視聽(tīng)網(wǎng)帶您探究液晶顯示技術(shù)發(fā)明史
液晶的發(fā)現(xiàn)是由奧地利植物學(xué)家F·Reinetzer在一百年前完成的,然而長(zhǎng)期以來(lái)并未給人類(lèi)帶來(lái)多少好處。直到20世紀(jì)60年代,幾個(gè)年輕的電子學(xué)家才打破了沉寂。 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?少F、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(guān)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(guān)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)榘咨腆w。 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(guān)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。
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