Исследование процессов генерации излучения в плазменных панелях

Известно более двух десятков различных по своей природе эффектов, позволяющих получать видимое изображение, чем объясняется существование множества типов дисплеев. К современным дисплеям предъявляются многочисленные и жёсткие требования. Основные направления развития связаны с улучшением качества изображения, увеличением эффективности, обеспечением высокой надёжности и долговечности, уменьшением массогабаритных характеристик, снижением вредных воздействий на человека и себестоимости и трудоёмкости производства, простотой утилизации.

В настоящее время наибольшее распространение имеют кинескопные, светодиодные, жидкокристаллические и плазменные дисплеи [1]. Каждый из этих типов дисплеев имеет свои достоинства и недостатки.

Преимущества современных кинескопов: отработанность технологии, сравнительная дешевизна, большой срок службы, воспроизведение полного цветового треугольника и высокое разрешение — и по сей день обеспечивают им широкую сферу применения и лидерство по общемировым продажам. Уже около 10 лет выпускаются кинескопы с плоской поверхностью экрана, а в 2004 году на рынке появились модели телевизоров с сокращённой на треть глубиной электронно-лучевой трубки [2]. Эффективность лучших серийно выпускаемых кинескопов достигает 4 лм/Вт.

В последнее десятилетие очень активно развивается производство плоских панелей, особенно плазменных (Plasma Display Panel, PDP) и жидкокристаллических (LCD). Основные их преимущества по сравнению с кинескопом следующие: значительно меньшие массогабаритные характеристики, возможность создания монопанелей с большой диагональю, работа с цифровым сигналом без преобразования в аналоговый, высокая яркость, отсутствие вредного для человека излучения, существенно меньшая нагрузка на зрение, нечувствительность к магнитным полям.

За несколько лет были значительно улучшены характеристики плазменных и жидкокристаллических панелей. Например, заявленный производителями срок службы обоих типов дисплеев в 2004 г. достиг 60 ООО часов. Имеются прототипы и серийные образцы плазменных панелей с диагональю от 50″ (дюймов) с физическим разрешением телевидения высокой чёткости HDTV (1920×1080 пикселей) и прогрессивной развёрткой (1080р). На конец 2005 года наибольшие размеры имели HDTV монопанели фирмы Samsung [3]: 102″ PDP и 82″ LCD (обе выпущены в 2005 г.). На выставке CES 2006 (5−8 января) Matsushita представила плазменную монопанель Panasonic с диагональю 103″ .

В настоящее время плазменные панели превосходят жидкокристаллические по пиковой яркости, контрастности (собственная величина — в отсутствие внешней засветки экрана-до 10 000:1), цветопередаче, углу обзора, быстродействию, максимальному размеру моноэкрана, всё меньше уступая по интегральной яркости экрана, энергопотреблению и массогабаритным характеристикам [4−6].

Из плазменных панелей наиболее совершенными являются копланарные панели переменного тока с поверхностным разрядом. Первые такие панели с диагональю 40″ -j-50″ были показаны на выставке Telecom'95, а уже в 2000 году их суммарный выпуск десятком крупнейших фирм превысил миллион единиц [7]. Согласно данным ведущего аналитического агентства в области дисплеев DisplaySearch [1], в 2004 году было выпущено 3.56 млн панелей (с диагональю свыше 37″), из них 2.8 млн — для телевизоров, а в 2005 году — 7.15 млн панелей (годовой прирост выпуска — 101%, выручка производителей — 6 млрд $), из них 5.9 млн — для телевизоров. Средневзвешенная цена 42″ HD-ready панели (с физическим разрешением от 1024×768 до 1024×1024) сейчас составляет порядка 2700 $. В четвертом квартале 2005 года 99.9% матриц плазменных панелей было изготовлено пятёркой крупнейших корпораций, из которых три — японские (Matsushita, Fujitsu Hitachi Plasma, Pioneer), две — корейские (Samsung, LG). Эффективность лучших современных промышленных копланарных панелей не превышает 2 лм/Вт.

Плазменные панели постоянного тока применяются в наборных экранах большого размера из сотен монопанелей 20×20 см (или 40×40 см) и как малые экраны информационного назначения [8−10]. Эффективность лучших современных промышленных панелей постоянного тока составляет порядка 0.5 лм/Вт.

В России разработкой и выпуском плазменных панелей занимаются «Плазма» (г. Рязань), «Инкотекс» (г. Москва) и другие.

Параллельно развиваются альтернативные технологии для плоских панелей. Планируется массовый выпуск панелей OLED (на органических светодио-дах) с диагональю до 40″ с разрешением до HDTV [5] (прототип 40″ панели с физическим разрешением WXGA есть, например, у Samsung [3]). В настоящее время эта технология находится в стадии становлениясерийно выпускаемые панели имеют малые размеры (не более 20″) и срок службы (-10 000 часов) [11].

В 2005 г. фирмы Canon и Toshiba совместно начали серийно производить панели SED с полевой эмиссией электронов на основе поверхностной проводимости с диагональю 40″ -г50″. Заявленная эффективность — до 5 лм/Вт [12].

В плоских панелях активно применяются современные отражательные проекционные технологии: микрозеркальная DLP с DMD чипами Texas Instruments и разновидности жидкокристаллической — LCoS, D-ILA и SXRD [13].

Таким образом, анализ показывает, что, как минимум, все вышеперечисленные типы плоских панелей среднего и большого размера с высоким качеством изображения будут в ближайшее время взаимно конкурировать на рынке.

Главными аргументами в конкурентной борьбе являются потребительские параметры: эффективность и связанное с ней энергопотребление, яркость, контрастность, цветопередача, физическое разрешение, срок службы и другие. В настоящее время стоит задача дальнейшего увеличения эффективности ко-планарных плазменных панелей до 5 лм/Вт [14], которая не менее актуальна и для панелей постоянного тока. Ещё одной важной задачей является повышение яркости плазменных панелей для обеспечения уверенного восприятия изображения человеком, например при интенсивной внешней засветке экрана [4]. Резервы для увеличения яркости и эффективности плазменных панелей, безусловно, существуют (теоретически максимально возможная эффективность в источниках света равна 683 лм/Вт, в газоразрядных люминесцентных лампах достигнута эффективность 100 лм/Вт). Однако для практической реализации этих задач требуются тщательные исследования процессов генерации излучения, происходящих при преобразовании электрической энергии в газовом разряде и фотолюминофорах.

Целью диссертационной работы является исследование процессов генерации излучения фотолюминофоров и разряда и поиск способов повышения яркости и эффективности плазменных панелей.

Конкретизация поставленной цели определяет следующие основные направления работы:

— исследование яркости и эффективности плазменных панелей в непрерывном, импульсном и короткоимпульсном режимах и выявление наиболее существенных причин их ограничения;

— исследование кинетики разгорания и затухания излучения фотолюминофоров трёх основных цветов свечения для определения оптимальных режимов возбуждения;

— исследование связи между интенсивностями излучения фотолюминофора в видимой области спектра и газового разряда (ксенона) в ближней инфракрасной области спектра для разработки косвенного метода определения интенсивности вакуумного ультрафиолетового излучения для контроля качества плазменных панелей;

— обоснование и разработка рекомендаций по совершенствованию конструкции, технологии изготовления и режимов эксплуатации плазменных панелей.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объёмом и статистической обработкой экспериментальных данных, соответствием результатов экспериментов теории и аналитическим расчётам, использованием дублирующих приборов и устройств для измерения электрических величин и регистрации световых потоков в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Научная новизна.

1. Показано, что повышение яркости плазменных панелей с ростом тока аномального тлеющего разряда ограничивается вследствие увеличения напряжённости поля в области катодного падения потенциала и соответствующего снижения эффективности генерации вакуумного ультрафиолетового излучения ксенона в газовой смеси.

2. Найдено, что эффективность плазменных панелей возрастает с уменьшением длительности импульса тока из-за понижения средней по времени напряжённости электрического поля в области развития электронных лавин.

3. Установлено, что в применяемых в плазменных панелях фотолюминофорах рекомбинационного типа свечения существует зависимость величины скачкообразного уменьшения яркости (по отношению к амплитуде) в момент окончания возбуждения и времени послесвечения от длительности импульса возбуждения, не превышающей время разгорания.

4. Выявлено, что в плазменных панелях интенсивность вакуумного ультрафиолетового излучения ксенона в газовой смеси пропорциональна интенсивности ближнего инфракрасного излучения в области спектра 800-Н100 нм.

Практическая ценность.

1. Рекомендовано при конструировании и изготовлении плазменных панелей с высокой яркостью и эффективностью при наибольшем токе нормального тлеющего разряда обеспечивать высокое давление газовой смеси и большую активную площадь катода при высоком коэффициенте вторичной эмиссии.

2. Показано, что наиболее выгодные условия для преобразования энергии в разряде существуют при работе плазменных панелей с длительностью импульса тока не более 50+70 не, при которой к его окончанию катодное падение потенциала не успевает сформироваться.

3. Установлено, что для обеспечения высокой эффективности преобразования энергии в плазменных панелях необходимо выбирать интенсивность, длительность и частоту следования импульсов возбуждения (тока разряда) такими, чтобы истинное время затухания фотолюминофоров не превышало длительность паузы между импульсами.

4. Предложен способ определения интенсивности вакуумного ультрафиолетового излучения ксенона по интенсивности ближнего инфракрасного излучения для диагностики качества готовых плазменных панелей и на этапе их производства.

Реализация результатов.

Результаты работы и основные рекомендации по повышению яркости и эффективности плазменных панелей используются на предприятиях НПЦ «ЭКПО» ОАО «Плазма» и ООО «ИНКо» г. Рязани, а также в учебном процессе на факультете электроники РГРТУ при подготовке инженеров по специальности «Электронные приборы и устройства».

Апробация работы.

Результаты исследований представлены в 9 публикациях и докладывались на 48-й и 49-й студенческих научно-технических конференциях РГРТА (Рязань, 2001 и 2002), 11-й конференции по физике газового разряда (Рязань, 2002), 38-й и 39-й научно-технических конференциях РГРТА (Рязань, 2004 и 2006), 12-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ (ТУ), 2006).

Положения, выносимые на защиту.

1. В режиме аномального тлеющего разряда увеличение яркости плазменных панелей с ростом тока существенно ограничивается (в 4-^-6 раз при изменении тока на порядок) вследствие значительного (в 2.5 раза) повышения напряжённости поля в области катодного падения потенциала и соответствующего (в 3−5-4 раза) снижения эффективности генерации вакуумного ультрафиолетового излучения ксенона.

2. Эффективность плазменных панелей значительно возрастает (в 25 раз, до 15 лм/Вт в условиях незавершённости процесса формирования катодного падения потенциала) с уменьшением длительности импульса тока (на три порядка, до 50*70 не) из-за понижения средней по времени напряжённости электрического поля в области развития электронных лавин.

3. Время послесвечения фотолюминофоров рекомбинационного типа свечения существенно сокращается (по уровню 0.05 у ФГИ-627/593−1 /УВ03:Еи/ - более чем на 3 порядка, у ФГИ-528−1 /Zn2Si04:Mn/ и ФГИ-455−2 /ВаМд2А116 027:Еи/ - вдвое) при уменьшении длительности импульса возбуждения (в диапазоне от времени разгорания до субмикросекундной длительности) в результате перераспределения локализованных носителей заряда от глубоких ловушек к мелким.

4. В плазменных панелях интенсивность вакуумного ультрафиолетового излучения разряда (резонансная линия ксенона 147 нм и континуум с максимумом на 173 нм) пропорциональна интенсивности ближнего инфракрасного излучения (800*1100 нм), образующегося при распаде состояния Хе" в резонансное Xe*(3Pi) или метаста-бильное Хе*(3Р2) состояния.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Исследована зависимость яркости плазменных панелей от тока тлеющего разряда. Теоретически и экспериментально показано, что с его ростом увеличение яркости ограничивается, а эффективность снижается. Проведённый детальный анализ различных факторов показал, что основной причиной этого является снижение эффективности генерации вакуумного ультрафиолетового излучения ксенона из-за повышения напряжённости электрического поля в области катодного падения потенциала.

2. Выявлена связь вольт-амперной характеристики (вида разряда) с яркостью и эффективностью ячеек плазменных панелей при том или ином токе установившегося или неустановившегося разряда. При токах, соответствующих на вольт-амперной характеристике пологому участку (при стационарном разряде — нормальному тлеющему), яркость увеличивается почти линейно, так как снижение эффективности минимально. При токах, соответствующих нарастающему участку (при стационарном разряде — аномальному тлеющему), увеличение яркости ограничивается (в несколько раз) пропорционально снижению эффективности генерации вакуумного ультрафиолетового излучения. При конструировании и изготовлении плазменных панелей с высокой яркостью и эффективностью при наибольшем токе нормального тлеющего разряда рекомендовано обеспечивать высокое давление газовой смеси и большую активную площадь катода при высоком коэффициенте вторичной эмиссии.

3. Показано, что эффективность плазменных панелей значительно возрастает с уменьшением длительности импульса тока из-за понижения средней по времени напряжённости электрического поля в области развития электронных лавин. Наиболее выгодные условия для преобразования энергии в разряде существуют при работе плазменных панелей в режиме с длительностью импульса тока не более 50+70 не, при которой к его окончанию катодное падение потенциала не успевает сформироваться. При этом условии в панели, наполненной ксеноном до 30 Торр, получена эффективность ячейки площадью 50 мм² 10+15 лм/Вт (по зелёному цвету свечения с приемлемой для восприятия средней яркостью.

70+100 кд/м), что в 25 раз превышает эффективность при длительности импульса, на три порядка большей.

4. Найдено, что в непрерывном, импульсном и короткоимпульсном режимах наибольшее повышение яркости при увеличении тока разряда, а также частоты следования импульсов имеют ячейки с малоинерционным фотолюминофором ФГИ-455−2 (BaMg2Ali6027:Eu), а наименьшее — ячейки с самым инерционным фотолюминофором из трёх ФГИ-528−1 /ФГИ-520−1/ (Z^SiO^Mn). Установлено, что причина снижения эффективности инерционных фотолюминофоров по сравнению с малоинерционными связана с высвечивающим действием возбуждающего света, для уменьшения потерь на которое необходимо выбирать интенсивность, длительность и частоту следования импульсов тока разряда в плазменных панелях такими, чтобы истинное время затухания фотолюминофоров не превышало длительность паузы между импульсами. Магистральным направлением существенного повышения яркости и эффективности плазменных панелей, работающих при высокой частоте следования импульсов, должен быть синтез малоинерционных (как ФГИ-455−2) фотолюминофоров красного и особенно зелёного цветов свечения.

5. Установлено, что определяющее влияние на кинетику фотолюминофоров рекомбинационного типа в плазменных панелях оказывают длительность импульса и интенсивность возбуждения. В рабочих режимах (и далеко за их пределами), характерных для панелей постоянного и переменного тока, ФГИ-627/593−1 и ФГИ-520−1, запасающие большую светосумму, крайне далеки от стационарного состояния в импульсе, а ФГИ-455−2, напротив, близок к нему. Предложена методика расчёта времени разгорания фотолюминофоров по законам разгорания и затухания в нестационарном состоянии. Показано, что время разгорания всех трёх фотолюминофоров сокращается при увеличении интенсивности возбуждения.

6. Обнаружена зависимость величины скачкообразного уменьшения яркости фотолюминофора (по отношению к амплитуде) в момент окончания возбуждения и времени послесвечения от длительности импульса возбуждения. При затухании фотолюминофора после возбуждения до стационарного состояния, при котором распределение носителей заряда по ловушкам является установившимся, при данной интенсивности возбуждения время послесвечения наибольшее и не зависит от длительности импульса. При затухании из нестационарного состояния время послесвечения сокращается тем существеннее, чем короче импульс.

7. В ячейках плазменных панелей выявлена корреляция между импульсами тока установившегося разряда и ближнего инфракрасного излучения разряда (ксенона). Установлено, что мгновенная интенсивность вакуумного ультрафиолетового излучения ксенона (резонансная линия ксенона 147 нм и континуум с максимумом на 173 нм) пропорциональна интенсивности ближнего инфракрасного излучения (800+1100 нм). Предложен способ определения интенсивности вакуумного ультрафиолетового излучения по интенсивности ближнего инфракрасного излучения для диагностики качества готовых плазменных панелей и на этапе их производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации рассмотрены процессы генерации излучения разряда и фотолюминофоров в плазменных панелях, она направлена на поиск способов повышения их яркости и эффективности.