Tìm hiểu phần cứng smartphone: màn hình (Part 4)

Hôm nay chúng ta típ tục với phần 4 của phần cứng SmartPhone nha.

Tìm hiểu phần cứng smartphone: màn hình (phần 4)

Sau ba phần đầu tiên giới thiệu về bộ vi xử lý, bộ vi xử lý đồ họa, RAM và bộ nhớ lưu trữ, hôm nay chúng tôi sẽ đề cập đến thành phần rất quan trọng trên smartphone là màn hình. Các phần tiếp theo sẽ đề cập lần lượt về các kết nối, các cảm biến, pin và cuối cùng là camera.

Loại màn hình thứ nhất: LCD

Khi nói về màn hình smartphone, có hai loại chính được sử dụng: đầu tiên là LCD. LCD là viết tắt của cụm từ Liquid Crytal Display, nghĩa là màn hình tinh thể lỏng. Bài viết này sẽ không đi vào giải thích thiết kế phức tạp của các bảng mạch của tấm màn hình LCD và cách hoạt động của chúng mà chỉ tập trung vào các thành phần khác nhau của màn hình LCD và giải thích về hoạt động của loại màn hình này.

Có bốn lớp chính trong một tấm màn hình LCD (LCD panel): lớp bảo vệ bên ngoài, lớp (hoặc nhiều lớp) phân cực, lớp tinh thể lỏng và đèn nền. Lớp bảo vệ bên ngoài có nhiệm vụ bảo vệ các linh kiện khác khỏi bị hư hỏng và thường được làm từ nhựa hoặc kính. Lớp phân cực giúp lớp tinh thể lỏng truyền ánh sáng chính xác tới mắt người xem.

Phần quan trọng nhất chính là lớp tinh thể lỏng, nơi điều khiển màu sắc xuyên qua và hình ảnh hiển thị. Khi dòng điện đi qua lớp tinh thể, các tế bào tinh thể lỏng được ghép với bộ lọc đỏ, xanh da trời hoặc xanh lá, tương ứng với điểm ảnh con của màn hình và được "xoắn" để ánh sáng đi qua với những cường độ khác nhau. Các tinh thể sẽ lọc ánh sáng từ đèn nền thành những màu sắc khác nhau và kết hợp nhiều tinh thể cạnh nhau sẽ cho ra dải hàng triệu màu.

Lớp đèn nền gần như luôn là đèn nền LED (light-emitting diode) và tuy có nhiều loại đèn nền LED song loại đèn nền LED màu trắng được sử dụng phổ biến nhất. Lớp đèn nền rất mỏng và các đèn nền LED màu trắng được đặt ngay phía sau lớp tinh thể lỏng để cung cấp ánh sáng cho các tinh thể lọc thành màu. Loại đèn nền LED RGB (gồm các màu đỏ, xanh da trời và xanh lá) cũng tồn tại và có khả năng tái tạo màu sắc tốt hơn loại đèn nền màu trắng nhưng đắt hơn và thường ít được sử dụng trong smartphone.

Các màn hình LCD được sử dụng trên smartphone đều thuộc loại "ma trận động" (active matrix), từ mô tả cách các điểm ảnh được sắp xếp và chúng đều sử dụng công nghệ TFT (thin-film transistor). TFT cho phép tái tạo màu sắc thực hơn và độ tương phản cũng như tốc độ hiển thị nhanh hơn. Công nghệ TFT cũng có 2 loại khác nhau:

Twisted Nemat

Các nhà sản xuất hiếm khi dùng cụm từ Twisted Nematic
mà thường chỉ gọi màn hình của họ là "TFT LCD". Twisted Nematic là một
phương thức các tế bào tinh thể được "xoắn" trong màn hình để tái tạo
lại màu sắc và thường được dùng cho các smartphone giá rẻ do dễ sản
xuất.



Nếu so với loại màn hình LCD còn lại là In-Plane
Switching (IPS), màn hình TN có góc nhìn hẹp hơn, màu sắc và độ tương
phản cũng kém hơn do đó không được sử dụng cho các smartphone đắt tiền.
Tuy nhiên, những màn hình LCD của máy tính hay TV thì nhiều khả năng sử
dụng tấm màn hình loại TN. Hình ảnh hiển thị của tấm màn hình TN không
hề xấu nhưng nó vẫn xếp sau những công nghệ khác.

Loại màn hình TN chất lượng cao nhất là Super LCD hay
S-LCD do Sony và Samsung sản xuất có độ tương phản và màu sắc trung
thực hơn hẳn so với tấm nền TN bình thường. Những màn hình loại này
từng được dùng trên HTC Desire khi sản lượng màn AMOLED thấp không đủ
đáp ứng nhu cầu. Hiện nay, thế hệ Super LCD 2 đã xuất hiện.
In-Plane Switching (IPS) LCD
Các màn hình IPS LCD sử dụng phương pháp xoắn các tế
bào tinh thể có tổ chức hơn và cung cấp hình ảnh chất lượng hơn nên
thường được dùng trong các smartphone cao cấp. Các ưu thế chính của màn
hình IPS LCD so với màn hình TN là góc nhìn tốt hơn và màu sắc trung
thực hơn do cách tấm nền này hoạt động giúp làm giảm hiện tượng chuyển
màu khi thay đổi góc nhìn. Các màn hình IPS có tỉ lệ tương phản cao hơn
so với màn hình TN và trong một số trường hợp có thể so sánh với công
nghệ AMOLED.



Hầu hết màn hình IPS trên smartphone là Super IPS
(S-IPS) hoặc Advanced Super IPS (AS-IPS). Đôi khi các nhà sản xuất gọi
các màn hình của họ là IPS LCD hoặc TFT IPS LCD nhưng nhiều trường hợp
sử dụng tên riêng như:

Retina - từ được dùng cho các tấm màn hình IPS do LG
sản xuất cho Apple có mật độ điểm ảnh cao được sử dụng trong iPhone 4,
iPhone 4S và iPad thế hệ 3.

NOVA – từ để tiếp thị của LG sử dụng cho những màn
hình IPS LCD của hãng này có khả năng cho độ sáng tới 700 nits, cao hơn
phần lớn các màn hình khác.

Super LCD 2 – thế hệ tấm màn hình S-LCD thứ hai do
Sony sản xuất sử dụng công nghệ IPS thay vì TN. Super LCD 2 cho màu sắc
rất trung thực, độ tương phản cao, độ sáng và góc nhìn rất tốt do làm
giảm kích thước và khoảng cách giữa các lớp thành phần và được một số
tổ chức đánh giá là màn hình smartphone tốt nhất hiện nay.
Các ưu và nhược điểm của màn hình LCD

LCD là một trong hai loại màn hình lớn nên nếu biết
được những điểm tốt và hạn chế về loại màn hình này sẽ rất hữu ích
trong việc lựa chọn smartphone.

Ưu điểm:

· Giá thành rẻ

· Màn hình IPS LCD có khả
năng tái tạo màu sắc chính xác.

· Ít bị hiện tượng biến đổi
màu

· Có thể đạt độ sáng cao
giúp dễ nhìn khi xem ngoài trời

Nhược điểm:

· Do cần có đèn nền nên màn
LCD khó đạt được tỉ lệ tương phản cao và màu đen tuyệt đối

· Màn hình TN LCD có góc
nhìn kém

· Trong một số trường hợp,
màn hình LCD tiêu tốn nhiều điện năng và kích cỡ dày

Loại màn hình thứ hai: AMOLED

Nếu cơ chế hoạt động của LCD khá phức tạp với nhiều
lớp kết hợp với nhau, cơ chế hoạt động của AMOLED đơn giản hơn nhiều.
AMOLED, viết tắt của cụm từ Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode,
là màn hình phát các màu trực tiếp từ các đèn đi-ốt hữu cơ (organic
diode) không cần tới lớp phân cực, tinh thể hay đèn nền như màn hình
LCD. Nhờ cơ chế này, AMOLED có một số ưu điểm so với công nghệ LCD.

Cách thức hoạt động của màn hình AMOLED rất đơn giản:
lớp bóng bán dẫn (transistor) ở dưới điều khiển dòng điện đi qua lớp
đi-ốt hữu cơ ở trên, khi có dòng điện thì các đi-ốt ở lớp này sẽ phát
sáng. Cường độ sáng có thể điều chỉnh bằng dòng điện trên các bóng bán
dẫn, từ đó có thể tạo ra hàng triệu màu sắc giống như màn hình LCD.
Do các đi-ốt tự chúng phát sáng nên không cần thêm đèn
nền để lọc màu. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm điện mà còn giúp màn
hình mỏng hơn, một đặc điểm quan trọng khi mà các smartphone đang đua
nhau trở thành sản phẩm mỏng nhất. Khi hiển thị màu đen, các đèn đi-ốt
chỉ cần ngừng phát sáng và lúc đó không có nguồn sáng nào.

Tất nhiên, màn hình AMOLED cũng có những nhược điểm.
Khi các điểm ảnh con (subpixel) màu xanh nhạt, xanh lá cây và màu đỏ
được dùng để tạo ra đầy đủ các dải màu, nó đòi hỏi cần sử dụng các hợp
chất hữu cơ khác nhau. Đặc tính của những hợp chất này rất khác nhau do
đó rất khó để kiểm soát cường độ sáng phát ra từ các đi-ốt cho đều nhau
ở bước sóng chính xác.

Điều này dẫn tới một số vấn đề. Giả sử đi-ốt phát ra 1
trong 3 màu sáng hơn các diode khác, màn hình sẽ bị biến màu đôi chút.
Thường thì các đi-ốt phát ánh sáng xanh dương là nguyên nhân khiến cho
các trang web có nền trắng bị ngả sang màu xanh. Thêm nữa, dù cho màn
hình AMOLED thường cho màu sắc rất rực rỡ, song độ chính xác của màu
sắc lại không được bằng màn IPS LCD.
Vấn đề cuối cùng là thời gian sử dụng của mỗi loại đèn
đi-ốt khác nhau: do mỗi màu là một hợp chất hữu cơ khác nhau nên chúng
sẽ chỉ "sống" (phát ánh sáng) trong một thời gian và lượng thời gian cụ
thể còn tùy thuộc vào màu. Ở thế hệ AMOLED đời đầu, các đèn đi-ốt phát
sáng màu xanh dương "chết" nhanh gấp đôi đi-ốt màu xanh lá, tuy nhiên
nhờ sự phát triển của công nghệ mà những thế hệ AMOLED gần đây không
còn gặp vấn đề tương tự. Dù sao thì độ chính xác của màu sắc vẫn là vấn
đề cần được cải thiện.

Cũng giống như màn hình LCD, có một số thương hiệu về
màn hình AMOLED:

· Super AMOLED – thế hệ
màn hình đầu tiên do Samsung sản xuất tích hợp điều khiển cảm ứng vào
màn hình và có khả năng hiển thị tốt trong ánh nắng

· Super AMOLED Plus – thế
hệ màn hình AMOLED mới của Samsung thay thế màn hiển thị ma trận
PenTile bằng ma trận RGB, giúp hiển thị màu chuẩn xác hơn.

· HD Super AMOLED – một
loại màn hình khác do Samsung sản xuất sử dụng ma trận PenTile. Chữ
"HD" cho biết độ phân giải những màn hình này đều đạt đến chuẩn HD với
mật độ điểm ảnh cao.

· ClearBlack AMOLED – công
nghệ được Nokia sử dụng. Đây là loại màn hình AMOLED dùng công nghệ
"ClearBlack", lớp phân cực chống chói giúp hiển thị tốt ngoài nắng.

Những ưu và nhược điểm của màn hình AMOLED

Ưu điểm:

· Rất mỏng và linh hoạt

· Màu sắc rực rỡ và độ
tương phản cao

· Góc nhìn rộng

· Tiêu thụ điện ít hơn

Nhược điểm:

· Màu sắc không trung
thực, đôi khi bị biến màu

· Tuổi thọ màn hình thấp
hơn màn LCD

· Các nhà sản xuất thường
sử dụng màn hình loại ma trận PenTile, rẻ hơn nhưng chất lượng kém hơn

Các loại ma trận điểm ảnh con (subpixel
matrix)

Từ khi màn hình với kiểu điểm ảnh con "PenTile" xuất
hiện đã có rất nhiều tranh luận về việc màn hình ma trận "PenTile" có
chất lượng thấp hơn màn hình ma trận "RGB Stripe". Quả thực màn hình ma
trận PenTile có chất lượng hiển thị kém hơn và phần sau đây sẽ giải
thích lý do.

Để tạo ra hình ảnh, màn hình phải sử dụng kết hợp các
điểm ảnh; lý tưởng nhất là mỗi điểm ảnh tạo ra một màu. Nhưng đến nay
như chúng ta biết, không có chất nào cho phép tạo ra các màu đơn lẻ, do
vậy chúng ta phải sử dụng mẹo và sử dụng kết hợp các điểm ảnh con
(subpixel) có màu cố định ở các cường độ khác nhau để tạo ra các loại
màu sắc.

Hầu như mọi máy tính đều sử dụng những điểm ảnh con
với 3 màu đỏ, xanh lá, xanh dương, tạo nên mô hình màu RGB cung cấp số
lượng lớn các màu sắc kết hợp. Mỗi điểm ảnh con có 256 mức cường độ màu
khác nhau. Như vậy, ba điểm ảnh màu với 256 cường độ màu khác nhau theo
cấp số nhân có thể tạo ra 16.777.216 triệu màu với mỗi điểm ảnh.
Để tạo nên hơn 16 triệu màu sắc, bạn cần một trong số
ba điểm ảnh con RGB, trong đó phương pháp được dùng phổ biến là sắp xếp
cả 3 điểm ảnh con thành một hình vuông và hình vuông này chính là một
điểm ảnh. Đây được gọi là phương pháp "RGB Stripe" và nó được sử dụng
rất rộng rãi trên các màn hình LCD do đem lại màu sắc chính xác và độ
rõ cao nhất.

Màn hình AMOLED ngoài các vấn đề đã đề cập ở trên, nó
còn có một vấn đề khác: hiện tại rất khó để sản xuất một màn hình
AMOLED với mật độ điểm ảnh cao và có giá hợp lý vì công nghệ sản xuất
những điểm ảnh con siêu nhỏ vẫn chưa xuất hiện với màn hình AMOLED,
trong khi với màn hình LCD điều này có thể thực hiện dễ dàng.

Do đó, Samsung đã đưa ra thiết kế ma trận điểm ảnh con
PenTile. Thay vì mỗi điểm ảnh tích hợp cả 3 điểm ảnh con RGB, ma trận
PenTile RGBG đặt một điểm ảnh con màu xanh lá liên tục cạnh những điểm
ảnh con màu xanh dương và đỏ. Điều này đồng nghĩa mỗi điểm ảnh của ma
trận PenTile RGBG chỉ có hai điểm ảnh con, so với 3 điểm ảnh con ở
thiết kế RGB Stripe.

Do cấu tạo quang học của mắt người và khả năng nhận
biết những bước sóng ánh sáng khác nhau, màn hình ma trận PenTile vẫn
có thể đem lại số màu sắc tương đương màn hình RGB Stripe. Do mỗi điểm
ảnh có ít điểm ảnh con hơn, màn hình có thể có mật độ điểm ảnh cao hơn
so với màn hình RGB Stripe và đôi khi sử dụng ít năng lượng hơn. Thêm
nữa, do có ít điểm ảnh màu xanh dương hơn, màn hình này có thời gian
sống dài hơn so với màn hình AMOLED truyền thống.
Tuy nhiên, do số điểm ảnh con trên mỗi điểm ảnh chỉ là
2, nên độ phân giải theo điểm ảnh con của màn hình PenTile thấp hơn: ví
dụ với màn hình độ phân giải 1280x720, nếu sử dụng công nghệ RGB Stripe
thì sẽ có tổng cộng 2,76 triệu điểm ảnh con; trong khi màn hình PenTile
chỉ có 1,84 triệu điểm ảnh con, ít hơn 0,92 triệu. Sự khác biệt này
không đáng kể với hầu hết các trường hợp nhưng cũng có một số tình
huống sự khác biệt là rõ ràng.

Đối với các góc cạnh, ví dụ như chữ hoặc rìa của các
giao diện, ma trận PenTile đôi khi phải "mượn" những điểm ảnh con từ
các điểm ảnh lân cận để có thể tạo ra màu sắc chính xác. Điều này dễ
nhận ra khi nhìn vào cạnh trái của một biểu tượng màu trắng hoặc một
chữ, ta có thể thấy một đường viền màu đỏ chạy dọc cạnh trái.

Thực ra bạn sẽ phải nhìn rất gần mới có thể nhận ra sự
thiếu hoàn hảo của màn hình, tuy nhiên khi so sánh giữa màn hình
PenTile và màn hình RGB Stripe, các kí tự trên màn RGB hiển thị rõ ràng
hơn. Điều đáng mừng là các màn hình PenTile hiện nay hầu hết đều được
sử dụng trên các thiết bị có mật độ điểm ảnh từ 250 ppi trở lên và khi
màn hình đạt đến mức 300 ppi thì sẽ rất khó để nhận ra sự khác biệt.

Trên các thiết bị như Samsung Galaxy Note hay Galaxy
Nexus với màn hình PenTile HD Super AMOLED, mật độ điểm ảnh cao giúp
màn hình PenTile không phải là vấn đề. Tuy nhiên một màn hình AMOLED
RGB với mật độ điểm ảnh cao vẫn tốt hơn và chính Samsung cũng thừa nhận
là màn hình Super AMOLED Plus (sử dụng RGB) của họ hiển thị tốt hơn.
Trong tương lai, chúng ta có thể chờ đợi những công nghệ hiển thị tốt
hơn là PenTile.

Tầm quan trọng của mật độ điểm ảnh

Cuộc đua mật độ điểm ảnh có lẽ chỉ thực sự bắt đầu khi
Apple đưa ra màn hình "Retina": kích thước 3.5 inch và độ phân giải 640
x 960. Với độ phân giải và kích thước này, màn hình có mật độ điểm ảnh
tính theo ppi (điểm ảnh trên inch) là 326, nổi trội so với những màn
hình vào thời điểm đó và vượt cả con số "kì diệu" 300 ppi. Vậy ppi là
gì và vì sao con số 300 ppi lại quan trọng như thế?

Số điểm ảnh trên inch là con số cho biết có bao nhiêu
điểm ảnh trên chiều dài 1 inch. Do điểm ảnh là hình vuông nên bạn có
thể tính theo chiều ngang hay dọc đều được và bạn cũng có thể tìm thêm
công thức và nhiều thông tin khác ở trang Wikipedia này.

Để đánh giá một màn hình tốt, ít nhất mắt bạn phải
không thể nhận ra được từng điểm ảnh riêng biệt khi nhìn màn hình từ
một khoảng cánh nhất định, nhờ đó ta sẽ thấycác hình ảnh và chữ rất sắc
nét. Cũng như chuẩn khi in ấn 300 dpi, 300 ppi là một mức lý tưởng vì
khi nhìn với khoảng cách 30 cm, người bình thường sẽ không thể nhận ra
được từng điểm ảnh ở mức này.
Với những độ phân giải tiêu chuẩn như 1280 x 720 (720p
HD), 960 x 540 (qHD) và 800 x 480 (WVGA), chiều dài của đường chéo màn
hình phải ở một mức nhất định để đảm bảo mật độ điểm ảnh đạt từ 300 ppi
trở lên. Với màn hình 720p, màn hình có thể có kích thước tới 4.9 inch
mà vẫn có mật độ điểm ảnh 300 ppi, với màn hình qHD kích thước tối đa
là 3.65 inch, còn màn hình WVGA là 3.1 inch.

Đối với máy tính bảng, do phần lớn thời gian người
dùng để nó ở xa mắt hơn so với smartphone, các nhà sản xuất chỉ cần
hướng tới mức 250 ppi. Điều đó có nghĩa là một màn hình 10.1 inch phải
vượt qua độ phân giải 1920 x 1200 (WUXGA), với mật độ là 224 ppi. Ở độ
phân giải 2560 x 1600 (WQXGA), mật độ điểm ảnh trên màn hình 10.1 inch
đạt mức 299 ppi và vẫn ở trên mức 250 ppi với kích thước 12 inch. Đối
với màn hình 8.9 inch trở xuống thì độ phân giải WUXGA là đủ.

Khi công nghệ màn hình ngày càng tiên tiến, đặc biệt
là với màn hình AMOLED, mật độ điểm ảnh sẽ ngày càng cao hơn. Hầu hết
những điện thoại cao cấp sắp ra mắt đều có màn hình với mật độ điểm ảnh
lớn, thậm chí một số dòng trung cấp cũng thế và đây sẽ là bổ sung đáng
giá cho các máy tính bảng mới.

Lớp cảm ứng

Phần cuối cùng của một màn hình là lớp cảm ứn, hoặc
còn được gọi là lớp cảm ứng số hóa. Hầu hết những smartphone ngày nay
(trừ những loại quá rẻ tiền) đều sử dụng màn hình cảm ứng điện dung chứ
không phải loại cảm ứng điện trở như các thế hệ trước đây nữa.

Lớp cảm ứng điện dung hầu hết đều sử dụng công nghệ
PCT (projected capacitive touch), tạo ra một "lưới" trên mạng hình.
Lưới này phóng ra một trường tĩnh điện khi có hiệu điện thế và khi tay
người với tính chất dẫn điện chạm vào lưới này, trường tĩnh điện bị
biến đổi. Một bộ điều khiển sẽ xác định vị trí của ngón tay dựa trên
các cảm ứng.

Do chỉ có những vật liệu dẫn điện mới có thể làm biến
đổi trường tĩnh điện, một số vật liệu như vải hoặc nhựa không thể dùng
để tác động vào màn hình cảm ứng. Tuy nhiên, dựa trên cường độ trường
và bộ cảm ứng, cũng như tính chất đa chiều của trường tĩnh điện, đôi
khi có thể sử dụng màn hình cảm ứng mà không cần phải chạm vào lớp kính
hoặc qua những vật liệu vải.
Vật liệu chính tạo nên trường tĩnh điện (thường là
indium tin oxide) trong suốt, do đó đối với hầu hết màn hình cảm ứng ta
không thể thấy lưới điện dung trên lớp cảm ứng. Tuy nhiên, đôi khi bạn
có thể thấy những chấm nhỏ trên bề mặt hiển thị khi nhìn dưới một góc
ánh sáng: đây là những tụ điện nhỏ nằm ở những điểm giao nhau của lưới
mang lại khả năng cảm ứng đa điểm.

Đối với những màn hình LCD, lớp cảm ứng được đặt ngay
trên lớp tinh thể lỏng nhưng nằm dưới lớp kính bảo vệ. Đối với một số
màn hình AMOLED, đặc biệt là những màn hình Super AMOLED của Samsung,
lớp cảm ứng này được tính hợp cùng với lớp đi-ốt phát quang, khiến cho
nó gần như trong suốt và đỡ tốn không gian hơn – một trong những ưu
điểm của công nghệ AMOLED.

Thường thì lớp kính bảo vệ (như Gorilla Glass), lớp
cảm ứng và lớp hiển thị được gắn chung vào một tấm để giảm sự phản
chiếu và tiết kiệm diện tích. Do đó, rất khó để chỉ thay một thành phần
trong đó, ví dụ như lớp kính bảo vệ bị vỡ hay lớp cảm ứng bị hỏng. Thay
vào đó, bạn sẽ phải thay toàn bộ 3 thành phần trên, những thứ không hề
rẻ.

Trong part tới, mình sẽ giới thiệu phần 5 của loạt
bài này giới thiệu về các kết nối và các cảm biến bên trong smartphone.