Pour de plus en plus de gens, un téléviseur ou un écran d'ordinateur à tube cathodique (CRT) n'évoque rien de plus qu'un vague souvenir, si tant est qu'ils en aient jamais possédé un. Ce souvenir se résume peut-être au fait d'avoir déposé ce CRT auprès d'une association d'entraide, un atelier de recyclage de matériel électronique ou au coin de la rue (dans ce cas, après avoir collé une étiquette « gratuit » sur l'écran). Cet abandon a probablement été motivé par au moins l'un des facteurs suivants (et sans doute plusieurs) : forte consommation électrique, poids, encombrement et dégradation de l'image. Il est probable aussi que cet écran a été remplacé par un écran LCD (liquid crystal display, écran à cristaux liquides).
Les écrans LCD se retrouvent aujourd'hui partout, que ce soit dans la montre connectée que vous portez au poignet, dans les halls d'entreprises, chez vous dans une salle de Home Cinema ou presque partout ailleurs. La technologie de conception et de fabrication de ces écrans a constamment évolué en plus de 40 ans jusqu'à égaler, voire dépasser, les caractéristiques des autres technologies d'affichage existantes : niveau de noir, gamme de luminance, gamme de couleurs, fréquence de rafraîchissement, taille et résolution, etc. Elle a également réalisé de remarquables progrès en termes d'épaisseur, de poids, de consommation électrique et autres caractéristiques.
Résultat : le LCD est aujourd'hui de loin la technologie la plus utilisée pour les écrans d'affichage direct. Il est toutefois vraisemblable que la nouvelle solution OLED (DEL organique) lui opposera une concurrence de plus en plus sérieuse. Malgré des progrès moins rapides que ce que prévoyaient de nombreux observateurs en termes de taille, de rendement, de coût, de fiabilité etc., cette solution continue en effet d'évoluer.
Les bases de la technologie
Les écrans LCD fonctionnent par modulation sélective et progressive de la lumière, celle-ci provenant soit d'un éclairage ambiant (en association avec un réflecteur), soit d'un rétroéclairage intégré, pour afficher des niveaux de gris spécifiques par pixel ou une palette complète de couleurs ((via un ensemble supplémentaire de filtres colorés). (source : Wikipédia)
Comme le montre la figure, les écrans LCD sont composés de couches alternées de filtres polarisants avec des axes correspondants verticaux et horizontaux. Entre les deux filtres se trouve une couche de cristaux liquides qui bloque ou autorise (selon l'orientation par pixel des molécules associées) la transmission partielle ou totale de la lumière en « tordant » les photons de lumière pour les aligner ou non avec l'effet de polarisation. Les écrans LCD couleur présentent une couche supplémentaire de filtres avec des filtres de sous-pixel rouge, vert et bleu pour chaque pixel, qui ne laissent passer sélectivement qu'une partie du spectre de couleurs visible. On fait varier l'intensité du sous-pixel de chaque couleur après avoir fait en sorte que les sous-pixels soient trop petits pour être perceptibles individuellement à l'œil nu et à une distance de visionnage supposée. Les sous-pixels sont alors mélangés par l'œil (et le cerveau) pour créer des pixels perçus dans une gamme de couleurs complète.
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L'apparition des écrans tactiles, comme le FTAS00-65AS4 de NKK Switches, a rendu les écrans LCD omniprésents dans les applications mobiles.
Les matrices passives d'origine des écrans LCD sont aujourd'hui largement remplacées des matrices actives, qui leur ont succédé. Comme le signale Wikipedia, une matrice de TFT (thin-film transistors) est ajoutée dans ce dernier cas aux électrodes en contact avec la couche de cristaux liquides. En conséquence, les écrans à matrice active paraissent plus brillants et plus nets que les écrans à matrice passive pour une même taille. Ils sont généralement plus réactifs et produisent de bien meilleures images.
Il existe à l'heure actuelle plusieurs techniques d'utilisation des cristaux liquides sur le marché. La méthode IPS (In-Plane Switching), de plus en plus répandue, diffère de la technique précédente TN (Twisted Nematic), encore très présente, par une nouvelle façon d'aligner les cristaux liquides parallèlement aux substrats de verre.
Options d’éclairage
Les écrans LCD réflectifs utilisent uniquement la lumière ambiante comme source d'éclairage. La lumière traverse des couches de polarisation et de cristaux liquides, rebondit sur l'aluminium brossé ou un autre matériau réfléchissant situé au fond de l'écran LCD, puis repasse à travers les différentes couches de l'écran (y compris le substrat de verre formant les motifs des pixels) pour parvenir jusqu'à l'œil du spectateur. Des trois options existantes, c'est celle qui consomme le moins d'électricité, mais c'est aussi la moins lumineuse en soi, car sa précision dépend fondamentalement de la luminosité ambiante.
À l'autre bout de ce spectre de techniques se trouve le LCD transmissif, qui remplace le réflecteur par une source lumineuse. Il est alors possible de visionner l'écran dans le noir complet. En revanche, l'écran peut paraître « délavé » si l'éclairage ambiant est intense. Entre ces deux extrêmes, on trouve l'écran transflectif, qui, comme son nom l'indique, combine un réflecteur placé au fond de l'écran LCD avec un éclairage complémentaire, souvent situé sur les côtés et réparti sur tout l'écran LCD à l'aide d'un réseau lumineux, de diffuseurs ou d'autres moyens.
Plusieurs options existent également pour assurer ce rétroéclairage (ou éclairage latéral). On utilisait autrefois des lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL), principalement en raison de leur faible coût par rapport à d'autres techniques.
Plus récemment, l'apparition de la technologie DEL « blanche », économique et utilisable dans un large spectre d'applications, a fait de cette technologie le choix de prédilection en matière de rétroéclairage. Cela s'explique par diverses raisons :
• flexibilité en termes de taille et de format d'utilisation ;
• faible consommation d'énergie ;
• intensité moins variable sur l'ensemble de l'écran LCD, aussi bien au début qu'à mesure que l'écran vieillit (surtout dans ce dernier cas) ;
• grâce au point précédent, durée de vie presque infinie.
La technologie de « local dimming » (atténuation localisée), utilisée dans les écrans plus évolués, augmente le taux de contraste et la qualité globale de l'image en contrôlant de manière sélective l'intensité des sous-ensembles du rétroéclairage créé par le système à DEL de couleur blanche. Pour élargir encore la gamme des couleurs, les LCD haut de gamme remplacent les DEL blanches par des groupes de trois DEL rouge/vert/bleu, dans lesquels chaque DEL est gérée individuellement par la puce de contrôle d'affichage.
L'option OLED
Les écrans LCD se distinguent des écrans CRT, plasma ou autres par le fait que les cristaux n'émettent pas directement de la lumière, mais reçoivent une source lumineuse (qu'ils modifient de manière sélective) qui vient d'ailleurs. Avec la technologie OLED, en revanche, les composants organiques créent directement un matériau électroluminescent, c'est-à-dire qu'ils brillent naturellement sous l'effet de l'application d'une tension et d'un courant. Les écrans OLED peuvent également être « imprimés » sur des substrats flexibles à l'aide d'une technologie de fabrication économique.
Cependant, la consommation électrique d'un écran OLED par rapport à celle d'un écran LCD dépend de ce qu'on y affiche. Elle est plus faible pour afficher un texte blanc sur fond noir, par exemple, que pour un texte noir sur fond blanc. Les matériaux organiques ont également tendance à se dégrader rapidement et ce, de manière inégale d'une couleur à l'autre. La technologie OLED est de ce fait moins adaptée à des téléviseurs, par exemple, censés pouvoir durer au moins 10 ans, qu'à des smartphones ou des montres connectées dont la durée prévisionnelle est d'un an ou de quelques années seulement.