Công nghệ màn hình tinh thể lỏng (Phần 1)

Công nghệ màn hình tinh thể lỏng (LCD), với yêu cầu tương đối thấp hơn về chế tạo thiết bị và hiệu quả chi phí cao, tiếp tục thống trị thị trường chính về doanh số bán tấm màn hình. LCD là loại màn hình thụ động, thiết bị bao gồm hai mô-đun chính: tấm tinh thể lỏng và mô-đun đèn nền. Mô-đun đèn nền phát ra nguồn sáng trắng, sau đó được điều chỉnh màu sắc và độ sáng tại mỗi điểm ảnh bởi tấm tinh thể lỏng, cuối cùng hiển thị hình ảnh màu chuyển động.

Mô-đun đèn nền được cấu tạo từ các hạt LED và màng quang học. Nguồn sáng điểm từ các đèn LED được khuếch tán và đồng nhất hóa bởi màng quang học để tạo thành nguồn sáng bề mặt đồng đều chiếu sáng tấm tinh thể lỏng. Nguồn sáng trắng là hỗn hợp của ba màu cơ bản: đỏ, xanh lá cây và xanh dương. Sau khi đi qua tấm tinh thể lỏng, các màu sắc và độ sáng cụ thể được hình thành thông qua hoạt động kết hợp của các công tắc tinh thể lỏng tương ứng với mỗi ô điểm ảnh phụ. Toàn bộ tấm nền 4K, bao gồm khoảng 24,88 triệu ô điểm ảnh phụ, tạo thành một khung hình.

Cấu trúc của tấm tinh thể lỏng được thể hiện trong hình dưới đây. Ngoài các chất nền thủy tinh mang các lớp màng chức năng khác nhau, các lớp từ dưới lên trên bao gồm: lớp phân cực dưới, mạch điều khiển Transistor màng mỏng (TFT), lớp tinh thể lỏng, bộ lọc màu (CF) và lớp phân cực trên.

Như tên gọi cho thấy, tinh thể lỏng là các chất kết tinh có tính chất giống chất lỏng, sở hữu cả đặc tính chảy của chất lỏng và đặc tính vectơ của tinh thể, mang lại cho chúng những đặc tính cơ học, quang học và điện học độc đáo. Như hình ảnh dưới đây cho thấy, tấm tinh thể lỏng, thông qua sự phối hợp giữa các tinh thể lỏng và các bộ phân cực trên và dưới, thực hiện các thao tác chuyển mạch và làm mờ ánh sáng chiếu vào từ đèn nền, tạo ra các mức độ sáng khác nhau (màu xám). Kết hợp với chức năng của bộ lọc màu, các màu sắc và mức độ sáng khác nhau được tạo ra.

Vậy, những thay đổi nào xảy ra khi đèn nền chiếu vào tấm nền tinh thể lỏng?

Đầu tiên, lớp dưới và lớp trên của tấm tinh thể lỏng được trang bị các bộ phân cực định hướng vuông góc với nhau. Sau đó, khu vực này được chia thành vô số ô theo độ phân giải pixel. Mỗi pixel được chia nhỏ thành các ô phụ pixel màu đỏ, xanh lá cây và xanh dương. Mỗi ô, từ dưới lên trên, được trang bị một điện cực độc lập, lớp tinh thể lỏng và lớp lọc màu. Các bộ phân cực trên và dưới, cùng với tinh thể lỏng, tạo thành một "cổng" điều khiển trạng thái bật/tắt truyền ánh sáng cho ô đó, cũng như cường độ ánh sáng truyền qua. Các cường độ ánh sáng khác nhau truyền qua ba ô phụ pixel, sau khi đi qua các bộ lọc màu đỏ, xanh lá cây và xanh dương, trộn lẫn theo tỷ lệ khác nhau để tạo thành màu sắc và độ sáng hiển thị của pixel.

Vậy, cổng kết hợp này hoạt động như thế nào?

Ánh sáng nền, tương tự như ánh sáng tự nhiên, là một sóng điện từ ngang. Hướng dao động của các hạt vuông góc với hướng truyền sóng, có nghĩa là hướng dao động của ánh sáng luôn nằm trong mặt phẳng xy, vuông góc với hướng truyền (trục z). Khi các tia sáng nền chiếu vào lớp phân cực dưới của tấm tinh thể lỏng, chỉ có ánh sáng dao động cùng hướng với lưới phân cực (hướng trục y) mới có thể đi qua, trở thành ánh sáng phân cực tuyến tính truyền theo một hướng dao động cụ thể. Như thể hiện trong Hình 3, khi điện cực pixel trên chất nền TFT không được cấp điện, ánh sáng phân cực đi qua lớp tinh thể lỏng và lớp CF mà không thay đổi hướng dao động, và đến lớp phân cực trên. Tuy nhiên, hướng lưới của lớp phân cực trên vuông góc với trục y (hướng trục x). Do đó, ánh sáng phân cực dao động theo hướng trục y không thể đi qua lớp phân cực trên, dẫn đến trạng thái tối khi quan sát từ phía trước màn hình.

Khi điện cực của mạch TFT được cấp điện, các phân tử tinh thể lỏng sẽ quay. Ánh sáng phân cực phát ra từ bộ phân cực phía dưới sẽ bị xoắn hướng phân cực dưới sự dẫn hướng của các phân tử tinh thể lỏng. Với các thiết lập cụ thể về độ dày tinh thể lỏng và góc quay, hướng dao động của ánh sáng phân cực có thể được xoắn chính xác 90°. Tại thời điểm này, hướng dao động của ánh sáng phân cực trở nên song song với trục x, thẳng hàng với hướng lưới của bộ phân cực phía trên, cho phép nó đi qua. Nếu hướng dao động tạo thành một góc với hướng lưới, thành phần năng lượng của sóng ánh sáng dọc theo hướng lưới có thể đi qua bộ phân cực, và cường độ ánh sáng ban đầu bị suy giảm. Bằng cách thay đổi điện áp điện cực TFT, góc quay của tinh thể lỏng có thể được điều chỉnh, từ đó kiểm soát cường độ ánh sáng truyền qua bộ phân cực phía trên.

Đặc tính điện quang của tinh thể lỏng

Tại sao điện trường có thể làm cho tinh thể lỏng quay? Và tại sao sự quay của tinh thể lỏng lại làm thay đổi hướng dao động của ánh sáng phân cực?

Như hình minh họa bên dưới, các phân tử tinh thể lỏng có cấu trúc dạng que và sở hữu tính chất dị hướng của tinh thể. Chúng thể hiện các hiệu ứng điện quang, hằng số điện môi và chiết suất khác nhau dọc theo trục dài và trục ngắn của chúng. Chúng ta có thể tận dụng các đặc tính này để thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào mỗi ô pixel, từ đó tạo ra màu sắc và thang độ xám.

Tính dị hướng điện môi của tinh thể lỏng

--- Hằng số điện môi (ε) của các phân tử tinh thể lỏng khác nhau dọc theo trục dài và trục ngắn của chúng. Khi hằng số điện môi song song với trục dài lớn hơn hằng số điện môi vuông góc với trục dài (ε// > ε⊥), nó được gọi là tinh thể lỏng loại dương với độ dị hướng điện môi dương, thích hợp cho sự sắp xếp song song. Khi ε// < ε⊥, nó được gọi là tinh thể lỏng loại âm với độ dị hướng điện môi âm, chỉ có thể được sử dụng trong sự sắp xếp thẳng đứng để đạt được hiệu ứng điện quang mong muốn. Khi có điện trường ngoài tác dụng, hướng quay của các phân tử tinh thể lỏng—song song hay vuông góc với điện trường—được xác định bởi độ dị hướng điện môi là dương hay âm, từ đó quyết định xem ánh sáng có được truyền qua hay không. Hiện nay, các tinh thể lỏng loại VA thường được sử dụng trong TFT-LCD chủ yếu thuộc loại dị hướng điện môi âm. Khi được cấp điện, các phân tử tinh thể lỏng bị phân cực bởi điện trường ngoài, khiến trục dài của chúng nghiêng theo hướng vuông góc với điện trường. IPS thường sử dụng tinh thể lỏng loại dương, trong khi một số tấm nền ADS Pro sử dụng tinh thể lỏng loại âm.

Hiện tượng lưỡng chiết của tinh thể lỏng

--- Các phân tử tinh thể lỏng có tính lưỡng chiết và quay quang học; chiết suất (n) khác nhau dọc theo trục dài và trục ngắn. Chiết suất dọc theo trục dài là nO, và dọc theo trục ngắn là nE.

Do chiết suất khác nhau, tốc độ ánh sáng cũng khác nhau. Khi tinh thể lỏng quay, tốc độ ánh sáng dọc theo trục dài và trục ngắn khác nhau, gây ra sự chênh lệch pha giữa các tia sáng thông thường (O) và bất thường (E) đi ra so với trạng thái tới, dẫn đến hiện tượng trễ pha. Khi chùm tia sáng thoát ra khỏi tinh thể lỏng, các vectơ ánh sáng O và E kết hợp lại, tạo ra một hướng dao động mới bị xoay. Thông qua thiết kế đặc biệt về chiều dài đường truyền quang và góc quay, sự chênh lệch pha giữa các tia O và E đi ra có thể được thiết lập thành 1/2 bước sóng. Điều này làm cho pha của ánh sáng đi ra xoay 90° so với ánh sáng tới, cho phép nó đi qua bộ phân cực phía trên. Các góc quay khác nhau của tinh thể lỏng quyết định sự chênh lệch pha khác nhau giữa các tia O và E, từ đó kiểm soát cường độ của ánh sáng truyền qua.

Các loại tấm tinh thể lỏng

Dựa trên chế độ quay của tinh thể lỏng, chúng được chia thành ba loại: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) và VA (Vertical Alignment). Trong số đó, tấm nền LCD loại TN được sử dụng sớm nhất với chi phí thấp nhất. Tuy nhiên, do màu sắc chỉ có 6 bit (dải màu hẹp) và góc nhìn rất nhỏ, chúng về cơ bản đã bị loại khỏi thị trường tấm nền màn hình LCD chính thống. Màn hình LCD chính thống hiện nay chủ yếu sử dụng tấm nền IPS và VA.

Như hình minh họa, tấm nền IPS có các phân tử tinh thể lỏng được sắp xếp theo chiều ngang. Các điện cực điểm ảnh dương và âm nằm trên cùng một mặt phẳng ngang trên chất nền TFT. Khi không được cấp điện, ánh sáng phân cực đi qua bộ phân cực phía dưới sẽ đi xuyên qua tinh thể lỏng mà không thay đổi hướng phân cực. Lúc này, hướng dao động của ánh sáng phân cực vuông góc với hướng lưới của bộ phân cực phía trên, và ánh sáng không thể đi xuyên qua. Khi được cấp điện, do sự hiện diện của điện trường, các phân tử tinh thể lỏng sẽ quay trong mặt phẳng ngang (chuyển mạch trong mặt phẳng). Do hiện tượng lưỡng chiết, ánh sáng phân cực bị phân tách thành hai tia sáng có tốc độ khác nhau. Khi thoát ra khỏi tinh thể lỏng, hai ánh sáng phân cực này có sự chênh lệch pha và kết hợp lại thành một loại ánh sáng phân cực mới. Ánh sáng phân cực này sau đó đi qua bộ lọc màu, với ánh sáng từ mỗi ô điểm ảnh phụ hiển thị màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Ánh sáng phân cực xuyên qua bộ lọc màu sẽ đến bộ phân cực phía trên. Sau khi bị tinh thể lỏng xoay một góc mới, ánh sáng từ mỗi điểm ảnh phụ có một góc xoay khác nhau. Các thành phần của ánh sáng phân cực có góc khác nhau so với lưới của bộ phân cực phía trên sẽ đi qua, tạo ra các màu đỏ, xanh lá cây và xanh dương với cường độ khác nhau từ mỗi ô phụ pixel. Ba màu có cường độ khác nhau này trộn lẫn để tạo thành pixel màu mong muốn. Màu sắc từ 24.883.200 ô phụ pixel (3840 * 2160 * 3) kết hợp để tạo thành màu sắc của 8.294.400 pixel (3840 * 2160), tạo nên một khung hình của hình ảnh độ phân giải 4K. Các tinh thể lỏng, thay đổi theo điện trường ở một tần số cụ thể, liên tục thay đổi góc dao động của ánh sáng phân cực, tạo thành từng khung hình, cuối cùng đạt được khả năng hiển thị video.

Nguyên lý hoạt động của màn hình VA tương tự như màn hình IPS. Như thể hiện trong Hình 6, sự sắp xếp các phân tử tinh thể lỏng khác với màn hình IPS. Trong màn hình VA, các phân tử tinh thể lỏng được sắp xếp theo chiều dọc, và các điện cực pixel dương và âm được phân bố trên mặt phẳng trên và dưới, tạo ra điện trường theo hướng thẳng đứng.

Khi không có điện áp đặt vào các điện cực, các phân tử tinh thể lỏng được sắp xếp vuông góc với chất nền trên và dưới. Ánh sáng phân cực tuyến tính đi qua bộ phân cực phía dưới truyền song song với trục dài của các phân tử tinh thể lỏng, do đó trạng thái phân cực của nó không thay đổi và không thể đi qua bộ phân cực phía trên. Hình ảnh mà mắt người quan sát được ở trạng thái tối. Khi không có hoặc có điện áp thấp, ánh sáng phân cực truyền dọc theo trục dài của các phân tử tinh thể lỏng. Do tính lưỡng chiết của tinh thể lỏng, ánh sáng phân cực dọc theo trục dài về cơ bản không bị lệch, do đó nó không thể đi qua bộ phân cực phía trên, dẫn đến hiệu suất trạng thái tối rất đen, tỷ lệ tương phản cao và độ sắc nét hình ảnh tuyệt vời. Khi có điện áp đặt vào các điện cực, các phân tử tinh thể lỏng quay dưới tác dụng của điện trường thẳng đứng, với trục dài của chúng nghiêng theo hướng vuông góc với điện trường. Các thành phần của ánh sáng phân cực tuyến tính tới đi vào tinh thể lỏng sẽ trải qua sự trễ pha bên trong lớp tinh thể lỏng. Sau khi rời khỏi lớp tinh thể lỏng, các thành phần của ánh sáng phân cực kết hợp lại, và trạng thái phân cực của ánh sáng thay đổi. Hướng dao động của ánh sáng phân cực từ mỗi ô điểm ảnh phụ cuối cùng hoàn thành một phép đảo chiều đến các góc khác nhau theo điện áp đã thiết lập. Sau khi đi qua bộ lọc màu và bộ phân cực phía trên, các màu điểm ảnh phụ với cường độ khác nhau được thu được. Các màu điểm ảnh phụ đỏ, xanh lá cây và xanh lam với tỷ lệ cường độ khác nhau được trộn lẫn để tạo thành màu điểm ảnh đã thiết lập, cuối cùng tạo ra một khung hình hoàn chỉnh để hiển thị.