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진공 형광 디스플레이

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목차

1. 개요

진공 형광 디스플레이(VFD)는 진공 상태의 유리 덮개 안에 음극, 그리드, 양극으로 구성된 디스플레이 장치이다. 음극에서 방출된 전자가 형광체 코팅된 양극에 부딪히면서 빛을 내는 원리로 작동하며, 3극 진공관과 유사한 구조를 갖는다. VFD는 밝고 내구성이 뛰어나며 다양한 메시지를 표시할 수 있어, 1980년대 자동차 계기판, 전자 게임기, POS 시스템 등 다양한 분야에 사용되었다. 하지만 전력 소비가 크고, LCD, OLED 등 다른 디스플레이 기술의 발달로 인해 사용이 줄어들고 있다. 1959년 최초 개발되었으며, 1960년대 후반 일본에서 7세그먼트 디스플레이가 개발되면서 기술이 발전했다.

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진공 형광 디스플레이
개요
명칭진공 형광 표시 장치
약칭VFD
다른 명칭형광 표시관
종류디스플레이 장치
용도소비자 전자 제품
기술적 특징
작동 원리열전자 방출된 전자가 양극에 코팅된 인광 물질과 충돌하여 빛을 내는 원리
사용 물질양극: 인광 물질
필라멘트: 텅스텐
그리드: 금속
색상일반적으로 녹색, 필터를 사용하여 다른 색상 구현 가능
장점높은 밝기
넓은 시야각
다양한 색상 표현 가능
단점높은 전력 소비
제한된 수명
LCD나 LED에 비해 부피가 큼
역사
개발1960년대 후반
초기 응용계산기, 디지털 시계
응용 분야
소비자 가전VCR
DVD 플레이어
전자레인지
자동차 오디오
계기판
산업 장비측정 장비
의료 기기
관련 용어
관련 기술CRT

2. 구조

형광 표시관(VFD)은 고진공 상태의 유리 덮개 안에 음극(필라멘트), 그리드, 양극(형광체)으로 구성된다.[2] 음극은 알칼리 토금속 산화물(바륨,[2] 스트론튬 및 칼슘 산화물[9][10])로 코팅된 미세한 텅스텐 와이어로 만들어지며, 전류를 통해 650°C[2]로 가열되면 전자를 방출한다. 방출된 전자는 얇은 스테인리스강으로 만들어진 그리드에 의해 제어되고 확산된다.[2] 전자가 형광체 코팅된 양극 판에 부딪히면 형광을 내며 빛을 방출한다.

접사로 촬영한 VFD 숫자, 3개의 수평 텅스텐 와이어와 제어 그리드


VFD의 작동 원리는 진공관 3극 진공관과 유사하다. 전자는 그리드와 플레이트가 음극에 대해 양의 전위를 갖는 경우에만 주어진 플레이트 요소에 도달하여 빛을 낼 수 있다.[12] 이러한 원리를 이용하여 여러 그리드와 플레이트를 행렬 형태로 구성하는 멀티플렉싱 디스플레이를 통해 필요한 신호 핀의 수를 최소화한다.

VFD의 절연층은 일반적으로 검은색이지만, 디스플레이를 투명하게 하기 위해 제거하거나 투명하게 만들 수도 있다.

2. 1. 형광체의 종류

가장 널리 사용되는 형광체는 아연이 도핑된 구리 활성 산화 아연으로,[2] 505nm의 피크 파장에서 빛을 생성한다.

대부분의 VFD에서 방출되는 빛에는 여러 색상이 포함되어 있으며, 종종 색상 필터를 사용하여 채도를 향상시켜 짙은 녹색 또는 짙은 파란색을 제공하기도 한다. VFD에 사용되는 형광체는 음극선관의 형광체와 다른데, 그 이유는 음극선관은 수천 볼트의 전자 에너지를 필요로 하는 반면, VFD는 약 50볼트의 전자 에너지로도 충분한 밝기를 낼 수 있기 때문이다.[13]

3. 응용

형광 표시관(VFD)은 밝기, 내구성, 저렴한 가격, 다양한 메시지 표시 기능 덕분에 여러 분야에 활용되었다. 특히 액정을 사용하지 않아 반응 시간이 빠르고, 영하의 온도에서도 작동하므로 추운 환경의 야외 장비에 적합하다. 초기에는 액정 디스플레이(LCD)보다 전력 소비가 크다는 단점(0.2 와트)이 있었으나, AC 전원이나 충전식 배터리를 사용하는 기기에 주로 쓰이며 문제가 되지 않았다.

1980년대에는 자동차 계기판, 특히 속도계나 주행 거리계에 많이 사용되었다. 스바루는 디지털 대시보드를 적극 도입한 대표적인 예이다. VFD의 밝기는 자동차 안에서 사용하기에 적합했다. 르노 에스파스 Mk4와 세닉 Mk2는 라디오 및 다중 메시지 패널을 포함한 대시보드의 모든 기능을 표시하기 위해 VFD 패널을 사용했는데, 이는 햇빛 아래에서도 잘 보일 만큼 밝았다.

1979년부터 1980년대 중반까지는 휴대용 전자 게임기에도 사용되었다. 밝고 선명한 디스플레이를 가졌지만, 진공관 크기의 한계로 화면이 작아 확대 프레넬 렌즈가 필요하기도 했다. 초기 게임들은 투명 필터를 사용하여 색상을 표현했다. 그러나 높은 전력 소비와 제조 비용으로 인해 VFD는 LCD 게임기로 대체되었다.

1980년대 중반부터 VFD는 고휘도 소형 디스플레이가 필요한 분야에 사용되었지만, 현재는 고휘도 유기 발광 다이오드(OLED)에 밀려나는 추세이다. 오티스와 몽고메리 엘리베이터 컴퍼니는 엘리베이터 층 표시기로 VFD를 널리 사용했다.

VFD는 멀티플렉싱을 통해 디스플레이 구동에 필요한 연결 수를 줄일 수 있다.[2] 음극에 항상 전류를 흘려야 하고 소비 전류가 커서 배터리 구동 장치에는 부적합하여 주로 장치 내장형으로 사용되었다. 한자나 비트맵 이미지를 표시할 수 있는 고밀도 도트 매트릭스 방식 VFD는 POS 시스템의 상품명, 거스름돈 등을 표시하는 고객 디스플레이에 사용되었다.

3. 1. 전자 계산기

1970년대에는 액정 디스플레이(LCD) 특허료가 높았던 시기에 형광 표시관(VFD)이 전자 계산기에 널리 채용되었다.[2] 초기 형광 표시관은 둥근 유리관에 한 자릿수만 표시하는 형태였으나, 이후 평면형으로 여러 숫자나 기호를 표시할 수 있게 되었다. VFD는 액정 디스플레이(LCD)에 비해 소비전력이 훨씬 커서 (0.2W) AC 전원 공급 장치나 대형 충전식 배터리로 구동되는 장비에 주로 사용되었다.

3. 2. 자동차

1980년대에 진공 형광 디스플레이(VFD)는 자동차 계기판에 널리 사용되었다. 특히 스바루는 디지털 대시보드를 적극적으로 도입한 것으로 유명하다. VFD의 밝기는 자동차 안에서 사용하기에 적합했기 때문이다.

미국 자동차에 사용된 디지털 대시보드.


1992년 머큐리 그랜드 마퀴스의 디지털 대시보드 클러스터


대한민국에서는 현대자동차, 기아자동차 등에서 형광 표시관을 사용한 디지털 계기판을 채택하였다. 토요타・프리우스 시리즈의 계기판 표시에도 채용되었다가, 풀 컬러 액정 디스플레이로 대체되었다.[2]

3. 3. 게임기

1979년부터 1980년대 중반까지 전자 게임기(초기 휴대용 게임기)에도 채용되었다.[2] 이 게임기들은 밝고 선명한 표시를 특징으로 했지만, 당시 제조할 수 있었던 VFD의 크기가 상당히 작았기 때문에 프레넬 렌즈를 사용하여 확대하곤 했다. 초기 게임기들은 형광체에서 발하는 빛(일반적으로 녹색)을 투명한 컬러 필름을 통과시켜 다색화를 실현했다.

그러나 소비 전력이 많고 장치가 취약하여 VFD는 휴대용 게임기의 표시 장치로 사용되지 않게 되었다. 제조 비용이 많이 드는 것도 한 요인이었다. 동시대 전자 게임의 또 다른 주류였던 표시 장치인 액정 디스플레이는 배터리를 자주 교체(또는 AC 어댑터에 연결)하지 않아도 되기 때문에 휴대용 게임에 더 적합했다. 그러나 이 당시 액정 화면은 백라이트가 없는 데다, 색상도 단색(흑백 화면)이었기 때문에, 화려한 표시와 빠른 반응 속도라는 측면에서는 일정 수준의 평가를 받았다. 주로 가정에서 테이블 위에 올려놓고 사용했다.

3. 4. POS 시스템

한자나 비트맵 이미지를 표시할 수 있는 고밀도 도트 매트릭스 방식의 VFD는 POS 시스템의 상품명, 거스름돈 등을 표시하는 고객 디스플레이에 사용되었다.[2]

3. 5. 기타 응용 분야

VFD는 VTR/VCR, 시계, 7세그먼트 디스플레이 등에 사용되었으며, 특히 POS 시스템의 고객 디스플레이처럼 문자의 시인성과 표시 수명이 중요한 곳에 쓰였다. 이즈 급행 8000계 전동차와 같은 디지털 사이니지에도 활용된 사례가 있다.

디지털 사이니지 사용 예시 (이즈 급행 8000계 전동차)


형광 표시관은 계산기에서 시작하여 자동차 패널 등으로 사용 범위가 넓어졌지만, 내비게이션처럼 풀 컬러 대형 표시 장치에서는 액정 디스플레이가 주로 사용되게 되었다. 최근 VFD는 넓은 온도 범위에서 작동하고, 높은 시인성과 장기적인 안정적 공급이 필요한 계측, 의료, 통신 기기와 같은 산업 기기 분야에서 주로 사용되고 있다.

4. 한계 및 페이드 현상

형광 표시관은 항상 음극에 전류를 흘려야 하고, 소비 전류가 커서 배터리 구동 장치에는 적합하지 않으므로 주로 장치에 내장하는 용도로 사용되었다.[2]

도트 단위의 컬러 대응이 어려워 메시지 표시 등에 용도가 제한되었다. POS 시스템의 상품명이나 거스름돈 등을 표시하는 고객 디스플레이, VTR/VCR, 시계, 7세그먼트 디스플레이 등에 사용되었다.

시간이 지남에 따라 발광량이 줄어드는 페이드(Fade) 현상이 발생할 수 있다. 페이드 현상은 형광체의 효율 감소, 음극의 증발 및 오염 등으로 인해 발생한다.[2] 황을 함유한 형광체는 페이딩에 더 취약하다.[2]

일반적으로 필라멘트 전압을 높여 방출을 복원할 수 있다. 전압을 33% 높이면 중간 정도의 페이딩을, 66% 높이면 심각한 페이딩을 해결할 수 있다. 이 경우 필라멘트가 육안으로 보이게 될 수 있으나, 일반적인 녹청색 VFD 필터는 필라멘트에서 나오는 적색 또는 주황색 빛을 줄이는 데 도움이 된다.

5. 역사

최초의 진공 형광 디스플레이(VFD)는 1959년 필립스에서 출시한 단일 표시 DM160이었다.[29] DM160은 트랜지스터로 쉽게 구동할 수 있어 네온보다 구동이 쉽고 전구보다 수명이 길어 컴퓨터 응용 분야를 목표로 했다. 1967년 일본에서는 단일 숫자 7세그먼트 디스플레이가 개발되었는데, 이는 필립스 DM70 / DM71 매직 아이와 더 유사했다. 일본의 7세그먼트 VFD는 닉시관 등에 대한 특허 로열티를 지불할 필요가 없다는 장점이 있었다.[29]

1966년 노리타케 이세 전자의 나카무라 타다시 등이 형광 표시관을 발명했다.[29] 이후 1970년대 전자 계산기 전쟁 시대에 전자 계산기의 디스플레이로 VFD가 채택되면서 기술이 진보했다.

초기 형광 표시관의 예


초기에는 둥근 유리로 한 자릿수만 표시했지만, 1970년에 평면형으로 여러 숫자나 기호를 표시할 수 있는 형광 표시관이 개발되면서 용도가 넓어졌다.[29]

1985년 국제 과학 기술 박람회(과학 엑스포)에서 후타바 전자 공업이 대형 형광 표시관을 제조하여 소니의 점보트론에 사용했다.[29]

2015년에는 코르그와 노리타케 이세 전자가 형광 표시관 기술을 기반으로 한 신형 진공관인 Nutube를 공동 개발했다.[30][31]

6. 기타

몇몇 아마추어 무선사들은 형광 표시관을 3극 진공관 증폭기로 사용하는 가능성을 실험했다.[23][24][25] 코르그는 2015년에 형광 표시관 기술을 기반으로 한 아날로그 오디오 증폭기 부품인 [http://korgnutube.com/en/ Nutube]를 출시했다. Nutube는 복스[26]와 Apex Sangaku 헤드폰 앰프 등에 사용된다.[27] Nutube는 코르그에서 판매하지만 노리타케 이세 전자에서 제조한다.[28] 코르그와 노리타케 이세 전자는 2015년에 형광 표시관 기술에 기반한 신형 진공관인 Nutube를 공동 개발했다.[30][31]

참조

[1] 서적 Phosphor Handbook CRC Press
[2] 간행물 Handbook of Visual Display Technology
[3] 서적 Handbook of Visual Display Technology Springer
[4] 웹사이트 Fluorescent phosphorescent coating free from sulphur and cadmium https://patents.goog[...] 2020-10-03
[5] 웹사이트 DM 160, Tube DM160; Röhre DM 160 ID19445, INDICATOR, in gene http://www.radiomuse[...] 2012-08-13
[6] 간행물 Vacuum fluorescent displays: from single digits to colour TV.
[7] 서적 Handbook of display technology Gulf Professional Publishing
[8] 서적 Handbook of display technology Gulf Professional Publishing
[9] 웹사이트 VFD｜Futaba Corporation https://web.archive.[...] 2019-12-15
[10] 웹사이트 Directly-heated oxide cathode and fluorescent display tube using the same https://patents.goog[...] 2020-10-29
[11] 서적 Handbook of display technology Gulf Professional Publishing
[12] 서적 Elektrotechnik Tabellen Kommunikationselektronik Westermann 1999
[13] 서적 Phosphor Handbook CRC Press
[14] 웹사이트 Front Luminous VFD｜Futaba Corporation https://www.futaba.c[...] 2020-01-04
[15] 웹사이트 Bi-Planar VFD｜Futaba Corporation https://www.futaba.c[...] 2020-01-04
[16] 웹사이트 Gradation VFD｜Futaba Corporation https://www.futaba.c[...] 2020-01-04
[17] 웹사이트 Hybrid VFD｜Futaba Corporation https://www.futaba.c[...] 2020-01-04
[18] 웹사이트 VFD (Vacuum Fluorescent Display) | Products | NORITAKE ITRON CORPORATION https://web.archive.[...] 2020-01-04
[19] 웹사이트 Chip In Glass VFD(CIG VFD)｜Futaba Corporation https://www.futaba.c[...] 2020-01-04
[20] 웹사이트 Double Layer Phosphor Printing VFD｜Futaba Corporation https://www.futaba.c[...] 2020-01-04
[21] 웹사이트 Ultra-high luminance, full dot matrix display｜Futaba Corporation https://www.futaba.c[...] 2020-01-04
[22] 웹사이트 Clear Background VFD｜Futaba Corporation https://www.futaba.c[...] 2020-01-04
[23] 웹사이트 VFD as an audio/RF amplifier? https://www.electron[...] 2018-03-11
[24] 웹사이트 H. P. Friedrichs, ''Vacuum Fluorescent Display Amplifiers For Primitive Radio'', ''eHam.net'' December 2008, retrieved 2010 Feb 8 http://www.eham.net/[...] Eham.net 2012-12-11
[25] 웹사이트 Des. Kostryca, ''A VFD Receiver (Triodes in Disguise)'', ''eHam.net'' January 2009, retrieved 2010 Feb 8 http://www.eham.net/[...] Eham.net 2012-12-11
[26] 웹사이트 Vox MV50 AC guitar amplifier http://www.voxamps.c[...] 2018-03-11
[27] 웹사이트 The Sangaku headphone amplifier http://www.apexhifi.[...] 2018-03-11
[28] 웹사이트 News | KORG INC and Noritake Co., Limited Release Innovative Vacuum Tube: The Nutube | KORG (USA) https://www.korg.com[...] 2020-10-29
[29] 웹사이트 Calculator.org website https://www.calculat[...] 2023-07-23
[30] 웹사이트 "「真空管はいいことない」―それでも「Nutube」が出た理由" https://ascii.jp/ele[...] ascii.jp 2016-11-29
[31] 웹사이트 Nutube開発者はなぜ真空管造りに蛍光表示管を選んだのか https://ascii.jp/ele[...] ascii.jp 2016-11-29
[32] 서적 Phosphor Handbook CRC Press
[33] 서적 Handbook of Visual Display Technology Springer
[34] 서적 Handbook of Visual Display Technology Springer


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