視聽(tīng)網(wǎng)帶您探究液晶顯示技術(shù)發(fā)明史

1961年，美國(guó)RCA公司普林斯頓試驗(yàn)室有一個(gè)年輕電子學(xué)者F·Heimeier正在準(zhǔn)備博士論文的答辯，他的專(zhuān)業(yè)是微波固體元件。他在這方面很有造詣。這天，他的一個(gè)朋友向他講述了正在從事的有機(jī)半導(dǎo)體方面的研究，跨學(xué)科的課題引起了他的極大的興趣。他征求了導(dǎo)師的意見(jiàn)，在導(dǎo)師的支持、鼓勵(lì)下，他毅然放棄了學(xué)有所成的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，進(jìn)入了一個(gè)他還知之甚少的新領(lǐng)域。他把電子學(xué)方面的知識(shí)應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)，很快便取得了成績(jī)。

不久，他對(duì)另一個(gè)新課題——激光又產(chǎn)生了興趣，從而又與晶體打上了交道。為了研究外部電場(chǎng)對(duì)晶體內(nèi)部電場(chǎng)的作用，他想到了液晶。他將兩片透明導(dǎo)電玻璃之間夾上摻有染料的向列液晶。當(dāng)在液晶層的兩面施以幾伏電壓時(shí)，液晶層就由紅色變成了透明態(tài)。出身于電子學(xué)的他立刻意識(shí)到這不就是彩色平板電視嗎！興奮的小組成員與他立即開(kāi)始了夜以繼日的研究，他們相繼發(fā)現(xiàn)了液晶的動(dòng)態(tài)散射和相變等一系列液晶的電光效應(yīng)。并研制成功一系列數(shù)字、字符的顯示器件，以及液晶顯示的鐘表、駕駛臺(tái)顯示器等實(shí)用產(chǎn)品。RCA公司對(duì)他們的研究極為重視，一直將其列為企業(yè)的重大機(jī)密項(xiàng)目，直到1968年，才在一項(xiàng)最新科技成果的廣播報(bào)導(dǎo)中向世界報(bào)導(dǎo)。這一報(bào)導(dǎo)立刻引起了日本科技界、工業(yè)界的重視。日本將當(dāng)時(shí)正在興起的大規(guī)模集成電路與液晶相結(jié)合，以“個(gè)人電子化”市場(chǎng)為導(dǎo)向，很快開(kāi)發(fā)了一系列商品化產(chǎn)品，打開(kāi)了液晶顯示實(shí)用化的局面，掌握了主動(dòng)，致使這一發(fā)展勢(shì)頭促成了日本微電子業(yè)的驚人發(fā)展。而在美國(guó)，RCA公司中一些生產(chǎn)間部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)人一方面局限于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體產(chǎn)品，一方面又過(guò)分強(qiáng)調(diào)了初出茅廬的液晶顯示器件的缺點(diǎn)，以市場(chǎng)還未開(kāi)拓為借口，極力抵毀液晶顯示的產(chǎn)業(yè)化。為此，“液晶”小組成員開(kāi)始外流，“液晶顯示”的專(zhuān)利也被賣(mài)出。據(jù)說(shuō)，當(dāng)70年代中期，液晶顯示已經(jīng)形成一個(gè)產(chǎn)業(yè)的時(shí)候，RCA公司在一次董事會(huì)上沉痛地總結(jié)，在RCA百年發(fā)展歷史上液晶顯示技術(shù)的流失是了大的一次失誤。

回顧這一歷史，不能不使我們感到：

（1)一代新技術(shù)、新產(chǎn)品的問(wèn)市，特別是當(dāng)代高新技術(shù)產(chǎn)品的問(wèn)市，總是由那些跨學(xué)科、跨行業(yè)的，具有創(chuàng)新開(kāi)拓精神的年輕人來(lái)發(fā)現(xiàn)和完成的。

（2）一個(gè)新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明雖然重要，但其真正的發(fā)展則必須建立在切切實(shí)實(shí)的應(yīng)用技術(shù)和市場(chǎng)需求的基礎(chǔ)之上的。應(yīng)用技術(shù)是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的保障，市場(chǎng)需求是高新技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。

（3）一個(gè)企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)，特別是生產(chǎn)部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)，應(yīng)該具有科學(xué)發(fā)展的頭腦。只局限于原有的產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品，被近期、表面的、暫時(shí)的利害所困擾，往往會(huì)葬送一些非常可貴、極有前途、極有生命力和極高利潤(rùn)價(jià)值的新技術(shù)、新產(chǎn)品，造成了事業(yè)損失，抱撼終身。

（4）一個(gè)突破傳統(tǒng)束縛的發(fā)明，大都出現(xiàn)在那些規(guī)模不大，極有創(chuàng)新能力的，能夠從事多學(xué)科的獨(dú)立工作小組。這些小組應(yīng)該能夠經(jīng)學(xué)得起失敗，經(jīng)受得起不被承認(rèn)，不被支持不被理解的一切壓力。

液晶的發(fā)現(xiàn)

液晶發(fā)現(xiàn)的歷史已相當(dāng)久遠(yuǎn)，1854年有人發(fā)現(xiàn)肥皂水以及神經(jīng)細(xì)胞含適量水時(shí)，會(huì)變成具有光學(xué)均向性的有機(jī)分子集合體（溶致型lyotropic液晶 / 濃度轉(zhuǎn)變形液晶），這可算是液晶最早被發(fā)現(xiàn)的開(kāi)始。

1888年，奧地利植物學(xué)家萊尼茨爾Friendrich Reinitzer(1857-1927)在研究植物中的膽固醇過(guò)程中，當(dāng)他制得現(xiàn)在我們已熟知的膽固醇苯甲酸脂時(shí)，發(fā)現(xiàn)了這種化合物質(zhì)具有兩個(gè)熔點(diǎn)的奇特現(xiàn)象：加熱固體樣品時(shí)，可以觀察到晶體變?yōu)殪F濁的液體；當(dāng)進(jìn)一步升高溫度時(shí)，霧濁的液體突然變成清亮的液體（熱致型thermotropic液晶）。更重要的是，兩個(gè)熔點(diǎn)之間，他觀測(cè)到了雙折射現(xiàn)象和相應(yīng)的顏色變化。Reinitzer對(duì)此百思不解，于是他寫(xiě)信給著名的晶體學(xué)家Van Zepharovich，Zepharovich對(duì)此也很驚奇，于是又推薦Reinitzer給當(dāng)時(shí)著名的德國(guó)物理學(xué)家Otto Lehmann(1855-1922)寫(xiě)信，Lehmann是研究相變的權(quán)威。

Lehmann在收到Reinitzer寄給他的兩個(gè)樣品后，對(duì)其進(jìn)行了測(cè)定，并確認(rèn)了Reinitzer的發(fā)現(xiàn)：在145.5℃物質(zhì)變?yōu)殪F濁狀液體，升溫至178.5℃時(shí)變?yōu)榍辶粒唤禍貢r(shí)先變?yōu)樗{(lán)色，然后是霧濁狀，進(jìn)一步降溫，變?yōu)樽仙�，最后變�(yōu)榘咨�固體。

異常的雙熔點(diǎn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)不久，液晶的另一個(gè)基本性質(zhì)--雙折射，也在許多有機(jī)物中發(fā)現(xiàn)。由于生物體內(nèi)許多物質(zhì)具有晶體才具有的雙折射現(xiàn)象，因此這種物質(zhì)被稱(chēng)為活晶體。

Lehmann進(jìn)一步對(duì)Reinitzer的膽固醇物質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致的研究。他把液體中產(chǎn)生雙折射的部分稱(chēng)為晶體。當(dāng)加上電場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)形成類(lèi)似單晶的白色網(wǎng)狀條紋，深入分析后，他寫(xiě)信給Reinitzer：我的結(jié)果符合你的觀點(diǎn)，即膽固醇物質(zhì)中存在非常軟的晶體，它是完全均一的，你先前假定的液體是不存在的，晶體以這種被人們誤認(rèn)為液體的軟物質(zhì)的形式存在，必將引起物理學(xué)家的極大關(guān)注。之后不久，他發(fā)表了題為“About Liquid Crystal”的文章。

1890年，Ludwig Gatterman(1860-1920)在德國(guó)Freiburg合成了一些新的氧化偶氮苯化合物發(fā)現(xiàn)也具有雙熔點(diǎn)現(xiàn)象。這是第一次得到已知結(jié)構(gòu)的液晶，它的流動(dòng)性要比Reinitzer得到的膽固醇結(jié)構(gòu)的要大得多。Lenmann對(duì)此非常興奮，稱(chēng)它們?yōu)榻Y(jié)晶流體。在19世紀(jì)90年代，Gatterman和Lehmann不斷發(fā)表文章介紹他們的新發(fā)現(xiàn)，盡管直到1922年G.Friedel(1865-1933)才提出這類(lèi)物質(zhì)及其分類(lèi)和命名規(guī)則，但在Lehmann論文中使用的許多名詞術(shù)語(yǔ)，在現(xiàn)在液晶學(xué)中一直沿用。

液晶顯示技術(shù)的發(fā)展

在G.Freidel之后，液晶研究暫時(shí)進(jìn)入低谷，也有人說(shuō)，1930-1960年期間是液晶研究的空白期。究其原因，大概是由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)液晶的實(shí)際應(yīng)用。但是，在此期間，半導(dǎo)體電子工業(yè)卻獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。為使液晶能在顯示器中的應(yīng)用，透明電極的圖形化以及液晶與半導(dǎo)體電路一體化的微細(xì)加工技術(shù)必不可缺。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的進(jìn)步，這些技術(shù)已趨向成熟。

20世紀(jì)40年代，開(kāi)發(fā)出矽半導(dǎo)體，利用傳導(dǎo)電子的 n 型半導(dǎo)體和傳導(dǎo)電洞的 p 型半導(dǎo)體構(gòu)成 pn 介面（pnjunction），發(fā)明了二極管和晶體管。在此之前，在電路中為實(shí)現(xiàn)從交流到直流的整流功能，要采用二極管，而要實(shí)現(xiàn)放大功能，要采用晶體管。這些大而笨重的元件完全可以由半導(dǎo)體二極管和晶體管代替，不需要向真空中發(fā)射電子，僅在固體特別是極薄的膜層中，即可實(shí)現(xiàn)整流、放大功能，從而使電子回路實(shí)現(xiàn)了小型化。

接著，藉由光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了包括二極管、晶體管在內(nèi)的電子回路圖形的薄膜化、超微細(xì)化。這種技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)為微影（photolithography）。20世紀(jì)60年代，隨著半導(dǎo)體集成電路（integrated circuit）技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的小型化。

上述技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于在液晶顯示裝置（display）中的應(yīng)用是必不可少的，隨著材料科學(xué)和材料加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及新型顯示模式和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，液晶顯示技術(shù)獲得了快速發(fā)展。

1968年，任職美國(guó)RCA公司的G.H.Heilmeier發(fā)表采用DS（dynamic scattering，動(dòng)態(tài)散射）模式的液晶顯示裝置。在此之后，美國(guó)企業(yè)最早開(kāi)始了數(shù)字式液晶手表實(shí)用化的嘗試。

1971年5月美國(guó)Optel公司，1972年Microma公司先后將采用DS模式液晶顯示的數(shù)字式電子手表推向市場(chǎng)。但是兩家公司推出的產(chǎn)品在液晶品質(zhì)和壽命方面都存在問(wèn)題，不能長(zhǎng)時(shí)間使用，而且還存在驅(qū)動(dòng)電壓高、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題。與之相對(duì)，日本的精工集團(tuán)為了解決上述問(wèn)題，不是采用DS模式，而是采用TN（twisted nematic，扭曲向列）顯示模式，成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。TN顯示模式是沒(méi)有電流過(guò)流的顯示方式，因此耐久性顯著提高，功率損耗也小，即使不更換電池也能連續(xù)使用1.5-2年。

從此，液晶顯示技術(shù)得到迅猛發(fā)展，發(fā)展到現(xiàn)在的 TFT LCD 已給我們生活帶來(lái)生動(dòng)繽紛的色彩顯示。