歐陽鍾燦院士：從液晶材料的探索，到無處不在的“中國屏”！

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文 / 特約記者 向鵬

“我本科學的是自動控制，碩士學習液晶專業，博士轉攻光學，最後決定專注於顯示技術”，在中國科學院文獻中心公眾開放日的講座上，中國科學院院士、中國科學院理論物理研究所研究員歐陽鍾燦介紹道，“這中間有很多有意思的故事”。

歐陽鍾燦院士

“方向選擇與環境息息相關。1978 年，我考取了碩士研究生，在這之前就自學了理論物理， 在基本粒子、半導體方面有些研究基礎，所以當時就決定研究液晶方向，師從謝毓章教授。”

“1981 年我從清華碩士畢業後，繼續在謝先生門下攻讀博士學位，進一步研究液晶中的光學課題”，歐陽鍾燦繼續介紹，“液晶是具有軸中心對稱的介質，所以不應有光倍頻效應，但20 世紀80 年代的實驗卻發現了光倍頻現象，當時在液晶界引發了熱議。由於沒有計算機解析推導， 我用手工計算了81 個複雜積分元素的液晶四階張量，算草摞起來有一尺多厚，最終成功解決液晶可產生倍頻效應的難題。”1984 年，歐陽鍾燦被授予清華大學第一個理學博士學位。

液晶不是人類的專利

作為在液晶物理研究領域蜚聲海內外的知名科學家，歐陽鍾燦指出，液晶並不是人類的專利， “生物體內天然就存在液晶——就是我們人體內紅血球外面的生物膜。在生物領域，圍繞生物體細胞的膜也是具有液晶態的。它們可以響應化學訊號而改變形狀，在細胞生長、發育、繁育領域起著不可替代的重要作用。”

歐陽鍾燦進一步介紹道，光學顯微鏡發明不久，人們便發現紅細胞不是普通液滴或肥皂泡具有的球形，而是一種美麗的、大小均勻的雙凹碟形，這保證了其變形性可穿過半徑只有紅血球一半的毛細血管。根據能量最低原理，如果細胞裡面主要是液體，細胞膜應該呈球形；而晶體外形狀都是凸多面體，也與雙凹碟狀不符。雙凹碟形的成因一直吸引著大批生理學家、生化學家、生物力學家尋找答案而未果，科學家們曾用膜厚度不均理論、電荷分佈不均理論、膽固醇分佈不均理論等各種假說試圖解釋紅血球的雙凹碟狀，但均被實驗一一否定。

“鍾燦—Helfrich 方程”享譽國際物理界

博士畢業後，歐陽鍾燦到德國柏林自由大學進行博士後研究。“我當時的合作導師就是發明液晶顯示的Helfrich 教授，當時他已轉行做液晶生物膜理論，我認為生物膜作為新興領域，對我這個從事理論物理的人而言更富挑戰性，所以我堅持選擇Helfrich 教授作為合作導師。”

此前，早在1973 年，Helfrich 教授已經認識到：細胞膜其實是一種液晶膜，提出了液晶生物膜理論，並從液晶的彈性理論推匯出一個能量公式，希望從中找到紅血球雙凹碟形的答案。“1987 年我去德國後，利用自己對微分幾何非常熟悉的優勢求出了生物膜形狀的方程。”在Helfrich 教授的研究基礎上，歐陽鍾燦試圖用物理公式描述紅血球形狀，提出了“鍾燦— Helfrich 方程”，“這是一個非常複雜的二階非線性偏微分方程，我曾經對比過，電動力學的麥克斯韋方程、量子力學的薛定諤方程在數學上都沒有它複雜。”歐陽鍾燦介紹道，“1989 年我回國後，從該方程發現了半徑比為根號2 的環形膜泡的解。論文發表後，世界許多實驗室都從實驗中證實發現此類膜泡，我也因此獲得了1993 年海外華人物理協會首屆亞洲傑出獎”。

對於歐陽鍾燦來說，所追求的是要透過方程將紅細胞的形狀解出來，以此證明液晶理論是正確的。該方程解釋了紅細胞在毛細血管中得以自由穿行的原因，並被全世界多家實驗室觀測證實。基於“鍾燦—Helfrich 方程”，歐陽鍾燦首次預言了紅血球細胞膜的環形形狀、雙凹碟型泡等多種膜泡形狀並得到實驗驗證，這些結果在國際上被廣泛引用，促進了Helfrich 理論的推廣，液晶生物膜理論漸漸得到了學術界的關注和認可。

2012 年，Helfrich 教授獲得了國際賽克勒生物物理獎；2015 年，歐陽鍾燦當選為日本應用物理學會國際會士，這也是中國大陸學者首次獲此殊榮。

“少屏”局面已被徹底改變

液晶顯示已居世界第一

在講座中，歐陽鍾燦進一步介紹了我國顯示產業突破“少屏”困境、從追趕到領跑得過程：2003 年以前，我國電視螢幕完全依賴進口， 當時質量一般的液晶電視價格也要一到兩萬元， 國家自主生產的初級電子屏只能用於數字手錶， 這就是“少屏”。當時，我國晶片、石油、鐵礦石和顯示屏四大主要進口材料中，芯和屏就佔了一半。為了突破這一困境，國家做了很多努力和嘗試。

“生產顯示屏的難點在於有源驅動的薄膜電晶體。早期我們的技術水平無法實現自主生產， 所以在2003 年，顯示企業的代表京東方選擇‘海外收購、自主建線’模式，以3。8 億美元收購了韓國現代的顯示屏3 代生產線，隨後開啟了‘逆襲’的20 年。”歐陽鍾燦說，“自主研發技術困難重重，現在投資一條生產線需要幾百億元， 但一旦建成，其他國家就競爭不過咱們。京東方透過與政府合作、融資等多種方式，陸續在北京、成都、合肥、重慶、福州、綿陽、鄂爾多斯等城市投資建設生產基地，現在已經是全球行業龍頭。很多人以為目前韓國三星顯示屏的市場佔有率最高，實際上，三星的出貨量只有京東方的三分之二。”

2019 年，京東方成為全球最大的液晶屏供應商，在膝上型電腦、平板、智慧手機、顯示器、電視這5 大細分領域上出貨量都排名第一，我國“少屏”局面已被徹底改變。“我認為這是近20 年來我國電子產業最大的成就”，歐陽鍾燦擲地有聲地說。

歷經20 年，中國平板顯示產業完成了從小到大、從弱到強的轉變。2020 年，液晶顯示屏產能在全球佔比達到55%，我國液晶顯示已經躍居世界第一。“在OLED 顯示方面，我們跟韓國沒有代差，柔性屏研發我們幾乎同時起步，現在三星建成了6 代線，我們也有6 代線。清華等高校從事基礎研究，京東方等企業投入工藝研究，產業鏈非常順暢。所以，我認為OLED 技術發展速度沒有問題，而且再過幾年我們也有望領先。”歐陽鍾燦說。

打造自主“中國屏”

為老百姓帶來實實在在的好處

“全世界最大的電視市場在中國，如果我們不能自主生產，海外廠商就可以隨意定價。從前三星、LG 以及臺灣地區的幾家企業把屏價抬得很高，所以我們一定要自己建廠、建生產線。只有擁有自己的屏，價格才能降下來。”歐陽鍾燦說， “跟以前相比，現在電視已經算是‘白菜價’，兩三千元就能買到，即便是OLED 電視也才七千多。老百姓有了更多自主選擇，這就是實實在在的好處”。

隨著5G 時代的到來和國產手機生產工藝的發展，智慧手機、智慧手錶、膝上型電腦、平板、電子白板、拼接屏等一大批價格更便宜、視覺體驗更佳、速度更流暢、效能更優的產品不斷湧現。歐陽鍾燦在任全國政協委員時，曾在政協提案中提出：應抓住2022 年冬奧會契機，在我國廣播電視開通4K、8K 超高畫質頻道。從2K 到4K、8K，螢幕的重新整理率翻了四番，從30 幀/ 秒提高到了120 幀/ 秒，以標準清晰度為起點，8K 的畫面清晰了64 倍，資訊量增加了64 倍，體驗將得到很大升級。

在談到顯示行業未來的具體技術方向時，歐陽鍾燦認為，一是要保持優勢，促進已取得成績的液晶顯示技術持續發展，不斷拓展液晶顯示需求，如車載顯示、醫療顯示等，根據細分領域不同特點進一步追求技術升級；二是技術升級，在OLED、mini/micro LED、QD 等新型顯示方面， 加強新一代資訊科技與顯示技術的深度融合，促進智慧顯示埠全面升級；三是提升國內關鍵裝置及核心原材料的產業成熟度，推動產業鏈自主創新，提高關鍵材料和裝置的國產化率，將上中下游、大中小企業融合，建立自主可控、安全可控的產業鏈；四是注重科技人才的培養和重用， 企業要聯合高校和科研院所一起進行技術創新， 將技術優勢用到產品優勢上，形成效益優勢；五是緊密結合“政、產、學、研、用”，貫通基礎科學研究和產業，在財政、稅收、服務等方面提供政策支援，提前佈局前瞻顯示技術，為搶佔下一代顯示技術陣地贏得先機。

個人名片

歐陽鍾燦，理論物理學家，中國科學院院士，中科院理論物理所原所長，中國科學技術大學物理系主任。1968 年畢業於清華大學自控系，後取得清華大學凝聚態物理碩士、光學博士學位。中國物理學會《物理學報》及Chinese Physics B 兩刊主編。在物理、化學、生物學的交叉領域作出了傑出的工作，特別是在生物膜理論、DNA 生物大分子彈性性質及蛋白質摺疊方面。先後獲首屆海外華人物理學會亞洲傑出物理學成就獎，首屆“國氏”博士後獎勵基金，中科院自然科學一等獎，周培源獎，國家自然科學二等獎，何梁何利基金科學與技術進步獎等。