Écran à cristaux liquides - Définition

Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
La liste des auteurs est disponible ici.
Dans un Tablet-PC.
Dans un Tablet-PC.
Dans un appareil photo.
Dans un appareil photo.

L'écran à cristaux liquides (affichage à cristaux liquides ACL ou LCD, liquid crystal display, en anglais) est le principal composant des moniteurs plats pour l'informatique et la télévision et assure la fonction d'affichage d'un grand nombre de dispositifs portables.

Présentation

Il utilise la polarisation de la lumière grâce à des filtres polarisants et à la biréfringence de certains cristaux liquides en phase nématique dont on peut faire varier l'orientation en fonction du champ électrique. Du point de vue optique, l'écran à cristaux liquides est un dispositif passif (il n'émet pas de lumière) dont la transparence varie ; il doit donc être éclairé.

D'abord disponible en monochrome et en petite taille, il est utilisé dans les calculettes et les montres du fait de sa faible consommation électrique ; il permet actuellement d'afficher en couleurs dans des dimensions dépassant le mètre de diagonale. Il a supplanté le tube cathodique dans la plupart des applications, sauf en très haute définition lorsque la palette de couleurs doit être précise et fidèle et en environnement difficile (notamment des températures inférieures à 5° C).

Détails techniques

L'écran ACL (voir aussi "Technologies") est constitué de deux polariseurs dont les directions de polarisation forment un angle de 90°, de chaque côté d'un sandwich formé de deux plaques de verre enserrant des cristaux liquides. À chacune des interfaces avec les cristaux liquides, une couche de polymère, généralement un polyimide, rainurée assure l'ancrage des molécules au repos.

Afficheur 3 chiffres 1 & 5 : filtres polarisants ; 2 : électrodes avant ; 4 : électrode arrière ; 3 : cristaux liquides ; 6 : miroir
Afficheur 3 chiffres
1 & 5 : filtres polarisants ;
2 : électrodes avant ;
4 : électrode arrière ;
3 : cristaux liquides ;
6 : miroir

Les deux faces internes des plaques de verres comportent une matrice d'électrodes transparentes, une (noir et blanc) ou trois (couleur) par pixel. L'épaisseur du dispositif et la nature des cristaux liquides sont choisis de manière à obtenir la rotation désirée du plan de polarisation en l'absence de tension électrique (90° dans les écrans TN). Dans les écrans de grande dimension, on ajoute des espaceurs, petites billes transparentes, dans l'espace rempli de cristaux liquides pour maintenir la très faible épaisseur (20 µm) constante et précise. L'application d'une différence de potentiel plus ou moins élevée entre les deux électrodes d'un pixel entraîne un changement d'orientation des molécules, une variation du plan de polarisation et donc une variation de la transparence de l'ensemble du dispositif.

Cette variation de transparence est exploitée par un rétro-éclairage, par réflexion de la lumière incidente ou par projection.

Affichage par segments et par pixels
Affichage par segments et par pixels

Les électrodes des pixels ne sont accessibles que par ligne ou colonne entières et la commande d'allumage ou d'extinction doit se faire par un balayage régulier des lignes de points. Les petits afficheurs ACL monochromes reposent sur le même principe mais utilisent souvent des électrodes avant en forme de segments de caractère de façon à simplifier l'électronique (commande directe en tout ou rien) tout en obtenant une très bonne lisibilité (pas de balayage).

Cristaux liquides couleur

Détail d'un écran ACL couleur
Détail d'un écran ACL couleur

Le principe de base est le même. Il nécessite trois cellules par pixels et le sandwich est complété par un filtre coloré de motifs rouges, verts et bleus. Généralement le filtre est une succession de bandes verticales alternant les trois couleurs. Il y a toutefois d'autres répartitions décalant les couleurs d'une ligne à l'autre.

Afin d'améliorer la précision de rendu des couleurs, les éléments du filtre RVB sont séparés par une bande noire opaque.

La technologie TN ne permet pas l'affichage de plus de 262 144 couleurs (3x6 bits), l'affichage de 16 millions de couleurs (3x8 bits) utilise une technique d'approximation soit par clignotement (blinking) qui alterne l'affichage de 2 couleurs qui encadrent la " vraie ", soit par effet de diffusion (dithering) entre des cellules adjacentes. De nombreux écrans semblent utiliser une combinaison de ces deux techniques.

Éclairage

Gordes sur TV LCD 32 pouces
Gordes sur TV LCD 32 pouces

Il existe plusieurs modes d’éclairage adaptés à chaque contexte d'utilisation qui doit tenir compte de la relative transparence des dispositifs à cristaux liquides : 15% pour les afficheurs monochromes et moins de 5% pour les écrans couleur du fait de l'interposition du masque coloré.

Éclairage transmissif : L’écran fonctionne avec un rétro-éclairage (TV, moniteur informatique, appareil photo et caméra) par une ou des lampes à décharge à cathode froide dont la lumière est répartie par deux réseaux de prismes orthogonaux.

Le principal avantage est la facilité d'utilisation avec une lumière ambiante faible ou moyenne. Les inconvénients sont:

  • Une luminosité limitée (problématique en plein soleil);
  • La consommation électrique de la source lumineuse;
  • La durée de vie limitée des lampes (ce qui n'est plus le cas pour les écrans récents utilisant des LEDs).

Projection: L'éclairage transmissif est également utilisé dans les projecteurs, où l'image d'un écran ACL couleur de petite taille (environ 2 cm de diagonale) est projetée par un dispositif optique comparable à un projecteur de diapositive utilisant une lampe halogène de forte puissance. Les meilleurs résultats sont obtenus en utilisant 3 écrans monochromes et un ensemble de filtres et de prismes décomposant et recomposant le spectre lumineux.

Éclairage réflectif : L’écran fonctionne avec la réflexion de la lumière incidente, très utilisé pour les assistants numériques personnels, les calculatrices, les baladeurs et les montres. Il s'utilise surtout avec les écrans monochromes, suffisamment transparents.

  • L'avantage : Une luminosité naturellement adaptée à l'éclairage ambiant ;
  • Le principal inconvénient : Illisible quand l'éclairage ambiant est faible.

Éclairage transflectif : Il combine un dispositif réflectif et un rétro-éclairage transmissif. Disponible sur de nombreux assistants personnels (PDA) et certains appareils photo.

Les caractéristiques d'un écran ACL

Les mesures sont définies par la norme ISO 13406-2 dont la règle la plus connue concerne les pixels défectueux qui répartit les écrans en 4 classes suivant le nombre de défauts par millions de pixels :

Classe Blancs Noirs Sous-pixels Par 5 pixels Consécutifs
I 0 0 0 0 0
II 2 2 5 1 2
III 5 15 50 2 2
IV 50 150 500 - -

Parmi les autres mesures définies :

Définition en nombre de pixels : Le nombre de points constituant l'image visible.
Dimensions : C'est la diagonale qui est indiquée en pouces (2,54 cm) ou en centimètre.
Angle de vision horizontal et vertical : Indique jusqu'à quel angle on peut observer l'image avec un contraste supérieur à 10:1 (ce qui est très peu par rapport au contraste de face !). Les performances généralement indiquées ne sont pas celles définies par la norme ISO, moins flatteuses.
Contraste : Rapport de luminosité entre un pixel blanc et un pixel noir. Souvent obtenue en poussant la luminosité au-delà de l'utilisable (pour un écran informatique, la valeur recommandée est d'environ 100 cd/m²)
Luminosité : (en toute rigueur c'est la luminance) Mesurée dans l'axe, en cd/m²
Temps de réponse : L'ISO définit le temps total de l'aller retour blanc->noir->blanc. Il est souvent meilleur que celui nécessaire à la transition blanc->gris->blanc, plus représentative d'une utilisation courante.

Les valeurs janvier 2008 :

Caractéristiques Moniteurs Téléviseurs Projecteurs
Définition en nombre de pixels 1024x768 à 1920×1200 1024x768 à 1920×1080 1920×1080
Diagonale 15 à 30" = 76 cm 15 à 110"[1] = 279 cm
Angle de vision horizontal et vertical 178° 178° -
Contraste 600:1 à 3000:1 600:1 à 3000:1 3000:1
Luminosité cd/m² 250 à 320 300 à 550 -
Temps de réponse 2 à 16 ms 2 à 16 ms  ?

Certains écrans revendiquent un contraste "dynamique" de 3000:1 mais pour lire on règle le contraste à beaucoup moins que 3000:1 pour ne pas être ébloui.

Chromaticité

Gamut de couleurs restitué par un écran
Gamut de couleurs restitué par un écran

La Commission Internationale de l'Éclairage (CIE) a déterminé sur un échantillon de la population la gamme de couleurs que l'œil humain sait discerner et distinguer. La plupart des moyens de restitution (écrans, imprimantes) sont loin de pouvoir reproduire l'ensemble de cette gamme de couleur.

Les écrans ACL ont beaucoup progressé en qualité de couleurs et la plupart dépasse l'étendue de couleur (gamut) sRGB, référence sous Windows, et certains modèles professionnels approchent du gamut NTSC utilisé par la télévision.

Une nouvelle technique d'éclairage se démocratise en 2007 qui remplace la lampe à décharge par un ensemble de diodes électroluminescentes blanches. Celles-ci permettent à l'ACL de couvrir 114% de l'espace NTSC et offrent un réglage beaucoup plus stable de l'équilibre des couleurs ainsi qu'une très bonne uniformité d'éclairage.

Technologies

Écran ACL-TN: 1: Plaque de verre; 2 & 3: Polarisants vertical et horizontal; 4: Filtre couleur RVB; 5 & 6: Electrodes horizontales et verticales; 7: Couches polymère d'alignement; 8:Billes d'espacement
Écran ACL-TN: 1: Plaque de verre; 2 & 3: Polarisants vertical et horizontal; 4: Filtre couleur RVB; 5 & 6: Electrodes horizontales et verticales; 7: Couches polymère d'alignement; 8:Billes d'espacement

TN, DSTN

La technologie de base, le TN (Twisted nematic) fut la plus répandue malgré des insuffisances dans le rendu des couleurs et le contraste ainsi qu'un fort traînage. Elle a été améliorée dans les écrans DSTN (Dual scan twisted nematic) qui améliore la stabilité de l'image en procédant à sa formation par un double balayage. Malgré des améliorations successives, ces technologies dites à matrice passive ont un contraste limité à 50:1, une qualité moyenne des noirs en général. Des écrans à double couche (Double Super Twisted nematic) ont également été produits pour optimiser l'équilibre chromatique de la lumière produite.

Les écrans TN et DSTN sont transparents au repos.

Écran ACL-TFT: par rapport au ACL-TN 5 & 6: lignes de commande horizontales et verticales; 7: polymère d'alignement; 9: transistors; 10: électrode frontale; 11: électrodes élémentaires
Écran ACL-TFT: par rapport au ACL-TN 5 & 6: lignes de commande horizontales et verticales; 7: polymère d'alignement; 9: transistors; 10: électrode frontale; 11: électrodes élémentaires

TFT

Sa variante TFT, est la plus utilisée dans les écrans couleur pour informatique et la télévision. Elle remplace la grille d'électrodes avant par une seule électrode en ITO (oxyde d'indium-étain InSn2O3) et la grille arrière par une matrice de transistors en film mince (Thin-film transistor), un par pixel (trois par pixel en couleur) qui permet de mieux contrôler le maintien de tension de chaque pixel pour améliorer le temps de réponse et la stabilité de l'affichage.

La plupart des écrans ACL couleur de qualité utilisent aujourd'hui cette technologie TFT dite à matrice active qui ont permis d'obtenir des temps de réponse en dessous de 10 ms. Le contraste reste toutefois limité aux alentours de 300:1 que seuls les écrans de type PVA dépassent.

Le film mince de silicium est gravé avec les procédés de fabrication des dispositifs à semiconducteurs sur un dépôt extrêmement mince (quelques centaines de micromètre) de silicium. On ne sait pas actuellement déposer du silicium monocristallin car il est impossible de faire croître celui-ci sur du verre (à la température nécessaire, 1450 °C, le verre est presque liquide).

Schéma électrique équivalent; le pixel inférieur est affiché jaune
Schéma électrique équivalent; le pixel inférieur est affiché jaune

Le silicium est déposé par diffusion gazeuse (on obtient alors une couche amorphe) ou par recuit d'une fine tranche de silicium (le silicium reste localement cristallisé : polycristallin). Ce recuit peut se faire :

  • par étuvage de l'ensemble, ce qui n'est possible qu'avec du quartz du fait de la température >1000° C nécessaire. Cette technique est utilisée pour les panneaux ACL pour projection dont les faibles dimensions sont compatibles avec celles des lames de quartz.
  • par chauffage localisé par balayage avec un faisceau laser.

Une couche polycristalline permet de graver des circuits plus performants d'un facteur 100 par rapport au silicium amorphe et, bien sûr, d'obtenir une plus grande finesse.

Les écrans TFT hors tension sont noirs.

IPS et S-IPS

La technologie IPS (In-Plane Switching) développée par Hitachi en 1996 perfectionne la technologie TN-TFT en utilisant des cristaux liquides dont l'axe est parallèle au plan de l'écran. L'angle de vision est très large mais le nombre de transistors double, diminuant la transparence.

MVA et PVA

Un perfectionnement, le MVA (Multi-domain Vertical Alignment), a été introduit en 1998 par Fujitsu et améliore sa technologie VA en intégrant plusieurs domaines de réfraction par cellule, augmentant la qualité du noir (<1 cd/m²) permettant ainsi d'améliorer fortement le contraste utile et l'angle de vision. Le dernier développement en est le PVA (Patterned Vertical Alignment) par Samsung qui atteint des noirs de 0,15 cd/m² permettant un contraste de 1000:1.

Les écrans MVA sont opaques au repos.

Fabrication

Procédé

Le processus de fabrication des dalles ACL est très automatisé et utilise une succession de machines de très haute précision en atmosphère contrôlée. Le point de départ de chaque face est une dalle de verre de grande dimension (jusqu'à 1,9 m par 2,2 m pour la "génération 7") sur laquelle sont préparés plusieurs écrans simultanément. Elles sont découpées après l'assemblage par collage des deux côtés.

Le verre utilisé doit pouvoir être produit en faible épaisseur (inférieure au millimètre) et résister aux différents traitements chimiques et thermiques sans déformation (température de transition vitreuse supérieure à 600° C) ni perte de transparence (résistance aux dérivés fluorés). À cet effet, on utilise des verres à forte teneur en silice, sans addition de baryum.

La vitre avant reçoit successivement les pigments du masque coloré, une couche de protection, une couche d'ITO (électrode avant) puis de polyimide. Celle-ci est légèrement rainurée par frottement avec un velours spécial. La vitre arrière suit un processus plus complexe : dépôts de silicium, de métaux pour les électrodes, les lignes de données et condensateur (Tantale, Aluminium), oxydation, photolithographie, puis espaceurs et finalement le polyimide.

L'assemblage par collage doit être extrêmement précis (de l'ordre du micromètre) pour assurer une parfaite correspondance entre le masque coloré et les sous-pixels. Alors seulement l'ensemble est rempli avec la solution de cristaux liquides. La dernière opération est l'application d'un film polarisant (acétate de polymère) de chaque côté de l'assemblage.

Ordres de grandeur

Un écran à cristaux liquides TFT couleur Casio de 1,8
Un écran à cristaux liquides TFT couleur Casio de 1,8" qui équipe les appareils photographiques numériques compacts Sony Cyber-shot DSC-P93A

Pour mieux se rendre compte de certains problèmes d'industrialisation :

  • les plaques de verre ont une épaisseur inférieure à 1 mm (couramment 0,7 mm) ;
  • l'épaisseur des électrodes en ITO, 100 à 150 µm, leur donne une bonne transparence ;
  • Les films polyimide sont extrêmement fins : 10 à 20 µm ;
  • La couche de cristaux liquides se glisse dans un espace de 10 à 20 µm, soit moins de 1/100 de l'épaisseur totale, ce qui rend très long le remplissage des écrans de grande taille ;
  • Dans les écrans TFT, la couche de silicium ne dépasse pas 100 µm ;
  • Compte tenu de ces dimensions, la quantité de cristaux liquides dans un écran de 1 m de côté est de l'ordre de 20 cm³ soit 2 cL !

Perfectionnements récents

Ils visent à améliorer :

  • le temps de réponse :
    • Overdrive : Technique de commande consistant à appliquer une impulsion de tension plus élevée que nécessaire à l'obtention d'un niveau de gris pendant le début du cycle. Le temps de réponse blanc->gris se rapproche ainsi du blanc->noir ;
  • le contraste et la profondeur du noir en diminuant la proportion de surface occupée par le masque tout en rejetant au mieux la lumière parasite ;
    • Électrodes sur résine : Les électrodes ITO ne sont plus déposées sur le substrat entre les pistes mais après remplissage par une fine couche de résine, sur celle-ci, permettant aux électrodes d'avoir la taille maximale efficace,
    • Masque sur couche TFT : En complément du masque entre les pavés de couleur du filtre RVB, un masquage est directement appliqué sur la couche TFT entre les électrodes de chaque cellule ;
  • la qualité :
    • Espaceurs photogravés : Les billes d'espacement sont dispersées aléatoirement et peuvent endommager le filtre RVB ou gêner le fonctionnement. Elles sont remplacées par des cônes découpés dans de la résine époxy photosensible positionnés à des emplacements optimaux.
  • la qualité et l'uniformité des couleurs
    • Rétro-éclairage par DEL (diodes électroluminescentes).

Autres procédés de fabrication

Parmi les technologies alternatives utilisant les cristaux liquides, Philips vient de présenter des prototypes de ACL "peints" ou paintable display produit par un processus plus simple (dépôt de couches superposées) se terminant par une photogravure des cellules de cristaux liquides (photo-enforced stratification).

Avenir et concurrence

L'écran ACL zéro énergie

Le dispositif "zenithal bistable device" (ZBD), développé par la société britannique QinetiQ conserve une image sans alimentation électrique.

La société française Nemoptic développe une autre technologie zéro-énergie, la technologie nématique bistable BiNem®, qui permet d'afficher des niveaux de gris et même de fabriquer des écrans couleur et se trouve désormais au stade de la pré-industrialisation pour des applications allant de l'ultra-portable (e-livre, e-dictionnaire) à l'étiquette électronique.

Les technologies émergentes concurrentes

Écrans

  • Les écrans électrolumiscents à OLED (Organic light-emitting diode) ;
  • Les écrans électrochromes utilisant les propriétés des viologènes (dérivés de la 4,4'-bipyridine) ;
  • Reprenant en le simplifiant et le démultipliant le principe des tubes cathodiques (impact d'électrons accélérés sur un "phosphore") les SED (Surface-conduction Electron-emitter Display) semblent plus prometteurs à terme que les écrans plasma. Pour l'instant (août 2007), la date de fin 2007 n'est pas confirmée pour les premiers téléviseurs.

Projection

  • Les cellules DLP (Digital Light ProcessingTM) utilisant des miroirs oscillants microscopiques, les DMD (Digital Micromirror Device) ;
  • la technologie LCOS (Liquid Crystal On Silicium), très récente, ajoute une couche réfléchissante entre les TFT et les cristaux liquides.

Notes et références de l'article

Page générée en 0.714 seconde(s) - site hébergé chez Contabo
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
A propos - Informations légales | Partenaire: HD-Numérique
Version anglaise | Version allemande | Version espagnole | Version portugaise