màn hình lcd

Trong thực tế, con người không thể nào phân biệt giữa ánh sáng thực độ tương phản cao nhìnthấy trong kính hiển vi ánh sáng phân cực và hình ảnh tương tự của cùng mẫu vậtghi bằng kĩ thuật

NỘI DUNG

NỘI DUNG 1

b)Nguyên lý tái tạo lại hình ảnh của LCD 6

b.1 Hoạt động bật tắt cơ bản 15

c)Phân loại sản phẩm 18

c.1) LCD ma trận thụ động 18

c.2) LCD ma trận chủ động 18

3)MÀN HÌNH DSTN - Double-layer SuperTwist Nematic 18

4)MÀN HÌNH TFT – TRANSISTOR BẢN MỎNG 21

1) NGUYÊN LÝ TÁI TẠO HÌNH ẢNH

Hình vẽ trên cho thấy sau khi tia sáng qua kính bị phân cực có vector dao độngtheo một phương.

Mắt người không có khả năng phân biệt giữa ánh sáng định hướng ngẫu nhiên

và ánh sáng phân cực, và ánh sáng phân cực phẳng chỉ có thể phát hiện qua cường

độ hoặc hiệu ứng màu, ví dụ như sự giảm độ chói khi mang kính râm Trong thực

tế, con người không thể nào phân biệt giữa ánh sáng thực độ tương phản cao nhìnthấy trong kính hiển vi ánh sáng phân cực và hình ảnh tương tự của cùng mẫu vậtghi bằng kĩ thuật số (hoặc trên phim) và rồi chiếu lên màn hứng với ánh sángkhông phân cực Ý niệm cơ bản của sự phân cực ánh sáng được minh họa trên hình

1 đối với một chùm ánh sáng không phân cực đi tới hai bản phân cực thẳng Vectơđiện trường vẽ trong chùm ánh sáng tới dưới dạng sóng sin dao động theo mọihướng (360 độ, mặc dù chỉ có 6 sóng, cách nhau 60 độ được vẽ trong hình) Trongthực tế, vectơ điện trường của ánh sáng tới dao động vuông góc với hướng truyềnvới sự phân bố đều trong mọi mặt phẳng trước khi chạm phải bản phân cực thứnhất

• Tinh thể lỏng :

Tinh thể lỏng: là những chất mang trạng thái của vật chất vừa có trạng thái tinhthể của chất rắn vừa có trạng thái của chất lỏng nên tinh thể lỏng sẽ có một số tínhchất của cả hai chất; ngoài ra một số chất tinh thể lỏng còn thay đổi màu của mìnhmột cách rõ rệt Điểm đặc biệt là tinh thể lỏng (TTL) có thể chảy như một dòngchất lỏng, nhưng lại có các phân tử sắp xếp hay định hướng như của tinh thể.

Có nhiều pha trạng thái khác nhau của TTL, có thể được phân biệt dựa trên cáctính chất quang học khác nhau của chúng - chẳng hạn như tính lưỡng chiết

(birefringence) Khi được xem dưới một kính hiển vi sử dụng nguồn sáng phân

cực, nhiều pha tinh thể lỏng xuất hiện dưới nhiều kết cấu sắp đặt khác nhau Mỗi

"miếng" trong kết cấu tương ứng với một miền mà các phân tử của TTL đượchướng vào một hướng khác nhau Tuy vậy trong một miền, các phân tử được sắpxếp theo thứ tự TTL có thể không luôn luôn ở trạng thái tinh thể lỏng (cũng giốngnhư nước không luôn luôn ở trạng thái lỏng: nó có thể ở trạng thái rắn hay trạngthái hơi)

Mỗi một điểm ảnh của màn hình LCD cấu tạo tử một lớp phân tử sắp xếp giữahai lớp điện cực trong suốt và có hai kính phân cực với trục phân cực của nó nhânánh sáng truyền qua nằm vuông góc với nhau Các phân tử tinh thể đó là các tinhthể lỏng Bề mặt của điện cực tiếp xúc với các vật liệu tinh thể lỏng có tác dụngđiều chỉnh sự sắp xếp các phân tử tinh thể lỏng theo hướng Các điện cực là cácchất dẫn điện trong suốt ( các oxit Indium Tin - ITO)

Hầu hết những tinh thể lỏng là hợp chất hữu cơ bao gồm những phân tử hìnhgậy , trong trạng thái tự nhiên , chúng được xắp sếp song song theo những trục dài

Để có thể điều khiển chính xác sự kết hợp của những phân tử người tàcho những tinh thể lỏng chảy vào những bề mặt khe chính xác Sự kết hợp nhữngphân tử theo những khe , do vậy khe là những đường song song thì sự kết hợp củanhững phân tử cũng trở nên chính xác

Trong trạng thái tự nhiên , những phân tử LCD được sắp xếp theo một thứ tựlỏng lẻo Do đó khi chúng được sắp xếp vào những bề mặt khe trong một hướng cốđịnh , chúng được sắp xếp song song theo những khe đó

Tinh thể lỏng có thể được chia thành 3 loại: thay đổi pha theo nhiệt độ(thermotropic), thay đổi pha theo nồng độ (lyotropic) và loại thay đổi pha theothành phần hữu cơ – vô cơ (Metallotropic) Tinh thể lỏng thermotropic chuyển đổitrạng thái khi nhiệt độ thay đổi, trong khi tinh thể lỏng lyotropic chuyển đổi trạngthái theo một hàm số phụ thuộc vào cả nồng độ của trong một dung dịch (thường lànước) và cả nhiệt độ Còn tinh thể Metallotropic cấu tạo từ các phân tử cả vô cơ lẫn

hữu cơ nên không chỉ thay đổi pha theo nhiệt độ, nồng độ mà còn thay đổi theothành phần tỷ lệ giữa vô cơ – hữu cơ trong tinh thể lỏng.

b) Nguyên lý tái tạo lại hình ảnh của LCD

Màn hình LCD có tác dụng tái tạo lại hình ảnh LCD dựa vào bản đồ ma trậnđiểm ảnh để tái tạo lại hình ảnh Theo phương pháp này, một khung hình sẽ đượcchia ra làm vô số các điểm ảnh nhỏ Các điểm ảnh có dạng hình vuông, có kíchthước rất nhỏ Kích thước “thực” của một điểm ảnh là: 0.01x0.01 (cm) Kích thướccủa một khung hình được cho bởi số lượng điểm ảnh theo chiều ngang và số lượngđiểm ảnh theo chiều dọc Ví dụ kích thước khung hình 1600x1200 (pixel) có nghĩakhung hình đó sẽ được hiển bị bởi 1600 điểm ảnh theo chiều ngang và 1200 điểmảnh theo chiều dọc Nhiều người lầm tưởng giá trị 1600x1200 trên chính là độphân giải của hình ảnh Thực chất, giá trị về số lượng pixel chỉ mang ý nghĩa kíchthước (image dimension), còn độ phân giải (resolution) được cho bởi số lượngđiểm ảnh hiển thị trên diện tích một inch vuông Độ phân giải càng cao, hình ảnhđược hiển thị sẽ càng nét Độ phân giải đạt đến giá trị độ phân giải thực khi màmột pixel được hiển thị với đúng kích thước thực của nó (kích thước thực của pixelđựơc lấy sao cho ở một khoảng cách nhất định, pixel đó đựơc nhìn dưới một gócxấp xỉ bằng năng suất phân li của mắt người)

Mắt người cảm nhận hình ảnh dựa vào hai yếu tố: màu sắc và độ sáng (chói)của hình ảnh Về màu sắc, mắt người có khả năng cảm nhận hơn 4 tỉ sắc độ màukhác nhau, trong đó có một phổ màu khoảng hơn 30 triệu màu được cảm nhận rõrệt nhất Muốn tái tạo lại hình ảnh chân thực, màn hình hiển thị cần phải có khảnăng hiển thị ít nhất là khoảng 16 triệu màu Bình thường, khi muốn tạo ra mộtmàu sắc, người ta sử dụng kĩ thuật lọc màu từ ánh sáng trắng, mỗi bộ lọc màu sẽcho ra một màu Tuy nhiên, với kích thước vô cùng bé của điểm ảnh, việc đặt 16triệu bộ lọc màu trước một điểm ảnh là gần như vô vọng Chính vì thế, để hiển thịmàu sắc một cách đơn giản nhưng vẫn cung cấp khá đầy đủ dải màu, người ta sửdụng phương pháp phối hợp màu từ các màu cơ bản

Ngày nay có hai hệ màu được sử dụng rất phổ biến là hệ màu RGB và hệ màuCMYK Cơ sở để xây dựng nên hai hệ màu cơ bản này dựa trên nguyên lý phốimàu phát xạ và phối màu hấp thụ của ánh sáng Phối màu phát xạ là hình thức phốimàu sử dụng cho các nguồn sáng sơ cấp, còn phối màu hấp thụ là hình thức phốimàu sử dụng cho các nguồn sáng thứ cấp Chúng khác nhau cơ bản: cơ chế củaphối màu phát xạ là cộng màu, còn cơ chế của phối màu hấp thụ là trừ màu Chúng

ta chỉ có thể thu được ánh sáng trắng nếu chiếu các chùm sáng chồng lên nhau (cácchùm sáng được phát ra từ các nguồn sáng sơ cấp), còn nếu chồng các màu sắc lênnhau bằng cách tô chúng lên một tờ giấy, màu ta thu được là màu đen Quá trình tômàu sắc lên tờ giấy là quá trình “loại trừ” các màu Khi loại trừ hết tất cả các màuthì rõ ràng chỉ còn màu đen.

2) CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG

LCD sử dụng ma trận Transistor màng mỏng (TFT) được chế tạo từ Si vô địnhhình Nó thực chất là một màn hình không có tính phát xạ ánh sáng mà có chứcnăng như là một bộ điều biến hai chiều Do vậy LCD cần có tính chiếu sáng ngược( backlight ) Có một thiết bị khuyếch tán được sử dụng để đồng nhất tính chiếusáng ngược nhằm tránh các chấm nóng Một số các tấm quang được xếp chồng đểđiều khiển tính chiếu sáng ngược Lamber theo góc nằm giữa ± 400 nhằm cải thiện

độ tương phản màn hình Các LCD yêu cầu cần phân cực hóa ánh sáng có địnhhướng nhằm tạo tỷ lệ độ tương phản cao

Mỗi một pixel màn hình dược điều khiển bởi TFT Vì TFT có tính nhạy ,nênđược chắn độ rọi ánh sáng ngược chiếu tới ,độ rỗng khe thực ( là các vùng điện cựcôxit Thiếc Indi trong suốt ITO) giảm xuống còn 80% và phụ thuộc vào mật độpixel

Minh hoạ nguyên tắc phối màu

phát xạ

Minh hoạ nguyên tắc phối màu

hấp thụ

Các lớp LC được kẹp giữa hai chất có ITO mà bề mặt bên trong của nó đượcbao phủ trong một lớp poly Imit dày 80 – 100 nm.

Đối với LCD thì kích thước nhỏ gọn ( compact size ), trọng lượng nhẹ ( lightweight) cũng như góc nhìn ,dặc tính tỷ lệ màu và độ tương phản là quan trọng Bachủ màu là đỏ , xanh lam ,xanh lá cây dùng cho các điểm ảnh màu ( a color pixel ).Mỗi subpixel có kích cỡ là 80 µm x 240 µm và chỉ truyền đi được một màu ,cácmàu khác thì bị hấp thụ

Hình trên cho thấy phổ phát xạ của chiếu sáng ngược ( sử dụng đèn huỳnhquang catot lạnh CCFL) và các đèn LED RGB Phổ truyền qua của các bộ lọc màuRGB

Hình vẽ có thể thấy phổ truyền qua của các bộ lọc RGB tương đối rộng vàthuận lợi là truyền nhiều ánh sáng hơn ,tuy nhiên độ tinh khiết màu lại bị giảm.Đỉnh phổ truyền qua của bộ lọc màu RGB là khoảng 70% ,80% đến 90% Nóimột cách thô thiển ,mỗi một bộ lọc màu chỉ truyền được 25 % ánh sáng trắng tới.Kết quả có 75% ánh sáng còn lại bị hấp thụ bởi các chất màu Hơn thế nữa , CCFLphát xạ 2 bước sóng không mong muốn: màu xanh lá cây – da trời ( cỡ 480 nm) vàmàu cam (cỡ 580 nm ) Màu xanh lá cây – da trời sẽ truyền thông qua bộ lọc màuxanh lá cây và da trời còn màu cam thông qua bộ lọc cam Ánh sáng có màu trênlọt qua sẽ làm giảm độ tinh khiết màu ( hay độ bão hòa màu ) của màn hình Vì thế

mà gam màu của TFT LCD chỉ bằng 75 % hệ chuẩn màu NTSC Nêu cải tiến phổCCFL thì gam màu có thể đạt 92 %

Tinh thể lỏng có thể sắp xếp theo hướng điện trường ngoài khi đặt điện áp vào.Bởi nó là hợp chất cao phân tử, có nhiều mạch vòng benzene và các nhóm chứchợp lại nên nó là phân tử phân cực ( sự phân bố của các e không đối xứng quanhhạt nhân) Trong vùng tinh thể lỏng, các tinh thể lỏng phân cực hỗn độn, khôngtheo chiều cố đinh nào Nên khi có điện áp ngoài,sự phân cực của TTL sẽ theo Engoài.Ví dụ :

Với vật liệu tinh thể lỏng thay đổi pha theo nhiệt độ, có 3 loại cấu trúc tinh thểlỏng riêng biệt : smectic,nematic và cholesteric Trong đó, cấu trúc nematic là cấutrúc phân tử cơ bản và tính quang của nó ứng dụng chế tạo màn hình LCD bảnmỏng.

Hợp chất LC này có thể thay đổi pha ở nhiệt độ phòng ( cỡ 230C )nên rất thuậnlợi nghiên cứu ngay ở nhiệt độ phòng Cấu trúc nematic của vật liệu này hoạt độngtốt ở vùng nhiệt độ 24 đến 35.3 0C Đối với ứng dụng làm màn hình thì người tacần vùng nhiệt độ rộng hơn để vùng nematic mở rộng của phân tử hoạt động tốt (từ-400C đến 900C), như vậy để đạt được điều kiện đó, người ta dùng thêm hỗn hợpEutectic (tức là trộn thêm 10 – 15 chất ít dùng)

Hỗn hợp Etutectic

‘Hỗn hợp eutecti’ hoặc ‘eutecti’ là một hỗn hợp giữa các chất theo những tỷlượng nhất định của từng chất sao để nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp đó trở nên

ngược lại, bắt đầu được kết tinh) được gọi là ‘Nhiệt độ eutecti’ Tại nhiệt độeutecti, các chất (các cấu tử có trong hỗn hợp) kết tinh đồng thời và cho ra các hợp

chất rắn với cấu tạo ‘xuyên giao’ giữa các chất Quá trình kết tinh đồng thời nàycủa các chất trong một hỗn hợp eutecti được gọi là ‘Phản ứng eutecti’ Thành phầnhỗn hợp (tính theo tỷ lượng từng chất trong hỗn hợp) và nhiệt độ mà tại đó xẩy raphản ứng eutecti được gọi là ‘Điểm eutecti’.

Ở loại màn hình tinh thể lỏng thứ hai, chúng sử dụng ánh sáng tự nhiên đi vào

từ mặt trên và có gương phản xạ nằm sau, dội ánh sáng này lại cho người xem.Đây là cấu tạo thường gặp ở các loại màn hình tinh thể lỏng đen trắng trong cácthiết bị bỏ túi Do không cần nguồn sáng nên chúng tiết kiệm năng lượng

Cấu trúc các lớp của một màn hình tinh thể lỏng đen trắng không tự phát sáng

(thường thấy trên máy tính bỏ túi).

2.4) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của màn hình LCD

a) Các lớp cấu tạo của màn hình LCD

Lớp kính lọc phân cực thứ nhất: là lớp kính lọc phân cực có quang trục phân

cực dọc

Lớp tinh thể lỏng: Đây là các phân tử có cấu trúc nematic, có thể xoay,định

hướng khi tiếp xúc với các bề mặt khe rãnh Nếu ta

đặt chúng giữa hai tấm điện cực trong suỗt có sẻ

rãnh vuông góc với nhau (hình vẽ) khi ánh sáng

truyền qua sẽ dọc theo chiều xoắn của phân tử

nematic, nếu ánh sáng là phân cực ,thì sự phân cực

sẽ theo chiều xoắn của tinh thể lỏng đó

Nếu ánh sáng nguồn sau khi truyền qua kính lọc

phân cực thứ nhất, chỉ còn lại ánh sáng có phương

phân cực dọc Ánh sáng phân cực này tiếp tục

truyền qua lớp tinh thể lỏng Nếu giữa hai đầu lớp

tinh thể lỏng không đựơc đặt một điện áp tùy theo

giá trị, các phân tử tinh thể lỏng sẽ xoắn khác nhau, ánh sáng truyền qua theo độxoắn đó

Lớp kính lọc phân cực thứ hai : Nếu ta đặt điện trường lớn làm cho các tinh

thể sắp xếp dọc theo chiều điện trường (không xoắn), ánh sáng có phương phâncực dọc truyền tới lớp kính lọc thứ hai có quang trục phân cực ngang sẽ bị chặn lạihoàn toàn Lúc này, điểm ảnh ở trạng thái tắt Nếu điều chỉnh điện áp giữa hai đầulớp tinh thể lỏng nhỏ dần, các phân tử sẽ liên kết và xoắn lại với nhau tùy giá trịđiện áp Ánh sáng truyền qua lớp tinh thể lỏng theo hướng xoắn của tinh thể nên sẽthay đổi phương phân cực Vậy ánh sáng sau khi bị thay đổi phương phân cực bởilớp tinh thể lỏng truyền đến kính lọc phân cực thứ hai và truyền qua được mộtphần Lúc này, điểm ảnh được bật sáng Có thể điều chỉnh cường độ sáng tại mộtđiểm ảnh bằng cách điều chỉnh độ xoắn của tinh thể hay chính là điều chỉnh điện

áp đặt vào hai đầu lớp tinh thể lỏng

Kính lọc sắc : Trước mỗi điểm ảnh con có một kính lọc màu, cho ánh sáng ra

màu đỏ, xanh lá và xanh lam.Với một điểm ảnh, tuỳ thuộc vào cường độ ánh sángtương đối của ba điểm ảnh con, dựa vào nguyên tắc phối màu phát xạ (RGB), điểmảnh sẽ có một màu nhất định Như vậy, chỉ từ 3 điểm màu cơ bản ta có thể phốihợp ra hang triệu màu khác nhau

b) Nguyên lý hoạt động của màn hình LCD

b.1 Hoạt động bật tắt cơ bản

Tùy điện cực của một điểm ảnh con được đặt một điện thế là bao nhiêu, thìphần tinh thể lỏng ở nơi ấy sẽ bị tác động chừng ấy, ánh sáng sau khi truyền quachỗ ấy vẫn hoặc giữ nguyên phương phân cực, và cuối cùng bị chặn lại hoàn toànbởi kính lọc phân cực thứ hai hoặc phương phân cực sẽ thay đôi theo hướng xoắncủa tinh thể theo từng giá trị điện áp Điểm ảnh con này lúc đó bị tắt hoặc sángnhiều hay ít trên tấm kính

Ta có hình vẽ :

b.2 Hiển thị màu sắc và sự chuyển động

Hình ảnh hiện ra trên tấm kính trước là do sự cảm nhận tổng thể tất cả các điểmảnh, ở đấy mỗi điểm ảnh mang một màu sắc và độ sáng nhất định, được qui định,theo quy tắc phối màu phát xạ, bởi mức độ sánh của ba điểm ảnh con của nó (tỉ lệcủa ba màu đỏ, lục và lam), tức được qui định bởi việc bật/tắt các điểm ảnh con ấy

Để làm điều này, cùng một lúc các điện thế thích hợp sẽ được đặt vào các điểmảnh con nằm trên cùng một hàng, đồng thời phần mềm trong máy tính sẽ ra lệnh ápđiện thế vào những cột có các điểm ảnh con cần bật

Ở mỗi thời điểm, các điểm ảnh ở một trạng thái bật/tắt nhất định - ứng với mộtảnh trên màn hình Việc thay đổi trạng thái bật/tắt của các điểm ảnh tạo ra mộthình ảnh chuyển động Điều này được thực hiện bằng cách áp điện thế cho từnghàng từ hàng này đến hàng kế tiếp (gọi là sự quét dọc) và áp điện thế cho từng cột

từ cột này đến cột kế tiếp (sự quét ngang) Thông tin của một ảnh động từ máy tínhđược chuyển thành các tín hiệu quét dọc và quét ngang và tái tạo lại