从胡萝卜到4毫秒：液晶显示器发展的120年

来源于胡萝卜

    如果问今年最热门的电子商品是什么？大家的答案也许千奇百怪，不过要说起你用什么显示器或是想更换成什么显示器，大半数的人会喊出液晶显示器，但是如果你问什麼是液晶？究竟显示面板里那两片玻璃间，夹著那一层薄薄黏稠的材料是啥高科技产品，应该有半数的人瞠目结舌答不上来，如果你以为以为它是二十世纪末的新材料，那你可就猜错了，它的发现相当早，连电子晶体体都得恭敬喊它一声老前辈，可别吓一跳，在一百多年前，在上上世纪人类就发现它的存在啦！

    你应该不会到液晶显示器和胡萝卜有什么关连，但是不要怀疑，液晶的发现就必须从胡萝卜说起。十九世纪末在布拉格有一位奥地利的植物学家莱尼泽（Friedrich Reinitzer），他从胡萝卜中萃取出胆固醇。他在1888年的3月3日发表了一篇文章提出他的看法，内容除了推论胆固醇可能的化学式，还从胡萝卜中萃取出许多胆固醇的衍生物，探讨它们的物理和化学特性。

图为：LCD＝胡萝卜？（可能没人会相信）

    他注意到加热一种苯甲酸胆固醇（Cholesteryl ben zoate）所产生的顏色变化，当加热到达摄氏145度，固态化合物慢慢熔化成黏稠白云状的液体，继续加热温度上升到达摄氏179度，黏稠白浊的特性消失，变成了清澈透明的液体，这种化合物似乎有二个不一样的熔点，当该化合物冷却时同样的现象重复，只是次序反转，最后形成固态的结晶体。莱尼泽揉揉双眼确定自己没有眼花，重复几次实验还是得到相同的结果。一般的物质只有单一熔点，例如在一般情况下冰的熔点是摄氏零度，加热熔化成透明的水时，并不会出现牛奶般的混浊，这项新发现与当时的物理知识彼此矛盾。

图为：液晶状态时美丽的景象1

    莱尼泽将这种现象告诉结晶学者诺发斯基（Van Zepharovich），诺发斯基没办法回答他的疑问，建议他寻求另一位德国学者李曼（O tto Lehmann）协助，在一八八八年三月十四日莱尼泽提笔写信给李曼，这封手写书信长达十六页，开启了往后一百多年液晶发展的序曲，每一本液晶教科书都会提到这封信，感谢上帝，这一切环环相扣没出半点差错，李曼顺利收到信件，否则文明的时钟还要向后拨慢好几圈。

图为：液晶状态时美丽的景象2（um：微米，千分之一毫米）

    莱尼泽随信附上化合物的样本，叙述双熔点的现象，并详细说明冷却过程的顏色变化，内文提到：

　　「……温度下降，样本显现蓝紫色，随即一闪即逝，紧跟著实验样品呈现牛奶般的混浊，但是还是流体状态，当温度继续下降，蓝紫色再次出现，但是很快消失，接著样品形成白色结晶状的固体。」

图为：液晶状态时美丽的景象3

图为：液晶状态时美丽的景象4

    注：上面的图片都是在高倍显微镜下，液晶处于无电路控制时的状态，我们显示器里的已经被分成若干细小的空间。

 

 

 

 

 

 

    第二年，德国物理学家莱曼（O.Lehmann)使用他亲自设计，在当时作为最新式的 附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性。于是莱曼将其命名为“液态晶体”，这就是“液晶”名称的由来。

图为：昂贵的原生晶体：钻石

图为：液晶的晶体状态

第一台LCD是？

    液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物，一般最常用的液晶型式为向列液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm～10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。   

    这一发现第一次证明液晶可以应用在显示领域。另外还有两个特点令人振奋：首先，它很小，这就意味着，一旦把它运用到显示屏中，设备将会很轻；第二，不同于CRT显示屏，液晶自己并不发光。换句话说，液晶自身并不产生光线，它利用外部光线，例如周围环境的光线来形成影象。因此它的耗电量低。接下来的几年里，人们又解决了一些问题。第一个就是如何让颗粒的液晶形成一个屏幕？Dai-Nippon显示公司发明了一种通过两块儿涂有聚酰亚胺的玻璃薄板来结合液晶的方法。

    接下来，偏振滤光器被应用于液晶显示中。偏震滤光器的工作就像一个百叶窗，让光线通过也可以阻止光线进入，这取决于光线的角度。记住，液晶工作的本质就是改变光线的方向。

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图为：拨动开关可以看到液晶工作原理的示意图

    名词解释：Lightwave 光波
              Electrode 电极
              Polarized Panel 偏振面板
              Liquid Crystals 液晶

    1963年，RCA公司的威利阿姆斯发现了用电刺激液晶时，其透光方式会改变。5年后，同一公司的哈伊卢马以亚小组，发明了应用此性质的显示装置。这就是液晶显示屏（Liquid Crystal Display）的开端。

图为：RCA公司的Optel试验室

图为：设计电路时的面包板（大学都用过吧？）

图为：RCA公司研制出的世界上第一片LC

    注：你没有看错，世界上的第一片LCD就是液晶电子表的显示屏幕！

 
图为：LCD手表

    这是ilixco在1971年正式量产化的LCD手表（上一个属于试验室制品），大家看看是不是有种似曾相识的感觉（尤其是生于70年代或之前的）

图为：1978年出品的传统表针显示模式的LCD电子表，是不是也很Cool的样子？

    而当初，液晶作为显示屏的材料来说，是很不稳定的。因此作为商业利用，尚存在着问题。然而，1973年，格雷教授（英国哈尔大学）发现了稳定的液晶材料（联苯系）。同年，由SHARP公司在世界上首次，将其应用于计算器（EL-8025）的显示屏中，此材料目前已成为LCD材料的基础。

图为：1976年夏普EL-8025计算器的广告1－神秘美女篇

图为：1976年夏普EL-8025计算器的广告2－金发美女篇

图为：看看实物

    没错，第一台LCD其实就是手表上的屏幕！！！接下来夏普（SHARP）即将走进我们的视野。

夏普的崛起

    70年代至今，液晶发展史上的许多项重要内容都和夏普（SHARP）有关。这里插播一个小插曲：作为液晶发展历史上占主力地位的日本厂商，在液晶显示器量产之初，从技术上并不看好液晶，原因很简单，就是色彩表现与速度与当时的CRT显示器相去甚远，当然超大尺寸的屏幕造价过高也是原因之一，很多厂商跑去研究生产PDP（等离子显示器）。所以在LCD面板制造，夏普成为日系面板厂商的领跑者。

    SHARP（中文译音：夏普），于1912在日本的东京由四个日本人成立，在当时仅仅是一个小型的工作坊而已，并没有SHARP这个名字，但自从在1915年，它发明了第一支活动铅笔之后，便把工作坊的名字正式命名为：SHARP，并把其工作坊发展成公司。寓意其发明的活动铅笔“锐利的、锋利的”的意思。

　　   
图为：左.1987年夏普在便携式电视机上使用的3英寸彩色LCD
    右.1988年世界上第一台彩色液晶显示器（14英寸）

   
图为：左.1989年世界上第一台100英寸LCD投影机
                右.1992年世界上第一台高清晰液晶电视（LCD HDTV）

图为：1996年当时全球最大40英寸液晶电视
（比较奇怪的是，由两块29英寸面板拼接而成）

　　夏普大事记 （1973～1999年）

　　1973年 成功发明第一台液晶显示电子计算器；
    1988年 研制成功14英寸TFT彩色液晶显示器，开创了LCD新时代
　　1989年 推出100英寸投影屏幕的便携式液晶投影机；
    1991年 开发出8.6英寸彩色壁挂式液晶电视
　　1992年 发明“View CAM”液晶摄像机；以及16.5英寸多媒体显示器
　　1995年 成功开发世界最大的28英寸的TFT薄膜半导体液晶显示器；
　　1996年 推出亮度提高30%的液晶屏作显示设备的笔记本电脑；
　　1997年 发布20.1寸 “Super-View” 液晶屏；
　　1999年 发布使用CGS TFT液晶板的60寸高清晰度背投影机；

　　 
    
  上个月，夏普又发布了全球最大尺寸的液晶电视，对角线长度达到65英寸。

当LCD遇到PC 

    大家应该记得在显示器没有发明出来之前，计算机的输出界面是十分抽象的打孔纸带、灯泡或是LED。大家观察计算机输出的结果都需要专业的训练，至少要会熟练的阅读二进制代码（0101010101010110111101～）。   

图为：IMSAI 8080

    1975年生产的IMSAI 8080，使用2MHz的Intel 8080ACPU，64K 内存，显示器就前方的三排LED灯，当时售价也接近1000美元，BASIC语言

    时代进步了，当显示界面开始数字化的时候，LCD还没有被普及应用，这时候就出现了以LED灯显示数字的方式。   

图为：1977年的AIM65

    1977年的AIM65，看看前面的标志，“猫”（Modem）时代著名的Rockwell哦，采用了可显示20个包含文字与数字字符额LED，与内置式热敏打印机，作为双输出系统，1K内存、Rockwell 1MHzCPU，最大4K内存。

    随着LCD被夏普投入到计算器作为显示系统，PC厂商们也开始以LCD来武装自己的产品。这时的显示器就像个计算器的屏幕，显示数字、字母倒是没有问题，但没有办法显示任何图案，数表等等。点阵型的LCD正在一步一步的酝酿着。

图为：1982年松下（Panasonic）出品的HHC

    1982年松下（Panasonic）出品的HHC，设计上精致很多，指标和上一个AIM65相差无几，左面的热敏打印机是选配件，最多可同时显示26*1个字符，不过外形嘛，怎么看都还是像个计算器（其实它是一部电脑）。

    最初的计算机几乎都是一体化设计，到了1981年IBM才推出了真正的个人电脑（Personal Computer 简称PC）。由于技术和成本的考虑大多计算机上配置的还是CRT。而从这个时代开始，由于便携的需要，出现了很多便携或者是携带比较方便的电脑（重量依然不轻啊！），这可和现在的笔记本型电脑（NoteBook）是不一样的类型，至少上面是没有电池的。由于尺寸和重量的优势，初具现代LCD雏形的单色点阵型显示器就这样与PC相遇了。

图为：1983年生产的Gavilan SC使用了一块可显示66*8文本、400*64点阵的LCD

    1983年生产的Gavilan SC使用了一块可显示66*8文本、400*64点阵的LCD，同样是5MHz的8088CPU，内存32K，集成3英寸软驱，操作系统是MS-DOS2.11，售价高达4000美元。

液晶的分类：

TFT（薄膜晶体管）, DSTN（双层超扭曲向列型）及其他

    人们发现，液晶的棒形分子扭曲的程度越大，显示效果的对比度就越大。当扭曲度达到90%（称为TN：twisted nematic（扭曲向列型））时，对比度得到提高；扭曲度为140%（称为STN：super-twisted nematic（超扭曲向列型））时，对比度就更好。

   
图为：液晶分子的显微状态，第二张为在显示器内部排列

图为：STN液晶显示器

图为：三原色对色彩的实现，60倍放大之下的液晶面板（与CRT的原理类似）

    有源（Active）及无源（Passive）型显示

    彩色LCD有两种：有源（Active）及无源（Passive）型。

    有源LCD是指最目前应用普遍的薄膜晶体管（Thin Film Transistor：TFT）LCD，显示图象的效果与无源的比，更清晰、更分明、视角更大。

    之所以如此，是因为有源LCD更新屏幕的频率较快，而且它屏幕上的每个象素，分别是由一个独立的晶体管控制的， 而无源型屏幕是使用横向和纵向的网格线来控制显示的。第一款应用有源矩阵的产品（包括一只"Dick Tracy"款式的手表和一个1.5" 的彩电）是在1980年Seiko-Epson制造的。

    但是这种技术在小屏幕LCD（移动电话、游戏机、数码相机）中的运用呈下降趋势，其原因是quarter-VGA (QVGA) 或 320x240的显示屏，将包含200,000多个晶体管，使得其造价远高于无源LCD。尽管这种交换看起来是值得的。

    总而言之，有源矩阵显然更先进。这也就是为什么，Casio（卡西欧）彩显Cassiopeia曾一度使用TFT LCD（薄膜超扭曲向列型（FSTN））技术。

    然而，现行的无源显示运用了新的DSTN 和CSTN技术以及最新的HPA（High Performance AddressING ）技术，其图象显示的分明度可与有源显示相媲美。并且其造价低。

    DSTN （double-layer super-twisted nematic双层STN），是一种无源显示技术，使用两个显示层，这种显示技术解决了传统STN显示器中的漂移问题。不过，DSTN显示的分明效果还是不及TFT的。Philips在其彩显Nino 产品中使用了DSTN LCD。

图为：DSTN显示器

    CSTN（color super-twist nematic：彩色STN），是由SHARP开发的无源显示技术，被应用在Hewlett Packard'的Jornada Palm-size PC中。尽管最初的CSTN技术在九十年代早期发展缓滞不前，但是近期该技术的发展使其的显示效果可以与有源显示相比。最近出品的CSTN LCD有出色的响应速度、宽视角、高画质，可与TFT LCD相比。而造价只有TFT的一半。

图为：CSTN液晶面板

    通常，有源显示占据了LCD市场75%的份额，最近，又瞄准了剩下的1/4。然而，随着无源显示技术的发展，新的技术优势以及其低廉的价格，其市场份额可能会发生戏剧化的转变。

图为：用于虚拟现实的计算机辅助设计（CAD）

图为：游戏性就是一切！GBA SP

图为：PDA

图为：虚拟现实

液晶显示器的未来发展

    制造商们不断去寻找好的方法以提高液晶显示器的性能，减少其耗电量。并且取得了成功：通过改善相对孔径，减少了传送时的耗电量，同时使背光更为有效地工作。目前，制造商正致力于发展更加低延迟、高清晰，大视角的液晶显示器。

图为：引领LCD走入4ms时代的优派（ViewSonic）VX924

图为：专业王者艺卓（EIZO）

图为：戴尔（DELL） 2405FPW的宽屏诱惑

图为：苹果(Apple）Cinema Display系列设计与品质并重

    然而，仍然有很多即将出现的新技术与液晶技术分庭抗争，以取代古老的CRT显示器。

列举一二

    电致发光显示器（ELs），其有着快速刷新技术，很好的稳定性，出色的光线，但是耗电量大。不太适合掌上电脑设备。

    场发射显示器（FED），或者叫平面CRT技术， 前景良好。这种显示器有着出色的对比度和丰富的色彩，没有视角问题，并且比CRT显示器省电的多。

图为：试验室阶段的FED显示系统

    有机发光显示器（OLEDS）使用的原料可以发射光线，而不是像典型的LCD显示器，吸收光线。这种显示器目前已应用在移动电话、数码相机上，打入市场。

图为：柯达（KODAK）以将OLED显示技术应用到数码相机中

    等离子显示器（PDP）已经流行了一段时间，但是其价格昂贵，但比LCD更容易制造出超尺寸的显示器。

   真空荧光显示器（VFDs），尽管非常省电，但分辨率低，比较适合于广告版上。

图为：VFDS

    最后，让我们来看一下头盔微型显示器（Head Mounted Microdisplays），和IMB的新型可弯曲晶体管技术。头盔微型显示器耗电量低，图象质量高，轻便，在户外，清晰度更高，它小得就像一副眼镜那样。可弯曲晶体管技术，可以让显示器卷起，更有意思的是，可以绕在你的手腕上。我们期待着这些技术在显示设备中的运用。

图为：双屏也是发展方向之一