Chuyên đề: Màn hình tinh thể lỏng
(LCD: Liquid Crystal Display)
I. Lịch sử:
Năm 1888 Friedrich Reinitzer, nhà hóa học người Áo, khám phá được bản chất kết
tinh lỏng của chrolesterol chiết xuất từ cà-rốt (hai điểm nóng chảy và phát ra màu).
Năm 1904, Otto Lehmann, nhà vật lý người Đức, nghiên cứu tiếp tục và đặt tên
cho trạng thái vật chất này là tinh thể lỏng.
Năm 1922, Georges Friedel, nhà khoáng vật học người Pháp, đã mơ tả cấu trúc và
tính chất của tinh thể lỏng và phân ra làm 3 loại: nematics, smectics và
cholesterics.
Năm 1936, công ty Marconi Wireless Telegraph lần đầu tiên đã ứng dụng tinh thể
lỏng vào kỹ thuật phát sáng (The Liquid Crystal Light Valve).
Năm 1962, Richard Williams của tập đồn RCA (Radio of Corporation America)
đã tìm thấy tính chất quang - điện thú vị của LC và thực hiện hiệu ứng quang điện
trên một dãy các mẫu LC mỏng khi áp vào 2 mặt của chúng một điện thế. Hiệu
ứng này dựa trên tính khơng ổn định thủy động lực điện tử (electro-hydrodinamic
instability), được gọi là Miền Willians trong tinh thể lỏng.
Những nghiên cứu về LC được tiếp tục, năm 1970 hiệu ứng trường nematic xoắn
(twisted nematic field effect) của LC được phát minh bởi Hoffmann-LaRoche
người Thụy sĩ. Hiệu ứng này là cơ sở chế tạo LCD.
Năm 1972, màn hình tinh thể lỏng ma trận tích cực (active-matrix liquid crystal
display panel) đầu tiên được sản xuất ở Hoa Kỳ.
Màn hình LCD xuất hiện đầu tiên trong các máy tính cầm tay, trị chơi điện tử cầm
tay, đồng hồ điện tử, … LCD ngày nay được thiết kế nhỏ gọn, nhẹ, chiếm ít khơng
gian, chất lượng hình ảnh tốt, tiêu thụ ít năng lượng và đang thay thế dần màn hình
CRT truyền thống.
Năm 2008, các tivi LCD đã bắt đầu chiếm ưu thế so với các tivi CRT (chiếm 50%
thị phần tivi thế giới).

II. Phân loại:
Màn tinh thể lỏng là là bộ phận chính của LCD. Vì vậy, việc phân loại màn hình

tinh thể lỏng dực trên loại màn tinh thể lỏng.
Dựa trên nguyên lý cấu tạo của màn tinh thể lỏng để phân loại thì có 3 loại
LCD:
1. Màn tinh thể chuyển động xoắn TN (Twisted Nematic)
2. Màn tinh thể siêu chuyển động xoắn STN (Super Twisted Nematic)
3. Màn tinh thể transistor màn mỏng TFT (Thin Film Transistor)
1


Nguyên lý cấu tạo và các đặc tính của 3 loại LCD trên được so sánh trong bảng
sau:
Loại LCD
TN
STN
TFT
Phân tử tinh thể
Phân tử tinh thể
Phân tử tinh thể
lỏng, chuyển động
lỏng, chuyển động
lỏng, chuyển động
Nguyên lý
xoắn 900
xoắn 2400 ~ 2700
xoắn trên 900
Đen trắng, đơn sắc,
Đen trắng, màu
Màu (16.670.000
tương phản thấp
(260.000 màu),

màu), tương phản
Đặc tính
tương phản thấp.
cao.
Khơng
Có
Hiển thị ảnh Khơng
động
Góc nhìn
Hẹp (dưới 300)
Hẹp (dưới 400)
Rộng (dưới 800)
1~3 inch
1-12 inch
Trên 12 inch
Kích thước
màn hình
Đồng hồ điện tử, Từ điển điện tử, điện Notebook, TV,
panel
Phạm vi ứng máy tính cầm tay, … thoại di động,
notebook loại kém
dụng
chất lượng
Màn hình TFT có tốc độ phản ứng nhanh nhất.
LCD là thiết bị hiển thị không tự phát ra ánh sáng mà phải nhờ vào sự điều khiển
ánh sáng từ bên ngồi. Ánh sáng bên ngồi có thể là nguồn sáng tự nhiên (mặt
trời) hoặc nguồn sáng nhân tạo (đèn). Kỹ thuật xây dựng nguồn sáng có 3 cách:
nguồn sáng nền, nguồn sáng chiếu trước và nguồn sáng chiếu bóng. Kỹ thuật dùng
nguồn sáng nền có ưu điểm là màn hình hoạt động được trong mơi trường khơng
ánh sáng bên ngồi.

Dựa trên phương thức hiển thị của màn tinh thể lỏng để phân loại thì có 3 loại
LCD:

Hình 1: Phương thức hiển thị của LCD

2


1. Màn tinh thể phản xạ: lợi dụng tia sáng bên ngoài để hiển thị, mặt sau của
miếng phân ánh sáng có thêm bảng phản xạ, chỉ được dùng ở những nơi có
ánh sáng. LCD loại TN hầu hết dùng phương pháp phản xạ. Có ưu điểm là
tiết kiệm năng lượng.
2. Màn tinh thể chiếu tồn bộ: có đèn chiếu ở mặt sau của miếng phân ánh
sáng.
3. Màn tinh thể chiếu một nửa: kết hợp loại 1 và 2.
Hai loại sau có ưu điển là có độ sáng và độ tương phản cao, có thể hoạt động trong
bóng tối.
LCD loại TFT còn được phân thành 2 loại, loại thường sáng: khi khơng cấp điện
thì màn hình sáng; loại thường tối: khi khơng cấp điện thì màn hình tối đen.

III.

Ngun lý cấu tạo của màn hình TN

III.1. Sự phân cực ánh sáng:

Hình 2
r

r


Ánh sáng là sóng ngang, phương dao động ( E và B ) vng góc với phương
truyền. Ánh sáng tự nhiên do nguồn sáng phát r thành từng đoàn sóng điện từ
ra
nối tiếp nhau. Mỗi đồn sóng có phương của E xác định. Do sự chuyển động
nhiệt hỗn loạn của các ngun tử phát sáng, nên các đồn sóng phát ra có phương
r
E hướng theo mọi phương trong mặt phẳng vng góc với phương truyền. Khi
cho ánh sáng đi qua một môi trường không đẳng hướng về quang học (như tinh
r
thể tuamalin, thạch anh,…) thì những thành phần ánh sáng có phương E khác
nhau sẽ có độ mạnh yếu khơng đồng đều, ta gọi đó là ánh sáng phân cực một
phần (hình 2.a). Trường hợp khi ánh sáng truyền qua một mơi trường chỉ có
những sóng ánh sáng ứng với một phương dao động xác định được cho qua, ánh
3


r

sáng chỉ có một phương của E xác định được gọi là ánh sáng phân cực tồn
phần ( hình 2.b).
Bản Tuamalin (gọi là kính phân cực) có các mặt được cắt song song với một
phương đặc biệt Y, gọi là quang trục của tinh thể. Nó chỉ cho qua các thành phần
r
ánh sáng có E song song với quang trục (hình 3).

Hình 3

III.2. Nguyên lý của màn hình LCD loại TN
Hiệu ứng Nematic xoắn (twisted nematic effect ) hình thành trên cơ sở sự sắp xếp

lại được điều chỉnh một cach chính xác cấu trúc phân tử tinh thể lỏng dưới tác
dụng của điện trường. Hiệu ứng này được thực hiện với một công suất tiêu thụ nhỏ
và điện thế hoạt động thấp.
Hình 4 trình bày một “tế bào” tinh thể lỏng TN ở trạng thái OFF (hình 4.a) và một
ở trạng thái ON (hình 4.b) cấu tạo nên một pixel của LCD loại thường sáng, cho á
h sáng truyền qua khi khơng có tác dụng của điện trường lên tinh thể. Cấu tạo của
tế bào bao gồm: G là 2 miếng kính có tráng 2 điện cực E1 và E2 trong suốt ép vào 2
mặt của lớp tinh thể lỏng (LC), P1 và P2 là 2 kính phân cực có qung trục đặt vng
góp nhau.

4


Chùm ánh sáng L xuất phát từ nguốn sáng đèn chiếu vào kính phân cực P1. Ánh
sáng đi qua kính phân cực P1 sẽ trở thành ánh sáng phân cực tồn phần.
Ở chế độ OFF (khóa S hở), LC tác dụng làm ánh sáng quay một góc 900. Vì vậy
nó có phương dao động song song với quang trục của kính phân cực P2 và kết quả
là ánh sáng đi qua tế bào với cường độ mạnh nhất. Màn I sáng nhất, tế bào trong
suốt.
Ở chế độ ON (khóa S đóng), dưới tác dụng của điện trường ngồi, cấu trúc phân tử
của LC được sắp xếp lại làm cho góc quay nhỏ hơn 900, ánh sáng truyền qua kính
P2 sẽ yếu hơn, mànr I sáng mờ. Với một điện thế đủ lớn, góc quay sẽ bằng 00, ánh
sáng phân cực có E vng góc với quang trục của P2 và khơng qua được, màn I
tối đen.

(a)

(b)
Hình 4


Hình 5 là một tế bào của màn hình màu, gồm 3 tế bào R, G và B.

5


Hình 5
Hình ảnh hiện ra trên tấm kính trước là do sự cảm nhận tổng thể tất cả các điểm
ảnh (hình 6). Điện áp của tín hiệu hình tác động lên các điện cực của các tế bào
tạo ra điện trường làm, điện trường này làm thay đổi các góc xoắn của tinh thể
lỏng, nhờ đó điều chỉnh được cường độ sáng các điểm màu, khơi phục lại hình
ảnh.

Hình 6

III.3. Nguyên lý cấu tạo của màn hình TFT (Thin Film Transistor)
TFT là loại màn hình ma trận có nguồn tác động. Dựa vào sự khác nhau của vật
liệu bán dẫn màng mỏng, người ta phân làm 2 loại: a-Si TFT và c-Si MOSFET.
LCD được làm từ MOSFET được dùng trong kỹ thuật LCOS (Liquid Crystal On
Silicon).
TFT LCD là kỹ thuật kết hợp giữa kỹ thuật vi điện tử và kỹ thuật hiển thị tinh thể.
Màn hình điều khiển ma trận có nguồn được nghiên cứu nhầm khắc phục nhược
điểm của LCD không nguồn (như TN LCD, STN, LCD) đạt được sự thành công
đánh kể từ năm 1871. Sự phát triển của TFT xuất phát từ Đại học Dundee của
Anh. Năm 1981, Snell và cộng sự đã thành công trong việc chế tạo một TFT 5x7
điểm ma trận đầu tiên trên thế giới. sau đó Nhật Bản nhanh chóng bắt tay vào việc

6


nghiên cứu phát triển để đưa ra các sản phẩm thương mại. Từ năm 1993, TT LCD

đi vào thời kỳ sản xuất với số lượng lớn.
III.3.1. Cấu tạo TFT LCD:
TFT LCD là một màn hình dạng mỏng, hình 7 mơ tả cấu tạo của nó.

Hình 7
Giữa 2 miếng kính trong suốt song song (bảng cơ bản) được lấp đầy các tinh thể
TN. Trên phần đáy miếng kính phía sau (miếng kính đáy) có rất nhiều dây dẫn
màng kim loại trong suốt cách ly nhau phân chia miếng kính đáy thành rất nhiều ô
nhỏ li ti, mỗi ô nhỏ này là một đơn vị màu sắc điểm ảnh (đơn vị điểm ảnh vi phân
7


tử). Trong mỗi đơn vị điểm ảnh lại có một điện cực màng mỏng trong suốt cách ly
với các dây dẫn xung quanh, gọi là điện cực điểm ảnh (điện cực hiển thị). Mỗi góc
của của điện cực này có một MOSFET TFT, liên kết với hệ thống dây dẫn ngang
và dọc (hình 8). Cực G của MOSFET nối với dây ngang (dây quét cực khiển) để
lựa chọn TFT, cực S của MOSFET nối với dây dọc (dây cực nguồn), cực D của
MOCFET nối với điện cực điểm ảnh trong suốt. Chức năng của MOSFET như
một công tắc.
Mỗi đơn vị điểm ảnh có thể coi như một lớp tinh thể TFT ở giữa điện cực điểm
ảnh và điện cực chung.
Cấu tạo của 1 đơn vị điểm ảnh và mạch điện tương đương của nó được trình bày
trong hình 9.

Hình 9
Giữa 2 tấm kính là tinh thể, nó có điện dung tương đương CLC với giá trị khá nhỏ
(khoảng 0.1pF) không đủ lớn để duy trì điện áp trong thời gian 1 bán ảnh (thời
gian một điểm ảnh chuyển từ giá trị cũ sang giá trị mới). Vì vậy, người ta đã tạo
thêm một bản điện cực mỏng trong suốt, bản điện cực này kết hợp với điện cực
chung tạo ra một điện dung CS (storage capacitor) có giá trị khoảng 0.5pF, mắc

song song với CLC, nhờ đó đủ để giữ điện áp tín hiệu hình cho đến lần thay đổi kế
tiếp.
Trên đáy tấm kính trước được phủ lên màng lọc màu với các ơ lọc màu R, G và B
có kích thước bằng và vị trí đối diện với các điểm ảnh cơ sở. sau kính lọc màu là
một màng dẫn điện trong suốt. Đó chính là điện cực chung.
Các dây dẫn ngang gọi là hàng quét, từng sợi một lần lượt nối với cực G của các
MOSFET, đầu còn lại nối với mạch xuất hình. Các dây dẫn dọc từng sợi một được
nối với cực S của MOSFET, đầu còn lại được nối với bộ điều khiển. Cực D của
8


các MOSFET được nối vào điện cực chung qua 2 tụ điện CS và CLC (mắc song
song).
Hình 10 và hình 11 là sơ đồ mạch điện tương đương của màn hình TFT.

Hình 10

9


Hình 11
Màng lọc màu:
Hình 12 trình bày 1 phần nhỏ của màng lọc màu
dưới kính lúp.
Trong đó, 3 đơn vị điểm ảnh cơ sở R, G và B hợp
thành 1 đơn vị cơ bản hiển thị: điểm ảnh (pixel).
Các chấm đen xen vào các điểm ảnh cơ sở R,G,B
gọi là ma trận đen (black matrix), nó có cơng
dụng là để che các bộ phận không cần ánh sáng đi
qua (chẳng hạn như MOSFET).

Hình 12

Có nhiều cách sắp xếp các điểm RGB (hình 13):
đường băng, tam giác, dạng khảm, hình vng (4
đơn vị điểm ảnh cơ sở hợp thành 1 pixel) . Tùy
theo ứng dụng của thiết bị mà người ta chọn một
trong các cách sắp xếp trên. Ví dụ: màn hình máy

10


tính thường dùng cách xếp đường băng, màn hình tivi thường dùng cách xếp tam
giác.

Hình 13
Độ phân giải của màn hình thường được đo lường bởi đơn vị pixel. Ví dụ:
Một màn hình có độ phân giải là 1024x768 = 786432 pixel. Tính theo chiếu
ngang nó có 1024 pixel (cột), theo chiều dọc nó có 768 pixel (hàng).
Màn hình thường sáng (NW: Normally White) và màn hình thường tối
(NB: Normally Black): Loại LCD đã giới thiệu là loại NW. Loại NB chỉ khác
với loại NW ở vị trí tương đối của 2 tấm kính phân cực (?). Loại NW thơng
dụng hơn, vì màn hình sáng mà khơng cần truyền điện áp điện giữa điện cự
ảnh và điện cực chung. Hơn nữa, các máy tính thường dùng nền trắng chữ đen,
điểm sáng chiếm đa số, nên sử dụng loại NW sẽ thuận lợi hơn.
11


Ngun lý hiển thị hình ảnh: Hình 14 mơ tả nguyên lý hiển thị hình ảnh của
TFT LCD. Điện thế tín hiệu hình được đưa vào cực S, điện thế quét được đưa
vào cực G của MOSFET. Khi xung quét xuất hiện trên 1 dãy điểm ảnh cơ bản,

thì các MOSFET trong dãy đó dẫn điện, điện thế tín hiệu từ cực S sẽ thông qua
MOSFET đến điện cực điểm ảnh, cường độ sáng tại các điển ảnh này được
điều khiển bởi điện áp tính hiệu hình và duy trì trong thời gian 1 bán ảnh
(1/60s hoặc 1/50s).

Hình 14
TCON là bộ điều khiển chính, tách tín hiệu hình và tín hiệu đồng bộ đưa về các
mạch điều khiển còn lại.
12


Nguyên tắc điều khiển mức xám: Biên độ điện áp phân cực một chiều
giữa điện cực điểm ảnh và điện cực chung tạo ra một mức xám trên màn
hình. Điều khiển biên độ điện áp này chính là điều khiển mức xám của màn
hình. Hình 15 giải thích ngun tắc điều khiển mức xám 3 bit.

Hình 15

13


Với 3 bit điều khiển sẽ có 23 = 8 mức xám. Với n bit điều khiển sẽ có 2n mức
xám. Hình 16 mơ tả mối quan hệ giữa tập giá trị các bit điều khiển và điện áp mức
xám.

Hình 16
Nguyên tắc hiển thị hình ảnh: Hình 17 minh họa ngun tắc biến tín hiệu
hình thành hình ảnh với một pixel gồm 3 điểm màu cơ sở R, G và B. tại
thời điểm t, tín hiệu hình truyền đến tất cả điện cực cột, đồng thời xung
quét tác động lên điện cực hàng m. Các giá trị tín hiệu mới được áp vào tất

cả các điện cực điểm ảnh trên hàng này. Ở thời điểm t+th (th là thời gian
một đường quét ngang), xung quét xuất hiện tại đường m+1, các điểm ảnh
cơ bản trên dòng này được cập nhật.
Gọi n là số bit mã hóa tín hiệu hình, mổi màu cơ bản RGB có 2n mức.
Tổng số màu sắc có thể hiển thị là = 2n (R). 2n (G). 2n (B) = 23n

14


Hình 17

15