Proposé par Louis Viratelle, mis à jour le 5 juin 2019.

La technologie d’affichage LCD est apparu avant la technologie OLED. Le micro LED est une technologie avancée de l’OLED. Nous allons nous consacrer à ces trois technologies qui sont les plus connues et les plus utilisés actuellement sur le marché des écrans, que ce soit pour le professionnel, le grand public ou sur la majorité des appareils qui nous entoure.La dénomination de LCD est Liquid Crystal Display ce qui signifie en Français affichage à cristaux liquides.

Ce sont ces premiers panneaux d’affichages présentés en 1971 qui ont permis la réduction de la taille des écrans (surtout au niveau de leur épaisseur).

Le laboratoire général de Thomson à travaillé sur un LCD en couleur mais ce n’est qu’en 1985 que Panasonic dévoile un écran plat détenant des caractéristiques et permettant une commercialisation.

Les écrans plats arrivent véritablement sur le marché dans les années 90, dans un premier temps en noir et blanc puis en couleur. L’usage premier de cette technologie fut pour les téléviseurs mais par la suite, le LCD voit ses formats évoluer et se miniaturiser pour d’autres appareils comme les ordinateurs, les smartphones et pour de multiples appareils.

Le LCD fonctionne grâce à la polarisation de la lumière ce qui correspond à un système qui dirige la lumière dans une configuration spécifique afin d’aboutir au rendu désiré.

Concrètement, les cristaux liquides sont dans une phase nématique (état de la matière entre les phases solide et liquide, les molécules de la matière n’ont pas d’ordre de position à l’image des liquides mais elles demeurent globalement parallèles les unes aux autres, c’est à dire qu’il y a un ordre d’orientation global).

Ces cristaux sont logés dans une couche qui compose l’écran. Devant et derrière cette couche se trouve une couche d’électrodes permettant de conduire l’électricité en un point bien particulier (via un quadrillage). Ces deux couches d’électrodes sont chacune recouvertes par une couche de filtre polarisant. Le filtre polarisant permet de mieux répartir la lumière dans une direction voulu. C’est en quelque sorte un filtre qui dévie la lumière.

La lumière est composée de photons. Chaque photon a ses propres caractéristiques : leur position, leur longueur d’onde (ce qui change sa couleur) et sa polarisation. Sa polarisation correspond à un angle perpendiculaire à l’angle de déplacement du photon. Un filtre polarisant a de tels caractéristiques qu’il permet de ne pas laisser passer certains photons qui ont une polarisation spécifique.

Cela permet par exemple en photo d’atténuer les zones de piques de lumières (photons à la polarisation très perpendiculaire aux photosites), en particulier les reflets sur l’eau ou un ciel très lumineux afin de gagner en homogénéité dans l’image. Dans le cas des écrans, cela permet de mieux centrer la lumière dans la direction voulu.

Tout au fond de cet ensemble se trouve, dans le cas des écrans monochrome, un miroir qui reflète tout simplement la lumière de l’environnement extérieur du produit afin de permettre la visibilité des caractères à l’écran.

Lors de l’utilisation, des différences de potentiels sont réalisées sur les électrodes qui composent la dalle. En fonction de la différence d’intensité, les cristaux liquides réagissent chimiquement plus ou moins. L’intensité de différence de potentiel fait varier l’intensité de la réaction chimique et cette réaction permet de plus ou moins laisser passer la lumière. C’est ainsi qu’on est en mesure de produire une image. En fait, les cristaux liquides modifient la polarisation de la lumière. En fonction des différences d’intensité des électrodes, ces cristaux prennent une forme chimique différente, laissant ou pas passer la lumière dans le second filtre polarisant.

Il faut tout de même préciser que chaque pixel est composé de trois couleurs primaires, le rouge, le vert, le bleu. C’est l’intensité de chacun des ces pixels qui produit les autres couleurs. Pour arriver à une image couleur, il faut donc ajouter à la surface de l’ensemble des couches un filtre rouge, vert et bleu. Bien sur, le programme informatique responsable du fonctionnement de l’afficheur est totalement différent dans la mesure où il doit doser trois intensité de lumière différente pour produire une seule couleur qui est de base chiffré en code binaire.

Pour améliorer la précision des couleurs, les éléments du filtre RVB sont séparés par des bandes noire qui ne laissent pas passer la lumière.
C’est la pureté et la précision de ce filtre qui fera la fidélité colorimétrique de l’écran qui se mesure via l’indice delta E.

Pour permettre d’étendre le nombre de couleur que peut reproduire la dalle, il existe d’autres techniques de restitution des couleurs comme alterner l’affichage de deux tons de couleurs à intervalle de temps extrêmement court. Si la cadence est assez élevée, l’œil humain ne voit pas deux couleurs distinctes mais une unique couleur qui combine les deux couleurs qui s’affichent en s’alternant. C’est en fait le même principe que la vidéo appliqué à la restitution d’une couleur.

Depuis le début, je n’ai évoqué que le miroir qui reflète la lumière environnante pour permettre de voir l’image que forme les cristaux liquides. Ce n’est logiquement pas cette technique qui est utilisée pour les téléviseurs ou les smartphones.
Il existe plusieurs moyens d’exploiter cette superposition de filtre pour aboutir à une image.

 

– L’éclairage transmissif : c’est un système qui utilise un rétroéclairage en fond à la place du miroir comme expliqué tout à l’heure. L’afficheur ne dépend pas de la lumière extérieur pour fonctionner et cela permet une restitution en couleur. Avant l’émergence des LEDs, c’était de multiples lampe à décharge à cathode froide qui remplissait cette tâche.

L’inconvénient principal de ce fonctionnement est la consommation électrique. La durabilité de cette technologie est excellente. Ce système est utilisé par beaucoup de téléviseur, de smartphone et d’objet environnent.

– L’éclairage réflectif : le fameux système décrit tout au long de ce texte… Il détient que des inconvénients sauf pour deux points ! Sa lisibilité dépend de la lumière environnante, c’est un grand défaut quand il fait sombre car il peut ne pas être visible mais une grande qualité en pleine lumière comparé à l’éclairage transmissif qui a ses propres limites. Aussi, et dû à l’absence de rétroéclairage, cette technologie consomme très peu d’énergie.

– L’éclairage transflectif : il s’agit d’un combiné des deux première technologies décrites. En pleine lumière, le miroir s’avère utile pour ne pas être victime de ses propre défauts et en basse lumière, un système de rétroéclairage est présent sur les cotés de la dalle pour permettre une visibilité rudimentaire. Ce système n’affiche que les couleurs noir et blanche comme l’éclairage réflectif.

– La projection : devant un projecteur (qui remplit le même rôle que le rétroéclairage), est positionné l’ensemble des filtres. Les ombres des couleurs RVB plus ou moins prononcé que produisent le filtre rende une image une fois la lumière réfléchit sur un mur blanc. Le principe est en réalité plus complexe même si dans l’absolue c’est similaire. TechMilisme s’engage à y consacrer une page dédiée à ce sujet dans quelques temps.

Photo

Image extraite de Wikipedia à titre explicatif.

Représentation schématique des différents éléments d’un écran réflectif. Le principe est le même pour les autres technologies, seul le miroir peut être remplacé par un projecteur ou un rétroéclairage.
1 : filtre polarisant – 2 : électrodes avant – 3 : cristaux liquides – 4 : électrodes arrière – 5 : filtre polarisant – 6 : miroir

 

Les premiers écrans à cristaux liquides (technologie TN, DSTN) suivent le schéma montré ci-dessus. La technologie DSTN est une amélioration de la techno TN qui lui rajoute une double grille d’électrodes directement intégré au verre principal. De ce fait la précision de l’image est améliorée. Pour produire une image, il faut constamment rafraîchir l’ensemble des électrodes pour maintenir la position chimique des cristaux liquides. Ce rafraîchissement constant amène des traînées visibles et désagréables.

Une autre technologie appelée TFT a émergée et a remplacé la grille d’électrodes arrière par des transistors. Cette modification et d’autres permettent de mieux contrôler le maintien de la tension électrique de chaque pixel. L’image est plus stable et détient un meilleur temps de réponse.

La technologie IPS se démocratise par Apple grâce à ses iPad. C’est une amélioration du TFT : les molécules de cristal liquide sont constamment parallèle eu plan de l’écran. Pour se faire, ces molécules ne sont pas attachés aux parois et elles s’organisent librement. Pour fonctionner il faut le double de transistor ce qui nécessite un meilleur rétroéclairage pour compenser.

Ces changements engendrent des coûts de production plus haut, mais les progrès réalisés au niveau des LED du rétroéclairage permettent de compenser sur le prix final. Cette solution est adoptée massivement sur les appareils grand public car cette technologie améliore le rendu colorimétrique et les angles de vision.

Aujourd’hui et en particulier sur les téléviseurs, il existe de nombreuses technologies qui ont pour but d’améliorer la pureté des couleurs retranscrits à l’écran, les angles de visions, le contraste, le Delta E, la courbe du gamma, la plage dynamique, l’espace colorimétrique etc…
Par exemple l’une des technologies les plus populaires chez Samsung est nommée le Quantum Dot. Derrière ce nom se cache de minuscules structures constitués de nano-cristaux de séléniure de cadmium.

Le séléniure de cadmium est un composé du sélénium et du cadmium qui est cancérigène pour l’humain et considéré comme dangereux dans le milieu médical. Les principales propriétés de ce composé sont sa transparence aux radiations infrarouges et sa capacité à devenir fortement luminescent (lumière fluorescente) dans certaines situations. Selon la taille des atomes de cet élément, la longueur d’onde varie et c’est ainsi que l’on obtient des couleurs différentes et d’une pureté réputée.

En pratique, ce filtre quantique est apposé sur l’une des dernières couches de la dalle LCD et remplit son rôle d’amélioration des couleurs de manière passive, en s’appuyant sur la lumière déjà émise par le rétroéclairage. C’est pour cette dernière capacité que cet élément se retrouve dans les télévisions de Samsung (isoler de manière hermétique bien sur).

Une autre technologie très utilisé aujourd’hui par les téléviseurs LCD est le local dimming. Derrière ce nom se cache un rétroéclairage LED local. Si une zone doit afficher du noir, le rétroéclairage se désactive sur la zone, le noir est profond, comparable à l’OLED. Mais les autres zones qui affichent d’autre couleurs profitent tout de même du rétroéclairage.

Le problème engendrait par cette technologie est l’apparition assez fréquemment de zone noir où des ombres grisâtres apparaissent. On appelle cela de “blooming”. Ce défaut est du au manque de précision du rétroéclairage ciblé qui est partiellement activé dans une zone qui devrait afficher la couleur noir.

Bien sur, il existe de multiples autres technologies comportant défauts et qualités mais il serait fastidieux d’en énumérer plus que ces principales. La persévérance du LCD et de l’OLED n’est pas un hasard. Ces technologies ont toutes les deux des inconvénients et c’est bien souvent un des avantages de la technologie rivale. Il n’y a point à ce jour technologie d’affichage miracle.

Passons pour cette deuxième partie à l’OLED. L’OLED pour Organic Light-Emitting Diode(diode électroluminescente organique) a vu son premier brevet déposé en 1987 pour la société Kodak. C’est vers 1997 que l’on voit apparaître les premières applications commerciales. C’est plus précisément des travaux qui ont porté sur les développement des LED. Mais le Micro LED, comme son nom l’indique, découle de ce type d’éclairage.

Le fonctionnement des LED repose sur beaucoup d’années de recherche par différentes équipes. C’est le physicien, chimiste et pharmacologue Français André Paul Bernanose qui avec son équipe on réussi à produire de la lumière à l’aide de matériaux organique. Il s’agit de fines couches de cristal d’acridine orange et de quinacrine exposé à un fort courant alternatif qui a permis de produire de la lumière.

Depuis ce premier exploit, les technologies ont grandement évoluées et exploitent d’autres matériaux (arséniure de gallium-aluminium pour la couleur rouge, nitrure de gallium pour le vert, phosphure de gallium pour le bleu etc…). Les led (light-emitting diode) sont donc des composants semi-conducteurs inorganique.

La nuance entre la technologie LED et OLED est justement à ce niveau. Les LEDs sont des composants inorganique à l’inverse de l’OLED qui contient de la matière organique dans sa composition. Les OLEDs sont principalement des polymères, une matière organique. Dû à la miniaturisation à l’extrême de ce composant, il fallait trouver un matériaux qui propose un rendement très poussé comparé à sa miniaturisation.

Au niveau des atomes, le principe est plus complexe qu’avec une LED (qui fonctionne avec un principe de recombinaison incessante de la couche luminescente -> une anode crée des trous dans cette couche, donc elle arrache des électrons et une cathode vient apporter des électrons pour re-structurer la configuration d’origine). Une OLED reprend ce principe mais l’équilibre électron-trou est compliqué à obtenir du à la mobilité rapide des électrons (trois fois plus grande que la création des trous).

Trouver l’équilibre est plus compliqué bien que faisable mais c’est en parti pour cela que la durée de vie des dalles OLED est plus faible que des LCD, bien que les derniers progrès en la matière sont impressionnants. C’est là que l’on peut dire que le LCD garde un bel avantage sur l’OLED : le LCD conserve sa pureté des couleurs très longtemps, la dalle est très stable dans son rendu en plus d’avoir une durée de vie d’une trentaine d’année (si utilisé 8h par jour).

L’OLED accuse un rendu qui empire au fil des années et la dalle est plus susceptible aux défauts d’affichage. Sur du long terme, cette technologie n’est pas très fiable, bien que suffisante pour des appareils comme les téléviseur ou les smartphones que l’on ne garde pas plus d’un dizaine d’années.

En dehors de l’aspect technique et chimique du fonctionnement de l’OLEDs, cette technologie ne demande pas de rétroéclairage comme le LCD. C’est en fait chaque sous pixels de la dalle qui produit sa propre lumière comme expliqué précédemment. L’avantage est de permettre un contraste infini, car pour afficher la couleur noir sur une localisation de l’écran, les pixels s’éteignent localement.

Dû à la simplicité de la structure des dalles OLED (plus de filtre diverse pour améliorer la qualité colorimétrique -> simplification de sa composition… ) au rendu colorimétrique excellent, c’est une technologie très utilisé pour les petits écrans car ces afficheurs prennent très peu de place (montre connectée, smartphone, maintenant téléviseur et ordinateur…)

La miniaturisation, la compacité et la simplicité de cette technologie est telle que nous sommes en mesure aujourd’hui de produire des afficheurs OLED flexible lors de son utilisation. C’est ainsi qu’on pu voir le jour des appareils comme le Galaxy Fold et le Huawei Mate X, produits longuement (et philosophiquement) analysés par TechMilisme dans le texte “La pliure du futur“.

Les principaux avantages qui reste au LCD sont ses piques lumineux (avantage pour obtenir des certifications type HDR10+ et meilleure plage dynamique), sa durée de vie, l’absence totale d’effet “mémoire” qui laisse des images fantôme affiché à la dalle même sans être alimentée, le coût de production et plus encore…

Passons au Micro LED. Comme vous allez le découvrir, cette technologie a en fait l’ambition de rassembler le meilleur du LCD et de l’OLED sous une seule technologie.

Comme son nom l’indique, le micro LED utilise des LED… Miniaturisés…

Il s’agit exactement de la même structure chimique que des LEDs traditionnelles, sauf que pour le coup elles sont encore plus petites. L’avantage d’utiliser la structure de la LED est d’éviter les matières organiques qui sont responsables de la faible durée de vie de l’OLED. Il est assez probable qu’il existe une différence au niveau des matériaux utilisés et du fonctionnement car le défit est de permettre, à l’aide de très peu de matière de produire, une quantité de lumière conséquente.

Un autre avantage de cette technologie est de permettre une grande modularité des formats d’écran produit ainsi que de rendre simple la production de très grands écrans car la production est plus simple à gérer et à maîtriser. Aussi, le pic lumineux est plus haut que sur l’OLED. Le défi global qui reste à réaliser est de rendre cette technologie abordable car les modèles micro LED de Sony et de Samsung (the wall) sont et seront très onéreux et pas du tout destiné au grand public. Un des autres défis est d’arriver à miniaturiser le plus possible ces LEDs.

D’un point de vue de la structure, cette technologie est la plus simple des trois décrites : qu’une seule couche d’électrode, plus de filtre polarisant, bien sur plus de rétroéclairage…

Actuellement, ce ne sont que de grands écrans qui sont produits car la densité de pixels reste faible à cause de la grandeur des LEDs. Cette technologie est tout de même très prometteuse car elle permettra de réconcilier durée de vie et qualité d’images sur de multiples tailles d’écrans. Il va falloir tout de même attendre de nombreuses années avant de voir cette technologie arriver pour le grand public.

 

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