Màn hình tinh thể lỏng

Công nghệ màn hình tinh thể lỏng hay LCD (tiếng Anh: Liquid-Crystal Display) là loại công nghệ  hiển thị cấu tạo bởi các tế bào (các điểm ảnh) chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng và do đó thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua khi kết hợp với các kính lọc phân cực. LCD có ưu điểm là phẳng, cho hình ảnh sáng, chân thật và tiết kiệm năng lượng.

Đặc điểm chung 

Màn hình LCD TN hoạt động dựa trên nguyên lý quay phân cực ánh sáng. Mỗi điểm ảnh của màn hình này bao gồm một lớp tinh thể lỏng nằm giữa hai điện cực. Khi không có điện trường, các phân tử tinh thể lỏng sẽ tự sắp xếp thành cấu trúc xoắn ốc, khiến ánh sáng đi qua bị quay phân cực. Khi điện trường được áp dụng, các phân tử tinh thể lỏng sẽ bị xoay theo hướng của điện trường. Nếu điện áp đủ lớn, các phân tử tinh thể lỏng sẽ bị tháo xoắn hoàn toàn, khiến ánh sáng không bị quay phân cực và bị chặn bởi bộ lọc phân cực thứ hai. Bằng cách kiểm soát điện áp, người ta có thể điều chỉnh mức độ quay phân cực của ánh sáng, tạo ra các mức độ xám khác nhau trên màn hình.

Công thức hóa học của tinh thể lỏng trong màn hình LCD có thể khác nhau. Một số công thức đã được cấp bằng sáng chế, chẳng hạn như hỗn hợp 2-(4-alkoxyphenyl)-5-alkylpyrimidine với cyanobiphenyl. Bằng sáng chế bảo hộ hỗn hợp này đã hết hạn.

Hầu hết các màn hình LCD màu đều sử dụng các bộ lọc màu để tạo ra các điểm phụ màu đỏ, xanh lục và xanh lam. Các bộ lọc màu được tạo ra bằng quy trình quang thạch bản trên các tấm kính lớn. Chất kháng quang màu đen được áp dụng đầu tiên để tạo ra một lưới đen sẽ tách các điểm phụ màu khác nhau khỏi nhau. Sau khi lớp kháng quang màu đen được sấy khô, người ta sẽ dùng mặt nạ quang khắc để chiếu tia UV vào các vùng cần thiết. Các vùng không tiếp xúc sẽ bị rửa sạch, tạo thành một lưới đen. Quá trình này được lặp lại với các chất kháng quang màu đỏ, xanh lục và xanh lam, tạo ra các điểm phụ màu tương ứng trên màn hình LCD. Các PDA màu ban đầu và một số máy tính bỏ túi sử dụng phương pháp tạo màu khác bằng cách thay đổi điện áp trong màn hình LCD xoắn siêu xoắn. Khi điện áp thay đổi, độ xoắn của các tinh thể lỏng cũng thay đổi, điều này sẽ thay đổi cách ánh sáng đi qua màn hình và do đó thay đổi màu sắc của điểm ảnh. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể tạo ra tối đa 3 màu cho mỗi điểm ảnh: cam, xanh lục và xanh lam.

Màn hình TN có hiệu ứng quang học phụ thuộc ít vào độ dày của thiết bị khi có điện áp. Do đó, màn hình TN có nội dung thông tin thấp và không có đèn nền thường được vận hành giữa các phân cực chéo, giúp chúng xuất hiện sáng khi không có điện áp.

Màn hình LCD thời kỳ 2010 thường có đèn nền và độ phân giải cao. Vì vậy, màn hình LCD TN được vận hành giữa các phân cực song song, trong khi màn hình LCD IPS có các phân cực chéo.

IPS LCD đã thay thế TN LCD trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là điện thoại thông minh. Cả TN LCD và IPS LCD đều chứa hợp chất ion. Nếu một trường điện có một cực tính cụ thể được áp dụng trong một thời gian dài, vật liệu ion này sẽ bị hút về các bề mặt và làm giảm hiệu suất của thiết bị. Điều này được tránh bằng cách áp dụng dòng điện xoay chiều hoặc đảo ngược cực tính của trường điện.

Màn hình hiển thị có thể được thực hiện với các điện cực độc lập cho từng đoạn (đối với màn hình hiển thị chữ số hoặc biểu tượng cố định) hoặc với các điểm ảnh được sắp xếp thành ma trận (đối với màn hình hiển thị chữ và số hoàn chỉnh hoặc đồ họa biến đổi). Phương pháp định địa chỉ ma trận phổ biến nhất là tuần tự định địa chỉ một mặt của ma trận, chẳng hạn như bằng cách chọn từng hàng một và áp dụng thông tin hình ảnh lên mặt kia tại các cột theo từng hàng.

Màn hình LCD được sản xuất trong phòng sạch, sử dụng các kỹ thuật từ sản xuất chất bán dẫn. Các tấm kính lớn được sử dụng để sản xuất nhiều màn hình cùng một lúc. Sau đó, các màn hình được cắt ra từ tấm kính, còn được gọi là kính mẹ hoặc nền kính LCD. Việc tăng kích thước tấm kính cho phép sản xuất nhiều màn hình hơn hoặc các màn hình lớn hơn. Kích thước kính như sau:

Trước Gen 8, các nhà sản xuất LCD không thống nhất về kích thước kính mẹ. Do đó, các nhà sản xuất khác nhau sử dụng kích thước kính khác nhau cho cùng một thế hệ. Điều này dẫn đến lãng phí. Một số nhà sản xuất đã chuyển sang kính mẹ Gen 8.6, lớn hơn một chút so với Gen 8.5. Điều này cho phép sản xuất nhiều màn hình LCD 50 và 58 inch hơn trên mỗi kính mẹ, giảm đáng kể chất thải.

Lịch sử
Joseph A. Castellano đã viết cuốn sách "Vàng lỏng: Câu chuyện về màn hình tinh thể lỏng và sự ra đời của một ngành công nghiệp". Cuốn sách này mô tả nguồn gốc và lịch sử phức tạp của màn hình LCD từ góc độ của một người trong cuộc trong những ngày đầu tiên. Hiroshi Kawamoto đã công bố một báo cáo về nguồn gốc và lịch sử của LCD từ một góc độ khác cho đến năm 1991. Báo cáo này có sẵn tại Trung tâm Lịch sử IEEE. Peter J. Wild đã viết một bài viết về đóng góp của Thụy Sĩ cho sự phát triển của LCD. Bài viết này có thể được tìm thấy tại Wiki Lịch sử Kỹ thuật và Công nghệ.

Bối cảnh 
Năm 1888, nhà khoa học người Áo Friedrich Reinitzer phát hiện ra rằng cholesterol chiết xuất từ cà rốt có hai điểm nóng chảy. Ông gọi hiện tượng này là "tinh thể lỏng". Năm 1904, Otto Lehmann công bố tác phẩm "Màn hình tinh thể lỏng", trong đó ông mô tả chi tiết về các tính chất của tinh thể lỏng. Năm 1911, Charles Mauguin lần đầu tiên thử nghiệm với tinh thể lỏng được giới hạn giữa các tấm ở dạng lớp mỏng.

Trong những năm 1920 và 1930, các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển công nghệ tinh thể lỏng. Năm 1922, Georges Friedel phân loại tinh thể lỏng thành ba loại. Năm 1927, Vsevolod Frederiks phát minh ra van ánh sáng chuyển đổi bằng điện, là hiệu ứng thiết yếu của tất cả công nghệ LCD. Năm 1936, công ty Marconi Wireless Telegraph cấp bằng sáng chế cho ứng dụng thực tế đầu tiên của công nghệ này. Năm 1962, ấn phẩm tiếng Anh đầu tiên lớn về tinh thể lỏng được xuất bản. 

Năm 1962, Richard Williams phát hiện ra rằng tinh thể lỏng có thể tạo ra các mẫu sọc khi có điện áp. Hiệu ứng này được gọi là "Williams domains" và là nền tảng cho màn hình tinh thể lỏng hiện đại.

Năm 1962, Paul K. Weimer tại RCA đã phát triển transistor màng mỏng (TFT), một loại transistor sử dụng màng mỏng vật liệu bán dẫn. TFT khác với MOSFET khối tiêu chuẩn, loại MOSFET sử dụng khối vật liệu bán dẫn.

Những năm 1960 
Năm 1964, George H. Heilmeier phát hiện ra cách sử dụng điện trường để chuyển đổi màu sắc của tinh thể lỏng. Ông đã phát triển màn hình tinh thể lỏng hoạt động đầu tiên dựa trên chế độ tán xạ động (DSM), nhưng màn hình này tiêu tốn nhiều điện năng. George H. Heilmeier được công nhận là người phát minh ra màn hình tinh thể lỏng (LCD) và đã được vinh danh đưa vào Đại sảnh Danh vọng Nhà phát minh Quốc gia. Công trình của ông là một cột mốc của IEEE.

Vào cuối những năm 1960, Trung tâm Radar Hoàng gia Anh đã hỗ trợ George William Gray và nhóm của ông tại Đại học Hull phát hiện ra tinh thể lỏng cyanobiphenyl, loại tinh thể lỏng ổn định và có đặc tính nhiệt độ phù hợp để ứng dụng trong LCD. Phát hiện này đã đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của màn hình tinh thể lỏng hiện đại.

Bernard Lechner của RCA Laboratories đã đưa ra ý tưởng về màn hình LCD TFT vào năm 1968. Ông cùng với các đồng nghiệp đã chứng minh khái niệm này với màn hình LCD tán xạ động 18x2 sử dụng MOSFET rời rạc tiêu chuẩn.

Những năm 1970 
Vào ngày 4 tháng 12 năm 1970, Hoffmann-LaRoche ở Thụy Sĩ đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho một loại màn hình tinh thể lỏng mới, sử dụng hiệu ứng trường xoắn nematic (TN). Wolfgang Helfrich và Martin Schadt, khi đó đang làm việc cho Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Trung tâm của Hoffmann-LaRoche, được liệt kê là nhà phát minh. Hoffmann-La Roche đã cấp phép sáng chế cho màn hình TN cho Brown, Boveri & Cie. Công ty này đã sản xuất màn hình TN cho đồng hồ đeo tay và các ứng dụng khác trong những năm 1970. James Fergason cũng đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tương tự ở Hoa Kỳ. Năm 1971, công ty ILIXCO của Fergason đã sản xuất màn hình LCD TN, loại màn hình này đã thay thế các loại màn hình DSM cũ do có điện áp hoạt động thấp hơn và tiêu thụ điện năng thấp hơn. Seiko đã nhận được bằng sáng chế cho đồng hồ đeo tay sử dụng màn hình TN-LCD vào tháng 2 năm 1971. Năm 1972, chiếc đồng hồ đeo tay Gruen Teletime đã được ra mắt, sử dụng màn hình TN-LCD hiển thị bốn chữ số.

Năm 1972, nhóm của T. Peter Brody tại Westinghouse đã phát triển nguyên mẫu màn hình TFT LCD. Năm 1973, Brody và các cộng sự đã trình diễn màn hình TFT LCD đầu tiên. Đến năm 2013, tất cả các màn hình LCD chất lượng cao đều sử dụng công nghệ này.

Năm 1972, công ty North American Rockwell Microelectronics Corp đã giới thiệu màn hình LCD DSM cho máy tính bỏ túi của Lloyds Electronics Inc. Tuy nhiên, màn hình này cần có nguồn sáng bên trong để hiển thị. Năm 1973, Sharp Corporation đã giới thiệu màn hình LCD DSM cho máy tính bỏ túi kích thước bỏ túi. Năm 1975, công ty này bắt đầu sản xuất hàng loạt màn hình LCD TN cho đồng hồ đeo tay. Năm 1968, một nhóm nghiên cứu tại RCA đã phát minh ra màn hình LCD màu dựa trên tương tác Guest-Host. Các công ty Nhật Bản, như Seiko và Casio, đã nhanh chóng áp dụng công nghệ này và sớm chiếm vị trí hàng đầu trên thị trường đồng hồ đeo tay. Sharp Corporation của Nhật Bản đã phát triển một loại màn hình LCD màu đặc biệt vào những năm 1970. Công ty này đã nhận được bằng sáng chế cho các phát minh của mình, chẳng hạn như bằng sáng chế của Shinji Kato và Takaaki Miyazaki vào tháng 5 năm 1975 . Sau đó, công ty đã cải tiến công nghệ này với sự giúp đỡ của Fumiaki Funada và Masataka Matsuura vào tháng 12 năm 1975. Năm 1976, một nhóm nghiên cứu tại Sharp đã phát triển màn hình TFT LCD tương tự như các nguyên mẫu được phát triển bởi Westinghouse vào năm 1972. Nhóm nghiên cứu này đã cải tiến công nghệ này vào năm 1977, nhưng các màn hình TFT-LCD vẫn chưa sẵn sàng để sử dụng trong sản phẩm vì các vấn đề về vật liệu của TFT vẫn chưa được giải quyết.

Những năm 1980 
Năm 1983, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Brown, Boveri & Cie (BBC), Thụy Sĩ, đã phát minh ra cấu trúc xoắn siêu trục (STN) cho màn hình LCD ma trận thụ động. H. Amstutz và cộng sự được liệt kê là những người phát minh trong các đơn xin cấp bằng sáng chế tương ứng được nộp tại Thụy Sĩ vào ngày 7 tháng 7 năm 1983 và ngày 28 tháng 10 năm 1983. Các bằng sáng chế đã được cấp tại Thụy Sĩ CH 665491, Châu Âu EP 0131216,  và nhiều quốc gia khác. Năm 1980, Brown Boveri thành lập liên doanh 50/50 với công ty Philips của Hà Lan, có tên là Videlec. Philips có chuyên môn và khả năng tiếp cận linh kiện điện tử để sản xuất LCD. Năm 1984, các nhà nghiên cứu của Philips đã phát minh ra công nghệ điều khiển tốc độ video, giúp cải thiện thời gian phản hồi của LCD, cho phép hiển thị hình ảnh video chất lượng cao và mượt mà trên LCD. Năm 1985, các nhà phát minh của Philips đã phát minh ra mạch điện điều khiển điện áp thấp cho LCD STN độ phân giải cao, cho phép ứng dụng LCD chất lượng cao trong các sản phẩm di động chạy bằng pin. Năm 1985, Philips mua lại công ty Videlec AG của Thụy Sĩ. Philips sau đó chuyển dây chuyền sản xuất của Videlec sang Hà Lan. Nhiều năm sau, Philips đã thành công trong việc sản xuất và tiếp thị các mô-đun điện thoại di động hoàn chỉnh với số lượng lớn.

Tivi LCD màu đầu tiên được phát triển ở Nhật Bản vào những năm 1980. Năm 1982, Seiko Epson phát hành chiếc tivi LCD đầu tiên, Epson TV Watch, một chiếc đồng hồ đeo tay với màn hình LCD nhỏ. Năm 1984, Epson phát hành ET-10, chiếc tivi LCD cầm tay màu đầy đủ đầu tiên. Cùng năm đó, Citizen Watch giới thiệu Citizen Pocket TV, một chiếc tivi LCD màu 2,7 inch với màn hình LCD TFT thương mại đầu tiên. Năm 1988, Sharp đã trình diễn một màn hình LCD TFT 14 inch, ma trận chủ động, đầy đủ màu sắc và chuyển động đầy đủ. Điều này đã dẫn đến việc Nhật Bản khởi động một ngành công nghiệp LCD, phát triển các màn hình LCD kích thước lớn, bao gồm màn hình máy tính và tivi LCD. Epson đã phát triển công nghệ chiếu 3LCD vào những năm 1980 và cấp phép cho sử dụng trong máy chiếu vào năm 1988. VPJ-700 của Epson, được phát hành vào tháng 1 năm 1989, là máy chiếu LCD nhỏ gọn, đầy đủ màu sắc đầu tiên trên thế giới.

Những năm 1990 
Năm 1990, các nhà phát minh đã nghĩ ra các cách mới để tạo ra màn hình LCD. Một cách là sử dụng các điện cực xen kẽ chỉ trên một tấm nền kính. Điều này tạo ra một điện trường song song với các tấm nền kính, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh. Để tận dụng tối đa công nghệ chuyển đổi trong mặt phẳng (IPS), cần phải có thêm nghiên cứu và phát triển. Sau khi phân tích kỹ lưỡng, Guenter Baur và cộng sự đã đăng ký bản quyền các biến thể có lợi của công nghệ này tại Đức và nhiều quốc gia khác. Viện Fraunhofer ISE ở Đức đã giao các bằng sáng chế công nghệ IPS cho Merck KGaA, một nhà cung cấp chất liệu LC. Ngay sau đó, các kỹ sư tại Hitachi đã phát triển các chi tiết thực tế của công nghệ IPS, bao gồm cách kết nối mảng bóng bán dẫn màng mỏng và cách tránh các trường nhiễu không mong muốn giữa các pixel. Năm 1992, Sharp Corporation đã giới thiệu chiếc TV LCD treo tường đầu tiên sử dụng công nghệ IPS.

Hitachi đã cải thiện góc nhìn của màn hình IPS bằng cách thay đổi hình dạng các điện cực. NEC và Hitachi là những nhà sản xuất đầu tiên tạo ra màn hình LCD ma trận chủ động sử dụng công nghệ IPS. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển màn hình LCD màn hình lớn có chất lượng hình ảnh tốt. Năm 1996, Samsung đã phát triển kỹ thuật tạo mẫu quang học cho phép tạo ra màn hình LCD đa miền. Màn hình đa miền và IPS sau đó đã trở thành các thiết kế LCD phổ biến nhất cho đến năm 2006. Vào cuối những năm 1990, ngành công nghiệp LCD bắt đầu chuyển dịch khỏi Nhật Bản sang Hàn Quốc và Đài Loan, và sau đó là sang Trung Quốc.

Những năm 2000 
Năm 2007, TV LCD đã vượt qua TV CRT về chất lượng hình ảnh và doanh số bán hàng trên toàn thế giới. Theo dự đoán, TV LCD sẽ chiếm 50% thị phần TV trên toàn cầu vào năm 2006.

Những năm 2010 
Tháng 10 năm 2011, Toshiba đã phát triển màn hình LCD 6,1 inch (155 mm) với độ phân giải cao 2560 × 1600 pixel, phù hợp để sử dụng trong máy tính bảng, , đặc biệt là để hiển thị chữ Hán. Thập kỷ 2010 cũng chứng kiến ​​sự áp dụng rộng rãi của công nghệ TGP (Tracking Gate-line in Pixel), cho phép di chuyển mạch điều khiển từ viền màn hình vào giữa các pixel, cho phép tạo ra các viền bezel hẹp.

Năm 2016, Panasonic đã phát triển màn hình IPS LCD với tỷ lệ tương phản cao kỷ lục, lên đến 1.000.000:1, ngang bằng với màn hình OLED. Công nghệ này sử dụng hai lớp tinh thể lỏng thay vì một lớp, cho phép kiểm soát ánh sáng chính xác hơn ở từng điểm ảnh.

Chiếu sáng 
Màn hình LCD không tự phát sáng, do đó cần có nguồn sáng bên ngoài để tạo ra hình ảnh hiển thị. Trong loại LCD truyền thống, đèn nền được đặt ở mặt sau của lớp kính để chiếu sáng màn hình từ phía sau. LCD ma trận hoạt động hầu như luôn có đèn nền. LCD thụ động có thể có đèn nền hoặc sử dụng bộ phản xạ ở mặt sau của lớp kính để tận dụng ánh sáng xung quanh. LCD xuyên sáng kết hợp cả đèn nền và bộ phản xạ để hiển thị hình ảnh trong cả điều kiện sáng và tối. Các cách thức triển khai công nghệ đèn nền LCD phổ biến là: công nghệ đèn nền CCFL, đèn nền EL-WLED, đèn nền WLED, đèn nền RGB-LED, đèn LED đơn sắc, đèn mini-LED.

Ngày nay, hầu hết các màn hình LCD đều sử dụng đèn nền LED được điều khiển động. Điều này giúp tăng cường dải động của màn hình, cho phép hiển thị hình ảnh sáng và tối một cách rõ ràng hơn.

Hệ thống đèn nền LCD được cải thiện hiệu suất bằng cách sử dụng màng quang học để dẫn ánh sáng đến người xem và tái chế ánh sáng bị hấp thụ. Tấm lăng kính cải tiến có cấu trúc lượn sóng giúp hướng ánh sáng đến màn hình nhiều hơn và giảm hiện tượng răng cưa hoặc moiré. Cấu trúc lượn sóng dễ sản xuất hàng loạt hơn cấu trúc lăng kính thông thường. Để làm cho ánh sáng của đèn nền đồng đều, một tấm khuếch tán được đặt ở cả hai mặt của tấm lăng kính. Tấm lăng kính và các tấm khuếch tán được đặt trên một tấm gương phía sau, giúp hướng ánh sáng về phía trước. Bộ phân cực DBEF sử dụng các màng birefringent phản xạ ánh sáng bị hấp thụ. Bộ phân cực DBEF được phát minh vào năm 1989 bởi các nhà nghiên cứu của Philips là Dirk Broer, Adrianus de Vaan và Joerg Brambring. Các bộ phân cực phản xạ và điều khiển đèn nền động LED giúp TV LCD tiết kiệm năng lượng hơn TV CRT rất nhiều. Điều này đã giúp tiết kiệm 600 TWh điện năng toàn cầu vào năm 2017, tương đương với 10% lượng điện tiêu thụ của tất cả các hộ gia đình trên thế giới hoặc bằng 2 lần sản lượng năng lượng của tất cả các tế bào năng lượng mặt trời trên thế giới.

Kết nối với các mạch khác 

Màn hình TV LCD hiện đại có hơn sáu triệu điểm ảnh, mỗi điểm ảnh được cấp nguồn bởi một cặp dây dẫn dọc và ngang. Các dây dẫn này tạo thành một lưới, với mỗi điểm ảnh có một kết nối dương ở một bên và một kết nối âm ở bên kia. Vì vậy, tổng số dây cần thiết cho màn hình 1080p là 6840, bao gồm 3 x 1920 dây dọc và 1080 dây ngang. Đối với tấm nền rộng 28,8 inch (73 cm), mật độ dây dẫn là 200 dây trên một inch dọc theo cạnh ngang.

Màn hình LCD được cấp nguồn bởi các trình điều khiển LCD được gắn vào cạnh màn hình tại nhà máy. Các trình điều khiển này thường được lắp đặt bằng phương pháp COG hoặc TAB. Màn hình LCD sử dụng các đường dẫn điện bằng kim loại được phủ mỏng trên nền kính để tạo thành mạch điện tử điều khiển màn hình. Thường không thể sử dụng hàn để kết nối trực tiếp màn hình với bảng mạch in bằng đồng, thay vào đó sử dụng màng dẫn điện dị hướng hoặc đầu nối đàn hồi.

Ma trận thụ động 

Màn hình LCD thụ động đơn sắc và màu sắc là tiêu chuẩn trên hầu hết các máy tính xách tay đời đầu) bao gồm cả Nintendo Game Boy gốc. Tuy nhiên, một số máy tính xách tay sử dụng màn hình plasma. Đến giữa những năm 1990, màn hình ma trận hoạt động màu sắc trở thành tiêu chuẩn trên tất cả các máy tính xách tay. Màn hình ma trận hoạt động được sử dụng lần đầu tiên trên máy tính Macintosh Portable năm 1989, nhưng vẫn là đơn sắc. Màn hình LCD thụ động vẫn được sử dụng cho các thiết bị cầm tay giá rẻ, có thể đọc được dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp.

Các màn hình dùng cấu trúc ma trận thụ động áp dụng công nghệ STN siêu xoắn hoặc DSTN hai lớp để giải quyết vấn đề thay đổi màu sắc. Màu sắc được thêm vào thông qua bộ lọc nội bộ trong CSTN. LCD STN được tối ưu hóa cho việc định địa chỉ ma trận thụ động.

Màn hình STN có ngưỡng độ tương phản rõ ràng hơn màn hình TN LCD ban đầu. Điều này giúp giảm nhiễu chéo giữa các điểm ảnh. Tuy nhiên, sơ đồ điều khiển Alt & Pleshko tiêu tốn nhiều điện năng. Welzen và de Vaan đã phát minh ra sơ đồ điều khiển thay thế sử dụng điện áp thấp hơn, giúp tiết kiệm năng lượng.

Màn hình LCD STN được làm mới bằng cách xen kẽ các xung điện áp có cực tính ngược nhau. Các điểm ảnh được định địa chỉ bởi các mạch hàng và cột. Loại màn hình này có nhược điểm là thời gian phản hồi chậm và độ tương phản kém khi số lượng điểm ảnh lớn. Welzen và de Vaan đã phát minh ra sơ đồ điều khiển không phải RMS giúp cải thiện thời gian phản hồi và độ tương phản. Citizen, cùng với một số người khác, đã được cấp phép cho những bằng sáng chế này và đã thành công khi giới thiệu một số dòng tivi LCD dựa trên STN ra thị trường.

Màn hình LCD STN được làm mới bằng cách sử dụng các xung điện áp đối lập. Điểm ảnh được xác định bởi các mạch hàng và cột. Màn hình này có thời gian phản hồi chậm và độ tương phản kém khi có nhiều điểm ảnh. Welzen và de Vaan đã phát minh ra một sơ đồ điều khiển giúp cải thiện thời gian phản hồi và độ tương phản. Một pixel có thể ở trạng thái bật hoặc tắt khi cần ghi thông tin mới, làm cho việc định địa chỉ màn hình hai trạng thái khá phức tạp. Tuy nhiên, vào năm 2010, các màn hình LCD hai trạng thái không tiêu thụ năng lượng đã trở nên phổ biến. Chúng có thể được sử dụng với các thiết bị như sách điện tử, cho phép hiển thị hình ảnh tĩnh và tiết kiệm năng lượng.

Màn hình LCD và TV hiện đại sử dụng ma trận chủ động, với mỗi điểm ảnh có một transistor màng mỏng riêng. Điện áp tương ứng với thông tin hình ảnh được truyền đến tất cả các dòng cột khi một dòng hàng được chọn. Màn hình này sáng và sắc nét hơn, có thời gian phản hồi nhanh hơn, tạo ra hình ảnh tốt hơn. Sharp sản xuất màn hình LCD phản xạ bistable với một ô nhớ SRAM 1 bit trên mỗi điểm ảnh, tiêu thụ ít năng lượng để duy trì hình ảnh.

Màn hình LCD phân đoạn có thể hiển thị màu sắc bằng cách sử dụng Màu sắc tuần tự trường (FSC LCD). Màn hình này có tấm nền LCD phân đoạn thụ động tốc độ cao và đèn nền RGB. Đèn nền thay đổi màu sắc nhanh chóng, tạo ra màu trắng khi nhìn bằng mắt thường. Tấm nền LCD được đồng bộ hóa với đèn nền. Màn hình LCD FSC chia một hình ảnh màu thành 3 hình ảnh (một đỏ, một xanh lá cây và một xanh lam) và hiển thị chúng theo thứ tự. Màn hình LCD FSC cần tấm nền LCD có tần số quét 180 Hz và thời gian phản hồi chỉ còn 5 mili giây. àn hình LCD FSC cũng có thể được sử dụng với màn hình cảm ứng điện dung.

Ma trận chủ động

Nematic xoắn (TN) 
Màn hình nematic xoắn (TN) chứa tinh thể lỏng cho phép ánh sáng đi qua khi xoắn và bỏ xoắn ở các mức độ khác nhau. Không có điện áp, ánh sáng cực hóa đi qua lớp LC xoắn 90 độ. Tùy thuộc vào điện áp, tinh thể lỏng bỏ xoắn, thay đổi cực hóa và chặn ánh sáng. Điều chỉnh điện áp cho phép đạt được hầu như mọi mức xám hoặc truyền tải.

Công nghệ chuyển mạch trong mặt phẳng (IPS) 

Công nghệ IPS là một công nghệ LCD sắp xếp các tinh thể lỏng trong một mặt phẳng song song với các tấm kính nền. Các tinh thể lỏng được định hướng lại bằng cách áp dụng một trường điện qua các điện cực đối diện trên cùng một tấm kính nền. Điều này tạo ra góc nhìn rộng hơn, độ tương phản tốt hơn và thời gian phản hồi nhanh hơn so với các công nghệ LCD khác. Công nghệ IPS được sử dụng trong nhiều loại thiết bị, bao gồm TV, màn hình máy tính, điện thoại thông minh và máy tính bảng.

Công nghệ chuyển mạch trong mặt phẳng siêu tốc (S-IPS) 
Công nghệ chuyển mạch trong mặt phẳng siêu tốc (S-IPS) được giới thiệu sau công nghệ chuyển mạch trong mặt phẳng (IPS) với thời gian phản hồi và tái tạo màu sắc thậm chí tốt hơn.

Tranh cãi về công nghệ M+ hoặc RGBW 
Năm 2015, LG Display đã công bố việc triển khai một công nghệ mới có tên là M+, đó là việc bổ sung thêm điểm phụ màu trắng cùng với các điểm RGB thông thường trong công nghệ tấm nền IPS của họ.

Công nghệ M+ mới chủ yếu được áp dụng trên TV 4K. Thêm một pixel phụ trắng thay thế cấu trúc RGB truyền thống làm giảm độ phân giải khoảng 25%, khiến TV 4K không thể hiển thị đầy đủ tiêu chuẩn UHD TV. Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến việc hiển thị văn bản, làm cho nó hơi mờ, đặc biệt khi TV được sử dụng như một màn hình máy tính.

IPS so với AMOLED 
Năm 2011, LG tuyên bố điện thoại thông minh LG Optimus Black (IPS LCD (LCD NOVA)) có độ sáng lên đến 700 nits, trong khi đối thủ chỉ có IPS LCD với 518 nits và màn hình OLED ma trận chủ động (AMOLED) với 305 nits. LG cũng tuyên bố rằng màn hình NOVA tiết kiệm năng lượng hơn 50% so với LCD thông thường và chỉ tiêu thụ 50% năng lượng của màn hình AMOLED khi hiển thị màu trắng trên màn hình. Về tỷ lệ tương phản, màn hình AMOLED vẫn hoạt động tốt nhất do công nghệ cơ bản của nó, trong đó mức độ màu đen được hiển thị dưới dạng màu đen hoàn toàn, không phải màu xám đậm. Vào ngày 24 tháng 8 năm 2011, Nokia đã công bố Nokia 701 và cũng tuyên bố rằng đây là màn hình sáng nhất thế giới với độ sáng 1000 nits. Màn hình cũng có lớp Clearblack của Nokia, giúp cải thiện tỷ lệ tương phản và đưa nó gần với màn hình AMOLED.

Chuyển đổi trường viền nâng cao (AFFS) 
Công nghệ AFFS tương tự như IPS, cung cấp hiệu suất và gam màu vượt trội với độ sáng cao. Nó giảm thiểu méo màu và duy trì góc nhìn rộng. Năm 2004, Hitachi Displays của Nhật Bản đã được cấp phép sử dụng công nghệ này. Phiên bản tiến hóa của màn hình AFFS có độ truyền cao, được gọi là HFFS (FFS+), đã được giới thiệu vào năm 2007. Các bảng điều khiển AFFS chủ yếu được sử dụng trong buồng lái của các máy bay thương mại mới nhất. Tuy nhiên, nó không còn được sản xuất kể từ tháng 2 năm 2015.

Căn chỉnh theo chiều dọc (VA) 
VA là một loại màn hình LCD trong đó các tinh thể lỏng tự căn chỉnh theo chiều dọc với các tấm nền thủy tinh. Khi không có điện áp được áp dụng, các tinh thể lỏng vẫn vuông góc với tấm nền, tạo ra màn hình màu đen giữa các bộ phân cực chéo. Khi điện áp được áp dụng, các tinh thể lỏng chuyển sang vị trí nghiêng, cho phép ánh sáng đi qua và tạo ra màn hình thang độ xám tùy thuộc vào mức độ nghiêng được tạo ra bởi trường điện.

VA có nền màu đen sâu hơn, tỷ lệ tương phản cao hơn, góc nhìn rộng hơn và chất lượng hình ảnh tốt hơn ở nhiệt độ khắc nghiệt so với màn hình xoắn vặn nem (TN) truyền thống. So với IPS, mức độ màu đen của VA vẫn sâu hơn, cho phép tỷ lệ tương phản cao hơn, nhưng góc nhìn hẹp hơn, với sự thay đổi màu sắc và đặc biệt là độ tương phản rõ ràng hơn.

Kiểm soát chất lượng 
Các tấm nền LCD có thể có bóng bán dẫn bị lỗi, gây ra các điểm ảnh luôn sáng hoặc không sáng. Các điểm ảnh này được gọi là điểm ảnh bị kẹt hoặc điểm ảnh chết. Không giống như mạch tích hợp (IC), các tấm nền LCD có một vài bóng bán dẫn bị lỗi thường vẫn có thể sử dụng được. Các chính sách của nhà sản xuất về số lượng điểm ảnh bị lỗi chấp nhận được khác nhau rất nhiều. Tại một thời điểm, Samsung đã áp dụng chính sách không khoan nhượng đối với màn hình LCD được bán ở Hàn Quốc.

Chính sách điểm ảnh chết khác nhau giữa các nhà sản xuất LCD. ISO đã đưa ra tiêu chuẩn ISO 9241 để quy định tính chấp nhận được của các lỗi và bảo vệ người dùng cuối, nhưng không phải tất cả các nhà sản xuất đều tuân thủ tiêu chuẩn này.

Xem thêm 
 Phối màu phát xạ

Chú thích

Thiết bị hiển thị
Linh kiện điện tử
Mạch điện tử
Kỹ thuật điện tử
Phát minh của Hoa Kỳ
Công nghệ hiển thị