被液晶改变的人生

肖虎

清晨6点，电子闹钟准时提示我该起床了，卧室墙上的大屏显示器自动开启，显示出一幅丛林里日出的生动景象;我进入卫生间，利用蹲马桶的短暂时间，查看了一下手机里的朋友圈都发生了些什么事;洗漱完毕，戴上运动手环，开始我每天的6公里跑步;6点45分，我进到厨房，冰箱门上显示屏显示冰箱里食物储存低于警戒线，我点了下屏幕上的补货按钮;做好早餐，我边吃早餐，边看电视，了解当天新闻;7点30分，开车去上班，车载电脑自动切换导航模式，计算最优路线;一路上，商店的电子橱窗不断切换着最新的商品;经过一个路口等红灯的时候，一辆大型移动广告车从前面经过;8点30分，我到达公司，打开电脑，开始了一天的工作……

在科技飛速发展的21世纪，液晶显示技术也在不断地进步，在可预见的将来，电子计算机+液晶显示+触控技术+移动互联网将彻底改变我们的生活。

液晶的发现：与诺贝尔奖失之交臂

液晶研究已有上百年历史。早在1850年，普鲁士医生鲁道夫·菲尔绍等人就发现神经纤维的萃取物中含有一种不寻常的物质。1883年，奥地利布拉格德国大学的植物生理学家斐德烈·莱尼茨尔在加热安息香酸胆固醇脂时发现：当胆固醇脂加热到145.5℃时熔化，会经历一个不透明的呈白色黏稠浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽;温度升到178.5℃后，它似乎再次熔化，光泽消失，变成清澈透明的液体;当温度下降时，再次出现浑浊状态并变成紫色，最终又恢复成白色的固体。

莱尼茨尔反复确定他的发现后，将这种现象告诉给晶体学家诺发斯基，诺发斯基没办法回答他的疑问，建议他向德国亚琛大学物理学教授奥托·雷曼请教。

雷曼了解这一情况后，制造了一座具有加热功能的显微镜，去观察这些脂类化合物结晶的过程，后来还加上了偏光镜。此后雷曼对这些物质进行了系统性研究，发现了100多种类似性质的材料。他发现，这类白而浑浊的物质外观上虽然属于液体，但却显示出异性晶体特有的双折射性。开始时，雷曼将这些物质称为软晶体，然后改称晶态流体，并分为“晶状液体”和“液态晶体”两大类。这就是液晶名字的来历。

1913年至1922年间，雷曼多次被提名为诺贝尔物理学奖候选人，但是由于液晶研究当时还不被学术界广泛认可，所以最终还是没能获奖。但雷曼的先期研究，为1968年液晶产品的问世和迅速发展打下了基础。

液晶技术应用：从军方开始

现代液晶显示技术研究起源于美国。1962年春天，新泽西州普林斯顿，美国无线电公司（简称RCA，当时的世界电视霸主）戴维·萨诺夫研究中心的威廉姆斯，发现了对氧化偶氮苯甲醚的一种光电效应。这种材料在1000V/cm的电场条件下，会在液晶层中形成可视区域（后来被称为威廉姆斯域）。同一实验室的西蒙·拉劳切，根据这一发现进行了演示。他将对氧化偶氮苯甲醚夹在两片玻璃之间，用显微镜灯加热到120℃时粉末熔化;再用电池给玻璃片施加电场时，出现了戏剧般的变化——液晶从透明变成了乳白色。这就是后来广为人知的动态散射现象。威廉姆斯后来被RCA派到瑞士苏黎世工作，他在11月9日提交了RCA的第一项LCD专利申请。

1963年，在RCA实验室兼职的普林斯顿大学博士研究生乔治·海尔迈耶，也开始对液晶机理展开研究。随着研究的不断深入，1964年秋天，他在高电场下的液晶动态散射特征方面取得了重大突破。

1965年初，RCA实验室管理层基于海尔迈耶的研究成果，决定正式启动一个绝密的液晶研究项目，寻找一种能够制造平板显示设备的室温液晶材料，最终研制出“挂壁电视”。研究组成员主要包括海尔迈耶、路易斯·扎诺尼和卢西恩·巴顿。他们继续研究不同液晶材料及不同单元构造的光电特性。RCA实验室的其他小组开始制作不同的显示器，以证明LCD在时钟、手表以及类似应用当中的潜力。

同年，两位化学家约瑟夫·卡斯特拉诺和乔尔·戈德梅切尔加入了这个项目。1966年，两人合成出能够在室温范围内工作的液晶材料，显示了液晶实用化的可能性。这种材料由多种液晶单体混合而成，被称为向列相液晶混合物，解决了研制LCD显示器的材料问题。

液晶技术出现后，最感兴趣的是美国军方，他们认为液晶平板显示器可以取代笨重的CRT显像管显示器，在飞机、潜艇和坦克上都有重要的应用价值。为此美国国防部开始对液晶技术提供资金支持。1966年，RCA实验室启动矩阵显示项目，为美国空军的战斗机研制一种1200个单元的电致发光矩阵寻址平板显示器，用于显示实时移动的灰度电视图像。

1968年5月28日，RCA实验室副主任杰姆斯·希利尔，在纽约RCA大厦召开了著名的LCD新闻发布会，介绍了LCD显示器的研究进展和其在电子产业中的重要性，并展示了2×18像素的矩阵显示器样品和其他部件。

经过5年的研究，RCA实验室虽然在液晶显示领域已经取得了关键性突破，但是这种采用动态散射模式（DSM）的液晶工艺，仍然存在材料稳定性差、对比度低、扫描线数量限制等问题，难以进行批量工业化应用。

1972年初，日本夏普公司买下美国RCA公司的LCD技术，并在次年推出了第一款采用TN-LCD为显示面板的计算器（Sharp？EL-805）。日本精工则从美国人弗格森手中买下了TN-LCD技术，并在1973年10月推出了其第一款LCD数字显示电子表，引发了数字电子表热潮。

1988年10月，夏普在日本电子展览会上展出了最新研制的只有2.7厘米厚14英寸的TFT-LCD（薄膜晶体管）液晶显示屏，引起业界震惊。

TFT-LCD（薄膜晶体管）液晶显示屏由7层结构，分别是：背光板、下偏光片、玻璃基板、薄膜晶体管、液晶层、彩色滤光片、上偏光片，主要特点是在每个像素配置一个半导体开关器件，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可通过点脉冲直接控制，使得每个节点相对独立，并可以连续控制。这样不仅提高了反应时间，同时在灰度控制上也可以做到非常精确。整个液晶屏里包含了上百万个像素单元（例如1280×1024分辨率，共计131万像素），用以显示图像。

TFT-LCD克服了其他显示器的许多缺点。它的功耗约为CRT显示器的十分之一，反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右;它很轻便，最薄的液晶显示器已经可以做到1.8mm;它的色彩保真度高、响应速度快、对比度高、视角大，并且无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害;它的适用范围宽，从-20℃到+50℃的溫度范围内都可以正常使用。凭借无与伦比的优点，TFT-LCD很快成为主流显示设备，广泛应用于平板电视、电脑显示器、平板电脑、手机屏幕等设备上。

中国平板产业起步于上世纪70年代末，原电子工业部七七四厂（北京电子管厂）、七七O厂（湖南长沙曙光电子管厂）、中国科学院713厂（河南新乡）和上海电子管厂，先后建成4英寸基板玻璃的TN-LCD实验生产线，用于生产电子表、计算器和一些仪表的液晶产品。但是一直到1984年，无论是自主拼装设备还是从美国引入的设备，都是作坊式小规模的实验线，没有形成批量生产规模，但这些实验室和实验线却奠定了中国液晶产业的基础。

中国大陆涉足STN-LCD是从90年初开始，国家八五计划开发项目“640×200超扭曲液晶显示项目”由七七O厂和清华大学、南京五十五所共同完成。中国在TFT方面的工作在2000年以前仅限于科研院所的基础研究工作。

2002年4月，上海广电集团（前身为上海电视机厂）与日本NEC签署合作意向书，共同投资1146亿日元（100亿元人民币），在上海莘庄工业区建设一条5代线，其中上广电占股75%，NEC占25%。由合资公司向NEC购买相关专利和技术，2004年10月8日，中国第一条5代线在上海投产（世界第七条5代线），主要切割15英寸液晶屏。

目前我国已有17条4.5代及以上液晶屏生产线建成投产，还有1条5.5代线、1条6代线及3条8.5代线正在建设中。伴随着液晶显示器件生产线数量和规模的增大，为LCD配套的材料和设备也得到了一个好的发展空间，在LCD的三大材料中，最早实现产业化的是液晶材料和玻璃基板。

玻璃基板不仅在液晶面板成本占比高，而且对性能有显著的影响，面板的分辨率、透光率、重量、厚度、可视角度等指标都与所采用的玻璃基板质量密切相关。由于生产工艺复杂，技术门槛极高，玻璃基板的生产长期以来由美国的康宁（Corning），日本的旭硝子（AsahiGlass）、电气硝子（NEG）和板硝子（NG Technology）所垄断，其中康宁的市场份额接近50%。与国外的竞争格局相同，国内玻璃基板的产能同样十分集中，东旭光电是国内仅有的能开出大规模玻璃基板产能的两家上市公司之一。