被液晶改變的人生

肖虎

清晨6點，電子鬧鐘準(zhǔn)時提示我該起床了，臥室墻上的大屏顯示器自動開啟，顯示出一幅叢林里日出的生動景象;我進(jìn)入衛(wèi)生間，利用蹲馬桶的短暫時間，查看了一下手機里的朋友圈都發(fā)生了些什么事;洗漱完畢，戴上運動手環(huán)，開始我每天的6公里跑步;6點45分，我進(jìn)到廚房，冰箱門上顯示屏顯示冰箱里食物儲存低于警戒線，我點了下屏幕上的補貨按鈕;做好早餐，我邊吃早餐，邊看電視，了解當(dāng)天新聞;7點30分，開車去上班，車載電腦自動切換導(dǎo)航模式，計算最優(yōu)路線;一路上，商店的電子櫥窗不斷切換著最新的商品;經(jīng)過一個路口等紅燈的時候，一輛大型移動廣告車從前面經(jīng)過;8點30分，我到達(dá)公司，打開電腦，開始了一天的工作……

在科技飛速發(fā)展的21世紀(jì)，液晶顯示技術(shù)也在不斷地進(jìn)步，在可預(yù)見的將來，電子計算機+液晶顯示+觸控技術(shù)+移動互聯(lián)網(wǎng)將徹底改變我們的生活。

液晶的發(fā)現(xiàn)：與諾貝爾獎失之交臂

液晶研究已有上百年歷史。早在1850年，普魯士醫(yī)生魯?shù)婪颉し茽柦B等人就發(fā)現(xiàn)神經(jīng)纖維的萃取物中含有一種不尋常的物質(zhì)。1883年，奧地利布拉格德國大學(xué)的植物生理學(xué)家斐德烈·萊尼茨爾在加熱安息香酸膽固醇脂時發(fā)現(xiàn)：當(dāng)膽固醇脂加熱到145.5℃時熔化，會經(jīng)歷一個不透明的呈白色黏稠渾濁液體狀態(tài)，并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤;溫度升到178.5℃后，它似乎再次熔化，光澤消失，變成清澈透明的液體;當(dāng)溫度下降時，再次出現(xiàn)渾濁狀態(tài)并變成紫色，最終又恢復(fù)成白色的固體。

萊尼茨爾反復(fù)確定他的發(fā)現(xiàn)后，將這種現(xiàn)象告訴給晶體學(xué)家諾發(fā)斯基，諾發(fā)斯基沒辦法回答他的疑問，建議他向德國亞琛大學(xué)物理學(xué)教授奧托·雷曼請教。

雷曼了解這一情況后，制造了一座具有加熱功能的顯微鏡，去觀察這些脂類化合物結(jié)晶的過程，后來還加上了偏光鏡。此后雷曼對這些物質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，發(fā)現(xiàn)了100多種類似性質(zhì)的材料。他發(fā)現(xiàn)，這類白而渾濁的物質(zhì)外觀上雖然屬于液體，但卻顯示出異性晶體特有的雙折射性。開始時，雷曼將這些物質(zhì)稱為軟晶體，然后改稱晶態(tài)流體，并分為“晶狀液體”和“液態(tài)晶體”兩大類。這就是液晶名字的來歷。

1913年至1922年間，雷曼多次被提名為諾貝爾物理學(xué)獎候選人，但是由于液晶研究當(dāng)時還不被學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可，所以最終還是沒能獲獎。但雷曼的先期研究，為1968年液晶產(chǎn)品的問世和迅速發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

液晶技術(shù)應(yīng)用：從軍方開始

現(xiàn)代液晶顯示技術(shù)研究起源于美國。1962年春天，新澤西州普林斯頓，美國無線電公司（簡稱RCA，當(dāng)時的世界電視霸主）戴維·薩諾夫研究中心的威廉姆斯，發(fā)現(xiàn)了對氧化偶氮苯甲醚的一種光電效應(yīng)。這種材料在1000V/cm的電場條件下，會在液晶層中形成可視區(qū)域（后來被稱為威廉姆斯域）。同一實驗室的西蒙·拉勞切，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了演示。他將對氧化偶氮苯甲醚夾在兩片玻璃之間，用顯微鏡燈加熱到120℃時粉末熔化;再用電池給玻璃片施加電場時，出現(xiàn)了戲劇般的變化——液晶從透明變成了乳白色。這就是后來廣為人知的動態(tài)散射現(xiàn)象。威廉姆斯后來被RCA派到瑞士蘇黎世工作，他在11月9日提交了RCA的第一項LCD專利申請。

1963年，在RCA實驗室兼職的普林斯頓大學(xué)博士研究生喬治·海爾邁耶，也開始對液晶機理展開研究。隨著研究的不斷深入，1964年秋天，他在高電場下的液晶動態(tài)散射特征方面取得了重大突破。

1965年初，RCA實驗室管理層基于海爾邁耶的研究成果，決定正式啟動一個絕密的液晶研究項目，尋找一種能夠制造平板顯示設(shè)備的室溫液晶材料，最終研制出“掛壁電視”。研究組成員主要包括海爾邁耶、路易斯·扎諾尼和盧西恩·巴頓。他們繼續(xù)研究不同液晶材料及不同單元構(gòu)造的光電特性。RCA實驗室的其他小組開始制作不同的顯示器，以證明LCD在時鐘、手表以及類似應(yīng)用當(dāng)中的潛力。

同年，兩位化學(xué)家約瑟夫·卡斯特拉諾和喬爾·戈德梅切爾加入了這個項目。1966年，兩人合成出能夠在室溫范圍內(nèi)工作的液晶材料，顯示了液晶實用化的可能性。這種材料由多種液晶單體混合而成，被稱為向列相液晶混合物，解決了研制LCD顯示器的材料問題。

液晶技術(shù)出現(xiàn)后，最感興趣的是美國軍方，他們認(rèn)為液晶平板顯示器可以取代笨重的CRT顯像管顯示器，在飛機、潛艇和坦克上都有重要的應(yīng)用價值。為此美國國防部開始對液晶技術(shù)提供資金支持。1966年，RCA實驗室啟動矩陣顯示項目，為美國空軍的戰(zhàn)斗機研制一種1200個單元的電致發(fā)光矩陣尋址平板顯示器，用于顯示實時移動的灰度電視圖像。

1968年5月28日，RCA實驗室副主任杰姆斯·希利爾，在紐約RCA大廈召開了著名的LCD新聞發(fā)布會，介紹了LCD顯示器的研究進(jìn)展和其在電子產(chǎn)業(yè)中的重要性，并展示了2×18像素的矩陣顯示器樣品和其他部件。

經(jīng)過5年的研究，RCA實驗室雖然在液晶顯示領(lǐng)域已經(jīng)取得了關(guān)鍵性突破，但是這種采用動態(tài)散射模式（DSM）的液晶工藝，仍然存在材料穩(wěn)定性差、對比度低、掃描線數(shù)量限制等問題，難以進(jìn)行批量工業(yè)化應(yīng)用。

1972年初，日本夏普公司買下美國RCA公司的LCD技術(shù)，并在次年推出了第一款采用TN-LCD為顯示面板的計算器（Sharp？EL-805）。日本精工則從美國人弗格森手中買下了TN-LCD技術(shù)，并在1973年10月推出了其第一款LCD數(shù)字顯示電子表，引發(fā)了數(shù)字電子表熱潮。

1988年10月，夏普在日本電子展覽會上展出了最新研制的只有2.7厘米厚14英寸的TFT-LCD（薄膜晶體管）液晶顯示屏，引起業(yè)界震驚。

TFT-LCD（薄膜晶體管）液晶顯示屏由7層結(jié)構(gòu)，分別是：背光板、下偏光片、玻璃基板、薄膜晶體管、液晶層、彩色濾光片、上偏光片，主要特點是在每個像素配置一個半導(dǎo)體開關(guān)器件，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路。由于每個像素都可通過點脈沖直接控制，使得每個節(jié)點相對獨立，并可以連續(xù)控制。這樣不僅提高了反應(yīng)時間，同時在灰度控制上也可以做到非常精確。整個液晶屏里包含了上百萬個像素單元（例如1280×1024分辨率，共計131萬像素），用以顯示圖像。

TFT-LCD克服了其他顯示器的許多缺點。它的功耗約為CRT顯示器的十分之一，反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右;它很輕便，最薄的液晶顯示器已經(jīng)可以做到1.8mm;它的色彩保真度高、響應(yīng)速度快、對比度高、視角大，并且無輻射、無閃爍，對使用者的健康無損害;它的適用范圍寬，從-20℃到+50℃的溫度范圍內(nèi)都可以正常使用。憑借無與倫比的優(yōu)點，TFT-LCD很快成為主流顯示設(shè)備，廣泛應(yīng)用于平板電視、電腦顯示器、平板電腦、手機屏幕等設(shè)備上。

中國平板產(chǎn)業(yè)起步于上世紀(jì)70年代末，原電子工業(yè)部七七四廠（北京電子管廠）、七七O廠（湖南長沙曙光電子管廠）、中國科學(xué)院713廠（河南新鄉(xiāng)）和上海電子管廠，先后建成4英寸基板玻璃的TN-LCD實驗生產(chǎn)線，用于生產(chǎn)電子表、計算器和一些儀表的液晶產(chǎn)品。但是一直到1984年，無論是自主拼裝設(shè)備還是從美國引入的設(shè)備，都是作坊式小規(guī)模的實驗線，沒有形成批量生產(chǎn)規(guī)模，但這些實驗室和實驗線卻奠定了中國液晶產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

中國大陸涉足STN-LCD是從90年初開始，國家八五計劃開發(fā)項目“640×200超扭曲液晶顯示項目”由七七O廠和清華大學(xué)、南京五十五所共同完成。中國在TFT方面的工作在2000年以前僅限于科研院所的基礎(chǔ)研究工作。

2002年4月，上海廣電集團（前身為上海電視機廠）與日本NEC簽署合作意向書，共同投資1146億日元（100億元人民幣），在上海莘莊工業(yè)區(qū)建設(shè)一條5代線，其中上廣電占股75%，NEC占25%。由合資公司向NEC購買相關(guān)專利和技術(shù)，2004年10月8日，中國第一條5代線在上海投產(chǎn)（世界第七條5代線），主要切割15英寸液晶屏。

目前我國已有17條4.5代及以上液晶屏生產(chǎn)線建成投產(chǎn)，還有1條5.5代線、1條6代線及3條8.5代線正在建設(shè)中。伴隨著液晶顯示器件生產(chǎn)線數(shù)量和規(guī)模的增大，為LCD配套的材料和設(shè)備也得到了一個好的發(fā)展空間，在LCD的三大材料中，最早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的是液晶材料和玻璃基板。

玻璃基板不僅在液晶面板成本占比高，而且對性能有顯著的影響，面板的分辨率、透光率、重量、厚度、可視角度等指標(biāo)都與所采用的玻璃基板質(zhì)量密切相關(guān)。由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜，技術(shù)門檻極高，玻璃基板的生產(chǎn)長期以來由美國的康寧（Corning），日本的旭硝子（AsahiGlass）、電氣硝子（NEG）和板硝子（NG Technology）所壟斷，其中康寧的市場份額接近50%。與國外的競爭格局相同，國內(nèi)玻璃基板的產(chǎn)能同樣十分集中，東旭光電是國內(nèi)僅有的能開出大規(guī)模玻璃基板產(chǎn)能的兩家上市公司之一。