雖然VFD的動作原理與CRT同樣是利用電子線激發螢光體產生光線，不過VFD的驅動電壓卻非常低，此外VFD使用的螢光體特性與CRT顯示器截然不同。70年代VFD問世後立即成為計算機主要顯示元件(圖一)，90年代由於薄膜佈線技術以及光學印刷技術的進步，使得真空螢光顯示器也能夠顯示高難度的點矩陣（dot matrix）畫面。真空螢光顯示器具備高輝度、色彩鮮艷、色彩種類豐富、畫面立體高質感及主動發光等光學特性，而且它的pattern設計自由度非常大，因此可以配合客戶的需求作客製化設計；結構上使用極低的驅動電壓以及與CRT相同的高溫製程，因此VFD的可靠性與－40℃＋110℃耐環境特性，即使LCD、EL、OLED顯示器普及化的還境下，依然能夠在汽車、航太、醫療與工業界等高附加價值領域占有一席之地。有鑑於此，本文將深入介紹有關真空螢光顯示器，與真空螢光顯示器的藍色氮化物螢光體等相關技術。

《圖一　真空螢光顯示器的外觀》

VFD的分類與動作原理

如(圖一)所示，真空螢光顯示器可依電極結構與顯示方法作分類，實際上隨著成品的使用目的，可作各種組合進而形成多樣化的產品形態。真空螢光顯示器的結構基本上與傳統三極真空管非常類似，它是由可以發射電子的絲極（filament）、控制電子擴散的柵極（grid）以及顯示畫面的陽極（anode）所構成，如(圖二、圖三)。

《圖二　VFD的分類與特徵》

為避免絲極（filament）妨礙畫面顯示，因此鎢絲線（Tungsten）表面包覆Ba、Sr以及Ca等材料構成的氧化物。動作時對絲極施加電壓使絲極加熱至620℃，接著再用柵極（grid）對絲極釋放的熱電子進行控制與加速，通過柵極網孔（mesh）的電子撞擊至塗有螢光體的陽極（anode），進而激發螢光體產生光線。此處同樣為避免柵極妨礙畫面顯示，因此利用蝕刻（etching）技術將厚50μm不踤鋼板製成線寬30μm的網孔，如此一來只要對柵極施加正電荷，便可使絲極射出的電子加速擴散，並將電子誘導至陽極。

陽極基板則利用厚膜印刷技術製作鋁質膜層導線，接著再用低融點玻璃在導線上鋪設絕緣層，顯示畫面的部位設有through hole，該through hole絕緣層上方以黑鉛形成電極，最後在電極表面塗佈螢光體形成陽極發光顯示單元。顯示畫面時分別對柵極與陽極施加正電位，非顯示部位則對柵極與陽極其中一方，或是兩者同時施加負電位，藉此方式阻止電子進入螢光體產生撞擊發光。

VFD的驅動方式

《圖三　VFD的動作原理》

真空螢光顯示器的柵極與陽極電位若是正電荷的話，理論上就會獲得預期的發光效果，它的驅動方式可分為靜態驅動（static drive）與動態驅動（dynamic drive）兩種，因此接著要介紹這兩種驅動方式的特徵與用途:

靜態驅動方式

如(圖五)所示，靜態驅動是透過構成顯示pattern的各區段（segment）的ON/OFF，藉此控制畫面顯示。由於柵極只有一片，因此各區段都設有導線（lead）。靜態驅動方式最大特徵是可用任意形狀與timing，在任意時間使各區段發光顯示畫面。它主要是應用在要求低電壓驅動、高輝度汽車儀錶板等領域。

《圖四　VFD的斷面結構》

動態驅動方式

如(圖六)所示，動態驅動基本上是由柵極與陽極構成之矩陣（matrix）組成，柵極是以時間分割方式依序驅動，接著再使陽極配合柵極的選擇時間作同步發光。由於這種方式共用陽極電極，因此電極導線數量比上述靜態驅動方式少，這對複數區段構成的模組應用相當有利。點矩陣（dot matrix）與座標、圖表顯示器就是典型的應用，一般認為這類產品未來可望應用在汽車的抬頭顯示器（Head Up Display；HUD）等高附加價值等領域。

雖然目前商品化的真空顯示器以綠色畫面占多數，不過真空顯示器使用的螢光體具有高色純度與色彩種類豐富、選擇空間很寬廣等優點(表一、圖七)，尤其是透過區段模組與不同螢光體的搭配，可以產生各式各樣高質感、高輝度與立體感畫面。

最近幾年基於環保等考量，無鉛導線銲接材料與無鎘（Cadmium）螢光體，已經逐漸取代傳統材料，使得真空螢光顯示器除了鮮艷高質感畫面之外，更具備其它顯示器不能抗衡的安全性與耐環境特性。

VFD的種類

Rib Grid真空螢光顯示器（GOSVFD）

Rib Grid真空螢光顯示器（Grid On Separator VFD；GOSVFD）是在顯示pattern周圍設置印刷積層柵極（grid），取代絲極與陽極之間設置的金屬網欄柵。具體方法如(圖八)所示，它是利用厚膜印刷技術製作區段，與高220μm寬120μm的柵極。如(圖九)所示Rib Grid型真空螢光顯示器主要特徵，並顯示其可以獲得高密度pattern，同時還可以依照設計者的需求任意分割柵極的原理。

《圖五　VFD的靜態驅動（static drive）方式》

(a)GOS型VFD的結構

(b)一般欄柵型VFD的結構

雙面發光型VFD（By Planer Type VFD）

雙面發光型VFD是由(圖十)(a)的直視型VFD背部顯示模組，與圖十(b)所示正面顯示模組，兩者組合構成的真空螢光顯示器單體。由於正面、背面可以個別顯示影像，因此資訊顯示量相對變成兩倍。此外雙面發光型VFD還可以作空間區隔，透過兩面同時發光作立體影像顯示。

《圖六　VFD的動態驅動（duplex drive）方式》

內建IC的真空螢光顯示器（CIGVFD）

如(圖十一)所示，內建IC的真空螢光顯示器（Chip In Glass VFD；CIGVFD），是將顯示器外部驅動的IC整合於真空螢光顯示器內部並與柵極與陽極直接連接，如此一來可以大幅削減導線數量，相對的系統組合上可以減少真空螢光顯示器與驅動用面板之間的接點數量，進而提高元件的可靠性

HUD真空螢光顯示器（HUDVFD）

《圖七　真空螢光顯示器的CIE色度座標圖》

如上所述真空螢光顯示器最大特徵之一，是它的的顯示輝度非常高，因此80年代業者曾經開發輝度高達40000cd/m2車用抬頭顯示器VFD（Head Up Display VFD；HUDVFD），利用高輝度真空螢光顯示器將行車資訊投影至汽車擋風玻璃。(圖十二)是用抬頭顯示器的動作原理。最近幾年由於半導體加工技術的進步，HUDVFD朝向高輝度、高畫質方向發展，具體內容如下:

主動式矩陣真空螢光顯示器（AMVFD）

80年代開發的HUDVFD只能夠投影顯示汽車轉速表的資訊，隨著汽車性能與相關配備的多元化，必需投影顯示的資訊大幅增加，相形之下傳統的HUDVFD的功能已經不敷使用，因此業者陸續開發新世代的主動式矩陣真空螢光顯示器（Active Matrix Vacuum Fluorescent Display；AMVFD）。

如(圖十三)(a)所示，AMVFD具體結構是在內建陽極驅動電路的IC表面塗佈螢光體，藉此方式將IC當作陽極使用，接著驅動內建記憶回路的static matrix，進行複雜的矩陣畫面顯示。圖十三(b)為40×80Dot、30000cd/m2高輝度圖案（graphic）的實際外觀。一般認為，為了提高畫質細緻度，未來必需縮小甚至消除IC晶片排列的間距，同時增加顯示面積才能夠達成大容量化的預期目標。

《圖八　傳統VFD與GOS型的結構比較》

VFPH（Vacuum Fluorescent Print Head）

除了車用HUD應用之外，主動式矩陣真空螢光顯示器還可以當作快速沖印設備的列印光源，這種稱為VFPH（Vacuum Fluorescent Print Head）的真空螢光顯示器，具備300400dpi（dot per inch）超高解析度特性。

(圖十四)(a)是VFPH的基本結構。為縮小VFPH的點間距（dot pitch），因此必需利用Al薄膜微細加工技術，或是以光學蝕刻技術製作螢光面，此外基於減少導線等考量，整合CIG（Chip In Glass）技術已經成為製作超高輝度、超高解析度螢光發光列印頭（VFPH）不可或缺的手段。圖十四(b)是利用VFPH列印的印刷實例。

《圖九　GOS型VFD的實際外觀》

真空螢光顯示器的製作

(圖十五)是真空螢光顯示器的製作流程；陽極基板的製作流程。若以元件作區隔真空螢光顯示器是由陽極（anode）基板、柵極（grid）、絲極導線（filament）、導線架（lead frame）等金屬元件，以及形成真空容器的front glass所構成。

由圖十五的製作流程可知，內建金屬元件的陽極基板與front glass融接，接著再用排氣管使真空容器形成真空狀。

《圖十　by planer VFD的結構》

VFD的藍色發光螢光體

GaN與InGaN藍色發光螢光體

一般低電壓型綠色真空螢光顯示器大多使用ZnO：Zn螢光體，然而ZnO：Zn綠色發光時略帶白色，因此無法當作全彩化三原色螢光體使用，至於其它發光色的螢光體，通常會將導電物質混入CRT常用的螢光體內藉此降低阻抗，不過隨著混合量的增加，發光卻相對減少，發光效率也因此大幅惡化，換句話說真空螢光顯示器專用的螢光體，必需具備低阻抗與高發光效率兩種基本特性。

由於Ⅲ族氮化物GaN同時具備高發光效率與高導電性，而且熱化學穩定性非常好，又不含會污染氧化物絲極的物質，例如Ⅲ族氮化物GaN與InN的band gap，分別是紫外光的3.39eV一直到紅外光的18.9eV，幾乎含蓋三原色所有發光範圍，因此接著要介紹GaN與InGaN兩種真空螢光顯示器專用的藍色發光螢光體。

GaN是在氨（Ammonia）環境中將Ga加熱製成，利用這種方法製成的GaN首度被發現具有發光（Photoluminescence；PL）特性，不過上述GaN整體成黑色而且發光強度很弱，因此改用熱處理方式使GaN在氨環境中進行化學反應，利用這種稱為昇華型的製程，可以獲得微結晶的GaN，如果將In硫化物與Ga硫化物混合，並在氨環境中進行化學反應（此處稱為第一階段製法）製作InGaN，接著再與利用相同方法製成的GaN與In2S3混合，並在氨環境中進行化學反應（此處稱為第二階段製法），便可以獲得藍色發光的螢光體。利用兩階段法製作GaN與InGaN，最大優點是可以依照各材料合適的溫度進行化學反應。GaN與InGaN製作設備內部結構與profile，首先將In硫化物與Ga硫化物置放在石英board上，接著再送入石英反應爐內在氨環境中，以電氣爐加熱至1000℃並保持數小時。一般認為反應過程可用(公式一)表示，不過尚未獲得證實。

《公式一》

GaN：Zn與InGaN：Zn藍色發光螢光體

基本上GaN：Zn藍色發光螢光體是以ZnS為不純物，將Zn添加至Ga製成GaN：Zn。此處為提高GaN：Zn藍光的純度與長波長化的視感效率，因此東京理科大學教授蟹江壽將In硫化物與GaN：Zn混合，接著再用上述二階段製法製成發光頻譜（spectre）峰值為2.82eV的InGaN：Zn藍色發光螢光體。(a)是In濃度1％以下時的SEM影像；圖十八（b）是以藍色濾光片（blue filter）觀察的CL影像，根據圖十八(b)顯示，InGaN：Zn具有很多的微結晶。

《圖十一　CIG型VFD的實際外觀》

GaN：Zn的激發頻譜與選擇激發頻譜；InGaN：Zn的激發頻譜與選擇激發頻譜。根據圖十九顯示，3.49eV附近是GaN：Zn的吸收端；3.32eV附近是Zn參與激發帶的sub peak；由圖二十可知InGaN：Zn在3.14eV附近具備新的峰值激發帶，而且選擇激發頻譜從2.74eV一直到2.19eV呈長波長波化。蟹江壽推測3.46eV、3.37eV及3.14eV分別是InGaN的吸收端、Zn參與激發帶的激發範圍以及In參與發光帶的激發範圍。此外根據3.14eV激發發光時的PL頻譜位置計算In濃度，卻發現30％時會與XRD的結果相互矛盾，蟹江壽認為這是In試料濃度不均勻所造成的。

《圖十二　真空顯示器的實際應用範例》

利用InGaN：Zn螢光體的真空螢光顯示器的CL頻譜特性，根據本圖顯示InGaN：Zn螢光體的發光波長出現長波長化現象，這可能是In濃度不足或是InGaN結晶表面附近的結晶性不佳造成的結果。

《圖十三　AM型VFD的結構與顯示畫面》

(a)AM型VFD的結構

(b)AM型VFD的顯示畫面

上述真空螢光顯示器的陽極電壓與輝度的依存性測試結果，由測試結果可知隨著陽極電壓的升高，真空螢光顯示器的輝度呈直線性增加，並未因為電壓（電流）出現輝度飽和現象，此外開始發光的電壓只有10V左右，顯示InGaN：Zn具備低電壓螢光體特性。

《圖十四　VFPH的結構與印刷實例》

(a)VFPH的結構

(b)VFPH的印刷實例

真空螢光顯示器的陽極電壓與發光效率的依存性測試結果，根據測試結果顯示陽極電壓一旦超過30V以上，發光效率就呈一定狀態。

以上介紹利用GaN：Zn與In兩硫化物製作InGaN：Zn螢光體的方法。根據PLE與PL實驗證實In對InGaN：Zn螢光體發光特性具有決定性的影響。

利用上述螢光體製成的真空螢光顯示器的CL發光頻譜，顯示只有少許的長波長化現象。此外發光開始電壓與電流都不會產生輝度飽和問題，對低速電子線激發則非常穩定。目前InGaN：Zn螢光體發光效率大約是0.03lm/W，距離實用化仍有待改善，例如消除非發光部位，藉此提高螢光體的收率與發光效率，同時減少表面附近的缺陷，提高螢光體的結晶性等等。

GaN結晶的高空間解析度CL影像，照片中的黑點是非發光部，也是上述必需改善的標的物之一。

《圖十五　VFPH的製作流程》

結語

70年代問世的真空螢光顯示器，曾經是電子產品主要的顯示元件。90年代大型液晶顯示器快速普及，真空螢光顯示器的能見度似乎大幅萎縮，然而真空螢光顯示器結構上，具備高輝度、色彩鮮豔種類豐富、畫面立體高質感與主動發光等LCD EL OLED平面顯示器無法抗衡的特性，加上VFD低電壓驅動、－40℃＋110℃超耐環境特性，以及可以配合客戶的需求作custom design等特徵，因此最近幾年再度受到相關業者高度重視。除此之外TFT半導體薄膜技術與新世代螢光體的實用化，使得真空螢光顯示器能夠顯示複雜高難度的點矩陣影像，一般認為VFD未來可望在汽車、航太與醫療等高附加價值領域發揮它獨特的功能。

延 伸 閱 讀	經濟全球化，社會資訊化，生活現代化促使資訊技術一直呈蓬勃的發展態勢。資訊顯示在資訊技術中佔有重要地位，尤其在廣告、視頻通訊、電腦網路終端、資訊發佈等方面用途十分廣泛。相關介紹請見「 新穎平板顯示」一文。 VFD是用於小型顯示器（小於5吋的尺寸），提供其明亮的對比。VFD的優點包有較高的亮度，較寬的視角，較寬的操作溫度範圍，以及較低的成本 。你可在「VFD簡介及特性」一文中得到進一步的介紹。 在20世紀，圖像顯示器件中，陰極射線管（CRT）占了絕對統治地位，如電視機、顯示器等絕大多數都採用CRT。但是與此同時，平板顯示器也在飛速地發展著，特別是液晶顯示器的品質大幅度改善，價格又持續下降，不但在中小螢幕顯示中代替了CRT，而且也快速地進入了電腦顯示器領域。在「完全透視平板顯示器」一文為你做了相關的評析。

市場動態

平版顯示器分為主動發光顯示器與被動發光顯示器。前者指顯示媒質本身發光而提供可見輻射的顯示器件，它包括等離子顯示器（PDP）、真空螢光顯示器（VFD）、場發射顯示器（FED）等。相關介紹請見「平板顯示器技術的發展趨勢」一文。 本文回顧應用於各種平面顯示器的玻璃基板。首先從平面陰極射線管顯示器談起，依序介紹與陰極射線管關聯的真空螢光管（VFT）顯示器、場發射顯示器（FED）、電漿放電顯示器（PDD）和這些顯示器所需要的玻璃基板後，再探討固態電子平面顯示器。你可在「玻璃基板在各種平面顯示器中擔負的角色及其發展」一文中得到進一步的介紹。 微顯示（Microdisplay）技術的核心就是把顯示電視圖像或電腦圖像的全部圖元集成到一片積體電路上。從不同的角度出發可以對微顯示器給出好幾個不同的定義。在這?，我們根據微顯示器本身的尺寸，將微顯示器定義為對角線尺寸小於3英寸（7.62釐米）的平面顯示器。在「顯示技術的新亮點--微顯示器」一文為你做了相關的評析。