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發明 LCD 的曲折歷程——胡蘿蔔、核子危機、雷射通訊(或許還關係到護國神山台積電的創立)

發明 LCD 的曲折歷程——胡蘿蔔、核子危機、雷射通訊(或許還關係到護國神山台積電的創立)

發明 LCD 的曲折歷程——胡蘿蔔、核子危機、雷射通訊(或許還關係到護國神山台積電的創立)

現在大概很難想像沒有液晶顯示器的生活。從一早起床拿起手機、到辦公室使用電腦工作、下班回家打開電視,整天下來,至少有一半以上的時間盯著螢幕看。此外還有電器用品、提款機、iBon、廣告看板、……等各種裝置也都有用到液晶顯示器。

不過你大概想不到,液晶早在笨重的映像管發明之前就被發現了。而且最初想要發明 LCD 的人原本不是要當作顯示器,恰恰相反,是為了遮蔽光線。而真正發明 LCD 的人也不是要當顯示器,而是為了雷射通訊。

話說 1880 年代,植物學家從胡蘿蔔中萃取出兩種胡蘿蔔素,一種是紅色的,另一種是無色的。無色的胡蘿蔔素究竟是不是植物性膽固醇?這個問題引發爭辯卻始終沒有定論。1888 年,奧地利植物生理學家萊尼澤 (Friedrich Reinitzer) 決定比較兩者的物理化學特性,以釐清這個問題。

他先從苯甲酸膽固醇酯著手,結果發現它在加熱的過程中,會先熔化成混濁的液體,接著變成清澈透明。而在自然冷卻時,原本透明的液體會變成藍紫色,然後顏色迅速消失,變為混濁。當溫度繼續下降,藍紫色再度出現,接著變為黃綠色、橙黃色、紅色,同時出現結晶的現象。

萊尼澤寫信向晶體學專家雷曼 (Otto Lehmann) 請教。雷曼用偏光顯微鏡發現溶液裡面有許多結晶體,使得不同偏振方向的光產生不同折射,也就是類似石英、寶石等固體晶體的雙折射現象。雷曼把它們稱為「液態晶體」,這就是液晶的名稱由來。

Otto Lehmann。圖片來源:維基共享資源 (Wikimedia Commons)

後續科學家對液晶的研究,包括蘇聯科學家Vsevolod Frederiks 於 1927 年發現電場會改變液晶的狀態,都僅出於科學上的好奇,沒有人想到將液晶的光學特性用於顯示文字或圖像。直到 1962 年 4 月,美國無線電公司 (Radio Corporation of America,簡稱RCA) 的物理化學家威廉 (Richard Williams) 突發奇想,才開啟了液晶顯示器的研究。

當時美蘇對峙,核子危機一觸即發,威廉設想飛行員出任務時,可能會因核彈強光一時看不見,甚至眼盲,於是想要發明一種類似高速快門的裝置,可以讓透明玻璃瞬間變黑,以保護飛行員的眼睛。威廉看上的是一種「向列型液晶」,這種分子就像火柴盒中的火柴棒那樣順向排列,除了自身轉動外,彼此也會相互滑動。他想試驗電場是否會改變它們的方向,吸收不同波長的光。

Richard Williams。圖片來源:CED Magic

威廉在兩片耐熱玻璃之間塗上薄薄一層向列型液晶,加熱到125°C,再接上電,結果透明的液晶並未均勻變暗,而是形成皺褶般的圖案。電源一關掉,圖案馬上消失,液晶又變回透明。威廉腦筋一轉,想到這或許可以用來替代電視機的映像管,於是在對公司內部演示時,主動提議開發液晶電視。

不過這個點子馬上被打回票,因為先不提各種技術障礙,光是機器得維持在一百多度的高溫這點,就太過危險,不可能做為一般消費商品。威廉只好放棄這個構想,轉而投入其它研究,所幸當時現場有位 28 歲的年輕人看了演示後念念不忘,液晶顯示器才沒有胎死腹中。

這位年輕人是擁有博士學位的海爾邁爾 (George Heilmeier),他在 RCA 的工作是研究如何用雷射技術進行通訊傳輸。原本雷射是用紅寶石之類的晶體產生,但海爾邁爾不需要那麼大的功率,因此他一直想要找到成本更低的晶體代替。威廉的演示為他指出一個新的方向:或許可以用向列型液晶取代固態晶體。他帶領部門開始研究液晶,結果在 1966 年發現一種方法,可以在室溫下合成出向列型液晶,海爾邁爾立刻體認到:阻擋開發液晶顯示器的障礙已經排除。

George Heilmeier。圖片來源:IEEE Spectrum

海爾邁爾成功說服高層,成立液晶顯示器的研究團隊。隔年他們即做出小型的原型機,可以顯示靜態圖樣與簡單動畫。1968 年 5 月,RCA 召開盛大的記者會,對外公布他們已擁有將液晶用於顯示器的技術,並樂觀地預言:剛上映的科幻電影《2001太空漫遊》中的平面電視,再過幾年即可問世。

這個預言當然太過樂觀,液晶顯示器的畫質要趕上映像管還有一大段距離要走,而且 RCA 自己就先放棄了。他們決定全力發展電腦事業,大幅縮減液晶顯示器部門,將液晶顯示器市場拱手讓予日本為首的其它國家。

海爾邁爾也於 1970 年代離開 RCA,到國防部服務幾年後,在 1977 年轉任德州儀器副總經理,並於 1983 年升為技術長。就在這一年,已經在德州儀器服務了 25 年,1972 年就已經是副總經理的張忠謀辭職走人,理由是與董事會理念不合。不知道與這有沒有關係。

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