電漿顯示器(PDP)介紹

電漿顯示器(PDP)介紹
一、前言
隨著電腦軟硬體的發(fā)展與網(wǎng)際網(wǎng)路的興起，使得人類的生活型態(tài)產(chǎn)生的重大變革，現(xiàn)代人的日常生活已經(jīng)離不開顯示器，只要透過適當(dāng)?shù)馁Y訊接收器(顯示器)與傳播通路(無(wú)線傳輸與網(wǎng)際網(wǎng)路)，人們的觸角即可無(wú)遠(yuǎn)弗至。本文將為您介紹顯示器之一的電漿顯示器（PDP）的相關(guān)技術(shù)。

二、PDP的原理與制程介紹
(1) 發(fā)光原理
PDP的發(fā)光原理與日光燈的發(fā)光原理相同，都是在真空玻璃中注入惰性氣體或水銀氣體，再利用加電壓方式，使氣體產(chǎn)生電漿效應(yīng)而放出紫外線(UV光)，藉此紫外線照射到涂布在玻璃管壁表面上之螢光粉時(shí)，螢光粉就會(huì)被激發(fā)出可見光，而可見光的顏色則由螢光粉的種類所決定。
PDP顯示器可想像成有數(shù)十萬(wàn)個(gè)以上被縮小化的螢光燈聚集在一起放電，每一個(gè)放電空間稱為一個(gè)cell，在這些放電空間中所封入的氣體為氖(Ne)與氙(Xe)或氦(He)與氙(Xe)等種類的惰性混合氣體。這些氣體經(jīng)高電壓控制會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象(電漿)，此放電現(xiàn)象所釋放出來的紫外線波長(zhǎng)是以147奈米(nm)為主。在放電cell內(nèi)側(cè)所涂布的螢光體經(jīng)147nm波長(zhǎng)之紫外線激發(fā)則會(huì)發(fā)出的可見光。若是彩色PDP則螢光粉的種類須包括可發(fā)出紅(R)、藍(lán)(B)、綠(G)三原色光的三種不同螢光粉，而非單一種發(fā)白色光的螢光粉。由這三種螢光粉配置成直線狀或馬賽克狀，當(dāng)加電壓於放電cell就引起放電，這時(shí)所產(chǎn)生之紫外線照射到cell內(nèi)側(cè)的螢光體即可發(fā)出紅(R)、藍(lán)(B)、綠(G)三原光的可見光。再配合驅(qū)動(dòng)電路之設(shè)計(jì)與影像訊號(hào)處理則可將三種原色的光混合產(chǎn)生各式各樣的顏色以形成彩色的畫面。

(2) PDP基本結(jié)構(gòu)
早期PDP商品的發(fā)展可簡(jiǎn)單的依照限制電流的方式或是其放電時(shí)所施加之電壓型式可分為兩種分為DC型PDP 與AC型PDP。DC型PDP是以直流(DC)電壓?jiǎn)?dòng)放電并且以電阻限制其放電電流的大小，因此在結(jié)構(gòu)中不可有介電體(電容)層的存在，因而導(dǎo)致無(wú)法累積壁電荷於介電層上，使得其需要較高的啟動(dòng)放電電壓。為了要降低啟動(dòng)電壓，因而設(shè)計(jì)有輔助陽(yáng)極與輔助放電通道以協(xié)助啟動(dòng)放電；又為了容易限制放電電流以增加PDP之壽命，因而設(shè)計(jì)有電阻層。因此DC型PDP的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，另一方面DC型PDP結(jié)構(gòu)中的放電電極與螢光體是直接裸露在放電室(cell)中，因此容易在氣體放電時(shí)受到電漿中之離子撞極導(dǎo)致?lián)p害及劣化，因而使PDP壽命降低。除此之外，其電阻層的設(shè)計(jì)在實(shí)際的制程上要使面板中所有cell內(nèi)的阻值達(dá)到一致是有所困難的，而當(dāng)電阻阻值差異過大時(shí)則會(huì)造成每個(gè)cell的啟動(dòng)電壓不一致。如此則很難設(shè)計(jì)電路并且無(wú)法有效的控制產(chǎn)品的品質(zhì)。反觀AC型PDP在放電電極上有覆蓋透明介電層與耐離子撞擊之保護(hù)層(MgO層)。因此，為了能在介電層表面能引發(fā)放電，所以利用交流(AC)電壓?jiǎn)?dòng)放電，又因其電極上覆蓋有保護(hù)層可耐離子撞擊故其壽命較DC型長(zhǎng)。由於AC型PDP有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，因此目前商品化之PDP產(chǎn)品是以AC型PDP為主流。所以接下來的討論重點(diǎn)也就以AC型PDP為主。

(3) AC-PDP基本制程
商品化的AC型PDP基本結(jié)構(gòu)是由富士通公司在1996年所確立的，其基本制程可簡(jiǎn)單的分為上板制程與下板制程以及封合、組裝制程(圖一)。

3.1 上板制程:
3.1 (a) 透明電極之Pattern制作:
如圖一所示，在上板制程中首先要在玻璃基板上制作透明電極。目前有兩種；ITO或SnO2。ITO或SnO2在性質(zhì)上有所差異(表一)，ITO在耐熱性與抗蝕性較差且成本較高，但透光率與導(dǎo)電性較佳。一般整面透明電極的制作是由玻璃廠商代工，若是ITO導(dǎo)電膜所采用的制程是以薄膜制程的物理濺鍍法(sputtering)為主，然後以濕式蝕刻方式將ITO蝕刻成所需之透明電極圖案(pattern)( 圖二a)。而SnO2透明電極則因?yàn)槭且訡VD制程為主，其Pattern是以半導(dǎo)體lift-off的制程制作(圖二b)，需由面板廠商自行制造，這對(duì)面板廠商而言是多了一項(xiàng)制程反而會(huì)造成困擾。因此大多PDP面板制造商以購(gòu)買ITO玻璃基板，再蝕刻ITO pattern為主。

3.1 (b) bus電極制作:
由於PDP面板在放電產(chǎn)生電漿時(shí)會(huì)有大量的熱產(chǎn)生，造成透明電極的阻值變高，因而會(huì)影響氣體放電的電壓值。為了保持穩(wěn)定的氣體放電電壓，特別在透明電極層上制作金屬bus電極以增加導(dǎo)電度。此金屬bus電極可視為輔助電極。在材料結(jié)構(gòu)上有采用鉻/銅/鉻(Cr/Cu/Cr)的方式或是用銀(Ag)電極。前者是以薄膜制程(濺鍍法或電子束蒸鍍法)在附有透明電極層基板上依次鍍上三層金屬，然後已濕式蝕刻制程依次將金屬蝕刻以完成所需的圖樣(pattern)(圖三)。而後者是以厚膜印刷的方式將銀電極漿料(paste)透過有pattern的網(wǎng)版直接印刷在透明電極之上。除上述之兩種方式以外，還有另外兩種以濕式蝕刻制程為主。如杜邦公司開發(fā)一種稱為Fodel之商品將銀材料制作成帶狀之感光性乾膜(dry film)，并利用壓合機(jī)將乾膜壓合在透明電極上，然後用黃光制程將其蝕刻成所需之pattern；另外一種是將銀電極漿料制作成感光性的漿料，以印刷的方式將此材料整面印刷至附有透明電極的玻璃基板上面，然後在以黃光制程將其蝕刻成所需之pattern。

上述的四種方式都有不同的面板廠商采用。在成本考量上以第一種方式:鍍Cr/Cu/Cr三層金屬膜再蝕刻的制程最高，以直接印刷銀電極漿料最便宜。而在pattern的精密度上考慮則是以蝕刻的方式較印刷的方式為佳。目前此bus電極的制程方式有朝向蝕刻銀的感光性乾膜為主，因?yàn)榇朔ㄋ尚偷膒attern精密度高且已開發(fā)出回收蝕刻後銀廢料。

3.1(c) 黑色對(duì)比層(black strip)的制作 :
早期商品化PDP的影像對(duì)比不好，因此為改善此一性質(zhì)特別在上板的電極旁制作黑色對(duì)比層。此層的制作方式有兩種：一為直接pattern印刷法印刷黑色漿料；另一種為印刷感光性漿料後再蝕刻成所需的pattern。後者的精密度較高。

3.1(d) 透明介電層:
此層主要是以平面印刷之方式，將透明的介電玻璃材料印刷在整面電極與黑色對(duì)比層之上，目前也有廠商積極研究以乾膜方式制作。此層的要求包括其透明度要達(dá)到85%以上、表面平整度要小於2mm、不可有氣泡產(chǎn)生及具有較高的耐電壓性等性質(zhì)。

3.1(e) 保護(hù)層:
此層之主要目的有兩種，一種是要防止電漿中之離子撞擊蝕刻透明介電層與電極，以增加PDP 之壽命；另一種是此材料本身具有較高的二次電子發(fā)射率，可以降低氣體放電時(shí)的啟動(dòng)電壓。此外對(duì)此層材料的要求還有兩項(xiàng)，一為透明度要高；另一種是此材料本身可使PDP面板具有較寬的操作電壓范圍。目前經(jīng)各種實(shí)驗(yàn)研究顯示MgO是最耐離子撞擊之材料之一且具有很高的二次電子發(fā)射效率與透光率(>90%)，因此PDP是以MgO作為保護(hù)層材料，其制程是以薄膜制程中之電子束蒸鍍法為主。目前也有研發(fā)以ion-plating的方式制作具有從優(yōu)取向面的MgO膜。

3.2下板制程:
3.2(a) Data(或稱address)電極:
此層是以銀作為電極材料，一般廠商是以印刷法將銀印刷至玻璃底板上為主。但也有研究開發(fā)感光性的銀電極材料，以黃光蝕刻制程制作Data電極。雖然以黃光蝕刻制程制作Data電極之解析度與良率都很高，但有50%銀材料被浪費(fèi)掉使得成本過高。因此，目前朝向用回收銀來重復(fù)使用以節(jié)省成本的方向研究。此外也有利用無(wú)電解電鍍的方式將電極制作在玻璃基板上，但此法必須注意廢液處理之問題。
3.2(b)白色反射介電層:
此層主要目的是要提高可見光之反射以增加亮度，并且提供平坦度高之平面，以降低制作阻隔壁之困難度。目前的量產(chǎn)方式是以印刷法為主；也有廠商研發(fā)將白色反射介電層制作成乾膜，再利用壓合機(jī)將反射層壓合在基板上。

3.2(c)阻隔壁(rib):
此層主要有兩個(gè)目的，一為當(dāng)作上下玻璃板間的支撐物(spacer) ；另一為防止螢光粉的混色。但隨著使用者對(duì)PDP的亮度與對(duì)比之要求，目前阻隔壁已分為上下兩種顏色，上層為黑色其目的是增加畫面之對(duì)比；而下層為白色其目的是增加畫面之亮度。由於阻隔壁層的高度要達(dá)到120~150mm且各阻隔壁頂端的平整度要相當(dāng)一致，因此是目前最為困難的制程且是各廠商積極想要研發(fā)突破的制程。目前量產(chǎn)的方式以噴砂法為主流，但是其缺點(diǎn)包括 : 容易造成粉塵、材料浪費(fèi)率過高、阻隔壁表面有孔洞、須配合其他方法如印刷法或黃光制程以至於制造成本偏高等問題。因此目前各廠商積極在研發(fā)噴砂後廢料的再生或以印刷法來取代噴砂法以降低制造成本。

3.2 (d)螢光層:
此層是涂布在阻隔壁的兩側(cè)與各阻隔壁之間，且相鄰兩色間不可有混色之現(xiàn)象。此層一般多采用印刷方式將不同色之螢光漿料分別填入各阻隔壁之間，因此需要印刷三次。除了印刷也有研究用感光性螢光漿料或乾膜方式制作螢光層，但最終在成本考量下，仍是以印刷法主要方式。

3.3 排氣、充氣與封合組裝制程
此制程是將已完成之上板與下板依照原先設(shè)計(jì)之對(duì)位記號(hào)貼合在一起并制作真空抽氣管，其所使用的封合材料為低熔點(diǎn)(400~500oC)的玻璃粉(glass frit)并且以點(diǎn)膠涂布機(jī)將此玻璃封合層涂布在玻璃基板的四周。然後經(jīng)燒付將上下板固定在一起并完成抽氣管制程後，接著作加熱真空排氣處理。當(dāng)真空度達(dá)到一定程度時(shí)再通入適量的惰性混合氣體。此混合氣體的成分大多為He+Xe 或Ne+Xe，而混合的比例與封入的量則是各廠之機(jī)密。在封合完成就進(jìn)行老化處理(aging)，其目的是使各個(gè)放電空間之放電發(fā)光的特性穩(wěn)定。完成後即可進(jìn)行電性與光學(xué)特性測(cè)試，然後再經(jīng)過電子構(gòu)裝及測(cè)試即完成電漿顯示器之制程。此制程是目前量產(chǎn)時(shí)的主要瓶頸所在，各設(shè)備與量產(chǎn)廠商都以研發(fā)新設(shè)備或改良此制程為主要目標(biāo)。
表二為PDP面板結(jié)構(gòu)中的材料層與其特性之要求。由於目前PDP的各項(xiàng)制程與材料都還在不斷地研發(fā)與改善，以期望能降低制作成本與良率，因此在此不作各項(xiàng)制程之詳述。

三、未來發(fā)展
任何顯示器商品要能夠?yàn)槭袌?chǎng)所接受，除了要能滿足基本功能需求外，最重要的就是價(jià)格的合理化。盡管目前PDP產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)已為一般大眾所了解且其畫面效果(如色溫、亮度與對(duì)比等)也已接近CRT的品質(zhì)。但就其售價(jià)與品質(zhì)的相對(duì)性來與CRT做比較時(shí)，PDP仍然有許多待改進(jìn)的地方。因此PDP商品在未來的開發(fā)方向應(yīng)朝向兩方面進(jìn)行；(一)低價(jià)格化，(二)性能的提昇。就低價(jià)格化方面可由降低面板成本與降低電路成本達(dá)成，前者包括開發(fā)新材料、新設(shè)備、減少制程次數(shù)、設(shè)備與材料標(biāo)準(zhǔn)化以及提昇量產(chǎn)之良率；後者包括開發(fā)新的低電壓驅(qū)動(dòng)電路與電力回收系統(tǒng)，以及低價(jià)驅(qū)動(dòng)IC。就性能的提昇方面而言可由提高發(fā)光效率與開發(fā)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而達(dá)成。前者包括亮度與對(duì)比之提昇、低消耗功率及低的啟動(dòng)電壓；後者包括提高動(dòng)畫品質(zhì)、多灰階及影像之信賴度等等。
在1998年42寸VGA型的 PDP售價(jià)約為36萬(wàn)臺(tái)幣左右，而到今年不但品質(zhì)已大幅提昇且價(jià)格已降價(jià)至20萬(wàn)臺(tái)幣左右，但是此價(jià)位仍然偏高很難吸引一般家庭使用者購(gòu)買。一般日本生產(chǎn)廠商預(yù)定2003年將PDP售價(jià)降低至1寸為3000臺(tái)幣為目標(biāo)，也就是說42寸VGA型的PDP約13萬(wàn)臺(tái)幣左右，以目前的降價(jià)速度來預(yù)測(cè)，此一價(jià)格目標(biāo)很可能提前達(dá)成。在消費(fèi)市場(chǎng)的評(píng)估調(diào)查下，一般家電業(yè)者普遍認(rèn)為若PDP產(chǎn)品的價(jià)格在10萬(wàn)臺(tái)幣以內(nèi)時(shí)，才能迅速普及至一般家庭。PDP產(chǎn)品普及率的達(dá)成除了PDP產(chǎn)品本身的價(jià)格與品質(zhì)以外，還有很重要的一點(diǎn)就是軟體的配合，即高畫質(zhì)數(shù)位視訊節(jié)目?jī)?nèi)容的多樣化。然而數(shù)位化視訊傳播已是必然的趨勢(shì)，世界各國(guó)都已積極的在規(guī)劃進(jìn)行中，因此相信在不久的將來，一般家庭也能使用PDP產(chǎn)品欣賞高品質(zhì)的數(shù)位化多媒體節(jié)目。