Écran à cristaux liquides - Définition

Éclairage

En fonction de la relative transparence des dispositifs à cristaux liquides : 15 % pour les afficheurs monochromes, et moins de 5 % pour les écrans couleurs, du fait de l’interposition du masque coloré, plusieurs modes d’éclairage ont été adaptés :

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.

Les caractéristiques sont :

• Une luminosité insuffisante si l’écran est en plein soleil.
• La consommation électrique de la source lumineuse, deux à trois fois moindre qu’un tube cathodique, soit 10 à 40 W selon l’éclairage, pour un écran 48 cm (19 pouces), et moins d’1 W en veille.
• La durée de vie des lampes : 2,4 fois plus qu’un écran cathodique, avec 60 000 heures, soit 33 ans si l’écran est allumé 5 heures par jour.

Projection : l’éclairage transmissif est également employé pour les projecteurs, où l’image d’un écran à cristaux liquides couleur de petite taille, d’environ 2 cm de diagonale, est projetée par un dispositif optique comparable à un projecteur de diapositives comprenant une lampe halogène de forte puissance. Les meilleurs résultats sont obtenus en combinant trois écrans monochromes à un ensemble de filtres et de prismes, décomposant et recomposant le spectre lumineux.

Éclairage réflectif : l’écran tire parti de la lumière incidente; cette caractéristique est très intéressante pour les assistants numériques personnels, les calculatrices, les baladeurs et les montres. Il est employé pour les écrans monochromes, suffisamment transparents.

• Les avantages : une luminosité adaptée à l’éclairage ambiant et une réduction de la consommation électrique due à l’absence du système de rétroéclairage ;
• Le principal inconvénient : illisibilité quand l’éclairage ambiant est faible.

Éclairage transflectif : il combine un dispositif réflectif à un rétro-éclairage transmissif. Il est employé pour de nombreux assistants personnels (PDA) et certains appareils photographiques.

Fabrication

Procédé

Le processus de fabrication des dalles de cristaux liquides est très automatisé et comprend, en atmosphère contrôlée, une succession de machines de très haute précision. 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, puis collées des deux côtés.

Le verre utilisé doit, à la fois, être de faible épaisseur, inférieure à un millimètre, et résister sans déformation aux différents traitements chimiques et thermiques (température de transition vitreuse supérieure à 600 °C) sans perdre de sa transparence (résistance aux dérivés fluorés). À cet effet, on utilise du verre 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 condensateurs (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, en acétate de polymère, de chaque côté de l’assemblage.

Ordres de grandeur

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 des contraintes lors de l’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 polyimides sont extrêmement fins : 10 à 20 µm ;
• la couche de cristaux liquides s’insinue dans un espace de 10 à 20 µm, soit moins de ¹⁄₁₀₀ de l’épaisseur totale, ce qui rend le remplissage des écrans de grande taille très long ;
• dans les écrans TFT, la couche de silicium ne dépasse pas 100 µm ;
• compte tenu de ces caractéristiques, la quantité de cristal liquide que renferme un écran d’un mètre de côté est de l’ordre de 20 cm³, soit 2 cL.

Perfectionnements récents

Ils visent à améliorer :

• le temps de réponse :
  • overdrive : cette technique de commande consiste 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 de celui 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, ce qui permet aux électrodes d’avoir la taille maximale efficace,
  • masque sur couche TFT : en complément du masque entre les pavés de couleurs 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 en 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 diodes électroluminescentes (DEL).

Autres procédés de fabrication

Parmi les technologies alternatives employant des cristaux liquides, la compagnie Philips vient de présenter des prototypes d’écrans à cristaux liquides « peints » ou paintable display, produits selon un processus plus simple (dépôt de couches superposées) se terminant par une photogravure des cellules de cristaux liquides (photo-enforced stratification).