Liquid Crystal Display

Pour les articles homonymes, voir ACL et LCD.

Dans un Tablet-PC.

Dans un appareil photo.

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 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 à cristaux liquides (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 et 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.

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 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 à 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. 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 (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

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.

Les caractéristiques sont :

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

Projection : L’éclairage transmissif est également utilisé dans les projecteurs, où l’image d’un écran à cristaux liquides 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,une réduction de consommation grâce au système de rétroéclairage supprimé ;
• 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 à cristaux liquides

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 :

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)

N’en déplaise aux constructeurs qui exhibent fièrement des écrans avec des contrastes « truqués » de 10000:1, en réalité, 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 souvent meilleur que celui nécessaire à la transition blanc → gris → blanc, plus représentative d’une utilisation courante.

Les valeurs en mai 2008 sont applicables pour les écrans disponibles dans le commerce :

Certaines dalles LCD, non commercialisées pour le grand public, atteignent des définitions beaucoup plus importantes. 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

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 à cristaux liquides 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’écran à cristaux liquides 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.

Consommation d'énergie

Les grands écrans sont encore très consommateurs d’électricité. Sony a présenté début 2009 un téléviseur^[3] consommant 40 % d’électricité en moins (153 W contre 263 W) par rapport au téléviseurs LCD antérieur (Liquid Crystal Display ou affichage à cristaux liquides), en remplacant le rétroéclairage classique à cathode froide ou CCFL (cold cathode fluorescent lamp) par un rétroéclairage à cathode chaude ou HCFL (hot cathode fluorescent lamp). Un détecteur de présence met le moniteur en veille dès que le spectateur s’absente et le réactive quand quelqu’un s’approche, et la « mise en veille avec zéro consommation électrique » complète le dispositif^[4].

Si le poste fonctionne 4,5 heures par jour, c’est 56 kWh, soit 23 kg de CO₂ émis en moins sur l’année.

Technologies

Écran à cristaux liquides-TN.
1 : plaque de verre ;
2 et 3 : polarisants vertical et horizontal ;
4 : filtre couleur RVB ;
5 et 6 : électrodes 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 à cristaux liquides-TFT : par rapport aux écrans à cristaux liquides-TN.
5 et 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 à cristaux liquides 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, 1 450 °C, le verre est presque liquide).

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 >1 000 °C nécessaire. Cette technique est utilisée pour les panneaux à cristaux liquides 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 à cristaux liquides 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″ 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 diodes électroluminescentes (DEL).

Autres procédés de fabrication

Parmi les technologies alternatives utilisant les cristaux liquides, Philips vient de présenter des prototypes d’écrans à cristaux liquides « 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 à cristaux liquides 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 ou OLED (Organic light-emitting diode) utilisent les diodes électroluminescentes organiques.

Le premier écran OLED est déjà en vente, mais il est très petit, cher, et a une définition faible. Ces écrans sont très prometteurs pour l’avenir, mais pour l’heure, une commercialisation massive n’est pas possible en raison, d’une part, de prix trop élevés, et d’autre part, des limites actuelles de la technologie ; Le plus grand écran OLED ne mesure en effet que 26 pouces de diagonale. Ce qui est bien trop peu compte tenu du fait que la plupart des TVLCD vendues font 32 pouces ou plus.

Les écrans électrochromes utilisent 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 Surface-conduction Electron-emitter Display (SED) semblent plus prometteurs à terme que les écrans plasma.

Les télévisions laser, développées par Mitsubishi représentent également une possibilité pour l’avenir. Chaque pixel est composé de trois lasers : un bleu, un vert et un rouge. Ces écrans sont intéressants à plus d’un titre : Ils consomment 3 fois moins qu’un plasma à taille égale, leur contraste est bien plus important, tout comme leur luminosité, ils peuvent rendre une palette de couleur beaucoup plus large que les LCD et Plasma, ils sont tout à fait compatible avec la HD et la full HD, leur durée de vie serait très nettement supérieure aux LCD/plasma et enfin, leur prix devrait être très acceptable, puisque leur coût de fabrication est annoncé comme étant inférieur à celui des plasma.

Projection

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

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

Notes et références de l'article

Voir aussi

Articles connexes

• Cristaux liquides (histoire, types, propriétés, applications diverses)

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 Optoelectronics
• 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

Technologies d’écrans
Tube cathodique · LCD · Plasma · LED · OLED · Écran laser · FED · SED

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