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大型可挠曲式等离子显示技术

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作者:高士时间:2007-12-06来源:电子产品世界收藏

  前言

  显示器()属于主动发光显示器,能够提供逼真(reality)的影像画质,目前普遍应用在薄型大画面家用电视领域。近几年随着家用电视的普及化,电视已经成为超大型高画质显示器的代名词。

  目前开发等离子显示器的重点,在于如何提升实体等高大画面的显示影像技术。若需显示实体等高的影像,画面大小必需超过2m以上,相当于液晶电视对角尺寸为150~200英寸左右。此外实体等高影像透过曲面显示,可包覆整体影像视野,这时直视超大型画面、无接缝、高辉度、高分辨率的曲面显示器便成为相当关键的接口选择。

  不过当等离子显示器大画面尺寸超过100英寸时,面板厂商投资大型化玻璃基板生产制作设备的成本压力也跟着提高。因此革新大尺寸等离子显示器的高效能发光原理,突破等离子管阵列(PTA)元器件结构与制程技术的瓶颈,开发出曲面显示的超大型薄型等离子管显示器(PTA-DP),就显得相当重要。

  等离子管的工作原理与特性

  PTA显示器基本架构

  图1是等离子管阵列(PTA)显示器的基本结构,由图可知,PTA是在直径1mm真空玻璃管内,依序制作放电保护膜、荧光体、放电气体,以形成与等离子显示器完全相同的发光结构。

图1  PTA的基本结构

  上述真空玻璃管称为等离子管(Plasma Tube),等离子管依照R、G、B复数排列,正面与底部分别粘贴设有电极的透明外部电极基板,形成等离子管显示器(PTA-DP)。由图2的等离子管断面图可知,包覆玻璃管壁形成的放电空间,利用显示电极与地址电极施加电界,形成与AC型等离子显示器的3电极放电结构完成相同的电极构造。

图2 PTA的结构特征

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  PTA-DP显示器架构

  R、G、B三色等离子管复数排列构成的等离子管阵列显示器(PTA-DP),除了使用传统等离子显示器的灰阶驱动技术,亦即ADS(Address Display-period Separation)子域(sub-field)技术之外,同时还直接沿用等离子显示器的驱动电路基本结构与电极驱动IC等关键性周边组件。

  直径1mm的真空玻璃管,以R、G、B一组为单位构成间距3mm的像素,接着在水平方向并排设置1000~2000个像素(总长度大约是3~6公尺),就能够获得相当于对角尺寸150~250英寸超大型画面。

  图2是有关PTA-DP的布局特征说明。厂商在生产制作传统等离子显示器过程中,必需具备处理大画面尺寸玻璃基板的能力,相较之下等离子管是以细长玻璃管单位为基础,只需小型制作设备即可,且制作玻璃管无须严苛的无尘室清洁度,理论上画面尺寸随着等离子管排列的数量可无限扩充增加,形成高挠曲度曲面显示器,因此在技术上相当有竞争力。

  以往进行多重显示(multi-display)时,受到像素排列等限制,经常造成密封单元(seal unit)的障碍。相较之下,采用单一密封方式的等离子管显示器,几乎没有任何接缝,能够轻易获得所谓的无接痕(seamless)超大型画面。

  将等离子管当作发光组件排列的手段,与传统发光二极管(LED)非常类似,不过HDTV等级的分辨率,如果使用LED阵列构成显示器时,使用的发光组件数量往往超过100~200万个,而且驱动系统的规模会变得极端复杂且昂贵,而PTA显示器却只需要1~2万根等离子管,便能获得相同影像的分辨率。

  PTA显示器的特性

  图3是传统等离子显示器()与等离子管阵列显示器(PTA-DP)的结构比较示意图。如上所述,等离子显示器与等离子管阵列(PTA)显示器,两者都是采用3电极面放电型结构,PTA制程上可以个别制作管内构造与电极基板,彼此之间在制程上不会相互牵制,因此易于加工与制作。

图3  传统等离子显示器与PTA的结构比较示意图

  PTA和PTA-DP的技术优势

  PTA的表面显示电极必需在水平方向横跨数米提供放电电流,此时要能有非常低的阻抗,不过电极厚度本身有很大的调整自由度,所以可以作低阻抗的电极设计。

  此外等离子管阵列显示器(PTA-DP)已经将等离子显示器的诱电体层与栅格制程整合于玻璃管的制作过程当中,因此PTA可有效简化面板的制作过程。虽然PTA-DP的发光功能单元与供电与控制的电极彼此独立分离,不过却拥有等离子显示器的主动发光、大视角、高辉度、高分辨率等优点,亦能开创超大画面非常有利的优势架构。

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  PTA-DP设计最佳化

  的放电盒空间越大,发光效率越高,由于PTA-DP的像素间距是等离子显示器的3倍,因此PTA-DP必需配合超大型画面需求进行最佳化设计。有鉴于此,研究人员可调查PTA-DP的放电间距,亦即显示电极的间隔与气体压力对放电开始电压的影响,再根据调查结果作最佳化设计。

  提高发光效率

  由于等离子管的诱电体层,亦即玻璃管的内壁厚度比等离子显示器厚,因此研究人员依照电极的施加电压,最后决定将放电间距设定成400mm 。此外,为防止放电电压上升,研究人员可刻意使气体压力低于传统等离子显示器,将等离子管气体压力设定成466hPa。

  当初业界研究理论上认为中空圆柱状玻璃等离子管,只要加大放电空间就能提高发光效率,不过实测结果显示等离子管阵列显示器的发光效率只有2lm/W ,因此目前的研究仔细观察等离子管内的放电现象,发现管内的放电无法扩散至直径只有 1mm圆柱状玻璃管内壁,放电不但远离荧光体,而且横向放电扩散明显不足。因此研究人员将中空圆柱状玻璃管,改成断面宽度1mm 正方的柱状中空玻璃管,如图4所示。

图4  改善高发光效率的结构示意图

  把圆柱状中空玻璃管改成正方形柱状中空玻璃管,可大幅扩张电极与玻璃管内部的接触面积,玻璃管长轴方向的放电也因此变大。因此研究人员可维持横向的放电扩张,再由强化玻璃管径的设计功能,使放电能更贴近荧光体层,以此提高放电所产生之紫外线入射至荧光体的光量。

  革新技术成果

  图5是PTA-DP的发光效率改善结果示意图,如图所示,通过强化等离子管结构的设计功能,PTA-DP的发光效率可提高一倍,达到4lm/W 。倘若使用目前等离子显示器技术检讨内容其中的高Xe分率放电气体与新型荧光体,PTA-DP的发光效率甚至超过5lm/W 。

图5  改善PTA显示器发光效率的结果示意图

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  PTA曲面显示技术的特性

  若要让屏幕可弯曲且能维持高画质显示效果,技术上必须掌握下列要点:

  *应用柔软的膜片基板;

  *光控制媒体必须非常柔软,并且能自由移动;

  *单纯的弯曲不会影响电极的矩阵。

  结合PDP与PTA

  研究人员对等离子显示器(PDP)基本结构的分析,发现等离子显示器某些特性能符合上述要件,例如PDP本身同样具备记忆特性,同样采用单纯的矩阵方式控制像素,而且拥有一定程度的可挠曲特性。

  换句话说,沿用PDP工作原理,同时还采用可以实现超大画面全新结构的PTA-DP技术,本身便具备发展成曲面显示器的潜力。以等离子管(PTA)作曲面显示时,即便电极基板受到弯曲。也必须维持稳定的动作特性,因此研究人员便可利用树脂膜片,开发可挠曲的电极基板。

  图6是可挠曲等离子管阵发性显示器(PTA-DP)的断面结构,如图所示,它是利用粘着剂,将可挠曲电极基板粘贴在等离子管上下方,为防止等离子管与树脂膜片出现间隙,研究人员还开发PTA专用的固定技术,以及对放电电压没有影响的PTA-DP专用粘着剂。

图6 可挠曲PTA断面结构

  可挠曲PTA-DP技术优势

  图7a是上述可挠曲PTA-DP的外形结构、与驱动电压特性,根据测试结果显示,128根直径1mm的等离子管阵列,弯曲画面同样拥有非常稳定的发光效能。

  另外图7b坐标左侧的静止驱动电压特性,是各个单一等离子管的实测值,图7b坐标右侧则是128根等离子管阵列曲面显示影像时的实测值。如图所示,即使是曲面显示影像,放电开始电压(Vf1 )与放电维持电压(Vsmn),两者的驱动界限始终维持一定幅度,两者的特性分布差距Vfn 与Vsm1 几乎没有任何改变。

图7 PTA的结构与驱动电压特性

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  未来直视型超大画面PTA-DP一旦开始 进入市场普及化阶段,可望发挥其发光架构的革命性效能,开创全新的应用系统与服务广度。如图8所示,超大画面能够涵盖观赏视野,曲面显示能应用在各类空间环境中的超大横向宽视野显示,配合PTA-DP特有的轻巧、低消费电力、低发热等技术效能,铺设于天花板、地板,以及各种复杂曲面的墙壁空间,开创全新的应用领域。

图8  PTA-DP无限宽广的应用环境

  具体应用范例如图10所示,发挥PTA-DP轻巧与可挠曲的特性,设置在地下道的弯曲壁面时,便可以成为动态展示窗的广告应用系统。除此之外,厂商可发挥PTA-DP另一项可移动型超大画面的特性,设置在灾害现场与各种公众场所,让一般大众可借此获得实时与震撼性的倡导效果。此外PTA-DP的低消费电力与高画质特性,可作为整合各类生活信息与影像的显示平台,应用在一般家用电视等领域。

图9  PTA的应用范例

  结语

  以上简单介绍PTA-DP的基本技术与今后展望方向。传统等离子显示器(PDP)在面对下一世代薄形、轻巧、可挠曲、超大画面显示等应用需求,以及降低设置、操作、应用、维修等成本要求时,面临现有技术无法突破满足上述目标的现实。

  利用等离子显示器技术,开发对角线尺寸高达100~300英寸,可作挠曲显示的直视型PTA-DP超大画面,便可开拓超大画面显示器全新的应用商机,未来PTA-DP技术与产品进入商业化量产阶段之后,可望广泛应用于一般家用电视与各类公共领域当中。(本文选自台湾《零组件》2007年9月刊)



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