彩色真空荧光显示器 本发明涉及一种真空荧光显示器，特别是一种长寿命、高亮度和高效率的多色或全色真空荧光显示器。
真空荧光显示器(一下简称VFD)于1967年由日本人发明。它是一种利用低压阴极射线发光的原理制成的显示器。直热式氧化物细丝阴极为电子源，当此细丝加上一定的电压，细丝温度升到约600℃伏付至100多伏)吸引，撞击并激发阳极上的发光材料产生发光。阳极被制成不同的形状，开、关阳极电压即可显示字符和图形等。目前这种VFD已广泛使用于录像机、电子称、时钟、仪器仪表、汽车和控制系统等。
但目前的VFD一般只有一种颜色，即兰绿色，它由ZnO∶Zn发光粉产生。此种发光粉在低能电子激发下具有高达10流明/瓦的发光效率和长达10000至50000小时的工作寿命，亮度为数百至数万cd/m2，可在各种照度环境下工作。
近十几年来，许多发光材料的研究者，在致力于寻找其它颜色的及红、兰、绿三基色的低压发光材料，以期制成多色或全色的VFD，用于多色显示器等。然而直至今日，还没有找到一种亮度、效率、寿命可与ZnO∶Zn相比的其它颜色的发光材料。
目前VFD所用的和正在研究的其它颜色的发光材料主要有如下二种：
1、高压阴极射线发光粉混合一些导电粉，使它成为低压发光材料。例如：Y2O2S∶Eu混合In2O3导电粉，得红色低压发光粉；混合Gd2O2S∶Tb和In2O3得绿低压发光粉等。这些发光材料现已被用于录像机显示器中，但其亮度和效率很低，寿命也短。
2、用新材料作发光材料基质，例如SnO2∶Eu，(Ga、Zn)O∶Eu等，但目前它们的亮度、效率、寿命都还太低。
由于上述原因，目前VFD仅有低亮度和低显示信息量的多色显示器，无法制成高亮度、长寿命的大显示信息量的多色和全彩色显示器。
本发明基于对低压阴极射线发光效率和寿命等基本原理地研究，提出了一种新的VFD结构。此新VFD可制成高亮度、高效率、长寿命的多色和全彩色显示器，用于显示字符、文字、图形和彩色图象等。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：
1、由低压阴极射线发光的基本研究，我们发现几乎所有的高压阴极射线发光材料即使不加In2O3等导电粉，在阳极电压高于500伏时都可发光，而且它的亮度大多随阳极电压的上升而超线性上升。
2、由低压阴极射线发光的基本研究我们发现，许多材料的低压阴极射线发光的寿命短的主要原因不是因为随着工作时间的增加，发光材料本身的效率下降，而是由于阴极的电子发射效率下降之故。而热阴极电子发射效率下降的主要原因是发光材料分解所产生的溅射物质和器件中的阳离子击中阴极使阴极中毒引起的。
3、基于上述发现，本发明的VFD采用较高的阳极电压，例如300伏以上，以得到亮度和效率足够高的各种颜色的发光，包括红、兰、绿三基色的发光。
4、在高阳极电压下，多数发光材料的分解和溅射明显，阳离子轰击也更严重，为避免溅射物和阳离子导致中毒，我们在热阴极前设置一档板电极，利用溅射物和阳离子质量大，其轨迹为直线，而电子质量小，在刚离开阴极时速度低、易偏转的特性，挡住溅射物和阳离子而同时又可有效地让电子由阴极发射到阳极，从而得到长寿命VFD。
5、新VFD可采用透射式发光显示，即观察者在阳极一边。观察者看不到阴极及栅极等零件，显示图形的质量好，但在此情况下，发光材料所发的光有60％以上的光背离观察者向后发射，因而效率低。为此，本发明发光层的面向阴极的一面沉淀上一层绝缘的或高电阻的白色多孔反射层。此反射层可有效地将向后发射的光反射向观察者，以提高亮度和效率。此反射层有许多小孔，例如为一绝缘或高电阻白色粉末层；由阴极来的电子可自由地经过这些小孔或白色粉末粒子间隙击中阳极上的发光材料使其发光。同时此反射层还可有效地阻挡发光材料分解产生的物质飞向阴极，因而也可提高阴极的寿命，即提高VFD的寿命。
附图说明如下：
图1为目前现有技术的VFD的结构示意图；
图2(a)为本发明的一种VFD的结构示意图；
图2(b)为本发明的另一种VFD的结构示意图；
图2(c)为本发明的又一种VFD的结构示意图；
图2(d)为本发明的又一种VFD的结构示意图；
图2(e)为本发明的又一种VFD的结构示意图；
图3为现有技术的三色阳极条的连接方式示意图；
图4为本发明的三色阳极条的连接方式示意图；
图5为本发明的VFD的挡板电极形状的几个例子的示意图；
图6为本发明的阴极、栅极和挡板的几个例子的示意图；
图7为本发明的一种VFD的原理示意图；
图8为现有技术的无铝膜反射层的低压发光屏的发光示意图；
图9(a)为本发明的高效率低压阴极射线发光屏的原理示意图；
图9(b)为本发明的高效率低压阴极射线发光屏的一个例子的示意图。
图1为现有技术的VFD的结构示意图。图中101为直热式氧化物细丝阴极，它由细钨丝外覆氧化物(例如(Ba、Sr、Ca)O)电子发射层组成；102为栅极，用于控制电子和使电子发布均匀；103为阳极；104为涂覆于阳极上的发光材料，如ZnO∶Zn发光粉。以上各零件均被密封于由基板105和玻璃背外壳106组成的真空容器中。背外壳106的内表面上有一导电层，与热阴极连接，用于屏蔽外电场对显示器的影响。基板105和背玻壳106中至少有一个是透明的，用于让发光层104产生的光出射以显示字符等。
当热阴极101加上适当的额定电压，细丝发热，温度升高到约600℃时，此热阴极即发射电子。所发射的电子受栅极102和阳极103上的正电压吸引，撞击阳极，使阳极上的发光材料104产生发光，从而显示字符图形等。所说的栅极102和阳极103均可用来控制发光层104的发光。当阳极上加有正电压，相对应的栅极同时加有正的“开”电压，则此阳极上的发光层发光。反之，若栅极加上“关”电压，电子被截止，或阳极电压等于或低于阴极电压，则该发光层不发光。
图2(a)为本发明的一种VFD的结构示意图。图中201为发射电子的阴极，例如为至少一条直热式氧化物细丝阴极；202为阳极；203为阳极上的发光层；204为挡板电极，位于所说的阴极201与阳极202之间。每一条阴极细丝各有一个挡板或挡板电极。此挡板电极的宽度应大到足以阻挡从发光层203溅射出来的物质不能击中阴极，如中205所示。同时它还能挡住阳离子的轰击，如图中206所示。从而很好地保护了阴极，以得到长寿命VFD。另一方面，由阴极201发射的电子，则可受正阳极电压吸引绕过挡板而到达阳极(如图中211所示)，并激发阳极上的发光层203发光。图中207为真空室，将上述零件密封在其中。此真空室由基板208和玻璃背外壳209构成。玻璃背外壳209的内表面有电极210，用于屏蔽外电场即VFD发光的影响。同时，为了使由阴极发射的电子可有效地出射并到达阳极，所说的玻壳电极210和挡板204可加上适当的电压，帮助由阴极发射的电子出射并到达阳极。
图2所示的结构，实质上是一种二极管结构的VFD，即只有阴极和阳极。但背玻壳电极210和挡板电极204也可以分别或同时用来控制阴极的电子发射。当二者之一或二者同时加上截止电压时，电子被截止，由阴极201发射的电子不能到达加有正电压的阳极，阳极上的发光层不发光，此即“关”状态。当二者之一或二者同时加上“开”电压，则电子可由阴极201发射到达加有正电压的阳极，从而使阳极上的发光层203发光，此即“开”状态。将阳极设计成不同形状，例如图形或“日”字形的7段形，开关不同的笔段即可显示数字。背玻壳电极210和挡板电极204则可用来控制开、关某一个字或某一行字。如果将阳极加工成一系列平行条状电极，并有若干条阴极201，每一条阴极各有一条背玻壳电极210和挡板电极204，二者和阳极条正交放置，则可构成矩阵显示。若阳极条上有不同发光色或红、兰、绿的发光层，则可构成多色或全色的VFD。
为了使电子更有效地出射，背玻壳电极210可沿着阴极方向分成三条，如图2(b)中210a、210b，和210c所示，或分成更多条；各条上加上不同的电压可截止电子或让电子有效地出射并到达阳极，从而控制VFD的显示。
为了使电子更有效地出射，在阴极201和阳极201之间可另设置一个栅极212，如图2(b)所示，此栅极可由一系列平行细丝或由一网状金属电极组成，此电极加上不同的电压，可截止电子或让电子出射并到达阳极，以得到“关”、“开”状态。也可加不同电压，调制出射的电子的数量，以调制发光亮度。此栅极也可用于与条状阳极构成显示矩阵，组成一个矩阵显示器。
为了使电极201发射的电子更有效地出射并到达阳极，在阴极和阳极之间可设置一个倾斜放置的栅极213，如图2(c)所示。此栅极可以是平面的或曲面、柱面的。此栅极可由一系列平行细丝或由一网状金属电极组成。此栅极加上不同的电压，可截止电子或让电子出射并到达阳极，以得到“关”或“开”状态。也可加不同电压调制出射的电子的数量，以调制发光亮度。此栅极也可用于与条状阳极构成显示矩阵，组成一个矩阵显示器。
图2(d)为本发明的又一种VFD的结构示意图。为了让由阴极201发射的电子有效地出射，栅极设置在更近阴极的地方，并可垂直方向放置，如图2(d)中214所示。
图2(e)为本发明的另一结构示意图。它有二层栅极，即215、216。216为第一栅极，215为第二栅极。此第二栅极215可用于使电子分布均匀，以得到均匀的亮度，也可用来与第一栅极216构成显示矩阵，这时此二层栅极分别为二组互相平行的条状电极，二者相互正交放置构成显示矩阵。阳极则可以是一个连续的电极，只加一直流正高压。阳极上有相同色或不同色或红、兰、绿(R、B、G)三基色的发光材料，各发光点分别与由二层栅极构成的显示矩阵相对应，由二层栅极选址和调制，从而可显示单色、多色或全色的字符、图形或图象等。
阴极和阳极之间也可设置第三栅极和第四栅极或更多栅极而构成多极VFD。
以上图2(a)至图2(e)各图中的阳极202，均可被制成笔段形或其他形状的图形、文字等，以显示字符或图形、符号等。各字符、图形可用不同色的发光材料，以得到多色的字符图形显示。
图2(a)至图2(e)各图中的阳极202也可按不同发光色分成若干组，例如红、兰、绿(R、B、G)三组。每次显示一种或几种色，从而得到不同色的、多色的或全色的字符、图形或图象显示。
图2(a)至图2(e)各图中的阳极，也可以由一系列相互平行的条状阳极所组成，用于构成矩阵显示。若各阳极条上有相同色的发光材料，则可得多色矩阵显示。若各阳极条上有R、B、G三基色发光材料，则可得全色矩阵显示。
在阳极条上有三种不同色的发光材料时，例如R、B、G三色，这时R、B、G三色阳极条相互交替排列，如图3所示。每一种色的阳极条相互连接在一起，作为一个电极，如图3中301、302、303所示。由图可见，这三组电极中有一组必须跨过另一组电极才能引出，如图3中304所示。这在阳极电压较高的情况下是十分不方便的。
本发明用图4所示的方法克服了上述缺点。图4(a)为本发明的阳极连接方式，各组三色(例如R、B、G)阳极条的中央阳极条(例如为G)相互连接一起作为一个电极由一端引出，称为“中央阳极条组”，如图4中401所示。其余二边的阳极条(例如R、B)相互连接在一起作为一个电极由另一端引出，称为“二边阳极条组”，如图4中402所示。与此同时与每组RBG三色条阳极相对应的栅极则分为二个电极，如图4(b)中403、404所示。当中央阳极条组加有正电压，即为“开”状态，二边阳极条为“关”状态时，与各组三色阳极条相对应的栅极403、404作一个电极使用，即同时输入与该色相对应的亮度信号调制相对应的阳极上的发光点的亮度，以显示该颜色的图象。亮度调制可用幅度调制，也可用脉宽调制。反之，当二边阳极条为“开”状态，中央阳极条为“关”状态时，则栅极403和404分别输入另二色的亮度信号，以显示另二色的图象。按一定频率如此反复进行，即可得多色和全色显示。
本发明的上述驱动方法，既克服了前述三色阳极条引线的困难，阳极引线仅二个，没有垮接电极。同时每一场图象信号不必分成三个子场，例如R、B、G三子场，而只要分成二个子场，从而提高了激发发光的占空比，即提高了亮度。而在点亮二边阳极条组时，因为有处于“关”状态的中央阳极条隔离，从而可得到很好的色纯度的图象。
图2(a)至图2(e)各图中所示的挡板或挡板电极均为平面。为有效地阻挡由阳极来的溅射物及阳极离子对阴极的轰击，此挡板或挡板电极也可制成其他形状如弧形或槽形，如图5(a)或(b)所示。图5中501为阴极，502为挡板或挡板电极。也可制成直角形或直角弧形，固定在玻壳板503上，如图5(c)和(d)所示。图6(a)、(b)和(c)为本发明的几种长寿命阴极的结构示意图。图中601为至少一条阴极，例如为直热式氧化物细丝阴极；602、603和604为不同形状的和阴极平行的第一栅极，此栅极被固定在背玻壳板605上。所说的第一栅极由金属丝或网状金属网，例如金属丝网或光刻蚀刻网等构成。所说的第一栅极可为不同形状的柱形电极，例如三角形(图6(a)中的602)、弧形(603)或槽形(604)。所说的栅极的正对阴极601的中央部分有一连续的无小孔的绝缘或高电阻的阻挡层，如图中606所示，用于阻挡发光材料产生的溅射物质和阳离子对阴极的污染。所说的第一栅极602、603和604可用于使由阴极发射出来的电子更有效地出射并到达阳极；也可用于控制由阴极发射的电子出射或不出射，即“开”和“关”。也可用于和第二栅极或阳极构成显示矩阵制成矩阵显示器。所说的背玻壳板和605的内表面有一导电极607，用于消除外电场对显示器的影响和帮助电子由阴极出射。所说的导电极607也可制成如图6(c)607和608所示的形状，即在二阴极之间有一与背玻壳板605垂直而与阴极601平行的电极608，此电极加上适当的电压，用于帮助电子由阴极出射和分布均匀。
图7为本发明的一种彩色VFD的结构示意图。图中701为阴极；702为第一栅极；703为挡板；704为位于背玻壳板705内表面上的电极；706为第二栅极；707为第三栅极，二者各自为一组相互平行的电极，并相互正交，构成显示矩阵；708为一系列相互平行并与第三栅极平行的条状电极。所说的阳极上有不同色的，例如R、B、G三基色的发光材料709，R、B、G三色交替排列。所说的阳极条的连接发式和第三栅极的分组方式与图4相同，从而构成彩色矩阵显示器。
本发明VFD可用透射式显示，即观察者在阳极一边，也可用反射式显示，即观察者在阴极一边。
在用透射式显示时，由发光层发射的光有一半以上向后、背离观察者发射，如图8所示。图8中801为阴极；802为发光层；803为透明导电层；804为阳极基板；805为观察者。由发光层802所发的光，一半向前，如图中806所示，即向观察者。一半向后，如图中807所示。而向前的一半中又有部分将因发光层内部反射而折向后方，如图中808所示。因此实际有用的光806将不到一半。(这里我们没有计入发光层内吸收，导电层及阳极基板的反射和吸收等)。
为了提高光的利用率，本发明在发光层的表面或它附近设置一层多孔白色反射层，把向后发射的光反射向前方，以提高光的利用率。图9(a)为其原理示意图。图中901为阴极；902为阳极基板；903为透明导电层；904为发光层；905为位于发光层表面的多孔反射层。它可将原来向后反射的光反射向前方，如图中906所示。此反射层为绝缘或高电阻的白色多孔层，例如由白色绝缘或高电阻粒子组成的反射层，此白色粒子例如是TiO2、Al2O3、MgO、ZnO、In2O2粉等，如图9(b)中907所示。图中908为发光粉组成的发光层。图中907和906的粒子形状仅表示二个不同层，实际粒子的形状可以是各种不同的形状。由阴极901发射来的电子可经过发射层907粒子间的间隙到达发光层908使它发光，所发的光部分直接向前(即向观察者905)发射，如图中909。部分原来向后反射的光则可经由反射层的白色粒子反射向前方，成为有用的光，如图中910所示，从而增加了光的利用率，即增加了有效发光效率和亮度。此种多孔反射层与现有技术的铝膜反射相比，因本发明的反射层，电子由小孔或由粒子的间隙通过，几乎没有能量损失，因此可在相对较低的阳极电压下得到与很高阳极电压下有铝膜的发光屏一样高或更高的发光效率。
同时此反射层905和907还可阻挡由发光材料在电子轰击下分解产生的物质溅射飞向阴极，保护阴极免受这些溅射物质的污染中毒，从而通过了阴极寿命，也通过了VFD的寿命。
本发明的VFD具有以下优点：
1、可用现有各种阴极射线发光材料，制成各种颜色的或三基色全彩色的VFD，用于显示字符、图形和电视图象等；
2、可制成长寿命的各种色的单色、多色和全彩色VFD；
3、可制成高亮度的各种色的单色、多色和全彩色VFD；
4、可制成高效率的各种色的单色、多色和全彩色VFD；
5、可不用铝膜反射层，在相对较低的阳极电压下得到与很高电压下一样高或更高的发光效率。