2.1　彩色VFD显示基础

VFD利用加热灯丝产生电子，电子经栅极正电压加速后撞击涂有荧光粉的阳极区段，使荧光粉吸收能量而发光，是理想的高亮度彩色显示器件之一。通过有效控制VFD栅极和阳极区段电压，可显示所需的图像。但是，低阳极电压的工作条件使VFD难以找到理想的高效率、长寿命荧光粉，限制了全彩色VFD的开发。

2.1.1　VFD基本结构和功能

VFD是低压大电流的发光器件，需要能够提供较大电流的阴极和能够耐电流轰击的发光材料。VFD真空结构难以制作大型显示屏，但其环境适应性强、可靠性高、使用寿命长、工作温度范围大，特别适用于车载显示。低阳极电压及其结构导致VFD彩色化困难、阴极功耗大、分辨率低。

1．基本结构

VFD的基本结构如图2-1所示，主要由发射电子的阴极（灯丝）、控制电子流的栅极、覆盖荧光粉的阳极、盖板玻璃等构成。盖板玻璃和玻璃基板之间是一个真空容器，里面以阴极（灯丝）、栅极和阳极为基本电极。在玻璃基板上分布着阳极、栅极和配线，阳极和栅极通过各自的配线与外围的引线电气连接，阳极和栅极分别通过绝缘层与配线隔离，在通孔处进行电气连接。引线采用与玻璃具有相同膨胀率的合金（Ni占42%、Cr占6%，剩下为Fe），作为向内部电极提供所需电压和电信号的引出端子。封接玻璃（玻璃粉）用于固定玻璃基板和引线，以保证真空容器所需的真空度。VFD通过排气孔排出真空容器内的空气，然后用涂覆封框胶的金属盖封住排气孔。消气剂主要用在排气工程的最后阶段，通过高频诱导加热，吸收VFD管内残留的气体，提高真空度。

盖板玻璃的内表面有一层ITO透明导电膜，引线与灯丝支架通过接点相连，接上阴极电位或其他正电位，形成静电屏蔽层。一方面，屏蔽外部静电场的影响，避免外部静电场干扰灯丝发射的电子束走向而导致发光状态不稳定；另一方面，防止电荷在玻璃盖板上积累。

在图2-1所示的VFD结构中，与显示驱动相关的电极组件的基本结构与功能如下。

（1）灯丝（阴极）：在不妨碍显示的极细钨丝芯线上，涂有Ba、Sr、Ca氧化物的三元碳酸盐覆盖层，再以适当的张力安装在灯丝支架（固定端）与弹簧支架（可动端）之间，在两端加上规定的灯丝电压，使阴极温度达到约650℃而放射热电子。灯丝通电时吸收热而膨胀，为防止灯丝出现弯曲，需要使用弹簧支架。灯丝的电压不能超过规定范围，电压过高会引起覆盖层蒸发，导致显示品质劣化。

（2）栅极：采用不锈钢薄板，经过光刻形成金属网格状的栅极，控制从灯丝发射出来的电子。在栅极上加正电压，使来自灯丝的放射电子加速、扩散，并引向阳极。如果栅极加负电压，则能阻断电子向阳极扩散。栅极固定结构把栅极安装在玻璃基板上，经通孔与配线实现电气连接。

（3）阳极：由石墨、ITO等导体制成显示图案，并按照显示图案的形状印刷上荧光粉。在阳极上加正电压后，经栅极的加速作用，向阳极扩散的电子会撞击而激发荧光粉，使之发光。

VFD的阴极不是真正的平板电子源，是由平行分布的细钨丝构成的，难以精确聚焦。架空的栅极也不允许制作太高的分辨率。薄膜工艺可以制作约100Lm/线的线条，而多重阳极技术需要在两个相邻发光点间通过多条引线，仅用栅极逐行（或列）驱动的简单矩阵又难以聚焦和解决高分辨率下的相邻干扰的问题。目前有源矩阵VFD的像素节距为0.13mm。

2．显示原理

图2-2给出了VFD的基本工作原理。如图2-2（a）所示，灯丝（阴极）发射的热电子通过栅极开口（简称栅孔）后，轰击字段（阳极）上的荧光粉实现发光，不发光的字段没有热电子轰击。字段发光与不发光的电极极性关系如图2-2（b）所示。灯丝发射的电子能否通过栅极到达阳极，取决于栅极相对于阴极的电位。当栅极电位为正时，阴极发射的部分电子被栅极截获，变成栅流，这部分电流越小越好；部分电子穿过栅孔打到阳极，激发荧光粉发光，成为阳极电流。这时，阳极必须加正电压。如果栅极和阳极不能同时为正电压，VFD就无法正常发光显示。

VFD基于阴极射线而发光，通常认为2～3kV以下属于不能发光或发光效率很低的“死电压”范围。阴极射线发光中发光材料的表面无辐射跃迁使得大部分发光材料在低能电子轰击下的发光效率极低，大量的材料在20V左右的电压下都不能发光。并且，低能电子发光的电子能量太小，不能穿过铝膜层，不能借助荧光粉表面的铝膜保持荧光粉表面的电位，只能依赖荧光粉本身的良好导电性能，让入射的电子穿过荧光粉，流向阳极实现发光。根据阴极射线发光理论，发光亮度L与阳极电压e、阳极电流密度ib、发光效率η及激发占空比Du有如下关系：

L=μ·Du·η·ib·e

（2-1）

式中，L为人眼所感觉到的亮度，μ为与单位换算、发光面积有关的常数。

阳极电流是由阴极提供的，阳极电流越大，所需的阴极功耗也越大。VFD的总功耗包括阴极加热功耗、栅极功耗和阳极功耗。不考虑驱动电路的功耗，VFD显示屏的阴极功耗占显示屏总功耗的1/3以上。VFD工作时需要阴极一直保持加热状态，每平方厘米阴极耗电约50mW，因而比较适合用于对功耗要求不高的小屏幕电器设备。需要开发的低功耗VFD组件包括高效率的发光材料和阴极，并优化驱动电路，配上通用的数字接口。电极之间的距离要小，栅极的网眼密度要高，开口率尽可能大，栅网的强度在VFD的加工过程中要能经受多次的高温烘烤而保持平整。

2.1.2　VFD基本类型和应用

VFD是一种低能电子发光显示器件，它克服了CRT体积大、电压高的缺点，虽然是真空器件，但工作电压低、体积小和亮度高。在环境亮度变化大和对低功耗无要求的场合有着优越性，所以在计算器、汽车、仪器仪表等方面有广泛的应用。VFD产品由数码管发展到平板多位数码、文字和符号的复合显示屏、矩阵屏，以及显示图像的视频显示屏。VFD根据电极结构分为二极管和三极管两种，根据驱动方式分为静态驱动和动态驱动两种，根据显示内容分为数码显示、字符显示、图案显示、点阵显示、复合显示等。发光形式有点阵式、固定图形、文字式等，显示形式有直视型、投射型（前面发光型）、两面发光型等。

1．电极结构

VFD的显示原理是灯丝（阴极）发射的电子撞击阳极上的荧光粉发光。只有阴极和阳极的VFD属于简单的二极屏。在图2-1和图2-2所示的VFD结构中，增加了一层栅极对电子进行控制，形成三极屏。为了更好地控制电子，还可以增加两层或三层栅极，形成四极屏或五极屏。

在二极屏中，阴极和阳极的间距一般为1～2mm，相邻阳极不能靠得太近。两个相邻阳极如果间隔太小，当分别显示亮和暗的状态时，边界电场的串扰会导致相邻阳极的电场不均匀，使来自阴极的电子加速减弱或被排斥，导致亮区靠近暗区的边缘亮度下降。除相邻阳极不能靠得太近外，阳极上荧光粉的边缘离阳极边缘要控制在0.5mm以上。所以，二极屏的分辨率比较低。二极屏的每一个阳极段对应一条引线，制作简单、成本低。

三极屏有三极静态屏和三极动态屏之分。阳极引线有薄膜和厚膜两种工艺，厚膜工艺可得到分辨率较高的器件。显示的内容一般包括图形和由点阵或笔段构成的字符。三极屏是目前用途最广、品种最多的VFD，曾大量用于录像机、VCD、DVD和功放，后又扩大到微波炉、空调、热水器等家电。一些特殊的屏也用于汽车的仪表、室外的高亮度信息显示。后续的VFD显示技术介绍都基于三极屏。

2．驱动方式

VFD的栅极与阳极电位若是正电荷，理论上就会获得预期的发光效果，其驱动方式可分为静态驱动与动态驱动两种。

如图2-3所示，静态驱动是控制构成显示图案各段的亮态和暗态，从而控制画面显示。由于栅极只有一片，因此各段都设有引线。静态驱动方式最大的特征是可以用任意形状与时序，在任意时间使各段发光显示。静态驱动主要应用在要求低电压驱动、高亮度显示的汽车仪表板等领域。

如图2-4所示，动态驱动基本上由栅极与阳极构成的矩阵组成，栅极是以时间分割方式依序驱动的，同时让阳极配合栅极的选择时间同步发光。由于这种方式要共享阳极电极，因此电极导线数量比静态驱动方式少，有利于复数区段构成的模块应用。字符等点矩阵显示、图表等全矩阵显示就是动态驱动的典型应用，也可用在汽车的HUD等高附加值领域。

3．显示内容

VFD从7段、8段（带小数点的7段显示）数字和符号显示开始，扩大到14段、16段的英文和各种符号显示。8段可以显示0～9的数字和负号，也可以显示部分西文字母。7段显示为数字显示专用，具有高可视性。因此，VFD多用于大型计算器、时钟、电子秤、测量仪器等。14段和16段可以完整地显示字母和+、−、×、/等符号。

由于产品显示内容趋向于图文并茂，使点阵、图形VFD的需求量大增。如图2-5（a）所示的点矩阵显示由12个m×n点矩阵排成一行，通过12个分立的字符显示一个句子。如果点矩阵排成多行就能显示多个句子。点矩阵显示一般采用动态扫描方式。如图2-5（b）所示的全矩阵显示（全点阵图形VFD模块）可以自由显示各种文字和图表信息，甚至可以显示带有灰度或色彩的图像。这类VFD可作为收款机、POS终端机、检测仪器等信息量大、显示内容变化广的显示器。工艺难点包括高精度阳极引线的制作、电子聚焦能力的提高及长度大的栅极和阴极强度的提升。

可以同时进行固定段码显示和全点阵显示的VFD称为混合显示VFD。图形VFD模块几乎能显示所有信息，包括数字、字符和图像。点矩阵和显示区域可自由合成。应用平面包装的显示驱动器和单一芯片控制器使得部件轻便简洁。通过一个简单接口便可启动，具有8bps高速写入功能，亮度可用软件调控。为满足大信息量显示的需要，VFD像元间距需要减小到0.3mm或更小。

VFD性能与所搭载的产品性能和应用机能密切相关。例如，车载用VFD具有耐环境、高可靠性、长寿命、广视角（误视率小）等特点。加上自由设计和多彩化的特点，VFD的车内装饰性更高。VFD的这些特点也使其在微波炉、热水器、暖风机等家电产品，以及音响、录像机、DVD等AV产品中得到广泛应用，并且，在汽车音响、仪表盘、里程表、变速杆、汽车空调等车载显示盘中也有使用，见表2-1。

2.1.3　彩色VFD显示技术

VFD从单一的蓝绿色发展到彩色显示，基础是荧光粉发光技术。通过改变荧光粉种类，基本可以获得从红橙色到蓝色的各种颜色。VFD的蓝绿色亮度为1000～2000cd/m2，红色和蓝色为几百cd/m2，用于汽车上的平视显示器（Head Up Display，HUD）亮度可达10000 cd/m2以上。此外，通常还需要采用滤色板。

1．VFD荧光粉发光技术

在低能电子激发中，电子的穿透深度很小。500eV的电子在ZnO:Zn和ZnS类荧光粉内的电子穿透深度分别不超过811nm和610nm。对阳极电压12V就能正常发光的ZnO:Zn来说，电子渗入发光体内的深度很浅。荧光粉的粒径一般为几个微米，发光只限于荧光粉的表面，这就要求VFD使用的荧光粉必须具有较好的表面发光效率。ZnO:Zn是极少数本身导电的荧光粉之一，在高能量电子激发下的能量转换效率为7%，流明效率为25lm/W，但在VFD中的发光效率只有15lm/W左右。自身导电的发光材料还有SnO2:Eu （红色）和（ZnMg）O:Zn，Cl（浅黄色）。

ZnO:Zn荧光粉是被广为使用的荧光粉，ZnO:Zn作为理想的低压发光材料，具有许多优点：①电导率大，不会产生表面电子积累，不影响荧光粉表面的电位；②寿命长、抗电子轰击能力好，在低电压和大电流密度下的工作寿命达数万小时，甚至十万小时以上；③发光亮度高，一般为几百至几千cd/m2。但是，ZnO:Zn荧光粉的发光效率受温度影响较大，80℃时的发光效率会降低到20℃时的50%。ZnO:Zn荧光粉的发光光谱很宽，几乎覆盖整个可见光谱。

荧光粉的发光效率一般与使用温度成反比。各种荧光粉的发光效率以室温（25℃）为基准。目前，VFD使用的荧光粉具有高色纯度与色彩种类丰富、选择空间宽广等优点。从短波长的蓝色到长波长的红橙色有多种荧光粉可供选择，如图2-6所示。尤其是透过区段模块与不同荧光粉的搭配，可以产生各式各样高质感、高辉度与立体感的画面。

除色彩提升外，还希望荧光粉的起始电压低。可以使用具有一定电导率的导电基质材料作为荧光粉，如蓝色荧光粉ZnGa2O4的起始电压小于6V，绿色荧光粉ZnGa2O4:Mn的起始电压为3.5V。也可以用In2O3、SnO2或ZnO等导电微粒作为基质，掺入导电性差的荧光粉以改善其导电性，从而获得低压荧光粉。甚至可以在效率高的CRT荧光粉中加入In2O3、Sn2O3等导电材料。用掺杂方法制成的低压荧光粉有ZnS:Ag（蓝色）等。加In2O3的低压荧光粉（ZnxCd1−x）S:Ag,Cl，根据不同的x值，可以得到从绿偏黄到红色的发光颜色。

VFD的进一步发展需要开发高效低压彩色发光材料，特别是解决蓝粉的亮度和寿命。相比ZnO:Zn，彩色显示所需的其他低压荧光粉的发光效率低、稳定性差。VFD上荧光粉的激发电流密度很大，荧光粉容易老化，特别是含硫的荧光粉。由于环保限制，需要开发无Cd红色荧光粉和长寿命的无硫荧光粉。为避免荧光粉受电子激励后放出硫化物气体而导致氧化物阴极中毒和发光效率下降，开发了非硫化物的蓝色荧光粉ZnGa2O4，红色荧光粉SrTiO3:Pr,Al,Ga,Zn。

2．VFD滤色板技术

如图2-6所示，荧光粉的发光波谱较宽。特别是ZnO:Zn的发光光谱几乎包含了整个可见光，由于峰值波长λp为505nm，视觉上仍表现为绿色。绿色的亮度高、光谱范围大，与各种滤色板组合后可以获得从红色到蓝色范围内的多种颜色。图2-7罗列了几种滤色板的透过率范围。发光色与透过率重合部分就是实际可见的颜色。如果采用一个光学带隙的滤色板，滤除峰值波长的频率，其他频谱顺利通过的部分光合成后即为白色。

绿色荧光粉的发光强度很大，为了获得白光，通常采用如图2-8（a）所示的酒红色（红色和蓝色透过率高）滤色板作为绿色峰值带隙，用在室内电器上可取得良好的视觉效果。但在周围环境光线较强或要求高亮度显示时，不能采用酒红色滤色板。因为酒红色滤色板会把大部分绿光过滤掉，牺牲了荧光粉的最大能谱范围。这时需要采用如图2-8（b）所示的绿色（单色通过）滤色板。如果同时存在其他颜色的荧光粉，必须让这些荧光粉的彩色光线通过，所以需要采用多路带通滤波的绿色板。在某些场合下，会采用多片不同颜色的滤色板拼接以取得最佳的使用效果。使用和发光色相同颜色的滤色板，可以提升发光色的纯度。

此外，采用滤色板可以拦阻环境光线影响VFD的发光，使图案背景纯净，发光效果更加清晰。当VFD接近白色光源或受到外界自然光照射，荧光粉反射外界光后导致VFD器件的对比度下降。使用滤色板可以抑制外界光的反射光，提升对比度和可视效果。使用滤色板提升对比度的原理如图2-9所示。实际外光强度可能比1高，所以实际对比度就会比图示低。一般民用VFD的透过率在20%～40%，车载用VFD的透过率在5%～20%。加滤色板后使用者不易看到VFD的内部结构。

VFD的上下平板都是玻璃，最好有个保护层来缓冲外界的强压力或冲击。通常，音响或视频设备所用的VFD为了改善外观、提升对比度，都会使用丙烯树脂等着色透明塑料。