂覆R、G、B三基色荧光粉；后基板一角有一排气孔。前后基板用低融点玻璃粉进行气密封接，通过排气孔排出基板之间的空气后，再充入Ne-Xe等潘宁工作气体后封离。 在驱动三电极表面放电彩色PDP时，通常将所有维持电极相连由X维持驱动电路驱动，Y扫描电极扫描驱动电路和维持电路分别驱动，A选址电极与选址驱动器相连。在选址过程中Y电极和A电极之间进行选址触发放电，使将来要点亮的单元的X、Y电极表面带上一定量的壁电荷。所有单元的维持发光放电由X电极和Y电极之间的维持显示驱动完成，维持电压的大小前面已有过讨论。X-Y电极之间除了进行维持显示之处，还要对全屏所有单元进行初始化或擦除多余电荷的作用，其目的是使在选址过程中，各单元的状态一致，实现稳定的选址。 我们知道，PDP单元的状态只有两种，要么“点亮”要么“熄火”，因此其灰度的实现不同于CRT的靠调制电子束流大小而实现明暗不同亮度的显示，PDP在实现灰度时要把一个电视场分为若干个子场，每一子场产生相同强度的辐射的时间不同，亮度的高低是因这些相同光强辐射在人眼视网膜上的辐射强度与作用时间的积分效应不同造成的。这样每场的某一单元的亮度是由各子场维持显示时间的组合确定的。各子场内的维持时间有一定的关系，以256级灰度为例，各子场维持时间的组合，必须能产生0-255的完备集合，可见有多种方式。以彩色PDP开发初期的各子场维持时间之比采用二进制方式，如1∶2∶4∶8∶16∶32∶64∶128，只需8个子场分割就可以实现一个视场的256级灰度显示。这样一个彩色像素内R、G、B三基色放电单元，每一单元的基色都可产生256级不同的亮度，因此，一个彩色像素共可表现出2563种颜色，约为1677万种不同色彩。 子场法实现彩色PDP的灰度的驱动方式又可以分为ADS（Addess and Display Separation）方式和AWD（Addess while Display）方式。ADS方式的应用和研究最为广泛。如图3用ADS方法实256级灰度的子场图。 三电极表面放电反射结构的彩色PDP采用ADS方式驱动时，一个电视场分为若干个子场，每一个子场又由三个工作过程组成： 初始化过程：进行这一工作过程的目的是消除经过上一子场各显示单元内壁电荷差异可能对本子场选址造成的影响。经过这一过程后全屏所有单元内的壁电荷全变为零或设置成某一可控制的值。由于这一过程产生了与显示信息量无关的全部单元的放电，放电强弱、次数的多少会影响显示屏的背景光，进而影响显示屏的暗室对比度，因此，为了提高暗室对比度，设计和控制初始化的波形十分重要。 选址过程：这一工作过程的目的是将要显示的图像显示信息经处理后反映到显示屏上。具休讲就是通过A电极和Y 电极之部的触发放电和X-Y电极之间的表面放电，使将来要点亮的单元带上足够的壁电荷。 维持显示过程：这一工作过程的目的是在所有单元的X、Y电极之间进行放电显示，在选址阶段带上壁电荷的单元在这过程点亮实现信息显示。 彩色PDP的技术现状 国外以日本企业的彩色PDP技术最为先进，富士通公司开发出了三电极表面放电反射式结构的彩色PDP和ADS（寻址与维持分离）工作方式，使彩色PDP实现了全彩色显示，率先实现了彩色PDP的产业化，为彩色PDP的发展打下了良好基础，开发出的Alis技术可使彩色PDP的显示容量和亮度提高，为了进一步提高图像质量FHP研发了E-Alis结构， 采用封闭型障壁结构提高亮度，产品亮度达1100Cd/m2;采用逐行扫描的方式驱动，可实现1920×1080的HDTV显示；Pioneer公司采用Clear工作方式实现灰度显示，提高图像对比度、消除动态图像的伪轮廓,采用高Xe分压工作气体和封闭障壁结构，产品的光效提高到1.8 lm/W的业界最高水平；松下公司采用Plasma AI技术提高显示屏的峰值亮度，采用一场一次斜坡预放电纯黑驱动技术提高彩色PDP对比度， 采用非对称单元排列有效提高了显示器的色温；NEC采用CCF、矩形电极、栅网状障壁提高色纯、发光亮度和效率。韩国主要有LG和三星等公司开展彩色PDP的研究和生产，目前彩色PDP已经达到了对角线80英寸的水平，HDTV格式，最近两公司在彩色PDP图像质量上猛作文章，在产品上可实现5000∶1的暗室对比度和1500 Cd/m2。我国台湾省两家公司的产品图像质量要比日、韩的差一节，不过进步很快。 我国彩色PDP研发进展 42英寸彩色PDP试验线 表1 全球PDP生产厂商的产能及扩张计划 
表2 日本各PDP公司开发和采用技术一览表 
为了促进我国彩色PDP产业的发展，我国政府把彩色PDP列为重大科技攻关项目，旨在通过彩色PDP项目的研究开发，形成具有自主知识产权的彩色PDP生产技术，培养彩色PDP技术人才队伍。 在国家重点科技攻关项目的支持下，针对我国彩色PDP产业的需求而开展研究开发的，主要涉及显示屏结构设计和工作气体的优化、显示屏试验线建设、建立全套自主开发的适合批量生产的彩色PDP显示屏制作工艺，开发彩色PDP显示模块电路等内容。 一种新的显示器件总会伴随着一些新工艺和新设备的出现，大屏幕彩色PDP显示屏在制作大面积精细障壁、大面积精细复合电极、大面积精细荧光粉阵列、大尺寸基板烧结等方面，需要专用的设备和工艺。在对彩色PDP显示屏生产工艺进行充分的研究之后，设计开发了彩色PDP显示屏的制作工艺，同时考虑工程研究和试验的特点，组建了我国第一条完整的42英寸彩色PDP显示屏试验线。 在电极制作工艺方面，我们建立了薄膜光刻、厚膜印刷、厚膜光刻所需要的设备；在障壁制作工艺方面，我们建立了喷砂工艺、蚀刻工艺所需要的设备；在精密荧光粉发光层制作工艺方面，建立了精密丝网印刷工艺所需要的设备；在氧化镁保护层制作工艺方面，建立了电子束蒸发设备；在显示屏封接、排气和充气工艺方面，建立了封接设备、排气和充气设备、显示屏老炼设备等。 在建立试验线的过程中，我们根据工艺的特点，自主设计和开发了专用设备，如大面积精密扫描喷砂机、大面积步进扫描曝光机，并取得了专利。大面积精密扫描喷砂机具有均匀供砂、稳定喷砂、精密扫描等特点，完全满足了使用要求；大面积步进扫描曝光机具有二维扫描功能，解决了曝光边缘光强迭加的均匀性问题，用小的光源，可以对大面积进行均匀曝光。另外，在彩色PDP显示屏工艺过程中，多处采用丝网印刷工艺，尤其是精密荧光粉发光层制作工艺方面，需要精密丝印网版，为此我们建立了大面积精密丝印网版制作工艺和设备，开发出国内面积最大的精密丝印网版。 利用上述试验线，我们开发了全套适合批量生产的42英寸彩色PDP显示屏制作工艺，并研制出42英寸彩色PDP显示屏， 其工艺流程如图4所示。 42英寸彩色PDP模块电路 
利用我们研制出的彩色PDP显示屏，进行显示电路系统的研究开发和开展彩色PDP性能评价的研究。本项目驱动方案采用ADS（Address Display-period Separate，寻址与显示分离）工作方式，。模块电路主要由帧存储电路、驱动控制电路、Y电极扫描驱动电路、X电极驱动电路、选址驱动电路等部分组成。存储电路主要由时序控制电路和DRAM电路两部分组成，将接口电路送来的点阵数字信号和时钟信号暂存在DRAM中，然后产生读取信号将存储器中的内容按顺序送往选址驱动器。驱动控制电路接收存储电路产生的时序信号，利用转换电路形成12V的MOS驱动信号，去控制VMOS管的工作，并将直流高压信号斩波成所需的高压驱动信号。选址电压较低，由推挽电路实现。此外，在设计驱动电路时，为了降低功率损耗，采用了能量恢复电路。 为了实现256级灰度，将一个电视场分为8个子场，每子场内分三个阶段：初始化阶段、选址阶段和维持阶段。初始化阶段用于消除上一子场在单元内部产生的壁电荷，选址阶段用于对在本子场内显示的单元进行选址，使选址单元内部产生壁电荷，初始化阶段和选址阶段各子场相同。维持阶段各子场通过控制维持时间调节已选址单元的发光亮度，通过各子场维持时间的组合，实现电视场画面的256级灰度显示。 用我们开发出来的42英寸彩色PDP显示屏，配上驱动和控制等电路，彩色PDP模块的主要性能指标见表3。 在建设彩色PDP显示屏试验线过程中，我们对器件结构参数和气体比分进行了优化，自主开发了全套彩色PDP生产工艺以及部分关键设备，开发了显示模块电路，积累了丰富的实际经验，培养了一支人才队伍，为今后组建彩色PDP生产线和开发高清晰度彩色PDP打下了坚实的技术基础。 在研发的过程中，我们共申请了7项与彩色PDP相关的单元结构、工艺技术以及制造设备等国家发明专利。 此外，我们还提出了新的彩色PDP器件结构的设计方案，为今后开展低成本、高性能彩色PDP显示器的研制提供了新的渠道。作为国家平板显示工程技术研究中心，愿意与国内外企业和科研单位进行合作，共同研究开发大屏幕彩色PDP的相关技术和生产技术，为我国彩色PDP产业的发展贡献力量。 （E1） 
表3 国家平板显示工程技术研究中心自主研制的彩色PDP样机的技术指标 |
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