Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của màn hình tinh thể lỏng

TỔNG QUAN VỀ MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG

Tinh thể lỏng

Tinh thể lỏng được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1888 bởi nhà sinh vật học người Áo Friedrich Reinitzer từ cholesterol chiết xuất từ củ cà rốt Ông nhận thấy cholesterol có hai điểm nóng chảy: ở 145.5°C, nó chuyển thành chất lỏng mây, và ở 175°C, chất lỏng này trở nên rõ hơn Hiện tượng này có thể đảo ngược, và Reinitzer đã hợp tác với nhà vật lý Otto Lehmann để nghiên cứu thêm Ông đã mô tả ba tính năng quan trọng của tinh thể lỏng, được Otto Lehmann đặt tên vào năm 1904: hai điểm nóng chảy, sự phản chiếu ánh sáng phân cực theo vòng tròn và khả năng xoay theo hướng phân cực của ánh sáng Tuy nhiên, Reinitzer không tiếp tục nghiên cứu về tinh thể lỏng, trong khi Otto Lehmann đã phát triển chuyên môn trong lĩnh vực này và tiến hành nghiên cứu có hệ thống về cholesterol bezoate và các hợp chất liên quan.

Hình 1.1 Các hạt tinh thể lỏng [5]

Ta có thể gặp rất nhiều chất ở dạng tinh thể lỏng trong thực tế như: gel, thủy ngân, keo,…

Hình 1.2 Một số vật chất dạng tinh thể lỏng [6]

Tinh thể lỏng là trạng thái vật chất trung gian giữa rắn và lỏng, mang đặc điểm của cả hai Đặc trưng nổi bật của chúng là sự sắp xếp có trật tự của các phân tử (mesogen) theo một trục chung, gọi là đường chuẩn, khác với các phân tử trong chất lỏng không có trật tự nội tại Trong khi các phân tử rắn có cấu trúc cố định và ít tự do di chuyển, tinh thể lỏng cho phép các phân tử chuyển động tự do trong một phạm vi hẹp Các phân tử trong tinh thể lỏng có thể liên kết thành từng nhóm, tạo ra sự định hướng nhất định và cấu trúc tương tự như tinh thể.

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử của chất rắn, chất lỏng và tinh thể lỏng [5]

Tinh thể lỏng sở hữu tính chất đặc biệt là khả năng thay đổi phương phân cực của ánh sáng khi đi qua, tùy thuộc vào độ xoắn của các chùm phân tử Độ xoắn này có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi điện áp áp dụng lên hai đầu của tinh thể lỏng.

Tóm lại, các tính chất cần lưu ý của tinh thể lỏng trong kỹ thuật LCD bao gồm:

- Các phần tử tinh thể lỏng sẽ tự định hướng và tự sắp xếp khi tiếp xúc với bề mặt khe rãnh

Hình 1.4 Tinh thể lỏng tự sắp xếp khi gặp bề mặt có khe rãnh [5]

- Các phân tử tinh thể lỏng khi ở trạng thái tự nhiên sắp xếp lộn xộn ngăn không cho ánh sáng truyền qua

Hình 1.5 Tinh thể lỏng tự nhiên không dẫn sáng [5]

- Với tinh thể lỏng đã được sắp xếp thì ánh sáng sẽ truyền qua các khe hở nhỏ

Hình 1.6 Ánh sáng truyền qua các khe hở nhỏ [5]

1.1.3 Các pha tinh thể lỏng

Dựa trên trật tự sắp xếp phân tử và tính đối xứng trong cấu trúc, tinh thể lỏng được phân làm 3 pha: smetic, nematic và cholesteric

Pha nematic là loại tinh thể lỏng duy nhất được sử dụng trong màn hình LCD Ở nhiệt độ cao, các phân tử tinh thể lỏng có xu hướng định hướng ngẫu nhiên, tạo thành một chất lỏng đẳng hướng Tuy nhiên, với hình dạng thon dài, dưới điều kiện thích hợp, các phân tử này có thể sắp xếp theo một trật tự định hướng, được gọi là tinh thể lỏng nematic Điều này có nghĩa là các phân tử không có trật tự vị trí nhưng lại có xu hướng hướng theo một hướng nhất định (dọc theo đường chuẩn) Mặc dù các phân tử vẫn có thể di chuyển trong chất lỏng, nhưng sự định hướng của chúng vẫn được duy trì.

Hình 1.7 Giản đồ của pha nematic [5]

Tinh thể lỏng là các chất có tính dị hướng, với các tính chất vật lý thay đổi theo sự sắp xếp trung bình của các phân tử Khi sự sắp xếp này lớn, chất sẽ thể hiện tính dị hướng rõ rệt, trong khi sự sắp xếp nhỏ sẽ khiến chất gần như đẳng hướng.

Nematic thuận một bên là một loại đặc biệt của tinh thể lỏng nematic, nổi bật với khả năng phản xạ có chọn lọc một thành phần của ánh sáng phân cực tròn Thuật ngữ này thường được thay thế bằng cholesteric.

Tên gọi "smetic" có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, mang nghĩa là xà phòng Sự mơ hồ về nguồn gốc này được lý giải bởi chất liệu dày, trơn thường xuất hiện dưới đáy đĩa xà phòng, thực chất là một loại tinh thể lỏng smetic.

Trạng thái smetic là một meso pha riêng biệt của tinh thể lỏng, trong đó các phân tử thể hiện mức độ trật tự tịnh tiến cao hơn so với pha nematic Các phân tử trong trạng thái smetic có xu hướng tự sắp thẳng hàng theo các lớp hoặc mặt phẳng, với chuyển động bị hạn chế bên trong các mặt phẳng này Sự tách biệt giữa các mặt phẳng cho phép chúng chảy qua nhau, tạo ra trật tự cao hơn, khiến trạng thái smetic giống chất rắn hơn so với nematic.

Người ta quan sát thấy có 12 biến thể của trạng thái smetic và có 3 biến thể điển hình là : smetic-A, smetic-B, smetic-C

Trong pha smetic-A, đường chuẩn vuông góc với mặt phẳng smectic mà không có trật tự vị trí đặc biệt nào trong lớp Pha smetic-B cũng có đường chuẩn vuông góc với mặt phẳng smectic, nhưng các phân tử được sắp xếp thành một mạng lục giác bên trong lớp Trong khi đó, pha smetic-C có sự sắp xếp tương tự như pha smetic-A, nhưng đường chuẩn nghiêng một góc không đổi theo phương pháp tuyến với mặt phẳng smetic.

Hình 1.8 Giản đồ pha smetic [6]

Không chỉ có trật tự định hướng, mà còn có trật tự về vị trí trong tinh thể lỏng, được gọi là tinh thể lỏng smetic Trong loại tinh thể lỏng này, các khối tâm phân tử sắp xếp thành các lớp, và chuyển động của chúng chủ yếu bị hạn chế bên trong các lớp Pha cholesteric cũng là một dạng của tinh thể lỏng, thể hiện các đặc điểm riêng biệt trong cấu trúc và tính chất.

Pha tinh thể lỏng cholesteric hay nematic thuận một bên bao gồm các phân tử nematic mesogenic với một tâm thuận một bên, tạo ra lực liên phân tử khiến các phân tử sắp xếp ở góc nghiêng Kết quả là hình thành cấu trúc như chồng lớp kiểu nematic 2D, trong đó các đường chuẩn ở từng lớp xoắn so với đường chuẩn của các lớp trên và dưới Cấu trúc này tạo ra một kiểu xoắn ốc liên tục xung quanh.

Hình 1.9 Cấu trúc xoắn ốc của pha cholesterol [6]

Pha cholesteric có đặc điểm quan trọng là bước xoắn, được định nghĩa là khoảng cách cần thiết cho đường chuẩn quay một vòng theo hình xoắn ốc Cấu trúc xoắn ốc này có khả năng phản xạ ánh sáng với bước sóng tương ứng, dẫn đến việc một màu sắc nhất định sẽ được phản xạ khi bước xoắn phù hợp với bước sóng ánh sáng trong phổ khả kiến Hiệu ứng này phụ thuộc vào nhiệt độ, khi sự thay đổi trong định hướng đường chuẩn giữa các lớp liên tiếp làm biến đổi bước xoắn và từ đó thay đổi bước sóng ánh sáng phản xạ Tăng nhiệt độ sẽ làm tăng năng lượng nhiệt cho các phân tử, khiến góc biến đổi của đường chuẩn lớn hơn và thu hẹp bước xoắn, trong khi giảm nhiệt độ sẽ làm tăng bước xoắn của tinh thể lỏng cholesteric Kết quả là, có thể chế tạo nhiệt kế tinh thể lỏng để phản ánh nhiệt độ môi trường xung quanh qua màu sắc phản xạ.

Hỗn hợp tinh thể lỏng được sử dụng để chế tạo cảm biến nhạy với biến đổi nhiệt độ, thường ở dạng màng mỏng Các cảm biến này phát hiện sự hỏng hóc trong mối nối bo mạch điện, theo dõi mẫu dòng chảy chất lỏng, đánh giá tình trạng pin, phát hiện bức xạ, và được ứng dụng trong các sản phẩm độc đáo như vòng “mood”.

Trong quá trình chế tạo màng mỏng, việc sử dụng tinh thể lỏng cholesteric trên nền đen có thể dẫn đến giảm chất lượng và nhiễm bẩn, do đó các tinh thể lỏng thường được vi kết nang thành các hạt nhỏ Những hạt này sau đó được xử lý bằng chất liên kết để co lại, nhờ vào quá trình lưu hóa, giúp kéo phẳng các vi nang và tạo ra sự sắp xếp tốt nhất cho màu sắc rực rỡ hơn Một ứng dụng của các tinh thể cholesteric kém nhạy với nhiệt độ là trong sản xuất các vật liệu như vải, búp bê, mực in và sơn.

Bước sóng của ánh sáng phản xạ có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi thành phần hóa học Cholesteric có thể bao gồm các phần tử thuận một bên riêng lẻ hoặc kết hợp với chất phụ gia Việc điều chỉnh nồng độ chất phụ gia sẽ ảnh hưởng đến tính thuận một bên và bước xoắn của vật liệu.

1.1.4 Tính chất hóa học của tinh thể lỏng

Dựa vào cơ chế điều khiển sự tổ chức có thể chia tinh thể lỏng thành hai nhóm chính: tinh thể lỏng hướng nhiệt và tinh thể lỏng lyotropic

Màn hình tinh thể lỏng

1.2.1 Khái niệm và lịch sử phát triển của màn hình tinh thể lỏng

Màn hình tinh thể lỏng (LCD) là thiết bị hiển thị được cấu tạo từ các tế bào chứa tinh thể lỏng, có khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng Nhờ vào sự kết hợp với các kính lọc phân cực, màn hình này có thể điều chỉnh cường độ ánh sáng truyền qua, mang lại hình ảnh sắc nét và sống động.

Giữa năm 1964 và 1968, tại trung tâm nghiên cứu RCA Sarnoff David ở Princeton, New Jersey, một nhóm kỹ sư và nhà khoa học do George Heilmeier dẫn đầu đã phát minh ra phương pháp kiểm soát điện tử ánh sáng phản xạ từ tinh thể lỏng Phát minh này đã tạo ra một ngành công nghiệp toàn cầu, sản xuất hàng triệu màn hình LCD Màn hình tinh thể lỏng Heilmeier ứng dụng phương pháp tán xạ năng động (DSM), cho phép điều khiển hướng phân bố phân tử tinh thể lỏng bằng điện trường.

Năm 1972, James Fergason, chủ sở hữu công ty quốc tế Liquid Crystal ILIXCO, đã cho ra đời chiếc đồng hồ LCD hiện đại đầu tiên dựa trên sáng chế của ông.

Năm 1973, công ty Sharp sản xuất ra máy tính bỏ túi sử dụng màn hình DSM LCD

Năm 1979 Walter Spear và Peter Le Comber chế tạo ra màn hình màu đầu tiên dùng công nghệ TFT LCD

Năm 1985, Sheiko-Epson giới thiệu chiếc tivi thương mại đầu tiên sử dụng màn hình màu LCD nhưng lúc này chúng chỉ có 2inch đường chéo

Vào năm 1992, Sharp đã giới thiệu màn hình TFT LCD đa phương tiện đầu tiên với kích thước 16.5 inch Từ đó đến nay, màn hình LCD đã dần thay thế màn hình CRT, với kích thước, cấu tạo và chất lượng ngày càng được cải thiện và nâng cao.

1.2.2 Các đặc tính kỹ thuật

Chất lượng hình ảnh trên màn hình phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật, trong đó thời gian đáp ứng là một yếu tố quan trọng cần được chú ý.

Thời gian đáp ứng là một yếu tố quan trọng khi chọn mua màn hình, thể hiện khoảng thời gian mà một điểm ảnh chuyển từ màu đen sang màu trắng và trở lại màu đen Tốc độ chuyển đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tái hiện hình ảnh trên màn hình; thời gian đáp ứng nhanh giúp giảm hiện tượng bóng mờ, đặc biệt trong phim và game, điều thường gặp ở các màn hình có thời gian đáp ứng chậm.

Thời gian đáp ứng, được đo bằng mili giây (ms), là chỉ số quan trọng cho thấy tốc độ chuyển động của màn hình; giá trị này càng nhỏ thì thời gian chuyển động càng nhanh Thông thường, màn hình có thời gian đáp ứng thấp sẽ có giá cao hơn.

Cấu trúc của màn hình LCD, Plasma, và CRT xác định số điểm ảnh hiển thị đồng thời, với hình ảnh sắc nét nhất khi ở độ phân giải thực Độ phân giải thực là số điểm ảnh theo hàng ngang và hàng dọc trong ma trận hiển thị Khi điều chỉnh về độ phân giải thấp hơn, màn hình sẽ co nhỏ hoặc thực hiện ngoại suy, dẫn đến chất lượng hình ảnh kém hơn Độ tương phản, một yếu tố marketing quan trọng, là sự khác biệt giữa mức sáng nhất (màu trắng) và tối nhất (màu đen) của màn hình; độ tương phản cao hơn cho màu sắc trung thực hơn, với tiêu chuẩn cho model cấp thấp thường là 700:1, trong khi các chuyên gia khuyến cáo nên đạt 1000:1 hoặc cao hơn.

Cường độ sáng của màn hình LCD, đo bằng đơn vị Cd/m², thể hiện mức độ chiếu sáng của ánh sáng nền phía sau lớp hiển thị Cường độ sáng này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm mạch cao áp, bóng cao áp, phần dẫn sáng và tán xạ ánh sáng.

Cường độ sáng cao mang lại màn hình sáng hơn và màu sắc rực rỡ, trung thực, nhưng đồng thời cũng làm tăng công suất tiêu thụ của thiết bị.

Màn hình CRT cho phép người dùng nhìn từ nhiều góc độ, trong khi màn hình LCD gặp khó khăn trong vấn đề này Góc nhìn là yếu tố quan trọng khi nhiều người cùng xem một màn hình Với màn hình LCD, hình ảnh có thể bị biến đổi theo góc nhìn và khoảng cách, dẫn đến hiện tượng mờ, biến mất hoặc thay đổi màu sắc Nguyên nhân là do màn hình LCD sử dụng tấm phim để tạo ra hình ảnh, mà màu sắc chỉ được thể hiện chính xác khi nhìn thẳng vào màn hình.

Màn hình được đánh giá qua góc nhìn rộng nhất trước khi hình ảnh bắt đầu mờ hoặc thay đổi màu sắc, với góc nhìn 180 độ cho phép hình ảnh rõ ràng từ mọi góc độ Hầu hết các màn hình hiện nay có góc nhìn tối thiểu là 10 độ theo phương ngang và 120 độ theo phương dọc Góc nhìn càng rộng càng mang lại sự thuận lợi cho người sử dụng.

Hai kiểu giao tiếp thông dụng hiện nay giữa màn hình máy tính và máy tính là D-Sub và DVI

D-Sub là kiểu truyền theo tín hiệu tương tự, tất cả các màn hình CRT và nhiều loại màn hình sử dụng loại giao tiếp này

DVI là giao thức truyền tín hiệu số phổ biến, được sử dụng chủ yếu trên các màn hình LCD hiện nay, trong khi một số màn hình vẫn sử dụng D-sub Giao thức DVI mang lại chất lượng hình ảnh vượt trội hơn so với D-sub Tuy nhiên, để sử dụng DVI, bo mạch đồ họa cần hỗ trợ chuẩn này; hầu hết các bo mạch đồ họa rời đều có cổng DVI, trong khi bo mạch đồ họa tích hợp trên bo mạch chủ thường không hỗ trợ chuẩn này.

Trên các màn hình cao cấp và tivi LCD, giao tiếp HDMI thường được sử dụng để truyền tải phim ảnh và game có độ nét cao (chuẩn HD, độ phân giải 1920*1080) HDMI là chuẩn giao tiếp cho độ phân giải cao, cho phép kết nối với các đầu đọc hỗ trợ HDMI, giúp người dùng xem được các đĩa HD-DVD và DVD-9 Thực tế, HDMI được xem là chuẩn DVI với những tính năng nâng cao.

- Âm thanh: tối đa 8 kênh âm thanh không nén

- Hỗ trợ giải màu YUV

Vậy nên ưu điểm lớn nhất của HDMI là tích hợp tín hiệu âm thanh và cho hình ảnh rõ nét g Tuổi thọ màn hình

Tuổi thọ của màn hình được xác định bởi thời gian sử dụng cho đến khi độ sáng của đèn nền giảm xuống còn 50% so với mức ban đầu Màn hình LCD thường có tuổi thọ cao hơn so với màn hình CRT, với tuổi thọ trung bình của màn hình LCD khoảng 50.000 giờ, trong khi màn hình CRT chỉ đạt từ 15.000 đến 20.000 giờ Vì vậy, việc sử dụng màn hình LCD là lựa chọn kinh tế hơn trong dài hạn.

Phân loại màn hình tinh thể lỏng

Màn hình tinh thể lỏng (LCD) được phân loại thành hai loại chính: ma trận thụ động và ma trận chủ động, dựa trên cấu tạo Mỗi điểm ảnh trên bảng điều khiển màu sắc của LCD được tạo thành từ ba ô tinh thể lỏng, với ánh sáng trắng chiếu qua được lọc để tạo ra màu sắc mong muốn Mặt trước của màn hình được phủ lớp chất lọc màu, và mỗi điểm ảnh phụ (subpixel) có thể được điều khiển riêng biệt bằng điện áp Ví dụ, một panel chuẩn SXGA 1280x1024 có khoảng 4 triệu điểm phụ, và nếu có 7 điểm chết, tỷ lệ điểm chết chỉ là 0.0018% trên tổng số 4 triệu subpixel Màn hình LCD có thể được chia thành nhiều loại khác nhau.

1.3.1 LCD ma trận thụ động

Màn hình LCD sử dụng công nghệ ma trận thụ động như DSTN và CSTN trong máy tính xách tay thường có hình ảnh không sắc nét và góc nhìn hạn chế so với các màn hình Active.

LCD ma trận thụ động có tốc độ phản hồi tín hiệu chậm, khoảng 300ms, dẫn đến hiện tượng xuất hiện các điểm sáng xung quanh khu vực được kích hoạt, gây ra tình trạng hình ảnh bị nhòe.

Vào cuối năm 1990, Toshiba và Sharp đã phát triển màn hình LCD HPD (Hybrid passive display) nhằm cải thiện tốc độ thời gian đáp ứng và độ tương phản, mặc dù giá thành có tăng nhẹ Mặc dù tính dẻo của tinh thể lỏng giảm, HPD vẫn cung cấp chất lượng hình ảnh tốt hơn so với DSTN, với độ tương phản đạt từ 40:1 đến 50:1 và cải thiện nhiễu xuyên âm Trong khi đó, Sharp và Hitachi đã cải tiến thuật toán phân tích tín hiệu đầu vào để khắc phục hạn chế của DSTN LCD, nhưng kết quả vẫn chưa đạt được sự đột phá đáng kể.

1.3.2 LCD ma trận chủ động

Màn hình LCD ma trận chủ động sử dụng công nghệ ma trận transistor phiến mỏng TFT LCD, mang lại thời gian đáp ứng nhanh và chất lượng hình ảnh vượt trội so với DSTN LCD Mỗi điểm ảnh được điều khiển độc lập bởi một transistor riêng biệt, cho phép thay đổi trạng thái của từng điểm ảnh một cách đồng thời, đồng thời khắc phục hiện tượng bóng ma thường gặp Với công nghệ TFT, thời gian đáp ứng chỉ còn 25ms, độ tương phản đạt 400:1 và độ sáng lên tới 250cd/m².

Các thành phần tinh thể lỏng trong mỗi pixel được sắp xếp ở trạng thái bình thường khi không có điện áp, cho phép ánh sáng đi qua bộ lọc phân cực và màn hình Khi có điện áp, các tinh thể lỏng xoắn 90 độ, thay đổi phân cực và ngăn ánh sáng đi qua Các transistor điều khiển độ xoắn và điều chỉnh cường độ màu đỏ, xanh lục, xanh lơ để hiển thị các điểm ảnh trên màn hình.

Màn hình TFT mỏng hơn màn hình LCD thông thường, cung cấp độ sáng cao hơn và có tần số làm tươi tương đương với màn hình CRT, nhanh gấp 10 lần so với màn hình DSTN hiện tại.

Việc sản xuất một tấm Panel TFT hoàn hảo, không có bất kỳ transistor nào bị hỏng, là một thách thức lớn, dẫn đến chi phí sản xuất cao hơn so với tấm DSTN Do đó, màn hình TFT thường có một số pixel bị lỗi, và mỗi nhà sản xuất sẽ công bố số điểm lỗi tối đa cho sản phẩm của họ.

Có hai điểm lỗi mà những pixel của màn hình TFT bị thiếu sót:

Điểm Pixel ánh sáng xuất hiện ngẫu nhiên dưới dạng các chấm màu đỏ, xanh lục hoặc xanh lơ 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

Trước đây, lỗi phổ biến trên màn hình thường xảy ra do transistor tại vị trí bị hỏng, dẫn đến tình trạng ngắn mạch và khiến pixel sáng (đỏ, xanh lục hoặc lơ) Tuy nhiên, những transistor hỏng này không thể sửa chữa sau khi sản phẩm đã được lắp ráp Giải pháp duy nhất là ngắt kết nối các transistor hỏng bằng tia laser, tạo ra những điểm đen trên nền trắng tại các vị trí đó.

Nhà sản xuất sẽ công bố số lượng điểm pixel bị hỏng tối đa trên tấm panel của họ để người dùng dễ dàng chấp nhận Chẳng hạn, với màn hình có độ phân giải 1024x768, tương đương 2.359.296 transistor, nếu có 20 pixel bị lỗi, tỷ lệ này chỉ chiếm 0.0008%.

Các hệ thống hiển thị

Các ký tự, chữ số và đồ họa được hiển thị cơ bản dựa theo 3 phương pháp:

Hiển thị độ dài sắp xếp theo dạng hình số “8” để hiển thị số

Hình 1.21 Hiển thị thanh đoạn [7]

- Hệ thống ma trận điểm hiển thị ký tự

Hiển thị sắp xếp theo các hàng và các cột để hiển thị ký tự

Hình 1.24 Hiển thị ký tự [7]

- Hiển thị ma trận điểm

Hiển thị sắp xếp theo các hàng và cột để hiển thị đồ họa

Hình 1.25 Hiển thị ma trận điểm[7]

Nguyên lý hiển thị màu:

Màu sắc được tạo ra thông qua các bộ lọc màu dành cho từng thành phần hiển thị Trong hệ thống ma trận điểm, các điểm màu đỏ, xanh lục và xanh lam được hình thành nhờ bộ lọc màu Ba màu cơ bản này kết hợp với nhau để tạo ra một điểm ảnh, mỗi điểm màu mang lại một cường độ sáng khác nhau Một điểm ảnh có khả năng tạo ra vô số màu sắc, được tổng hợp từ ba màu cơ bản.

Kết luận chương 1

Tinh thể lỏng, được phát hiện bởi nhà sinh vật học người Áo Friedrich Reinitzer vào năm 1988, có đặc tính kết hợp giữa chất rắn và chất lỏng Chúng được chia thành ba loại: nematic, smetic và cholesteric Tinh thể lỏng có thể được tạo ra bằng cách tăng nhiệt độ của chất rắn và giảm nhiệt độ của chất lỏng Chúng rất nhạy cảm với từ trường và điện trường, có khả năng thay đổi phương phân cực của ánh sáng Nhờ vào những đặc tính này, tinh thể lỏng đã được ứng dụng để phát triển màn hình tinh thể lỏng LCD.

Công nghệ LCD, với những ưu điểm nổi bật như thời gian đáp ứng nhanh và độ phân giải cao, đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong thị trường màn hình, thay thế công nghệ CRT lỗi thời Đây là công nghệ màn hình thế hệ thứ 2, đáp ứng nhu cầu thiết yếu của người dùng trong bối cảnh tiến bộ công nghệ ngày càng nhanh chóng.

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LCD

Sơ đồ khối màn hình tinh thể lỏng LCD

Hình 2.1 Sơ đồ khối màn hình tinh thể lỏng LCD [8].

Chức năng các khối trong màn hình LCD

Khối nguồn của màn hình LCD có chức năng cung cấp các điện áp DC ổn định cho các bộ phận [8]:

- Điện áp 12V cung cấp cho khối cao áp

- Điện áp 5V cung cấp cho vi xử lý và các IC nhớ

- Điện áp 3.3V cung cấp cho mạch sử lý tín hiệu video

Khối nguồn có thể được tích hợp trong máy cũng có thể được thiết kế ở dạng Adapter bên ngoài rồi đưa vào máy điện áp 12V-20V DC

Khối vi xử lý có chức năng điều khiển các hoạt động chung của máy, bao gồm:

- Điều khiển tắt mở nguồn

- Điều khiển tắt mở khối cao áp

- Điều khiển thay đổi độ sáng, độ tương phản

- Xử lý các lệnh từ phím bấm

- Xử lý và điều khiển các chế độ hiển thị OST

- Tích hợp mạch xử lý xung đồng bộ

Nguồn cấp cho khối có điện áp 3.3V hoặc 5V

Khối này có chức năng chuyển đổi các tín hiệu hình ảnh R,G,B từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số rồi cung cấp cho các mạch scaling

Bảng mạch bao gồm các thành phần chính như IC giao tiếp (Scalar), MCU (microcontroller unit), EEPROM, thạch anh, và mạch ổn áp, cùng với một số linh kiện dán Các mạch ổn áp trên bo mạch cung cấp nguồn 2.5V, 3.3V và 5V, đồng thời còn có các đường tín hiệu khác như chế độ không hiển thị (no display) và tự động cân chỉnh.

2.2.4 Khối Scaling Đây là khối xử lý tín hiệu chính của máy, khối này sẽ phân tích tín hiệu video thành các điện áp để đưa lên điều khiển các điểm ảnh trên màn hình Đồng thời nó tạo ra tín hiệu pixel clock

2.2.5 Mạch xử lý tín hiệu vi phân điện áp thấp (LVDS) Đây là mạch xử lý tín hiệu vi phân điện áp thấp, mạch thực hiện đổi tín hiệu ảnh số thành điện áp đưa lên điều khiển các điểm ảnh trên màn hình, tạo tín hiệu quét ngang và quét dọc trên màn hình Mạch này thường gắn liền với đèn hình

2.2.6 LCD panel Đây là toàn bộ phần hiển thị LCD và các lớp tạo ánh sáng nền của đèn hình Phần hiển thị LCD sẽ tái tạo lại ánh sáng cho các điểm ảnh, sau đó sắp xếp chúng lại theo trật tự ban đầu để tái tạo hình ảnh ban đầu Phần tạo ánh sáng nền sẽ tạo ra ánh sáng để chiếu lớp hiển thị

Có 2 kiểu dòng sản phẩm sử dụng 2 công nghệ khác nhau: LCD ma trận thụ động và LCD ma trận chủ động sử dụng điện cực điều khiển bằng một loại ma trận transistor phiến mỏng Do loại thứ 2 phổ biến hơn nhờ có thời gian đáp ứng nhanh và chất lượng vượt xa DSTN LCD nên ở đây ta chỉ nghiên cứu loại này

Hình 2.2 Sơ đồ các bộ phận của panel LCD

Các bộ phận chính của màn hình TFT LCD:

- Khung cơ khí (Mechanical frame)

- Mạch điều khiển (Controller Board)

- Cầu ghép nối thông tin (TCP – Tape Carrier Package)

- Ghép nối băng từ tự động (TAB – Tape Automatic Bonding)

- Chỗ để đèn nền (Backlight)

- Màn khuếch tán (Diffuser film)

- Tấm dẫn sáng (Light Guide Plate)

- Màn phản xạ (Reflector) a Khung cơ khí

Khung cơ khí là giá đỡ của panel, đồng thời làm giảm hiện tượng nhiễu điện từ gây ra từ bên ngoài b Mạch điều khiển

Chức năng của mạch điều khiển là nhận thông tin từ mạch chủ (Main Board) để điều khiển điểm ảnh trên màn hình, bao gồm việc bật hoặc tắt chúng thông qua các transistor dòng và cột Các transistor này được điều khiển bởi IC điều khiển, thông qua tín hiệu số phát ra từ IC điều khiển LCD (LCD Driver IC’s).

Là cầu nối giữa màn hình LCD với modun điều khiển màn hình Trên mỗi TCP có các IC chạy d Ghép nối băng từ tự động (TAB)

TAB là phần kết nối quan trọng giữa màn hình và IC trên TCP, sử dụng thanh đồng thay vì dây dẫn Đèn nền được đặt ngay sau màn hình để cung cấp ánh sáng, trong khi tấm phân cực giúp cải thiện chất lượng hình ảnh.

Tấm phân cực là một màng mỏng cho phép ánh sáng đi qua theo một hướng nhất định, bao gồm hai lớp phân cực dọc và ngang, cùng với bộ lọc màu, tinh thể lỏng và lớp transistor phiến mỏng (TFT) Khi có hiệu điện thế, tinh thể lỏng sắp xếp theo trật tự nhất định, tạo ra cường độ ánh sáng khác nhau Công nghệ TFT phân biệt giữa các loại màn hình, với mỗi điểm ảnh được điều khiển bởi một transistor riêng, đặc biệt là trong màn hình màu.

Màn hình TFT sử dụng ba transistor cho mỗi điểm ảnh, với mỗi transistor đại diện cho một màu cơ bản Thực chất, màn hình là tập hợp các hình chữ nhật được cấu tạo từ nhiều transistor dạng lớp mỏng.

Màn khuếch tán được sử dụng trong cấu tạo của LCD panel để chắc chắn rằng ánh sáng được chiếu đồng bộ khắp màn hình h Tấm dẫn sáng

Phân phối ánh sáng từ đèn backlight i Màn phản xạ

Nhận ánh sáng từ đèn backlight, hướng ánh sáng nhận được vào tấm dẫn sáng.

Các mạch điện cơ bản trong màn hình LCD

Hình 2.3 Sơ đồ khối của mạch nguồn [8]

Các mạch trong khối nguồn:

Mạch lọc nhiễu có vai trò quan trọng trong việc loại bỏ nhiễu cao tần bám theo đường dây điện, ngăn chặn chúng xâm nhập vào nguồn xung và gây hư hỏng linh kiện cũng như làm nhiễu hình ảnh trên màn hình Các nguồn nhiễu phổ biến bao gồm nhiễu từ sấm sét, nhiễu công nghiệp và nhiễu từ các thiết bị phát ra xung điện.

Mạch chỉnh lưu và lọc sử dụng diode hình cầu để chuyển đổi điện áp 220V AC thành 300V DC cho nguồn xung Một số thiết bị có mạch chỉnh lưu tự động nhân đôi, cho phép nhận được 300V DC ngay cả khi sử dụng nguồn 110V AC Tụ lọc nguồn chính giúp tạo ra điện áp DC ổn định và phẳng.

Mạch dao động có vai trò quan trọng trong việc tạo ra xung dao động cao tần, giúp điều khiển đèn Mosfet ngắt mở, từ đó tạo ra dòng điện biến thiên chạy qua cuộn biến áp xung.

Mạch hồi tiếp có nhiệm vụ lấy mẫu điện áp đầu ra và tạo ra điện áp sai lệch hồi tiếp cho mạch dao động, nhằm tự động điều khiển hoạt động của đèn công suất Điều này giúp duy trì điện áp ra ổn định ngay cả khi điện áp vào hoặc dòng tiêu thụ thay đổi.

Đèn công suất hoạt động bằng cách ngắt mở dưới sự điều khiển của xung dao động, tạo ra dòng điện sơ cấp chạy qua biến áp xung Khi nguồn dao động sử dụng kiểu dao động nghẹt, đèn công suất sẽ tham gia vào quá trình dao động; ngược lại, nếu nguồn sử dụng dao động đa hài, đèn sẽ không tham gia dao động.

Biến áp xung là thiết bị điện bao gồm cuộn sơ cấp, cuộn hồi tiếp và cuộn thứ cấp, giúp điều khiển điện áp và cung cấp nhiều mức điện áp khác nhau theo yêu cầu.

- Mạch khử từ: có chức năng khử từ dư trên đèn hình Mạch này không ảnh hưởng đến sự hoạt động của nguồn

Mạch bảo vệ đầu vào giúp bảo vệ mạch nguồn khỏi hư hỏng do điện áp quá cao bằng cách sử dụng một diode bảo vệ có khả năng chịu đựng tối đa 300V Khi điện áp đầu vào vượt quá 300V, diode sẽ bị chập và cầu chì sẽ ngắt điện, đảm bảo an toàn cho hệ thống.

Hình 2.4 Bộ nguồn trên Monitor LCD ACER [7]

Khối nguồn LCD hoạt động dựa trên nguyên lý nguồn xung, sử dụng cặp IC dao động và đèn công suất Mosfet Nguồn được chia thành hai phần: sơ cấp và thứ cấp, với điện áp chênh lệch khoảng 300V Phần sơ cấp có cảnh báo “nguy hiểm” khi chạm vào, trong khi phần thứ cấp được nối với mass của máy.

Khối vi xử lý điều khiển các IC ADC, IC scaler, ROM và RAM, đồng thời giao tiếp với người sử dụng qua các nút điều khiển Chương trình điều khiển này được lưu trữ trong Flash Rom.

Hình 2.5 Sơ đồ khối mạch vi xử lý [4]

Video processor: bộ xử lý video

Power supply: nguồn cung cấp

Brightness control: điều khiển độ sáng

Contrast control: điều khiển độ tương phản

Nguồn cấp cho khối thường có điện áp 3.3V hoặc 5V

Lệnh từ bàn phím được nhận dưới dạng điện áp tương tự, sau đó được chuyển đổi thành dạng số thông qua mạch ADC, cung cấp thông tin cho khối xử lý lệnh bên trong MCU.

Clock in: xung nhịp điều khiển hoạt động của khối MCU

Data: dữ liệu giao tiếp EEprom

Các đường Data, Clock điều khiển khối xử lý hình ảnh

Power on: lệnh mở nguồn, xuất phát từ MCU để mở nguồn cho máy

Reset: xung lệnh bên ngoài tác động MCU để khởi động MCU

Brightness control: lệnh điều chỉnh độ sáng, từ MCU đến mạch cao áp để chỉnh độ sáng của đèn

Hình 2.6 Sơ đồ khối mạch cao áp [4]

Full-Bridge Switching: hở mạch toàn cầu Feed back: hồi tiếp

Transformer: biến áp Lamp: đèn công suất Detection: dò tìm Chức năng các khối trong bo mạch cao áp:

- Regulator: khối này làm nhiệm vụ ổn áp nguồn 12V thành 5V cung cấp cho IC Inventor control

- ON/OFF: lệnh mở nguồn từ vi xử lý trên main board đưa tới điều khiển IC Inventor Controller tác động đến khối Enable

- Brightness Control: Từ vi xử lý đưa tới khối Dimming control để hạn chế ánh sáng

- Fullbridge Switching: ngắt mở cầu Fullbridge được điều khiển bởi khối Output Driver, cầu này có thể sử dụng Mosfet hoặc Transistor

- Tranformer Switching: biến áp ngắt mở Fullbridge

- Detection: tách dò tác động đến khối bảo vệ (rotection) bên trong IC

- Feedback: cảm nhận từ mạch Lamp đưa về tác động đến khối Relugation để ổn áp và phân chia điện áp lại (ginition)

- Mạch OSC: xác lập tần số hoạt động

- SST (soft start): khởi động mềm cho IC Inventor Controller

- Lamp CCFL: đèn huỳnh quang cathode lạnh Ở các LCD đời mới, bo cao áp nằm chung với bo nguồn

Hình 2.7 Bo mạch cao áp [14]

Khối cao áp chuyển đổi điện áp 12V DC thành nguồn điện cao áp từ 600-1000V AC để cung cấp ánh sáng cho bóng cao áp trên đèn hình, tạo ra ánh sáng nền cho lớp hiển thị Mỗi mạch cao áp được cấp cho từng bóng riêng biệt, phù hợp với LCD có 2 hoặc 4 bóng.

Vin (12V-20V) là nguồn điện áp chính cung cấp cho mạch cao áp, được lấy từ nguồn đầu vào của thiết bị Các màn hình LCD từ 20 inch trở lên thường sử dụng nguồn 24V, trong khi laptop thường sử dụng nguồn 5V.

- On/Off: thường 3.3V là On và 0V là Off

- ADJ: dùng để điều chỉnh sáng tối

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch cao áp

Khi có điện áp Vin cấp cho mạch cao áp, điện áp Vin đi qua cầu chì F1

Để bảo vệ mạch khi xảy ra quá dòng, điện áp V in được cung cấp trực tiếp cho tầng công suất và chân D của các đèn công suất Q3 và Q5 Đồng thời, điện áp V in cũng được mạch ổn áp Q2 giảm xuống còn 5V để cấp nguồn cho IC dao động qua chân Vcc.

Lệnh On/Off điều khiển chân En (Enable) của IC; khi lệnh ở mức cao (3.3V), IC hoạt động và phát ra xung điện tại các chân DRV_A, DRV_B, DRV_C, DRV_D Các chân này dao động với điện áp khoảng 2-3V, sau đó được đưa vào chân G của các đèn Mosfet ngược, tạo ra điện áp UGS khoảng 2-3V.

Các đèn Mosfet thuận Q3 và Q5 được phân cực bởi diode zener DZ1,

DZ2 và ngăn với IC bởi các tụ C1, C2 nhằm tạo ra điện áp chênh lệch UGS khoảng 2-3V như đèn Mosfet ngược

Trong quá trình hoạt động, các đèn công suất được điều khiển theo từng cặp, với Q3 mở và Q4 đóng, dẫn đến Q5 đóng và Q6 mở Dòng điện từ Vin đi qua đèn Q3, nạp xả qua C3, tiếp tục qua cuộn biến áp 1-2, rồi đi qua Q6 và trở về mass Ở chu kỳ tiếp theo, Q3 đóng, Q4 mở, Q5 mở và Q6 đóng, khiến dòng điện đi từ Vin qua đèn Q5, tiếp tục qua cuộn biến áp 2-1, rồi qua đèn Q4 và trở về mass.

Như vậy dòng điện đi qua cuộn sơ cấp 1-2 biến thiên và cảm ứng lên cuộn thứ cấp cho ta điện áp HV

Kết luận chương 2

Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu về cấu tạo của màn hình LCD, bao gồm các thành phần chính như mạch nguồn, mạch vi xử lý, mạch cao áp, mạch xử lý hình ảnh và mạch xử lý âm thanh Mạch nguồn cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống, trong khi mạch vi xử lý điều khiển các hoạt động và giao tiếp với người sử dụng Mạch xử lý hình ảnh kết nối card màn hình với panel LCD, và mạch xử lý âm thanh phát ra âm thanh bên ngoài Ngoài ra, màn hình LCD còn có các bộ phận khác như khối ADC và EEPROM.

MÀN HÌNH SAMSUNG 740N VÀ SO SÁNH MỘT SỐ CÔNG NGHỆ MÀN HÌNH