真空萤光显示器曾是电子产品主要显示组件，虽然大型液晶显示器的普及让真空萤光显示器的能见度下滑，但真空萤光显示器所具备种种特性在最近几年再度受到相关业者高度重视。此外TFT半导体薄膜技术与新世代萤光体的实用化，也使真空萤光显示器能够显示复杂高难度的点矩阵影像。本文将为读者深入介绍有关真空萤光显示器，与真空萤光显示器的蓝色氮化物萤光体等相关技术。 

 

真空萤光显示器（Vacuum Fluorescent Display；VFD）是利用12V150V加速电压驱动，它的厚度只有传统CRT显示器的数十分之一，属于主动发光型平面显示器。

 

虽然VFD的动作原理与CRT同样是利用电子线激发萤光体产生光线，不过VFD的驱动电压却非常低，此外VFD使用的萤光体特性与CRT显示器截然不同。70年代VFD问世后立即成为计算器主要显示组件(图一)，90年代由于薄膜布线技术以及光学印刷技术的进步，使得真空萤光显示器也能够显示高难度的点矩阵（dot matrix）画面。真空萤光显示器具备高辉度、色彩鲜艳、色彩种类丰富、画面立体高质感及主动发光等光学特性，而且它的pattern设计自由度非常大，因此可以配合客户的需求作客制化设计；结构上使用极低的驱动电压以及与CRT相同的高温制程，因此VFD的可靠性与－40℃＋110℃耐环境特性，即使LCD、EL、OLED显示器普及化的还境下，依然能够在汽车、航天、医疗与工业界等高附加价值领域占有一席之地。有鉴于此，本文将深入介绍有关真空萤光显示器，与真空萤光显示器的蓝色氮化物萤光体等相关技术。

《图一　真空萤光显示器的外观》

 

VFD的分类与动作原理

 

如(图一)所示，真空萤光显示器可依电极结构与显示方法作分类，实际上随着成品的使用目的，可作各种组合进而形成多样化的产品形态。真空萤光显示器的结构基本上与传统三极真空管非常类似，它是由可以发射电子的丝极（filament）、控制电子扩散的栅极（grid）以及显示画面的阳极（anode）所构成，如(图二、图三)。

《图二　VFD的分类与特征》

 

为避免丝极（filament）妨碍画面显示，因此钨丝线（Tungsten）表面包覆Ba、Sr以及Ca等材料构成的氧化物。动作时对丝极施加电压使丝极加热至620℃，接着再用栅极（grid）对丝极释放的热电子进行控制与加速，通过栅极网孔（mesh）的电子撞击至涂有萤光体的阳极（anode），进而激发萤光体产生光线。此处同样为避免栅极妨碍画面显示，因此利用蚀刻（etching）技术将厚50μm不踤钢板制成线宽30μm的网孔，如此一来只要对栅极施加正电荷，便可使丝极射出的电子加速扩散，并将电子诱导至阳极。

 

阳极基板则利用厚膜印刷技术制作铝质膜层导线，接着再用低融点玻璃在导线上铺设绝缘层，显示画面的部位设有through hole，该through hole绝缘层上方以黑铅形成电极，最后在电极表面涂布萤光体形成阳极发光显示单元。显示画面时分别对栅极与阳极施加正电位，非显示部位则对栅极与阳极其中一方，或是两者同时施加负电位，藉此方式阻止电子进入萤光体产生撞击发光。

 

VFD的驱动方式

《图三　VFD的动作原理》

 

真空萤光显示器的栅极与阳极电位若是正电荷的话，理论上就会获得预期的发光效果，它的驱动方式可分为静态驱动（static drive）与动态驱动（dynamic drive）两种，因此接着要介绍这两种驱动方式的特征与用途:

 

静态驱动方式

 

如(图五)所示，静态驱动是透过构成显示pattern的各区段（segment）的ON/OFF，藉此控制画面显示。由于栅极只有一片，因此各区段都设有导线（lead）。静态驱动方式最大特征是可用任意形状与timing，在任意时间使各区段发光显示画面。它主要是应用在要求低电压驱动、高辉度汽车仪表板等领域。

《图四　VFD的断面结构》

 

动态驱动方式

 

如(图六)所示，动态驱动基本上是由栅极与阳极构成之矩阵（matrix）组成，栅极是以时间分割方式依序驱动，接着再使阳极配合栅极的选择时间作同步发光。由于这种方式共享阳极电极，因此电极导线数量比上述静态驱动方式少，这对复数区段构成的模块应用相当有利。点矩阵（dot matrix）与坐标、图表显示器就是典型的应用，一般认为这类产品未来可望应用在汽车的抬头显示器（Head Up Display；HUD）等高附加价值等领域。

 

虽然目前商品化的真空显示器以绿色画面占多数，不过真空显示器使用的萤光体具有高色纯度与色彩种类丰富、选择空间很宽广等优点(表一、图七)，尤其是透过区段模块与不同萤光体的搭配，可以产生各式各样高质感、高辉度与立体感画面。

 

最近几年基于环保等考量，无铅导线焊接材料与无镉（Cadmium）萤光体，已经逐渐取代传统材料，使得真空萤光显示器除了鲜艳高质感画面之外，更具备其它显示器不能抗衡的安全性与耐环境特性。

 

表一   正式名称 色度（x , y） 使用电压范围eb,ec（V）

VFD的种类

 

Rib Grid真空萤光显示器（GOSVFD）

 

Rib Grid真空萤光显示器（Grid On Separator VFD；GOSVFD）是在显示pattern周围设置印刷积层栅极（grid），取代丝极与阳极之间设置的金属网栏栅。具体方法如(图八)所示，它是利用厚膜印刷技术制作区段，与高220μm宽120μm的栅极。如(图九)所示Rib Grid型真空萤光显示器主要特征，并显示其可以获得高密度pattern，同时还可以依照设计者的需求任意分割栅极的原理。

《图五　VFD的静态驱动（static drive）方式》

 

(a)GOS型VFD的结构

 

(b)一般栏栅型VFD的结构

 

双面发光型VFD（By Planer Type VFD）

 

双面发光型VFD是由(图十)(a)的直视型VFD背部显示模块，与图十(b)所示正面显示模块，两者组合构成的真空萤光显示器单体。由于正面、背面可以个别显示影像，因此信息显示量相对变成两倍。此外双面发光型VFD还可以作空间区隔，透过两面同时发光作立体影像显示。

《图六　VFD的动态驱动（duplex drive）方式》

 

内建IC的真空萤光显示器（CIGVFD）

 

如(图十一)所示，内建IC的真空萤光显示器（Chip In Glass VFD；CIGVFD），是将显示器外部驱动的IC整合于真空萤光显示器内部并与栅极与阳极直接连接，如此一来可以大幅削减导线数量，相对的系统组合上可以减少真空萤光显示器与驱动用面板之间的接点数量，进而提高组件的可靠性

 

HUD真空萤光显示器（HUDVFD）

《图七　真空萤光显示器的CIE色度坐标图》

 

如上所述真空萤光显示器最大特征之一，是它的的显示辉度非常高，因此80年代业者曾经开发辉度高达40000cd/m2车用抬头显示器VFD（Head Up Display VFD；HUDVFD），利用高辉度真空萤光显示器将行车信息投影至汽车挡风玻璃。(图十二)是用抬头显示器的动作原理。最近几年由于半导体加工技术的进步，HUDVFD朝向高辉度、高画质方向发展，具体内容如下:

 

主动式矩阵真空萤光显示器（AMVFD）

 

80年代开发的HUDVFD只能够投影显示汽车转速表的信息，随着汽车性能与相关配备的多元化，必需投影显示的信息大幅增加，相形之下传统的HUDVFD的功能已经不敷使用，因此业者陆续开发新世代的主动式矩阵真空萤光显示器（Active Matrix Vacuum Fluorescent Display；AMVFD）。

 

如(图十三)(a)所示，AMVFD具体结构是在内建阳极驱动电路的IC表面涂布萤光体，藉此方式将IC当作阳极使用，接着驱动内建记忆回路的static matrix，进行复杂的矩阵画面显示。图十三(b)为40×80Dot、30000cd/m2高辉度图案（graphic）的实际外观。一般认为，为了提高画质细致度，未来必需缩小甚至消除IC芯片排列的间距，同时增加显示面积才能够达成大容量化的预期目标。

《图八　传统VFD与GOS型的结构比较》

 

VFPH（Vacuum Fluorescent Print Head）

 

除了车用HUD应用之外，主动式矩阵真空萤光显示器还可以当作快速冲印设备的打印光源，这种称为VFPH（Vacuum Fluorescent Print Head）的真空萤光显示器，具备300400dpi（dot per inch）超高分辨率特性。

 

(图十四)(a)是VFPH的基本结构。为缩小VFPH的点间距（dot pitch），因此必需利用Al薄膜微细加工技术，或是以光学蚀刻技术制作萤光面，此外基于减少导线等考量，整合CIG（Chip In Glass）技术已经成为制作超高辉度、超高分辨率萤光发光打印头（VFPH）不可或缺的手段。图十四(b)是利用VFPH打印的印刷实例。

《图九　GOS型VFD的实际外观》

 

真空萤光显示器的制作

 

(图十五)是真空萤光显示器的制作流程；阳极基板的制作流程。若以组件作区隔真空萤光显示器是由阳极（anode）基板、栅极（grid）、丝极导线（filament）、导线架（lead frame）等金属组件，以及形成真空容器的front glass所构成。

 

由图十五的制作流程可知，内建金属组件的阳极基板与front glass融接，接着再用排气管使真空容器形成真空状。

《图十　by planer VFD的结构》

 

VFD的蓝色发光萤光体

 

GaN与InGaN蓝色发光萤光体

 

一般低电压型绿色真空萤光显示器大多使用ZnO：Zn萤光体，然而ZnO：Zn绿色发光时略带白色，因此无法当作全彩化三原色萤光体使用，至于其它发光色的萤光体，通常会将导电物质混入CRT常用的萤光体内藉此降低阻抗，不过随着混合量的增加，发光却相对减少，发光效率也因此大幅恶化，换句话说真空萤光显示器专用的萤光体，必需具备低阻抗与高发光效率两种基本特性。

 

由于Ⅲ族氮化物GaN同时具备高发光效率与高导电性，而且热化学稳定性非常好，又不含会污染氧化物丝极的物质，例如Ⅲ族氮化物GaN与InN的band gap，分别是紫外光的3.39eV一直到红外光的18.9eV，几乎含盖三原色所有发光范围，因此接着要介绍GaN与InGaN两种真空萤光显示器专用的蓝色发光萤光体。

 

GaN是在氨（Ammonia）环境中将Ga加热制成，利用这种方法制成的GaN首度被发现具有发光（Photoluminescence；PL）特性，不过上述GaN整体成黑色而且发光强度很弱，因此改用热处理方式使GaN在氨环境中进行化学反应，利用这种称为升华型的制程，可以获得微结晶的GaN，如果将In硫化物与Ga硫化物混合，并在氨环境中进行化学反应（此处称为第一阶段制法）制作InGaN，接着再与利用相同方法制成的GaN与In2S3混合，并在氨环境中进行化学反应（此处称为第二阶段制法），便可以获得蓝色发光的萤光体。利用两阶段法制作GaN与InGaN，最大优点是可以依照各材料合适的温度进行化学反应。GaN与InGaN制作设备内部结构与profile，首先将In硫化物与Ga硫化物置放在石英board上，接着再送入石英反应炉内在氨环境中，以电气炉加热至1000℃并保持数小时。一般认为反应过程可用(公式一)表示，不过尚未获得证实。

《公式一》

 

GaN：Zn与InGaN：Zn蓝色发光萤光体

 

基本上GaN：Zn蓝色发光萤光体是以ZnS为不纯物，将Zn添加至Ga制成GaN：Zn。此处为提高GaN：Zn蓝光的纯度与长波长化的视感效率，因此东京理科大学教授蟹江寿将In硫化物与GaN：Zn混合，接着再用上述二阶段制法制成发光频谱（spectre）峰值为2.82eV的InGaN：Zn蓝色发光萤光体。(a)是In浓度1％以下时的SEM影像；图十八（b）是以蓝色滤光片（blue filter）观察的CL影像，根据图十八(b)显示，InGaN：Zn具有很多的微结晶。

《图十一　CIG型VFD的实际外观》

 

GaN：Zn的激发频谱与选择激发频谱；InGaN：Zn的激发频谱与选择激发频谱。根据图十九显示，3.49eV附近是GaN：Zn的吸收端；3.32eV附近是Zn参与激发带的sub peak；由图二十可知InGaN：Zn在3.14eV附近具备新的峰值激发带，而且选择激发频谱从2.74eV一直到2.19eV呈长波长波化。蟹江寿推测3.46eV、3.37eV及3.14eV分别是InGaN的吸收端、Zn参与激发带的激发范围以及In参与发光带的激发范围。此外根据3.14eV激发发光时的PL频谱位置计算In浓度，却发现30％时会与XRD的结果相互矛盾，蟹江寿认为这是In试料浓度不均匀所造成的。

《图十二　真空显示器的实际应用范例》

 

利用InGaN：Zn萤光体的真空萤光显示器的CL频谱特性，根据本图显示InGaN：Zn萤光体的发光波长出现长波长化现象，这可能是In浓度不足或是InGaN结晶表面附近的结晶性不佳造成的结果。

《图十三　AM型VFD的结构与显示画面》

 

(a)AM型VFD的结构

 

(b)AM型VFD的显示画面

 

上述真空萤光显示器的阳极电压与辉度的依存性测试结果，由测试结果可知随着阳极电压的升高，真空萤光显示器的辉度呈直线性增加，并未因为电压（电流）出现辉度饱和现象，此外开始发光的电压只有10V左右，显示InGaN：Zn具备低电压萤光体特性。

《图十四　VFPH的结构与印刷实例》

 

(a)VFPH的结构

 

(b)VFPH的印刷实例

 

真空萤光显示器的阳极电压与发光效率的依存性测试结果，根据测试结果显示阳极电压一旦超过30V以上，发光效率就呈一定状态。

 

以上介绍利用GaN：Zn与In两硫化物制作InGaN：Zn萤光体的方法。根据PLE与PL实验证实In对InGaN：Zn萤光体发光特性具有决定性的影响。

 

利用上述萤光体制成的真空萤光显示器的CL发光频谱，显示只有少许的长波长化现象。此外发光开始电压与电流都不会产生辉度饱和问题，对低速电子线激发则非常稳定。目前InGaN：Zn萤光体发光效率大约是0.03lm/W，距离实用化仍有待改善，例如消除非发光部位，藉此提高萤光体的收率与发光效率，同时减少表面附近的缺陷，提高萤光体的结晶性等等。

 

GaN结晶的高空间分辨率CL影像，照片中的黑点是非发光部，也是上述必需改善的标的物之一。

《图十五　VFPH的制作流程》

 

 

结语

 

70年代问世的真空萤光显示器，曾经是电子产品主要的显示组件。90年代大型液晶显示器快速普及，真空萤光显示器的能见度似乎大幅萎缩，然而真空萤光显示器结构上，具备高辉度、色彩鲜艳种类丰富、画面立体高质感与主动发光等LCD EL OLED平面显示器无法抗衡的特性，加上VFD低电压驱动、－40℃＋110℃超耐环境特性，以及可以配合客户的需求作custom design等特征，因此最近几年再度受到相关业者高度重视。除此之外TFT半导体薄膜技术与新世代萤光体的实用化，使得真空萤光显示器能够显示复杂高难度的点矩阵影像，一般认为VFD未来可望在汽车、航天与医疗等高附加价值领域发挥它独特的功能。

 

延 伸 阅 读

 

经济全球化，社会信息化，生活现代化促使信息技术一直呈蓬勃的发展态势。信息显示在信息技术中占有重要地位，尤其在广告、视频通讯、计算机网络终端、信息发布等方面用途十分广泛。相关介绍请见“ 新颖平板显示”一文。

 

VFD是用于小型显示器（小于5英寸的尺寸），提供其明亮的对比。VFD的优点包有较高的亮度，较宽的视角，较宽的操作温度范围，以及较低的成本 。

 

在20世纪，图像显示器件中，阴极射线管（CRT）占了绝对统治地位，如电视机、显示器等绝大多数都采用CRT。但是与此同时，平板显示器也在飞速地发展着，特别是液晶显示器的品质大幅度改善，价格又持续下降，不但在中小屏幕显示中代替了CRT，而且也快速地进入了计算机显示器领域。

 

市场动态

 

平板显示器分为主动发光显示器与被动发光显示器。前者指显示媒质本身发光而提供可见辐射的显示器件，它包括等离子显示器（PDP）、真空萤光显示器（VFD）、场发射显示器（FED）等。

 

本文回顾应用于各种平面显示器的玻璃基板。首先从平面阴极射线管显示器谈起，依序介绍与阴极射线管关联的真空萤光管（VFT）显示器、场发射显示器（FED）、等离子放电显示器（PDD）和这些显示器所需要的玻璃基板后，再探讨固态电子平面显示器。

 

微显示（Microdisplay）技术的核心就是把显示电视图像或计算机图像的全部像素集成到一片集成电路上。从不同的角度出发可以对微显示器给出好几个不同的定义。（作者/高士）