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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:江弘棋
研究生(外文):Hung Chi Chiang
論文名稱:應用二維數值模擬以改善電漿顯示器之發光效率
論文名稱(外文):Application of Two dimensional numerical simulation for luminous efficiency improvement in plasma display panel
指導教授:陳金順陳金順引用關係柳克強
指導教授(外文):G. S. ChenK. C. Leou
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:115
中文關鍵詞:電漿顯示器模擬氣體放電壁電荷流體模型
外文關鍵詞:plasma display panelsimulationgas dischargewall chargefluid model
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本研究為使用二維交流型電漿顯示器之數值模擬來改善電漿顯示器的發光效率,影響發光效率的因子有驅動電壓波形、混合氣體成份、電極結構、cell結構等參數,而本論文的探討以電極結構與氣體成份為主,而模擬所使用的物理模型為流體模型(fluid model),並考慮電子能量方程式,以精確計算空間中的電子平均能量,在本文中比較了傳統式電極以及一些特殊電極對電漿顯示器發光效率的影響,藉由增加電漿的放電路徑來產生較多的氙激發態,並且在兩維持電極間的輔助電極上加維持電壓方波以感應出正陽光柱放電(positive column discharge),因此利用在陽極區域的高放電效率來有效提升電漿顯示器的發光效率,並考慮紫外光的放射情形計算發光效率,根據我們設計的電極可以使放電效率達26%,而改變維持電壓頻率,當頻率增加時會有較低的電子溫度,因此枮激發效率可提升,但是若頻率過高而產升的提早放電將使電子密度下降,所以電子加熱效率會降低,在混合氣體方面,已建立六種不同的氣體比例,為Ne/Xe4%、Ne/Xe5%、Ne/Xe8%、Ne/Xe10%、Ne/Xe12%、Ne/Xe15%,研究發現在低氙氣成分時紫外光主要是147nm為主,而在高氙氣下紫外光主要是由Xe2*(3Σu+)所產生(173nm),最後並模擬友達的面板參數,得到與實驗上相近的結果。
The luminous efficiency of AC plasma display panels is relatively low. In this thesis, we design new electrode structure to improve luminous efficiency. The UV efficiency can be increased by a factor of 1.3 in comparison with the conventional model.
目錄
摘要…………………………………………………………………….Ⅰ
誌謝辭………………………………………………………………….Ⅱ
目錄........................................................................................................ Ⅲ
圖目錄.................................................................................................... Ⅵ
表目錄………………………………………………………………ⅩⅢ
第一章 導論.............................................................................................1
1.1簡介……………………………………………………… 1
1.2文獻回顧.............................................................................4
第二章 基本原理.... .............................................................................14
2.1電漿顯示器操作原理介紹 ………………………………14
2.1.1基本結構 …………………………………………14
2.1.2操作原理 …………………………………………16
2.1.3 電極設計 ………………………………………18
2.2物理模型 ……………………………………………19
2.2.1流體模型 ………………………………………19
2.2.2幾何結構與邊界條件 ……………………………23
2.2.3考慮的反應式及建立混合氣體比例的資料庫 …26
2.3 數值模型…………………………………………32
2.3.2 有限空間差分法 ……………………………… 32
2.3.3傳遞方程式的空間離散化 ………………………33
2.3.4 帕松方程式之數值模型 ………………………37
第三章 模擬程式描述…………………………………43
3.1 Visual C++ 撰寫電漿顯示器流體模型程式 ……43
3.2 MATLAB即時繪圖介紹………………………………43
3.3 模擬程式之流程……………………………………45
第四章PDP放電能量損耗的機制 ……………………………46
4.1 PDP放電的模擬…………………………………………46
4.1.1起始狀況……………………………………………46
4.1.2 標準面向型放電cell………………………………46
4.2紫外光的計算及能量損耗分析……………………………54
4.3 維持電壓與發光效率的關係………………………….… 59
4.3.1電子加熱效率與氙激發效率的分析 …………...…59
4.3.2維持電壓頻率與效率的關係 ……………………66
第五章 模擬結果與討論………………………………………………70
5.1 各種電極結構操作原理及優缺點比較 …………………70
5.2 特殊電極型的PDP cell……………………………………70
5.3 氙氣比例與氣壓對發光效率的影響 ……………………77
5.4 模擬實際的面板………………………………………… 83
5.4.1 ADS驅動波形……………………………………83
5.4.2 緩斜線維持電壓波形……………………………92

第六章 總結及建議的未來工作………………………………………95
6.1總結 ………………………………………………………..………95
6.2未來工作 …………………………………………………..………95

參考文獻 ………………………………………………………………97
附錄 A. 在Xe/Ne混合氣體下離子的移動率 …………………… 101
附錄 B 局部電場近似(LFA)的適用性 …………………………… 103附錄 C. 2D 解矩陣程式–穩定性雙共軛梯度疊代法(Bi-CGSTAB) …104
附錄 D. 計算反應係數及電子移動率之程式 BOLSIG …………… 105
附錄 E. time step對模擬結果的影響………………………………107
附錄F. MATLAB 2D 繪圖程式 ………………………………………108
附錄G. Visual C++ 與MATLAB link之系統參數設定……………112





圖目錄
圖1.1 Samsung 46 inch,LCD …………………………………………2
圖1.2 Sanyo OLED……………………………………………………2
圖1.3 Plasma 電漿電視 …………………………………………..…3
圖1.4 Motorola, 5.6 inch FED…………………………………………3
圖1.5 (a)在定址與維持期間下的電位線及氙激發態功率損耗分佈圖(b)在各電極上的驅動波形 (c) 壁電荷隨時間的變化圖……………...7
圖1.6 (a)使用LFA model所求的電子溫度分佈情形 (b) 使用EEE model所求的電子溫度分佈情形…………………………………….…8
圖1.7 在不同電極寬度下,氙激發態Xe*密度輪廓圖………………9
圖1.8 (a) T型電極結構下Xer* 密度分佈圖(b)比較T型電極與傳統電極的放電效率 ………………………………………………………..10
圖1.9比較(a)標準型電極與(b)特殊電極氙激發態的功率損耗情形………………………………………………………………………11
圖1.10 使用輔助電極下氙激發態Xe*(3P1)密度分佈 ……………12
圖1.11 比較傳統電極與輔助電極模式局部效率 …………………12
圖1.12 比較傳統電極及埋入bus電極(a)氙激發態的數目隨時間的變化情形 (b)發光效能及放電效率隨維持電壓的變化 …………….. 12
圖2.1 交流偶合電漿顯示器結構……………………………………15
圖2.2 電漿顯示器電極結構方式 …………………………………16
圖2.3 PDP操作原理示意圖 ………………………………………17
圖2.4 空間電荷隨維持頻率的變 ………………………………17
圖2.5 發光效能隨維持頻率的變化 ……………………………… 17
圖2.6 新電極結構 …………………………………………………19
圖2.7 增加輔助電極下PDP cell結構 ……………………………19
圖2.8 電漿顯示器二維數值模擬幾何結構圖 ……………………24
圖2.9 槽內幾何結構圖 ……………………………………………24
圖2.10在Ne-Xe(96-4%)下隨電子平均能量變化之反應速率圖 (a) 彈性碰撞與游離反應 (b) 氖氣與氙氣的激發反應 ………………… 29
圖2.11 在Ne-Xe(96-4%)下電子之移動率 …………………………30
圖2.12 氖離子移動率及在不同氣體成份下氙離子的移動率……..31
圖2.13 有限空間微分法空間格點位置圖 …………………………33
圖4.1 (a)外加於各電極的驅動波形 (b)各電極上的放電電流隨時間的變化情形 (c)累積在各電極上壁電荷隨時間的變化情形 …………..47
圖4.2 電子、氖離子、氙離子、氙激發態的密度隨時間的分佈圖…48
圖4.3 700ns 時定址放電的電子、氙激發態的密度、電子平均能量及電位分佈………………………………………………………………. 49
圖4.4 700ns 時定址放電的氙離子、氖離子及壁電荷分佈圖 …… 50
圖4.5 26050ns第五個維持放電的電子、氙激發態的密度、電子平均能量及電位分佈 ………………………………………………………50
圖4.6 26050ns第五個維持放電的氙離子、氖離子及介電層上的壁電荷分佈圖 ……………………………………………………………51
圖4.7 26150ns第五個維持放電的電子、氙激發態的密度、電子平均能量及電位分佈圖……………………………………………………52
圖4.8 26150ns第五個維持放電的氙離子、氖離子及介電層上壁電荷分佈圖…………………………………………………………………52
圖4.9 26400ns第五個維持放電的電子、氙激發態的密度、電子平均能量及電位分佈圖……………………………………………………53
圖4.10 26400ns第五個維持放電的氙離子、氖離子及介電層上壁電荷分佈圖……………………………………………………………… 48
圖4.11 電漿顯示器在氙氖混合氣體下重要的碰撞及光放射的能階圖………………………………………………………………………54
圖4.12 (a)第五個維持放電下的總功率消耗、電子功率消耗及花費在激發氙氣與游離氙氣的功率大小(b)為對應此時間的放電電流..56
圖4.13第五與第六個維持放電下紫外光的放射功率………………57
圖4.14 (a)第六個維持放電下電子與離子的所獲得的能量、(b)消耗在游離與激發反應的能量及紫外光的放射能量 ……………………58
圖4.15 放電時電子平均能量與維持電壓的關係 ………………..60
圖4.16 在不同電壓下電子平均能量隨時間的變化情形………….60
圖4.17 (a) 維持電壓200V的電子平均能量分佈 (b) 維持電壓170V的電子平均能量分佈………………………………………………….61
圖4.18 電子加熱效率與隨維持電壓的變化 (Ne-Xe4%) …………..62
圖4.19 維持電壓170V與200V下的氙離子與氖離子的密度……… 63
圖4.20 暫態電子加熱效率及氙激發效率隨時間的變化情形 ……..65
圖4.21 放電時X,Y,A電極上壁電荷的累積情形(1)18039ns, (2)18075ns,(3) 18113ns,(4) 18161ns, (5)18211ns,(6)18351ns ………...65
圖4.22 在上升時間為100ns時電子平均能量與維持電壓頻率的關係 ………………………………………………………………………66
圖4.23 在相同的維持電壓下,50kHz與200kHz唯持頻率對電子密度的影響 …………………………………………………………………67
圖4.24 在時間為22058ns時,維持電壓頻率f=200kHz下PDP cell的過早放電放電現象 ……………………………………………………68
圖4.25在時間為22058ns時,維持電壓頻率f=50kHz下PDP cell還未電放電情形 …………………………………………………………68
圖4.26 電子加熱效率隨維持電壓頻率的變化………………………69
圖5.1 (a)各電極上的放電電流隨時間的變化情形(b)外加於各電極的驅動波形(c)累積在各電極上壁電荷隨時間的變化情形……………71
圖5.2 電子、氖離子、氙離子、氙激發態的密度隨時間的分佈圖…72
圖5.3電子、氙激發態的密度、電子平均能量及電位分佈圖 ………73
圖5.4 25080ns第五個維持放電的氙離子、氖離子及介電層上的壁電荷分佈 …………………………………………………………………74
圖5.5電子、氙激發態的密度、電子平均能量及電位分佈圖 ………74
圖5.6 25080ns第五個維持放電的氙離子、氖離子及介電層上的壁電荷分佈 …………………………………………………………………74
圖5.7 (a)第五個維持放電下的總功率消耗、電子功率消耗及花費在激發氙氣與游離氙氣的功率大小,(b)為對應此時間的放電電流……..75
圖5.8 使用特殊電極在第五與第六個維持放電下紫外光的放射功率 ………………………………………………………………………76
圖5.9 特殊電極結構(a)第六個維持放電下電子與離子的所獲得的能量、(b)消耗在游離與激發反應的能量及紫外光的放射能量 ………77
圖5.10為外加X,Y,A,Z電極上的驅動電壓………………………….. 78
圖5.11 Ne-Xe90-10%下PDP cell中的放電行為……………………..79
圖5.12 輔助電極的電壓所產生的X-Z放電 (Ne-Xe10%) ………….80
圖5.13暫態電子加熱效率及氙激發效率隨時間的變化情形 ……....81
圖5.14 在Ne-Xe10%下電子加熱效率隨維持電壓的變化 …………82
圖5.15 紫外光相對強度隨氙氣比例的變化…………………………83
圖5.16模擬所用的外加於X,Y,A電極上的驅動電壓波形…………83
圖5.17 定址放電在(a)1211ns(b)1303ns時電位、電子、氖離子及氙離子密度分佈圖 ………………………………………………………84
圖5.18 定址放電在(a)1211ns(b)1303ns時氙激發態的密度(Xe*(3P1),Xe**,Xe2*(3Σu+)) 及電子平均能量的分佈圖 ……………….85

圖5.19 定址放電在(a)1211ns(b)1303ns時約化電場、電子、氙離子及氖離子通量的分佈圖 ………………………………………………...85
圖5.20 定址放電在(a)1211ns(b)1303ns時 Xe2*(3Σu+)密度、紫外光放射功率及介電層上壁電荷累積的分佈圖 ……………………………85
圖5.21在維持放電 (a)28075ns(b)28227ns時電位、電子、氖離子及氙離子密度分佈圖 ……………………………………………………86
圖5.22 定址放電在(a)28075ns(b)28227ns時約化電場、電子、氙離子及氖離子通量的分佈圖 ……………………………………………...87
圖5.23 在維持放電 (a)28075ns(b)28227ns時電子平均能量及氙激發態的密度(Xe*(3P1),Xe**,Xe2*(3Σu+))的分佈圖 ………………………..87
圖5.24 維持放電在(a)28075ns(b)28227ns時 Xe2*(3Σu+)密度、紫外光放射功率及介電層上壁電荷累積的分佈圖 ………………………....88
圖5.25 PDP cell在X, Y, A各電極上壁電荷隨時間的變化圖 ……88
圖5.26 PDP cell在X, Y, A電極上電流隨時間的變化圖 ………….89
圖5.27 暫態電子加熱效率隨時間的變化情形 ……………………90
圖5.28 放電時X,Y,A電極上壁電荷的累積情形(1)27307ns,(2)27506ns, (3) 27776ns,(4) 28102ns, (5)28445ns,(6) 28765ns …………………..90
圖5.29第五與第六個維持放電下紫外光的放射功率 …………….91
圖5.30 放電效率隨位置的變化情形 rise time 250ns 92
圖5.31 在Ne-Xe5%,氣壓500torr下(a)維持放電下電子與離子的所獲得的能量、(b)消耗在游離與激發反應的能量及紫外光的放射能量.92
圖5.32 不同上升時間的維持電壓及各電極上的放電電流 ……… 93
圖5.33 不同的上升時間下產生紫外光的激發態粒子密度…………94
圖5.34 不同上升時間對效率及功率損耗的影響 ………………… 94
圖A-1 簡化移動率隨簡化電場的變化情形 …………………………90
圖A-2 氙氣離子的移動率隨簡化電場的變化情形(a)Ne/Xe 5% (b)Ne/Xe 20% …………………………………………………………91
圖C-1 各種ILU,MILU,BILU,MBILU分解搭配Bi-CGSTAB的收斂行為 …………………………………………………………………… 93
圖D-1 輸入混合氣體比例以及約化電場 ………………………… 94
圖D-2 疊代計算並將電子的移動率及各反應係數輸出檔案 ………95


表目錄
表一 物理模型中所考慮之反應式 …………………………………26
表二 各種電極結構操作原理及優缺點比較 ………………………70
參考文獻
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