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

DanksagungDanksagung

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