автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование и разработка путей повышения качества газоразрядных индикаторных панелей

Современный этап развития общества характеризуется бурной компьютеризацией жизнедеятельности человекл. Неотъемлемой частью этого процесса является совершенствование средств визуального отображения информации. Непрерывно улучшаются характеристики наиболее распространённого визуадизатора - кинескопа, прочно обосновавшегося практически в каждой семье (телевизор, компьютер). Расширяются возможности и применение жидкокристаллических, полупроводниковых5 электролюминесцентных, вакуумных люминесцентных и других типов индикаторов, преобразующих электрические сигналы в видимое изображение. Увеличивается сбыт плазменных (газоразрядных) индикаторов.

Плазменные индикаторы отличаются рядом значительных преимуществ. В сравнении с кинескопом - это исключение высокого напряжения и вредного излучения, плоскостность. отсутстЕке искажений изображения и малая толщина (настенный телевизор с диагональю 1 метр на основе плазменного индикатора имеет толщину около 10 см), В сравнении с жидкокристаллическими индикаторами - это исключение необходимости подсветки, а с матрицами на основе светодиодов - более низкая стоимость и малое потребление энергии.

Сбыт газоразрядных индикаторных панелей в настоящее время составляет около 5% общего объёма сбыта индикаторов всех типов. Это достаточно много, ко потенциально с учётом указанных достоинств приборов объём их продажи будет, несомненно, возрастать. Рост следует ожидать после решения ряда задач по улучшению основных характеристик приборов - увеличению яркости, светоотдачи и срока службы, а также совершенствованию технологии изготовления панелей.

В цветных индикаторных панелях, использующих ультрафиолетовое илучение разряда для возбуждения люминофора, яркость и светотдача, т.е. отношение воспринимаемого глазом человека светового потока к потребляемой мощности, зависят от эффективности преобразования энергии источника питания в энергию разряда, энергии разряда - в энергию ультрафиолетового излучения, энергии ультрафиолетового излучения - в видимое излучение люминофора. Светоотдача, и яркость зависят также от вида и области разряда, излучение которой применяется - положительного столба или отрицательного тлеющего свечения.

Разработка практических мероприятий по повышению качества, увеличению светоотдачи и яркости плазменных индикаторов невозможна, без всестороннего анализа и исследования процессов возникновения разряда, а также процессов трансформации подводимой электрической энергии в энергию видимого излучения.

Проблема исследования особенностей пвоебразования энергии в ГШ представляет также и большой самостоятельный научный интерес. Поэтому новые сведения о разряде могут быть использоЕ-аны для повышения качества или улучшения отдельных параметров различных приборов с импульсным разрядом

К началу настоящей работы (80-е годы),несмотря на большое число публикаций по проблеме и широкий спектр рассматриваемых вопросов, множество разных вариантов конструкций ГИП, режимов их эксплуатации и форм рабочих импульсов, а также теоретических и практических рассмотрений и выводов, не было сформировано комплексное представление о процессах в плазменных панелях и перспективах развития приборов данного класса. Это привело к не обходимое ти укрупненного комплексного анализа с целью разработки общей интерпретации физических процессов с единых научных представлений. Построение такой концепции на основе теоретических представлений и экспериментальных исследований является актуальным, так как позволяет получить научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых ускоряет решение крупной народно-хозяйственной задачи повышения качества и расширение возможностей средств отображения информации.

Целью диссертационной работы является проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований преобразования энергии в газоразрядных индикаторных панелях, разработка практических путей повышения светоотдачи, яркости и информационной емкости плазменных индикаторных панелей за счет оптимизации форм разряда, конструкции и режимов эксплуатации, применения новых материалов, снижения потребляемой мощности и совершенствования технологии.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач;

- широких экспериментальных и теоретических исследований и анализа влияния разных факторов на характеристики газоразрядных индикаторных панелей различных типов с тлеющим разрядом. Выявления главных факторов, влияющих на качество панелей. Оценки предельных значений параметров индикаторных панелей различных типов,

- комплексного рассмотрения условий эффективного возбуждения в разряде интенсивного ультрафиолетового излучения, наиболее соответствующего характеристикам современных люминофоров по диапазону длин волн и условий повышения эффективности преобразования ультрафиолетевого излучения разряда в видимое излучение люминофора,

- разработки основных методик возбуждения периодического сильноточного короткоимпульсного разряда, потенциально способного обеспечить высокую светоотдачу и яркость плазменных панелей,

- разработки и реализации новой схемотехники., позволяющей осуществить работу и управление газоразряднымми панелями в режиме коротких (менее 500 не) длительностей и больших амплитуд (в 5 - 10 раз превышающих традиционно применяемые) импульсов тока разряда.

- разработки научных основ и принципов конструирования индикаторных панелей с высокой яркостью и светоотдачей.

При решении перечисленных задач использовались следующие методы исследований: математический анализ, методы численного анализа на ЭВМ, натурный эксперимент, газовая масс-спектрометрия, вторично -ионная массспектрометрия, Оже-спектроскопия и другие.

Достоверность научных результатов и обоснованность научных положений подверждаются корректным использованием математического аппарата, большим объемом экспериментальных данных, статистической обработкой результатов измерений, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, использованием в экспериментальных исследованиях современной измерительной аппаратуры и приборов с высоким классом точности измерений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- обоснована и разработана концепция, позволяющая в 3-5 раз повысить светоотдачу и яркость плазменных индикаторных панелей,

- разработана Физико-математическая модель процесса преобразования энергии в ячейке ГШ,

- разработана физико-математическая модель короткоимпульсного сильноточного самоограничивающегоея разряда с длительностью импульса тока и временем выделения энергии в разряде, равными времени прохождения первой лавины электронов,

- разработана математическая модель и создан пакет программ для расчета электрического поля и емкостей системы электродов в ячейке ГШ с диэлектрическими слоями и без них,

- выявлены основные закономерности,определяющие эмиссионную способность в разряде холодных катодов разных типов,

- получены аналитические соотношения, определяющие диапазон длительностей импульсов ультрафиолетового излучения, возбуждающего люминофор, в котором обеспечивается его наибольшая светоотдача,

- определены условия генерации коротких (доли микросекунды) импульсов тока ячейки, обеспечивающие наиболее высокую светоотдачу, или повышенную яркость при достаточном сроке службы,

- получено аналитическое соотношение, позволяющее оптимизировать геометрию "классической" конструкции ячейки плазменной индикаторной панели переменного тока по основным ее размерам и электрофизическим свойствам материалов. Создана программа расчетов.

В ходе решения научной проблемы повышения эффективности процессов преобразования энергии в разряде и люминофоре, были сформулированы и обоснованы следующие научные положения, которые выносятся на защиту,

1, Для увеличения эффективности применяемых в ГИЛ люминофоров с послесвечением необходимо использовать У® с длиной волны, близкой к области Фундаментального поглощения основания ЛФ, увеличивать интенсивность и уменьшать длительность импульсов УФИ, создавая условия для уменьшения температуры ЛФ в момент преобразования энергии и снижения высвечивающего действия возбуждающего излучения,

2, В условиях ячеек ГИП в качестве источника интенсивного УФИ в диапазоне длин волн 165-190 нм с малой длительностью импульсов наиболее целесообразно использовать континуум излучения ксенона, генерируемый в разряде при уменьшении времени введения энергии, увеличении давления, выборе величины приведённого поля, повышении чистоты газа и устранении примесей с меньшим,чем у ксенона, потенциалом ионизации,

3, В плазменных ГИП, работающих в режиме аномального тлеющего разряда, рост яркости с увеличением энерговклада в ячейку ограничивается ростом температуры газа, люминофоре, и величины приведённого поля (отношения Е/'р), что приводит к уменьшению эффективности ЛФ, интенсивности УФИ и времени наработки ГИП, .Совершенствование технологии изготовления, конструкции и наполнения позволяют достичь в таких ГИП светоотдачи в 0,5-0,6 лм/Вт.

4, В конструкции ячеек ГШ с ортогональными проволочными электродами снижение времени энерговклада в разряд до десятков не обеспечивается путём создания благоприятных условий для развития первой сильноточной лавины,

5, В периодическом импульсном разряде в ГИП с межэлектродным расстоянием в доли мм одиночные сильноточные лавины с коэффициентом усиления > 10и генерируются при определённом соотношении парциального давления ксенона в газовой смеси, напряжения на промежутке, эмиссионной активности катода в разряде, длительности и частоты следования импульсов напряжения, величины ограничительного сопротивления внешней цепи,

6. Для промежутков с высокой эмиссионной способностью катода повышение светоотдачи и яркости достигается достигается в режиме квавистабильного тлеющего короткоимпульсного сильноточного разряда, возбуждаемого в конце импульса напряжения.

7, Уменьшение длительности импульсов напряжения до величины, меньшей времени дрейфа ионов ксенона от анода до катода промежутка (около 0,4 мкс) при одинаковом среднем токе, напряжении промежутка и сопротивлении внешней цепи приводит к увеличению в несколько раз яркости и времени наработки по сравнению со стандартным режимом, что позволяет отказаться от использования добавки ртути в наполнении приборов.

Практическая значимость работы заключается в следующем;

- установлены и внедрены в производство наиболее выгодные режимы и методики нанесения, обработки и хранения, обеспечивающие высокие электрофизические характеристики плёнок защитного покрытия из окиси магния,

- разработано, изготовлено и внедрено в производство устройство для контроля коэффициента вторичной ионно - электронной эмиссии защитного покрытия,

- разработана, изготовлена и внедрена в производство установка для контроля локального распределения работы выхода по поверхности электродов ГШ,

- разработан и внедрен в производство способ нанесения пленки на подложки размером ШОХУЗО мм*, основанный на смещении испарителя и нанесении плёнки на вращающуюся подложку,

- разработаны и внедрены в производство режим и устройство для тренировки толстоплёночных катодов сильноточными короткими импульсами,

- исследованы и рекомендованы для использования в производстве составы и режимы обработки толстоплёночных катодов на основе борида никеля и гексаборида лантана,

- исследованы и рекомендованы для использования в производстве пути повышения электропрочности ячеек ГМП, позволяющие снизить влияние распыления электродов и повысить срок службы приборов,

- разработан и использован в производстве материал покрытия электродов ГМП постоянного тока, позволивший снизить в несколько раз время запаздывания разряд.а.

- разработаны основные требования к конструкции высококачественной ГШ постоянного тока с высокой информационной ёмкостью на основе сильноточного короткоимпульсного разряда, позволяющие приступить к её конструкторской проработке и изготовлению,

- разработаны варианты схем управления ГШ с использованием сильноточного короткоимпульсного разряда,

- предложены режимы эксплуатации ГШ постоянного тока с наполнением, содержащим ксенон при парциальном давлении не менее 10 - 16 мм рт ст, позволяющие повысить в 2-3 раза предельно достижимую яркость или светоотдачу и отказаться от применения ртути,

Апробация результатов

Основные результаты диссертационной работы были представлены на 15 научных конференциях и симпозиумах; Всесоюзное совещание-семинар ''Диагностика поверхности ионными пучками", Донецк (1980), Восьмая Всесоюзная научно-техническая конференция по микроэлектронике, Москва (1978), Второй Всесоюзный научно-технический семинар .''Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем51, Москва (1981), Отраслевая научно-техническая конференция "Метод- и оборудование для физико-химических исследований поверхности материалов электронной техники®', Рязань (1983), Всесоюзное научно-техническое совещание "Состояние и перспективы развития гибридной технологии в приборостроении". Ростов (1986), Всесоюзная конференция по электронному приборостроению, Новосибирск (1988), 21й Всесоюзная конференция по эмиссионной электрокике, Ленинград (1990), Научно-техническая конференция "Проблемы и прикладные вопросы физики", Саранск (1993), 3я Международная научно-техническая конфереция "Актуальные проблемы электронного приборостроения "АПЗП-94"", Саратов (1994), 22я конференция по эмиссионной электронике, Москва (1994); 8К конференция по физике газового разряда "ФГР-96", Рязань (1996); Научно-техническая конференция "Проблемы и прикладные вопросы Физики", Саранск (1997); 9я конференция по физике газового разряда "ФГР-98", Рязань (1998); Научно-техническая конференция "Проблемы и прикладные вопросы физики", Саранск (1998); 4я Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения "АПЗП-98"", Новосибирск (1998),

Ввключение

Диссертация направлена на исследование и разработку путей повышения качества газоразрядных индикаторных панелей, являющихся одним из наиболее перспективных средств отбражения информации. Основу работы составляют теоретические и экспериментальные исследования влияния различных факторов на основные этапы преобразования мощности в ГИП: источник питания - газовый разряд; разряд - ультрафиолетовое излучение, УФИ - видимое излучение люминофора. Результаты исследований использованы при разработке конструкций, режимов и схемотехники управления, обеспечивающих существенное (в несколько раз) повышение яркости и светоотдачи ГИП без уменьшения срока службы.

Одно из основных направлений исследований связано с применением сильноточного коротксимпульсного (менее 1 мкс) нестационарного разряда вместо традиционно применяемого длинноимпульоного (десятки-сотни мкс) слабоаномального тлеющего разряда, для серийно выпускаемых отечественных ГИП с ортогональной системой проволочных электродов доказаны существенные преимущества короткоимпульсного разряда, возрастающие при оптимизации газового наполнения и конструкции ячеек.

Развито научное направление - физические, математические и технологические основы конструирования и эксплуатации ГИП, обеспечивающие существенное (в несколько раз) повышение светооотдалк и яркости путем создания условий для эффективной генерации УФИ и преобразования его в видимое излучение люминофора в сильноточном короткоимпуль-сном разряде, Оно включает в себя: определение условий для повышения эффективности преобразования люминофором ультрафиолетового излучения разряда в видимое, создание условий для эффективной генерации в условиях ГИП эксимерного излучения ксенона в ультрафиолетовой области спектра, разработку основных требований к конструкции и технологии изготовления приборов, разработку основных требований и путей реализации устройств управления ГИП с сильноточным короткоимпульсным разрядом.