Trước khi điện thoại, laptop và tivi trở nên mỏng như một cuốn tạp chí, màn hình từng là một chiếc hộp sâu, nặng và nóng vì ống tia âm cực. LCD làm thay đổi hình dáng của công nghệ bằng một ý tưởng kỳ lạ: dùng một lớp vật liệu vừa giống chất lỏng vừa có trật tự như tinh thể để điều khiển ánh sáng. Nó không phát sáng rực rỡ như đèn, không cần buồng chân không lớn, và chỉ “uống” rất ít điện. Từ những con số mờ trên máy tính bỏ túi, tinh thể lỏng đã lặng lẽ mở ra thế giới phẳng mà chúng ta đang nhìn vào mỗi ngày.

Nguồn gốc và hành trình ra đời

Năm 1888, nhà thực vật học Áo Friedrich Reinitzer quan sát một dẫn xuất cholesterol có hai điểm nóng chảy: ở khoảng 145 độ C nó thành chất lỏng đục, đến khoảng 179 độ C mới trong suốt. Nhà vật lý Otto Lehmann nghiên cứu hiện tượng này bằng kính hiển vi phân cực và nhận ra chất lỏng đục vẫn có tính chất quang học của tinh thể. Thuật ngữ “tinh thể lỏng” ra đời từ nghịch lý ấy: một vật chất chảy được nhưng phân tử vẫn giữ hướng trật tự.

Suốt nhiều thập kỷ, tinh thể lỏng chủ yếu là đề tài phòng thí nghiệm. Bước ngoặt đến tại RCA ở Mỹ vào thập niên 1960. Richard Williams phát hiện hiệu ứng điện-quang trong tinh thể lỏng nematic, còn nhóm của George H. Heilmeier phát triển chế độ tán xạ động, gọi là DSM, và trình diễn những màn hình LCD đầu tiên vào năm 1968, trong đó có đồng hồ số. Cùng thời, ý tưởng dùng transistor màng mỏng để điều khiển từng điểm ảnh bắt đầu hình thành. Ở Nhật Bản, Sharp theo đuổi ứng dụng thực tế cho máy tính bỏ túi. Năm 1973, Sharp bán chiếc máy tính dùng LCD được xem là máy tính bỏ túi LCD đầu tiên, mở đầu cho thời kỳ đồng hồ số, máy tính và thiết bị cầm tay siêu tiết kiệm điện.

Nguyên lý hoạt động

Một màn hình LCD cơ bản gồm đèn nền, hai kính phân cực, lớp điện cực trong suốt và lớp tinh thể lỏng mỏng ở giữa. Tinh thể lỏng tự nó không tạo ra hình ảnh; nó đóng vai trò như vô số cửa chớp cực nhỏ. Khi không có điện áp, phân tử tinh thể lỏng được sắp xếp theo một cấu trúc xoắn hoặc định hướng nhất định, cho ánh sáng đi qua theo cách có kiểm soát. Khi điện áp thay đổi, hướng phân tử thay đổi, lượng ánh sáng qua kính phân cực cũng thay đổi theo, tạo nên điểm sáng, tối hoặc xám.

Trong LCD màu, mỗi điểm ảnh được chia thành ba điểm phụ: đỏ, lục và lam, với bộ lọc màu tương ứng. Việc điều chỉnh độ sáng của ba điểm phụ tạo nên hàng triệu màu. Ở màn hình TN đời đầu, góc nhìn hẹp và độ tương phản thấp. Công nghệ TFT sau đó đặt một transistor riêng cho từng điểm phụ, cho phép điều khiển nhanh và chính xác hơn nhiều. Các thế hệ IPS và VA cải thiện góc nhìn, màu sắc và độ tương phản. Điểm mấu chốt vẫn không đổi: LCD là nghệ thuật điều tiết ánh sáng bằng điện trường, không phải tạo ánh sáng ngay tại mỗi điểm ảnh như OLED.

Tác động và sự phát triển

LCD trước hết chiến thắng ở những nơi pin là giới hạn. Đồng hồ số có thể chạy rất lâu, máy tính bỏ túi trở nên nhẹ và rẻ, máy đo, máy chơi game cầm tay và điện thoại sớm đều hưởng lợi. Khi TFT-LCD màu đạt độ phân giải và tốc độ phản hồi tốt hơn, nó bước vào laptop, màn hình máy tính và tivi. Màn hình CRT cồng kềnh dần bị thay thế không chỉ vì LCD đẹp hơn, mà vì nó giải phóng không gian sống: bàn làm việc mỏng hơn, tivi treo tường được, laptop thực sự trở thành máy tính xách tay.

Tác động của LCD còn nằm ở sản xuất hàng loạt. Các nhà máy ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan và Trung Quốc biến tấm nền LCD thành một ngành công nghiệp khổng lồ, liên tục hạ giá và tăng kích thước. Nhờ vậy, hình ảnh số chất lượng cao không còn là đặc quyền của phòng máy chuyên nghiệp. Dù OLED và microLED đang tiến lên ở phân khúc cao cấp, LCD vẫn hiện diện trong ô tô, thiết bị y tế, bảng điều khiển công nghiệp, máy bán hàng và vô số màn hình phổ thông, bởi nó bền, sáng, rẻ và đã rất chín muồi.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Friedrich Reinitzer phát hiện trạng thái tinh thể lỏng khi nghiên cứu một hợp chất liên quan đến cholesterol lấy từ cà rốt.
  • Chiếc đồng hồ LCD năm 1968 của RCA xuất hiện trước khi máy tính bỏ túi LCD của Sharp trở nên nổi tiếng vào năm 1973.
  • LCD tiêu thụ ít điện một phần vì tinh thể lỏng chủ yếu chắn hoặc cho ánh sáng qua, thay vì tự phát sáng mạnh ở mọi điểm ảnh.
  • Tên gọi “tinh thể lỏng” từng gây khó hiểu: vật liệu này chảy như chất lỏng nhưng phân tử vẫn có trật tự định hướng giống tinh thể.
  • Nhiều màn hình LCD hiện đại vẫn dùng cùng ý tưởng cốt lõi từ thập niên 1970: thay đổi hướng phân tử bằng điện áp để điều khiển ánh sáng.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "LCD do Sharp phát minh từ con số không." Sharp đóng vai trò rất lớn trong thương mại hóa máy tính LCD, nhưng nền tảng khoa học bắt đầu từ Reinitzer và Lehmann, còn các màn hình hoạt động đầu tiên gắn với RCA và Heilmeier. LCD là kết quả của gần một thế kỷ tích lũy, không phải một cú nhảy đơn độc.

Hiểu lầm: "LCD phát ra ánh sáng giống như bóng đèn ở từng điểm ảnh." Trong LCD truyền thống, đèn nền tạo ánh sáng, còn tinh thể lỏng và kính phân cực điều tiết ánh sáng ấy. Vì vậy màu đen của LCD thường không tuyệt đối, do một phần ánh sáng nền vẫn lọt qua.

Hiểu lầm: "Màn hình phẳng ra đời là thay thế CRT ngay lập tức." LCD mất hàng chục năm mới từ con số đơn sắc trên máy tính tiến tới tivi màu lớn. Độ sáng, góc nhìn, tốc độ đáp ứng, sản lượng tấm nền và giá thành đều phải được giải quyết dần trước khi CRT thật sự rút lui.

Nguồn tham khảo