历史的结晶：１９６０年代美国ＲＣＡ实验室矩阵寻址液晶电视发展历程_舰团矩阵结晶

　　文章编号：1006-6268（2008）07-0019-05 　　 　　摘要：液晶电视的普及之路在45年前始于美国新泽西州普林斯顿的RCA实验室。RCA老将Bernard J. Lechner当时在那工作，在此他回顾了LCD的早期研发工作。
　　关键词：液晶电视；矩阵寻址；RCA研究室
　　中图分类号：TN141.9 文献标识码：B
　　
　　History Crystallized: A First-Person Account of the Development of Matrix-Addressed LCDs for Television at RCA in the 1960s
　　Bernard J. Lechner
　　（Business Development and Marketing Dept. for NTERA, Inc., Dublin, Ireland）
　　Abstract: The path to ubiquity for LCD TVs began 45 years ago at the RCA Laboratories in Princeton, New Jersey. RCA veteran Bernard J. Lechner was there, and he takes a look back at the earliest days of LCD research and development.
　　Keywords: LCD television; matrix-addressed; RCA Lab
　　
　　1968年5月28日，RCA在纽约市举行新闻发布会，以展示一个制作液晶显示器（LCD）的重要项目的成果，其中包括电视机显示屏。这项工作在新泽西州普林斯顿David Sarnoff 研究中心的RCA实验室秘密进行了3年多。在那次会议上，我做了LCD的首次公开演示（尽管它只有36个像素），以全NTSC制电视频率显示了一幅运动的具备灰度的图像（后文会介绍更多有关此次记者招待会内容）。
　　
　　故事起源
　　
　　在RCA实验室的液晶故事始于1962年春天。我对第一次见到液晶的电光效应的记忆非常清晰。老板Jan Rajchman走进我的实验室说到："Si (Simon) Larach有东西要给大家看看。"我们上楼到了Larach的实验室，在那见到有两片涂敷有透明导体的玻璃，一些淡黄色粉末，一个加热皿，一盏显微镜灯，几个夹子以及一个22.5V的"C"型电池。他将淡黄色粉末（para-azoxyanisole，对氧化偶氮苯甲醚）夹在两片玻璃之间，然后将这个做好的"三明治"放在加热皿上，用显微镜灯照射。他小心翼翼地调整加热皿，使得淡黄色粉末刚好熔化（在约120°C的非常小的温度范围内，对氧化偶氮苯甲醚是一种液晶），然后用铅镊子和电池给我们演示了电光效应。这就是后来广为人知的动态散射现象。当施加电场时，出现了戏剧般的变化――液晶从透明变成了乳白色。
　　他给我们所展示的成果是在Richard "Dick" Williams的工作基础上而来的，当时Williams在Larach手下工作。在那年春天的早些时候，Williams发现了对氧化偶氮苯甲醚的一种电光效应。在大约1，000V/cm的电场条件下，他观察到了液晶层中形成的可视区域，即后来众所周知的"威廉姆斯域"。 1963年Williams在一篇论文中描述了这些结果，文中他还提到在更高电场（例如2，000~3，000V/cm）条件下可观察到更强的电光效应，届时能看到液体的剧烈而快速的搅动。根据近来Williams的观察结果，我确信Larach为Rajchman和我演示的就是高电场下的更强的电光效应。
　　Larach并没有将这一发现进一步深入，而且在1962年中期Williams被派往了苏黎世的RCA从事新的工作而停止了液晶研究工作。不过，他确实在1962年11月9日提交了一份专利申请。这项专利直到1967年5月30日才公布，因此专利的具体内容在此之前都是保密的。这是RCA的第一项LCD专利，虽然还有其他未公布的发明及应用专利，但在次年5月的记者招待会召开之时它是RCA唯一公布的LCD专利。图1再现的是Williams专利的图1～图3。专利的图3展示的是一个基本的x-y寻址的液晶矩阵显示器a结构。在此专利中Williams同时描述了透射性和反射性工作模式，分别在专利的图2和图1（b）中给予了图示说明。
　　
　　新的开始
　　
　　Rajchman和我为所看到的现象兴奋不已，但接踵而至的问题当然就是所需的较高工作温度。Rajchman迫切要求RCA实验室启动一个项目来寻找或合成能在室温及较宽温度范围内工作的材料。但是，关于液晶的研究工作没有进一步深入，直到1964年秋天，George Heilmeier才重温Williams的发现并开始更深入细致地研究该电光效应的物理机制及光学特性。Heilmeier主要研究较高电场下的情况，他将此效应称为"动态散射"，与较高电场下液体的剧烈活动特性相互呼应。
　　由于Heilmeier的工作和他对LCD专利的饱满热情，RCA实验室的管理层在1965年初决定启动一个正式的液晶项目来研究电光效应，找到或发明室温材料，并最终研制一台平板电视。Heilmeier和他的同事（包括Louis Zanoni和Lucian Barton）继续研究不同液晶材料及不同单元构造的电光特性。同时他们以及RCA实验室的其他人开始制作不同的显示器，主要是基于七段式数字指示器，用它们来证明LCD在时钟、手表及类似应用当中的潜力。此外还开发了电子快门及消光镜。RCA的此项研究项目在保密情况下进行，其间的内部进展报告屈指可数，而且限制发表。
　　
　　图1Richard Williams1962年11月9日申请的第3,332,485号美国专利
　　
　　化学家的奋斗历程
　　
　　1965年，两位化学家Joseph Castellano和Joel Goldmacher加入了这个项目，以求寻找或制造能够在室温下工作的新型液晶材料。至1966年，Castellano和Joel Goldmacher合成了能够在室温及足够宽温度范围内工作的液晶材料，这种材料在实际显示应用中非常有用。经证实最后成功的方法是将各种材料混合在一起，混合的各种材料其本身在室温下并不是液晶。图2展示的是第一种室温下的向列相液晶混合物。至此，是郑重地考虑将液晶应用于实际显示器当中的时候了，这其中包括电视。
　　
　　82~113℃温度下向列相的液晶
　　图2第一种适用于室温的向列相液晶合成物
　　
　　电视时代
　　
　　在1966年初，我被正式任命指导项目中有关矩阵显示部分工作，而矩阵显示对于电视显示而言是必须的。当时我正在完成一个开发1，200个单元的铁电控制电致发光矩阵寻址平板显示器，该显示器能产生移动的实时灰度色标电视图像。于是在1966年春天，Juri Tults和我将正在进行的显示器项目移交给了俄亥俄州的Wright-Patterson空军基地。至当年夏天，我的工作组重要成员，包括Frank Marlowe、Ed Nester、Juri Tults和我开始全力以赴解决LCD的矩阵寻址问题，并制作一个液晶电视显示器。我们决定用60μs的脉冲来对单个的液晶单元进行寻址，因此遵循的是一次一行的电视寻址方式。不过，液晶单元对于矩阵寻址而言没有阈值要求，而且除去液晶材料的介电弛豫时间之外不具备存储功能。较为简单的方法就是采用一个串联二极管来提供阈值，还可能要增加一个并联电容来提供存储功能，这种方法就是在电致反光矩阵显示中增加一些类似功能单元，我将其称作"经典"方法。
　　抛开1966年为在玻璃和蓝宝石衬底上制作集成薄膜二极管所作的努力不说，我们清楚地发现仅仅采用一个二极管，不管是带还是不带电容，都无法实现LCD的矩阵寻址。为了改善简单的经典方法导致的低性能，我决定增加一个二极管和一个复位发生器，如图3所示，这实际是我1969年在伊利诺伊大学论文的再现。这种方法使得我们可以采用一个更大的电容以及更低幅值的寻址脉冲，最终得到的器件性能大为改善。这种结构被称作D2C，1990年代飞利浦在其一款LCD产品中采用了它的一种衍生方法。
　　
　　图3D2C寻址图
　　
　　很快我就意识到可以采用一种更好的方法，那就是用场效应晶体管替代二极管和复位发生器。如图4所示，这一方法也是来自我1969年在伊利诺伊大学论文，将其称为FETC。由于场效应晶体管在两个方向都能传导电流，因此不再需要复位发生器及额外的总线。同时，交替反转电场的极性以提供交流驱动也变得更为简单。当今所有液晶电视和电脑显示器中采用的FETC基本都是同样的电路结构。为了测试并实验这些结构以及其他可能推出的新结构，Tults设计并建立了一套电子系统以全NTSC制电视频率来驱动一个2×18矩阵并显示运动的灰白图像，我们将这套电子系统称作"训练者"。36个液晶单元隐藏在一个全NTSC分辨率的屏幕之上，采用之前铁电控制电致发光矩阵显示中开发出的一次一行的寻址方式进行寻址。
　　
　　图4FETC寻址图
　　
　　1967年上半年之末，我们对FETC和D2C结构都进行了测试，并利用训练者和外围分立器件一起进行了演示。图5给出的是一个由训练者驱动的采用FETC结构的2×18显示器。像素边长为0.06in。训练者电子系统提供频率为15.75kHz的60μs宽度列脉冲。所有18个列驱动都在同一时刻被激活（一次一行寻址）。每组连续525个列脉冲中包括523个全幅值脉冲（对应一个完全打开的像素），最后两个脉冲的幅值代表的是显示器中36个像素之中某个像素的亮度。2行像素的行驱动在第524和第525个列脉冲期间都各自提供全幅值的60μs脉冲。因此行脉冲频率为15.75kHz的1/525，即30Hz的NTSC帧频。在第524和第525个列脉冲期间提供给列驱动器视频信号或"照相机"信号是从36分压的分压计栈而来，这些分压计可经设置显示任何想要的图形，例如图5所示的西洋跳棋和灰白棒图形。分压计通过一组移位寄存器与列驱动器相连，这些寄存器可使图像从左向右以0pixel/s（即静止图像）至10pixel/s之间连续变化的速率移动。因此，这款2×18显示器能够显示运动图像，实际上它是电嵌入在一个全525行的NTSC显示器当中。室温下所采用液晶材料的打开时间为3~4ms，关断时间约为50ms。因此在超过约6pixel/s或7pixel/s的运动速率时存在明显的拖尾现象。不过在相关文献中介绍了一种达到快速关断目的的非常简单的一种结构，这种结构经过了图5所示36单元显示器的实际测试。
　　当然，我很清楚Paul Weimer在RCA实验室为蒸发薄膜场效应晶体管所做的工作，还有大家为单晶硅集成电路和蓝宝石上沉积硅技术所做的努力，我知道他们都是全集成式LCD构建的功臣。在Weimer小组工作的Frank Marlowe在他们的薄膜制造设备上运用蒸发薄膜半导体器件（包括二极管和场效应晶体管）的技术来制造LCD，在RCA实验室集成电路中心工作的Ed Nester做了同样的工作，他将单晶硅衬底的技术运用到了在蓝宝石上沉积硅的技术上。
　　
　　图5以NTSC全制式电视频率运行的LCD显示器
　　
　　1967年年中，我们决定设计并制作两个1,200单元（30×40）的集成式电视显示器，一个基于D2C寻址方式，一个基于FETC寻址方式。液晶单元边长计划为0.015in，得到一个对角线为3/4in 的显示器。两个显示器都工作在反射式模式，D2C显示器计划采用在玻璃衬底上蒸发薄膜二极管来制作。FETC显示器计划采用单晶硅晶圆来制作。图6展示的是1，200单元FETC显示器测试晶圆的照片，不幸的是该显示器不能工作。
　　
　　图6用于1，200像素的液晶矩阵显示器的单晶硅
　　
　　新闻发布
　　
　　1968年5月28日，RCA实验室副主任James Hillier主持召开了著名的LCD新闻发布会，会上我介绍并展示了2×18矩阵的显示器。Hillier在招待会的开场白中介绍了显示器在"信息处理"领域的重要性。他力捧低功耗反射式LCD，将其描述成解决人机界面问题的一个突破。然后Hillier用一系列幻灯片做了一个有关液晶定义，以及如何用液晶来制作显示器的教学型报告。他较为细致地介绍了动态散射效应，总结了RCA实验室研究人员届时为止获取的显示器相关参数，包括15∶1的对比度。接下来，Hillier展示了几款显示器，包括一个简单的电子快门，一个静态显示器（仅显示一个刻蚀在电极上的固定图案），一个七段式指示器，一个不完全依赖环境光的侧光显示器，以及"一个没有任何活动部件的全电子时钟"。他提及了LCD可能的应用领域，例如交通标记、记分板和汽车以及飞机仪表盘，他说几年之后可能会有全电子的手表。
　　然后Hillieri推荐我来介绍我们用液晶制作电视显示器的工作。我用了一系列幻灯片来介绍矩阵寻址LCD是如何构成的，矩阵中每个显示单元所需要的相关电路以及一次一行寻址方式的需要。利用训练者电子系统，Juri Tults和我演示了一个如图5所示的2×18显示器模型。我并没有提及1，200单元的显示器，实际上，Hillier和我都清楚地表示要获得一个实用的液晶电视显示器非常困难，因为它需要将所需的寻址电路集成进去。
　　
　　结局
　　
　　我们倡议的1,200单元集成式显示器计划在1968年的第一季度末开始启用。事实证明完成这一计划极为艰巨，不仅是由于技术难度，同时还缺乏RCA实验室集成电路中心及薄膜制作设备的支持。所有这些设备多不在液晶项目的管理控制范围，二者各自都有他们自己的宏伟目标，但是不包括LCD。每个季度都会有计划延迟及技术问题出现，直到最后在1968年底，RCA实验室管理层决定终止1,200单元的显示器项目。
　　1969年，RCA放弃了整个制作液晶电视显示器计划，虽然其他应用开发诸如手表、计算器、打印机、汽车反射镜等一直持续到1972年。至1969年，RCA的彩色电视接收机业务业已成熟，其最小的主打消费产品是一个13in彩色接收机。由于我们无法承诺在任何可预见的时间范围内设计出一款能与该接收机相当的产品，因此RCA管理层无心为我们的项目继续投资。我撰写了一个政府合约的提议来继续1,200单元样机的工作，试图让我们之前的努力成果继续保持活力。至今我仍保留着这项提议的打印原稿复印件，在每一页的底端都有标准的RCA政府提议所有权公告，但是我不记得是否得到过管理层的允许来与不同的政府代理机构交涉这件事情。我们确实在一本IEEE的会议论文集中发表了一篇论文，较为详细地介绍了矩阵寻址的研究工作。
　　
　　[附言]
　　尽管RCA在1969年放弃了液晶电视计划，并在1972年放弃了除尚未成熟的手表以外的所有液晶应用开发，但是在1968年记者招待会上发布的信息传遍了全世界，尤其是在日本。RCA停止液晶开发之后，我们的主要工作转移到了别处，其他的一切正如他们所说已经成为了历史。很有意思的是液晶矩阵显示器的第一个重要商业应用竟然是笔记本电脑，实现了Jim Hillier在1968年记者招待会上的预言，即此项技术将解决人机界面问题。
　　
　　致谢
　　我要感谢Joseph Castellano、John van Raalte和Richard Williams，他们帮我审稿并提出宝贵意见。尤其要感谢David Sarnoff图书馆的行政主管Alexander Magoun，不仅帮我审稿并提出宝贵建议，而且还为我提供自1960年代以来的进度报告、实验室笔记及其他存档资料，使得我能够恢复并确认对那个历史时期工作的记忆。
　　
　　作者简介：Bernard J.省略。
　　（南开大学 刘艳艳 译自《Information Display》01/08）