by
1. Ưu và nhược điểm của PMLCD
Trong bài viết này đã xét đến nguyên tắc hoạt động của màn hình LCD và tìm hiểu kiểu đơn giản và phổ biến là LCD ma trận thụ động PMLCD (passive matrix LCD)Ta đã thấy về cấu tạo, ở PMLCD trên và dưới là hai tấm kính (bằng thủy tinh hoặc polyme trong suốt), ở mỗi tấm kính có dán các lá mỏng làm phân cực ánh sáng và làm cho các phân tử hình que của tinh thể lỏng định hướng song song khi tiếp xúc. Lớp tinh thể lỏng được đặt giữa hai tấm kính và gắn kín.
Ở tấm kính trên có các dải dẫn điện song song, nằm gần khít nhau, dọc theo các hàng ký hiệu là x1,x2,x3... Tương tự ở tấm kính dưới có các dải dẫn điện dọc theo các cột ký hiệu là y1,y2,y3...(hình 1)
Nếu phát các xung điện chạy theo các hàng x và các cột y và tính toán sao cho khi ở chỗ giao nhau của hàng xi và cột yk xung theo hàng và cột cùng đến một lúc thì phần tinh thế lỏng ỏ vị trí ik có điện thế tác dụng ở cực trên và cực dưới đủ mức để tạo ra điện trường hướng cho các phân tử hình que nằm song song, ánh sáng phân cực không lọt qua được, vị trí ik này tối. Tương tự đối với vị trí giao nhau nào, không có đủ hai xung điện đến cùng một lúc, ánh sáng phân cực lọt qua được, vị trí đó sáng. Có thể hình dung ở mỗi chỗ mà dải dẫn theo hàng và dải dẫn theo cột giao nhau có một cột tinh thể lỏng, hai đầu là hai cực dẫn điện. Tất cả các cột tinh thể lỏng nhỏ li ti đó sắp xếp trật tự thành một ma trận các phân tử ảnh của màn hình.
Việc điều khiển phần tử ảnh nào sáng, phần tử ảnh nào tối để tạo ra hình ảnh trên màn hình được thực hiện bằng trình tự phát các xung điện (dài, ngắn, thưa, mau khác nhau) chuyển động dọc dải dẫn theo hàng và theo cột. Ở thời điểm mà cột tinh thể lỏng ik có xung điện theo hàng và xung điện theo cột đến cùng một lúc, hai điện cực ở hai đầu cột tinh thể tạo ra một điện trường đủ sức để hướng các phân tử hình que nằm song song điện trường. Lúc đó ánh sáng phân cực không lọt qua được, phần tử ảnh ik sẽ tối. Ngược lại khi cột tinh thể lỏng ik có xung theo hàng và theo cột không đến cùng một lúc, không đủ điện trường để hướng cho các phân tử hình que song song, cột tinh thể lỏng cho ánh sáng phân cực đi qua được, phần tử ảnh ik sẽ sáng.
Ở kiểu ma trận thụ động PM, cấu tạo các dải dẫn điện tuy rất tinh vi nhưng về nguyên tắc tương đối đơn giản, chế tạo ít tốn kém. Khi số phần tử ảnh ít, màn hình kích thước nhỏ thi kiểu PM này chấp nhận được. Nhưng khi màn hình lớn, độ phân giải cao cần rất nhiều phần tử ảnh, kiểu PM có nhiều hạn chế.
Để có được nhiều phần tử ảnh, kích thước mỗi cột tinh thể lỏng phải nhỏ, điện thế tác dụng lên hai đầu cột tinh thể lỏng phải đủ lớn, điện trường sinh ra có thể bị “long” ra xung quanh làm cho các cột tinh thể lỏng gần đấy bị ảnh huởng gọi là cross - talk. Mặt khác thời gian phần tử ảnh sáng lên, tối đi rất ngắn bằng thời gian xung điện chạy qua điện cực của cột tinh thể lỏng. Ta biết rằng ảnh sống động ta thấy trên màn hình thật ra là chuỗi liên tiếp các ảnh tĩnh với tốc độ trên 24 ảnh trong một giây. Nếu tốc độ quá chậm, chưa bằng 24 ảnh/giây, ta sẽ thấy chuyển động bị giật. Nhưng ngược lại ảnh tĩnh hiện lên quá ngắn, quá nhỏ hơn 1/24 giây, mắt sẽ thấy ảnh bị rung, mỏi mắt. Vì vậy nếu mỗi ảnh tĩnh hiện lên quá ngắn, người ta phải điều khiển cho mỗi ảnh tĩnh hiện lên lặp lại vài ba lẩn. Người ta gọi đó là cách làm tươi (refresh) để khỏi bị rung (flicker).
Vì những lẽ trên, ở kiểu PM nếu màn hình rộng, có nhiều phần tử ảnh thì hiện tượng cross talk dễ làm ảnh bị nhòe tương phản kém, đồng thời phải làm tươi tốn kém (vế mặt năng lượng) để ảnh đỡ bị rung, nhìn mỏi mắt.
Để khắc phục những nhược điểm của kiểu PM người ta chế tạo màn hình điều khiển ma trận tích cực AM (active matrix).
Trong bài viết này đã xét đến nguyên tắc hoạt động của màn hình LCD và tìm hiểu kiểu đơn giản và phổ biến là LCD ma trận thụ động PMLCD (passive matrix LCD)Ta đã thấy về cấu tạo, ở PMLCD trên và dưới là hai tấm kính (bằng thủy tinh hoặc polyme trong suốt), ở mỗi tấm kính có dán các lá mỏng làm phân cực ánh sáng và làm cho các phân tử hình que của tinh thể lỏng định hướng song song khi tiếp xúc. Lớp tinh thể lỏng được đặt giữa hai tấm kính và gắn kín.
Ở tấm kính trên có các dải dẫn điện song song, nằm gần khít nhau, dọc theo các hàng ký hiệu là x1,x2,x3... Tương tự ở tấm kính dưới có các dải dẫn điện dọc theo các cột ký hiệu là y1,y2,y3...(hình 1)
Hình 1. Màn hình PMLCD (sơ đồ)
Các dải dẫn song song theo hàng và theo cột trên dưới cách nhau, ở mỗi chỗ hàng và cột giao nhau có một cột tinh thể lỏng nối liền hàng ở trên và cột ở dưới (vẽ tượng trưng như điện trở)Nếu phát các xung điện chạy theo các hàng x và các cột y và tính toán sao cho khi ở chỗ giao nhau của hàng xi và cột yk xung theo hàng và cột cùng đến một lúc thì phần tinh thế lỏng ỏ vị trí ik có điện thế tác dụng ở cực trên và cực dưới đủ mức để tạo ra điện trường hướng cho các phân tử hình que nằm song song, ánh sáng phân cực không lọt qua được, vị trí ik này tối. Tương tự đối với vị trí giao nhau nào, không có đủ hai xung điện đến cùng một lúc, ánh sáng phân cực lọt qua được, vị trí đó sáng. Có thể hình dung ở mỗi chỗ mà dải dẫn theo hàng và dải dẫn theo cột giao nhau có một cột tinh thể lỏng, hai đầu là hai cực dẫn điện. Tất cả các cột tinh thể lỏng nhỏ li ti đó sắp xếp trật tự thành một ma trận các phân tử ảnh của màn hình.
Việc điều khiển phần tử ảnh nào sáng, phần tử ảnh nào tối để tạo ra hình ảnh trên màn hình được thực hiện bằng trình tự phát các xung điện (dài, ngắn, thưa, mau khác nhau) chuyển động dọc dải dẫn theo hàng và theo cột. Ở thời điểm mà cột tinh thể lỏng ik có xung điện theo hàng và xung điện theo cột đến cùng một lúc, hai điện cực ở hai đầu cột tinh thể tạo ra một điện trường đủ sức để hướng các phân tử hình que nằm song song điện trường. Lúc đó ánh sáng phân cực không lọt qua được, phần tử ảnh ik sẽ tối. Ngược lại khi cột tinh thể lỏng ik có xung theo hàng và theo cột không đến cùng một lúc, không đủ điện trường để hướng cho các phân tử hình que song song, cột tinh thể lỏng cho ánh sáng phân cực đi qua được, phần tử ảnh ik sẽ sáng.
Ở kiểu ma trận thụ động PM, cấu tạo các dải dẫn điện tuy rất tinh vi nhưng về nguyên tắc tương đối đơn giản, chế tạo ít tốn kém. Khi số phần tử ảnh ít, màn hình kích thước nhỏ thi kiểu PM này chấp nhận được. Nhưng khi màn hình lớn, độ phân giải cao cần rất nhiều phần tử ảnh, kiểu PM có nhiều hạn chế.
Để có được nhiều phần tử ảnh, kích thước mỗi cột tinh thể lỏng phải nhỏ, điện thế tác dụng lên hai đầu cột tinh thể lỏng phải đủ lớn, điện trường sinh ra có thể bị “long” ra xung quanh làm cho các cột tinh thể lỏng gần đấy bị ảnh huởng gọi là cross - talk. Mặt khác thời gian phần tử ảnh sáng lên, tối đi rất ngắn bằng thời gian xung điện chạy qua điện cực của cột tinh thể lỏng. Ta biết rằng ảnh sống động ta thấy trên màn hình thật ra là chuỗi liên tiếp các ảnh tĩnh với tốc độ trên 24 ảnh trong một giây. Nếu tốc độ quá chậm, chưa bằng 24 ảnh/giây, ta sẽ thấy chuyển động bị giật. Nhưng ngược lại ảnh tĩnh hiện lên quá ngắn, quá nhỏ hơn 1/24 giây, mắt sẽ thấy ảnh bị rung, mỏi mắt. Vì vậy nếu mỗi ảnh tĩnh hiện lên quá ngắn, người ta phải điều khiển cho mỗi ảnh tĩnh hiện lên lặp lại vài ba lẩn. Người ta gọi đó là cách làm tươi (refresh) để khỏi bị rung (flicker).
Vì những lẽ trên, ở kiểu PM nếu màn hình rộng, có nhiều phần tử ảnh thì hiện tượng cross talk dễ làm ảnh bị nhòe tương phản kém, đồng thời phải làm tươi tốn kém (vế mặt năng lượng) để ảnh đỡ bị rung, nhìn mỏi mắt.
Để khắc phục những nhược điểm của kiểu PM người ta chế tạo màn hình điều khiển ma trận tích cực AM (active matrix).
2. Màn hình LCD ma trận tích cực AMLCD
Ở kiểu ma trận tích cực AM ở mỗi phần tử ảnh tức một cột tinh thể lỏng người ta bố trí một transito trường màng mỏng TFT (thin film field effect transistor) có vai trò là cái đóng ngắt điện cho cột tinh thể lỏng (hình 2). Ta biết rằng transito trường có ba cực: cục nguồn S, cực máng D và cực cổng G. Bình thường không có dòng điện chạy từ nguồn sang máng vì lớp bán dẫn giữa nguồn và máng không dẫn điện. Nhưng khi tác dụng lên cổng G một điện thế thích hợp lớp bán dẫn dưới cổng G tạo thành một lớp đảo, dẫn được điện, có một dòng điện chạy từ nguồn S đến máng D nếu S có điện thế cao hơn D.
Hình 2. Màn hình AMLCD mỗi phần tử ảnh có một tranzito màng mỏng TFT, khi hoạt động tích điện cho cột tinh thể lỏng (vẽ tượng trưng như tụ điện)
Ở AMLCD, transito trường được làm bằng màng mỏng gần như trong suốt để không ngăn cản ánh sáng, không làm cho màn hình dày lên. Ở các dải dẫn theo hàng có các chỗ nối với cực cổng G của TFT, các dải dẫn theo cột được nối với cực nguồn S của TFT. Cực máng D của TFT được nối với một cực của cột tinh thể lỏng, cực còn lại của cột tinh thể lỏng được nối đất.
Khi một cột tinh thể lỏng ở vị trí ik có xung chạy theo hàng đến cùng một lúc với xung chạy theo cột, lập tức TFT mở, và có điện tích từ nguồn chạy sang máng. Cột tinh thể lỏng có cấu tạo như tụ điện (hai điện cực ở hai bên, giữa là tinh thể lỏng có vai trò như điện môi) kết quả là tụ điện - cột tinh thể lỏng tĩnh điện điện trường sinh ra bên trong làm cho phần tử hình que song song điện trường, ánh sáng phân cực không lọt qua được, phần tử ảnh tối. Tương tự, nếu không có hai xung điện đến đồng thời, phần tử ánh sáng. Nhờ có tích điện ở tụ điện - cột tinh thể lỏng nên thời gian phần tử ảnh sáng hay tối kéo dài hơn, không phải cứ xung điện điều khiển vừa qua khỏi lập tức phần tử ảnh sáng hoặc tối ngay như ở PMLCD.
Màn hình LCD kiểu ma trận tích cực AM nhờ bố trí cho mỗi phần tử ảnh một transito màng mỏng TFT nên việc điều khiển đóng, mở sáng, tối nhanh hơn nhiều, thời gian sáng tối đối với từng phần tử ảnh không quá ngắn, ít có hiện tượng cross-talk nên đáp ứng được nhiều yêu cầu cao về chất lượng hình ảnh sống động. Nhược điểm rõ rệt nhất là cấu tạo phức tạp, giá thành cao.
Với rất nhiều cải tiến nhỏ nữa, màn hình AMLCD đã trở thành công cụ chủ yếu để hiến thị trong công nghệ thông tin.
Tuy nhiên có một nhược điểm lớn đối với cách hiển thị dùng tinh thể lỏng là:
- Bản thân cột tinh thể lòng không phát sáng mà chỉ làm nhiệm vụ đóng hay mở ánh sáng phân cực đi qua. Luôn luôn phải cần một nguồn sáng hoặc truyền qua hoặc phản xạ. Vì vậy hình ảnh ở màn hình LCD khó sáng rực rỡ, tương phản tốt. Mặt khác phải có nguồn sáng riêng là tốn kém về mặt năng lượng (mau hết pin).
- Theo cách ngăn chặn hay cho ánh sáng phân cực đi qua tinh thể lỏng chỉ nhìn thật vuông góc với bề mặt tinh thể là hiệu quả tốt nhất. Càng nhìn nghiêng tương phản càng kém (hình 3). Vì vậy muốn nhìn thấy ảnh đẹp tương phản tốt ta phải nhìn thẳng vào màn hình.
Màn hình LED, đặc biệt là OLED có nhiều ưu việt hơn. Tìm hiểu thêm về màn hình AMOLED là loại tương đối hiện đại ngày nay rất hay dùng ở điện thoại di động thế hệ mới tại đây nhé.
Hình 3. Nhìn nghiêng màn hình OLED sáng rõ hơn màn hình LCD
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: