Màn hình tinh thể lỏng - màn hình Plasma

Tinh thể lỏng được phát hiện lần đầu tiên vào cuối thế kỷ thứ 19 do nhà sinh vật học của nức Áo là Friedrich Reinitzer , và khái niệm tinh thể lỏng được đặt ra do nhà Vật lí học người Đức là Otto Lehmann đặt ra .

1. Giới thiệu

Tinh thể lỏng hầu hết là vật chất trong suốt nó phụ thuộc vào vật liệu rắn hoặc lỏng . Ánh sáng truyền qua tinh thể lỏng theo sự liên kết của phân tử làm nên chúng , đặc tính của vật chất rắn . Trong năm 1960 người ta đã sáng chế thay đổi tinh thể lỏng bằng cách thay đổi điện năng phân tử liên kết và do vậy ánh sáng phát ra , đặc tính của chất lỏng .

Cho tới năm 1971 người ta đã chế tạo thành công màn hình tinh thể lỏng , từ đó tới nay màn hình tinh thể lỏng ( LCD - Liquid Crystal Display ) được ứng dụng rộng rãi trong TV , thiết bị Camera số ... thay thế cho màn hình ống phóng điện tử thông thường CRT . Đối với thiết bị hiển thị cầm tay có 02 loại màn hình tinh thể lỏng :

DSTN (dual-scan twisted nematic) - giá rẻ.
TFT (thin film transistor) - cho chất lượng hình ảnh cao .

2. Nguyên lí :

LCD là công nghệ truyền dẫn . Màn hình hiển thị làm việc bằng cách thay đổi cường độ ánh sáng trắng từ phía sau đi xuyên qua một bộ lọc . Những thành phần màu Đỏ , Xanh nước biển , Xanh lá cây của những Pixel tạo thành là do ánh sáng trắng đi từ phía sau xuyên qua một bộ lọc đơn giản .

$\"\"$

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 nhứng bề mặt khe trong một hướng cố định , chúng được sắp xếp song song theo những khe đó .

$\"\"$

Tự nhiên Được sắp xếp song song trong những khe

Nguyên lý đầu tiên của LCD bao gồm những tinh thể lỏng được kẹp giữa mặt hai khe , ở đó những khe trong một mặt được xếp vuông góc với khe trên mặt khác . Nếu phân tử của một mặt đước sắp từ Bắc tới Nam và những phân tử trên một mặt khác đước sắp từ Đông tới Tây . Ánh sáng đi qua sự kết hợp giữa các phân tử cũng bị xoắn 90 độ khi đi qua lớp tinh thể lỏng . Người ta cung cấp điện áp vào tinh thể lỏng để những phân tử sắp xếp lại theo chiều thẳng đứng để cho phép ánh sáng đi qua mà không bị xoắn .

$\"\"$

Nguyên lý thứ hai của LCD dựa vào đặc tính những bộ lọc phân cực và ánh sáng của nó . Dạng sóng của ánh sáng tự nhiên theo những góc ngẫu nhiên . Bộ lọc phân cực là những đường song song với nhau . Những đường này hoạt động như một cái lưới , chặn tất cả sóng ánh sáng và hướng chúng đi theo một hướng xác định .

Bộ lọc phân cực thứ hai có hướng vuông góc với bộ lọc phân cực đầu tiên . Ánh sáng chỉ đi qua bộ lọc phân cực thứ hai nếu những đường của nó song song với bộ lọc đầu tiên hoặc nếu ánh sáng đó bị xoắn khi tới bộ lọc thứ hai .

$\"\"$

LCD TN (twisted nematic ) thông thường bao gồm hai bộ lọc phân cực chúng được sắp xếp vuông góc với nhau , như mô tả trên , nó sẽ chặn tất cả các ánh sáng xuyên qua . Nhưng khi giữ chúng được phân cực là những tinh thể lỏng xoắn lại với nhau , do vậy ánh sáng phân cực được qua bộ lọc đầu tiên , bị xoắn 90 đọ khi qua bộ lọc đầu tiên , và xuyên qua bộ lọc phân cực thứ hai . Vì thế khi cung cấp điện áp qua tinh thể lỏng , những phân tử tập hợp lại theo chiều thẳng đứng cho phép ánh sáng đi qua mà không bị xoắn nhưng bị chặn lại bởi lớp phân cực thứ hai . Do vậy không có điện áp tương đương với ánh sáng bằng 0 và khi cung cấp điện áp thì không có ánh sáng được phát ra.

$\"\"$

3. Màn hình DSTN - Double-layer SuperTwist Nematic

Những màn hình LCD dùng ma trận Passive ( DSTN , CSTN ... ) dùng trong máy tính xách tay có chất lượng hình ảnh không sắc nét và không có góc nhìn rộng như những màn hình Active . Thành phần của chúng có nhiều lớp .

Đầu tiên là tấm kính phủ lớp Oxide kim loại . Vật chất có độ trong suốt cao để không gây cản trở tính trung thực của hình ảnh . Hoạt động này là những lưới gồm hàn và cột điện cực cho dòng điện đi qua cần thể kích hoạt những thành phần trên màn hình . Có một lớp Polyme có những khe song song với nhau để định hướng những phân tử tinh thể lỏng theo hướng thích hợp và cung cấp thành phần cơ bản là những phân tử tinh thể lỏng trong đó .

$\"\"$

Sườn của nó được dán bằng Epoxy , bên trong nó được phủ đầy bằng những tinh thể lỏng giữa những tấm ( trạng thái chân không ) trước khi chúng được dán lại . Trước kia quá trình này hay bị lỗi và kết quả là nhiều điểm Pixel bị lỗi tại những vị trí mà tinh thể lỏng bị lỗi trên màn hình hiển thị .

$\"\"$

Tiếp theo là lớp phân cực được gắn mặt ngoài của mỗit tấm kính để định hướng của lớp liên kết . Đối với DSTN , lớp định hướng liên kết lớp giữa 90 độ và 270 độ , phụ thuộc vào sự quay cuat lớp tinh thể bên trong . Có ánh sáng đằng sau ( Backlight )được đưa thêm vào , thông thường là ống huỳnh quang Cold-Cathode được gắn ở sườn trên và sườn dưới của Panel .

Hình ảnh xuất hiện trên màn hình được tạo ra do ánh sáng xuyên qua những lớp của Panel . Khi không có nguồn cung cấp qua tấm LCD Panel , ánh sáng từ Backlight phan cực thẳng đứng bằng bộ lọc phía sau và khúc xạ bằng những móc xích phân tử trong tinh thể lỏng mà hiện lên từ lọc phân cực nằm ngang ra phía trước . Khi cung cấp một điện áp những tinh thể được tập hợp lại do đó ánh sáng không thể đi qua kết quả là những Pixel bị tối . Màn hình hiển thị LCD màu dùng thêm bộ lọc màu : Đỏ , Xanh nước biển , Xanh lá cây thành những thành phần tách rời và tạo nên Pixel nhiều màu khác nhau .

$\"\"$

Chính vì lẽ đó mà đáp ứng của LCD rất chậm đối với màn hình Passive . Trong khi đó sự thay đổi nội dung xuất hiện trên màn hình đối với tín hiệu Video hoặc do tốc độ của Chuột máy tính rất nhanh nên tạo thành những bóng ma , vết bóng trên màn hình tại những điểm mà thời gian đáp ứng không kịp thay đổi .

Vào cuối năm 1990 , có vài phương án thay đổi đối với LCD để tăng tốc độ thời gian đáp ứng và tăng cường độ tương phản . Toshiba và Sharp cùng phát triển kiểu màn hình LCD có tên là HPD (hybrid passive display) dùng côngthức khác của vật liệu tinh thể lỏng để nâng cao chất lượng hình ảnh và có tăng giá thành một chút . Tính dẻo ( tính nhầy ) của tinh thể lỏng giảm xuống có nghĩa là có thể thay đôitrangj thái của phân tử tinh thể lỏng tăng lên nó cho phép HPD có chất lượng hình tốt hơn so với DSTN những chưa bằng màn hình LCD với ma trân Active . Ví dụ , mỗi điểm DSTN có thời gian đáp ứng là 300ms , của HPD là 150ms và của TFT ( LCD với ma trận Active ) là 25ms . Độ tương phản tử 40:1 tới 50:1 và nhiễu xuyên âm cũng được cải thiện .

4. Màn hình TFT - Thin Film Transistor

Trong màn hình TFT , hay còn gọi là ma trận Active ( Active Matrix ) , ma trận Transistor được nối tới tấm LCD - một transistor ứng với một màu (RGB) của mỗi một Pixel . Những Transistor này điều khiển những Pixel nó laọi trừ vấn đề bóng ma và tốc độ đáp ứng chậm của những màn hình LCD mà không phải kiểu TFT . Kết quả khi sử dụng màn hình kiểu TFT thì thời gian đáp ứng giảm xuống còn 25ms , độ tương phản lên tới từ 200:1 tới 400:1 và cường độ sáng từ 200 cd/m2 tới 250cd/m2 ( candela per square metre ).

$\"\"$

Những thành phần tinh thể lỏng của mỗi một Pixel được sắp xếp trong trạng thái bình thường của chúng ( khi không có điện áp cung cấp ) ánh sáng đi qua bộ lọc Passive bị phân cực và đi qua màn hình . Khi có điện áp cung cấp qua những thành phần tinh thể lỏng , chúng bị xoắn 90 độ tương ứng với điện áp cung cấp , sự thay đổi phân cực như vậy mà chúng ngăn không cho ánh sáng đi qua . Những transistor điều khiển độ xoắn và do đó thay đổi cường độ của Đỏ , Xanh lá cây , Xanh nước biển tương ứng với mỗi thành phần của Pixel để hiển thị những điểm của hình ảnh .

$\"\"$

Màn hình TFT mỏng hơn LCD thông thường , cho cường độ sáng cao hơn , có tần số làm tươi đạt được bằng với tần số của màn hình ống phóng điện tử CRT và nhanh hơn gấp 10 lần so với màn hình DSTN hiện thời . Màn hình kiểu VGA với độ phân giải 640 x 480 cần tới 921.000 transistor ( 640x480x3) , với độ phân giải 1024 x 768 cần tới 2.359.296 transistor ( 1024x768x3 ).

Với một Panel ma trận transistor đầu đủ trọn vẹn không bị hỏng một transistor nào là một bài toán khó , cho nên sản xuất ra một tấm Panel TFT đắt hơn so với DSTN hiện tại . Đó cũng là nguyên nhân tại sao mà màn hình TFT sẽ có một vài Pixel trên đó bị lỗi , tuỳ theo nhà sản xuất mà công bố số điểm lỗi tối đa trên màn hình của họ .

Có hai hiện tượng mà những Pixel của màn hình TFT bị thiếu sót :

Điểm Pixel ánh sáng tại đó xuất hiện một hoặc một vài chỗ ngẫu nhiên màu Đỏ , Xanh nước biển hoặc những thành phần Pixel màu Xanh lá cây trên tấm Panel khi màn hình ở chế độ tối hoàn toàn .
Những Pixel bị lỗi hoặc bị chết tại đó sẽ xuất hiện những điểm màu đen trên nền trắng.

Những lỗi chung trước kia hầu hết là do thỉnh thoảng Transistor tại vị trí trên màn bị hỏng ở trạng thái bị ngắn mạch và kết quả tại vị trí đó Pixel sẽ sáng ( Đỏ , Xanh lá cây hoặc Xanh nước biển ) . Thật không may mắn những transistor bị hỏng đó chúng ta không thể sửa chữa được sau khi lắp ráp thành phẩm . Nó chỉ bị Disable những Transistor bị hỏng bằng tia Laser , khi đó tại những điểm này sẽ là những điểm đen trên nền trắng .

Nhà sản xuất sẽ công bố những điểm Pixel bị hỏng tối đa trên tấm Panel của họ để người dùng có thể chấp nhận được . Ví dụ đối với màn hình có độ phân giải 1024 x 768 tương đương với 2.359.296 transistor mà có 20 Pixel bị lỗi tương đương với 0.0008% .

II . Màn hình Plasma

Tấm Panel hiển thị Plasma - PDP (Plasma Display Panel) tương tự như ống phóng điện tử CRT ở chỗ dùng Phosphor để phát sáng và tương tự như màn hình LCD khi chúng dùng lưới toạ độ kiểu X,Y bằng những điện cực riêng biệt bằng lớp cách điện MgO và xung quanh được trộn lẫn khí trơ ví dụ như : Argon , Neon hoặc Xeon cho mỗi thành phần riêng lẻ của hình ảnh .

$\"\"$

Chúng làm việc dựa trên nguyên lí điện áp cao truyền qua khí áp suất thấp và phát sáng . Về bản chất , PDP có thể xem như là một ma trận ống đèn huỳnh quang nhỏ được điều khiển rất phức tạp . Mỗi một Pixel , hoặc một Cell , bao gồm tụ điện nhỏ cùng với 03 điện cực . Sự phát tán điện qua điện cực nguyên nhân những khí trơ bịt kín trong mỗi Cell bị chuyển thành Plasma ở dạng Ion hoá . Plasma là chất dẫn điện trung gian , những thành phần Ion hoá cao bao gồm điện tử , Ion dương và những thành phần trung gian . Mỗi Cell của Plasma hoạt động nó phát ra ánh sáng tia tử ngoại UV (ultraviolet ) sau đó sẽ đập và tác động lên Phosphor tương ứng với các màu cơ bản RGB trên bề mặt , khi đó mặt Plasma sẽ sáng lên

$\"\"$

Bên trong mỗi một Cell sẽ có 03 ô nhỏ , mỗi một ô gồm Phosphor Đỏ , Phosphor Xanh nước biển , Phosphor Xanh lá cây . Để phát ra màu thì cương độ của mỗi màu RGB phải được điều khiển độc lập . Trong khi công việc này đối với đèn ống phóng điện tử CRT bằng sự điều biến dòng tia điện tử và khi đó phát ra tia sáng . Đối với PDP thực hiện trộn màu bằng điều chế xung mã PCM (pulse code modulation). Dựa trên bảng 256 màu cơ bản , mỗi một màu được hiển thị dựa theo độ rộng và cường độ của xung PCM . Trong mỗi một độ rộng của xung màu người ta dùng mã hoá 8-bit nên tạo được 256 mức độ rộng xung . Trong mỗi một cường độ của xung người ta cũng ,mã hoá thành 8-bit . Như thế tổng số màu có thể kết hợp được lên tới :

256 x 256 x 256 = 16.777.216 ( màu ).

$\"\"$

Trên thực tế PDP toả ánh sáng dùng Phosphor thì đạt được góc nhìn tốt nhất và màu sắc tuyệt vời . Ban đầu , PDP có vấn đề trong trường họp nhiễu giữa PCM và những hình ảnh chuyển động nhanh . Về sau vấn đề này được giải quyết bằng sự tinh chỉnh lại để phối hợp trong PCM . Những màn hình Plasma đầu tiên gặp một vấn đề mang tính truyền thống tức là độ tương phản thấp . Trong trường hợp như vậy người ta cung cấp cho mỗi Cell một mức điện áp thấp ban đầu cố định . Không cung cấp điện áp thấp bạn đầu cho mỗi Cell thì chúng sẽ bị thời gian đáp ứng giảm xuống .

Vào cuối năm 1990 , Fujitsu đã giảm bơt được vấn đề này bằng công nghệ mới để tăng độ tương phản lên từ 70:1 tới 400:1 . Năm 2000 một vài hãng sản xuất tuyên bố tạo được hình ảnh với độ tương phản lên tới 500:1 .

Hình dưới là cấu tạo thành phần của Plasma do Fujitsu đưa ra :

$\"\"$

Một sự trở ngại lớn nhất mà tấm Plasma phải vượt qua là sự không thực hiện được một cách hoàn hảo của hiển thị khi từ màn hình trạng thái trắng toàn màn hình sang tối toàn màn hình .

Việc sản xuất PDP đơn giản hơn so với LCD và giá thành tương tự như CRT có cùng một kích thước . Đối với việc sản xuất tấm Panel của TFT đòi hỏi xử lí nhiệt độ cao với kỹ thuật in ấn công nghệ cao trong môi trường hoàn toàn sạch sẽ nên có giá thành rất cao khi sản xuất tấm Panel của PDP trong môi trường nhiệt độ thấp hơn , không nhất thiết phải chống bụi hoàn toàn nên có giá thành rẻ hơn . Nhưng bên cạnh đó màn hình Plasma có tuổi thọ 10.000 giờ quá ít để được ứng dụng đối với màn hình máy vi tính .

Một giới hạn cuối cùng của của màn hình Plasma là kích thước của Pixel . Hiện nay những nhà sản xuất không thể dưa kích thước mỗi Pixel dưới 0.3 mm . đó cũng chính là nguyên nhân mà Plasma không được sử dụng trong máy vi tính .

$\"\"$