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无声的战争2【美国人的败局】——全球液晶产业发展史

admin 2014-08-08 0
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现代液晶显示技术研究起源于美国,二战后,美国政府开始大力扶植半导体的研发,用以改进雷达等武器的性能。德州仪器、IBM、仙童等公司在半导体领域不断取得突破,尤其是1947年至1959年出现的晶体管和集成电路技术,使得美国迅速成为世界电子产业的中心。

 

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(Davia Sarnoff)研究中心的威廉姆斯(Richard Williams),发现了对氧化偶氮苯甲醚(一种淡黄色液晶粉末)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Simon Larach,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。

 

但是这一研究并未深入下去,1962年中期,威廉姆斯被RCA派到瑞士苏黎世工作。不过他在11月9日提交了一份专利申请(这是RCA的第一项LCD专利)。1963年他又在一篇论文中提到,在更高的电场条件(如2000-3000V/cm)下,可以观察到更强的光电效应,届时能看到液晶发生剧烈而快速的搅动。与此同时,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(George Heilmeier),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,这一年他只有28岁。

基于海尔迈耶的研究成果,RCA实验室管理层在1965年初,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、Louis Zanoni和Lucian Barton。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。此外他们还开发了电子快门及消光镜。

 

1965年,两位化学家Joseph Castellano和Joel Goldmacher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。研究人员设计了一套电子系统,以NTSC全制式电视频率(每秒30帧),用60微秒脉冲来驱动一个2×18像素的矩阵,显示运动的灰白图像,每个液晶像素边长约1.5毫米。不过由于室温液晶材料打开时间为3-4毫秒,关断时间为50毫秒,所以图像存在明显的拖尾现象。

 

1967年年中,RCA实验室决定制作两个1200(30×40)单元的LCD显示器,一个基于D2C寻址方式,一个基于FETC寻址方式。液晶像素边长为0.38毫米,组成一个对角线长3/4英寸(1.9厘米)的显示器。D2C显示器采用在玻璃衬底上蒸发薄膜二极管来制作(未能成功),FETC显示器采用单晶硅晶圆制作。1968年5月28日,RCA实验室副主任James Hillier,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。到1969年,RCA决定放弃研制LCD液晶电视显示器的全部计划。其原因是RCA这个当时的世界电视霸主,已经在彩色显像管电视上日渐成熟,并研制出了13英寸彩色显像管电视机。由于LCD技术在短期内无法与CRT显像管技术竞争,RCA管理层决定放弃继续投资。同时,大公司的傲慢也使得RCA管理层看不上液晶研发小组研究过的计算器、钟表、各种仪表显示器等“小玩意”。他们在1972年停止了这些研发计划,转而将注意力集中在开发电子计算机上,企图挑战IBM在电脑市场的地位。

 

这些缺乏远见的商业决定,让美国人在30年后痛失千亿美元的LCD市场。RCA这个当年的电视霸主,也在自身战略失误和日本电视机厂商的冲击下迅速没落,最终在1985年被美国通用电气并购。由于液晶研发计划的嘎然而止,1970年初,海尔迈耶离开了RCA公司。具有讽刺意味的是,当年11月,他却在日本获得了“液晶显示(LCD)京都创新奖”,这一奖项相当于日本的诺贝尔奖,奖金为42.5万美元。1975年至1977年,海尔迈耶在“美国国防部远景研究计划局”(DARPA)从事绝密研究工作,参与了F-117隐形轰炸机的研制工作,后加入德州仪器,成为公司首席技术官,帮助德州仪器击退了日本廉价芯片的市场攻势。

 

在RCA公司出走的人物中,还有一位德国人沃尔夫冈·海尔弗里奇(Wolfgang Helfrich)。他在1970年2月离开RCA后,加入了瑞士罗氏公司,与瑞士人马丁·夏德特(Martin Schadt),继续进行液晶研究工作。他们针对DSM(动态散射模式)液晶的缺陷,提出了TN(扭曲向列)模式,利用电场强度控制液晶的扭曲向列相,来显示屏幕画面。1970年12月4日,两人对TN-LCD申请了专利。这一技术使得液晶显示技术实现工业化,目前我们使用的计算器、电子表等产品上,仍然在使用这种黑白TN-LCD液晶屏。

 

在美国的液晶研发系统中还有另外一支,就是美国西屋电气公司(世界核电霸主,还有一个名字叫威斯汀豪斯)。上世纪50年代,西屋已经成为美国核电站的核岛主设备供应商,同时也制造电视机和半导体产品。它研究液晶的最初动机是开发热敏元件,用来检查因放射性而不便打开的核电管道里的水。由于液晶可以根据管道的温度而改变颜色,西屋实验室的詹姆斯·弗格森(James Fergusson)研究小组,于1963年首先用胆甾相液晶,制成了依据颜色变化来测定物体表面温度分布的温度计。这使液晶研究向着实际应用领域大大地前进了一步。随后弗格森又将研究重点转向了液晶显示领域。但是由于西屋公司完全退出了电视机制造行业,也不打算做电脑之类的终端业务,所以弗格森于1966年离开西屋,并于1970年创办了自己的公司,成为最早生产TN-LCD液晶屏的企业之一。

 

总之,在涉足过液晶显示的美国大企业中——RCA、西屋电气、罗克韦尔、摩托罗拉、AT&T、通用电气、休斯飞机、雷神公司、IBM、施乐和惠普,都在上世纪70年代放弃了液晶平板显示技术开发,液晶显示技术最终也没能在美国实现产业化。此后直至2000年,美国政府和产业界,一直试图重振美国平板显示产业,对日本企业提出反倾销诉讼并提高关税,但是在技术壁垒、资金壁垒、产业周期等因素的挚肘下,美国本土液晶产业几乎全部土崩瓦解,只剩下少量军工液晶生产线得以幸存。此外还有康宁、应用材料、3M等设备材料厂商,得以在亚洲液晶产业扩张中获利。

 

 

计算机

1973年上市的Sharp EL-805,是第一台使用TN-LCD液晶显示器的掌上计算器。

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