第四章：光电显示材料2

等离子体显示(Plasma Display Panel，PDP)
等离子体显示主要是利用电极加电压，惰性气体游离产生的紫 外光激发荧光粉发光制成的显示屏。 等离子体显示器的工作原理与一般日光灯原理相似，它在显示平 面上安装数以十万计的等离子管作为发光体(象素)。 每个发光管有两个玻璃电极、内部充满氦、氖等惰性气体，其中
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ABC：非自持放电，靠紫外线、 宇宙射线作用使气体产生微弱 电离。
电 流
达到C点后气体被击穿，变成 不稳定的自持放电，并开始发 光，此时的电压称为着火电压。 EF区正常辉光放电区，相应 的电压为维持电压 异常辉光放电
弧光放电
电压
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三个状态：熄火态、过渡态和着火态 5
液晶短轴方向ε⊥
各向异性液晶
在外电场作用下，分子的排列极易发生变化 P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向
目前液晶显示器主要
N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向
应用P型液晶。
2、液晶的双折射
液晶的折射率：以P型为例，长轴为光轴 液晶具有双折射这一晶体特性
ne n// n0 n
no为寻常光折射率，其偏振方 向与分子长轴垂直，ne则平行 光学各向异性定义为
η1
η2
η3
γ
4、液晶的粘度
粘度的本质是分子间内摩擦力
速度梯度为1时单位面积的内摩擦力，分动力学粘度、运动粘度
体积粘度属于动力学范畴，单位为PaS或P；运动粘度单位m2/s。
液晶有其自己的特点和限制，有一定极限 液晶的粘度与介电常数、清亮点、折射率有关
粘度与温度基本呈指数关系
γ ∝ Sδ expB/T, 温度上升，粘度降低；温度下降，粘度增加
液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的。
3、液晶的电光效应
液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生
变化，这种效应称为液晶的电光效应。
液晶电光效应的机理，本质来讲都是液晶分子在
电场作用下改变其分子排列或造成分子变形 的结果。
4、液晶的粘度
针对不同的运动方式，液晶有几个粘度
η1—指向矢与流速方向以及流速梯度方向均垂直时的粘滞系数 η2—指向矢与流速方向平行时的粘滞系数——近似于体积粘度 η3—指向矢与流速方向垂直，但与速度梯度方向平行时的粘滞系数 γ—指向矢转动时所引起的粘滞系数
等离子体发光材料
等离子体气体材料主要是惰性气体，特别是以氖气 为主，另外掺杂一些其它气体。 Ne + He、Ne + Ar： 橙红色光 He + Xe： 紫外光
PDP用三基色荧光粉应满足如下条件：
• 在真空紫外区高效吸收； • 在同一放电电流时，通过三基色荧光粉发光混合获得白光； • 具有鲜明的色彩度； • 稳定性好； • 涂粉和热处理工艺具有稳定性；
2. 真空紫外线射在荧光粉上，使荧光粉发光。
PDP 如何发光形成图形
Y3 Y2 Y1 ON 亮 OFF不亮
X1
要点亮某个地址的灯泡，开始要 在相应行上加较高的电压，等该 灯泡点亮后，可用低电压维持氖
X2
气灯泡的亮度。 关掉某个灯泡，只要将相应的电
X3
压降低。灯泡开关的周期时间是 15ms，通过改变控制电压，可以 使等离子板显示不同灰度的图形。
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• 余辉时间短。
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PDP三基色氧化物荧光粉
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3.受光显示材料
液晶显示材料
电致变色显示材料 电泳着色显示材料
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3.1 液晶显示材料
1888年奥地利植物学家Reinitzer在显微镜中观察到胆甾醇苯
甲酸酯(俗称胆固醇)在145.5℃时，熔化成一种雾浊液体，在 178.5℃时，突然全部变成清亮的液体。当冷却时，先出现紫 蓝色，而后自行消失，物质再呈混浊状液体。
等离子体发光原理：气体的电子获得足够的能量后，可以 完全电离。 一方面，这种电子具有较大的动能，能在气体中高速飞行， 同时与其他粒子碰撞，使得更多粒子电离。 另一方面，电离的粒子之间也会发生复合，并以光的形式 释放出能量。
等离子体发光原理图
(a) 电子同正离子复合； （b）正负离子复合
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PDP 如何发光形成图形
Y3
Y2 Y1 OFF
ON
X1
X2
X3
PDP 如何发光形成图形
Y3
Y2 Y1 OFF
ON
X1
X2
X3
PDP 如何发光形成图形
Y3
Y2 Y1 OFF
ON
X1
X2
X3
A 单色等离子体显示基本结构
Ne-Ar混合气体在一定电压下产生气体放电， 发射出582nm橙色光。
AC-PDP
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1、液晶的光电特性
（1）液晶的各向异性
液晶长轴方向ε∥
液晶分子大多由棒状或碟状分子形成,所以 与分子长轴平行或垂直方向的物理特征会有 所差异，这就是液晶分子结构的异方性．
//
P型液晶 （Δε>0）正介电
各向异性液晶
N型液晶（Δε<0）负介电
液晶显示
液晶显示是依靠液晶的电光效应和热光效应，具体分类：
①电场效应：利用介电常数的各向异性。属于这种的有扭曲型、 超扭曲型、宾主效应型、相变型、电控双折射型、铁电效应
型等；
②电流效应：利用介电常数各向异性与电导率各向异性。属于 这种的只有动态散射型一种； ③电热效应：利用电极加热使液晶状态发生变化，有存储性。 ④热光效应：激光写入型和胆甾热变色型；
PDP像素放电、发光单元结构
发射电子区 发射出的电子
Ne
电极
Ne+
+ Ne Nem
Ne+
Ne+ I
- - -
Ne
M
Nem
I
P
Ne+ Ne+ I
-
I I
放电 轰击 稀有 气体
ν
Ne+ Ar+
-
I
E
-- -- ν
电极
放出电子
Note : 1. PDP发光=> 电极加电压，正负极间激发放出电子，电子轰击惰性气体，发出 真空紫外线；
由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故 称之为物质第四态。
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0 0C
1000C
100000C 温度
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等离子体分类
等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。 高温等离子体只有在温度足够高时发生的。太阳和恒星不断地发 出这种等离子体，组成了宇宙的99％。 低温等离子体是在常温下发生的等离子体(虽然电子的温度很高）。
△n ne
- n//
ne no
△n与介电常数、清亮点、有序 程度等参数相关
液晶的双折射
折射率的温度依赖性
折射率随温度的升高而降低 折射率各向异性也随温度上 升而降低
温度接近清亮点时，各向异 性急剧下降，并消失
这一因素对高温工作的液晶器件有着非常大的影响
液晶的双折射
折射率的频率依赖性
随着测试光源的频率的 变化，液晶的折射率也 发生变化
三电极表面放电（Surface Discharge）
电极不加保护层，暴露于放电空间，容易实现彩色显示， 节距0.6mm，主要用于大屏幕平板电视等。
像素点结构图
以42英寸PDP为例，这一尺寸的PDP有1226880个像素点
Plasma Display（PDP）各子场显示方式
SF1 scan line
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胆甾型液晶，也称螺旋状液晶
分子依靠端基的相互作用彼此平行 排列成层状结构，分子的长轴与层 平面平行，而相邻两层之间分子长
轴的取向依次规则的扭转一定的角
度，层层累加形成螺旋面结构。
旋转360的层间距离称为螺距，反射光波长与螺距
有关，而温度变化时螺距会发生变化。
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某些有机物的结晶，受热熔融或被溶解之后，失去了固态物
质的刚性，产生了流动性，表观上看似乎由结晶态变成液态， 但这种流动性物质的分子仍然保持着有序排列，在物理性质 上呈现各向异性，这种各向异性的流动液体再继续加热，则 得到各向同性的液体。
也就是说，某些结晶熔化时，要经过一种兼有液体和晶体的
部分性质的流体的过渡状态。 物质的这种既有液体的流动性，又具有晶体的分子排列整齐、 各向异性的状态，叫做物质的液晶态。
等离子显示屏的组成、结构特征
PDP由前后两片玻璃组成。 前板玻璃上有透明ITO维持电极 及加强ITO导电性的Bus电极，并 且在电极上覆盖透明介电层及防 止离子撞击介电层的MgO保护层。 后板玻璃上有数据面电极、介电 层及长条状的隔层
在每个隔层内印刷R、G、B三 种荧光材料。最后在两个基板 内注入氖（Ne）及氙（Xe） 惰性气体后封装，气压只有数 百Torr的高真空状态。
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液晶分子的特点：
液晶分子的几何形状与球状分子相比发生了明显 的伸长或扁化。 分子末端含有强极性或易于极化的原子或原子团， 使分子保持取向有序。
液晶分子长轴不易弯曲，有一定的刚性。 生成液晶相的能力以及液晶相的稳定性与上述三 个因素的强弱有关，是三个特性的综合体现。
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按照液晶的形成条件分类
热致液晶
采用降温的方法,既将熔融
的液体降温，当降温到一定 程度后分子的取向有序化， 从而获得液晶态．
溶致液晶
有机分子溶解在溶剂中，使 溶液中溶质的浓度增加，溶 剂的浓度减小，有机分子的
排列有序而获得液晶．
作为显示技术应用的液晶都是热致液晶
热致液晶的相变有以下两种：
等离子显示屏的组成、结构特征
第5章
前玻璃板结构：在前玻璃板上成对地制作有扫描 和维持透明电极，其上覆盖一层电介质，MgO保 护层覆盖在电介质上。前、后玻璃板拼装，封口， 并充入低压气体，在两玻璃板间放电。 等离子体显示技术
后层玻璃板结构：在后层玻璃板上有 寻址电极，其上覆盖一层电介质。红、 绿、蓝彩色荧光粉分别排列在不同的 寻址电极上，不同荧光粉之间用壁障 PDP显示屏基本结构 相间。
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向列型液晶由长径比很大的棒状分
子组成，保持与轴向平行的排列状态。 因为分子的重心杂乱无序，并容易顺 着长轴方向自由移动，所以像液体一 样富于流动性；
近晶型分子由棒状或条状分子呈二
维有序排列组成。层内分子长轴相互 平行，其方向可以垂直于层面或与层 面成倾斜排列。层与层之间的作用较 弱，容易滑动，因此具有二维的流动 特性；
Ⅰ、互变相变型 晶体 液晶相 各向同性液体
Ⅱ、单变相变型 晶体 各向同性液体 液晶相
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按照构成液晶态的结构单元分类
１．棒状分子 ２．盘状分子
３．由长链或盘状分子连接而成的柔性长链聚合物
４．由双亲分子自组装而成的膜
按照液晶态的结构分类
向列型液晶、近晶型液晶、胆甾型液晶。
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频率升高，折射率增大
在可见光波段内，折射率的变化足以影响显示器件的色度
液晶器件所基于的三种光学特性
由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性：
1）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转； 2）使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化； 3）使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。
DC-PDP
B 彩色等离子体显示基本结构
对向放电式
表面放电式
介质层：电极通过介质层以电容的形式耦合到气隙中；
MgO保护层：降低器件工作电压，同时耐离子轰击，提高器 件工作寿命。
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对向放电式
表面放电式
电 极 的 安 排 区
二电极对向放电（Column Discharge） 电极层覆盖有保护介质，放电单元节距为0.3mm，分辨率 高，显示容量大，可作为计算机终端等中小屏幕等显示
1 2 Fra Baidu bibliotek . . ..
SF2
SF3
SF4
SF5
SF6
SF7
SF8 sub-field address
480
1T 2T 4T 8 16T T
32T
64T
128T
sustain
1TV field (time)
Separating the address period and sustain period of each sub-field
一个玻璃电极上涂有三基色荧光粉。当两个电极间加上高电压时， 引发惰性气体放电，产生等离子体。等离子产生的紫外线激发涂 有荧光粉的电极而发出不同的由三基色混合的可见光。 每个等离子体发光管就是等离子体显示器的像素，人们看到的画 面就是由这些等离子体发光管形成的“光点”汇集而成的。
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2.5 等离子体显示材料
等离子体就是被激发电离气体，达到一定的电离度，
气体处于导电状态，这种状态的电离气体就表现出集体 行为，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其 周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。 由于电离气体整体行为表现出电中性，也就是电离气体 内正负电荷数相等，称这种气体状态为等离子体态。