Chuyên đề: Màn hình tinh thể lỏng (LCD: Liquid Crystal Display) I Lịch sử: Năm 1888 Friedrich Reinitzer, nhà hóa học người Áo, khám phá chất kết tinh lỏng chrolesterol chiết xuất từ cà-rốt (hai điểm nóng chảy phát màu) Năm 1904, Otto Lehmann, nhà vật lý người Đức, nghiên cứu tiếp tục đặt tên cho trạng thái vật chất tinh thể lỏng Năm 1922, Georges Friedel, nhà khoáng vật học người Pháp, mơ tả cấu trúc tính chất tinh thể lỏng phân làm loại: nematics, smectics cholesterics Năm 1936, công ty Marconi Wireless Telegraph lần ứng dụng tinh thể lỏng vào kỹ thuật phát sáng (The Liquid Crystal Light Valve) Năm 1962, Richard Williams tập đoàn RCA (Radio of Corporation America) tìm thấy tính chất quang - điện thú vị LC thực hiệu ứng quang điện dãy mẫu LC mỏng áp vào mặt chúng điện Hiệu ứng dựa tính khơng ổn định thủy động lực điện tử (electro-hydrodinamic instability), gọi Miền Willians tinh thể lỏng Những nghiên cứu LC tiếp tục, năm 1970 hiệu ứng trường nematic xoắn (twisted nematic field effect) LC phát minh Hoffmann-LaRoche người Thụy sĩ Hiệu ứng sở chế tạo LCD Năm 1972, hình tinh thể lỏng ma trận tích cực (active-matrix liquid crystal display panel) sản xuất Hoa Kỳ Màn hình LCD xuất máy tính cầm tay, trị chơi điện tử cầm tay, đồng hồ điện tử, … LCD ngày thiết kế nhỏ gọn, nhẹ, chiếm khơng gian, chất lượng hình ảnh tốt, tiêu thụ lượng thay dần hình CRT truyền thống Năm 2008, tivi LCD bắt đầu chiếm ưu so với tivi CRT (chiếm 50% thị phần tivi giới) II Phân loại: Màn tinh thể lỏng là phận LCD Vì vậy, việc phân loại hình tinh thể lỏng dực loại tinh thể lỏng Dựa nguyên lý cấu tạo tinh thể lỏng để phân loại có loại LCD: Màn tinh thể chuyển động xoắn TN (Twisted Nematic) Màn tinh thể siêu chuyển động xoắn STN (Super Twisted Nematic) Màn tinh thể transistor mỏng TFT (Thin Film Transistor) Nguyên lý cấu tạo đặc tính loại LCD so sánh bảng sau: Loại LCD TN STN TFT Phân tử tinh thể Phân tử tinh thể Phân tử tinh thể lỏng, chuyển động lỏng, chuyển động lỏng, chuyển động Nguyên lý xoắn 900 xoắn 2400 ~ 2700 xoắn 900 Đen trắng, đơn sắc, Đen trắng, màu Màu (16.670.000 tương phản thấp (260.000 màu), màu), tương phản Đặc tính tương phản thấp cao Khơng Có Hiển thị ảnh Khơng động Góc nhìn Hẹp (dưới 300) Hẹp (dưới 400) Rộng (dưới 800) 1~3 inch 1-12 inch Trên 12 inch Kích thước hình Đồng hồ điện tử, Từ điển điện tử, điện Notebook, TV, panel Phạm vi ứng máy tính cầm tay, … thoại di động, notebook loại dụng chất lượng Màn hình TFT có tốc độ phản ứng nhanh LCD thiết bị hiển thị không tự phát ánh sáng mà phải nhờ vào điều khiển ánh sáng từ bên Ánh sáng bên ngồi nguồn sáng tự nhiên (mặt trời) nguồn sáng nhân tạo (đèn) Kỹ thuật xây dựng nguồn sáng có cách: nguồn sáng nền, nguồn sáng chiếu trước nguồn sáng chiếu bóng Kỹ thuật dùng nguồn sáng có ưu điểm hình hoạt động mơi trường khơng ánh sáng bên Dựa phương thức hiển thị tinh thể lỏng để phân loại có loại LCD: Hình 1: Phương thức hiển thị LCD Màn tinh thể phản xạ: lợi dụng tia sáng bên để hiển thị, mặt sau miếng phân ánh sáng có thêm bảng phản xạ, dùng nơi có ánh sáng LCD loại TN hầu hết dùng phương pháp phản xạ Có ưu điểm tiết kiệm lượng Màn tinh thể chiếu toàn bộ: có đèn chiếu mặt sau miếng phân ánh sáng Màn tinh thể chiếu nửa: kết hợp loại Hai loại sau có ưu điển có độ sáng độ tương phản cao, hoạt động bóng tối LCD loại TFT phân thành loại, loại thường sáng: khơng cấp điện hình sáng; loại thường tối: khơng cấp điện hình tối đen III Nguyên lý cấu tạo hình TN III.1 Sự phân cực ánh sáng: Hình r r Ánh sáng sóng ngang, phương dao động ( E B ) vng góc với phương truyền Ánh sáng tự nhiên nguồn sáng phát r thành đồn sóng điện từ nối tiếp Mỗi đồn sóng có phương E xác định Do chuyển động nhiệt hỗn loạn nguyên tử phát sáng, nên đoàn sóng phát có phương r E hướng theo phương mặt phẳng vng góc với phương truyền Khi cho ánh sáng qua môi trường không đẳng hướng quang học (như tinh r thể tuamalin, thạch anh,…) thành phần ánh sáng có phương E khác có độ mạnh yếu khơng đồng đều, ta gọi ánh sáng phân cực phần (hình 2.a) Trường hợp ánh sáng truyền qua mơi trường có sóng ánh sáng ứng với phương dao động xác định cho qua, ánh r sáng có phương E xác định gọi ánh sáng phân cực toàn phần ( hình 2.b) Bản Tuamalin (gọi kính phân cực) có mặt cắt song song với phương đặc biệt Y, gọi quang trục tinh thể Nó cho qua thành phần r ánh sáng có E song song với quang trục (hình 3) Hình III.2 Nguyên lý hình LCD loại TN Hiệu ứng Nematic xoắn (twisted nematic effect ) hình thành sở xếp lại điều chỉnh cach xác cấu trúc phân tử tinh thể lỏng tác dụng điện trường Hiệu ứng thực với công suất tiêu thụ nhỏ điện hoạt động thấp Hình trình bày “tế bào” tinh thể lỏng TN trạng thái OFF (hình 4.a) trạng thái ON (hình 4.b) cấu tạo nên pixel LCD loại thường sáng, cho h sáng truyền qua khơng có tác dụng điện trường lên tinh thể Cấu tạo tế bào bao gồm: G miếng kính có tráng điện cực E1 E2 suốt ép vào mặt lớp tinh thể lỏng (LC), P1 P2 kính phân cực có qung trục đặt vng góp Chùm ánh sáng L xuất phát từ nguốn sáng đèn chiếu vào kính phân cực P1 Ánh sáng qua kính phân cực P1 trở thành ánh sáng phân cực toàn phần Ở chế độ OFF (khóa S hở), LC tác dụng làm ánh sáng quay góc 900 Vì có phương dao động song song với quang trục kính phân cực P2 kết ánh sáng qua tế bào với cường độ mạnh Màn I sáng nhất, tế bào suốt Ở chế độ ON (khóa S đóng), tác dụng điện trường ngồi, cấu trúc phân tử LC xếp lại làm cho góc quay nhỏ 900, ánh sáng truyền qua kính P2 yếu hơn, mànr I sáng mờ Với điện đủ lớn, góc quay 00, ánh sáng phân cực có E vng góc với quang trục P2 không qua được, I tối đen (a) (b) Hình Hình tế bào hình màu, gồm tế bào R, G B Hình Hình ảnh kính trước cảm nhận tổng thể tất điểm ảnh (hình 6) Điện áp tín hiệu hình tác động lên điện cực tế bào tạo điện trường làm, điện trường làm thay đổi góc xoắn tinh thể lỏng, nhờ điều chỉnh cường độ sáng điểm màu, khơi phục lại hình ảnh Hình III.3 Nguyên lý cấu tạo hình TFT (Thin Film Transistor) TFT loại hình ma trận có nguồn tác động Dựa vào khác vật liệu bán dẫn màng mỏng, người ta phân làm loại: a-Si TFT c-Si MOSFET LCD làm từ MOSFET dùng kỹ thuật LCOS (Liquid Crystal On Silicon) TFT LCD kỹ thuật kết hợp kỹ thuật vi điện tử kỹ thuật hiển thị tinh thể Màn hình điều khiển ma trận có nguồn nghiên cứu nhầm khắc phục nhược điểm LCD không nguồn (như TN LCD, STN, LCD) đạt thành công đánh kể từ năm 1871 Sự phát triển TFT xuất phát từ Đại học Dundee Anh Năm 1981, Snell cộng thành công việc chế tạo TFT 5x7 điểm ma trận giới sau Nhật Bản nhanh chóng bắt tay vào việc nghiên cứu phát triển để đưa sản phẩm thương mại Từ năm 1993, TT LCD vào thời kỳ sản xuất với số lượng lớn III.3.1 Cấu tạo TFT LCD: TFT LCD hình dạng mỏng, hình mơ tả cấu tạo Hình Giữa miếng kính suốt song song (bảng bản) lấp đầy tinh thể TN Trên phần đáy miếng kính phía sau (miếng kính đáy) có nhiều dây dẫn màng kim loại suốt cách ly phân chia miếng kính đáy thành nhiều ô nhỏ li ti, ô nhỏ đơn vị màu sắc điểm ảnh (đơn vị điểm ảnh vi phân tử) Trong đơn vị điểm ảnh lại có điện cực màng mỏng suốt cách ly với dây dẫn xung quanh, gọi điện cực điểm ảnh (điện cực hiển thị) Mỗi góc của điện cực có MOSFET TFT, liên kết với hệ thống dây dẫn ngang dọc (hình 8) Cực G MOSFET nối với dây ngang (dây quét cực khiển) để lựa chọn TFT, cực S MOSFET nối với dây dọc (dây cực nguồn), cực D MOCFET nối với điện cực điểm ảnh suốt Chức MOSFET công tắc Mỗi đơn vị điểm ảnh coi lớp tinh thể TFT điện cực điểm ảnh điện cực chung Cấu tạo đơn vị điểm ảnh mạch điện tương đương trình bày hình Hình Giữa kính tinh thể, có điện dung tương đương CLC với giá trị nhỏ (khoảng 0.1pF) không đủ lớn để trì điện áp thời gian bán ảnh (thời gian điểm ảnh chuyển từ giá trị cũ sang giá trị mới) Vì vậy, người ta tạo thêm điện cực mỏng suốt, điện cực kết hợp với điện cực chung tạo điện dung CS (storage capacitor) có giá trị khoảng 0.5pF, mắc song song với CLC, nhờ đủ để giữ điện áp tín hiệu hình lần thay đổi Trên đáy kính trước phủ lên màng lọc màu với ô lọc màu R, G B có kích thước vị trí đối diện với điểm ảnh sở sau kính lọc màu màng dẫn điện suốt Đó điện cực chung Các dây dẫn ngang gọi hàng quét, sợi nối với cực G MOSFET, đầu lại nối với mạch xuất hình Các dây dẫn dọc sợi nối với cực S MOSFET, đầu lại nối với điều khiển Cực D MOSFET nối vào điện cực chung qua tụ điện CS CLC (mắc song song) Hình 10 hình 11 sơ đồ mạch điện tương đương hình TFT Hình 10 Hình 11 Màng lọc màu: Hình 12 trình bày phần nhỏ màng lọc màu kính lúp Trong đó, đơn vị điểm ảnh sở R, G B hợp thành đơn vị hiển thị: điểm ảnh (pixel) Các chấm đen xen vào điểm ảnh sở R,G,B gọi ma trận đen (black matrix), có cơng dụng để che phận không cần ánh sáng qua (chẳng hạn MOSFET) Hình 12 Có nhiều cách xếp điểm RGB (hình 13): đường băng, tam giác, dạng khảm, hình vng (4 đơn vị điểm ảnh sở hợp thành pixel) Tùy theo ứng dụng thiết bị mà người ta chọn cách xếp Ví dụ: hình máy 10 tính thường dùng cách xếp đường băng, hình tivi thường dùng cách xếp tam giác Hình 13 Độ phân giải hình thường đo lường đơn vị pixel Ví dụ: Một hình có độ phân giải 1024x768 = 786432 pixel Tính theo chiếu ngang có 1024 pixel (cột), theo chiều dọc có 768 pixel (hàng) Màn hình thường sáng (NW: Normally White) hình thường tối (NB: Normally Black): Loại LCD giới thiệu loại NW Loại NB khác với loại NW vị trí tương đối kính phân cực (?) Loại NW thơng dụng hơn, hình sáng mà khơng cần truyền điện áp điện điện cự ảnh điện cực chung Hơn nữa, máy tính thường dùng trắng chữ đen, điểm sáng chiếm đa số, nên sử dụng loại NW thuận lợi 11 Nguyên lý hiển thị hình ảnh: Hình 14 mơ tả ngun lý hiển thị hình ảnh TFT LCD Điện tín hiệu hình đưa vào cực S, điện quét đưa vào cực G MOSFET Khi xung quét xuất dãy điểm ảnh bản, MOSFET dãy dẫn điện, điện tín hiệu từ cực S thông qua MOSFET đến điện cực điểm ảnh, cường độ sáng điển ảnh điều khiển điện áp tính hiệu hình trì thời gian bán ảnh (1/60s 1/50s) Hình 14 TCON điều khiển chính, tách tín hiệu hình tín hiệu đồng đưa mạch điều khiển lại 12 Nguyên tắc điều khiển mức xám: Biên độ điện áp phân cực chiều điện cực điểm ảnh điện cực chung tạo mức xám hình Điều khiển biên độ điện áp điều khiển mức xám hình Hình 15 giải thích ngun tắc điều khiển mức xám bit Hình 15 13 Với bit điều khiển có 23 = mức xám Với n bit điều khiển có 2n mức xám Hình 16 mơ tả mối quan hệ tập giá trị bit điều khiển điện áp mức xám Hình 16 Nguyên tắc hiển thị hình ảnh: Hình 17 minh họa nguyên tắc biến tín hiệu hình thành hình ảnh với pixel gồm điểm màu sở R, G B thời điểm t, tín hiệu hình truyền đến tất điện cực cột, đồng thời xung quét tác động lên điện cực hàng m Các giá trị tín hiệu áp vào tất điện cực điểm ảnh hàng Ở thời điểm t+th (th thời gian đường quét ngang), xung quét xuất đường m+1, điểm ảnh dòng cập nhật Gọi n số bit mã hóa tín hiệu hình, mổi màu RGB có 2n mức Tổng số màu sắc hiển thị = 2n (R) 2n (G) 2n (B) = 23n 14 Hình 17 15 ... tính loại LCD so sánh bảng sau: Loại LCD TN STN TFT Phân tử tinh thể Phân tử tinh thể Phân tử tinh thể lỏng, chuyển động lỏng, chuyển động lỏng, chuyển động Nguyên lý xoắn 900 xoắn 2400 ~ 2700 xoắn... nguồn sáng có ưu điểm hình hoạt động mơi trường khơng ánh sáng bên Dựa phương thức hiển thị tinh thể lỏng để phân loại có loại LCD: Hình 1: Phương thức hiển thị LCD Màn tinh thể phản xạ: lợi dụng... khơng qua được, I tối đen (a) (b) Hình Hình tế bào hình màu, gồm tế bào R, G B Hình Hình ảnh kính trước cảm nhận tổng thể tất điểm ảnh (hình 6) Điện áp tín hiệu hình tác động lên điện cực tế bào