CN1933085A - 一种采用高频预热的等离子体显示器及等离子体放电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明采用高频预热的等离子体显示器及等离子体放电方法，特征是在每个放电单元内，设置在障壁内表面的射频电极与能够产生频率大于5KHz电流的交流电源相连接；各放电单元中的维持电极、寻址电极分别连接到能够产生3伏特以上电压的交流或直流电源上；所述障壁由掺杂了金属氧化物或金属粉末的玻璃制成；在击穿放电之前，对射频电极通5KHz～600MHz的高频交流电对放电空间内的工作气体进行预热放电；在维持电极产生维持放电的同时，在射频电极上继续施加5KHz～600MHz的高频交流电进行辅助维持放电；由此可以降低击穿电压，提高了维持放电的稳定性和效率，并可提高发光效率，增加显示器的辉度，且所消耗的电能较小。

Description

一种采用高频预热的等离子体显示器及等离子体放电方法
技术领域：
本发明属于等离子体放电技术，特别涉及利用高频电流进行预热的等离子体放电方法及其等离子体显示器。
背景技术：
据清华大学出版社2001年出版的《电子显示》(田民波著，第117-128页)介绍，现有等离子体显示器虽然有很多不同的结构，但是其放电发光的机理是相同的，主要由以下两个基本过程组成：
1、气体放电过程，即惰性气体在外加电信号的作用下产生放电，使原子受激而跃迁，发射出真空紫外线；
2、荧光粉发光过程，即气体放电所产生的紫外线激发光致荧光粉发射可见光的过程。
等离子体显示器是一种主动发光型显示器，目前的技术是通过辉光放电而发光，在一定气压下，一旦产生放电，其发光亮度通过控制电极电压，调节有效放电时间的长短等来控制。彩色等离子体显示器的亮度与气体放电时产生的真空紫外线强度和击穿电压有关。现有技术下气体放电的击穿电压较高，使得目前所使用的驱动电路产生等离子体的效率较低，真空紫外光强度较弱，从而导致显示器的辉度不够。
中国专利号200410078947.0介绍的等离子体放电方法及基于该方法的显示器，其结构复杂，制造工艺要求高；特别是该方法依旧单一的使用直流辉光放电，因而没能从根本上降低击穿电压。
发明内容：
本发明提出一种采用高频预热的等离子体显示器及其等离子体放电方法，以改变现有技术在产生等离子体方式上对电压的依赖，达到提高放电效率、降低击穿电压、减少能耗和增加亮度的目的。
本发明的采用高频预热的等离子体显示器，包括：由不少于三个结构相同的独立放电单元并列构成；各放电单元由障壁和透明材料制成的前、后基板包围构成，内充有10～700帕斯卡的工作气体；在前基板内表面以一层透明的导电材料作为维持电极，在与该维持电极相对的后基板内表面上设有一层导电材料作为寻址电极；放电单元内表面覆盖有荧光材料；其特征在于：在每个放电单元内，设置在障壁内表面的射频电极与能够产生频率大于5KHz电流的交流电源相连接；各放电单元中的维持电极、寻址电极分别连接到能够产生3伏特以上电压的交流或直流电源上；所述障壁由掺杂了金属氧化物或金属粉末的玻璃制成。
所述障壁通常宽20微米～100微米，厚100微米～400微米。
所述放电单元内充有的工作气体为惰性气体或其混合气体，或含体积百分比不低于10％的惰性气体和其他包括氮、汞蒸汽、甲烷或/和氢在内的混合气体。
所述荧光材料是指在受到紫外线照射时会电离出可见光的材料，包括以铕为发光中心的钡、镁铝酸盐(BaMgAlO:Eu)粉末、以锰为发光中心的硅酸盐(ZnSiO4:Mn)或以铕为发光中心的钇、钆的硼酸盐((Y，Gd)BO3:Eu)。
所述作为维持电极的透明导电材料，可选用厚度为1纳米～1毫米的铟锡氧化物(ITO)薄膜、氧化锡薄膜、银箔、镍箔或铝箔。
所述寻址电极材料，可选用厚度2毫米以下的银箔、镍箔或铝箔。
为了保护电极，可以在电极表面均匀覆盖一层以介电常数不低于1、厚度不超过l毫米的电介质做为保护层；所述电介质，可选用氧化镁、氧化钌或氟化镓。
本发明的采用高频预热的等离子体放电方法，包括：通过给维持电极以及与维持电极相对应的寻址电极施加不低于3伏特的电压实现击穿放电；在击穿放电之后，维持电极持续通有不低于3伏特的电压进行维持放电；其特征在于：在击穿放电之前，对射频电极通5KHz～600MHz的高频交流电对放电空间内的工作气体进行预热放电；在维持电极产生维持放电的同时，在射频电极上继续施加5KHz～600MHz的高频交流电进行辅助维持放电。
所述利用高频电流进行预热的预热方式可以选用电容耦合或电感耦合。
由于本发明通过射频电极利用高频电场对等离子体进行预热，从而使电子温度Te有显著升高，温度升高的多少与预热时间的长短成正比。根据碰撞平均自由程的定义：λel≡1.2×1012Z-1Te 2ne -1，可以看出λel，随着Te显著增加；单位距离上电子发生电离碰撞的次数 α ≡ 1 λ e exp ( - V λ e E ) , 显然，随着Te的增大α也升高；α升高表明等离子体密度增大，这样，系统所产生的紫外线也就增加，从而激发了更多的荧光物质发光，提高了等离子体显示器的辉度。因此，通过提升单位距离上电离碰撞频率α可以实现在保持辉度不变的前提下，降低气体击穿电压的目的。同时，利用射频电极的辅助加热，提高工作气体的温度，与上述原理相同，在较低的电压下即可维持等离子体放电，使显示器持续发光。现有技术仅依赖直流辉光放电产生等离子体，工作电压无法无限增大；且现有技术没有对工作气体预热，电子温度Te与电离碰撞频率α较低，限制了等离子体显示器的辉度。
本发明通过射频电极产生的能量，对工作气体进行预热，解决了现有等离子体显示器单纯依赖辉光放电所带来的局限性，提高了所产生等离子体的密度，同时增大了二次电子逸出。这样就降低了击穿放电电压，减轻了等离子体显示器驱动电路的压力，提高使用寿命。由于射频产生等离子体的效率高于辉光放电，因此在维持放电的过程中使用射频方式进行辅助维持放电产生同样数量的等离子体所消耗的电能小于现有技术。采用射频方式进行预热和辅助维持放电方式，在气压、工作气体和其他外部参量不变时，荧光材料将受到更多等离子体激发出的紫外线辐射，放出更多的可见光，增加了显示器的辉度。并且，射频电极与前后基板垂直、与障壁平行的结构对独立放电单元起到了很好的支撑作用，使整个系统更稳定可靠。
附图说明：
图1为基于电容耦合的交流放电等离子体显示器放电单元的截面图；
图2为基于电容耦合的交流放电等离子体显示器放电单元击穿及维持放电部分的等效电路图。
图3为基于电感耦合的直流放电等离子体显示器放电单元的截面图；
图4为基于电感耦合的直流放电等离子体显示器放电单元的等效电路图。
具体实施方式：
实施例1：采用电容耦合进行预热的等离子体显示器
本实施例为一种典型的三电极交流透射面放电型等离子体显示器。图1给出了其放电单元的截面图，图2为一个放电单元的击穿放电及维持放电部分的等效电路示意图。
参照图1和图2：在由高屈服温度的玻璃，包括型号为PD200的玻璃制成的前基板1的内表面上有由厚度为50纳米的铟锡氧化物(ITO)膜制成的透明维持电极4a和4b；厚20微米的氧化镁电介质层3a涂覆在前基板1上，并覆盖在维持电极4的表面上；与前基板1平行的，由高屈服温度玻璃，包括型号为PD200的玻璃制成的后基板2上朝向维持电极4的一侧，有由5微米厚的银制成的寻址电极5；厚25微米的氧化镁电介质层3b涂覆在后基板2上，并覆盖于寻址电极5的表面；在前基板1和后基板2之间有垂直于它们的障壁8；本实施例中障壁8，宽40微米，厚150微米，采用由均匀掺杂了体积百分比为11％的铝粉的玻璃采用丝网印刷的方法制成；前基板1、后基板2与障壁8所包围的放电空间9密封保持气压为400帕斯卡的氖；由厚度为1.7微米的铜箔制成的射频电极6a和6b在障壁8相对内侧平行放置；采用印刷的方法将厚0.07毫米的以铕为发光中心的钡、镁铝酸盐(BaMgAlO:Eu)的荧光层7涂覆在射频电极6、障壁8以及电介质层3b暴露在放电空间9的表面上。
射频电极6a通过高频发生器11连接至交流电源10上，射频电极6b接地；维持电极4a和4b分别接在交流电源10的两极，与射频电极6并联；高频发生器11采用晶体管振荡器，包括Delco DTS431型，它可以将交流电源10提供的民用电压转变为适当的高频电压。
调节高频发生器11使输出的交流电频率达到3.6MHz，，通过射频电极6对放电空间9内的工作气体进行预热；寻址电极5收到电信号，触发维持电极4对放电空间9内已经被射频电极6预热后的工作气体进行击穿放电；击穿放电后，放电气体产生的等离子体经过多次电离生成紫外线，辐射在荧光层7上，使其发出可见光。
经过预热后的放电空间9内等离子体的密度会显著提高，击穿电压也随之降低；维持电极4在击穿放电之后继续工作，在放电空间9内进行维持放电，射频电极6同时进行辅助维持放电，这样在较低的电压下也可以获得稳定和有效的持续放电；由于在维持电极所使用的击穿放电方式之外增加了电容耦合放电的方式，改变了原有等离子体显示器采用辉光放电完全依赖击穿电压的现状，而利用提高射频电极频率的方式来提高产生等离子体的效率。
本实施例中所述的两个射频电极一个接地，另一个与高频发生器和交流电源串联，为了降低荧光层的损耗，减少电磁泄漏，可以将两个射频电极分别与不同的高频发生器和交流电源串联，使两个射频电极所接收到的电压频率不同。
本实施例中所述将高频发生器与射频电极串联时为了控制由于阻抗变化而引起的电压输出变化，可以增加匹配电路，最简单的匹配电路是在高频发生器与射频电极之间串联一个可调电容器。
实施例2：采用电感耦合进行预热的等离子体显示器
本实施例为一种典型的直流透射面放电型等离子体显示器。图3为基于电感耦合的直流放电等离子体显示器放电单元的截面图；图4为基于电感耦合的直流放电等离子体显示器放电单元的等效电路图。
参照图3和图4：在由高屈服温度的玻璃包括型号为PD200的玻璃制成的前基板1的内表面上有由厚度为5微米的银锡膜制成的透明的维持电极4；厚10微米的氧化钌电介质层3a涂覆在前基板1上，并覆盖在维持电极4的表面上；与前基板1平行的，由高屈服温度玻璃包括型号为PD200的玻璃制成的后基板2上朝向维持电极4的一侧，有由厚度为3微米的镍箔制成的寻址电极5；厚30微米的氧化钌电介质层3b涂覆在后基板2上，并覆盖于寻址电极5的表面；在前基板1和后基板2之间有垂直于它们的障壁8；障壁8厚150微米，宽50微米，由均匀掺杂了体积百分比为20％的三氧化二铁的玻璃采用喷砂磨蚀的方法制成；前基板1、后基板2与障壁8所包围的放电空间9密封保持266帕斯卡的氩与氙按体积比9∶1混合的气体；由直径为0.14微米的铜丝绕制的射频电极12以同轴线圈的形式贴合在障壁8的内表面；采用光刻制版的方法将厚0.1毫米的以锰为发光中心的硅酸盐(ZnSiO4:Mn)荧光层7形成在射频电极12、障壁8以及电介质层3b暴露在放电空间9的表面上。
维持电极4接在直流电源13的阴极，寻址电极5接在直流电源13的阳极。
射频电极12通过高频发生器11连接在交流电源10上；高频发生器11采用晶体管振荡器，包括Delco DTS423型，它可以将交流电源10提供的民用电压转变为适当的高频电压。
调节高频发生器11使输出的交流电频率达到13.56MHz，通过射频电极12对放电空间9内的工作气体进行预热；寻址电极5收到电信号，触发维持电极4对放电空间9内已经被射频电极12预热后的工作气体进行击穿放电；击穿放电后，放电气体产生的等离子体经过多次电离生成紫外线，辐射在荧光层7上，使其发出可见光。
经过预热后的放电空间9内等离子体的密度会显著提高，击穿电压也随之降低；在维持电极所使用的直流击穿放电方式之外增加了电感耦合放电的方式，改变了原有等离子体显示器采用辉光放电完全依赖击穿电压的现状，而利用提高射频电极发射频率的方式来提高产生等离子体的效率。
本实施例中所述的射频电极是同轴线圈的形式，也可以采用盘绕式或其他样式。
本实施例中所述将高频发生器与射频电极串联时为了控制由于阻抗变化而引起的电压输出变化，可以增加匹配电路，最简单的匹配电路是在高频发生器与射频电极之间串联一个可调电容器。
本实施例中所述的工作气体还可以使用体积百分比为95∶5的氙和氢的混合气体。
这种等离子体放电方法和使用该方法的等离子体显示器利用与高频发生器相连接的射频电极实现了感应耦合放电，对放电气体进行预热和辅助维持放电，实现了更高的等离子体密度和放电效率，并由此降低击穿电压，同时提高了荧光层的发光效率。工艺简单，在现有的等离子体显示器生产线上均可实现。

Claims (8)

1、一种采用高频预热的等离子体显示器，包括：由不少于三个结构相同的独立放电单元并列构成；各放电单元由障壁和透明材料制成的前、后基板包围构成，内充有10～700帕斯卡的工作气体；在前基板内表面以一层透明的导电材料作为维持电极，在与该维持电极相对的后基板内表面上设有一层导电材料作为寻址电极；放电单元内表面覆盖有荧光材料；其特征在于：在每个放电单元内，设置在障壁内表面的射频电极与能够产生频率大于5KHz电流的交流电源相连接；各放电单元中的维持电极、寻址电极分别连接到能够产生3伏特以上电压的交流或直流电源上；所述障壁由掺杂了金属氧化物或金属粉末的玻璃制成。
2、如权利要求1所述采用高频预热的等离子体显示器，特征在于所述放电单元内充有的工作气体为惰性气体或其混合气体，或含体积百分比不低于10％的惰性气体和其他包括氮、汞蒸汽、甲烷或/和氢在内的混合气体。
3、如权利要求1所述采用高频预热的等离子体显示器，特征在于所述荧光材料是指在受到紫外线照射时会电离出可见光的材料，包括以铕为发光中心的钡、镁铝酸盐粉末、以锰为发光中心的硅酸盐或以铕为发光中心的钇、钆的硼酸盐。
4、如权利要求1所述采用高频预热的等离子体显示器，特征在于所述作为维持电极的透明导电材料，选用厚度为1纳米～1毫米的铟锡氧化物(ITO)薄膜、氧化锡薄膜、银箔、镍箔或铝箔。
5、如权利要求1所述采用高频预热的等离子体显示器，特征在于所述寻址电极材料，选用厚度2毫米以下的银箔、镍箔或铝箔。
6、如权利要求1所述采用高频预热的等离子体显示器，特征在于在电极表面均匀覆盖一层以介电常数不低于1、厚度不超过1毫米的电介质做为保护层；所述电介质，选用氧化镁、氧化钌或氟化镓。
7、一种采用高频预热的等离子体放电方法，包括：通过给维持电极以及与维持电极相对应的寻址电极施加不低于3伏特的电压实现击穿放电；在击穿放电之后，维持电极持续通有不低于3伏特的电压进行维持放电；其特征在于：在击穿放电之前，对射频电极通5KHz～600MHz的高频交流电对放电空间内的工作气体进行预热放电；在维持电极产生维持放电的同时，在射频电极上继续施加5KHz～600MHz的高频交流电进行辅助维持放电。
8、如权利要求8所述采用高频预热的等离子体放电方法，特征在于所述高频预热方式选用电容耦合预热或电感耦合预热。
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