Xây dựng LCD
Mỗi pixel của LCD bao gồm các phần sau: một lớp các phân tử tinh thể lỏng lơ lửng giữa hai điện cực trong suốt (oxit thiếc indi) và hai bộ lọc phân cực với các hướng phân cực vuông góc với nhau ở bên ngoài. Nếu không có tinh thể lỏng giữa các điện cực, hướng phân cực của ánh sáng đi qua một trong các bộ lọc phân cực sẽ hoàn toàn vuông góc với bộ lọc phân cực thứ hai, do đó nó bị chặn hoàn toàn. Tuy nhiên, nếu hướng phân cực của ánh sáng đi qua một bộ lọc phân cực được xoay bởi tinh thể chất lỏng, nó có thể đi qua bộ lọc phân cực khác. Việc xoay hướng phân cực của ánh sáng bằng tinh thể lỏng có thể được kiểm soát bởi một trường tĩnh điện, do đó đạt được sự kiểm soát ánh sáng.
Các phân tử tinh thể lỏng rất dễ bị ảnh hưởng của các điện trường bên ngoài và tạo ra các điện tích cảm ứng. Khi một lượng nhỏ điện tích được thêm vào điện cực trong suốt của mỗi pixel hoặc pixel phụ để tạo ra một trường tĩnh điện, các phân tử của tinh thể lỏng sẽ được tạo ra bởi trường tĩnh điện này để tạo ra các điện tích gây ra và tạo ra mô-men tĩnh điện, thay đổi Sự sắp xếp quay ban đầu của các phân tử tinh thể lỏng, do đó thay đổi biên độ quay của ánh sáng đi qua. Thay đổi một góc nhất định để nó có thể đi qua bộ lọc phân cực.
Trước khi điện tích được thêm vào điện cực trong suốt, sự sắp xếp của các phân tử tinh thể lỏng được xác định bằng cách sắp xếp bề mặt điện cực và bề mặt hóa học của điện cực có thể được sử dụng làm hạt tinh thể. Trong tinh thể chất lỏng TN phổ biến nhất, các điện cực trên và dưới của tinh thể chất lỏng được sắp xếp theo chiều dọc. Các phân tử tinh thể lỏng được sắp xếp theo hình xoắn ốc và hướng phân cực của ánh sáng đi qua bộ lọc phân cực quay sau khi đi qua chip chất lỏng, để nó có thể đi qua một bộ phân cực khác. Trong quá trình này, một phần nhỏ của ánh sáng bị chặn bởi bộ phân cực và trông màu xám từ bên ngoài. Sau khi điện tích được thêm vào điện cực trong suốt, các phân tử tinh thể lỏng sẽ được sắp xếp gần như hoàn toàn song song dọc theo hướng của điện trường, do đó hướng phân cực của ánh sáng đi qua bộ lọc phân cực không quay, do đó ánh sáng hoàn toàn bị chặn. Lúc này, pixel trông màu đen. Bằng cách kiểm soát điện áp, mức độ biến dạng của sự sắp xếp của các phân tử tinh thể lỏng có thể được kiểm soát để đạt được các lớp xám khác nhau.
Một số LCD chuyển sang màu đen khi chúng tiếp xúc với dòng điện xen kẽ, phá hủy hiệu ứng xoắn ốc của tinh thể lỏng. Khi dòng điện bị tắt, LCD trở nên sáng hơn hoặc trong suốt. Loại LCD này thường được tìm thấy trên máy tính xách tay và LCD giá rẻ. Một loại LCD khác thường được sử dụng trên LCD độ phân giải cao hoặc TV LCD lớn là khi tắt nguồn, màn hình LCD mờ đục.
Để tiết kiệm năng lượng, LCD sử dụng phương pháp ghép kênh. Trong chế độ ghép kênh, các điện cực ở một đầu được kết nối theo nhóm, mỗi nhóm điện cực được kết nối với nguồn điện và các điện cực ở đầu kia cũng được kết nối theo nhóm, mỗi nhóm được kết nối với đầu kia của công suất cung cấp. Thiết kế nhóm đảm bảo rằng mỗi pixel được điều khiển bởi một nguồn điện độc lập. Thiết bị điện tử hoặc phần mềm điều khiển thiết bị điện tử điều khiển màn hình của pixel bằng cách điều khiển chuỗi bật/tắt của nguồn điện.
Các chỉ số để thử nghiệm LCD bao gồm các khía cạnh quan trọng sau: kích thước hiển thị, thời gian phản hồi (tốc độ đồng bộ hóa), loại mảng (hoạt động và thụ động), góc xem, màu sắc được hỗ trợ, độ sáng và độ tương phản, độ phân giải và tỷ lệ khung hình màn hình và giao diện đầu vào (như vậy như giao diện trực quan và mảng hiển thị video).
Lịch sử ngắn gọn
Năm 1888, nhà hóa học người Áo Friedrich Reinizer đã phát hiện ra các tinh thể lỏng và tính chất vật lý đặc biệt của chúng.
LCD hoạt động đầu tiên dựa trên Chế độ tán xạ động (DSM), được phát triển bởi một nhóm do George Hellmann dẫn đầu tại RCA. Hellmann thành lập Optech, nơi đã phát triển một loạt các LCD dựa trên công nghệ này.
Vào tháng 12 năm 1970, hiệu ứng trường xoắn ốc của các tinh thể lỏng đã được cấp bằng sáng chế ở Thụy Sĩ bởi Sint và Helfrich tại Phòng thí nghiệm Trung ương Hoffmann-le Roque. Tuy nhiên, năm trước, vào năm 1969, James Ferguson đã phát hiện ra hiệu ứng trường học xoắn ốc của các tinh thể lỏng tại Đại học bang Kent ở Ohio, Hoa Kỳ và đăng ký bằng sáng chế tương tự tại Hoa Kỳ vào tháng 2 năm 1971. Năm 1971, công ty của ông (ILIXCO ) đã sản xuất màn hình LCD đầu tiên dựa trên thuộc tính này, trong đó sớm thay thế LCD loại DSM kém hơn. Mãi đến năm 1985, khám phá này mới trở nên khả thi về mặt thương mại. Vào năm 1973, tập đoàn Sharp của Nhật Bản lần đầu tiên sử dụng nó để tạo màn hình kỹ thuật số cho máy tính điện tử. Trong những năm 2010, LCD đã trở thành thiết bị hiển thị chính cho tất cả các máy tính.
Hiển thị nguyên tắc
Không có điện áp, ánh sáng sẽ di chuyển dọc theo khoảng cách giữa các phân tử tinh thể lỏng và xoay 90 độ, do đó ánh sáng có thể đi qua. Nhưng sau khi thêm điện áp, ánh sáng di chuyển thẳng dọc theo khoảng cách giữa các phân tử tinh thể lỏng, do đó ánh sáng bị chặn bởi bộ lọc.
Tinh thể lỏng là một vật liệu có đặc điểm dòng chảy, vì vậy chỉ cần một lực bên ngoài rất nhỏ để làm cho các phân tử tinh thể lỏng di chuyển. Lấy ví dụ về tinh thể chất lỏng natic phổ biến nhất làm phân tử tinh thể lỏng có thể dễ dàng biến bằng tác động của điện trường. Vì trục quang của tinh thể lỏng khá phù hợp với trục phân tử của nó, nó có thể tạo ra các hiệu ứng quang học. Khi điện trường áp dụng cho tinh thể lỏng được loại bỏ và biến mất, tinh thể lỏng sẽ sử dụng độ đàn hồi và độ nhớt của chính nó, và các phân tử tinh thể lỏng sẽ nhanh chóng trở về trạng thái ban đầu trước khi điện trường được áp dụng.
Màn hình truyền và phản chiếu
LCD có thể được truyền hoặc phản xạ, tùy thuộc vào nơi đặt nguồn ánh sáng.
LCD truyền được chiếu sáng bởi một nguồn sáng phía sau màn hình và được nhìn từ phía bên kia (phía trước) của màn hình. Loại LCD này được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ sáng cao, chẳng hạn như màn hình máy tính, PDA và điện thoại di động. Ánh sáng được sử dụng để chiếu sáng LCD thường tiêu thụ nhiều năng lượng hơn chính LCD.
LCD phản xạ, thường thấy trong đồng hồ và máy tính điện tử, (đôi khi) chiếu sáng màn hình bằng cách phản xạ ánh sáng bên ngoài trở lại từ một bề mặt phản chiếu khuếch tán phía sau màn hình LCD. Loại LCD này có tỷ lệ tương phản cao hơn vì ánh sáng đi qua tinh thể lỏng hai lần, do đó nó được cắt hai lần. Không sử dụng thiết bị chiếu sáng làm giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng, do đó các thiết bị chạy bằng pin tồn tại lâu hơn. Bởi vì LCD phản chiếu nhỏ tiêu thụ rất ít năng lượng đến nỗi một photocell đủ để cung cấp năng lượng cho chúng, chúng thường được sử dụng trong máy tính bỏ túi.
LCD truyền biến có thể được sử dụng như truyền hoặc phản xạ. Khi có nhiều ánh sáng bên ngoài, LCD hoạt động như một loại phản chiếu và khi có ít ánh sáng bên ngoài, nó có thể hoạt động như một loại truyền.
Hiển thị màu
Công nghệ LCD cũng thay đổi độ sáng dựa trên kích thước của điện áp. Màu sắc được hiển thị bởi mỗi phần tử phụ LCD phụ thuộc vào chương trình sàng lọc màu. Vì bản thân tinh thể lỏng không có màu, các bộ lọc màu được sử dụng để tạo ra các màu khác nhau thay vì các yếu tố phụ. Trạng thái phụ chỉ có thể điều chỉnh thang độ xám bằng cách kiểm soát cường độ ánh sáng đi qua. Chỉ có một vài ma trận hoạt động hiển thị sử dụng điều khiển tín hiệu tương tự và hầu hết sử dụng công nghệ điều khiển tín hiệu số. Hầu hết các LCD được điều khiển bằng kỹ thuật số đều sử dụng bộ điều khiển tám bit, có thể tạo ra 256 mức độ xám. Mỗi yếu tố phụ có thể hiển thị 256 cấp độ, vì vậy bạn có thể nhận được 2563 màu và mỗi phần tử có thể hiển thị 16.777.216 màu. Bởi vì mắt người không cảm thấy độ sáng một cách tuyến tính và mắt người nhạy cảm hơn với độ sáng thấp thay đổi, mức độ màu bit {11}} này không thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu lý tưởng. Các kỹ sư sử dụng quy định điện áp xung để làm cho các thay đổi màu sắc trông đồng đều hơn.
Trong màn hình LCD màu, mỗi pixel được chia thành ba đơn vị hoặc pixel phụ và các bộ lọc bổ sung được đánh dấu tương ứng là màu đỏ, xanh lá cây và xanh dương. Ba pixel phụ có thể được kiểm soát độc lập, dẫn đến hàng ngàn hoặc thậm chí hàng triệu màu cho pixel tương ứng. CRT cũ sử dụng cùng một phương pháp để hiển thị màu sắc. Tùy thuộc vào nhu cầu, các thành phần màu được sắp xếp theo hình học pixel khác nhau.
Các mảng hoạt động và thụ động
Một màn hình tinh thể lỏng thường thấy trong đồng hồ điện tử và máy tính bỏ túi bao gồm một số lượng nhỏ các phân đoạn, mỗi phân đoạn có một tiếp xúc điện cực duy nhất. Một mạch chuyên dụng bên ngoài cung cấp điện tích cho mỗi bộ điều khiển, có thể cồng kềnh với nhiều đơn vị hiển thị hơn (như màn hình tinh thể lỏng). Màn hình tinh thể lỏng thụ động cho màn hình đơn sắc nhỏ, chẳng hạn như các màn hình trên PDA hoặc màn hình máy tính xách tay cũ hơn, sử dụng siêu xoắn (STN) hoặc công nghệ siêu xoắn (DSTN) (DSTN) (DSTN điều chỉnh vấn đề sai lệch màu của STN).
Mỗi hàng hoặc cột trên màn hình có một mạch độc lập và vị trí của mỗi pixel cũng được chỉ định bởi một hàng và cột. Loại màn hình này được gọi là "mảng thụ động" vì mỗi pixel cũng phải nhớ trạng thái của chính nó trước khi cập nhật. Tại thời điểm này, mỗi pixel không có nguồn cung cấp ổn định. Khi số lượng pixel tăng lên, số lượng hàng và cột tương đối cũng sẽ tăng lên và phương pháp hiển thị này trở nên khó sử dụng hơn. LCD được làm bằng các mảng thụ động được đặc trưng bởi thời gian phản hồi rất chậm và độ tương phản thấp.
Màn hình màu có độ phân giải cao hiện tại, chẳng hạn như màn hình máy tính hoặc tivi, là các mảng hoạt động. Màn hình tinh thể chất lỏng bóng bán dẫn màng mỏng được thêm vào các chất phân cực và bộ lọc màu. Mỗi pixel có bóng bán dẫn riêng, cho phép điều khiển pixel đơn. Khi một đường cột được bật, tất cả các dòng hàng được kết nối với toàn bộ hàng pixel và mỗi dòng hàng được điều khiển bằng điện áp chính xác, dòng cột bị tắt và hàng khác được bật. Trong một thao tác cập nhật hình ảnh hoàn chỉnh, tất cả các dòng cột được bật theo trình tự thời gian. Hiển thị mảng hoạt động có cùng kích thước sẽ xuất hiện sáng hơn và sắc nét hơn màn hình mảng thụ động và có thời gian phản hồi ngắn.
Kiểm soát chất lượng
Một số bảng LCD có chứa các bóng bán dẫn bị lỗi gây ra các điểm sáng và tối vĩnh viễn. Không giống như ICS, các bảng LCD vẫn có thể hiển thị bình thường ngay cả khi có pixel xấu. Điều này cũng có thể tránh loại bỏ các tấm LCD lớn hơn nhiều so với khu vực IC vì một vài pixel xấu. Các nhà sản xuất bảng điều khiển có các tiêu chuẩn khác nhau để xác định pixel xấu.
Các bảng LCD có nhiều khả năng có khuyết tật hơn bảng IC vì kích thước lớn hơn của chúng. Ví dụ: {{0}} inch LCD SVGA có 8 pixel xấu, trong khi wafer 6- inch chỉ có 3 khiếm khuyết. Tuy nhiên, 3 khiếm khuyết trên một wafer có thể được phân chia thành 137 IC không phải là rất tệ, nhưng việc loại bỏ bảng điều khiển LCD có nghĩa là đầu ra 0%. Do sự cạnh tranh khốc liệt giữa các nhà sản xuất, các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng đã được nêu ra. Nếu màn hình LCD có bốn pixel xấu hoặc nhiều hơn, sẽ dễ dàng phát hiện hơn, vì vậy khách hàng có thể yêu cầu thay thế. Vị trí của pixel xấu trong bảng LCD cũng không đáng kể. Các nhà sản xuất thường tiêu chuẩn thấp hơn vì các pixel bị hư hỏng nằm ở trung tâm của màn hình. Một số nhà sản xuất cung cấp bảo đảm pixel xấu không.
Tiêu thụ năng lượng
LCD ma trận hoạt động sử dụng ít năng lượng hơn CRT. Trên thực tế, chúng đã trở thành màn hình tiêu chuẩn cho các thiết bị di động, từ PDA đến máy tính xách tay. Nhưng công nghệ LCD vẫn còn quá hiệu quả: ngay cả khi bạn biến màn hình màu trắng, ít hơn 10% ánh sáng phát ra từ nguồn ánh sáng nền đi qua màn hình; Phần còn lại được hấp thụ. Vì vậy, màn hình plasma mới hiện sử dụng ít năng lượng hơn LCD của cùng một khu vực.
Các PDA, chẳng hạn như Palm và Compaqipaq, thường sử dụng màn hình phản chiếu. Điều này có nghĩa là ánh sáng xung quanh đi vào màn hình, đi qua lớp tinh thể chất lỏng phân cực, chạm vào lớp phản xạ và sau đó phản xạ lại để hiển thị hình ảnh. Người ta ước tính rằng 84% ánh sáng được hấp thụ trong quá trình này, do đó, chỉ có một phần sáu ánh sáng được sử dụng, mặc dù vẫn còn chỗ để cải thiện, là đủ để cung cấp độ tương phản cần thiết cho video có thể nhìn thấy. Phản xạ một chiều và màn hình phản chiếu cho phép sử dụng màn hình LCD với mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu trong các điều kiện ánh sáng khác nhau.
Màn hình không có năng lượng
Năm 2000, màn hình không có năng lượng nào đã được phát triển không sử dụng điện khi ở chế độ chờ, nhưng công nghệ này hiện không có sẵn để sản xuất hàng loạt. Nemoptic, một công ty của Pháp, đã phát triển một công nghệ LCD màng mỏng khác, được sản xuất hàng loạt tại Đài Loan vào tháng 7 năm 2003. Công nghệ này được nhắm mục tiêu vào các thiết bị di động năng lượng thấp như sách điện tử và máy tính di động. LCD không có năng lượng cũng cạnh tranh với giấy điện tử.