彩色PDP技术发展初探

1 引 言
 
       等离子体显示屏（Plasma Display Panel,PDP）是用约100V电压在气体中放电，使荧光粉发光的一种显示方式。PDP是伴随惰性气体等离子体放电，利用行、列矩阵电极交点发光的显示器件。其中等离子体（Plasma）是指正负电荷共存、处于电中性的气体放电状态。PDP驱动方式有交流型（AC）和直流型（DC）两种类型。ACPDP自身具有存储功能，构造简单，但驱动电路复杂（见图1）。DCPDP具有寻址功能，采用脉冲驱动方式亦具有存储功能，可实现自动扫描，驱动电路简单，但显示屏的构造复杂（见图2）。无论ACPDP还是DCPDP皆能以存储方式工作，从而使扫描线数达1000线以上时，亦不会使显示屏亮度明显下降，易于实现大屏幕及高亮度。目前，采用表面放电式的ACPDP占主导地位（见图3）。
        PDP与其它平板显示器（FPD）相比，亮度高、对比度好，在显示屏幕的全区域内无失真，屏幕薄而轻，可制成任意形状和大小的产品，并具有耐振动冲击及工作寿命长等优点。其缺点是驱动电压较高，生成驱动用集成电路困难，成本高（约为CRT的2～3倍）。
         目前，PDP主要朝大屏幕彩色显示屏方向发展，实现高密度点阵化，如1365×800象素的大屏幕彩色全点阵显示器。进一步发展PDP的关键是简化显示屏构造与驱动电路及降低成本。目前实用样机的水平可达到：VGA（640×480象素）；XGA（1024×768象素）；SXGA（1280×1024象素）。以0.15mm的间距排列成点阵状，组成画面的对角线尺寸为54cm（21英寸）以上。沿横向并行排列有红绿蓝（RGB）三基色显示单元，共有1310720象素。有的实用样机还设置了主放电电极和辅助放电电极，可使放电单元进行高速开关，以求提高其响应速度。
 
2 工作机理与分类
 
        PDP属于自发光型显示器，以其显示功能强、既簿又轻而获得颇高好评，在办公自动化（OA）设备市场上，与液晶显示器（LCD）一样有着颇大的发展前景。
       PDP中充有一种通常为氖气的气体，当对象素所在的位置施加电压时，气体产生电离并发光。再生型PDP采用交流或直流电流（通常为60Hz）来保持气体在每个单独的象素点发光。另一种交流存储型PDP实际上属于电容性的，每一象素都会持续性发光，直至有另一信号将其切断为止。
          PDP有交流和直流驱动两种。交流驱动式又分为存储效应型和刷新型，直流驱动式又分为刷新型和自扫描型。按其结构又可分为开放式单元结构和封闭式单元结构。此外，又有数字式和矩阵式之分，人们对采用交流电压驱动的PDP（ACPDP）颇感兴趣，有如下三个原因图象不会产生闪烁、具有由显示屏确定的存储特性及较高的亮度。我国应重视等离子体显示方面的潜力，其部分基础工艺技术如涂屏等工艺技术便与彩管相一致，该部分工艺技术在我国已有良好的基础。单色PDP结构工艺技术已日臻成熟，彩色PDP的关键技术也已获得解决，其材料、结构、工艺、电路及封装技术亦取得显著进展，像光刻、镀膜、印刷及封装等关键工艺设备国内已能制造。关键材料如彩色荧光粉、介质材料及大屏幕玻璃基板等我国并不落后，并且在国际市场皆能购到。
       ACPDP的工作机理类似于氖灯。当某象点的行电极与列电极上外加足够的电压时，该处的低压惰性气体便产生电离，发出桔黄色的辉光。ACPDP不同于其它平板显示技术，其象点一旦发光，便能持续亮下去，直至自身熄灭为止。此种固有的存储效应使其无需采用有源点阵的象点驱动器。但ACPDP的电极对驱动电路会形成较大的电容负载，假若不采取有效的措施，其功耗将会很大。ACPDP的驱动电路在每个交流周期将能量保存于电容内，在其后的周期内才使用之，因而能量利用率与其他平板显示器一样。ACPDP并无刷新功能，因而宜于制作大屏幕显示。
        近几年来，彩色PDP技术取得突破性进展，尤其是日本数家公司相继研制成对角线尺寸40～70英寸或屏幕更大的彩色PDP，使之成为直视型高清晰度电视（HDTV）首选显示器件。在未来的1～2年内，全彩色ACPDP产品将陆续投放市场。迄今，各公司采用的方式不同，但大多在基本结构上狠下功夫，简化了屏面结构与驱动电路，并降低了工作电压。各公司均推出640×480象素的品种，其质量相当于30cm（12英寸）高分辨率CRT，已在个人计算机终端上采用，需求量正日趋增大。
         与其它平板显示器相比，PDP较易于制成较大的屏幕尺寸。全点阵除640×480象素的品种外，还有720×350象素、1024×768象素及1365×816象素等品种亦已问世。除上述这些大容量的PDP显示器外，灰度等级为8级、16级及256级的品种也已面市。利用气体放电产生的紫外线激励荧光粉发出可见光的特性，采用RGB三基色荧光粉，可能实现全彩色PDP显示器。与LCD相比，PDP为自发光型，便于观看，视角大，工作寿命长，而且其亮度优于电致（EL）发光屏。但为扩大其应用范围，需进一步降低显示屏自身（含驱动电路）的价格，并进一步降低其工作电压。
 
3 技术特点
 
         PDP的技术特点是：明亮而便于观看，对比度好，薄而轻，画面大，晌应速度快，视角宽，灰度等级多，可靠性高及可实现全彩色显示等。宽视角是大屏幕壁挂式彩电及HDTV必备的条件之一。利用稀有混合气体放电产生的紫外线激励RGB三基色荧光粉发光，并采用分时调制（脉冲数调制）灰度技术，可达256级及1677万种颜色，获得与CRT同样宽的色域，具有良好的彩色再现性。PDP屏幕亮度十分均匀，无亮区与暗区之分，不会出现图象几何畸变及色彩漂移的现象，不存在聚焦问题，不易受外界磁场的影响，具有更佳的环境适应性；具有非常陡峭的阈值特性，适用于分时多路驱动；具有存储效应，即使增大显示容量，亦易于获得高亮度的显示；结构及制造工艺简单，无需像TFT那样的高精度，投资小，适宜现代化大批量生产；具有存储特性，亮度高、屏幕大、彩色全、对比度好、使图象更为清晰，色彩更加鲜艳舰觉感受更为舒适，显示效果更加理想；色彩还原性好，灰度等级丰富，可超过256级，色域已接近于CRT。对迅速变化的画面响应速度快，适合显示动画图象及播放视频信号；视角宽，在水平和垂直向上视角高达160°，能提供格外亮丽、均匀平滑画面及更大的观赏角度；体积小、重量轻、厚度薄、纯平面、寿命长，尤为适用于公共信息显示、壁挂式大屏幕彩电及自动监控系统等。借助采用耐离子溅射的电极材料、介质保护膜及长寿命荧光粉，能使PDP具有长工作寿命；单色PDP的工作寿命高达数十万小时，而彩色PDP的工作寿命通常达2～3万小时，这与CRT的典型寿命值2.5万小时相当，但远比投影管的寿命要长。但PDP亦存在不足之处在显示屏上的玻璃基极极薄，无法承受过大或过小的气压，更不能承受重压。显示屏上每一象素都是单独自行发光，功耗大，在显示器背极必须装上多组风扇用于散热。此外，PDP驱动电压高，售价亦较高。随着制造工艺及装配技术的改进，其成本在下降，实用性在增强，对比度在增大，显示质量亦在不断提高。
        PDP属于一种平板型固态显示器件，其体积小、重量轻，可与 平板式封装相组合。PDP无需CRT的高压电源，在与计算机组合进行数字式存取方面较CRT模拟存取方式更为方便。由于采用数字技术驱动与控制，提高了PDP彩色图象的稳定性，满足数字化彩电、HDTV及多媒体终端显示的需求。PDP结构整体性好、抗震性能强、可在颇宽的温度与湿度范围内及在有电磁干扰与冲击等恶劣环境下工作，PDP的坚固性，使其在军事及工业的某些方面应用比起CRT更为合适。同时，由于其体积小、重量轻，更适宜航空航天领域。PDP与CRT目前正进行着激烈的竞争，当然在体积小、重量轻和坚固耐用等方面，PDP优于CRT。在小容量的字符显示和信息显示方面，PDP也是较为合适的。但与CRT相比，PDP还仅是初露锋芒，在不少技术性能方面还比不上CRT。对于数百乃至数千字符的大容量字母、数字显示器及图形显示器，CRT则更为实用，因此在这一领域内CRT比起PDP来要遥遥领先。PDP驱动电路复杂，工作电压较高，难以集成，这也是PDP的不足之处。此外，成本太高亦限制其进一步的广泛应用。
       虽然PDP尚存在一些不足之处，但随着今后研究工作的进一步开展，必将使PDP的技术性能不断改进。目前在降低工作电压方面已作了不少的努力，并已取得了一定的成效。如在PDP显示屏内充铯或氚可使工作电压降至80V左右。又如在介质层表面涂上厚为2000～3000A的氧化镁保护膜，可使维持电压降至90V, 工作寿命超过3.5万小时。若涂上碳酸锶和碳酸钡的混合物，可使驱动电压降至60V左右。若在彩色、灰度及发光效率等方面进一步改进，成本进一步下降，PDP则在某些领域内终究可替代CRT。因此，PDP在数种平板显示器中是很有发展前途的。20世纪80年代，PDP已替代直观储能管。在置身于显示设备的集成化、小型化及固体化方面，PDP亦将会起着至关重要的作用。展望未来，PDP终将会开拓出新的应用领域。
 
4 应用领域
 
         PDP今后仍将主要应用于办公自动化设备领域，同时在个人计算机领域也有一席之地。从PDP的优异显示质量与性能考虑，可以说办公自动化领域是最适宜的市场。从目前的膝上型和掌上型个人计算机应用来看，PDP有可能向这些方面拓展，因其具有既薄又轻且低功耗等特点，是可用于笔记本型个人计算机的。在PDP进一步提高清晰度与增大显示容量后，工作站领域将会是其战胜其它类型平板显示器的最佳领域。将在其实现彩色化并进一步提高显示质量后一显身手。至于工业设备、仪器仪表、公共信息显示屏及售票机等其它领域，固然可利用PDP的易于分辨等优点，但市场不会很大。
         PDP已用于销售终端（POS）、银行出纳终端及室外显示屏。新研制成的大容量PDP已在OA设备中大量采用，而且应用前景看好。目前日本各厂家制造出的PDP，其圆点尺寸达0.2mm，发光颜色大多为鲜艳的橙黄色，色域接近于CRT。由于PDP属于白发光型，故显示清晰。其当前推广应用的主要障碍是包括驱动电路在内的显示屏售价仍然太高。最近日本富士通公司、松下电子公司己将其彩色PDP推向商用化。富士通公司新近生产的彩色PDP采用氦气放电以替代氖气放电，使之发射紫外光，以激励荧光材料光发射，效果颇佳。松下电子公司最近研制成绿色和琥珀色的单色PDP，其成功诀窍在于能控制好充填气体的组分，它的绿色色调可与CRT相媲美。
       特别值得指出的是，PDP工作在全数字化模式，易于制成大屏幕显示，是数字电视（DTV）、高清晰度电视（HDTV）、计算机工程工作站（CEWS）及多媒体终端（MMT）理想的显示器件。尤其是近年来，彩色PDP的关键技术取得重大的突破，产品性能日渐提高并已达到实用化水平，产业化生产亦开始实施，使彩色PDP技术又迎来了一个崭新的发展阶段。预计彩色PDP未来将在大屏幕壁挂式电视、计算机工程工作站及多媒体显示等领域具有巨大的市场前景。随着数字电视（DTV）和高清晰度电视（HDTV）时代的来临，必将加速彩色PDP的发展进程，为PDP迎来一个巨大的发展机遇。据显示专家预测，至2002年后，全球PDP市场将进入一个高速发展期，至2005年世界PDP的市场份额将是1999年的7倍。家用PDP年均增长率将高达103%，家用与商用PDP比例将达7：3。
       平板型直观式的自发光显示器件中，目前PDP是最有希望作HDTV显示并成为实现壁挂式彩电的重要显示器件。PDP虽然早就走向实用化，但应用较多的属于小容量显示的显示屏。多位数字字符显示的红色、白场峰值亮度可达200cd/m2、视角宽（160°～170°）、响应速度快（μｓ级）、显示屏可制得很大（对角线尺寸１．５ｍ以上）及成本较低等特点，使其颇适用于大屏幕的电视图象显示。尤其是近２０年来，彩色ＰＤＰ研究取得了较大的进展，众多技术难点从机理上已获得解决。如ＰＤＰ驱动电压原来很高，驱动电路成本约占整机的７５％。采用寻址显示分离（Ａｄｄｒｅｓｓ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｅｐａｒａｔｅ，ＡＤＳ）子场技术便可降低驱动电路的成本。虽然与LCD显示屏相比，PDP的驱动电压仍较高，驱动电路价格贵一些，但显示屏自身制作较为容易。如存储型ＡＣＰＤＰ，除荧光粉涂覆需用光刻工艺外，象素的精细制作大多采用厚膜印刷技术，这与有源矩阵液晶显示屏（ＡＭＬＣＤ）每个象素必须制作一个薄膜晶体管（ＴＦＴ）元件相比，显然容易得多，故相对来说成品率较高、成本较低。
         ＬＣＤ显示屏自身的功耗显然比ＰＤＰ低得多，但为了实现彩色显示的液晶显示器件，需采用荧光灯作背照光源，此时透过彩色滤光膜的光通量仅有百分之几。因此，两种平板显示器的总功耗相差无几。此外，ＰＤＰ所用的ＲＧＢ三基色荧光粉具有与彩色ＣＲＴ三基色荧光粉同样良好的发光特性，这确保了彩色ＰＤＰ有颇佳的色纯，加上兼备良好的灰度显示能力，因此，迄今电子显示业界普遍认为，彩色存储型ＰＤＰ是最有希望实现直视型大屏幕壁挂式彩电的显示器件，同时它也是实现ＨＤＴＶ显示最有发展前途的平板显示器件。
       由于集成电路技术的迅速发展，上述这些ＰＤＰ显示器件已达到经久耐用及更高速的水平，并已研制出众多改进型应用产品。随着技术进步及需求量的日趋增长，会促使壁挂式ＰＤＰ彩电尽快投放市场。ＰＤＰ的一个主要优点是易于增大屏幕尺寸。目前，在液晶显示尚未能加大屏幕尺寸以及另外一些新的替代技术尚未完全成熟之时，作为唯一能直接替代笨重的ＣＲＴ和投影显示器的大屏幕ＰＤＰ，将瞄准壁挂式彩电市场。ＰＤＰ不仅可挂于居室和酒吧的墙壁上，而且还有多种应用，如公共信息标牌、会议室演示系统、台式计算机监视器、证券交易所金融行情显示终端、医疗诊断、直升机模拟显示及公共娱乐场所游戏机等。此种彩色ＰＤＰ正从５４ｃｍ（２１英寸）起步，迅速增大至面向彩电市场的１０２ｃｍ（４０英寸），然后再增大至１５２ｃｍ（６０英寸）以上。由此可见，彩色ＰＤＰ最终将作为新一代ＨＤＴＶ及多媒体显示而形成新兴的产业。