View
215
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Plasmadisplays Plasmadisplays --Bildschirmtechnologie der ZukunftBildschirmtechnologie der Zukunft
Thomas JüstelPhilips Forschungslaboratorium Aachen
thomas.juestel@philips.com
Tage der Physik
Marburg, 29. Januar 2001
InhaltInhalt
• Aufbau von Plasmadisplays
• Lichterzeugung in Plasmadisplays
• Leuchtstoffe für Plasmadisplays
• Status und Perspektiven
Plasmadisplays (Plasmadisplays (PDPsPDPs))
Eigenschaften
Planar
Groß 32 - 60 Zoll
Dünn < 100 mm
Leicht 20 - 30 kg
Unbeeinflusst von Magnetfeldern
Emissive Emissive BildschirmtechnologienBildschirmtechnologien
Technologie CRT PDP
Anregungsquelle Elektronenstrahl Gasentladung
Anregungsenergie 20 - 30 keV 5 - 10 eV
Leuchtstoffe Sulfide Oxide
Blickwinkel > 160° > 160°
Schematischer Aufbau eines Schematischer Aufbau eines PDPsPDPs
Buselektroden (ITO)Frontglasplatte
DielektrikumMgO Schutzschicht
R G B
Rückseitige Glasplatte (PD200)
Adresselektroden (Ag)
RGB LeuchtstoffeDielektrikum
Gasfüllung ~ 500 Torr Ne mit 3 - 5 % Xe
Prinzip der LichterzeugungPrinzip der Lichterzeugung
Sichtbares LichtSichtbaresLicht
PlasmaUV UV
Rückseitige Glasplatte
FrontglasplatteLeuchtstoff
UV Licht
Plasma
~ 200 µm
ηSchirm = ηPlasma. ηUV
. ηLeuchtstoff. ηAuskopplung
Effizienz der LichterzeugungEffizienz der Lichterzeugung
PDP Zelle Xe2* - Lampe Hg - Lampe
6 % 70 % 75 %ηPlasma
40 % 90 % 98 %ηUV
20 % 25 % 44 %ηLeuchtstoff
50 % 90 % 98 %ηAuskopplung
0.25 % 14 % 30 %ηSchirm
Effizienz 0.8 lm W-1 40 lm W-1 90 lm W-1
Lichterzeugung im Lichterzeugung im PlasmaPlasma
400 500 600 700 8000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Em
issi
onsi
nten
sitä
t [a.
u.]
Wellenlänge [nm]
Ne + e- → Ne* + e-
Ne* → Ne + hν(74 nm + vis)
Ne* + Ar → Ne + Ar+ + e-
(Penning Ionisation)
- monochrome PDPs- Neon-Entladungslampen
Gasmischungen Ne/Ar oder Ne/Xe: Reduktion der Zündspannung durch Penning-Effekt
LichterzeugungLichterzeugung inin XeXe//Ne EntladungenNe EntladungenXe + e-→ Xe(3P1) + e-
→ Xe(3P2) + e-
→ Xe**
Xe** → Xe(3P1) + hν(828 nm)→ Xe(3P2) + hν(823 nm)
Xe(3P1) → Xe + hν(147 nm)
Xe(3P1) + Xe + M → Xe2* + MXe2* → 2 Xe + hν(150 nm oder 172 nm)
Internuclear Distanc2 3 4 5 6 7
Ene
rgy
ResonanceLine1st2nd
Continuum
1u
3P1 + 1S0
3P2 + 1S0
BA
1S0 + 1S0 X
3Σu+
1Σu+
1Σg+
Wav
elen
gth
/ nm
147
172
Resonance Line
Low Pressure
High Pressure
2nd Continuum
1st Continuum
Einfluss des Einfluss des XeXe--PartialdrucksPartialdrucks
0,001
0,010
0,100
1,000
0 50 100 150 200Xenon Partialdruck / mbar
Rel
ativ
er S
trahl
ungs
ante
il
150 nm
147 nm
172 nm
140 150 160 170 180 1900,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
10% Xe
20% Xe
1% Xe
Emis
sion
sint
ensi
tät [
a.u.
]
Wellenlänge [nm]
50 % Xe2* and 50 % Xe*Emission bei 25 mbar Xe Partialdruck ⇒ Xe-Anteil ~ 4 %
Einfluss desEinfluss des XeXe--PartialdrucksPartialdrucks660 mbar, 500 V, 50 kHz
0
1000
2000
3000
4000
0 5 10 15 20Xe-content (%)
Lum
inan
ce (c
d/m2 )
0
1
2
3
4
5
6
Effi
cacy
(lm
/W)
0
100
200
300
400
500
600
0 5 10 15 20Xe-content (%)
Sus
tain
volta
ge (V
)
Vsm
Vf
Mit dem Xe-Druck steigt die Effizienz und die Zündspannung
Lichterzeugung Lichterzeugung inin XeXe//Ne EntladungenNe Entladungen100 % Ne Ne/Xe 100 % Xe
Niedrige Zündspannung ~ 300 V
Sichtbare Emission 580 - 720 nm(Monochrom rot)
UV Emission 74 nm
Hohe Zündspannung~ 2 kV
Keine sichtbare Emission(Farbe wird durch den Leuchtstoff definiert)
UV Emission147, 150, 172 nm
PlasmazündungPlasmazündung --Einfluß der OberflächenEinfluß der Oberflächen
Ionen induzierte Emission von Sekundärelektronen:
γi = Anzahl emititierter ElektronenAnzahl Ionen auf die Oberfläche
PlasmaMgOFrontglas
2
2
)1/1ln(ln
+⋅⋅
⋅⋅=
i
fdpC
dpDV
γ
Aufgaben der MgOAufgaben der MgO--SchutzschichtSchutzschicht
0 10 20 30
100
150
200
250
300
350
400
450
Glas, γ i = 0.06MgO, γ i = 0.5
Ne
Zünd
span
nung
(V)
p x d (Torr cm)10 100
10-2
10-1
100
Ne
MgO; γi = 0.5Glas; γi = 0.06
Effe
ctiv
es g
amm
a
E / p (V Torr-1 cm-1)
MgO-Schutzschicht:• Schutz gegen Sputtering• Reduktion der Zündspannung
Leuchtstoffe Leuchtstoffe in in emissivenemissiven DisplaysDisplays
1 µm
UV oder Elektronen sichtbares Licht
Absorption A = (1-Reflexion R)Quantenausbeute QE = N(hνem)/N(hνabs)Lichtausbeute LO = QE*(1-R)
Anregung von LeuchtstoffenFluoreszenzlampen
activator excitation sensitiser excitationCBCB
nr
A*A*
A
VBS
S*A**
ηTransfer
AVB
Anregung von LeuchtstoffenPlasmadisplays
QEext = ηr/(ηr + ηnr) = QEA* ηTransfer* ηout.
CB
A
A*
VBA+
Eg
Defect.e-
ηTransfer
Aufbau eines Fluoreszenzspektrometers
AnalogerDetektor
Photonen-zähler PMT(Peltier gekühlt)programmierbare
Ablenkspiegel
Probenkammer
(evakuierte)Fokussiereinheit
VIS - Emissions-monochromator
(V)UV - Anregungsmonochromator
D2 - Lampe
AnforderungenAnforderungen an an DisplayleuchtstoffeDisplayleuchtstoffe
Hohe Lichtausbeute Anregungsspektrum, MorphologieGeeigneter Farbpunkt EmissionsspektrumKein Nachleuchten AbklingverhaltenHohe Lebensdauer Thermische und Photostabilität
200 300 400 500 600 7000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
EmissionAnregungNe/Xe
Lich
taus
beut
e
Wellenlänge [nm]0 10 20 30 40
1E-3
0,01
0,1
1
(Y,Gd)BO3:Eu Zn2SiO4:Mn
Inte
nsitä
t
Millisekunden nach der Anregung
LeuchtstoffeLeuchtstoffe in CRTs in CRTs und PDPsund PDPs
Lichtausbeute:LO = QE* (1-R)Energieausbeute:ε = LO *N(hνem)/N(hνabs)
~ 20 %
400 450 500 550 600 650 700 7500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Rel
ativ
e In
tens
ität
(Y,Gd)BO3:EuZn2SiO4:Mn
BaM
gAl10 O
17 :Eu
Wellenlänge [nm]
Energieausbeute:ε = (1-rb)*εt* hνem /βEg
~ 15 - 20 %
PDP Leuchtstoffe (Oxide)CRT Leuchtstoffe (Sulfide)
400 450 500 550 600 650 700 7500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Rel
ativ
e In
tens
ität
Wellenlänge [nm]
Y2O2S:EuZnS:Cu,Al,AuZnS:Ag
Farbraum von Farbraum von CRTs CRTs und PDPsund PDPs
400 500 600 700 8000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 x=0.338, y=0.619
Inte
nsitä
t
Wellenlänge [nm]
Gasfüllung: 96.5 % Ne, 3.5 %Rote Neonlinien reduzieren FarbreinheitReduktion der Neonlinien durch Erhöhung des Xe-Partialdrucks
Farbpunktstabilität von PDPsFarbpunktstabilität von PDPs
0 500 1000 1500 20000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
YGB ZSM BAM
Inte
nsitä
t
Betriebsdauer [h]
Durch die stärkere Degradation von BaMgAl10O17:Euverschiebt sich der Weisspunkt von PDPs zu gelb
Europium Europium LeuchtstoffeLeuchtstoffeEu2+ LeuchtstoffeÜbergang: 4f65d1 → 4f7 (Bande)Lage hängt vom Kristallfeld ab
Eu3+ LeuchtstoffeÜbergang: 5D0 → 7FJ (Linien)Inversionssymmetrie (S6, D3d)Magnetischer Dipolübergang 5D0 - 7F1
(Y,Gd)BO3:EuKeine InversionssymmetrieElectrischer Dipolübergang 5D0 -7F2,4
Y2O3:Eu, Y(V,P)O4:EuEu3+
4f6Eu2+
4f7
7F654
2 310
8S7/2
4f 65d
4f 72p-1
5D3
5D25D15D0
0.0
5.0x103
1.0x104
1.5x104
2.0x104
2.5x104
3.0x104
3.5x104
4.0x104W
ave
num
ber [
cm-1]
Spektrum von Spektrum von EuEu3+3+ LeuchtstoffenLeuchtstoffen
600 650 700 750
5D0 - 7F3
5D0 - 7F4
5D0 - 7F2
5D0 - 7F1
(Y,Gd)BO3:Eu
Y2O3:Eu
YVO4:Eu
Y2O2S:Eu
Inte
nsitä
t
Wellenlänge [nm]
Leuchtstoff Farbpunkt x, y
(Y,Gd)BO3:Eu 0.640 0.360
Y2O3:Eu 0.641 0.344
YVO4:Eu 0.645 0.343
Y2O2S:Eu 0.650 0.342
Farbsättigung: Y2O2S:Eu > YVO4:Eu > Y2O3:Eu > (Y,Gd)BO3:Eu
Effizienz vonEffizienz von EuEu3+3+ LeuchtstoffenLeuchtstoffen
150 200 250 300
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
(Y,Gd)BO3:Eu
YVO4:Eu
Y2O3:Eu
Y2O2S:EuLich
taus
beut
e
Wellenlänge [nm]
Leuchtstoff Abs. Lichtausbeute147 nm 172 nm
(Y,Gd)BO3:Eu 0.78 0.75
Y2O3:Eu 0.60 0.69
YVO4:Eu 0.41 0.50
Y2O2S:Eu 0.26 0.32
Effizienz: (Y,Gd)BO3:Eu > Y2O3:Eu > YVO4:Eu > Y2O2S:Eu
Stabilität von Stabilität von BaMgAlBaMgAl1010OO1717:Eu:Eu2+2+
Thermische Degradation: Sauerstoffinduzierte Oxidation von Eu2+
(PDP-Herstellung) Bildung von Nebenphasen an der Oberfläche
Photodegradation: Photooxidation von Eu2+
(PDP-Betrieb) Bildung von Eu3+ und Farbzentren
150 200 250 300 3500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
2h 400°C2h 500°C2h 600°C2h 700°C2h 800°C
2h 250°CFabrikfrisch
Lich
taus
beut
e LO
= Q
E*(
1-R
)
Wellenlänge [nm]150 200 250 300 350
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Nach 0 h PDP Betrieb
Leuchtstoffpulver
Nach 10000 h Betrieb
Lich
taus
beut
e LO
= Q
E*(
1-R
)
Wellenlänge [nm]
Spektren vonSpektren von BaMgAlBaMgAl1010OO1717:Eu:Eu2+2+
150 200 250 3000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Quantenausbeute QE
Lichtausbeute LO = QE(1-R)
Reflexion R
Wellenlänge [nm]400 450 500 550
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
E
mis
sion
sint
ensi
tät
Anregung bei 172 nm
Anregung bei 254 nm
Anregung bei 147 nm
Wellenlänge [nm]
Hohe VUV-Absorption und Quantenausbeute nahe 100 %
HWB der Emissionsbande steigt mit der Anregungsenergie
Eindringtiefe Eindringtiefe vonvon VUV VUV StrahlungStrahlungUV entspricht 15 kV~ 1.5 µm
< 0.1 µm VUV entspricht 2 kV
Kleines Anregungsvolumen⇒ PDP Leuchtstoffe sind hochbelastet:• Sättigung • Starke Alterung• Oberflächenschicht der Partikel muss
phasenrein und hochkristallin sein
BaMgAlBaMgAl1010OO1717:Eu:Eu2+2+ EmissionsspektrumEmissionsspektrum-- KathodenstrahlanregungKathodenstrahlanregung
2 kV Anregung (Oberfläche) 10 kV Anregung (Bulk)
Oberfläche enthält Nebenphasen
400 500 6000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Ba0.75Al11O17.25:Eu2+
Wellenlänge [nm] 400 500 6000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Ba0.75Al11O17.25:Eu2+
Wellenlänge [nm]
BaMgAlBaMgAl1010OO1717:Eu:Eu2+2+ Emissionsspektrum Emissionsspektrum -- PhotoanregungPhotoanregung
147 nm Anregung 254 nm Anregung
400 500 6000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Ba0.75Al11O17.25:Eu2+
Wellenlänge [nm]400 500 600
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Ba0.75Al11O17.25:Eu2+
Wellenlänge [nm]
BaMgAlBaMgAl1010OO1717:Eu:Eu2+2+ --StabilitätsverbesserungStabilitätsverbesserung
150 200 250 300 3500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
BAM unbeschichtet, 2h 500°C, Luft
unbeschichtet
Lich
taus
beut
e LO
= Q
E*(
1-R
)
Wellenlänge [nm]150 200 250 300 350
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Lich
taus
beut
e LO
= Q
E*(
1-R
) BAM beschichtet
BAM beschichtet, 2h 500°C, Luft
Wellenlänge [nm]
Teilchenbechichtung wirkt als Barrierea) für Sauerstoff Keine thermische Degradationb) für 74 nm (147 nm) Strahlung veringerte Photodegradation
Maßnahmen zur Verbesserung von Maßnahmen zur Verbesserung von Effizienz Effizienz und und Bildqualität vonBildqualität von PDPsPDPs
• Gasentladung– Höherer Xe-Partialdruck (höhere Spannung)– Optimierte Oberflächen (Materialien mit hohem γ)
• Zellgeometrie und Optik– Verbesserte Ausnutzung erzeugter VUV Photonen– Lichtauskopplung zur Frontplatte (Reflektorschichten)– Farbfilter (Kontrast)
• Leuchtstoffe– Blauer Leuchtstoff mit erhöhter Stabilität– Roter Leuchtstoff mit verbessertem Farbpunkt
EntwicklungEntwicklung von PDPsvon PDPs
Brightness
500
75
Luminous efficiency
0.15
1.4
Bri
ghtn
ess (
cd/m
2)
Lum
inou
s eff
icie
ncy
(lm/W
)
Improvements in luminous efficiency and brightnessThe next goal is 2 - 3 lm/W
Year 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Erste PDPs: Mitte der 70er Jahre, monochrom rot
Vergleich heutiger PDPs mit Vergleich heutiger PDPs mit CRTsCRTsPDP - TV CRT -TV
Bildschirmdiagonale 80 cm - 150 cm max. 90 cm(32" - 60") (max. 36")
Luminanz 60 - 100 Cd/m2 100 - 130 Cd/m2
(1 % weißer Bildschirm)500 Cd/m2 500 Cd/m2Peak-Luminanz
(weißer Bildschirm)Effizienz 1 - 1.5 lm/W 2 - 3 lm/WLeistungsaufnahme imtypischen TV Betrieb
250 - 400 W 200 - 300 W
Lebensdauer > 30000 h > 30000 h≈ 80 kg (36")≥ 60 cm (36")
Gewicht 20 - 30 kgDicke < 10 cm
Produkte auf dem MarktProdukte auf dem MarktHersteller Produkte
32" (81cm), 16:9, 852 * 1024, 650 Cd/m2
37" (95cm),16:9, 1024 * 1024, 650 Cd/m2
37" (95cm), 4:3, 1024 * 768, 300 Cd/m2
42" (107cm),16:9, 1024 * 1024, 400 Cd/m2
42" (107cm), 16:9, 852 * 480, 350 Cd/m2
40" (102cm), 4:3, 640 * 480, 400 Cd/m2
50" (127cm), 16:9, 1280 * 1024, 350 Cd/m2
42" (107cm), 16:9, 852 * 480, 550 Cd/m2
37" (95cm), 16:9, 852 * 480, 470 Cd/m2
33" (83cm), 4:3, 640 * 480, 350 Cd/m2
42" (107cm), 16:9, 852 * 480, 570 Cd/m2
50" (127cm), 16:9, 1365 * 768, 250 Cd/m2
40" (102cm), 4:3, 640 * 480, 350 Cd/m2
50" (127cm, 16:9, 1360 * 768, 280 Cd/m2
FHP,Fujitsu-Hitachi-SonyJoint Venture
Pioneer
Matsushita (Panasonic)
NEC
LG
Cd/m242" (107cm), 16:9, 852 * 480, 350Samsung
Weltmarkt für Weltmarkt für PDPsPDPs
Absatzschätzung in 1000 PDP Modulen
0
1000
2000
3000
4000
2000 2001 2002 2003 2004 2005
Cons.Prof.
Produktion von Kathodenstrahlröhren ~ 250 Millionen in 1998
Recommended