Écran à cristaux liquides

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

Présentation

Il emploie la polarisation de la lumière par des filtres polarisants et par la biréfringence de certains cristaux liquides en phase nématique, et dont on peut faire fluctuer l'orientation selon le champ électrique. Du point de vue optique, l'écran à cristaux liquides est un système passif : il n'émet pas de lumière, sa transparence fluctue, et il doit par conséquent être éclairé.

Initialement disponible en monochrome et de petite taille, il est utilisé dans les calculettes et les montres du fait de sa faible consommation électrique ; il permet aujourd'hui d'afficher en couleurs dans des dimensions dépassant un mètre, en diagonale. Il a supplanté le tube cathodique dans la majorité des applications, sauf en particulièrement haute définition quand la palette des couleurs doit être précise et fidèle, et dans les environnements complexes, comme lors de températures inférieures à 5 °C).

Détails techniques

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

Les deux faces internes des plaques de verres comportent une matrice d'électrodes transparentes, une pour le noir et blanc, et une pour les trois couleurs des pixels. L'épaisseur du système et la nature des cristaux liquides sont choisis de façon 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 par conséquent une variation de la transparence de la totalité du système.

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

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 à cristaux liquides monochromes reposent sur le même principe, mais emploient fréquemment des électrodes avant en forme de segment de caractère, de manière à simplifier l'électronique (commande directe en tout ou rien), tout en obtenant une très bonne lisibilité (pas de balayage).

Cristaux liquides 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. Le plus souvent le filtre est une succession de bandes verticales alternant les trois couleurs. Il y a cependant d'autres répartitions décalant les couleurs d'une ligne à l'autre.

Afin de perfectionner la précision de rendu des couleurs, les éléments du filtre RVB sont scindés par une bande noire opaque.

La technologie TN ne permet pas l'affichage de plus de 262 144 couleurs (3×6 bits), l'affichage de 16 millions de couleurs (3×8 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

En fonction de la relative transparence des systèmes 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^[1], 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^[1], soit 33 ans si l'écran est allumé 5 heures par jour.

Projection : l'éclairage transmissif est aussi utilisé 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 système 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 particulièrement intéressante pour les assistants numériques personnels, les calculatrices, les baladeurs et les montres. Il est utilisé 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 dispositif de rétroéclairage;
• Le principal inconvénient : illisibilité lorsque l'éclairage ambiant est faible.

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

Les caractéristiques d'un écran à cristaux liquides

Les mesures sont définies par la norme ISO 13406-2, dont la règle la plus connue concerne les pixels défectueux, et qui répartit les écrans en 4 classes selon 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 qui le caractérisent :

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 centimètres.

Angle de vision horizontal et vertical : indique jusqu'à quel angle on peut observer l'image, avec un contraste supérieur à 10 :1 (très faible comparé au contraste de face). Les performances le plus souvent indiquées ne sont pas celles définies par la norme ISO, moins flatteuse.

Contraste : rapport de luminosité entre un pixel blanc et un pixel noir. Fréquemment obtenue en poussant la luminosité au-delà de l'utilisable (pour un écran informatique, la valeur recommandée est d'environ 100 cd/m²)

Les constructeurs exhibent des écrans ayant des contrastes artificiels de 10000 :1 ou alors énormément plus, tandis qu'un contraste supérieur à 1000 :1 représente déjà une valeur exceptionnelle pour un LCD.

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 fréquemment plus optimiste que celui indispensable à la transition blanc → gris → blanc plus représentative d'une utilisation courante.

Les valeurs disponibles en mai 2008 pour les écrans du commerce :

Caractéristiques	Moniteurs	Téléviseurs	Projecteurs
Définition en nombre de pixels	1024×768 à 2560×1600	1024×768 à 1920×1080	1920×1080
Diagonale	38 à 76 cm (15 à 30″)	38 à 279 cm (15 à 110″) [2]
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	1.2 ms

Certaines dalles LCD, non commercialisées pour le grand public, atteignent des définitions bien plus importantes. Certains écrans revendiquent un contraste «dynamique» de 3000 :1 mais pour pouvoir lire on doit ajuster le contraste à une valeur bien moindre que 3000 :1, pour éviter l'éblouissement.

Chromaticité

La Commission internationale de l'éclairage (CIE) a déterminé selon un échantillon de la population la gamme de couleurs que l'œil humain peut discerner et distinguer. La majorité des systèmes de restitution (écrans, imprimantes) sont loin de pouvoir reproduire la totalité de cette gamme de couleurs.

Les écrans à cristaux liquides ont énormément progressé dans la qualité des couleurs, et leur gamme dépasse l'étendue de couleurs (gamut) sRGB, correspondant à Windows, et certains modèles professionnels approchent du gamut NTSC utilisé pour la télévision.

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

Consommation d'énergie

Les grands écrans sont toujours de grands consommateurs d'électricité. Sony a présenté début 2009 un téléviseur^[3] consommant 40 % d'électricité en moins (153 W contre 263 W) que les téléviseurs LCD antérieurs (Liquid Crystal Display ou affichage à cristaux liquides), en remplaçant le rétroéclairage classique à cathode froide (CCFL, cold cathode fluorescent lamp) par un rétroéclairage à cathode chaude (HCFL, hot cathode fluorescent lamp). Un détecteur de présence met le moniteur en veille dès que le spectateur s'absente et le réactive lorsque quelqu'un s'approche, et une «mise en veille sans aucune consommation électrique» complète ce système^[4].

Cela correspond à 56 kWh si l'appareil est en fonctionnement 4, 5 heures par jour ainsi qu'à 23 kg de CO₂ émis en moins, pour une année.

Technologies

TN, DSTN

La technologie de base, le TN (Twisted nematic) fut la plus commune malgré des insuffisances dans le rendu des couleurs et leur contraste, ainsi qu'un fort traînage. Elle a été perfectionnée pour les écrans DSTN (Dual scan twisted nematic) qui ont une meilleure stabilité de l'image en la constituant par un double balayage. Malgré des améliorations successives, ces technologies dites à «matrice passive» offrent un contraste limité à 50 :1, et une qualité moyenne des noirs généralement. Des écrans à double couche (Double Super Twisted nematic) ont aussi été produits pour perfectionner l'équilibre chromatique de la lumière produite.

Les écrans TN et DSTN sont transparents au repos.

TFT

Sa variante TFT est la plus utilisée pour les écrans couleurs, en informatique et pour 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 et trois par pixel de couleurs, qui sert à mieux contrôler le maintien de tension de chaque pixel, pour perfectionner le temps de réponse et la stabilité de l'affichage.

La plupart des écrans à cristaux liquides couleurs de qualité emploient cette technologie TFT dite à «matrice active», qui a permis d'obtenir des temps de réponse inférieurs à 10 ms. Le contraste reste cependant limité à à peu près 300 :1, et seuls les écrans de type PVA dépassent cette valeur.

Le film mince de silicium est gravé selon les procédés de fabrication des systèmes à semiconducteurs sur un dépôt extrêmement mince, de quelques centaines de micromètre, de silicium. On ne parvient pas aujourd'hui déposer du silicium monocristallin sur du verre, car la température indispensable, de 1 450 °C, liquéfie le verre.

Le silicium est déposé par diffusion gazeuse, et 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 la totalité, ce qui n'est envisageable qu'avec du quartz du fait de la température indispensable, supérieure à 1 000 °C. Cette technique est employée pour les panneaux à cristaux liquides des projecteurs, dont les faibles dimensions sont compatibles avec celles des lames de quartz.
• Par chauffage situé par le balayage d'un faisceau laser.

Une couche polycristalline sert à graver des circuits cent fois plus performants que ceux au silicium amorphe, et d'obtenir une plus grande finesse.

Mis hors tension, les écrans TFT présentent une couleur noire.

IPS et S-IPS

La technologie IPS (In-Plane Switching) développée par Hitachi en 1996 peaufine la technologie TN-TFT en utilisant des cristaux liquides dont l'axe est parallèle au plan de l'écran. L'angle de vision est particulièrement 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 qui perfectionne sa technologie VA, en intégrant plusieurs domaines de réfraction par cellule, augmentant ainsi la qualité du noir (<1 cd/m²), et permettant de perfectionner fortement le contraste utile et l'angle de vision. Le dernier développement en est le PVA (Patterned Vertical Alignment) réalisé par la compagnie Samsung, où les couleurs noires atteignent 0, 15 cd/m² donnant la possibilité un contraste de 1000 :1.

Les écrans MVA sont opaques au repos.

Fabrication

Procédé

Le processus de fabrication des dalles de cristaux liquides est particulièrement 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 divers 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 un peu 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 idéale correspondance entre le masque coloré et les sous-pixels. Alors uniquement, la totalité 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

Pour mieux se rendre compte des contraintes lors de l'industrialisation :

• les plaques de verre ont une épaisseur inférieure à 1 mm, fréquemment 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 particulièrement long ;
• dans les écrans TFT, la couche de silicium ne dépasse pas 100 µm ;
• compte tenu de ces caractérstiques, la quantité de cristal liquide que renferme un écran d'un mètre de côté est de l'ordre de 20 cm³, soit 2 cL.

Peaufinements récents

Ils visent à perfectionner :

• le temps de réponse :
  • overdrive : cette technique de commande consiste à appliquer une impulsion de tension plus élevée que indispensable à l'obtention d'un niveau de gris au cours du 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, situés 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 juxtaposées) se terminant par une photogravure des cellules de cristaux liquides (photo-enforced stratification).

Avenir et concurrence

L'écran à cristaux liquides zéro énergie

Le système 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 couleurs; elle en est au stade de la pré-industrialisation, pour des applications allant des appareils ultra-portables (e-livre, e-dictionnaire) aux étiquettes électroniques.

Les technologies émergentes concurrentes

Écrans

Les écrans électrolumiscents ou OLED (Organic light-emitting diode) comprennent des diodes électroluminescentes organiques.

Le premier écran OLED est déjà en vente, mais il est particulièrement petit, coûteux, et offre une définition faible. Ces écrans sont particulièrement prometteurs, mais pour l'heure, leur commercialisation n'est pas réaliste, en raison, d'une part, de leur prix trop élevé, et d'autre part, des limites actuelles de la technologie : le plus grand écran OLED n'a en effet que 66 cm (26 pouces) de diagonale, ce qui est trop peu, car la majorité des TVLCD vendues ont 81 cm (32 pouces) ou plus.

Les écrans électrochromes tirent parti des propriétés des viologènes (dérivés de la 4, 4'-bipyridine).

Reprenant, en le simplifiant et le démultipliant, le principe des tubes cathodiques (impact sur du phosphore d'électrons accélérés) les Surface-conduction Electron-emitter Display (SED) semblent plus prometteurs que les écrans à plasma.

Les télévisions au laser, développées par la compagnie Mitsubishi représentent aussi une possibilité pour l'avenir. Chaque pixel est illuminé par trois faisceaux au laser : un bleu, un vert et un rouge. Ces écrans sont intéressants à plus d'un titre : ils consomment trois fois moins qu'un écran à plasma de taille égale, le contraste de leurs couleurs est énormément plus important tout comme leur luminosité, ils peuvent rendre une palette de couleurs bien plus large que celle des LCD et Plasmas, ils sont particulièrement compatibles avec la HD et la full HD, leur durée de vie serait particulièrement nettement supérieure à celle des LCD et plasmas, et enfin, leur prix devrait être particulièrement abordable, leur coût de fabrication étant inférieur à celui des plasmas.

Projection

Les cellules Digital Light Processing (DLP) utilisant des miroirs oscillants microscopiques, les Digital Micromirror Device (DMD).

La technologie Liquid Crystal On Silicon (LCOS), particulièrement récente, ajoute une couche réfléchissante entre les TFT et les cristaux liquides.

Notes et références de l'article

Voir aussi

techniques concurrentes :

• Tube cathodique
• Écran à plasma
• Surface-conduction Electron-emitter Display (SED)
• Diode électroluminescente organique (OLED)
• Polymer Light-Emitting Diodes (PLED)

technologies utilisées :

• Thin-film transistor (TFT)

applications :

• Afficheur 7 segments

Liens et documents externes

• Fabrication et composants des écrans à cristaux liquides
  • Fabrication d'écrans plats. Technologie et équipement de production.
  • (en) Verres spéciaux pour les écrans à cristaux liquides de HOYA
  • (en) Les derniers développements technologiques décrits par le fabricant Chi Mei Optœlectronics
• Architectures innovantes
  • (en) Description des écrans électrochromes proposés par NTERA
  • (en) Descriptif de la technologie de la société Nemoptic
  • (en) Le site Web de la société ZBD Displays

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