大型可撓曲式等離子顯示技術(shù)

　　前言

　　等離子顯示器(PDP)屬于主動(dòng)發(fā)光顯示器，能夠提供逼真(reality)的影像畫(huà)質(zhì)，目前普遍應(yīng)用在薄型大畫(huà)面家用電視領(lǐng)域。近幾年隨著家用等離子電視的普及化，等離子電視已經(jīng)成為超大型高畫(huà)質(zhì)顯示器的代名詞。

　　目前開(kāi)發(fā)等離子顯示器的重點(diǎn)，在于如何提升實(shí)體等高大畫(huà)面的顯示影像技術(shù)。若需顯示實(shí)體等高的影像，畫(huà)面大小必需超過(guò)2m以上，相當(dāng)于液晶電視對(duì)角尺寸為150～200英寸左右。此外實(shí)體等高影像透過(guò)曲面顯示，可包覆整體影像視野，這時(shí)直視超大型畫(huà)面、無(wú)接縫、高輝度、高分辨率的曲面顯示器便成為相當(dāng)關(guān)鍵的接口選擇。

　　不過(guò)當(dāng)?shù)入x子顯示器大畫(huà)面尺寸超過(guò)100英寸時(shí)，面板廠商投資大型化玻璃基板生產(chǎn)制作設(shè)備的成本壓力也跟著提高。因此革新大尺寸等離子顯示器的高效能發(fā)光原理，突破等離子管陣列(PTA)元器件結(jié)構(gòu)與制程技術(shù)的瓶頸，開(kāi)發(fā)出曲面顯示的超大型薄型等離子管顯示器(PTA-DP)，就顯得相當(dāng)重要。

　　等離子管的工作原理與特性

　　PTA顯示器基本架構(gòu)

　　圖1是等離子管陣列(PTA)顯示器的基本結(jié)構(gòu)，由圖可知，PTA是在直徑1mm真空玻璃管內(nèi)，依序制作放電保護(hù)膜、熒光體、放電氣體，以形成與等離子顯示器完全相同的發(fā)光結(jié)構(gòu)。

圖1  PTA的基本結(jié)構(gòu)

　　上述真空玻璃管稱(chēng)為等離子管(Plasma Tube)，等離子管依照R、G、B復(fù)數(shù)排列，正面與底部分別粘貼設(shè)有電極的透明外部電極基板，形成等離子管顯示器(PTA-DP)。由圖2的等離子管斷面圖可知，包覆玻璃管壁形成的放電空間，利用顯示電極與地址電極施加電界，形成與AC型等離子顯示器的3電極放電結(jié)構(gòu)完成相同的電極構(gòu)造。

圖2 PTA的結(jié)構(gòu)特征

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　　PTA-DP顯示器架構(gòu)

　　R、G、B三色等離子管復(fù)數(shù)排列構(gòu)成的等離子管陣列顯示器(PTA-DP)，除了使用傳統(tǒng)等離子顯示器的灰階驅(qū)動(dòng)技術(shù)，亦即ADS(Address Display-period Separation)子域(sub-field)技術(shù)之外，同時(shí)還直接沿用等離子顯示器的驅(qū)動(dòng)電路基本結(jié)構(gòu)與電極驅(qū)動(dòng)IC等關(guān)鍵性周邊組件。

　　直徑1mm的真空玻璃管，以R、G、B一組為單位構(gòu)成間距3mm的像素，接著在水平方向并排設(shè)置1000~2000個(gè)像素(總長(zhǎng)度大約是3～6公尺)，就能夠獲得相當(dāng)于對(duì)角尺寸150~250英寸超大型畫(huà)面。

　　圖2是有關(guān)PTA-DP的布局特征說(shuō)明。廠商在生產(chǎn)制作傳統(tǒng)等離子顯示器過(guò)程中，必需具備處理大畫(huà)面尺寸玻璃基板的能力，相較之下等離子管是以細(xì)長(zhǎng)玻璃管單位為基礎(chǔ)，只需小型制作設(shè)備即可，且制作玻璃管無(wú)須嚴(yán)苛的無(wú)塵室清潔度，理論上畫(huà)面尺寸隨著等離子管排列的數(shù)量可無(wú)限擴(kuò)充增加，形成高撓曲度曲面顯示器，因此在技術(shù)上相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力。

　　以往進(jìn)行多重顯示(multi-display)時(shí)，受到像素排列等限制，經(jīng)常造成密封單元(seal unit)的障礙。相較之下，采用單一密封方式的等離子管顯示器，幾乎沒(méi)有任何接縫，能夠輕易獲得所謂的無(wú)接痕(seamless)超大型畫(huà)面。

　　將等離子管當(dāng)作發(fā)光組件排列的手段，與傳統(tǒng)發(fā)光二極管(LED)非常類(lèi)似，不過(guò)HDTV等級(jí)的分辨率，如果使用LED陣列構(gòu)成顯示器時(shí)，使用的發(fā)光組件數(shù)量往往超過(guò)100~200萬(wàn)個(gè)，而且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的規(guī)模會(huì)變得極端復(fù)雜且昂貴，而PTA顯示器卻只需要1~2萬(wàn)根等離子管，便能獲得相同影像的分辨率。

　　PTA顯示器的特性

　　圖3是傳統(tǒng)等離子顯示器(PDP)與等離子管陣列顯示器(PTA-DP)的結(jié)構(gòu)比較示意圖。如上所述，等離子顯示器與等離子管陣列(PTA)顯示器，兩者都是采用3電極面放電型結(jié)構(gòu)，PTA制程上可以個(gè)別制作管內(nèi)構(gòu)造與電極基板，彼此之間在制程上不會(huì)相互牽制，因此易于加工與制作。

圖3  傳統(tǒng)等離子顯示器與PTA的結(jié)構(gòu)比較示意圖

　　PTA和PTA-DP的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　PTA的表面顯示電極必需在水平方向橫跨數(shù)米提供放電電流，此時(shí)要能有非常低的阻抗，不過(guò)電極厚度本身有很大的調(diào)整自由度，所以可以作低阻抗的電極設(shè)計(jì)。

　　此外等離子管陣列顯示器(PTA-DP)已經(jīng)將等離子顯示器的誘電體層與柵格制程整合于玻璃管的制作過(guò)程當(dāng)中，因此PTA可有效簡(jiǎn)化面板的制作過(guò)程。雖然PTA-DP的發(fā)光功能單元與供電與控制的電極彼此獨(dú)立分離，不過(guò)卻擁有等離子顯示器的主動(dòng)發(fā)光、大視角、高輝度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，亦能開(kāi)創(chuàng)超大畫(huà)面非常有利的優(yōu)勢(shì)架構(gòu)。

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　　PTA-DP設(shè)計(jì)最佳化

　　PDP的放電盒空間越大，發(fā)光效率越高，由于PTA-DP的像素間距是等離子顯示器的3倍，因此PTA-DP必需配合超大型畫(huà)面需求進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì)。有鑒于此，研究人員可調(diào)查PTA-DP的放電間距，亦即顯示電極的間隔與氣體壓力對(duì)放電開(kāi)始電壓的影響，再根據(jù)調(diào)查結(jié)果作最佳化設(shè)計(jì)。

　　提高發(fā)光效率

　　由于等離子管的誘電體層，亦即玻璃管的內(nèi)壁厚度比等離子顯示器厚，因此研究人員依照電極的施加電壓，最后決定將放電間距設(shè)定成400mm 。此外，為防止放電電壓上升，研究人員可刻意使氣體壓力低于傳統(tǒng)等離子顯示器，將等離子管氣體壓力設(shè)定成466hPa。

　　當(dāng)初業(yè)界研究理論上認(rèn)為中空?qǐng)A柱狀玻璃等離子管，只要加大放電空間就能提高發(fā)光效率，不過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示等離子管陣列顯示器的發(fā)光效率只有2lm/W ，因此目前的研究仔細(xì)觀察等離子管內(nèi)的放電現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)的放電無(wú)法擴(kuò)散至直徑只有 1mm圓柱狀玻璃管內(nèi)壁，放電不但遠(yuǎn)離熒光體，而且橫向放電擴(kuò)散明顯不足。因此研究人員將中空?qǐng)A柱狀玻璃管，改成斷面寬度1mm 正方的柱狀中空玻璃管，如圖4所示。

圖4  改善高發(fā)光效率的結(jié)構(gòu)示意圖

　　把圓柱狀中空玻璃管改成正方形柱狀中空玻璃管，可大幅擴(kuò)張電極與玻璃管內(nèi)部的接觸面積，玻璃管長(zhǎng)軸方向的放電也因此變大。因此研究人員可維持橫向的放電擴(kuò)張，再由強(qiáng)化玻璃管徑的設(shè)計(jì)功能，使放電能更貼近熒光體層，以此提高放電所產(chǎn)生之紫外線入射至熒光體的光量。

　　革新技術(shù)成果

　　圖5是PTA-DP的發(fā)光效率改善結(jié)果示意圖，如圖所示，通過(guò)強(qiáng)化等離子管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)功能，PTA-DP的發(fā)光效率可提高一倍，達(dá)到4lm/W 。倘若使用目前等離子顯示器技術(shù)檢討內(nèi)容其中的高Xe分率放電氣體與新型熒光體，PTA-DP的發(fā)光效率甚至超過(guò)5lm/W 。

圖5  改善PTA顯示器發(fā)光效率的結(jié)果示意圖

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　　PTA曲面顯示技術(shù)的特性

　　若要讓屏幕可彎曲且能維持高畫(huà)質(zhì)顯示效果，技術(shù)上必須掌握下列要點(diǎn)：

　　*應(yīng)用柔軟的膜片基板;

　　*光控制媒體必須非常柔軟，并且能自由移動(dòng);

　　*單純的彎曲不會(huì)影響電極的矩陣。

　　結(jié)合PDP與PTA

　　研究人員對(duì)等離子顯示器(PDP)基本結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)等離子顯示器某些特性能符合上述要件，例如PDP本身同樣具備記憶特性，同樣采用單純的矩陣方式控制像素，而且擁有一定程度的可撓曲特性。

　　換句話說(shuō)，沿用PDP工作原理，同時(shí)還采用可以實(shí)現(xiàn)超大畫(huà)面全新結(jié)構(gòu)的PTA-DP技術(shù)，本身便具備發(fā)展成曲面顯示器的潛力。以等離子管(PTA)作曲面顯示時(shí)，即便電極基板受到彎曲。也必須維持穩(wěn)定的動(dòng)作特性，因此研究人員便可利用樹(shù)脂膜片，開(kāi)發(fā)可撓曲的電極基板。

　　圖6是可撓曲等離子管陣發(fā)性顯示器(PTA-DP)的斷面結(jié)構(gòu)，如圖所示，它是利用粘著劑，將可撓曲電極基板粘貼在等離子管上下方，為防止等離子管與樹(shù)脂膜片出現(xiàn)間隙，研究人員還開(kāi)發(fā)PTA專(zhuān)用的固定技術(shù)，以及對(duì)放電電壓沒(méi)有影響的PTA-DP專(zhuān)用粘著劑。

圖6 可撓曲PTA斷面結(jié)構(gòu)

　　可撓曲PTA-DP技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　圖7a是上述可撓曲PTA-DP的外形結(jié)構(gòu)、與驅(qū)動(dòng)電壓特性，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，128根直徑1mm的等離子管陣列，彎曲畫(huà)面同樣擁有非常穩(wěn)定的發(fā)光效能。

　　另外圖7b坐標(biāo)左側(cè)的靜止驅(qū)動(dòng)電壓特性，是各個(gè)單一等離子管的實(shí)測(cè)值，圖7b坐標(biāo)右側(cè)則是128根等離子管陣列曲面顯示影像時(shí)的實(shí)測(cè)值。如圖所示，即使是曲面顯示影像，放電開(kāi)始電壓(Vf1 )與放電維持電壓(Vsmn)，兩者的驅(qū)動(dòng)界限始終維持一定幅度，兩者的特性分布差距Vfn 與Vsm1 幾乎沒(méi)有任何改變。

圖7 PTA的結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電壓特性

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　　未來(lái)直視型超大畫(huà)面PTA-DP一旦開(kāi)始 進(jìn)入市場(chǎng)普及化階段，可望發(fā)揮其發(fā)光架構(gòu)的革命性效能，開(kāi)創(chuàng)全新的應(yīng)用系統(tǒng)與服務(wù)廣度。如圖8所示，超大畫(huà)面能夠涵蓋觀賞視野，曲面顯示能應(yīng)用在各類(lèi)空間環(huán)境中的超大橫向?qū)捯曇帮@示，配合PTA-DP特有的輕巧、低消費(fèi)電力、低發(fā)熱等技術(shù)效能，鋪設(shè)于天花板、地板，以及各種復(fù)雜曲面的墻壁空間，開(kāi)創(chuàng)全新的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖8  PTA-DP無(wú)限寬廣的應(yīng)用環(huán)境

　　具體應(yīng)用范例如圖10所示，發(fā)揮PTA-DP輕巧與可撓曲的特性，設(shè)置在地下道的彎曲壁面時(shí)，便可以成為動(dòng)態(tài)展示窗的廣告應(yīng)用系統(tǒng)。除此之外，廠商可發(fā)揮PTA-DP另一項(xiàng)可移動(dòng)型超大畫(huà)面的特性，設(shè)置在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)與各種公眾場(chǎng)所，讓一般大眾可借此獲得實(shí)時(shí)與震撼性的倡導(dǎo)效果。此外PTA-DP的低消費(fèi)電力與高畫(huà)質(zhì)特性，可作為整合各類(lèi)生活信息與影像的顯示平臺(tái)，應(yīng)用在一般家用電視等領(lǐng)域。

圖9  PTA的應(yīng)用范例

　　結(jié)語(yǔ)

　　以上簡(jiǎn)單介紹PTA-DP的基本技術(shù)與今后展望方向。傳統(tǒng)等離子顯示器(PDP)在面對(duì)下一世代薄形、輕巧、可撓曲、超大畫(huà)面顯示等應(yīng)用需求，以及降低設(shè)置、操作、應(yīng)用、維修等成本要求時(shí)，面臨現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法突破滿足上述目標(biāo)的現(xiàn)實(shí)。

　　利用等離子顯示器技術(shù)，開(kāi)發(fā)對(duì)角線尺寸高達(dá)100~300英寸，可作撓曲顯示的直視型PTA-DP超大畫(huà)面，便可開(kāi)拓超大畫(huà)面顯示器全新的應(yīng)用商機(jī)，未來(lái)PTA-DP技術(shù)與產(chǎn)品進(jìn)入商業(yè)化量產(chǎn)階段之后，可望廣泛應(yīng)用于一般家用電視與各類(lèi)公共領(lǐng)域當(dāng)中。(本文選自臺(tái)灣《零組件》2007年9月刊)