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液晶顯示器的發展

液晶顯示器是一種平面顯示技術的電子裝置,它使用液晶這種材料來進行電與光的相互調制。自1888年液晶被發現後,經過五、六十年後才被使用在電與光相互操作的元件裡,當初研究室中一瓶小小的溶液竟然從星星之火變成照亮我們的璨爛光芒,未來各式各樣的顯示器依然會從起床到睡眠,從閱讀到娛樂,存在我們日常生活的每個角落。
 
 
我們每天都需要跟外界交流,而傳達資訊最直接的方式就是透過雙眼。很多人現今起床第一件事情並不是刷牙洗臉,而是先看看手機、溜覽平板上的社群訊息,即使是開始工作了可能也需盯著電腦螢幕,回家後轉著電視台,或是看個電影、玩個遊戲。在這些日常生活的活動裡,我們總脫離不了各式各樣的顯示器,而目前最普遍的顯示器技術應該是液晶顯示器(Liquid crystal display, LCD)了。
 
液晶顯示器已經融入我們的生活之中  (圖片取自網路,公開授權)
▲液晶顯示器已經融入我們的生活之中 (圖片取自網路,公開授權)
 
液晶顯示器是一種平面顯示技術的電子裝置,它使用液晶這種材料來進行電與光的相互調制。那什麼是液晶呢﹖一般人所熟悉的物質狀態為氣、液與固態三相,但液晶相則需要具有特殊結構的分子在巨觀下才會產生,它是一種既像液體般可以流動,但又兼具固體晶體光學特性的相態,所以被稱為液晶。

故事回到1888年,奧地利的植物和化學家弗里德里希.萊尼澤(Friedrich Reinitzer)從胡蘿蔔的萃取物中發現該物質在145°C時會溶化並變成混濁狀的液體,但若持續加熱到更高溫時它又變成了澄清的液體,有若是一種液態晶體。之後德國物理學家奧托.雷曼(Otto Lehmann)進一步確認了這東西具有特殊的雙折射性,此兩人被後人譽為是液晶之父。

1922年,法國礦物與晶體學家喬治.弗里德爾(Georges Friedel)仔細地描述出液晶的結構和性質,並將其分為三種類型:向列型(nematics)、層列型(smectics)和膽固醇型(cholesterics)。五年後,學術界發表了第一個用液晶製作的「光開關」元件,它的原理是利用電訊號來控制液晶的排列使光通過與否,這個研究,埋下了未來液晶顯示技術發展的種子。1930 到 1960年間是液晶研究的空窗期。但是,在同期,相關的半導體電子工藝卻有長足的進展,如圖案化電極的光微影技術,奠定了液晶顯示技術發展的基礎。  

在1962年,美國無線電公司(Radio Corporation of America)的理察.威廉斯(Richard Williams)發現了液晶另具有一些有趣的電光特性,比如他透過施加電壓在薄層液晶材料,結果產生了條紋圖案,基於流體的不穩定性,液晶中會形成威廉斯區域(Williams domains)而將通過的光線散射。兩年後的1964年,同樣於美國無線電公司實驗室的喬治.海爾邁耶(George Harry Heilmeier)利用此威廉斯區域的散射效應做出了第一個可操作的液晶顯示器,其操作方式就稱為動態散射模式(Dynamic scattering mode, DSM)。喬治.海爾邁耶也因發明了DSM顯示器而入選美國國家發明家名人堂。

1960年代後期,英國的皇家雷達研究中心(Royal Radar Establishment) 協同赫爾大學(The University of Hull)的喬治.威廉.格雷(George William Gray)團隊也做了許多液晶的開創性研究,並發表了氰基聯苯液晶,此物具有相當優秀的穩定性和溫度特性,更適於液晶顯示器的實際應用。1970年,瑞士羅氏公司(Hoffmann-La Roche)的沃夫岡.海佛瑞(Wolfgang Helfrich)和馬丁.沙特(Martin Schadt)及美國肯特州立大學(Kent State University)液晶研究所的詹姆斯.費格遜(James Fergason)兩組人馬幾乎同時申請了扭曲向列型液晶(twisted nematic, TN)的專利。

歐美企業雖然是液晶顯示器技術的原始創作者,但把這項技術推向商品化的重要推手則非日本公司,如夏普(Sharp)、精工(Seiko)、卡西歐(Casio)等莫屬。在TN型液晶元件中,兩個電極處的表面排列會被安排彼此垂直,因此分子自己會排列成螺旋結構,這會造成入射光偏振(polarization)方向的偏轉。當施加的電壓夠大時,因中間的液晶層無法維持旋轉排列,使得入射光在通過液晶層時被阻擋而使該區塊在螢幕上顯示為黑色。但若改變施加於液晶層的電壓時,將可允許光以不同的量通過,由於它的工作電壓和功耗都較低,故很快就取代了動態散射模式。 1972年,第一款配備TN-LCD的四位數顯示手錶在市場上推出,卡西歐公司及夏普公司陸續推出了用於計算器的液晶顯示器,而其他日本公司如精工,也很快的另插旗於手錶市場。 
 
使用TN-LCD為顯示螢幕的手錶 (圖片取自維基百科,作者Ricce,公開授權)
▲使用TN-LCD為顯示螢幕的手錶 (圖片取自維基百科,作者Ricce,公開授權)

1983年瑞士布朗博韋里股份公司(Brown, Boveri & Cie)發明了一種可用於被動式矩陣驅動的超扭曲向列液晶(Super twisted nematic, STN)顯示器,並結合荷蘭皇家飛利浦電子公司(Philips)在設計和製作大型集成電路的專業知識,於1985年推出了一定解析度及影像品質的小型液晶顯示器,為蓬勃發展的手機產業提供顯示螢幕。但STN顯示器有許多缺點,例如在大畫面高解析度上的困難,因此,精工愛普生(Seiko Epson)另於1982年發佈了第一款主動式矩陣驅動的液晶手錶,1984年再發佈第一款彩色袖珍液晶電視,同年,星辰表公司(Citizen Watch) 也推出了第一款搭配商用薄膜電晶體(Thin film transistor, TFT)的彩色2.7英寸液晶電視。1988年,夏普展示了一款14英寸主動矩陣全彩TFT-LCD,這些舉動引致日本LCD產業開始全力開發包括電腦顯示器和液晶電視等大尺寸的液晶顯示器。 

1992年,日立公司(Hitachi)發明了橫向電場效應顯示技術(In-Plane-Switching, IPS) ,並進一步通過優化電極的形狀(Super IPS)改善視角。這對於後來成功做出具有廣視角、翻轉螢幕功能的平板電腦顯示器、手機和廣視角的大屏幕液晶顯示器而言,是一個重大的里程碑。1998年日本富士通(Fujitsu)開發了多域垂直配向 (Multi-domain vertical alignment, MVA)技術,它具有比TN更好的顯示特性與比IPS容易製作的的特點,因此很快為各家面板廠青睞並採用生產。即至目前,多域垂直配向技術和橫向電場效應技術依然是液晶顯示器的兩大主流技術。

臺灣的液晶顯示器技術開始於九零年代初期,在台灣半導體產業深厚的基礎下,發展得相當快速。1993年,友達光電前身聯友光電建立台灣首座第一代的TFT廠已能生產小於10.4吋的中小尺寸TFT-LCD。九零年代末期,各公司開始切入大尺寸TFT-LCD之生產,奇美電子於2002年成功研發出台灣第一片30吋液晶電視面板。2002年開始,在政府的主導下,發展兩兆雙星計畫,其一是半導體,另一個就是影像顯示。2006年,台灣五家主要的面板廠商包括:友達光電、奇美電子、群創光電、中華映管、瀚宇彩晶,號稱面板五虎,開啟了台灣在TFT-LCD產業的黃金時代。
 
液晶顯示器 (圖片取自網路,Creative Commons CC0 授權)
▲液晶顯示器 (圖片取自網路,Creative Commons CC0 授權)
 
近十年來,有各式各樣的顯示器被發明;如有機發光二極體顯示器(Organic Light-Emitting Diode, OLED),相較於液晶顯示器就有許多優點:自發光性的亮度高,也因自己不發亮的暗態,故對比度很好,又具有二極體的高反應速率及可撓曲的優勢,但目前因大尺寸價格與壽命較差之故,尚無法與液晶顯示器匹敵;另外還有當紅的微發光二極體顯示技術(Micro LED),其係將現有的LED微型化成微米等級的像素,它優點眾多,從高亮度、高對比、廣色域、低功耗,更可以製作於塑膠軟板成為可撓性顯示器,幾乎是集目前顯示技術的終極目標,但如何克服其製程巨量轉移的良率問題仍是其最棘手的問題。 

乍看下,在繁花盛開的各種新顯示技術中,液晶顯示器似乎有點過時了,未來還會有它的地位嗎?答案是肯定的,其實每一種技術都有它最適合的位置。液晶顯示技術還在持續發展,例如搭配量子點的動態背光已將液晶顯示的色域及對比拉升到與LED不相上下,更不用說其成熟的技術與製程所換來的親民價格仍是無敵。液晶顯示器的應用場合也越來越多元,我們在戶外逛街時可以發現店家的菜單已開始使用液晶顯示器了,也有不少店家捨棄了海報或帆布,而採用液晶顯示器作廣告面板,以其炫目多彩來吸引消費者。

自1888年液晶被發現後,液晶的應用價值一直被埋沒在茫茫的知識大海裡,經過五、六十年後才被使用在電與光相互操作的元件裡,再經過二十年,近代的顯示器雛型才被建立,而在最近的幾年內顯示技術進展更是飛快,使我們無法預知未來的顯示器會是如何,就如同在一百年前沒有人會知道,當初研究室中一瓶小小的溶液竟然從星星之火變成照亮我們的璨爛光芒,但我們深信,未來各式各樣的顯示器依然會從起床到睡眠,從閱讀到娛樂,存在我們日常生活的每個角落。
 
責任編輯:郭啟東/國立中山大學
 
  • F. Reinitzer, "Contributions to the knowledge of cholesterol," Liq. Cryst. 5, 7-18 (1989).
  • G. Friedel, "Mesomorphic states of matter," Annales des Physiques 18, 377 (1922).
  • V. Fréedericksz and A. Repiewa, "Theoretisches und experimentelles zur frage nach der natur der anisotropen flüssigkeiten," Zeitschrift für Physik 42, 532-546 (1927).
  • R. Williams, "Domains in liquid crystals," The Journal of Physical Chemistry 39, 382-388 (1963).
  • G. H. Heilmeier, J. A. Castellano, and L. A. Zanoni, "Guest-host interactions in nematic liquid crystals," Molecular Crystals 8, 293-304 (1969).
  • J. A. Castellano, "Modifying light: Ubiquitous today, liquid-crystal displays are the outgrowth of more than a century of experimentation and development," Am. Sci. 94, 438-445 (2006).
  • G. H. Heilmeier, L. A. Zanoni, and L. A. Barton, "Dynamic scattering: A new electrooptic effect in certain classes of nematic liquid crystals," Proceedings of the I.E.E.E. 56, 1162-1171 (1968).
  • K. Kondo, H. Terao, H. Abe, M. Ohta, K. Suzuki, T. Sasaki, and G. K. Ohwada, "Liquid crystal display device," (1993).
來源:
  • 本文由科技部「主題科學傳播」團隊策劃執行
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