MÀN HÌNH LCD

Chi tiết cấu tạo MÀN HÌNH LCD

2010 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 VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Page 1 2010 1) NGUYÊN LÝ TÁI TẠO HÌNH ẢNH a) Tính chất phân cực của ánh sáng • Ánh sáng tự nhiên Ánh sáng từ nguồn phát ra ( mặt trời ,dây tốc nung đỏ …) có dao động theo mọi phương vuông góc tia sáng → ánh sáng tự nhiên. Đây là ánh sáng tự do ,không phân cực : hình vẽ • Ánh sáng phân cực Nếu ta chiếu tia sáng qua một môi trường bất đẳng hướng ,ví dụ : tinh thể thì chỉ dao động theo một phương nhất định. Vậy ánh sáng có vector chỉ dao động theo một phương xác định gọi là ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực toàn phần. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Page 2 2010 Hình vẽ trên cho thấy sau khi tia sáng qua kính bị phân cực có vector dao động theo 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 nhìn thấy trong kính hiển vi ánh sáng phân cực và hình ảnh tương tự của cùng mẫu vật ghi bằng kĩ thuật số (hoặc trên phim) và rồi chiếu lên màn hứng với ánh sáng không 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. Vectơ điện trường vẽ trong chùm ánh sáng tới dưới dạng sóng sin dao động theo mọi hướng (360 độ, mặc dù chỉ có 6 sóng, cách nhau 60 độ được vẽ trong hình). Trong thực tế, vectơ điện trường của ánh sáng tới dao động vuông góc với hướng truyền với sự phân bố đều trong mọi mặt phẳng trước khi chạm phải bản phân cực thứ nhất. • Tinh thể lỏng : VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Page 3 2010 Tinh thể lỏng: là những chất mang trạng thái của vật chất vừa có trạng thái tinh thể của chất rắn vừa có trạng thái của chất lỏng nên tinh thể lỏng sẽ có một số tính chất của cả hai chất; ngoài ra một số chất tinh thể lỏng còn thay đổi màu của mình một cách rõ rệt. Điểm đặc biệt là tinh thể lỏng (TTL) có thể chảy như một dòng chất 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 các tính 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 được hướng vào một hướng khác nhau. Tuy vậy trong một miền, các phân tử được sắp xếp theo thứ tự. TTL có thể không luôn luôn ở trạng thái tinh thể lỏng (cũng giống như nước không luôn luôn ở trạng thái lỏng: nó có thể ở trạng thái rắn hay trạng thái hơi). Mỗi một điểm ảnh của màn hình LCD cấu tạo tử một lớp phân tử sắp xếp giữa hai lớp điện cực trong suốt và có hai kính phân cực với trục phân cực của nó nhân ánh sáng truyền qua nằm vuông góc với nhau. Các phân tử tinh thể đó là các tinh thể lỏng. Bề mặt của điện cực tiếp xúc với các vật liệu tinh thể lỏng có tác dụng điều chỉnh sự sắp xếp các phân tử tinh thể lỏng theo hướng. Các điện cực là các chất dẫn điện trong suốt ( các oxit Indium Tin - ITO). VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Page 4 2010 Hầu hết những tinh thể lỏng là hợp chất hữu cơ bao gồm những phân tử hình gậy , 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 tà cho những tinh thể lỏng chảy vào những bề mặt khe chính xác . Sự kết hợp những phân tử theo những khe , do vậy khe là những đường song song thì sự kết hợp của những phân tử cũng trở nên chính xác . Trong trạng thái tự nhiên , những phân tử LCD được sắp xếp theo một thứ tự lỏng lẻo. Do đó khi chúng được sắp xếp vào những bề mặt khe trong một hướng cố định , 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 theo thành phần hữu cơ – vô cơ (Metallotropic). Tinh thể lỏng thermotropic chuyển đổi trạng thái khi nhiệt độ thay đổi, trong khi tinh thể lỏng lyotropic chuyển đổi trạng thái theo một hàm số phụ thuộc vào cả nồng độ của trong một dung dịch (thường là nước) và cả nhiệt độ. Còn tinh thể Metallotropic cấu tạo từ các phân tử cả vô cơ lẫn VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Page 5 2010 hữu cơ nên không chỉ thay đổi pha theo nhiệt độ, nồng độ mà còn thay đổi theo thành 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 trận điểm ảnh để tái tạo lại hình ảnh. Theo phương pháp này, một khung hình sẽ được chia ra làm vô số các điểm ảnh nhỏ. Các điểm ảnh có dạng hình vuông, có kích thước rất nhỏ. Kích thước “thực” của một điểm ảnh là: 0.01x0.01 (cm). Kích thước của một khung hình được cho bởi số lượng điểm ảnh theo chiều ngang và số lượng điểm ảnh theo chiều dọc. Ví dụ kích thước khung hình 1600x1200 (pixel) có nghĩa khung hình đó sẽ được hiển bị bởi 1600 điểm ảnh theo chiều ngang và 1200 điểm ảnh theo chiều dọc. Nhiều người lầm tưởng giá trị 1600x1200 trên chính là độ phân giải của hình ảnh. Thực chất, giá trị về số lượng pixel chỉ mang ý nghĩa kích thước (image dimension), còn độ phân giải (resolution) được cho bởi số lượng điểm ảnh hiển thị trên diện tích một inch vuông. Độ phân giải càng cao, hình ảnh được hiển thị sẽ càng nét. Độ phân giải đạt đến giá trị độ phân giải thực khi mà một pixel được hiển thị với đúng kích thước thực của nó (kích thước thực của pixel đựơc lấy sao cho ở một khoảng cách nhất định, pixel đó đựơc nhìn dưới một góc xấp 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 màu khác nhau, trong đó có một phổ màu khoảng hơn 30 triệu màu được cảm nhận rõ rệt nhất. Muốn tái tạo lại hình ảnh chân thực, màn hình hiển thị cần phải có khả năng hiển thị ít nhất là khoảng 16 triệu màu. Bình thường, khi muốn tạo ra một màu sắc, người ta sử dụng kĩ thuật lọc màu từ ánh sáng trắng, mỗi bộ lọc màu sẽ cho ra một màu. Tuy nhiên, với kích thước vô cùng bé của điểm ảnh, việc đặt 16 triệu bộ lọc màu trước một điểm ảnh là gần như vô vọng. Chính vì thế, để hiển thị màu sắc một cách đơn giản nhưng vẫn cung cấp khá đầy đủ dải màu, người ta sử dụng 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 màu CMYK. Cơ sở để xây dựng nên hai hệ màu cơ bản này dựa trên nguyên lý phối màu phát xạ và phối màu hấp thụ của ánh sáng. Phối màu phát xạ là hình thức phối màu sử dụng cho các nguồn sáng sơ cấp, còn phối màu hấp thụ là hình thức phối màu sử dụng cho các nguồn sáng thứ cấp. Chúng khác nhau cơ bản: cơ chế của phối màu phát xạ là cộng màu, còn cơ chế của phối màu hấp thụ là trừ màu. Chúng VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Page 6 2010 ta chỉ có thể thu được ánh sáng trắng nếu chiếu các chùm sáng chồng lên nhau (các chùm sáng được phát ra từ các nguồn sáng sơ cấp), còn nếu chồng các màu sắc lên nhau bằng cách tô chúng lên một tờ giấy, màu ta thu được là màu đen. Quá trình tô màu sắc lên tờ giấy là quá trình “loại trừ” các màu. Khi loại trừ hết tất cả các màu thì rõ ràng chỉ còn màu đen. 2) CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG 2.1)TRANSISTOR MÀNG MỎNG CỦA LCD LCD sử dụng ma trận Transistor màng mỏng (TFT) được chế tạo từ Si vô định hình. Nó thực chất là một màn hình không có tính phát xạ ánh sáng mà có chức năng 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 chiếu sáng ngược nhằm tránh các chấm nóng. Một số các tấm quang được xếp chồng để điều khiển tính chiếu sáng ngược Lamber theo góc nằm giữa ± 40 0 nhằm cải thiện độ tương phản màn hình. Các LCD yêu cầu cần phân cực hóa ánh sáng có định hướng nhằm tạo tỷ lệ độ tương phản cao. Mỗi một pixel màn hình dược điều khiển bởi TFT. Vì TFT có tính nhạy ,nên được chắn độ rọi ánh sáng ngược chiếu tới ,độ rỗng khe thực ( là các vùng điện cực ôxit Thiếc Indi trong suốt ITO) giảm xuống còn 80% và phụ thuộc vào mật độ pixel. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Page 7 Minh hoạ nguyên tắc phối màu phát xạ Minh hoạ nguyên tắc phối màu hấp thụ 2010 Các lớp LC được kẹp giữa hai chất có ITO mà bề mặt bên trong của nó được bao phủ trong một lớp poly Imit dày 80 – 100 nm. Đối với LCD thì kích thước nhỏ gọn ( compact size ), trọng lượng nhẹ ( light weight) cũng như góc nhìn ,dặc tính tỷ lệ màu và độ tương phản là quan trọng. Ba chủ 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 ,các màu khác thì bị hấp thụ. Hình trên cho thấy phổ phát xạ của chiếu sáng ngược ( sử dụng đèn huỳnh quang catot lạnh CCFL) và các đèn LED RGB. Phổ truyền qua của các bộ lọc màu RGB. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Page 8 2010 Hình vẽ có thể thấy phổ truyền qua của các bộ lọc RGB tương đối rộng và thuận 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%. Nói một 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 , CCFL phát xạ 2 bước sóng không mong muốn: màu xanh lá cây – da trời ( cỡ 480 nm) và màu cam (cỡ 580 nm ). Màu xanh lá cây – da trời sẽ truyền thông qua bộ lọc màu xanh lá cây và da trời còn màu cam thông qua bộ lọc cam. Ánh sáng có màu trên lọt 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 phổ CCFL thì gam màu có thể đạt 92 %. 2.2)CÁC VẬT LIỆU TINH THỂ LỎNG 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 chức hợp lại nên nó là phân tử phân cực ( sự phân bố của các e không đối xứng quanh hạt nhân). Trong vùng tinh thể lỏng, các tinh thể lỏng phân cực hỗn độn, không theo chiều cố đinh nào. Nên khi có điện áp ngoài,sự phân cực của TTL sẽ theo E ngoài.Ví dụ : VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Page 9 2010 Với vật liệu tinh thể lỏng thay đổi pha theo nhiệt độ, có 3 loại cấu trúc tinh thể lỏng riêng biệt : smectic,nematic và cholesteric. Trong đó, cấu trúc nematic là cấu trúc phân tử cơ bản và tính quang của nó ứng dụng chế tạo màn hình LCD bản mỏng. Hợp chất LC này có thể thay đổi pha ở nhiệt độ phòng ( cỡ 23 0 C )nên rất thuận lợi nghiên cứu ngay ở nhiệt độ phòng. Cấu trúc nematic của vật liệu này hoạt động tốt ở vùng nhiệt độ 24 đến 35.3 0 C. Đối với ứng dụng làm màn hình thì người ta cần vùng nhiệt độ rộng hơn để vùng nematic mở rộng của phân tử hoạt động tốt (từ -40 0 C đến 90 0 C), như vậy để đạt được điều kiện đó, người ta dùng thêm hỗn hợp Eutectic (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 tỷ lượng nhất định của từng chất sao để nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp đó trở nên thấp nhất có thể. Nhiệt độ mà tại đó hỗn hợp eutecti bắt đầu bị nóng chẩy (hoặc ngược lại, bắt đầu được kết tinh) được gọi là ‘Nhiệt độ eutecti’. Tại nhiệt độ eutecti, các chất (các cấu tử có trong hỗn hợp) kết tinh đồng thời và cho ra các hợp VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Page 10 . 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 trận điểm ảnh để tái tạo lại hình ảnh. Theo phương. HOẠT ĐỘNG CỦA MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG 2.1)TRANSISTOR MÀNG MỎNG CỦA LCD LCD sử dụng ma trận Transistor màng mỏng (TFT) được chế tạo từ Si vô định hình. Nó thực