Écran à cristaux liquides

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), permet la création d’écran plat a faible consommation electrique. Aujourd'hui ces écrans sont utilisé dans presque tous les affichages électroniques.

Histoire

les premiers panneaux d’affichage à cristaux liquides (LCD en anglais) ont été présentés en 1971, mais il faut attendre 1985 pour que Matsuhita propose un écran plat d’une taille et d'une résolution suffisantes pour être utilisable sur des micro-ordinateurs. dès 1984, c’est le laboratoire central de Thomson qui a développé le premier LCD en couleurs^[1].

Les LCDs sont utilisés depuis la fin des années 1990 en noir et blanc puis en couleur depuis les débuts des années 2000 dans les téléphones portables, les ordinateurs personnels, les télévisions, les ordinateurs de bord pour les avions et les voitures. Son principal avantage est la faible consommation d’énergie, les AMOLED offrent une consommation encore plus faible avec une meilleure qualité d'image.

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 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, seul sa transparence varie, et il doit donc disposer d'un éclairage.

D’abord disponible en monochrome et de petite taille, il est utilisé dans les calculatrices et les montres du fait de sa faible consommation électrique ; il permet actuellement d’afficher en couleurs dans des dimensions dépassant un mètre, en diagonale. Il a supplanté le tube cathodique dans la plupart des applications, sauf en très haute définition lorsque la palette des couleurs doit être précise et fidèle, et dans les environnements difficiles (comme lors de températures inférieures à 5 °C).

Cristaux liquides monochromes

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, 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 pour le noir et blanc, et une pour les trois couleurs des pixels. 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 emploient souvent des électrodes avant en forme de segment de caractère, de façon à simplifier l’électronique (commande directe en tout ou rien), tout en obtenant une très bonne lisibilité (pas de balayage).

Les écrans ACL diffèrent aussi par leur taille, leur résolution et leur pitch (taille du pixel affiché à l’écran), dont voici une liste ci-après : ceci est à prendre en considération lors du choix d’un moniteur, en fonction de son usage, et de ses besoins.

Voir aussi l’article Unité de mesure en informatique, section Unités des moniteurs d’affichage.

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 81 cm (32 pouces).

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^[2], 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^[2], 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.

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 :

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 par rapport au contraste de face). Les performances généralement indiquées ne sont pas celles définies par la norme ISO, moins flatteuse.

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)

Les constructeurs exhibent des écrans ayant des contrastes artificiels de 10000:1 voire bien plus, alors 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 souvent plus optimiste que celui nécessaire à la transition blanc → gris → blanc plus représentative d’une utilisation courante.

Les valeurs disponibles en mai 2008 pour les écrans du 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 pouvoir lire on doit ajuster le contraste à une valeur bien moindre que 3000:1, pour éviter l’éblouissement.

Chromaticité

Gamut de couleurs restitué par un écran.

La Commission internationale de l’éclairage (CIE) a déterminé d’après un échantillon de la population la gamme de couleurs que l’œil humain peut discerner et distinguer. La plupart des dispositifs de restitution (écrans, imprimantes) sont loin de pouvoir reproduire l’ensemble de cette gamme de couleurs.

Les écrans à cristaux liquides ont beaucoup 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 de rétro-éclairage se démocratise en 2007, qui remplace la lampe à décharge par une matrice de diodes électroluminescentes blanches permettant d’obtenir un meilleur taux de contraste et de diminuer la consommation électrique de l’appareil. Certains constructeurs tirent parti de ce type de rétro-éclairage en illuminant l’écran de manière séquentielle (par groupe de pixels) pour augmenter à la fois le taux de contraste et le taux de réponse.

Consommation d'énergie

Les grands écrans sont encore de grands consommateurs d’électricité. Sony a présenté début 2009 un téléviseur^[4] consommant 40 % d’électricité en moins (153 W contre 263 W) que les téléviseurs ACL (LCD) antérieurs, 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 quand quelqu’un s’approche, et une « mise en veille sans aucune consommation électrique » complète ce dispositif^[5].

Cela correspond à 56 kWh si l’appareil est en fonctionnement 4,5 heures par jour et à 23 kg de CO₂ émis en moins, pour une 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 leur contraste, ainsi qu’un fort traînage. Elle a été améliorée pour les écrans DSTN (Dual scan twisted nematic) qui ont une meilleure stabilité de l’image grâce à l’introduction d’un double balayage. Malgré des améliorations, ces technologies à matrice passive offrent un rapport de contraste limité à 50:1, et une qualité moyenne des noirs en général. Des écrans à double couche (Double Super Twisted nematic) ont également été produits pour améliorer 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-LCD

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 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 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 toutefois limité à environ 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 dispositifs à semiconducteurs sur un dépôt extrêmement mince, de quelques centaines de micromètre, de silicium. On ne parvient pas actuellement à déposer du silicium monocristallin sur du verre, car la température nécessaire, de 1 450 °C, liquéfie le verre.

Schéma électrique équivalent ; le pixel inférieur est affiché jaune.

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 l’ensemble, ce qui n’est possible qu’avec du quartz du fait de la température nécessaire, 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 localisé par le balayage d’un faisceau laser.

Une couche polycristalline permet de 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 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, qui améliore sa technologie VA, en intégrant plusieurs domaines de réfraction par cellule, augmentant ainsi la qualité du noir (<1 cd/m²), et permettant d’améliorer 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 permettant un contraste de 1000:1.

Les écrans MVA sont opaques au repos.

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 nm, 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 LED.

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).

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 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 électroluminescents ou OLED (Organic light-emitting diode) comprennent des diodes électroluminescentes organiques.

Le premier écran OLED est déjà en vente, mais il est très petit, coûteux, et offre une définition faible. Ces écrans sont très 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,^{[réf. souhaitée]} ce qui est trop peu, car la plupart des téléviseurs ACL vendus 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 également une possibilité pour l’avenir. Chaque pixel est illuminé par trois faisceaux 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 bien plus important tout comme leur luminosité, ils peuvent rendre une palette de couleurs beaucoup plus large que celle des ACL et Plasmas, ils sont tout à fait compatibles avec la HD et la full HD, leur durée de vie serait très nettement supérieure à celle des LCD et plasmas, et enfin, leur prix devrait être très 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), très récente, ajoute une couche réfléchissante entre les TFT et les cristaux liquides.

Aspects juridiques

En décembre 2010, la Commission européenne a infligé une amende de 648 925 000 d’euros à six producteurs d’écrans à affichage de cristaux liquides pour avoir monté une entente préjudiciable aux consommateurs européens ayant acquis des postes de télévision, des ordinateurs et d’autres produits comprenant des écrans à affichage de cristaux liquides (LCD). Il s’agit des firmes coréennes Samsung Electronics et LG Display et des firmes taïwanaises AU Optronics, Chimei InnoLux Corporation, Chunghwa Pictures Tubes et HannStar Display Corporation. Samsung Electronics a échappé au paiement des amendes en raison du programme de clémence de la Commission étant donné qu’elle a été la première à fournir des informations au sujet de l’entente^[6].

Notes et références

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

v · d · m Technologies des écrans
Vidéo	Génération distancée ou abandonnée Afficheur fluorescent (VFD) • Tube cathodique (CRT) • Surface-conduction Electron-emitter Display (SED) • Field Emission Display (FED) Génération actuelle Écran plat: Écran à cristaux liquides (LCD) • Écran à plasma (PDP) • Diode électroluminescente organique (OLED) (Matrice Active OLED) • Écrans LED • Télévision à LED Vidéoprojecteur: Digital Light Processing (DLP) • Liquid crystal on silicon (LCOS) • 3LCD Génération suivante Télévision laser • Écran à liquide ferro-électrique (FLD) • Écran modulateur interferrométrique (IMOD) • Technologie à couche épaisse à diélectrique électroluminescent (TDEL) • Écran à nanocristaux • Time-multiplexed optical shutter (TMOS) • Telescopic pixel display (TPD) • Liquid crystal lasers (LCL) • Laser Phosphor Display (LPD)
Non vidéo	Tube Nixie • Papier électronique • Électromécanique (-Flip-disc display • -Split-flap display • -Vane display) • Rollable display • Eggcrate
Écran en 3D	Stéréoscopie • Auto-stéréoscopie • Holographie générée par ordinateur • Écran volumétrique • Écran à éclairage laser
Média statique	Hologramme • Projection cinématographique • Enseigne au néon • Projecteur de diapositives • Rétroprojecteur • -Roll sign
Articles liés	Technique d'affichage • Imagerie à grande gamme dynamique (HDRI) • Distance d'observation HDTV optimale

• Portail de la photographie
• Portail de l’informatique
• Portail de la télévision
• Portail de l’électricité et de l’électronique
• Portail de l’imagerie numérique