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液晶显示技术的发明
作者:上海仪祥试验设备有限公司
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液晶的发现是由奥地利植物学家F·Reinetzer在一百年前完成的,然而长期以来并未给人类带来多少好处。直到20世纪60年代,几个年轻的电子学家才打破了沉寂。

1961年,美国RCA公司普林斯顿试验室有一个年轻电子学者F·Heimeier正在准备博士论文的答辩,他的专业是微波固体元件。他在这方面很有造诣。这天,他的一个朋友向他讲述了正在从事的有机半导体方面的研究,跨学科的课题引起了他的极大的兴趣。他征求了导师的意见,在导师的支持、鼓励下,他毅然放弃了学有所成的专业领域,进入了一个他还知之甚少的新领域。他把电子学方面的知识应用于有机化学,很快便取得了成绩。

不久,他对另一个新课题——激光又产生了兴趣,从而又与晶体打上了交道。为了研究外部电场对晶体内部电场的作用,他想到了液晶。他将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染料的向列液晶。当在液晶层的两面施以几伏电压时,液晶层就由红色变成了透明态。出身于电子学的他立刻意识到这不就是彩色平板电视吗!兴奋的小组成员与他立即开始了夜以继日的研究,他们相继发现了液晶的动态散射和相变等一系列液晶的电光效应。并研制成功一系列数字、字符的显示器件,以及液晶显示的钟表、驾驶台显示器等实用产品。RCA公司对他们的研究极为重视,一直将其列为企业的重大机密项目,直到1968年,才在一项最新科技成果的广播报导中向世界报导。这一报导立刻引起了日本科技界、工业界的重视。日本将当时正在兴起的大规模集成电路与液晶相结合,以“个人电子化”市场为导向,很快开发了一系列商品化产品,打开了液晶显示实用化的局面,掌握了主动,致使这一发展势头促成了日本微电子业的惊人发展。而在美国,RCA公司中一些生产间部门的领导人一方面局限于传统的半导体产品,一方面又过分强调了初出茅庐的液晶显示器件的缺点,以市场还未开拓为借口,极力抵毁液晶显示的产业化。为此,“液晶”小组成员开始外流,“液晶显示”的专利也被卖出。据说,当70年代中期,液晶显示已经形成一个产业的时候,RCA公司在一次董事会上沉痛地总结,在RCA百年发展历史上液晶显示技术的流失是了大的一次失误。

回顾这一历史,不能不使我们感到:

(1)一代新技术、新产品的问市,特别是当代高新技术产品的问市,总是由那些跨学科、跨行业的,具有创新开拓精神的年轻人来发现和完成的。

(2)一个新技术的发现、发明虽然重要,但其真正的发展则必须建立在切切实实的应用技术和市场需求的基础之上的。应用技术是高新技术产业发展的保障,市场需求是高新技术发展的动力。

(3)一个企业的领导,特别是生产部门的领导,应该具有科学发展的头脑。只局限于原有的产业和产品,被近期、表面的、暂时的利害所困扰,往往会葬送一些非常可贵、极有前途、极有生命力和极高利润价值的新技术、新产品,造成了事业损失,抱撼终身。

(4)一个突破传统束缚的发明,大都出现在那些规模不大,极有创新能力的,能够从事多学科的独立工作小组。这些小组应该能够经学得起失败,经受得起不被承认,不被支持不被理解的一切压力。

液晶的发现

液晶发现的历史已相当久远,1854年有人发现肥皂水以及神经细胞含适量水时,会变成具有光学均向性的有机分子集合体(溶致型lyotropic液晶 / 浓度转变形液晶),这可算是液晶最早被发现的开始。

1888年,奧地利植物学家莱尼茨尔Friendrich Reinitzer(1857-1927)在研究植物中的胆固醇过程中,当他制得现在我们已熟知的胆固醇苯甲酸脂时,发现了这种化合物质具有两个熔点的奇特现象:加热固体样品时,可以观察到晶体变为雾浊的液体;当进一步升高温度时,雾浊的液体突然变成清亮的液体(热致型thermotropic液晶)。更重要的是,两个熔点之间,他观测到了双折射现象和相应的颜色变化。Reinitzer对此百思不解,于是他写信给著名的晶体学家Van Zepharovich,Zepharovich对此也很惊奇,于是又推荐Reinitzer给当时著名的德国物理学家Otto Lehmann(1855-1922)写信,Lehmann是研究相变的权威。

Lehmann在收到Reinitzer寄给他的两个样品后,对其进行了测定,并确认了Reinitzer的发现:在145.5℃物质变为雾浊状液体,升温至178.5℃时变为清亮;降温时先变为蓝色,然后是雾浊状,进一步降温,变为紫色,最后变为白色固体。

异常的双熔点现象发现不久,液晶的另一个基本性质--双折射,也在许多有机物中发现。由于生物体内许多物质具有晶体才具有的双折射现象,因此这种物质被称为活晶体。

Lehmann进一步对Reinitzer的胆固醇物质进行了细致的研究。他把液体中产生双折射的部分称为晶体。当加上电场,发现形成类似单晶的白色网状条纹,深入分析后,他写信给Reinitzer:我的结果符合你的观点,即胆固醇物质中存在非常软的晶体,它是完全均一的,你先前假定的液体是不存在的,晶体以这种被人们误认为液体的软物质的形式存在,必将引起物理学家的极大关注。之后不久,他发表了题为“About Liquid Crystal”的文章。

1890年,Ludwig Gatterman(1860-1920)在德国Freiburg合成了一些新的氧化偶氮苯化合物发现也具有双熔点现象。这是第一次得到已知结构的液晶,它的流动性要比Reinitzer得到的胆固醇结构的要大得多。Lenmann对此非常兴奋,称它们为结晶流体。在19世纪90年代,Gatterman和Lehmann不断发表文章介绍他们的新发现,尽管直到1922年G.Friedel(1865-1933)才提出这类物质及其分类和命名规则,但在Lehmann论文中使用的许多名词术语,在现在液晶学中一直沿用。

液晶显示技术的发展

在G.Freidel之后,液晶研究暂时进入低谷,也有人说,1930-1960年期间是液晶研究的空白期。究其原因,大概是由于当时没有发现液晶的实际应用。但是,在此期间,半导体电子工业却获得了长足的发展。为使液晶能在显示器中的应用,透明电极的图形化以及液晶与半导体电路一体化的微细加工技术必不可缺。随着半导体工业的进步,这些技术已趋向成熟。

20世纪40年代,开发出矽半导体,利用传导电子的 n 型半导体和传导电洞的 p 型半导体构成 pn 介面(pnjunction),发明了二极管和晶体管。在此之前,在电路中为实现从交流到直流的整流功能,要采用二极管,而要实现放大功能,要采用晶体管。这些大而笨重的元件完全可以由半导体二极管和晶体管代替,不需要向真空中发射电子,仅在固体特别是极薄的膜层中,即可实现整流、放大功能,从而使电子回路实现了小型化。

接着,藉由光加工技术实现了包括二极管、晶体管在内的电子回路图形的薄膜化、超微细化。这种技术简称为微影(photolithography)。20世纪60年代,随着半导体集成电路(integrated circuit)技术的发展,电子设备实现了进一步的小型化。

上述技术的进步,对于在液晶显示装置(display)中的应用是必不可少的,随着材料科学和材料加工技术的进一步发展,以及新型显示模式和驱动技术的开发,液晶显示技术获得了快速发展。

1968年,任职美国RCA公司的G.H.Heilmeier发表采用DS(dynamic scattering,动态散射)模式的液晶显示装置。在此之后,美国企业最早开始了数字式液晶手表实用化的尝试。

1971年5月美国Optel公司,1972年Microma公司先后将采用DS模式液晶显示的数字式电子手表推向市场。但是两家公司推出的产品在液晶品质和寿命方面都存在问题,不能长时间使用,而且还存在驱动电压高、响应速度慢等问题。与之相对,日本的精工集团为了解决上述问题,不是采用DS模式,而是采用TN(twisted nematic,扭曲向列)显示模式,成功实现了实用化。TN显示模式是没有电流过流的显示方式,因此耐久性显著提高,功率损耗也小,即使不更换电池也能连续使用1.5-2年。

从此,液晶显示技术得到迅猛发展,发展到现在的 TFT LCD 已给我们生活带来生动缤纷的色彩显示。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (8/19/2011)
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