Les affichages par cristaux liquides

Les affichages à cristaux liquides sont de plus en plus présents dans notre vie quotidienne. Autrefois limitée aux petits écrans en noir et blanc, comme pour les montres, la technologie s'est développée pour permettre la construction d'écrans toujours plus grands et toujours plus fidèles dans la restitution des images. Ce dossier nous présente le principe de fonctionnement de cette technologie.



Les auteurs de ce dossier sont Cécilia Welti, Jean Philippe Lebour et Charly Liddell, un grand merci à eux. Plus de renseignements sur les auteurs sont disponibles sur leur site: lien

Introduction

La question à l'origine de ce dossier est: comment peut on obtenir des écrans plats avec un affichage de si bonne qualité et une telle disparité de coût, à partir de cristaux-liquides ?



Nous répondons à cette question dans le dossier, qui s'articule en trois parties:
- Introduction et présentation des cristaux liquides (par Cecilia)
- Principe de fonctionnement d'un affichage cristal liquide (par Charly)
- Les écrans de haute qualité avec couleur (par Jean-Philippe)

Il y a à peine plus d'un siècle, en 1888, un botaniste autrichien, Reinitzer, fit une découverte révolutionnaire et surprenante: en étudiant des cristaux de benzoate de cholestérol, il s'aperçut qu'ils ne se comportaient pas comme des cristaux habituels.



En effet, ils fondent à 145,5 °C, en se transformant en un fluide laiteux, qui devient ensuite un liquide parfaitement clair à 178,5°C. Ces observations engendrèrent alors multes études amenant les cristallographes, en 1900, à conclure sur un nouvel état de la matière: le cristal liquide.



- Au niveau de leur configuration, les molécules d'un cristal liquide se présentent le plus souvent comme des bâtonnets de quelques nanomètres de longueur et quelques dixièmes de nanomètre de section. Plus rarement, certaines sont des disques ou des pyramides.

- Au niveau de leur structure chimique, la plupart des cristaux liquides sont constitués de molécules organiques, c'est à dire à base de carbone, qui comportent au moins deux parties différentes par:

* Leur structure: une partie rigide et une partie flexible
* Leurs propriétés: une partie hydrophile et une partie hydrophobe
* La mixité des groupements associés: un groupe hydrocarboné et un autre fluo carboné.



Le cristal liquide est donc un nouvel état de la matière, n'entrant alors pas dans la classification habituelle distinguant trois états: solide cristallin, liquide, et gaz, et les faisant entrer dans la grande famille de la matière molle.

Mais en 1905, Lehmann parvient à convaincre que l'état cristal liquide est un état de la matière à part entière. En effet il met en évidence des discontinuités dans les transitions de phase.

A l'inverse d'un cristal, dans lesquels les atomes et les molécules sont un arrangement ordonné et périodique, et d'un liquide où ces ordres sont complètement perdus, un cristal liquide standard a ses molécules-bâtonnets disposées n'importe où, mais tout en se déplaçant les unes par rapport aux autres du fait de l'agitation thermique, elles restent en moyenne parallèles entre elles. On parle alors de mésophases.

Cet ordre partiel dans l'organisation des molécules permet ainsi aux cristaux liquides de revêtir des apparences très diverses: solide, caoutchouteuse, gélatineuse ou pâteuse.
Alors Friedel, en 1920, établit une classification reposant sur des critères d'ordre et de symétrie dans les arrangements moléculaires.



Il baptisa trois grandes classes de cristaux liquides:

- La phase nématique, qui est la moins ordonnée où les molécules ont simplement tendance à s'aligner parallèlement les unes aux autres, et présentant des défauts ressemblant à des fils (nematos en grec).

- La phase cholestérique qui doit son nom à sa découverte dans des dérivés du cholestérol. Elle est faite d'un arrangement en hélice des molécules chirales. On la décrit comme un empilement continu de plans dans chacun desquels règne un ordre nématique. Friedel présentait la phase cholestérique comme une manière d'être spéciale de la phase nématique.

- La phase smectique, enfin, a été nommée ainsi à cause de propriétés mécaniques proches de celle d'un film savonneux (smectos en grec). Les molécules y sont alignées parallèlement les unes aux autres mais en étant regroupées en couches parallèles régulièrement espacées.



Le cristal liquide est donc un nouvel état de la matière, très étonnant et complexe dans ses propriétés chimiques et de constitution, qui va permettre de nouvelles créations et réalisations dans diverses domaines, après maîtrise de sa structure et de son fonctionnement grâce aux études faites.

Le fonctionnement des écrans à cristaux liquides repose sur des changements d'état optique en présence d'un champ électrique.

L'effet nématique torsadé est utilisé dans presque tous les écrans LCD actuels. Voici son principe:



- Deux surfaces de verre sont recouvertes d'un film conducteur pour créer une différence de potentiel. On applique un champ électrique.

- On dépose sur la paroi intérieure un surfactant afin d'orienter les molécules, et les brosser suivant une certaine direction.

- On accole un polariseur à l'extérieur de chaque surface de verre, puis on fait tourner la plaque inférieure de 90° afin que le polariseur et l'analyseur soient placés perpendiculairement.

- On introduit entre les deux surfaces un cristal liquide nématique à anisotropie diélectrique positive.

- On obtient donc un nématique dont l'orientation des molécules tourne d'un quart de tour (90°) entre l'électrode du haut et celle du bas (schéma a). La lumière est guidée par ces molécules, elle ressort donc librement de la cellule, suivant la direction de l'analyseur. La cellule est allumée.

- Lorsque l'on applique un champ électrique entre les électrodes, les molécules s'alignent progressivement suivant la direction du champ (schéma b). La lumière n'est plus déviée par les molécules, elle est donc stoppée par l'analyseur car celui-ci est perpendiculaire. La cellule est éteinte.

- Si on coupe le champ électrique, la structure en hélice des molécules se reforme, et la cellule se rallume.

On peut, en segmentant les électrodes d'une manière précise, et en les commandant électriquement de façon individuelle, former des caractères ou des chiffres. Chaque segment de l'image est appelé pixel.



On peut obtenir différents niveaux de gris en appliquant des tensions plus ou moins élevées selon l'opacité désirée. Pour fabriquer des écrans possédant une bonne qualité d'image, il faudra donc que le contraste soit le plus élevé possible, la courbe doit s'étaler entre V10 et V90 (schéma).


Courbe typique de transmission de la lumière à travers un
nématique torsadé en fonction de la tension qui lui est appliquée

La différence entre les écrans est due aux électrodes de commande.

Les écrans DSTN

Sur les écrans classiques (DSTN), les électrodes de ligne parallèle sont disposées sur l'une des deux plaques et les électrodes de colonne sur l'autre. Ce type d'écran est facile à fabriquer, mais présente un inconvénient majeur lors du passage de tension dans une ligne. Le pixel adjacent se charge partiellement et se tourne légèrement ce qui entraîne un mauvais contraste.

Pour résoudre ce problème on a inventé des écrans où les cristaux liquides, au lieu d'être tournés d'un quart de tour au repos sont tournés de trois quart de tour. Le contraste est ainsi supérieur mais d'une réalisation beaucoup plus complexe donc d'un prix plus élevé. On a aussi une perte de contraste lorsque l'angle de vue s'écarte de la normale, même avec l'utilisation de filtres compensatoires.

Ces cristaux présentent malheureusement l'inconvénient d'être peu stables, bougeant entre deux balayages, entraînant des pertes de contrastes, des parasites ou des effets de flottement.

Même avec ces défauts les écrans à matrices passives ou écrans LCD DSTN restent les moins chers autant au niveau monétaire qu'au niveau énergétique. Seuls les écrans à matrices actives ou écrans LCD TFT permettent des économie presque égales au niveau énergétique sans toutefois les égaler.

Les écrans LCD

Les écrans LCD à matrices actives, ou écrans LCD TFT sont en fait une variante de l'écran à cristaux liquides DSTN. A la place des électrodes de commande en lignes et en colonnes, des transistors, directement reliés aux pixels, sont situés au niveau de la surface interne de l'écran.

Lorsque l'un de ces transistors est sous tension, le pixel correspondant s'allume, il reçoit une tension constante, ainsi il ne subit pas de pics de tension à chaque rafraîchissement de ligne. Il n'y a donc plus de problème de contraste.

Les transistors fonctionnent comme la mémoire vive d'un micro ordinateur. Ils doivent être rafraîchis à intervalles réguliers sinon ils perdraient leur tension petit à petit.

Les écrans à matrice active sont les meilleurs systèmes d'affichage pour les écrans de portables, ils offrent non seulement une image claire sans effet de flou et un grand angle de vue mais également un niveau de luminosité constant.

De plus ils présentent un excellent contraste et une grande vitesse de défilement grâce à leur fréquence de rafraîchissement élevée. Mais un inconvénient majeur des écrans LCD TFT est leur coût. Il y a deux raisons qui permettent d'expliquer ce coût.

Tout d'abord, ces écrans sont très difficiles à fabriquer, seul un écran sur cinq quitte les chaînes de fabrication et parmi ces écrans certains possèdent encore des défauts. De plus, plus la taille de l'écran augmente plus le taux de défauts est important.

Ensuite, l'élément rectangulaire qui n'est en fait que l'écran intègre une succession de couches superposées. La première comporte une lampe qui éclaire uniformément la totalité de l'écran. Devant, on trouve une couche rectangulaire, égale à la surface d'affichage, composée de bâtonnets de cristaux liquides. Entre ces 2 couches se trouve un réseau de transistors qui contrôlent électriquement l'état des cristaux.

A chaque pixel correspondent 3 bâtonnets (1 par couleur), chacun d'entre eux étant contrôlé par 1 transistor propre. La résolution maximum est donc fonction du nombre de transistors. Par exemple pour un écran LCD de 15" en diagonale avec une résolution de 1024*768, il faut 2.539.296 transistors et bâtonnets.



Le principe de fonctionnement de la couleur est basé sur un principe de damier composé de nombreux pixels, chacun recouvert d'un filtre de la couleur d'une des trois couleurs primordiales: le bleu, le rouge et le vert.

Pour faire apparaître une couleur sur l'écran, on augmente l'intensité du courant au niveau du pixel de la couleur désirée tout en diminuant celle des autres si la couleur désirée est l'une des trois couleurs primordiales. En augmentant l'intensité, les cristaux liquides contenus dans le pixel vont s'orienter de façon à laisser passer le plus de lumière possible. En la diminuant les cristaux liquides s'orienteront en fonction de l'intensité: moins elle sera élevée, moins les cristaux tourneront, moins la lumière passera. Si la couleur désirée est autre, grâce à la loi de complémentarité des couleurs, on augmente l'intensité du courant dans deux pixels pour obtenir la couleur désirée et on la diminue dans le troisième.



On obtiendra donc à chaque fois trois couleurs mais comme un pixel est vraiment très petit, et que sur un écran tous les pixels sont collés les uns aux autres, l'œil ne peut pas voir la différence de couleur car dans tous les cas une couleur prédomine, l'œil voit un ensemble et dans cet ensemble il ne voit que la couleur prédominante.