Plasmadisplays - Bildschirmtechnologie der Zukunft

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1 Plasmadisplays - Bildschirmtechnologie der Zukunft Thomas Jüstel Philips Forschungslaboratorium Aachen thomas.juestel@philips.com Tage der Physik Marburg, 29. Januar 2001

2 Inhalt Aufbau von Plasmadisplays Lichterzeugung in Plasmadisplays Leuchtstoffe für Plasmadisplays Status und Perspektiven

3 Plasmadisplays (PDPs( PDPs) Eigenschaften Planar Groß Zoll Dünn < 100 mm Leicht kg Unbeeinflusst von Magnetfeldern

4 Emissive Bildschirmtechnologien Technologie CRT PDP Anregungsquelle Elektronenstrahl Gasentladung Anregungsenergie kev 5-10 ev Leuchtstoffe Sulfide Oxide Blickwinkel > 160 > 160

5 Schematischer Aufbau eines PDPs Frontglasplatte Buselektroden (ITO) Dielektrikum MgO Schutzschicht R G B RGB Leuchtstoffe Dielektrikum Adresselektroden (Ag) Rückseitige Glasplatte (PD200) Gasfüllung ~ 500 Torr Ne mit 3-5 % Xe

6 Prinzip der Lichterzeugung Sichtbares Licht Frontglasplatte Sichtbares Licht Leuchtstoff Plasma UV UV UV Licht Rückseitige Glasplatte Plasma ~ 200 µm

7 Effizienz der Lichterzeugung η = η. η. η. η Schirm Plasma UV Leuchtstoff Auskopplung PDP Zelle Xe 2 * - Lampe Hg - Lampe η Plasma 6 % 70 % 75 % 40 % 90 % 98 % η UV η Leuchtstoff η Auskopplung η Schirm 20 % 25 % 44 % 50 % 90 % 98 % 0.25 % 14 % 30 % Effizienz 0.8 lm W lm W lm W -1

8 Lichterzeugung im Plasma Ne + e - Ne* + e - 1,0 Ne* Ne + hν(74 nm + vis) Ne* + Ar Ne + Ar + + e - (Penning Ionisation) -monochrome PDPs - Neon-Entladungslampen Emissionsintensität [a.u.] 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Wellenlänge [nm] Gasmischungen Ne/Ar oder Ne/Xe: Reduktion der Zündspannung durch Penning-Effekt

9 Lichterzeugung in Xe/Ne Entladungen Xe + e - Xe( 3 P 1 ) + e - High Pressure Xe** Xe( 3 P 2 ) + e - Xe** Xe( 3 P 1 ) + hν(828 nm) Xe( 3 P 2 ) + hν(823 nm) 147 Wavelength / nm nd Continuum 1 st Continuum Resonance Line Energy 3Σ u + 1Σ u + 1Σ g + 2 nd 1 u 1 st Continuum 3P S 0 3P S 0 B A Resonance Line 1S S 0 X Xe( 3 P 1 ) Xe + hν(147 nm) Low Pressure Internuclear Distanc Xe( 3 P 1 ) + Xe + M Xe 2 * + M Xe 2 * 2Xe+ hν(150 nm oder 172 nm)

10 Einfluss des Xe-Partialdrucks 1,0 1, nm Emissionsintensität [a.u.] 0,8 0,6 0,4 0,2 20% Xe 10% Xe 1% Xe Relativer Strahlungsanteil 0,100 0, nm 150 nm 0, Wellenlänge [nm] 0, Xenon Partialdruck / mbar 50 % Xe 2 * and 50 % Xe*Emission bei 25 mbar Xe Partialdruck Xe-Anteil ~ 4 %

11 Einfluss des Xe-Partialdrucks mbar, 500 V, 50 khz Luminance (cd/m 2 ) Efficacy (lm/w) Sustainvoltage (V) Vsm Vf Xe-content (%) Xe-content (%) Mit dem Xe-Druck steigt die Effizienz und die Zündspannung

12 Lichterzeugung in Xe/Ne Entladungen 100 % Ne Ne/Xe 100 % Xe Niedrige Zündspannung ~ 300 V Sichtbare Emission nm (Monochrom rot) UV Emission 74 nm Hohe Zündspannung ~ 2 kv Keine sichtbare Emission (Farbe wird durch den Leuchtstoff definiert) UV Emission 147, 150, 172 nm

13 Plasmazündung - Einfluß der Oberflächen Ionen induzierte Emission von Sekundärelektronen: Anzahl emititierter Elektronen γ i = Anzahl Ionen auf die Oberfläche Plasma Frontglas MgO V f = ln D 2 p d C p d ln(1/ γ + 1) i 2

14 Aufgaben der MgO-Schutzschicht Ne 10 0 Ne Zündspannung (V) Glas, γ i = 0.06 MgO, γ i = p x d (Torr cm) Effectives gamma MgO; γ i = 0.5 Glas; γ i = E / p (V Torr -1 cm -1 ) MgO-Schutzschicht: Schutz gegen Sputtering Reduktion der Zündspannung

15 Leuchtstoffe in emissiven Displays UV oder Elektronen sichtbares Licht 1 µm Absorption A = (1-Reflexion R) Quantenausbeute QE = N(hν em )/N(hν abs ) Lichtausbeute LO = QE*(1-R)

16 Anregung von Leuchtstoffen activator excitation Fluoreszenzlampen sensitiser excitation CB CB A** A* S* A* η Transfer nr A VB A VB S

17 Anregung von Leuchtstoffen Plasmadisplays CB Defect.e - A* E g η Transfer VB A + A QE ext = η r /(η r + η nr ) = QE A * η Transfer * η out.

18 Aufbau eines Fluoreszenzspektrometers Analoger Detektor Photonenzähler PMT (Peltier gekühlt) programmierbare Ablenkspiegel VIS - Emissionsmonochromator (evakuierte) Fokussiereinheit (V)UV - Anregungs monochromator Probenkammer D 2 -Lampe

19 Anforderungen an Displayleuchtstoffe 1,0 0,8 1 (Y,Gd)BO 3 :Eu Zn 2 SiO 4 :Mn Lichtausbeute 0,6 0,4 0,2 Anregung Emission Ne/Xe 0,0 1E Wellenlänge [nm] Hohe Lichtausbeute Anregungsspektrum, Morphologie Geeigneter Farbpunkt Emissionsspektrum Kein Nachleuchten Abklingverhalten Hohe Lebensdauer Thermische und Photostabilität Intensität 0,1 0,01 Millisekunden nach der Anregung

20 1,0 Leuchtstoffe in CRTs und PDPs CRT Leuchtstoffe (Sulfide) 1,0 PDP Leuchtstoffe (Oxide) 0,8 0,8 Relative Intensität 0,6 0,4 0,2 ZnS:Ag ZnS:Cu,Al,Au Y 2 O 2 S:Eu Relative Intensität 0,6 0,4 0,2 BaMgAl 10 O 17 :Eu Zn 2 SiO 4 :Mn (Y,Gd)BO 3 :Eu 0, Wellenlänge [nm] Energieausbeute: ε = (1-r b )*ε t * hν em /βe g ~ % 0, Wellenlänge [nm] Lichtausbeute: LO = QE* (1-R) Energieausbeute: ε = LO *N(hν em )/N(hν abs ) ~ 20 %

21 Farbraum von CRTs und PDPs 1,0 x=0.338, y= ,8 Intensität 0,6 0,4 0,2 0, Wellenlänge [nm] Gasfüllung: 96.5 % Ne, 3.5 % Rote Neonlinien reduzieren Farbreinheit Reduktion der Neonlinien durch Erhöhung des Xe-Partialdrucks

22 Farbpunktstabilität von PDPs 1,0 0,8 Intensität 0,6 0,4 0,2 0,0 YGB ZSM BAM Betriebsdauer [h] Durch die stärkere Degradation von BaMgAl 10 O 17 :Eu verschiebt sich der Weisspunkt von PDPs zu gelb

23 Wave number [cm -1 ] 4.0x x x x x x x x Europium Leuchtstoffe 4f 7 2p -1 5 D3 5 D2 5 D 1 5 D0 7 F f 6 5d Eu 3+ Eu 2+ 4f 6 4f 7 8 S 7/2 Eu 2+ Leuchtstoffe Übergang: 4f 6 5d 1 4f 7 (Bande) Lage hängt vom Kristallfeld ab Eu 3+ Leuchtstoffe Übergang: 5 D 0 7 F J (Linien) Inversionssymmetrie (S 6, D 3d ) Magnetischer Dipolübergang 5 D 0-7 F 1 (Y,Gd)BO 3 :Eu Keine Inversionssymmetrie Electrischer Dipolübergang 5 D 0-7 F 2,4 Y 2 O 3 :Eu, Y(V,P)O 4 :Eu

24 Spektrum von Eu 3+ Leuchtstoffen 5 D 5 D 5 D 0-7 F 5 3 D F 1 F 2 F 4 Leuchtstoff Farbpunkt x, y (Y,Gd)BO 3 :Eu (Y,Gd)BO 3 :Eu Intensität Y 2 O 3 :Eu YVO 4 :Eu Y 2 O 2 S:Eu Y 2 O 3 :Eu YVO 4 :Eu Wellenlänge [nm] Y 2 O 2 S:Eu Farbsättigung: Y 2 O 2 S:Eu > YVO 4 :Eu > Y 2 O 3 :Eu > (Y,Gd)BO 3 :Eu

25 Lichtausbeute 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Effizienz von Eu 3+ Leuchtstoffen (Y,Gd)BO 3 :Eu Y 2 O 2 S:Eu Y 2 O 3 :Eu YVO 4 :Eu Wellenlänge [nm] Leuchtstoff Abs. Lichtausbeute 147 nm 172 nm (Y,Gd)BO 3 :Eu Y 2 O 3 :Eu YVO 4 :Eu Y 2 O 2 S:Eu Effizienz: (Y,Gd)BO 3 :Eu > Y 2 O 3 :Eu > YVO 4 :Eu > Y 2 O 2 S:Eu

26 Stabilität von BaMgAl O :Eu 2+ Lichtausbeute LO = QE*(1-R) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Fabrikfrisch 2h 250 C 2h 400 C 2h 500 C 2h 600 C 2h 700 C 2h 800 C Lichtausbeute LO = QE*(1-R) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Leuchtstoffpulver Nach 0 h PDP Betrieb Nach h Betrieb 0, Wellenlänge [nm] 0, Wellenlänge [nm] Thermische Degradation: Sauerstoffinduzierte Oxidation von Eu 2+ (PDP-Herstellung) Bildung von Nebenphasen an der Oberfläche Photodegradation: Photooxidation von Eu 2+ (PDP-Betrieb) Bildung von Eu 3+ und Farbzentren

27 Spektren von BaMgAl O :Eu 2+ 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Reflexion R Quantenausbeute QE Lichtausbeute LO = QE(1-R) Emissionsintensität 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Anregung bei 147 nm Anregung bei 172 nm Anregung bei 254 nm 0, Wellenlänge [nm] 0, Wellenlänge [nm] Hohe VUV-Absorption und Quantenausbeute nahe 100 % HWB der Emissionsbande steigt mit der Anregungsenergie

28 Eindringtiefe von VUV Strahlung ~ 1.5 µm UV entspricht 15 kv < 0.1 µm VUV entspricht 2 kv Kleines Anregungsvolumen PDP Leuchtstoffe sind hochbelastet: Sättigung Starke Alterung Oberflächenschicht der Partikel muss phasenrein und hochkristallin sein

29 BaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ Emissionsspektrum - Kathodenstrahlanregung 2 kv Anregung (Oberfläche) 10 kv Anregung (Bulk) 1,0 0,8 Ba 0.75 Al 11 O :Eu 2+ 1,0 0,8 Ba 0.75 Al 11 O :Eu 2+ 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0, Wellenlänge [nm] 0, Wellenlänge [nm] Oberfläche enthält Nebenphasen

30 BaMgAl O :Eu 2+ Emissionsspektrum - Photoanregung 147 nm Anregung 254 nm Anregung 1,0 1,0 0,8 0,6 Ba 0.75 Al 11 O :Eu 2+ 0,8 0,6 Ba 0.75 Al 11 O :Eu 2+ 0,4 0,4 0,2 0,2 0, Wellenlänge [nm] 0, Wellenlänge [nm]

31 2+ - BaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ Stabilitätsverbesserung Lichtausbeute LO = QE*(1-R) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 unbeschichtet BAM unbeschichtet, 2h 500 C, Luft Lichtausbeute LO = QE*(1-R) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 BAM beschichtet BAM beschichtet, 2h 500 C, Luft 0, Wellenlänge [nm] 0, Wellenlänge [nm] Teilchenbechichtung wirkt als Barriere a) für Sauerstoff Keine thermische Degradation b) für 74 nm (147 nm) Strahlung veringerte Photodegradation

32 Maßnahmen zur Verbesserung von Effizienz und Bildqualität von PDPs 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

33 Entwicklung von PDPs Improvements in luminous efficiency and brightness The next goal is 2-3 lm/w Year Luminous efficiency (lm/w) 75 Luminous efficiency 500 Brightness Brightness (cd/m2) 0.15 Erste PDPs: Mitte der 70er Jahre, monochrom rot

34 Vergleich heutiger PDPs mit CRTs PDP - TV CRT -TV Bildschirmdiagonale 80 cm cm max. 90 cm (32" - 60") (max. 36") Luminanz Cd/m Cd/m 2 (1 % weißer Bildschirm) Peak-Luminanz (weißer Bildschirm) 500 Cd/m Cd/m 2 Effizienz lm/w 2-3 lm/w Leistungsaufnahme im typischen TV Betrieb W W Lebensdauer > h > h Gewicht Dicke kg < 10 cm 80 kg (36") 60 cm (36")

35 Produkte auf dem Markt Hersteller FHP, Fujitsu-Hitachi-Sony Joint Venture Pioneer Matsushita (Panasonic) NEC LG Samsung Produkte 32" (81cm), 16:9, 852 * 1024, 650 Cd/m 2 37" (95cm),16:9, 1024 * 1024, 650 Cd/m 2 37" (95cm), 4:3, 1024 * 768, 300 Cd/m 2 42" (107cm),16:9, 1024 * 1024, 400 Cd/m 2 42" (107cm), 16:9, 852 * 480, 350 Cd/m 2 40" (102cm), 4:3, 640 * 480, 400 Cd/m 2 50" (127cm), 16:9, 1280 * 1024, 350 Cd/m 2 42" (107cm), 16:9, 852 * 480, 550 Cd/m 2 37" (95cm), 16:9, 852 * 480, 470 Cd/m 2 33" (83cm), 4:3, 640 * 480, 350 Cd/m 2 42" (107cm), 16:9, 852 * 480, 570 Cd/m 2 50" (127cm), 16:9, 1365 * 768, 250 Cd/m 2 40" (102cm), 4:3, 640 * 480, 350 Cd/m 2 50" (127cm, 16:9, 1360 * 768, 280 Cd/m 2 42" (107cm), 16:9, 852 * 480, 350 Cd/m 2

36 Weltmarkt für PDPs Absatzschätzung in 1000 PDP Modulen Cons. Prof Produktion von Kathodenstrahlröhren ~ 250 Millionen in 1998

37 Danksagung H. Bechtel, V. v Elsbergen, W. Mayr, D. Wiechert H. v. Busch, H. Dannert, G. Heusler, S. Jakayani G. Oversluizen, G. Spekowius, S. de Zwart