سمینار پلاسما

براي ديدن عكسهاي plasma

http://electronics.howstuffworks.com/plasma-display1.htm

http://electronics.howstuffworks.com/plasma-display.htm

پلاسما

می دانیم برای ماده سه حالت جامد، مایع و گاز در نظر گرفته می شود. اما در مباحث علمی یك حالت چهارم نیز برای ماده فرض می شود. حالت چهارم ماده پلاسما ، شبیه گاز است . به عبارت دیگر می توان گفت كه واژه پلاسما به گاز یونیزه شده‌ای اطلاق می شود كه همه‌یا بخش قابل توجهی از اتم های آن یك یا چند الكترون خود را از دست داده اند و به‌یون های مثبت تبدیل شده اند. مقدار الكترونها ویونهای مثبت در یك محیط پلاسما تقریبا برابر است وحالت پلاسمایی مواد تقریبا حالت شبه خنثایی دارد. تقریبا 90% مواد موجود در طبیعت و جهان در حالت پلاسما قرار دارند. مانند خورشید ، شفق قطبی ، جرقه رعد و برق ، گازهای داخل یك لامپ فلورسانت. پلاسما را می توان به صورت مصنوعی هم تولید كرد. اگر با برقرار كردن ولتاژ الكتریكی تعداد زیادی الكترون آزاد داخل گاز وارد كنیم وضعیت گاز خیلی به سرعت تغییر می كند. الكترونهای آزاد با اتم ها برخورد می كنند ، این برخوردها باعث كنده شدن الكترون از اتم های گاز می شود. با از دست دادن یك الكترون ، اتم توازن خودش را از دست می دهد اتم حالا بار خالص مثبت دارد ، كه آن را یك یون می‌نامند.

            در یك پلاسما با جریان الكتریكی جاری درون آن، ذرات با بار منفی دائماً به سو ی ناحیه‌ای از پلاسما با بار مثبت و همچنین ذرات با بار مثبت دائماً در حال هجوم بردن به سمت ناحیه با بار منفی هستند. در این یورش بی قاعده ، ذرات دائما در حال ضربه زدن به‌یكدیگر هستند .این برخوردها یا ضربات ، اتم های گاز در پلاسما را تحریك می كند. كه باعث می شود آنها فوتون های انرژی آزاد كنند. در واقع وقتی این اتم ها تحریك می شوند الكترون های لایه های بالایی در اثر دریافت انرژی به لایه های بالاتر پرش می كنند كه در این  حالت اتم ، برانگیخته‌یا گرم می شود ولی چون این الكترونها ناپایدارند پس از مدتی به تراز اولیه خودشان بر می گردند و آن انرژی اضافی را به صورت نور فرابنفش (UV) آزاد می‌كنند كه برای چشم انسان نامرئی است. اما همانطور كه بعدا خواهیم دید، فوتونهای ماوراء بنفش میتوانند برای تحریك فوتونهای نوری مرئی به كار روند.

نمایشگرهای پلاسما : (PDP-plasma Display panels)

اخیرا نسل جدیدی از تلویزیونها در قفسه فروشگاهها قرار گرفته است. به نام : پلاسمای صفحه نمایش مسطح (Plasma flat panel display) این تلویزیونها دارای صفحات عریض با ضخامت كم می باشند همچنین دارای تصاویر درخشنده وتابانی هستند كه از هر زاویه‌ای به خوبی دیده می شوند.

            ایده‌ی اصلی نمایشگرهای پلاسما ، روشن ساختن لامپ های بسیار ریز فلورسانت رنگی برای شكل دادن یك تصویر می باشد . عنصر اصلی در یك لامپ فلورسانت، پلاسما است. در ضمن بر بدنه‌ی داخلی لامپ هم فسفر مالیده اند كه با جذب اشعه فوق بنفش تحریك می شود و نوری مرئی تولید می كند. هر پیكسل از سه لامپ فلورسانت تشكیل شده است یك لامپ قرمز ، یك لامپ سبز ویك لامپ آبی – درست شبیه‌یك تلویزیون CRT ، نمایشگر پلاسما نیز Intensity لامپ های مختلف ر ا برای تولید یك میدان (Range) كامل رنگها تغییر می دهد.

ساختمان یك نمایشگر پلاسما

  یك نمایشگر پلاسما تشكیل شده است از دو صفحه شیشه‌ای (Glass plates) یكی صفحه‌ی شیشه‌ای جلویی یا front plate glass و دیگری صفحه شیشه‌ای عقبی یاRear plate glass در قسمتی از فضای بین این دو شیشه صدها هزار سلول (حفره) كوچك وجود دارد. دیواره ‌این سلولها از جنس ماده‌ی دی الكتریك ریب(Dielectric barrier rib)  است كه‌این Rib ها ساختمان داخلی صفحات شیشه‌ای را نیز شكل داده اند. داخل این سلول ها با مخلوط رقیقی از گازی كه توانایی ساتع كردن فوتون های فرابنفش (UV) را دارد پر رشده است. این گاز به طور معمول مخلوطی  از Xe-Ne-He   یا  Xe-Ne می باشد. همچنین دیگر المان تشكیل دهنده‌ی صفحات پلاسما آرایه‌ای از الكترودهاست كه در دو طرف سلول ها (حفره ها) بین دو صفحه‌ی شیشه‌ای قرار گرفته اند و بوسیله لایه‌ی دی الكتریك یا عایقی (Dielectric layer & Address protective layer) به ضخامت 20-40µm پوشیده شده اند.

این الكترودها در دو نوع می باشند:

1. . الكترودهای نمایشگر شفاف (Transparent display electrodes) كه روی سطح بالایی سلول ها (حفره ها (و در امتداد صفحه شیشه‌ای جلویی قرار گرفته اند.
2.  الكترودهای آدرس كه به آنها الكترودهای داده (Address/Data electrodes) نیز می گویند. پشت سلولها (حفره ها) و در امتداد صفحه‌ی شیشه‌ای عقبی قرار گرفته اند.

هر دو مجموعه الكترودها در تمام سطح صفحه وجود دارند. الكترودهای نمایشگر در سطرهای افقی در امتداد صفحه و الكترود های آدرس در ستون های عمودی مرتب شده اند. به گونه‌ای كه الكترودهای عمودی وافقی یك ماتریس را شكل داده اند. الكترودهای نمایشگر شفاف از ماده‌ای شفاف رسانایی ساخته شده اند اما الكترودهای آدرس ، فلزی (Metallic) می باشند عرض الكترودهای نمایشگر در یك صفحه 42 اینچی در حدود 200-300µm و عرض الكترودهای آدرس در حدود µm 80 است.

همچنین یك لایه اكسید منیزیم (Mgo) به ضخامتی در حدود nm 500 ، روی سطح سلول ها و یا درواقع زیر الكترودهای نمایشگر برای جلوگیری از كاتد پرانی (sputtering)  گازیونیزه شده (پلاسما) قرار گرفته است. دیگر المان  تشكیل دهنده صفحه پلاسما فسفرها هستند. فسفرها در سه رنگ و در بالای الكترودهای آدرس و روی Rib ها قرار گرفته اند.

نكته: همانگونه كه بیان شد در مخلوط گازی به كار رفته در صفحات پلاسما، گاز Ne نیز وجود دارد. به طور ذاتی نئون دارای تشعشات قرمز- نارنجی (Red- orange) می باشد. به همین علت و برای بهبود خلوص هر چه بیشتر رنگهای اصلی، بعضی از  سازندگان فیلترهای رنگ كپسوله‌ای (Capsulated colour filters) را روی صفحه شیشه‌ای جلویی و قبل از قرار گرفتن لایه‌ی دی الكتریك تعبیه می كنند تا تشعشعات اضافی را حذف كنند البته‌این فیلترها در شكل (2) نشان داده نشده اند.

برای تبدیل به‌یون كردن گاز در یك سلول خاص ٬ كنترل كننده نمایشگر پلاسما ، الكترودهایی كه در تقاطع آن سلول قرار دارند را شارژ یا باردار می كند واین عمل برای هر سلول (پیكسل) هزاران بار در كسر كوچكی از ثانیه انجام می گیرد. وقتی الكترودهای متقاطع باردار می شوند (بوسیله برقرار كردن یك اختلاف ولتاژ بین آنها)، یك جریان الكتریكی از میان گاز درون سلول عبور می كند و آنچنانكه در قسمت قبل دیدیم، جریان الكتریكی یك جریان سریع از حركت ذرات باردار ایجاد می كند كه اتم های گاز را به آزاد كردن فوتونهای ماوراء بنفش تحریك       می‌كند. فوتونهای ماوراء بنفش متقابلا بر روی فسفر، ماده‌ی پوشیده شده بر روی دیواره داخلی سلول ، اثر می كند. وقتی كه‌یك فوتون ماوراء بنفش به‌یك اتم فسفر در سلول اصابت می كند ، یكی از الكترونهای فسفر به سطح بالاتر انرژی پرش می كند واتم برانگیخته‌یا گرم می شود. وقتی الكترون به سطح انرژی عادی خودش بر می گردد، انرژی ای را به شكل فوتون نورانی مرئی آزاد می كند.

فسفرهای نمایشگر پلاسما وقتی كه تحریك شوند نور رنگی بیرون می دهند. هر بیكسل از سه Subpixel مجزا كه فسفر آنها دارای رنگهای مختلفی هستند تشكیل شده است. یك subpixel یك لامپ قرمز فسفری دارد یك subpixel یك لامپ سبز فسفری دارد و subpixel دیگر یك لامپ آبی فسفری دارد این رنگها برای ایجاد همه رنگها در یك پیكسل با یكدیگر تركیب می شوند سیستم كنترل می تواند شدت یا Intensity هر یك از رنگ های subpixel  را به وسیله‌ی تغییر دادن پالس جریان  عبوری در سلولها افزایش یا كاهش دهد و بدین وسیله صدها تركیب از قرمز ، سبز و آبی تولید كند. در واقع سیستم كنترل از این راه می تواند رنگهای یك طیف كامل را تولید كند.

ساختار سیگنال و روش آدرس دهی پیكسلها در پلاسما  (انواع ولتاژ های بكار رفته)

آدرس دهی یك سلول در نمایشگرهای پلاسما نسبتا ساده است. یك ولتاژ نگهدارنده‌ی مستقیم (voltage sustaining AC) به نام Vs دائما بین الكترودهای سطری و ستونی یا در واقع همان الكترودهای نمایشگر و آدرس اعمال می شود. وجود این ولتاژ جانبی (Vs) باعث  ایجاد حافظه ذاتی برای هر سلول در نمایشگرهای پلاسما می شود (Inherent Memory of a PDP cell) ایده اصلی بر این اساس است  كه، هنگامی كه‌یك سلول بوسیله اعمال پالس نوشتن (Writing Pulse) روشن می شود، ولتاژ در سطحی كمتر از ولتاژ شكست سلول (Breakdown voltage of the cell) می تواند ثابت شود در حالی كه سلول همچنان با این ولتاژ روشن بماند.

در این حالت لایه های دی الكتریك همچون یك خازن به كمك ولتاژ نگهدارنده نقش حافظه سلول را ایفا می كنند و ولتاژ سلول روشن همچنان در سطح ولتاژ شكست می ماند و در  واقع سلول روشن نگه داشته می شود. بنابراین مادامی كه ولتاژ نگهدارنده Vs به تمامی سلولها اعمال می گردد، بعضی از سلولها می توانند در وضعیت روشن (ON) و بعضی دیگر می توانند در  موقعیت خاموش (OFF) قرار بگیرند. این امر سبب كاهش بسیار زیاد در دفعات Refresh یا تازه سازی تصاویر در نمایشگر پلاسما می گردد. (تصاویر ثابت)

برای قرار دادن یك سلول در وضعیت روشن (ON) یك پالس ولتاژ (Writing pulse ) بین سطر و ستونی (electrode ها) كه آن سلول در تقاطع آنها قرار گرفته است اعمال می كنیم . دامنه‌ی این پالس ولتاژ بایستی بیشتر از ولتاژ شكست سلولها باشد تا بتواند گاز درون سلول را یونیزه كند و در واقع لامپ فلورسانت آن سلول را روشن كند.

در این حالت سلول روشن می شود وبه سرعت تخلیه‌ی الكتریكی صورت می دهد ، كه‌این دشارژ یا تخلیه‌ی الكتریكی ، لایه های دی الكتریك را شارژ كرده و باعث ایجاد ولتاژی مخالف با ولتاژ الكترودها در دو سر سلول یا فضای گازی می شود. در پایان پالس نوشتن ، شارژ روی سطح دی الكتریكها برابر با +Q,-Q می باشد ( Q بار الكتریكی است). در آغاز نیم پریود بعدی پالس ولتاژ نگهدارنده Vs ولتاژ Vs با بار روی سطوح دی الكتریك جمع می شود واین باعث می شود كه دوباره دو سر سلول ولتاژی بالاتر از ولتاژ شكستش ایجاد شود و سلول دوباره روشن می شود و این عمل تكرار می گردد (نقطه چین ها در شكل ) و سلول تا مدتی روشن میماند (مدت  روشن ماندن بسته به خاصیت دی الكتریكها است). (شكل3)

نكته1 : طول عمر (life Time) پلاسما ها به 30000 ساعت می رسد.  Luminouse efficacy یا لومیننس موثر پلاسماها در مقابل CRT ها كمتر است. (در حدود سه برابر كمتر) . برتری پلاسما ها نسبت به CRT ها در تولید تلویزیونهای با صفحات عریض اما با ضخامت كوچك است (60 اینج 15 سانتی متر) ونسبت به LCD ها زاویه دید است یعنی به دلیل درخشنده بودن پلاسما ها از هر زاویه‌ای به خوبی دیده می شوند . به دلیل نحوه تشكیل Gray scale در PDP ها، منحنی یا خطوط كاذبی در روی صفحه تشكیل می شود ، مخصوصا هنگامی كه تصاویر متحرك به نمایش در می آیند. این Artefact ها یا خطوط كاذب (False contours) را با شماهای آدرس دهی خبره و روش های پویای كاهش خطوط كاذب تصحیح می كنند.

نكته 2 : همچنین می تون سه تكنولوژی LCD,CRT و Plasma را از لحاظ تاثیر در محیط زیست با هم مقایسه كرد.

- در CRT اشعه X از صفحه نمایش ساتع می شود.

- در LCD ، هیچ اشعه مضری از صفحه نمایش ساتع نمی شود.

 - در Plasma ، اشعه فرابنفش (UV) از صفحه نمایش ساتع می شود.