L' écran à cristaux liquides (liquid cristal display, LCD, 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. Image:Tablet HP TC-1100.jpg Image:Pentax-istD S.jpg
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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).
L'écran LCD (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. A chacune des interfaces avec les cristaux liquides, une couche de polymère, généralement un polyimide, rainurée assure l'ancrage des molécules au repos. Image:LCD layers.png 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: 20 µm) épaisseur 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. Image:LCD Segments-Pixels.png 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 LCD 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).
Image:3g-mobile.jpg Image:Color-LCD Display Macro-View.jpg 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. Afin d'améliorer la précision de rendu des couleurs, les bandes RVB sont séparées par une bande noire opaque.
La technologie TN ne permet pas l'affichage de plus de 262 000 couleurs (3*6 bits). L'affichage de 16 millions de couleurs (3*8 bits) utilise une technique d'approximation par clignotement (dithering) qui alterne l'affichage de 2 couleurs qui encadrent la "vraie".
Il existe plusieurs modes d’éclairage adapté 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 :
Des prototypes de LCD rétro-éclairés par une matrice de diodes électroluminescentes (LED) blanches ont été présentés; ils améliorent nettement l'uniformité d'éclairage et promettent une durée de vie équivalente à celle du panneau LCD.
Projection: l'éclairage transmissif est également utilisé dans les projecteurs, où l'image d'un écran LCD 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.
Éclairage transflectif: il combine un dispositif réflectif et un rétro-éclairage transmissif. Disponible sur de nombreux assistants personnels (PDA) et certains appareils photo.
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:
Image:523 Samsung 82inch 500x317px.jpg Les valeurs courantes en 2005:
| Moniteurs | Téléviseurs | Projecteurs | |
|---|---|---|---|
| Définition en nombre de pixels | 1600*1200 | 1920*1080 | 1280*720 |
| Diagonale | 23" = 52 cm | 47" = 1,20 m | 0,8" = 2 cm |
| Angle de vision horizontal et vertical | 160° | 178° | - |
| Contraste | 300:1 | 600:1 | 1200:1 |
| Luminosité cd/m² | 300 | 600 | - |
| Temps de réponse | 16 ms | 8 ms | ? |
Image:Gamut-CIE sRGB NTSC.png 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 LCD 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.
Voir l'article Codage informatique des couleurs.
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 et une mauvaise qualité des noirs. 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.
Image:Color TFT-LCD Layout.png
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 LCD couleur de qualité utilisent aujourd'hui cette technologie TFT dite à matrice active qui restent aujourd'hui une référence en termes de temps de réponse. 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). Image:Color TFT-LCD Cells-Schematic.png 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:
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.
Les écrans MVA sont opaques au repos.
Le processus de fabrication des dalles LCD 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). A 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.
Pour mieux se rendre compte de certains problèmes d'industrialisation:
Ils visent à améliorer:
Parmi les technologies alternatives utlisant les cristaux liquides, Philips vient de présenter des prototypes de LCD "peints" ou paintable display produit par un processus plus simple (dépot de couches superposées) se terminant par une photogravure des cellules de cristaux liquides (photo-enforced stratification).
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, qui permet d'afficher des niveaux de gris et même de fabriquer des écrans couleur.
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