Tìm hiểu về công nghệ tấm nền màn hình di động

​

Nói đến màn hình smartphone, người dùng thường đề cập đến độ phân giải, độ sáng, màu sắc... Tuy nhiên, có một yếu tố quan trọng thường bị bỏ qua khi phân tích hay thảo luận, đó là loại công nghệ tấm nền được dùng trong màn hình.

Các hãng sản xuất màn hình thường dùng các thuật ngữ như A-Si, IGZO hay LTPS, nhưng ý nghĩa thực sự của các tên tắt này là gì và công nghệ tấm nền màn hình sẽ ảnh hưởng như thế nào đối với trải nghiệm người dùng? Bên cạnh đó, còn có câu hỏi cho rằng trong tương lai sẽ có thêm những phát triển nào khác?

Để giải thích rõ hơn, công nghệ tấm nền là chất liệu và thiết kế kết cấu của một tấm phẳng có chứa các tinh thể lỏng, đảm nhiệm nhiệm vụ thể hiện hình ảnh thông qua việc mỗi điểm ảnh hiển thị các màu sắc khác nhau khi có dòng điện tác dụng vào. Nói cách khác, đó là mạch chứa một dãy các bán dẫn (transistor) với nhiệm vụ tắt và mở từng điểm ảnh, do đó có vai trò là một nhân tố quyết định khi nói đến độ phân giải màn hình, tần số quét và mức tiêu thụ điện năng.

Tiêu biểu cho công nghệ tấm nền hiện nay là các công nghệ silic vô định hình aSi (amorphous silicon), công nghệ silic đa tinh thể nhiệt độ thấp LTPS (low-temperature polycrystalline silicon) và công nghệ ôxit kẽm gali indi IGZO (indium gallium zinc oxide). Trong khi đó, tiêu biểu cho các kiểu chất liệu phát sáng là công nghệ LCD (liquid-crystal display), OLED (organic light-emitting diode) và AMOLED (active-matrix organic light-emitting diode). Một số công nghệ tấm nền khác nhau có thể được dùng với các kiểu màn hình khác nhau, nên công nghệ IGZO có thể được dùng với màn hình LCD hay OLED. Mặc dù vậy, về mặt kỹ thuật thì một số công nghệ tấm nền sẽ chỉ thích hợp với vài công nghệ màn hình cụ thể.



a-Si
Silic vô định hình a-Si đã nhiều năm nay là chất liệu quan trọng cho công nghệ tấm nền màn hình và được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau để cải thiện hiệu quả năng lượng, tần số quét và góc nhìn của màn hình. Ngày nay, màn hình a-Si chiếm khoảng 20-25% thị trường màn hình smartphone.

Đối với màn hình điện thoại di động có mật độ điểm ảnh thấp hơn 300 pixel/inch, công nghệ tấm nền này vẫn là lựa chọn được ưa chuộng hơn, phần lớn vì giá thành thấp và quy trình sản xuất khá đơn giản. Tuy nhiên, đối với màn hình độ phân giải cao hơn và các công nghệ mới như AMOLED thì công nghệ a-Si bị yếu thế.

AMOLED tạo ứng suất điện trên transistor nhiều hơn so với LCD, nên thích hợp khi dùng các công nghệ nào có thể cung cấp nhiều điện năng hơn cho mỗi điểm ảnh. Ngoài ra, transistor điểm ảnh AMOLED chiếm nhiều không gian hơn LCD, làm cản trở phát sáng hơn cho màn hình AMOLED, nên công nghệ a-SI không thích hợp để sử dụng. Do đó, các công nghệ và quy trình sản xuất mới đã được phát triển để đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng về tấm nền màn hình trong những năm gần đây.

LTPS
Hiện giờ công nghệ silic đa tinh thể nhiệt độ thấp LTPS là chuẩn cao nhất trong ngành sản xuất tấm nền màn hình, có thể tìm thấy trong hầu hết các loại màn hình LCD và AMOLED cao cấp của những model smartphone ngày nay. Công nghệ này dựa vào một loại công nghệ tương tự như a-Si, nhưng dùng nhiệt độ xử lý cao hơn để sản xuất nhằm cho ra một chất liệu có thuộc tính điện năng hoàn thiện.

LTPS hiện giờ thực sự là công nghệ duy nhất dùng được cho AMOLED vì có cường độ điện cao hơn cần thiết cho loại công nghệ màn hình này. LTPS cũng có mật độ các điện tử (electron) di động cao hơn, là chỉ số cho thấy một electron có thể di chuyển qua transistor nhanh và dễ dàng như thế nào, với độ di động gấp 100 lần so với a-Si.

Điều này cho phép việc chuyển giữa các tấm nền màn hình nhanh hơn. Một lợi điểm lớn khác của độ di động cao này là kích thước của transistor có thể thu nhỏ lại trong khi vẫn có thể cung cấp điện năng cần thiết cho hầu hết các loại màn hình. Kích thước thu nhỏ này có thể làm tăng mức hiệu quả năng lượng và giảm mức tiêu thụ điện năng, hay có thể được dùng để lắp đặt thêm transistor vào cạnh nhau để được các loại màn hình có độ phân giải cao hơn nhiều. Cả hai khía cạnh này ngày càng quan trọng vì smartphone ngày nay bắt đầu có độ phân giải cao hơn 1080p, nghĩa là công nghệ LTPS có thể sẽ vẫn là công nghệ chủ yếu cho thời gian trước mắt.

LTPS TFT có mặt hạn chế do quy trình sản xuất ngày càng phức tạp và do chi phí chất liệu, khiến công nghệ này khá tốn kém để sản xuất, nhất là khi độ phân giải tiếp tục tăng. Một màn hình LCD có độ phân giải 1080p sản xuất theo công nghệ này có chi phí cao hơn 14% so với màn hình LCD TFT dùng công nghệ a-Si. Tuy nhiên, do có chất lượng cao, LTPS vẫn là công nghệ được ưa dùng cho màn hình độ phân giải cao hơn.

IGZO
Hiện giờ, màn hình LCD dùng công nghệ a-Si và LTPS chiếm tỷ lệ chung lớn nhất trên thị trường màn hình smartphone. Tuy nhiên, IGZO được dự đoán sẽ là lựa chọn kế tiếp cho công nghệ màn hình di động. Sharp lần đầu tiên bắt đầu sản xuất màn hình LCD IGZO-TFT từ năm 2012 và từ đó đến giờ thiết kế này đã được dùng trong nhiều model smartphone, tablet và thậm chí cả TV. Hãng công nghệ của Nhật Bản này gần đây cũng đã triển lãm các mẫu màn hình khung hình không theo dạng chữ nhật truyền thống sản xuất theo công nghệ IGZO. Sharp không phải là công ty duy nhất trong lĩnh vực này mà còn có LG và Samsung cũng đều có quan tâm đến công nghệ này.

Công nghệ IGZO và các công nghệ khác thường cạnh tranh nhau khi sử dụng với màn hình OLED. A-Si đã chứng tỏ là không thích hợp để dùng trên màn hình OLED, trong khi LTPS lại có hiệu năng tốt, nhưng có chi phí cao vì kích thước màn hình và mật độ điểm ảnh đã tăng cao. Ngành công nghiệp OLED hiện đang tìm kiếm một công nghệ có thể kết hợp chi phí thấp với khả năng mở rộng một loại công nghệ a-Si có hiệu năng cao và tính ổn định của công nghệ LTPS, và đây là lĩnh vực mà công nghệ IGZO có thể được đưa vào.

Một câu hỏi khác được đặt ra là tại sao ngành công nghiệp màn hình OLED nên chuyển sang dùng tấm nền công nghệ IGZO? Công nghệ này có nhiều tiềm năng, nhất là đối với thiết bị di động. Chất liệu của IGZO cho phép đạt được một mật độ electron di động phù hợp, gấp 20 đến 50 lần mật độ electron di động của công nghệ a-Si, dù chưa cao bằng LTPS. Do đó màn hình IGZO có thể được thu nhỏ lại xuống kích thước transistor nhỏ hơn, để có lượng tiêu thụ điện năng nhỏ hơn. Một lợi điểm nữa là có thể làm lớp IGZO ít thấy rõ hơn các kiểu lớp khác. Điều này có nghĩa là màn hình có thể để ở một độ sáng thấp hơn nhưng vẫn đạt cùng hiệu suất, khiến giảm được mức tiêu thụ điện năng khi sử dụng.

Một trong những lợi điểm khác của IGZO là khả năng mở rộng cao, giúp đạt được màn hình độ phân giải cao hơn nhiều và có mật độ điểm ảnh tăng thêm nhiều. Cách đây không lâu, Sharp đã công bố kế hoạch sản xuất màn hình có mật độ điểm ảnh lên đến 600 pixel/inch. Điều này có thể thực hiện dễ dàng hơn với kiểu a-Si TFT do transistor có kích thước nhỏ hơn.

Mật độ electron di động cao hơn cũng giúp cải thiện hiệu năng về mặt tần số quét và tắt mở điểm ảnh. Sharp đã phát triển một phương pháp ngưng điểm ảnh, giúp điểm ảnh duy trì được điện tích lâu hơn. Với phương pháp này, thời gian sử dụng pin sẽ được cải thiện và hình ảnh sẽ liên tục có chất lượng cao.

Transistor IGZO có kích thước nhỏ hơn cũng giúp ngăn nhiễu tốt hơn so với transistor a-Si, khi sử dụng với màn hình cảm ứng sẽ tạo ra một trải nghiệm người dùng nhạy và mượt mà hơn. Nói về màn hình IGZO OLED, công nghệ này cũng đang được sử dụng và Sharp vừa mới giới thiệu loại màn hình OLED 13 inch mới độ phân giải 8K tại hội nghị triển lãm SID-2014 diễn ra hồi đầu tháng 6 tại San Diego, California (Mỹ).

Về cơ bản, IGZO cố gắng đạt được lợi điểm hiệu năng của LTPS, trong khi vẫn giữ chi phí sản xuất ở mức càng thấp càng tốt. Năm nay, cả hai hãng công nghệ LG và Sharp đều đang nghiên cứu cải thiện hiệu suất sản xuất của họ. LG có kế hoạch đạt mức 70% với mẫu TV Gen 8 M2. Kết hợp với các công nghệ màn hình có hiệu quả năng lượng như OLED, IGZO sẽ có thể tạo ra một thế cân bằng tuyệt vời về chi phí, hiệu quả năng lượng và chất lượng màn hình cho các thiết bị di động.

Các công nghệ tương lai
Cải tiến về tấm nền màn hình không ngừng lại với IGZO vì hầu hết các hãng sản xuất đều đang đầu tư cho những công nghệ thế hệ tiếp theo, nhằm cải thiện thêm mức hiệu quả điện năng và hiệu năng màn hình. Có 2 trường hợp điển hình đáng quan tâm là công nghệ điện trở phi tuyến tính kim loại vô định hình AMNR (amorphous metal nonlinear resistor) của công ty Amorphyx và công nghệ của CBRITE.

Công nghệ điện trở AMNR là một dự án phái sinh của trường đại học Oregon State University (Mỹ), nhắm tới việc thay thế các loại transistor TFT thông thường bằng một thiết bị tạo tunen dòng điện hai cực, chủ yếu hoạt động như một “công tắc đèn mờ”.

Công nghệ đang phát triển này có thể được sản xuất theo một quy trình dùng trang thiết bị sản xuất a-Si TFT, vốn sẽ giúp tiết giảm chi phí nhờ không cần phải chuyển đổi sản xuất, trong khi đó vẫn có chi phí sản xuất thấp hơn 40% so với công nghệ a-Si. Công nghệ AMNR cũng cho hiệu năng quang học tốt hơn a-Si và hoàn toàn không nhạy cảm với ánh sáng, không như công nghệ IGZO. AMNR rốt cuộc có thể là một tùy chọn mới có hiệu quả về mặt chi phí cho màn hình di động, trong khi vẫn cải thiện được về mức tiêu thụ điện năng.

Trái lại, hãng CBRITE đang nghiên cứu loại tấm nền TFT ôxít kim loại của họ, dùng chất liệu và quy trình có mật độ phần tử di động tải điện cao hơn IGZO. Mật độ electron di động có thể dễ dàng đạt đến 30cm2/V•sec, tương đương với tốc độ của IGZO và đã được chứng minh có thể đạt đến 80cm²/V•sec, hầu như tương đương với LTPS. CBRITE cũng có vẻ phù hợp với yêu cầu độ phân giải cao và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn của các công nghệ màn hình di động tương lai.

Ngoài ra, công nghệ này được sản xuất bằng một quy trình 5 lớp giúp giảm chi phí rẻ hơn so với cả a-Si và chắc chắn sẽ rẻ hơn quy trình 9-12 lớp như của LTPS. CBRITE dự kiến sẽ xuất xưởng những sản phẩm của họ vào năm 2015 hay 2016, dù hiện giờ chưa biết liệu công nghệ này sẽ được dùng trong thiết bị di động hay không.








Theo: PC World VN, 08/2014