Màn hình LED

Cấu tạo và tính năng Màn hình LED

MỤC LỤC MỤC LỤC .1 1.1. Các định nghĩa 2 1.2. Sự cảm nhận của mắt người 3 1.3 Hai nguyên lý phối màu .4 II. Tổng quan về LED 7 2.1. Lịch sử phát triển LED 7 2.2. Chuyển tiếp P-N .8 2.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của LED 10 2.3.1 Cấu tạo LED 10 2.3.2. Nguyên tắc hoạt động 11 2.4 Vật liệu chế tạo LED 13 2.4.1. Các tiêu chuẩn về vật liệu .13 2.4.2. Màu sắc và vật liệu 15 III. TV LED .18 3.1.4. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động .20 3.2.1.Độ tương phản/độ đen 25 3.2.2.Độ chính xác màu .26 3.2.3. Chất lượng hình ảnh .26 3.2.4.Góc nhìn .27 3.2.5.Tiêu thụ điện năng .27 1 MÀN HÌNH LED I.Những điều cần biết về màn hình 1.1. Các định nghĩa Nhiệm vụ của màn hình là tái tạo lại hình ảnh. Để tái tạo lại hình ảnh, phương pháp phổ biến nhất hiện nay là hiển thị hình ảnh dựa vào bản đồ ma trận điểm 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). Tuy nhiên kích thước thực này phần lớn chỉ có ý nghĩa lý thuyết, vì hầu như chúng ta ít khi quan sát được các điểm ảnh tại kích thước thực của chúng, một phần do chúng quá bé, một phần do kích thước quan sát của điểm ảnh phụ thuộc vào độ phân giải: với cùng một diện tích hiển thị, độ phân giải (số lượng điểm ảnh) càng lớn thì kích thước quan sát được của chúng càng bé. 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. 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 được 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). Nếu độ phân giải bé hơn giá trị độ phân giải thực, mắt người sẽ có cảm 2 MÀN HÌNH LED giác hình ảnh bị sạn, không nét. Trên lý thuyết nếu độ phân giải cao hơn độ phân giải thực thì độ nét và độ chi tiết của hình ảnh sẽ tăng lên, tuy nhiên thực sự mắt người không cảm nhận được hoàn toàn sự khác biệt này . 1.2. Sự cảm nhận của mắt người Mắt người cảm nhận hình ảnh dựa vào hai yếu tố : màu sắc và độ sáng (chói) của hình ảnh. Màn hình muốn hiển thị được hình ảnh thì cũng phải tái tạo lại được hai yếu tố thị giác này 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. Hệ các màu cơ bản phải thoả mãn điều kiện tái tạo được một phổ màu rộng từ các màu thành phần, và các màu thành phần, khi được tổng hợp với cùng tỉ lệ phải tạo ra một trong hai màu sơ cấp là màu đen (loại trừ của tất cả màu sắc) hoặc màu trắng (tổng hoà của tất cả màu sắc). Về các màu cơ bản, trong các tài liệu mỹ thuật cổ điển thường đề cập đến ba màu cơ bản vàng, đỏ, xanh lam. Màu đỏ hợp với màu vàng sẽ tạo ra màu da cam, màu xanh với đỏ tạo ra màu tím, màu vàng với xanh tạo ra xanh lá. Tiếp tục từ các màu trên, phối hợp với nhau sẽ ra được tất cả các màu khác. Tuy nhiên, hệ 3 màu cơ bản của mỹ thuật cổ điển ngày nay đã tỏ ra có nhiều nhược điểm trong các ứng 3 MÀN HÌNH LED dụng kĩ thuật. Thứ nhất, với mỗi lần phối hợp màu, màu thu được thường bị xỉn đi, gây khó khăn trong việc tái tạo lại những màu sắc “tươi” như xanh lá mạ, vàng chanh ., và nhược điểm quan trọng nhất, khi chồng ba màu cơ bản vàng, đỏ, xanh lam với cường độ giống nhau lên nhau thì không thu được màu đen hoàn toàn. Yếu điểm này đã khiến cho hệ màu đỏ, vàng, xanh lam bây giờ chỉ còn tồn tại trong sách vở, và hầu như không có một ứng dụng kĩ thuật thực tế nào. Thay vào đó, 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 1.3 Hai nguyên lý phối màu Về hai nguyên lý phối màu trên, ta cần nói qua về cơ chế mắt cảm nhận màu. Màu sắc mà mắt cảm nhận đựơc phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới mắt. Bước sóng của ánh sáng chiếu tới mắt lại phụ thuộc vào bản chất nguồn sáng. Có hai loại nguồn sáng, đó là nguồn sáng sơ cấp và nguồn sáng thứ cấp. Nguồn sáng sơ cấp là các nguồn sáng có khả năng tự phát ra sóng ánh sáng, còn nguồn sáng thứ cấp là nguồn sáng phát ra ánh sáng bằng cách phản xạ lại ánh sáng từ nguồn sáng sơ cấp. Khi quan sát một nguồn sáng sơ cấp, màu sắc mà mắt người quan sát được chính là màu của ánh sáng mà nguồn sáng phát ra, còn khi quan sát nguồn sáng thứ cấp, màu sắc quan sát được là màu mà nguồn sáng thứ cấp không có khả năng hấp thụ từ nguồn sáng sơ cấp. Ví dụ: khi quan sát ánh sáng đỏ phát ra từ đèn led, chúng ta có cảm nhận màu đỏ thì ánh sáng từ đèn led phát ra có bước sóng nằm trong vùng ánh sáng đó. Còn khi quan sát một tấm bảng màu đỏ, ta có cảm nhận màu đỏ bởi tấm bảng đã hấp thụ hầu hết các bước sóng khác (xanh, tím, vàng .) từ nguồn sáng sơ cấp, chỉ có màu đỏ là không hấp thụ được và truyền đến mắt chúng ta. Màu sắc của nguồn 4 MÀN HÌNH LED sáng sơ cấp luôn không đổi, còn màu sắc của nguồn sáng thứ cấp lại thay đổi phụ thuộc vào màu sắc của nguồn sáng sơ cấp. Chiếu sáng nguồn sáng thứ cấp bằng các nguồn sáng sơ cấp có màu khác nhau sẽ thu được ánh sáng thứ cấp khác nhau. 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. Có thể kiểm chứng điều này một cách đơn giản: theo định nghĩa, ánh sáng trắng là tổng hoà của vô số ánh sáng đơn sắc có màu sắc khác nhau, có bước sóng từ 0.4 đến 0.7um. Tuy nhiên, chúng 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, tất nhiên sẽ chẳng bao giờ nhận được màu trắng, mà ngược lại, còn ra màu đen. Lý do là quá trình tô màu sắc lên tờ giấy không phải quá trình “tổng hợp” các màu, mà ngược lại, là quá trình “loại trừ” các màu. Khi ngoại trừ hết tất cả các màu thì rõ ràng chỉ còn màu đen. Nguyên tắc phối màu phát xạ 5 MÀN HÌNH LED Phối màu phát xạ được sử dụng trong các thiết bị phát ra ánh sáng như các loại đèn, các loại màn hình. Các ánh sáng có màu khác nhau, khi chiếu chồng lên nhau sẽ tạo ra ánh sáng có màu sắc khác. Ba màu cơ bản của cơ chế phối màu phát xạ trong các màn hình là màu đỏ, xanh lam và xanh lá (RGB). Theo hình trên, sự kết hợp màu sắc có vẻ hơi lạ: màu đỏ cộng màu xanh lá lại ra màu vàng ? Cần chú ý, nguyên lý phối màu phát xạ chỉ đúng khi được quan sát trực tiếp từ các nguồn sáng sơ cấp như màn hình, đèn, còn khi quan sát quá trình phối màu trên giấy hoặc trên màn chiếu, thực chất chúng ta đang quan sát một nguồn sáng thứ cấp nên hiển nhiên nguyên lý phối màu phát xạ trông khá vô lý. Tổng hoà của ba màu cơ bản trong phối màu phát xạ là màu trắng. Nguyên tắc phối màu hấp thụ 6 MÀN HÌNH LED Phối màu hấp thụ được sử dụng trong các ứng dụng mà con người phải quan sát các nguồn sáng thứ cấp, như in báo, vẽ tranh . Nguyên lý của phối màu hấp thụ là trừ màu. Lớp vật liệu đỏ sẽ hấp thụ tất cả các màu sắc, ngoại trừ màu đỏ, nên chúng ta nhìn được màu đỏ. Phối màu hấp thụ dựa trên 4 màu cơ bản: CMYK: vàng, xanh lơ, hồng, đen. Về lý thuyết, chỉ cần ba màu vàng, xanh lơ, hồng là có thể tạo ra dải màu khá trung thực. Sau này, trong kĩ thuật in ấn, màu đen được thêm vào để có thể điều chỉnh một cách chi tiết hơn độ sáng tối của màu. Có thể thấy ứng dụng của hệ màu CMYK trong các máy in màu: chúng chỉ có 4 hộp mực, tương ứng với 4 màu này để có thể in ra tất cả các màu sắc của bức tranh. Như vậy, cơ chế phối màu trong các màn hình là cơ chế phối màu phát xạ, dựa trên ba màu cơ bản là màu đỏ, xanh lam, xanh lá. Dựa trên ba màu này, màn hình có thể tái tạo lại gần như toàn bộ dải màu sắc mà mắt người cảm nhận được. Đó là về màu sắc, còn yếu tố thứ hai của hình ảnh là độ sáng, sẽ đựơc điều chỉnh bởi một đèn nền. II. Tổng quan về LED 2.1. Lịch sử phát triển LED Báo cáo đầu tiên được biết đền về sự phát xạ ánh sáng ở trạng thái rắn là vào năm 1907 ở bởi một người Anh tên là H.J.Round ở phòng thí nghiệm Marconi khi ông ta để ý đến điện phát quang phát ra từ một tinh thể của cacbua silic khi dùng đầu dò xúc tác đơn tinh thể. Oleg Vladimirovich Losev người Nga cũng độc lập tạo ra LED đầu tiên giữa năm 1920; nghiên cứu của ông ta đã được công bố trên các tạp trí khoa học của Nga, Đức, Anh, và bị bỏ qua không có sự sử dụng thực tế nào được khám phá trong vài thập niên. Năm 1955, Rubin Braunstein đã phát hiện ra sự phát xạ tia hồng ngoại từ GaAs và những bán dẫn khác. Ông quan sát sự phát xạ 7 MÀN HÌNH LED tia hồng ngoại từ những đi ốt đơn giản sử dụng GaSb, GaAs, InP, và Ge-Si ở nhiệt độ phòng và ở 77K. Năm 1961, Bob Biard và Gary Pittman tìm thấy GaAs cho bức xạ hồng ngoại khi có dòng điện chạy qua, và hai người đã đươc chứng nhận bằng sáng chế đầu tiên về việc tạo ra đi ốt phát ra ánh sáng hồng ngoại. Led phổ nhìn thấy (đỏ) đầu tiên được tạo ra vào năm 1962 bởi Nick Holonyak trong khi làm việc tại công ty, và sau đó ông chuyển đến giảng dạy tại đại học ở Urbana. Holonyak được coi như “người cha của đi ốt phát bức xạ nhìn thấy”. M.George, một cựu sinh viên của Holonyak, đã phát minh ra Led ánh sáng vàng đầu tiên và Led sáng đỏ và đỏ cam sáng hơn gấp 10 lần vào 1972. Shuji Nakamura của công ty Nichia (Nhật) đã trình bày cơ sở Led ánh sáng xanh lơ (blue) độ sáng cao đầu tiên dựa trên InGaN dựa trên cấu trúc GaN ở saphia và bán dẫn GaN pha tạp loại p của I.Akasaki và H.Amano ở Nagoya. Năm 1995, Alberto Barbieri tại phòng thí nghiệm đại học Cardiff, đã khảo sát hiệu suất và độ bền của Led độ sáng lớn và đã chứng minh được và thu được kết quả lớn bằng cách sử dụng một tiếp xúc trong suốt làm từ ITO trên Led (AlGaInP/GaAs). Sự tồn tại của đèn Led ánh sáng xanh lơ và hiệu suất cao đã dẫn đến sự phát hiện Led ánh sáng trắng đầu tiên, sử dụng Y 3 AL 5 O 12 :Ce hay “YAG”, bao phủ bởi phosphor trộn lẫn ánh sáng vàng và xanh lơ để làm xuất hiện ánh sáng trắng. Nakamura đã được trao giải năm 2006 công nghệ thế kỉ cho phát minh này. Sự phát triển của công nghệ Led là nguyên nhân làm tăng hiệu suất và ánh sáng theo hàm mũ, cứ 36 tháng một lần từ năm 1960 tương tự như định luật Moore. Sự tiến bộ nói chung phát triển song song với những công nghệ bán dẫn khác và như tiến bộ trong khoa học quang học và vật liệu. 2.2. Chuyển tiếp P-N 8 MÀN HÌNH LED Chuyển tiếp P – N hay còn gọi là chuyển tiếp điện tử - lỗ trống, chúng ta nhận được một chuyển tiếp P – N nếu như trong một tinh thể bán dẫn thuần nhất, bằng phương pháp công nghệ nào đó chúng ta nhận được hai miền : một miền chưa tạp chất axeptor ( miền p) và một miền lân cận chứa tạp chất donor (miền n). Ranh giới tiếp xúc của hai miền p và n này được gọi là lớp tiếp xúc công nghệ hay là lớp tiếp xúc luyện kim. Chúng ta sẽ xem xét bức tranh hình thành một chuyển tiếp P – N như sau: Thật vậy, do ở miền p có nhiều lỗ trống và miền n có nhiều điện tử, ở vùng lân cận lớp tiếp xúc công nghệ sẽ xuất hiện một gradien nồng độ các hạt tải điện. Sự xuất hiện của gradien nồng độ này sẽ dẫn đến sự tạo thành dòng các hạt tải điện theo cơ chế khuếch tán. Các lỗ trống sẽ khuếch tán từ miền p sang miền n và ngược lại, các điện tử khuếch tán từ miền n sang miền p. Có thể thấy rằng sự chuyển rời của các hạt tải điện này ( lỗ trống và điện tử ) sẽ phá vỡ sự trung hòa về điện ở các miền trên. Sự phá vỡ này sẽ xuất hiện đầu tiên ở gần lớp tiếp xúc công nghệ. Kết quả là ở miền p sẽ xuất hiện các nguyên tử tạp chất bị ion hóa mang điện tích âm, ở miền n sẽ xuất hiện các nguyên tử tạp chất bị ion hóa mang điện tích dương. Các nguyên tử này là các điện tích bất động. Như vậy, ở những miền gần tiếp xúc công nghệ sẽ xuất hiện một vùng các điện tích không gian. Những điện tích không gian này sẽ tạo thành một điện trường, thường gọi là điện trường khuếch tán và có chiều hướng từ miền n sang miền p. Điện trường khuếch tán này có chiều sao cho chiều này cản trở sự dịch chuyển của các hạt tải cơ bản qua lớp tiếp xúc công nghệ. Như vậy chúng ta coi chuyển tiếp P – N chính là miền mà ở đó có tồn tại một điện trường. 9 MÀN HÌNH LED Sơ đồ một chuyển tiếp P- N ở điều kiện cân bằng. 2.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của LED 2.3.1 Cấu tạo LED 1. Vỏ nhựa Epoxy (epoxy case) 2. Chíp bán dẫn (semicondutor chip) 3. Vu ̀ ng ha ̀ n dây ( Wire bond) 4. dây dẫn ( Lead frame) 5. cốc phản xạ ( Reflective cup). 6.Hai điê ̣ n cư ̣ c 10 MÀN HÌNH LED . năng .27 1 MÀN HÌNH LED I.Những điều cần biết về màn hình 1.1. Các định nghĩa Nhiệm vụ của màn hình là tái tạo lại hình ảnh. Để tái tạo lại hình ảnh, phương. phosphor 17 MÀN HÌNH LED III. TV LED 3.1.Tổng quan về TV LED 3.1.1.Giới thiệu về TV LED TV LED là “TV LCD chiếu sáng bằng đèn LED phía sau”. TV LED chỉ là