編按：顯示器在當代極其重要，哭鬧的孩子只要拿出 ipad 就能讓他瞬間破涕為笑（錯誤示範）。但你還記得童年時擺在客廳的電視嗎？就是有雜訊時要用手刀怒劈 45 度角的那種！這種電視使用的是 CRT（陰極射線管）技術，堪稱現在各種 3C 產品的「始祖銀幕」，本文將回顧它的前世今生，一睹螢幕對人類的卓越貢獻（？）。
《咒術迴戰》中的七海健人有云：「枕邊掉的頭髮越來越多，喜歡的夾菜麵包從便利商店消失，這些微小的絕望不斷積累，才會使人長大。」——泛科《童年崩壞》專題邀請各位讀者重新檢視童年時期的產物，讓你的童年持續崩壞不停歇 ψ(｀∇´)ψ。
電腦發展日新月異，但至今仍不脫馮紐曼架構（Von Neumann architecture），也就是分為處理單元、控制單元、記憶單元、輸入裝置與輸出裝置，共五大單元。這裡面，以輸出裝置中的顯示器，由笨重的陰極射線管（cathode-ray tube, 簡稱 CRT）進展到輕薄的液晶顯示器（liquid-crystal display, 簡稱 LCD），在外觀上讓使用者感受到最明顯變化。
不過你知道嗎？它們的發明最初其實都和電腦無關。
顯示器的起源與演進
CRT 緣起於德國物理學家蓋斯勒（Heinrich Geissler）在 1857 年發明的「蓋斯勒管」（Geissler tube），這也是霓虹燈的始祖。蓋斯勒在密封的玻璃管中注入稀薄的氣體（約標準大氣壓的千分之一），例如氖或氬這類稀有氣體，然後對玻璃管兩端的電極施以高壓電，使氣體離子化。游離的電子會撞擊到周遭的氣體分子，產生更多游離電子，當電子落回原來的軌域，釋出的能量便會以光的型態出現；不同的氣體會散發出不同顏色的光芒。
後來英國物理學家克魯克斯（William Crookes）將蓋斯勒管內的氣體抽到只有大氣壓的千萬分之一，結果不再有均勻的光芒，而是只有陽極那端的玻璃發出光芒。此發光原理與蓋斯勒管不同，是失去電子的氣體離子被吸往陰極，陰極金屬片被撞擊後，電子脫離金屬原子，在陰極的斥力與陽極的吸力雙重作用下，高速射向陽極。由於近乎真空，電子不會被稀少的氣體分子阻擋，一路射向玻璃，撞出電子而產生發出光芒。
不過當時連原子的結構都不清楚，根本不知其中原理，只能以實驗摸索光芒的由來。1869 年，德國物理學家希托夫（Johann Hittorf）發現若在靠近陽極處放置遮蔽物，會在玻璃管末端投下陰影，據以推斷產生光芒的能量必定是由陰極往陽極直線行進。1876 年，他的弟子戈德斯坦（Eugen Goldstein）確認這是從陰極金屬片產生，並將之命名為「陰極射線」。
1879 年，克魯克斯發現陰極射線的行進方向會受到磁場影響而偏折，不過這項特性要等到 1896 年，才由德國物理學家布勞恩（Ferdinand Braun）找到實際用途。他將克魯克斯管加以改造，把陽極那端的玻璃管面積加大，塗上螢光材料，並延長玻璃管長度，中間用電磁鐵產生磁場來控制電子的飛行方向，如此便可以在螢光玻璃上產生圖案。
隔年二月，布勞恩發表他所設計的「布勞恩管」，並明確指出其用途：顯示電流／電壓隨著時間的變化。就這樣，布勞恩不但發明陰極射線管，同時也發明史上第一個示波器，以視覺方式具體呈現電流的週期、波形、相位等特性。值得注意的是，此時仍不知道電子的存在，直到三個月後，湯姆森（J. J. Thomson）才發表他用克魯克斯管所做的實驗，證實陰極射線是帶負電的基本粒子，也就是電子。
示波器畢竟只是顯示簡單的波形，要再過三十年，陰極射線管才有新的用途：做為電視機的映像管。你或許會以為既然都能做到動態影像了，再來應該很快就會用於電腦螢幕了吧？其實並不然，因為真正全程使用電子訊號的電腦直到二次大戰結束後才發明出來，在此之前，不可能採用 CRT 螢幕；反倒是二次大戰前剛發明的雷達系統先用 CRT 來顯示移動中的目標。
西元1949年以後：OOXX——第一個視覺化的電腦遊戲
其實 1945 年問世的第一台通用型電腦「電子數值積分儀暨計算機」（Electronic Numerical Integrator And Computer，簡稱 ENIAC）也沒用到 CRT，它是靠插拔電纜與切換開關來設定程式，而計算結果則輸出到打孔紙帶。率先配備 CRT 螢幕的電腦是 1949 年啟用的「電子延遲存儲自動計算機」（Electronic Delay Storage Automatic Calculator，簡稱 EDSAC），它也是第一台採用馮紐曼架構的電腦。不過 EDSAC 的 CRT 螢幕只是做為示波器，監測電路之用；輸入程式與輸出計算結果都還是用打孔紙帶。
有趣的是，劍橋大學的博士生道格拉斯（Sandy Douglas）於 1952 年為 EDSAC 寫了井字遊戲的程式，利用 CRT 螢幕呈現井字與 ”O”、”X” 符號，成為史上第一個視覺化的電腦遊戲，也讓 CRT 螢幕首度在電腦上輸出運算結果。不過真正讓 CRT 螢幕專門做為輸出裝置的商用電腦，是迪吉多電腦公司（Digital Equipment）於 1959 年推出的 PDP-1，自此開始，CRT 螢幕逐漸成為電腦的標準配備。
一個物質怎麼會有兩個熔點？液晶的崛起
CRT 技術不斷改善，從單色變為彩色、從低解析度進階到高解析度，但受限於陰極射線管的技術原理，仍難以擺脫笨重的身型。不過由於沒有其他替代性的技術，CRT 螢幕一直是電視與電腦的唯一選擇，直到 1990 年代，日益成熟的液晶顯示器才逐步加以取代。
其實液晶的發現早在陰極射線管發明之前。在 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。有人認為無色的胡蘿蔔素就是植物性膽固醇，但缺乏確切證據而引發爭辯，沒有定論。1888 年，奧地利植物生理學家萊尼澤（Friedrich Reinitzer）決定進行實驗，分析比較兩者的物理化學特性，以釐清這個問題。
萊尼澤先從膽固醇的各種衍生物著手，結果他在加熱苯甲酸膽固醇酯（C34H50O2）時，發現兩個奇特的現象。首先它在 145.5°C 時會熔化成混濁的液體，接著繼續加熱到 178.5°C 的話，混濁突然消失，變成清澈透明。而在冷卻的過程中，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。
一個物質竟有兩個熔點，還會在冷卻結晶過程中變色，這完全超乎萊尼澤的理解，於是他寫信向晶體學專家雷曼（Otto Lehmann）請教。雷曼用偏光顯微鏡仔細觀察後，發現混濁的苯甲酸膽固醇酯液體中，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。雷曼繼續研究哪些物質在液態時，也具有固體晶體光學的性質，並把這類液態下的物質稱為「液態晶體」，這就是液晶的名稱由來。
雷曼發表實驗結果後，雖然有其他科學家繼續液晶的研究，包括以人工合成，但這些研究都僅限於科學上的好奇，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，首度對液晶施加電場，才開啟了液晶顯示器的研究。
其實威廉的本意並非為了尋求液晶的顯示功能，恰恰相反，他是想讓液晶發揮遮蔽作用，才著手進行實驗。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，可能會被核彈強光傷害視力，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。
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，結果發現原本透明的液晶有部分立即變暗，形成皺褶般的圖案。一關掉電源，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，主動提議開發液晶顯示器。
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。
美國工程師兼商人 George Heilmeier
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。
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，並樂觀地預言再過幾年，科幻電影《2001太空漫遊》中的平面電視即可問世。
這個預言當然太過樂觀了，液晶顯示器的畫質要趕上 CRT 螢幕還有一大段距離要走，初期只能用於電子計算機與電子錶。不過 RCA 決定全力發展電腦事業，竟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，轉任德州儀器副總經理，並於 1983 年升為技術長（順帶一提，張忠謀就在這一年離開服務了 25 年的德州儀器。）
無論如何，由於海爾邁爾開發出原型機，加上 RCA 大力宣傳，隨後又改變策略，對外授權液晶顯示器的技術，才加速了液晶時代的來臨。如今液晶顯示器以各種型態出現在我們生活中，除了用於電腦、筆電，從手機、電視，到各種電器用品也都處處可見，已是現代社會不可或缺的角色。或許有一天液晶顯示器也會步上被新技術淘汰的命運，但它與 CRT 螢幕絕對是未來人們回首過往科技產品時，一定會伴隨出現的記憶。
參考資料
- 《電腦簡史》，張瑞棋
- http://www.electrotherapymuseum.com/Library/SirWilliamCrookes/pages/1880Crookes0013.htm
- https://www.emeriti-of-excellence.tum.de/fileadmin/w00bpl/www/Veranstaltungsarchiv/Vortraege_Highlights-der-Forschung/2012-05-08_Russer_Nanoelektronik_Quelle2.pdf
- Karl Braun – ETHW
- https://en.wikipedia.org/wiki/Cathode-ray_tube
- https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_crystal
- https://spectrum.ieee.org/how-rca-lost-the-lcd
windmill
