Từ bảng quảng cáo rượu đến công nghệ màn hình hiện đại

Trước khi thống trị thế giới với những chiếc điện thoại thông minh hay máy tính xách tay mỏng nhẹ, công nghệ tinh thể lỏng (LCD) từng có những bước đi chập chững đầy khiêm tốn. Ít ai biết rằng, một trong những ứng dụng thương mại đầu tiên của công nghệ này không phải là màn hình hiển thị cho các thiết bị điện tử cá nhân, mà lại là một bảng quảng cáo cho loại rượu “Calvert Extra” được đặt tại quầy bar vào đầu những năm 1970. Đây là câu chuyện về hành trình biến một hiện tượng khoa học thành một công nghệ thay đổi cách chúng ta nhìn nhận hình ảnh điện tử. [1]

Sự tò mò trong phòng thí nghiệm và hiện tượng tán xạ

Vào cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học lần đầu quan sát thấy tinh thể lỏng—những vật liệu mang đặc tính kỳ lạ: chúng vừa có thể chảy như chất lỏng, vừa có khả năng khúc xạ ánh sáng như chất rắn tinh thể như thạch anh. Tuy nhiên, trong nhiều thập kỷ, chúng chỉ nằm lại trong phòng thí nghiệm như một đề tài tò mò thuần túy. Mọi chuyện bắt đầu thay đổi vào năm 1962, khi Richard Williams, một nhà hóa học vật lý tại tập đoàn Radio Corporation of America (RCA), phát hiện ra rằng điện trường có khả năng can thiệp và thay đổi cách ánh sáng đi qua các hợp chất tinh thể lỏng. [1]

Vài năm sau đó, kỹ sư điện George Heilmeier cùng nhóm nghiên cứu tại RCA đã đẩy xa hơn giới hạn của thử nghiệm này. Bằng cách áp dụng điện áp cao hơn vào các mẫu thử, họ nhận thấy hiện tượng nhiễu loạn bên trong tinh thể lỏng khiến chúng tán xạ ánh sáng, biến một hợp chất vốn đang trong suốt trở nên đục như sữa. Heilmeier đã đặt tên cho hiện tượng này là “tán xạ động” (dynamic scattering) và thành lập một đội ngũ chuyên trách để tìm cách tích hợp hiệu ứng quang học độc đáo này vào các thiết bị hiển thị thực tế. [1]

Tham vọng TV treo tường và rào cản kỹ thuật

Vào thời điểm đó, RCA là tập đoàn điện tử tiêu dùng hàng đầu với vị thế dẫn đầu trong cả lĩnh vực TV trắng đen lẫn màu. Với tầm nhìn xa, Heilmeier đã nuôi hy vọng rằng tinh thể lỏng sẽ là chìa khóa để thay thế các loại ống hình cồng kềnh, hướng tới viễn cảnh tạo ra những chiếc TV treo trên tường mỏng như một bức tranh. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật đã sớm bộc lộ khi thực tế đòi hỏi một màn hình TV phải có hàng ngàn điểm ảnh, với mỗi điểm ảnh cần được kích hoạt riêng biệt bởi một bóng bán dẫn. [1]

Vào cuối thập niên 1960, công nghệ chế tạo mạch tích hợp vẫn chưa đủ trình độ để đáp ứng quy mô sản xuất phức tạp như vậy. Những khó khăn về hạ tầng công nghệ khiến tham vọng TV treo tường phải tạm gác lại. Không chấp nhận bỏ cuộc, nhóm nghiên cứu tại RCA đã chuyển hướng tìm kiếm các ứng dụng thay thế khả thi hơn, trong đó ý tưởng về bảng quảng cáo điện tử đã thu hút sự quan tâm từ công ty tiếp thị Ashley-Butler, dẫn tới một hợp đồng trị giá 100.000 USD để hiện thực hóa dự án. [1]

Sự kết hợp giữa công nghệ và cơ khí tối giản

Màn hình tán xạ động đời đầu có cấu tạo khá đơn giản. Theo mô tả từ nguồn, đó là một cấu trúc dạng “bánh kẹp” với một lớp tinh thể lỏng được đặt giữa hai tấm kính phủ lớp dẫn điện trong suốt. Lớp phủ này được tạo hoa văn định hình nhằm kiểm soát vị trí hiển thị hình ảnh. Để tạo ra những chuyển động nhấp nháy trên bảng quảng cáo nhằm thu hút khách hàng mua sản phẩm, nhóm nghiên cứu cần một cơ chế điều khiển thứ tự kích hoạt hình ảnh hiệu quả. [1]

Một chi tiết thú vị trong quá trình phát triển là phương pháp của kỹ sư Richard Klein. Ông đã vận dụng một kỹ thuật từng thực hiện thời sinh viên tại Đại học Cornell, khi làm hệ thống ánh sáng cho các buổi biểu diễn tại ký túc xá. Khi đó, nhóm sinh viên đã sử dụng một ống lõi giấy vệ sinh quấn lá kim loại gắn vào mô tơ, hoạt động gần giống như một chiếc hộp nhạc cơ khí để đóng ngắt các tiếp điểm điện. Kỹ thuật điều khiển cơ khí đơn giản này chính là nền tảng để nhóm vận hành bảng quảng cáo LCD đầu tiên. Ví dụ, điều này có thể so sánh với cách những chiếc đồng hồ cơ cổ điển sử dụng bánh răng để kích hoạt các nhịp chuông đều đặn mỗi giờ. [1]

Di sản của cột mốc thương mại đầu tiên

Mặc dù đội ngũ tại RCA đã hoàn thiện được các nguyên mẫu, dự án vẫn gặp nhiều khó khăn sau khi tập đoàn quyết định rút lui khỏi thị trường máy tính thương mại vào năm 1971, khiến việc hỗ trợ nội bộ bị cắt giảm đáng kể. Heilmeier sau đó đã rời RCA để theo đuổi sự nghiệp khác, trong khi Richard Klein tiếp tục làm việc với Ashley-Butler. Công ty này đã thành lập một công ty con tên là Liquid Crystal, Inc. để tiếp tục sản xuất các bảng quảng cáo bằng LCD. [1]

Chiếc bảng quảng cáo rượu Calvert Extra tuy chỉ là một chương nhỏ trong lịch sử phát triển, nhưng nó đại diện cho một trong những nỗ lực đầu tiên nhằm biến tinh thể lỏng thành công nghệ hữu dụng. Qua bàn tay của các kỹ sư thời bấy giờ, nó đã đặt viên gạch nền móng cho các thế hệ màn hình hiện đại, từ màn hình máy tính cho đến điện thoại di động mà chúng ta đang sử dụng ngày nay. Đến năm 2009, một trong những thiết bị nguyên bản này đã được trao tặng cho Viện Lịch sử Khoa học, đánh dấu một cột mốc đáng nhớ trong sự tiến hóa của ngành điện tử. [1]

Về những giới hạn của hiện tượng tán xạ

Cần lưu ý rằng các bảng quảng cáo đời đầu này hoạt động dựa trên cơ chế tán xạ động, vốn tạo ra hình ảnh trắng đục trên nền trong suốt. Công nghệ này có những giới hạn rõ rệt về độ sắc nét, độ tương phản và màu sắc so với công nghệ tinh thể lỏng xoắn (twisted nematic) hay màn hình ma trận hoạt động (active-matrix) phổ biến sau này. Việc hiểu rõ những khó khăn ban đầu của đội ngũ RCA tại thời điểm đó giúp chúng ta thấy được giá trị của việc kiên trì ứng dụng những hiện tượng vật lý sơ khai vào đời sống thương mại, trước khi các kỹ thuật sản xuất mạch tích hợp đủ phát triển để hiện thực hóa những kỳ vọng lớn hơn. [1]