автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование и проектирование полноцветных телевизионных газоразрядных индикаторных панелей

Г--

о";

На правах рукописи

от

ЛИ ЧУН ВУ

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛНОЦВЕТНЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ИНДИКАТОРНЫХ ПАНЕЛЕЙ

Специальность: 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С

Рязань 1997

Работа выполнена в Рязанской государственной радиотехнической академии и Научно - производственной компании 'ОРИОН-ПЛАЗМА" (г. Рязань)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Э.П. Шеретов

Научный консультант: кандидат технических наук А. Б. Покрывайло

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор А С. Арефьев кандидат технических наук, доцент А С. Шипалов

Ведущая организация - Акционерное общество "Завод "Красное Знамя" (г. Рязань)

Защита состоится " 30» сентября 1997 года в часов на

заседании диссертационного совета Д 063.92.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук по специальности 05 27 02 в Рязанской государственной радиотехнической академии по адресу: 391000, г. Рязань, ГСП, ул.Гагарина, 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной радиотехнической академии.

Автореферат разослан счнТя'Ърз 1997 г

Ученый секретарь диссертационного совета >

Д 063.92.02, д-р техн. наук, профессор В К Федяев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется необходимостью дальнейшего улучшения потребительских качеств телевизионных приемников и, прежде всего, повышения плоскостности экрана и безопасности бытовых телевизоров, уменьшения массогабаритных показателей, перехода от аналогового к цифровому телевидению, особенно с учетом развития телевидения высокой четкости (ТВВЧ) повышенного качества.

Целью работы являются исследование и проектирование полноцветных газоразрядных индикаторных панелей (ГИП) переменного тока для настенных плоских широкоформатных телевизионных приемников с диагональю до 1 метра.

Научная новизна работы заключается в следующем

1) Впервые реализована многоэлектродная конструкция ячейки цветной планарной ГИП переменного тока с реверсивным поверхностным разрядом между электродами индикации для уменьшения рабочих напряжений, повышения яркости и световой эффективности.

2) Впервые проведены расчеты и экспериментально подтверждены значения яркости цветных ГИП переменного тока при различных размерах конструктивных элементов ячейки. Для ячейки с тремя электродами индикации разработана методика инженерного расчета яркости.

3) Впервые реализованы условия для обеспечения реверсивного перемещения поверхностного разряда для ГИП с двумя и более разрядными промежутками, заключающиеся в фазировке последовательностей импульсов поддержки таким образом, что только для одного электрода индикации полярность настенного заряда противоположна полярности настенных зарядов на других электродах индикации.

4) Установлено, что яркость и световая эффективность цветной планарной ГИП переменного тока возрастают с увеличением расстоя-

ний между электродами индикации, давления газовой смеси и содержания в ней ксенона

5) Определен оптимальный состав газового наполнения цветной ГИП переменного тока - Не + Ые + (2-5)%Хе при давлении 300400 мм рт. ст., обеспечивающий значения яркости 300-350 кд/мг и световой эффективности порядка 0,7 лм/Вт.

6) Впервые экспериментально установлены оптимальные геометрические размеры конструктивных элементов ГИП переменного тока с реверсивным поверхностным разрядом, обеспечивающие минимальный уровень рабочих напряжений и максимальную яркость при шаге пикселов от 0,84 до 1,05 мм.

Таким образом, решена важная проблема в области конструирования полноцветных телевизионных ГИП переменного тока: созданы оптимальная конструкция ячейки ГИП с несколькими разрядными промежутками. работающими в реверсивном режиме, и способ управления такой ГИП; предложены оптимальный состав газового наполнения и геометрические размеры конструктивных элементов ГИП, обеспечивающие необходимый комплекс технических характеристик индикаторов для перспективных телевизионных приемников.

Практическая ценность выполненной работы

1 Разработаны методы конструирования полноцветных крупноформатных телевизионных ГИП переменного тока с диагональю до 1 метра, позволяющие создать параметрический ряд панелей с различными диагоналями, информационной емкостью . и разрешающей способностью для многочисленных областей применения и, прежде всего, для бытового телевидения повышенного качества, персональных компьютеров (в том числе, для сетей Интернет), рабочих станций, автоматизированных систем управления и проектирования и т.д.

2. Впервые разработан и практически реализован принципиально новый метод управления полноцветной ГИП переменного тока с реверсивным поверхностным разрядом.

3. Сформулированы технические требования к комплекту технологического оборудования для изготовления цветных ГИП переменного тока с диагональю до 1 метра, по которым проведены разработка и изготовление такого оборудования.

4. Разработана базовая толстопленочная технология формирования всех основных конструктивных элементов ГИП с диагональю до 1 метра, позволяющая уменьшить трудоемкость и стоимость панели по сравнению с комбинированной технологией толстых и тонких пленок.

5. Созданы действующие образцы полноцветных видеомодулей на ГИП информационной емкостью 853 на 480 пикселов с диагональю 1 метр, на которых получено телевизионное изображение.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Введение в конструкцию ячейки индикации планарной ГИП переменного тока двух и более разрядных промежутков позволяет создать условия для реализации реверсивного поверхностного разряда, обеспечивающего повышение яркости и световой эффективности ГИП.

2. Для обеспечения реверсивного перемещения поверхностного разряда в оптимальном диапазоне управления ГИП с двумя и более разрядными промежутками в ячейке индикации фазы подачи импульсов поддержки устанавливают таким образом, что только для одного из электродов индикации полярность настенного заряда противоположна полярности настенных зарядов на других электродах индикации.

3. В оптимизированной конструкции полноцветной ГИП переменного тока значения яркости и световой эффективности в смеси Не^е-Хе почти в два раза выше, чем в смеси Не-Хе при содержании Хе до 5 %.

Реализация научно-технических результатов

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в трех опытно-конструкторских работах, проводимых НИИ газоразрядных приборов "Плазма" по темам "Пионер", "Пионер-3" и "Полет" по разработке двух типов цветных ГИП переменного тока с информационной емкостью 768 х 576 пикселов (шаг - 0,84 мм, диагональ - 84 см) и 853x480 пикселов (шаг 1,05 мм, диагональ -102 см) для систем телевизионного вещания PAL/SECAM и NTSC (Wide-TV) соответственно, а также разработке полноцветного телевизионного видеомодуля на ГИП 768 х 576.

Полученные результаты подтверждены соответствующим актом о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на следующих конференциях и симпозиумах:

1. VIII Всероссийская конференция по физике газового разряда, Рязань, 1996.

2. The Third International Display Workshops IDW '96. November 1996, Kobe, Japan

Публикации Основной материал диссертации опубликован в 2-х статьях, 2-х научно-технических отчетах, 2-х патентах на изобретения, 2-х тезисах докладов.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения Диссертация изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 56 наименований и приложение на одной странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность поставленных в работе

задач, сформулированы цель и задачи работы, приведены основные

результаты выполненных исследований, их научная новизна, практическая ценность работы, сформулированы научные положения.

В первой главе приведены результаты анализа современного уровня конструкторских разработок ГИП переменного тока, принципа действия и электрических характеристик, особенностей различных конструктивных вариантов цветных ГИП переменного тока. Из проведенного аналитического обзора следует, что:

1) среди различных конструктивных вариантов наибольшее распространение получили ГИП с "открытыми" ячейками благодаря технологичности, высокой разрешающей способности и относительно низким рабочим напряжениям;

2) базовым вариантом для создания цветных ГИП переменного тока является одноподложечная конструкция с поверхностным разрядом (планарная конструкция);

3) известные конструкция и технология изготовления цветных ГИП переменного тока не позволяют обеспечить выполнение перспективных требований к качеству цветных телевизоров ввиду недостаточной световой эффективности, а также дороговизны технологии,

4) разработанная японскими инженерами конструкция ГИП и способ ее управления запатентованы во многих странах, что ограничивает проникновение на мировой рынок других фирм, также занимающихся разработкой цветных ГИП переменного тока

Сформулированы задачи диссертационной работы и требования к конструктивным, электрическим и светотехническим параметрам полноцветных телевизионных ГИП с диагональю до 40".

Во второй главе приведены результаты анализа базовой конструкции цветной ГИП переменного тока с диагональю 21" фирмы Fujitsu Ltd. (Япония). Рассмотрены особенности технологии изготовления указанной ГИП-21 и установлено, что основными процессами являются напыление тонких пленок с последующей фотолитографией для изготовления электродов. Подобная технология не отвечает требованиям серийного производства ввиду низкой производительности и дороговизны тонкопленочной технологии. Недостатком такой ГИП также является недостаточная световая эффективность из-за наличия широких электродов индикации, что ведет к росту тока и потребляемой мощности

Проведен анализ различных конструктивных вариантов ячеек индикации цветных ГИП переменного тока для обеспечения макси-

мальной яркости и световой эффективности. Определена оптимальная конструкция элементарной ячейки индикации с двумя разрядными промежутками и тремя непрозрачными электродами, приведенная на рис.1 и обеспечивающая существенное повышение свето-

©

п п гт

© © п п п

I

I

итгтлго

±

© ®

•Рис. 1

1 - общие электроды индикации, 2 - адресный электрод индикации, 3 - диэлектрические барьеры, 4 - люминофор, 5 - электрод управления

Н - шаг пиксела, И - межэлектродное расстояние, И - расстояние между индикаторными элементами, а - ширина электродов индикации, с - ширина барьеров, с1 - шаг элементов индикации ( = 1/3 шага пиксела)

вой эффективности ГИП и технико-экономических показателей производства за счет использования предложенного нового принципа управления панелью в реверсивном режиме, а также высокопроизводительной технологии трафаретной печати для изготовления основных конструктивных элементов.

На рис. 2 приведены конструкция ГИП и блок- схема ее управления с использованием нового метода управления. Предложенные конструкция ГИП и способ ее управления конкурентоспособны, обладают новизной и защищены патентами Российской Федерации.

В третьей главе приведены разработанная методика инженерного расчета яркости ГИП, а также результаты исследований новой конструкции цветной ГИП переменного тока с реверсивным поверхност-

ным разрядом при различных составах и давления[ наполняющей газовой смеси и геометрических размерах конструктивных элементов.

Для ГИП с конструкцией элементарной ячейки, представленной на рис. 1, формула инженерного расчета яркости имеет вид:

И2-а-(с!-с)

I. = р-

с!Н-(211 + а)

Рис. 2

1- элементарная' ячейка, 2 - электрод управления, 3, 4, 5 - электроды индикации, 6 - нижняя стеклянная пластина, 7 - диэлектрическое покрытие, 8 - верхняя стеклянная пластина, 9 - барьеры, 10- фотолюминофор, 11- источник импульсов адресации по координате X, 12 - источник импульсов поддержки, общей записи и адресации по координате У

где ^ - экспериментально определенный эмпирический коэффициент пропорциональности.

Экспериментально определены зависимости электрических параметров от давления наполняющего газа для некоторых смесей инертных газов с добавкой Хе, а также от расстояния между электродами индикации; яркости свечения и световой эффективности от давления наполняющей смеси (см. рис. 3), процентного содержания Хе и расстояния между электродами индикации.

Установлено, что в смеси Не-Ые-Хе (кривая 2 на рис. 3) при оптимальном содержании Хе, равном около 5 %, при примерно одинаковых уровнях рабочих напряжений значения яркости и световой эффективности более чем в 2 раза превышает получаемые для смеси Не+1%Хе (кривая 1)

По результатам исследований установлено, что оптимальными с точки зрения приемлемых электрических параметров, яркости и световой эффективности являются смеси Ne-He-Xe и Ne-Xe с содержанием Хе около 5 % при давлении 300 -400 мм рт.ст; при увеличении шага пикселов с 0,84 до 1,05 мм и межцентрового расстояния между смежными электродами индикации в каждом элементе от 0,28 до 0,35 мм имеет место рост яркости и светоотдачи на 50-70 %. при этом значения статических электрических параметров возрастают примерно на 10-15%.

В четвертой главе описана разработанная базовая технология изготовления панели с диагональю 1 метр, приведена ее технологическая схема, параметры основных процессов и используемые материалы. Установлено, что разработанная технология принципиально может быть использована для массового производства газоразрядных панелей с диагональю выше одного метра.

Для обеспечения разработки технологических процессов сформулированы требования к комплекту крупногабаритного прецизионного технологического оборудования, по которым проведены его проектирование и изготовление.

В основу технологии изготовления полноцветной ГИП переменного тока положена трафаретная печать всех конструктивных элементов панели (электроды индикации и управления, диэлектрические покрытия электродов, многослойные барьеры, люминофорные покрытия трех основных цветов, шов герметика, контактные площадки) соответствующими пастами из порошков различных функциональных мате-

о

0

Давление, мм рт.ст.

Рис.3

риалов (золото, серебрю, легкоплавкие и тугоплавкие стекла, люминофоры) с добавками органических растворителей Установлены оптимальные составы паст для трафаретной печати и режимы их высокотемпературных обработок на конвейерной печи непрерывного действия после формирования конструктивных элементов.

Впервые для формирования тонкопленочного защитного покрытия окиси магния предложен новый способ магнетронного распыления металла в окислительной среде (смесь кислорода с аргоном). Экспериментально установлены оптимальные параметры технологического процесса для обеспечения стехиометрического состава пленки толщиной 120-150 нм с равномерностью не хуже 10%.

Определены характеристики изготовленных по описанной технологии образцов цветных газоразрядных индикаторных панелей с диагональю 1 метр, подтверждающие правильность выбранных конструктивно - технологических решений при проектировании ГИП.

В пятой главе описаны теоретические и практические результаты диссертационной работы, заключающиеся в выработке основных рекомендаций по проектированию полноцветных телевизионных крупноформатных ГИП, базовой технологии их изготовления, использующиеся НИИ газоразрядных приборов "Плазма" (Россия) при разработке ГИП с диагоналями 84 и 100 см и видеомодуля на ГИП с диагональю 84 см, и компанией ORION Electric Co., Ltd. (Республика Корея) и подготовке их массового производства.

Приведены результаты разработки телевизионного видеомодуля, созданного с использованием нового метода управления ГИП с реверсивным поверхностным разрядом в ячейке индикации с несколькими разрядными промежутками и опробования полноцветной ГИП переменного тока информационной емкостью 853 х 480 пикселов с диагональю 1 метр в его составе. , -

Рассмотрены перспективы развития полноцветных ГИП и бытовых телевизионных приемников на их основе.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1) В результате проведенных анализа современного уровня конструкторских разработок плоских экранов для бытового телевидения и теоретических исследований для разработки полноцветной телевизионной ГИП переменного тока выбрана новая конструкция ячейки с двумя разрядными промежутками и тремя непрозрачными электродами индикации, отличающаяся следующими преимуществами:

- предложенная конструкция потенциально обеспечивает выполнение требуемого комплекса потребительских характеристик к ТВ-приемникам по яркости и световой эффективности;

- конструкция ячейки и ГИП переменного тока на ее основе конкурентоспособны и обладают новизной, что подтверждено получением соответствующего патента Российской Федерации;

- ГИП переменного тока с использованием новой конструкции технологична в изготовлении блаюдаря использованию высокопроизводительной технологии трафаретной печати при формировании всех конструктивных элементов, что позволяет снизить ее стоимость.

2) Для выбранной конструкции ячейки предложен новый способ управления в реверсивном режиме, позволяющем повысить световую эффективность ГИП за счет увеличения площади излучения и уменьшения потребляемой мощности. Способ управления защищен патентом Российской Федерации

3) Предложены методика и формула инженерного расчета яркости новой многоэлектродной конструкции цветной ГИП переменного тока.

4). В результате проведенных исследований электрических и светотехнических характеристик ГИП в зависимости от состава и давления газового наполнения, а также геометрических размеров конструктивных элементов установлено, что.

- значения статических электрических параметров для тройной смеси Не-Ые-Хе и двойной смеси Ые-Хе при содержании Хе около 5 % близки друг к другу;

- яркость свечения линейно возрастает с увеличением давления наполняющего газа и в большей степени по сравнению с напряжением прекращения разряда , таким образом световая эффективность излучения также линейно возрастает с ростом давления .

- с увеличением содержания Хе в составе газовой смеси яркость свечения и световая эффективность заметно возрастают;

- в смеси He-Ne-Xe при оптимальном содержании Хе около 5 % при примерно одинаковых уровнях рабочих напряжений со смесью Не+1%Хе значение яркости более чем в 2 раза превышает получаемое для смеси Не-Хе;

- при увеличении шага пикселов с 0,84 до 1,05 мм и межцентрового расстояния меяеду смежными электродами индикации в каждом элементе от 0,28 до 0,35 мм имеет место рост яркости и светоотдачи на 50-70 %, при этом значения статических электрических параметров возрастают примерно на 10-15 %.

5) Для изготовления предложенной новой конструкции многоэлектродной полноцветной ГИП переменного тока с диагональю 1 метр разработан комплект крупногабаритного технологического оборудования, применительно к которому разработана базовая толстопленочная технология изготовления панели.

Для каждого из технологических процессов экспериментально подобраны необходимые материалы и параметры соответствующих режимов формирования конструктивных элементов ГИП, позволившие изготовить действующие образцы телевизионных панелей с необходимым комплексом потребительских характеристик.

6) На базе новых конструкции ГИП и способа ее управления в реверсивном режиме изготовлены действующие образцы телевизионных видеомодулей с использованием нового принципа управления с реверсивным поверхностным разрядом. На этих видеомодулях получено полноцветное телевизионное изображение от видеомагнитофона и видеокамеры.

Основной материал диссертации отражен в следующих публикациях.

1. Исследование газоразрядных индикаторных панелей для телевидения высокой четкости: Научно-технический отчет фирмы ORION Electric Со., Ltd.. Корея, 1994. 80 с.

2. Андреев А.С., Ли Ч.В., Покрывайло А.Б., Евдокимов В.П., Шере-тов Э.П. и др. Исследование характеристик плазменных матричных индикаторов тлеющего разряда. Тезисы докладов VIII Всероссийской конференции по физике газового разряда. Рязань, 1996. Часть 1. С. 117-118.

3. Гутман В.М., Евдокимов В.П., Ли Ч.В., Покрывайло А.Б. и др. Газоразрядная индикаторная панель переменного тока с реверсивным поверхностным разрядом. Заявка на патент РФ № 95119742/07(034659), приоритет от 22.11.95 г., решение о выдаче патента на изобретение от 21.03.96 г.

4. Park J.H., Kwon Н.С., Kim М.С., Lee C.W., Pokryvaito A.B.. A Four - Electrode AC PDP with High Luminance. The Third International Display Workshop, IDW'96. PP.283-286. November 1996, Japan.

5. Гутман B.M., Евдокимов В.П., Ли Ч.В., Покрывайло А.Б., Син Д.К. и др. Способ управления газоразрядной индикаторной панелью с поверхностным разрядом. Заявка на патент РФ № 96117332/09(023564), приоритет от 26.08.96 г., решение о выдаче патента на изобретение от 30.01.97 г.

6. Ли Ч.В.. Исследования и разработка газоразрядного дисплея на постоянном токе с размером по диагонали 20" //Научное приборостроение: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1995. С.84-89.

7. Создание базовой конструкции и технологии изготовления газоразрядной индикаторной панели переменного тока с диагональю до 1 м: Научно-технический отчет НПК "ОРИОН-ПЛАЗМА", 1996. 105 с.