1967年9月,理查德。克萊恩(Richard Klein)和他的老板勞倫斯。默里(Lawrence Murray)前往美國無線電公司(RCA)位于新澤西州普林斯頓的研究中心。克萊恩在薩默維爾鎮附近的該公司的半導體業務部擔任助理工程師,由于負責發光二極管方面的工作,他需要與普林斯頓的固態物理研究人員保持密切聯系。因此對他而言,這趟旅行可謂駕輕就熟。然而,默里卻保證這次普林斯頓之旅要讓他看到一些新鮮玩意兒。
果不其然,克萊恩和默里一抵達普林斯頓就立即被帶到一個房間,就在這里,電氣工程師喬治。海爾邁耶(George Heilmeier)向他們展示了一款看似普通的連接電源的玻璃板。隨著海爾邁耶打開開關,一幅熟悉的黑白畫面突然出現在這塊原本透明的方塊上。克萊恩回憶道:“那是一個電視測試圖案。那玩意兒突然亮起來時,我差點驚倒!”
克萊恩“驚魂甫定”之后,海爾邁耶向他們解釋道,該模型是一種新型顯示屏,基于一種不為人知的復合物——液晶。實際上,化學家自19世紀就知曉這種特殊材質,它可以像液體一樣流動,但與此同時還保有晶狀固體的光學性質。但在當時,沒人知道這種材質可以用來做什么。
之后,在1962年,RCA公司的研究人員理查德。威廉姆斯(Richard Williams)突然萌發了利用此類晶體制造顯示屏的想法,并且成功地通過電子方式調整這種材料的透光性。在50年前的這個月,威廉姆斯為RCA公司申請了第一個關于此項新技術的專利。此后,海爾邁耶和他的同事們耗時多年進一步拓展威廉姆斯的研究成果。現在,他們希望與薩默維爾的同事合作,共同將這些液晶顯示屏(LCD)改造成為可以商用的產品。
位于薩默維爾的默里的團隊早已就電光現象完成了相應研究工作,因此,讓一個更加熟悉硅元素的部門負責液晶研究再適合不過了。克萊恩的任務就是從制造角度審查此項技術,而他對于這項任務有著極大的熱情。
在普林斯頓的這次LCD原型展示僅八個月后,RCA副總裁詹姆斯。希利爾(James Hillier)便在于公司紐約總部高調召開的記者會上大肆宣揚了LCD的諸多優良特性。希利爾預測,在海爾邁耶的LCD原型中發現的電觸發乳白光可以應用到多種產品中,甚至可能包括便攜式平板電視。他開玩笑道:“大家可以帶著這種電視去海灘,在欣賞比基尼美女的同時,也不耽誤從電視上看大都會隊如何變著花樣輸球。”
媒體報道了希利爾的預測,在20世紀60年代剩余的這段時間一直到70年代初期,輿論一直顯示,同時負責黑白電視和彩色電視商用的RCA公司似乎又一次準備掀起電子顯示屏領域的新革命。然而在距LCD推出不足十年的1976年,RCA公司還是出售了公司的液晶業務,而與該項目相關的關鍵人員也紛紛離開公司。這項以美國式創新起步的技術將在一批歐洲和亞洲公司的支持下走向成熟。
目前,液晶已經成為信息時代應用最為普遍的技術之一,它還是一個價值數十億美元的產業的立足之本。然而,RCA公司從這一領域的突然退出還是極大地抹煞了與這項技術相關的大批化學家、物理學家以及電氣工程師們為此做出的開創性貢獻。促使該公司放棄努力的一系列事件和決定都值得我們再次重溫,以便能夠揭示創新的不可預測性,以及大型公司難以從中獲利的趨向性。
促使克萊恩和默里前往普林斯頓的這項研究可以追溯到大約80年前的大西洋彼岸。1888年,位于布拉格的查理大學內一位名為弗里德里希。雷尼哲(Friedrich Reinitzer)的植物生理學家在研究從胡蘿卜中提取的化學衍生物時發現,膽甾醇苯甲酸酯這種復合物在加熱時會有奇怪的特性。
在145.5°C時,這種物質會從固態轉化成一種混濁的液體,而在178.5°C時,這一混濁液體又會變得透明。也就是說,這種物質似乎擁有兩個熔點。而一般的純凈物只有一個熔點。
無法解釋這一現象的雷尼哲將他的研究結果連同一份樣本一起寄給了在德國阿肯市工作的物理化學家奧托。雷曼(Otto Lehmann)。雷曼確認指出,膽甾醇苯甲酸酯會在混濁狀態下保持其流動性。此外,他還注意到這種物質還能夠像固態晶體一樣折射偏振光,這代表該物質比一般液體擁有更高級的分子結構。雷曼特創造出“液態晶體”(fliessende Krystalle)一詞用于描述此種物質。
在接下來的20年內,歐洲科學家發現了二百多種有類似特性的化合物。RCA公司在多年后開展的大部分研究都以“向列型”液晶為主,這種液晶由其長軸呈平行分布的棒狀伸長分子構成。這種組成結構使得各個分子能夠像火柴盒內的火柴一樣相互滑過,并且可以在電場中輕易地重新組合。
除了一些對于這些分子行為的理論研究方面的興趣,當時幾乎沒有任何關于液晶商用的嘗試。大部分科學家還是認為這只不過是實驗過程中的異常現象。即使在20世紀60年代早期,也沒有任何明顯的跡象表明RCA公司將最終把液晶從實驗室帶到現實世界中。
當時,RCA公司剛剛開始回收他們在彩色電視領域內長達數十載的投入,而公司普林斯頓研究中心的研究經理當時正授權開展有關如何替代陰極射線管的研究性工作。但當時負責這一項目的工程師們并未意識到液晶非常適合制作這一產品。實際上,RCA公司圍繞這項即將演變成LCD的技術所開展的早期工作,在最初只不過是當時的大型公司實驗室開展的諸多小規模開放性研究工作之一,不會帶來任何顯著的商業收益。
物理化學家理查德。威廉姆斯(Richard Williams)在1962年4月份開展液晶實驗時根本沒有考慮使用這種物質制造顯示屏。當時他對這種物質的電光特性更感興趣,而且特別希望了解如何使用電場改變向列型材料吸收的光線的波長。在某次實驗中,他將若干克名為二甲氧基氧化偶氮苯的液晶材料放在兩片派萊克斯耐熱玻璃載片之間,這兩片耐熱玻璃載片內側均帶有透明電導涂層。當他將液晶放置在1000伏特/厘米的電場中時,他發現了一種奇怪的“褶皺效果”,同時液晶的光吸收能力也相應地有所提高。當他將電場移除之后,液晶樣本又回復到穩定的透明狀態。
在他開展這些實驗之前,威廉姆斯曾設想過開發一款能夠保護飛行員免受原子彈眩目光線造成的暫時失明的高速光閘。然而,在將上述褶皺效果(他將其稱為“疇形成”)向同事展示之后,他意識到可以使用液晶制作顯示屏中的電光元件,并且開始構思一項能夠詳細闡述其創意的專利技術。
盡管威廉姆斯在早期的實驗中取得成功,但他發現很難說服其他的工程師相信這款新研制的顯示屏的實用性。除了其他缺點之外,該材料還必須加熱到117°C以上方可發揮作用。由于當時室溫液晶的缺乏,威廉姆斯開始轉向研究其他項目。
若不是海爾邁耶當時正在尋求一種方法來調制激光以應用于電信行業,威廉姆斯的決定十有八九會標志著RCA公司液晶研究的終結。由于當時存在的晶體調制器要么難以人工合成,要么能耗過高,海爾邁耶便想到使用威廉姆斯發現的液晶作為一種替代品。
1964年7月,他提議使用一種能夠溶解在液晶溶劑中的多色性染料替代固體晶體,這種染料的顏色取決于它折射的偏振光。隨后,他將上述混合物放置在類似于威廉姆斯使用的“三明治結構”中,即位于兩片導電玻璃板之間。海爾邁耶猜測該溶液位于電場中時,液晶分子會重新排列,進而導致染料分子轉動,當在偏振光下觀察時會產生顏色變化。
接下來的實驗進一步證實了海爾邁耶的預測。僅將溶液放置在只有幾瓦特的電場中就會令其改變顏色。例如,從紅色變為透明。海爾邁耶將這種現象稱為“賓主效應”,多色染料為“賓”,液晶為“主”。他還在一系列測試中以不同方式為玻璃載片涂上導電涂層,并策略性地放置上絕緣光阻材料。通過這種方式,海爾邁耶制造出來各種靜態圖像。
(當然,目前的LCD要更加復雜,集成了上千個圖形元素或像素,分別由相應數量的薄膜晶體管驅動。同時,每個像素都可以發揮光閘作用,有選擇地允許偏振光透。這些像素點擁有以微秒計算的極高切換速度,以及寬度只有十分之幾甚至百分之幾毫米的微小尺寸,同時顯示屏還含有紅、綠、藍三色濾光片過濾白色背光。得益于上述特性,現代LCD電視可呈現出全彩色的流動畫面,遠遠超出了RCA公司的早期顯示屏所呈現的簡單圖樣。)
當時,年僅28歲但野心勃勃的海爾邁耶在RCA公司的普林斯頓實驗室四處游走,展示這一賓主效應。最終他的策略得到了回報:1965年3月,海爾邁耶的上司同意建立一支由7個人組成的LCD研究小組。當三年后RCA面向公眾推出LCD的時候,這支研究團隊的規模已經擴大了不止一倍。研究人員們很快便發現了利用賓主效應的這一方法有著致命的缺點:染料和液晶主體都不穩定,偏光過濾片會使顯示屏亮度銳減,且整套設施必須加熱到能夠使液晶保持液態晶體狀態。但在后來的1965年5月,研究有了重大突破:海爾邁耶發現了一種被他命名為“動態散射效應”的現象,這一效應既不需要染料,也不需要偏光鏡。在這一具化的“三明治結構”中,液晶材料薄片在最初呈透明狀,但處在一定電壓之下則會變成乳白色。
海爾邁耶和他的同事假設,出現這一效應的原因是在電場的作用下,離子擾亂了液晶分子的有序排列,其效果如同船只在河道內運完木頭后剩余的木料之間穿梭。稍后,研究人員們證實了施加電壓會使分子沿著與玻璃平行的方向重新排列,直到電荷積累到一定程度,從而導致分子開始旋轉,使入射光被任意散射,顯示屏呈現乳白色(見圖“LCD原理”)。
動態散射隨即成為普林斯頓LCD研究小組的主要研究重點,而且研究小組還立即著手將這一效應引入能夠生成靜態畫面或簡單動畫的小型顯示屏中。當理查德。克萊恩在普林斯頓看到海爾邁耶研制的液晶屏原型時,LCD研究小組已經朝這個目標邁出了極為重要的幾步。最值得一提的是,他們已經利用亞大茴香基對氨基苯醋酸鹽的衍生物合成出在室溫下具有向列特性的液晶材料,這一重大突破使得液晶的商業應用成為可能。此外,研究小組還制作了若干原型樣品,包括一臺擁有液晶讀出裝置和座艙顯示屏的電子時鐘。
對于克萊恩而言,海爾邁耶研制的LCD最具吸引力的便是它的低耗能特征。由于只需要反射而無需發射光線,液晶顯示屏運行所需電壓和電流與當時的集成電路相差無幾。例如,一款數字顯示器可能只需要10至15伏特電壓即可正常工作,而當時在類似應用中使用的霓虹燈管卻需要至少10倍于此的電壓。
盡管克萊恩非常欽佩這些普林斯頓的同事們所取得的成果,但是毫無疑問的是,在海爾邁耶研制的LCD能夠真正上市銷售之前還存在大量工作有待完成。克萊恩和他的團隊將最終改變制造LCD的幾乎每一個環節。這些變革包括研制更大規模地制造室溫液晶的新程序以及改進填充和密封顯示器的工藝。
1969年,液晶業務部門遷至新澤西州拉里坦市的一處倉庫,該倉庫為RCA公司的首個LCD裝配線提供了充裕的安置空間。此次遷址看上去預示著液晶業務充滿希望的前景,但與此同時,一股不確定性開始籠罩整個項目。
盡管克萊恩付出了最大努力,紐約的公司高層還是對這項技術的商業前景持有懷疑態度。在這種態度下,他們并未直接向LCD業務開發提供經費,要求拉里坦業務部向外部尋求資金支持。克萊恩的團隊最終爭取到了三份合同。
第一份合同的簽署對象是一家名為阿什利-巴特勒(Ashley-Butler)的公關公司,該公司出資10萬美元請RCA公司建造一塊動畫顯示屏,以宣傳軟飲、阿司匹林和其他產品。同時,生產計量器和機械計數器的維德路特公司(Veeder Root Co.)也出資相同數額以換取一款汽油泵的液晶讀出裝置。此外,杰維斯公司(Jervis Corp.)以5萬美元的價格購買一款使用動態散射原理緩解前車燈刺眼強光的汽車后視鏡。
拉里坦業務部的工程師們按時交付了上述三款產品。即便如此,RCA公司管理層還是拒絕為研究小組提供資金。同時,公司亦不愿出資支持開發克萊恩和海爾邁耶認為顯然屬于LCD產品之列的電子腕表。這一系列的事實令克萊恩的團隊成員們憂心忡忡。
實際上,電子腕表的創意并不是第一次提出。在1965年發表的一份闡述以自己名字命名的定律的論文中,高登。摩爾(Gordon Moore)注意到阻礙電子手表制作完成的唯一原因便是缺乏一塊可直接由集成電路驅動的顯示屏。
LCD完全符合相應標準,且RCA的工程師們已經為基于動態散射時鐘的理論申請了專利。但與此同時,一份內部的市場營銷研究報告卻提出LCD數字手表充其量只有比較樂觀的長期前景。然而,隨著克萊恩成功組裝出手表顯示屏模型,這一結論未能阻止海爾邁耶向公司管理高層極力兜售電子手表的創意。
盡管付出了諸多努力,這兩個人還是在不久之后遇到了來自一個極其傲慢的經理人的更多刁難。
在1968年底之前,半導體部門一直容許克萊恩的研究小組在無人監督的情況下自由工作。但在拉里坦工廠建立前不久,公司的高層行政人員認為液晶項目需要一個更加正式的管理結構。于是,他們任命曾協助設計首批彩色電視顯像管的生產裝配線的諾曼。弗里曼(Norman Freedman)取代了默里和他放任自由的管理風格。
作為一個強勢的經理人,弗里曼堅持對項目的方方面面擁有絕對的控制。這一管理方式給LCD開發帶來了災難性的后果,那些為新興技術的成熟和發展提供必需支持的人們都因此而漸漸遠去。弗里曼不允許拉里坦的LCD研發人員與位于薩默維爾的半導體部門開展合作。克萊恩回憶道:“他曾經明確告知我們,‘你們不可以與集成電路部門的人有任何對話,’而當我們偷偷地與集成電路部門的朋友交談時,他們的經理也告訴他們‘不能與這些人合作’。究其原因,就是他們所有人都討厭諾曼。”除此之外,弗里曼還無視克萊恩等經驗豐富的老員工而直接提拔外部人員,且毫不尊重普林斯頓研究中心內液晶研究人員的成果。
普林斯頓和拉里坦之間日益惡化的緊張關系令海爾邁耶的團隊逐漸滋生出一種悲觀情緒,他們深覺RCA公司已無望開展LCD商用。多名研究人員,包括與海爾邁耶合作多年的技師路易斯。贊諾尼(Louis Zanoni)和有機化學家喬爾。谷德邁奇(Joel Goldmacher),均離開公司加入了一家LCD創業公司——奧普泰公司(Optel)。
其他人則覺得動態散射的應用已經到達極限,于是轉向研究其他項目。在1968至1970年間,被分配到普利斯頓LCD研究組的工作人員少了一半,僅剩8人。1970年,面對那個用他的話說視液晶“為威脅而非一項機遇”的經理人,海爾邁耶深感挫敗,憤怒之余,他申請了一個白宮研究員的職位,離開RCA開啟了他的政府服務職業生涯。
海爾邁耶的決定使RCA公司在緊急關頭失去了一位最為堅定的LCD支持者。1969年,一項關于將計算業務作為公司主要戰略重點的指示在RCA內部掀起了軒然大波。做出這項指示的便是RCA公司的首席執行官(后成為公司董事長)羅伯特.W.薩恩諾夫(Robert W. Sarnoff)。薩恩諾夫從自己富有傳奇色彩的父親戴維(David)手中繼承了公司。
自20世紀50年代初期開始,RCA公司便一直在設計和出售自有品牌的計算機,其Spectra 70型系統曾一度成為IBM主機的有力競爭對象。薩恩諾夫推出的新策略極大地推動了計算機相關項目的迅速擴張;在普林斯頓研究中心,近一半的工作人員被抽調去開展計算機相關研究。雖然薩恩諾夫并未心存銷量趕超IBM的幻想,但他還是公開宣布自己的公司將成為全國第二大計算機制造商。
然而事與愿違。1971年,也就是短短兩年之后,RCA公司便將其計算機部門賣給了斯佩里。蘭德公司(Sperry Rand)。這筆交易過程中高達4.9億美元的資產貶值一度成為當時美國企業所遭受過的最大損失。這一消息震動了整個公司,突然之間,公司的所有項目都面臨嚴格的審查。
其中,LCD項目尤為脆弱。已經不斷縮水的普林斯頓研究團隊縮減到只剩6人,拉里坦業務部門也則遭到大幅減員。拉里坦業務部門被解雇的眾多人員之中還包括理查德。克萊恩,他在曾向RCA公司購買廣告顯示屏的阿什利-巴特勒公關公司找到一份新工作。而與此同時,一手導致液晶業務部門從整個RCA公司中孤立出來的部門經理弗里曼卻保住了他的飯碗。
這次計算機業務危機并未將公司的液晶業務完全扼殺,至少沒有立即扼殺掉。拉里坦研究團隊剩余的工作人員被再次整合到半導體主業務部門,RCA公司也在1972年宣布計劃成立一條新的動態散射讀數器生產線。然而,事已至此,一切努力都為時已晚。在全力應用海爾邁耶的技術的過程中,RCA公司已經與LCD制造行業逐漸脫節。這個日漸繁榮的行業內聚集了大批像奧普泰公司一樣的創業企業和德州儀器等老牌電器公司,其中,大部分公司已逐步放棄制造動態散射顯示屏。這種顯示屏的主要元件是一塊反光背板,其反光特性會導致圖像在陽光直射的情況下消褪。
于是,這些公司更傾向于生產新型的扭轉向列顯示屏,當放置在類似的陽光照射環境下,這種顯示屏的對比度反而會增加(請見補充報道:《扭轉液晶發展之路》)。具有諷刺意味的是,這項技術的合作發明人之一沃爾夫岡。海爾弗里奇(Wolfgang Helfrich)聲稱自己是在RCA公司工作期間想出了這一創意。
海爾弗里奇回憶道,自己曾向海爾邁耶提出該構想,但由于需要使用偏光鏡,海爾邁耶便將其否決了。失望之余,海爾弗里奇在離開RCA公司后加入了瑞士制藥企業豪夫邁。羅氏有限公司(Hoffmann–La Roche)的液晶組,在這里,他與物理學家馬丁。夏德特(Martin Schadt)很快便成功制造出一款扭轉向列型LCD。
最終,RCA公司意識到了問題所在,并隨即建立了一家工廠專門負責生產扭轉向列型顯示屏。但是該工廠的命運與此前位于拉里坦的業務部門極為相似,他們不得不通過外部合同尋求資金支持;羅伯特。薩恩諾夫在計算機業務方面的失敗導致公司的財務狀況千瘡百孔,公司在對待非主業項目時也更加小心翼翼。
如果說當時尚存任何正面因素的話,那便是LCD已成為一項相對成熟的技術,那些在1969年時還猶豫是否與RCA進行合作的公司已經愿意投資液晶領域。但即便如此,RCA公司的管理層依舊未把LCD制造視為公司顯示器業務的未來發展方向,只是將其看作一項蠶食公司利潤的業務。最終,RCA公司在1976年將其整個液晶業務部門出售給天美時公司(Timex),而天美時則將此筆交易視為其加速進軍數字手表市場的有效手段。
當時,幾乎沒有人對RCA公司撤出液晶屏制造業感到吃驚,當然,這本也不足為奇。雖然這并非一個始終都顯而易見的結局,但自1968年被公之于眾以來,RCA公司的LCD項目便走上了一條慢性消亡之路。資金不足、科研人員與制造人員之間的緊張關系以及經理人和研究人員的短見等諸多因素都導致了項目的最終潰敗。
然而,單純的將RCA公司短暫涉足LCD制造業視為一次徹底的失敗嘗試也是不正確的。盡管放棄了作為業界先驅的優勢,RCA公司還是在電子顯示屏的發展過程中留下了深遠的影響。例如,向美國規模最大的制表商出售其LCD工廠便有助于LCD成為制造數字時鐘顯示屏的不二之選。
此外,RCA公司在日本液晶行業崛起的過程中也發揮了至關重要的作用。在將LCD公之于眾不久之后,RCA公司便收到一份來自早川電機公司(Hayakawa Electric Industry)關于合作開發液晶屏手持計算器的邀請。當時,位于薩默維爾的半導體業務部經理拒絕了這一邀請,但作為安慰,他們將RCA公司的LCD專利以300萬美元的價格賣給了這家在1970年更名為夏普的電機公司。
此舉正是美國公司處理海外專利許可的一貫做法。盡管RCA的研究人員對于自己的發明創造被用于獲利感到十分失望,但公司的管理層卻毫不擔心這種做法會給自己樹立新的競爭對手。到20世紀70年代初期時,日本公司已經開始逐步蠶食美國的無線電和電視市場。此時,夏普很快加入精工和索尼之列,也開始利用液晶技術進軍美國市場。
目前,LCD行業已被一批日本、韓國和臺灣地區的公司統治。而曾經開創了這一切的公司卻在1986年被通用電氣收購,而后逐漸從人們的記憶中消失了。盡管如此,RCA公司的技術遺產卻依舊存在于每一款LCD腕表、計算器、筆記本電腦和電視之中。
這些設備的屏幕無一不是起源于RCA公司的實驗室和工廠。在作為通向數字化未來的大門的同時,液晶顯示屏也在時刻提醒我們記住,那個一度處于優勢地位的美國電子行業擁有無限可能的過去。這些故事中蘊含的經驗和教訓,值得每一家技術公司學習和借鑒。
編輯:jq
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原文標題:美國無線電公司是如何錯失液晶顯示屏的?
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