PDP技术现状及未来发展趋势

四川世纪双虹显示器件有限公司北京研发中心 李海燕

一、PDP行业现状及发展趋势

在2011年PDP TV出货实绩方面，松下达到570万台而居首位，三星达到520万台，LG电子达到430万台。松下同比下滑20%，三星同比增长4%，与松下的差距缩小。在PDP TV市场，中国品牌长虹同比增长158%，达到150万台。国内PDP市场销量逐年上涨，主要原因有：①国内经济状况总体保持稳定，在物价水平CPI不断高启的同时，电子消费品依然在降价，所以市场对这一类消费的需求是不断增强的；②人口基数大，市场规模庞大，人口流动性不断增加，对CRT彩电的更换、第二台彩电的消费需求不会减弱；③商业竞争对商用显示的需求增加，未来甚至可能会超过民用总量。因此，国内销售量将持续稳定，保持在250万台以上的规模（见图1）。

根据2011年5月27日北京中标院能效修订启动会议讨论结果，中国平板电视能耗标准将进行修订，PDP一级能效指数将从1.2提高至1.8（见表1），能耗标准已经广泛应用于各种领域，彩电产品标准是其中最为严格的标准之一，是决定产品是否被批准上市，是否能获得政策支助的重要评价指标。

二、PDP技术发展现状

与LCD相比，PDP在行业投资成本、画质、3D效果上具有明显优势，但与LCD相比也具有功耗较高的缺点，为此，PDP技术的主要发展方向为在保持画质优先的基础上降低功耗，2011年各大公司都在该方面进行了大量的研究，并取得了突破性的进展，其中主要包括掺Ca氧化镁薄膜技术、3D显示亮度提高技术、超高清显示技术以及为了提高画质而开发的新型滤光膜技术和超黑显示技术，这些技术的开发及运用，使得PDP画质优势更加明显，同时提高了PDP的发光光效，降低了PDP的功耗。

1.新型的掺Ca氧化镁技术

目前新型的掺Ca氧化镁技术（以下简称CMO薄膜技术）——即用掺Ca的氧化镁薄膜替代原有的纯氧化镁薄膜，已经成功批量生产42英寸和50英寸HD（1024mm×768mm）产品，产品已经在美国和南美市场上销售。该技术使得PDP光效大大提高，降低了功耗，具体运用的是8%的掺Ca氧化镁技术，经过量产验证显示8%CMO发光效率和放电电压达到最佳值，发光效率提高23%，电压下降11V。量产产品经过寿命测试，9000h加速测试后，放电电压没有明显上升，如图2所示。

2. PDP3D显示亮度提高技术

3D电视需求的提高推动了平板显示行业的发展，特别是在大尺寸方面的发展，对于3D电视而言，PDP3D电视占据了42英寸3D电视50%以上的市场份额，为此，PDP在3D方向技术的研发就显得尤为重要。由于3D显示需要响应时间更快的荧光粉，而要满足更快的响应时间，将会降低荧光粉的亮度，从而降低发光光效，为了保证不降低光效，技术开发的方向主要集中在新型单元结构设计、新型电极材料、新型前后板介质材料以及高反射窄障壁材料方面，其中单元结构采用RGB不同的单元尺寸，具体结果如图3所示。另外，上述技术再配合CMO薄膜技术，使得3D PDP电视的亮度提高了1.5倍。

3.新型滤光膜技术

采用新型滤光膜可以更有效地阻挡外界光线，减少屏内像素发光的吸收，提高屏清晰度。由于使用新的滤光膜加上屏发光效率的提高，使得在亮的区域对比度提高了1倍（见图4）。

4. 超黑显示技术

通过开发新型复位波形技术，使得在PDP非发光单元的预放电更小，从而使得背景光进一步下降（见图5），黑场更黑, 黑色层次感更强（见图6）。

5. 超快速聚焦子场驱动技术

超快速聚焦子场驱动技术可以针对人眼感兴趣的运动图像进行子场级的发光强度优化（见图7），通过缩短每个维持放电时间，可以集中维持发光在几个特定的子场。

6.新型低灰阶驱动技术

通过开发新型驱动波形，使得在电影模式下，暗场的层次提高了4倍，总的灰阶达到24576个层次（见图8）。暗场状态下的效果如图9所示。

三、PDP技术发展趋势

PDP未来技术发展趋势主要包括：超高光效的技术开发、柔性超薄PDP显示技术开发、掺Ca氧化镁薄膜技术及提高工作气体中的Xe含量甚至使用纯Xe气体技术、磁性薄膜技术等。

1. 超高光效技术

PDP依靠惰性气体放电产生真空紫外线（VUV）激发荧光粉发光显示图像，气体放电产生VUV的效率只有10%，严重制约了PDP效率的提升。因此，如何提高真空紫外光的利用率成为了PDP未来技术发展的重要课题。主要的技术方向一方面集中在研究开发高效、稳定，并能在气体中发射电子的电子源，激发Ne，Xe等惰性气体，使VUV的效率提高到30%以上，从而使PDP的发光效率得到革命性的提高，预计可以使PDP光效由目前的2lm/W提高到5lm/W以上，从而延续和扩展PDP的产业周期。另一方面在于研究如何在现有的基础上，提高紫外光的利用率，即开发能反射紫外光的材料（紫外光的波长集中在142nm和173nm波段），并制备在PDP的单元结构中，将原来被前基板吸收的紫外光反射到荧光粉上，激发荧光粉发光，从而提高紫外光的使用效率。

具体的技术方向包括以下三个方面：一是基于多孔多晶硅电子源发射材料的开发及应用研究，二是基于碳纳米管或者氧化锌等材料的开发及应用研究，三是紫外反光材料的开发及在PDP上的应用研究。其中前两个技术方向的大致原理相同，但在材料开发方向上有所不同。

1）基于多孔多晶硅电子源发射材料的开发及应用研究

基于目前PDP的器件结构和制作工艺，研究开发能用于PDP的多孔多晶硅电子源及其制作工艺。当对该电子发射源施加一定的电压时（一般为30V以内），阴极电子注入多孔多晶硅层，被电场加速获得更高能量后从多晶硅的表面氧化层释放出来，具有合适能量的电子可激发气体，可得到较高的紫外线效率。具体的原理及原型器件模型如图10所示。

本技术方向的主要研究内容包括：纳米晶体硅电子源器件结构、材料和制备工艺开发、纳米晶体硅电子源的电子发射特性研究、电子发射的能量分布、控制方法、激发气体的机理研究以及阵列电子源制作及其效率、发光特性研究等内容。

2）基于碳纳米管的电子发射材料的开发及应用研究

通过研究碳纳米管场致发射材料的制备、表面改性、开口处理，开发出适合PDP使用的电子发射材料，并将该材料用于PDP的结构中，通过辅助电子的发射，降低PDP的维持电压，提高PDP的发光效率。在碳纳米管阵列的制备方面拟采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）和微波等离子体化学气相沉积（MWPCVD）来实现高度定向排列的碳纳米管束阵列。为了满足PDP制备工艺的要求，将探索无需光刻的条件下采用喷涂工艺实现碳纳米管阵列密度可控的制备工艺，以适用未来PDP的需求。碳纳米管电子发射材料的制备工艺如图11所示。

本技术方向主要是研究如何提高碳纳米管电子发射能力并用于PDP结构，电子发射材料的发射能力主要由以下因素决定：加在发射体表面的局域电场（βE，β 为场增强因子，E为阴阳极间的宏观电场）和发射体的逸出功F，材料的量子态密度也对场致发射有重要影响。因此，除了改善发射体的几何结构以获得尽可能大的场增强因子外，降低表面逸出功也是改善材料场发射性能的重要方面。碳纳米管的逸出功比较高，在4.5～5.0eV之间，碳纳米管的优良场致发射性能主要来自巨大的高径比及量子效应。如果能降低碳纳米管的逸出功，则其开启电压和阈值电压将大大降低。用于PDP的场致发射阵列要求具有非常低的阈值电压，因此必须通过对碳纳米管表面改性来获得低的逸出功，从而降低碳纳米管的阈值电压。

目前主要通过对碳纳米管进行表面修饰和碳纳米管制备过程中掺杂来降低逸出功。表面改性采用在碳纳米管表面沉积过渡金属Ti、Ba等元素及其氧化物，通过碳纳米管对上述元素及氧化物的相互作用，从而改变其能态结构，降低逸出功。制备过程掺杂采用在制备过程中通入氮气或者液态三聚氰胺、硼烷来实现，使碳纳米管中有小部分碳原子被氮原子或者硼原子取代，从而使碳纳米管的能带结构发生改变，电子态密度也发生改变，从而使逸出功明显降低。

碳纳米管开口的处理对于提高电子发射能力至关重要。生长的碳纳米管端面呈现光滑的半球面结构。半球面上的碳原子之间有强共价键使它们结合在一起。电子运动受到很强烈的共价键约束，电子要逸出碳原子的束缚要克服很大的势垒。对碳纳米管端面采用开口技术后，使原来的共价键受到破坏，碳原子对电子的束缚减弱。另外，开口后的碳纳米管的场增强因子也大大得到提高。理论计算和实践测试证明，开口后的碳纳米管的开启电压大大降低，发射电流密度也大大提高。

可采用PECVD设备，控制好等离子体能量，加入配置好的混合气体，在一定偏压和温度下对生长的碳纳米管进行开口处理。

3）紫外反光材料的开发及在PDP上的应用研究

PDP的发光是先有电子在工作气体中撞击惰性原子，产生真空紫外线，然后再由真空紫外线激发荧光粉发出可见光实现的。在现有的PDP结构中（见图12），电子撞击惰性原子所产生的紫外光只有部分用于激发荧光粉，大部分紫外光被前基板上的结构层所吸收而成为无效功耗。本技术方向拟开发一种紫外反光材料，将原来被前基板所吸收的紫外光反射到荧光粉上，用于提高PDP的光效，预计本技术的完成，可以提高光效30%～40%。

2. 柔性超薄PDP显示技术

1）开发柔性超薄PDP显示技术的意义

通过开发柔性超薄PDP，最终可实现卷对卷的生产工艺，该技术不仅可以大幅度降低生产成本，还可以满足特殊形状显示器的需求，即可根据用户需求的外观形状进行切割。

原有PDP屏的结构是以1.8mm的玻璃基板作为衬底，然后在其上制作各种结构层达到显示的效果，而柔性超薄玻璃基本直接作为前后介质，既省去了原有的1.8mm的玻璃基板，也省掉了制作前、后介质的工艺，其结构如图13所示，此种结构不仅可以大大降低PDP的成本，同时也可以大大减少PDP的厚度。具体节省的成本主要包括以下几个方面：一是可以减少上、下两块玻璃基板（目前玻璃基板占据了屏成本的30%以上）；二是可以省掉前、后介质的制作工艺，首先前后介质的材料成本每张42英寸屏就可以节省11元左右，目前PDP前、后介质烧结的温度都在600℃左右，省掉这两个工艺后，可以大大节能减排（降低的能耗以现有绵阳C1线的工艺折算，年降低能耗约2000万kW·h电）。因此，该技术开发对于降低PDP的成本具有重要意义。另外，本技术可以采用介电常数为5（目前量产线上的前介质介电常数7，后介质介电常数22）的超薄玻璃作为前后介质，这对提高PDP光效也将起到一定效果。

2）柔性超薄PDP技术研究内容

（1）障壁预制体工艺开发。障壁预制体的开发主要包括感光陶瓷障壁预制体、刻蚀陶瓷障壁预制体。

感光陶瓷障壁预制体开发：主要是采用现有感光障壁浆料，再经过相关工艺开发，实现障壁预制体的制作，目前的感光障壁预制体已做出成型的样片，如图14所示，其优点是工艺简单，成本较低，缺点是精度还需进一步优化。

刻蚀陶瓷障壁预制体工艺开发：利用现有刻蚀障壁浆料，经过相关工艺开发，实现障壁预制体的制作，目前的感光障壁预制体也已做成成型样片，如图15所示，其优点是障壁制作精度较高，但缺点是工艺复杂，成本较高。

（2）真空封接工艺开发。开发不带排气管的封接工艺是该技术开发中最重要的部分，这不仅要开发出与超薄玻璃膨胀系数相匹配的封接低玻粉，并且要开发适合的封接框制作工艺，其中封接框制作可采用丝网印刷工艺或者是涂覆工艺，制作精细的封接线条。由于超薄玻璃基板的厚度只有数十微米，且其膨胀系数较低，一般为3×10-6/K，为此，开发适合超薄玻璃基板的低温封接低玻粉成为了本技术发展的重要因素，目前NEG公司已经开发出了适合超薄玻璃基板的低温封接低玻粉，这为本技术的发展提供了支持，目前已经制备出的超薄PDP器件原型如图16所示。

（3）低温烧结银电极开发。如果能实现银电极的低温烧结，就可大幅度降低动能成本，并能改善超薄玻璃的热形变，目前已制作出完好的460℃烧结的银电极，如图17所示。

（4）PET-ITO工艺开发。在PET膜上制作完成ITO电极，可实现较好的柔性，并能省去超薄PDP的电极保护膜材料，可降低材料成本。

3. 掺Ca氧化镁薄膜技术及高Xe工作气体技术

在PDP中使用高Xe工作气体能有效地提高PDP屏的发光效率。但是Xe离子诱导MgO表面二次电子发射系数几乎为0，因此在高Xe工作气体下，MgO-PDP的放电电压很高。而在CMO材料中， CaO的掺入使得原有MgO的价带能级上限提高，禁带宽度变窄，因此大大提高了Xe离子诱导的二次电子发射系数，具体原理如图18所示。CMO使得在PDP中应用高Xe成为可能，不仅提高了PDP屏的发光效率，而且降低了工作电压。

随着PDP发光效率的提高，放电功耗进一步降低，无效功耗占PDP整机功耗的比例大大增加。如图19所示，降低屏电容和减少低APL值屏亮度可以有效地降低IEC功耗，发光效率提升对功耗下降不存在线性关系，若不降低无效功耗和恒定功耗，只提高发光效率是无法大幅度降低整机功耗。

而PDP的无效功耗与屏电容、维持电压以及能量恢复系数成正比，为此要想降低无效功耗，可以通过优化放电单元结构，降低屏电容来实现。通过降低电容，降低单元放电强度，可以减少充放电过程中的损耗，从而达到降低无效功耗的目的，另外，采用CMO技术可以有效地控制维持放电的电压，达到降低无效功耗的目的。

氙气的含量增加可以提高发光效率，一般而言，PDP工作气在常规气压下（360Torr，1Torr≈133Pa），氙气的含量需要提升到20%～30%，PDP工作气体在低气压下（130Torr），氙气含量要提升到80%～100%。提高氙气的含量虽然可以提高光效，然而增加氙气的含量将会使前板和后板之间的放电电压上升，另外，复位波形相关的电压也将会增加，必须通过单元结构改进和驱动方式的优化来弥补超高Xe或全Xe带来的复位电压上升的困难点。

掺Ca氧化镁薄膜及高Xe技术开发的方向主要集中于Ca含量、Xe含量对于PDP光效影响的研究，目前8%的Ca含量已经量产，但提高光效的幅度有限，开发12%、15%Ca含量的薄膜成为了下一步的发展方向，同时，Xe含量也在逐步提高，包括20%、30%甚至纯Xe工作气体等。

4. 磁性薄膜材料开发

在PDP单元中一般采用惰性气体，如Ne、Xe等混合气体进行部分电离放电（低温等离子体）。在气体电离后，一般会产生如下几种粒子：正负离子、电子、基态原子（分子）、激发态原子（分子）、光子。而这些粒子的相互作用和各自的运动，构成了PDP发光的核心。在对惰性气体的讨论中，气体都是以原子性质存在的，在外加电场的作用下，带电离子（即正离子、负离子和电子）将会受电场力的影响而运动。其中电子由于质量低，因此运动速度快，在运动中可以激发基态的气体原子。当气体原子受到带电粒子或亚稳态原子碰撞而激发时，会进入激发态，从激发态向低能级跃迁时则会发出光子。气体放电的伏安特性曲线如图22所示。气体在D到G的三个区域是可以正常放电的。在放电时带电粒子会增多，从而导致激发态原子增加，使得荧光物质发光，PDP单元工作。其中电离过程由三部分构成：电子受电场加速与气体原子碰撞、正离子受电场加速与气体原子碰撞、正离子打在介质表面时产生二次电子。

在放电过程中，电子和气体原子之间的碰撞概率与电子在气体原子中的平均自由程有关，考虑到电子在磁场中偏转的特性，在PDP单元中合适地引入磁场可以让电子路径增长，增加电子与气体原子撞击的概率，从而增加在一次放电过程中产生光子的效率，以达到更高的发光效率。