況亞偉，朱 笛，崔 淵，李 青

（1.常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；2.東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院顯示技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210096）

1 引言

等離子體顯示器（Plasma Display Panel，PDP）被認(rèn)為是最適宜作為大尺寸高清晰顯示器（High Defini?tion TV，HDTV）的終端顯示器.作為一種主動發(fā)光型顯示器，等離子體顯示器具備亮度高、視角寬、響應(yīng)快、高分辨率及全數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn).但是，PDP的發(fā)光效率偏低成為制約其性能進(jìn)一步提高的瓶頸[1].改善PDP的發(fā)光效率主要集中在優(yōu)化放電單元結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方法、氣體成分的優(yōu)化和新材料的應(yīng)用等幾個方面[2-3].其中通過提高Ne-Xe混合氣體中的Xe濃度以提高PDP的發(fā)光效率已成為業(yè)界共識[4]，如何解決高Xe混合氣體下著火電壓過高的問題是研究的熱點(diǎn)之一.

因?yàn)榫邆淞己玫目闺x子濺射能力和透明性，以及較高的二次電子發(fā)射系數(shù)，MgO薄膜被認(rèn)為是等離子體顯示器中介質(zhì)保護(hù)膜的最理想材料[5-7].本文基于蔭罩式PDP的試驗(yàn)平臺，通過測試對向放電結(jié)構(gòu)下不同Xe濃度混合氣體的帕邢曲線，得到著火電壓隨Xe濃度的變化曲線；并利用本地場近似的流體模型計(jì)算不同Xe濃度下放電過程產(chǎn)生的Ne+和Xe+的數(shù)量，得到混合工作氣體中MgO薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)的變化曲線.結(jié)果表明Ne-Xe混合氣體條件下MgO薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)與純Xe工作氣體下的發(fā)射系數(shù)近似相等，提高M(jìn)gO薄膜的Xe+的二次電子發(fā)射系數(shù)成為解決高Xe混合氣體著火電壓過高的主要途徑.

2 實(shí)驗(yàn)

將未封接的7英寸蔭罩等離子顯示器置于動態(tài)真空腔內(nèi)，呈典型的兩電極對向放電型結(jié)構(gòu).前基板由玻璃基板、維持電極、介質(zhì)層、MgO薄膜構(gòu)成，其中維持電極采用透明電極和匯流電極組成；MgO薄膜由電子束蒸發(fā)制備，薄膜厚度約為500 nm.后基板由玻璃基板、尋址電極、介質(zhì)層、MgO薄膜構(gòu)成.前后基板之間置涂覆硅酸鹽綠色熒光粉的蔭罩.真空腔內(nèi)充入Ne-Xe混合氣體，氣體壓強(qiáng)變化區(qū)間為50 torr～600 torr.

圖1所示為蔭罩式等離子顯示器的二維結(jié)構(gòu)模型的截面圖，由于此結(jié)構(gòu)本身具有的對稱性，模擬時只需計(jì)算一半，所以圖1只是結(jié)構(gòu)的右半部分示意圖.放電單元的寬度和高度分別設(shè)定為400 um和150 um.介質(zhì)層厚度為30 um，其介電常數(shù)設(shè)為εr=10.前基板上的掃描電極和后基板的尋址電極寬度分別為100 um和40 um，工作氣體氣壓設(shè)定為450 torr.Ne+和Xe+的二次電子發(fā)射系數(shù)分別設(shè)定為0.5和0.05.

圖1 蔭罩式等離子顯示器的二維結(jié)構(gòu)模型截面圖

3 結(jié)果與討論

3.1 帕邢曲線測試

19世紀(jì)末，帕邢（Paschen）在測量氣體著火電壓的大量實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在冷陰極、均勻電場的條件下，著火電壓Vf不是分別隨工作氣體氣壓p和電極間距d的數(shù)值變化，而是隨放電管內(nèi)pd乘積而變化，并存在一個最小值.其原因在于在pd增大的過程中，一方面因碰撞的次數(shù)增多，有利于放電的發(fā)展；另一方面，因?yàn)殡娮釉谝粋€自由程中獲得能量減小，不利于放電的進(jìn)行.著火電壓隨pd變化的規(guī)律稱為帕邢規(guī)律[8].

圖2所示為基于蔭罩式PDP對向放電結(jié)構(gòu)中，不同Xe濃度工作氣體下帕邢曲線的測試結(jié)果.在氣體成份下，隨著pd值的增長，著火電壓均出現(xiàn)最小值；且隨著Xe濃度的提高，最小著火電壓值呈左偏的趨勢，工作點(diǎn)更多的集中在帕邢曲線的右支.圖2（a）所示為40%Xe濃度以下較低Xe濃度工作氣體的帕邢曲線，在此區(qū)間內(nèi)著火電壓隨Xe濃度提高增加幅度較為明顯；圖2（b）所示為40%Xe濃度以上較高Xe濃度工作氣體的帕邢曲線，在此區(qū)間內(nèi)著火電壓隨Xe濃度提高增加幅度較小.目前商用PDP的工作點(diǎn)多數(shù)選取為pd=5，但考慮到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，本文選取pd=3的工作點(diǎn)電壓作為工作氣體的著火電壓.

圖2 不同Xe濃度工作氣體的帕邢曲線

3.2 放電Ne-Xe離子濃度計(jì)算

圖3所示為在基于本地場近似的流體模型模擬的計(jì)算過程中施加的驅(qū)動波形.該波形由復(fù)位期的一個脈沖和維持期的兩個脈沖構(gòu)成.復(fù)位脈沖的作用是消除前一子場放

電的影響，使所有放電單元的狀態(tài)達(dá)到接近一致的狀態(tài)；維持脈沖的作用是再放電單元產(chǎn)生連續(xù)的維持放電.

圖 4（a）和 4（b）分別是計(jì)算得到的所施波形下 Ne+和Xe+數(shù)量隨放電時間的分布：在外加電場作用下，電子向陽極運(yùn)動，在運(yùn)動過程中獲得足夠的能量使得氣體原子電離，離子在電場作用下向陰極運(yùn)動，碰撞陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射，而二次電子在電場的作用下又向陽極運(yùn)動并進(jìn)一步電離氣體原子產(chǎn)生離子，如此不斷下去，離子的數(shù)量不斷增長，形成離子數(shù)量的上升階段；同時，由于帶電粒子向兩極運(yùn)動，在電極表面的介質(zhì)層表面形成與外加電壓相反的壁電壓，逐漸抵消外加電壓形成的電場，當(dāng)電場弱至不能提供足夠的能量電離氣體原子時，空間內(nèi)離子的數(shù)量將開始下降，形成離子數(shù)量的下降階段.如圖4所示，在外加脈沖作用下，放電空間內(nèi)離子數(shù)量在到達(dá)峰值后開始下降，且由于復(fù)位脈沖形成的壁電壓與第一個維持脈沖電場疊加使得該維持脈沖的放電強(qiáng)度大大加強(qiáng)[9].

圖3 基于流體模型計(jì)算波形設(shè)定示意圖

圖4 基于流體模型計(jì)算Ne-Xe離子濃度：(a)Ne離子濃度(b)Xe離子濃度

圖5所示為第一個維持脈沖的驅(qū)動下，放電空間內(nèi)Ne+和Xe+數(shù)量隨Xe濃度增加的數(shù)量級變化.由圖5可得，隨著Xe濃度的增加，在10%～80%的變化范圍內(nèi)，Ne+數(shù)量下降了近3個數(shù)量級，而Xe+數(shù)量僅僅下降了1個數(shù)量級.這主要是因?yàn)閄e原子半徑（108 pm）遠(yuǎn)大于Ne原子（38 pm）[10]，導(dǎo)致Xe原子的碰撞截面和電離截面也遠(yuǎn)大于Ne原子；同時由于Xe濃度的提升，空間粒子的碰撞幾率增大導(dǎo)致電子溫度的降低，使得需要較高電離能量（21.56 ev）才能形成的Ne離子數(shù)量大大降低，而僅需較低電離能量（12.12 ev）形成的Xe離子數(shù)量下降幅度不大[11].

3.3 Ne-Xe混合氣體下的二次電子發(fā)射系數(shù)

Prof.Aboelfotoh利用公式（1）計(jì)算了Ne-Ar混合氣體的二次電子發(fā)射系數(shù)

其中γ（Ne+）和γ（Ar+）分別是 Ne+和 Ar+的二次電子發(fā)射系數(shù)，F(xiàn)（Ne+）和F（Ar+）分別是放電過程中某時刻的Ne+和Ar+數(shù)量[12].本文利用公式（1）計(jì)算了不同Xe濃度下Ne-Xe混合氣體的二次電子發(fā)射系數(shù)，其中γ（Ne+）和γ（Xe+）分別設(shè)定為 0.5和 0.05，F(xiàn)（Ne+）和F（Xe+）即為圖5中不同Xe濃度下放電產(chǎn)生的 Ne+和 Ar+數(shù)量.

圖6所示為Ne-Xe混合氣體著火電壓和二次電子發(fā)射系數(shù)隨Xe濃度增加的變化.隨著Xe濃度的增加，混合氣體著火電壓的上升趨緩漸呈飽和趨勢.可由式（2）給出[13]，著火電壓是工作氣體常數(shù)和陰極薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)的函數(shù)，

圖5 模擬計(jì)算Ne+和Xe+數(shù)量隨Xe濃度增加的變化

隨著Xe濃度的增加，氣體常數(shù)也發(fā)生改變，但是由于較難得到其準(zhǔn)確數(shù)值，所以不能直接從著火電壓的變化趨勢估算二次電子發(fā)射系數(shù)的變化.圖6中所示Ne-Xe混合氣體下二次電子發(fā)射系數(shù)的變化是利用流體模型計(jì)算不同Xe濃度下Ne+和Xe+數(shù)量，并代入公式（1）計(jì)算得到.該曲線表明少量Xe摻入純Ne工作氣體中就會導(dǎo)致Ne+數(shù)量大幅下降，造成Xe+的二次電子發(fā)射主導(dǎo)整個的二次電子發(fā)射過程，即在Ne-Xe混合氣體條件下MgO薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)與純Xe工作氣體下的發(fā)射系數(shù)近似相等.

圖6 著火電壓和二次電子發(fā)射系數(shù)隨Xe濃度增加的變化

4 結(jié)論

本文測試了高Xe混合氣體條件下對向放電結(jié)構(gòu)的帕邢曲線，并通過計(jì)算不同Xe濃度下放電過程中產(chǎn)生的Ne+和Xe+的數(shù)量得到混合氣體的二次電子發(fā)射系數(shù).研究結(jié)果表明Ne-Xe混合氣體條件下Xe+的二次電子發(fā)射主導(dǎo)整個的二次電子發(fā)射過程，MgO薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)與純Xe工作氣體下的發(fā)射系數(shù)近似相等.為滿足PDP高發(fā)光效率的需要，提高M(jìn)gO薄膜的Xe+的二次電子發(fā)射系數(shù)成為解決高Xe混合氣體著火電壓過高的主要途徑.

[1]Boeuf J P.Plasma display panels:physics,recent developments and key issues[J].J Phys D:Appl Phys,2003,36(6):53-79.

[2]Oversluizen G,Gillies M F.The route towards a high efficacy PDP;influence of Xe partial pressure,protective layer,and phosphor saturation[J].Microelectronics Journal,2004,35:319-324.

[3]Whang Ki-Woong,Yoon Jung Hae,et al.High luminous efficacy and low driving voltage PDP with SrO-MgO double protective layer[C].IMID 2009 Digest seoul:Society for information display,2009:173-176.

[4]朱笛，李青，況亞偉，等.高Xe混合氣體對蔭罩等離子體顯示性能的影響[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2009，29（5）：465-469.

[5]Uchiike H,Nakayama N,Ohsawa M.Secondary electron emission characteristics of dielectric materials in plasma display panel[C]//Wasington D C:Internal Electron Devices Meeting,Technical Digest,1973:191-194.

[6]Kim Yong-Seog.Electron emisson characteristics of MgO thin film used for ac-PDPs[J].Electronic Materials Letters,2008,4(3):113-129.

[7]李巧芬，屠彥，于金.第一性原理研究PDP放電單元MgO保護(hù)層各種空缺對二次電子發(fā)射系數(shù)的影響[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2009，29（6）：597-603.

[8]應(yīng)根裕，胡文波，邱勇.平板顯示技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2002：277-281.

[9]張雄.全彩色PDP設(shè)計(jì)理論研究[D].南京：東南大學(xué)，2002.

[10]Clementi E,Raimondi D L,Reinhardt W P,et al.Atomic Screening constants from SCF Functions[J].J chen phys,1963,38(11):2686-2689.

[11]陳宗柱.氣體放電[M].南京：南京工學(xué)院出版社，1988：50-78.

[12]Aboelfotoh M O,Lorenzen J A.Influence of secondary electron emission from MgO surfaces on voltage breakdown curve in Penning mixture for insulated electrode dicharge[J].Journal of Applied Physics,1977,48(11):4754-4759.

[13]Uhn HS,Choi EH,Guang S C.Influence of secondary electron emission on breakdown voltage in a plasma display panel[J].Applied physics letters,2001,78(5):592-594.