Cette semaine, dans La Question Technique, on s’intéresse aux technologies d’affichage, pour mieux comprendre ce qui différencie une dalle TN d’une dalle IPS, et saisir les avantages et inconvénients de l’OLED… entre autres.

Depuis qu’ils ont supplanté les bon vieux tubes cathodiques, les écrans LCD règnent en maîtres sur le marché des écrans, ne laissant pour l’instant que quelques niches de marché aux technologies concurrentes. Mais tous les LCD ne se valent pas, de multiples technologies ayant été développées au fil du temps pour éliminer petit à petit les défauts des premiers écrans plats à cristaux liquides.

Le LCD, comment ça marche ?

Le principe de base d’un écran LCD est particulièrement simple : la lumière provenant d’une source lumineuse passe à travers l’écran en étant plus ou moins occultée pour former une image grâce aux variations de luminosité.

Ces écrans sont constitués d’un sandwich d’au moins cinq couches principales. Dans l’ordre, à partir de la face arrière de l’écran : le filtre polarisant d’entrée (5), une couche de verre (4), la couche de « cristaux liquides » (3), une seconde couche de verre (2) et le filtre polarisant de sortie (1). Pour les écrans couleur, une couche de filtres de couleur (généralement constituée de trois filtres rouge, vert et bleu pour chaque pixel) est ajoutée entre la seconde couche de verre et le filtre polarisant de sortie, ou intégrée directement à cette couche de verre. Une couche protectrice est souvent ajoutée par-dessus la dalle, soit en plastique “rugueux” pour un rendu mat, soit en plastique lisse ou en verre pour un rendu brillant.

Le filtre polarisant d’entrée assure que la lumière qui entre dans l’écran soit polarisée suivant un certain axe, tandis que le filtre de sortie ne laisse passer que la lumière polarisée suivant un autre axe (qui peut être identique ou différent par rapport à l’axe d’entrée). Les cristaux liquides vont, selon leur position, modifier l’axe de polarisation de la lumière qui les traverse, pour qu’elle soit ensuite plus ou moins filtrée par le filtre de sortie. Cette position est contrôlée en soumettant les cristaux à des champs électriques, produits via des électrodes déposées sur les couches de verre et pilotées par un circuit de transistors.

Les dalles TN

Développée dans les années 70, la technologie TN (Twisted Nematic) est la plus ancienne et la plus répandue aujourd’hui pour les écrans LCD de bureau et les ordinateurs portables d’entrée et de milieu de gamme.

Sur une dalle TN, les deux filtres polarisants ont des axes de transmission perpendiculaires et les électrodes sont déposées sur les deux plaques de verre, de part et d’autre de la couche de cristaux liquides. Au repos, les cristaux sont disposés parallèlement à la surface de la dalle et empilés avec une structure en hélice, qui force la lumière qui traverse la couche de cristaux à effectuer une rotation de 90° de sa polarité. Ainsi, la lumière polarisée par le premier filtre de l’écran est « redressée » par la couche de cristaux liquides pour ne pas être bloquée par le second filtre, et elle peut donc passer à travers l’écran.

En appliquant une tension entre les deux électrodes d’un pixel, les cristaux perdent progressivement cette structure en hélice en se redressant pour se positionner perpendiculairement à la dalle. Ainsi, ils ne modifient plus la polarité de la lumière, qui se retrouve alors bloquée par le filtre polarisant de sortie.

Ces dalles sont peu coûteuses à produire, consomment peu d’énergie et offrent d’excellents temps de réponse (1 à 2 ms gris à gris pour les plus rapides). Elles offrent par contre des angles de vision limités et des couleurs généralement peu fidèles, car les rayons lumineux qui n’arrivent pas perpendiculairement à la dalle subissent des modifications de polarité non voulues, jusqu’à provoquer une inversion de l’image sous certains angles.

Les dalles VA

Introduit par Fujitsu en 1996, le VA (Vertical Alignement) est en quelque sorte l’inverse du TN : au repos, les cristaux sont perpendiculaires à la dalle et l’application d’un champ électrique sur les électrodes leur fait adopter une structure en hélice.

Il souffre donc des mêmes défauts, et n’est plus utilisé aujourd’hui. Il a toutefois donné naissance à une famille de technologies encore d’actualité.

Les dalles MVA

Dérivé du VA, les technologies MVA (Multi-domain VA) divisent chaque sous-pixel en plusieurs bandes obliques (orientées à 45% par rapport au sous-pixel). Dans chacune de ces sections, les cristaux sont légèrement désaxés par rapport à la section voisine, ce qui fait que chaque section offre son rendu optimal sous un angle différent. Ainsi, les angles de vision de la dalle s’élargissent grandement, mais au prix d’une variation du contraste en fonction de l’angle.

Les dalles VA sont aujourd’hui les plus performantes sur le plan du taux de contraste, avec des taux qui tournent autour de 5000:1 pour les plus performantes, contre 1000:1 pour les meilleures dalles TN, mais sont par contre bien plus lentes (5-10ms), ce qui en fait un bon compromis pour les TV, mais peut parfois être trop lent pour certains usages (la lenteur de la réponse peut être compensée en partie par l’overdrive, qui consiste à envoyer un signal plus fort que nécessaire pour accélérer la réponse).

Samsung a également développé une technologie similaire, le PVA (Patterned VA, à ne pas confondre avec le PMVA, pour Premium MVA) qui souffre un peu moins de la variation de contraste sur les angles, mais offre un taux de contraste plus faible (de l’ordre de 1000:1).

Les dalles IPS

Développées par Hitachi au milieu des années 90 et par LG depuis 2007, les technologies IPS (il en existe une dizaine de variantes) corrigent les principaux défauts du TN, les angles de vision étroits et les couleurs imprécises.

Sur une dalle IPS, les deux électrodes qui commandent un pixel sont placées sur la même plaque de verre, au lieu d’être placées de part et d’autre de la couche de cristaux. Ainsi, au lieu de basculer entre une position perpendiculaire à la dalle et une position parallèle, les cristaux restent en permanence dans un plan parallèle à la dalle (d’où le nom de la technologie : In Plane Switching), en tournant sur eux même dans ce plan.

Par ailleurs, l’IPS est noir au repos, alors que le TN est blanc. Ceci peut sembler un détail, car cette inversion n’influe pas sur l’usage normal de l’écran, mais c’est un atout en cas de pixel mort : un point noir sur fond clair se distingue moins qu’un point brillant sur fond sombre, et un pixel mort est donc généralement moins gênant sur une dalle IPS.

L’IPS n’a toutefois pas que des avantages. Le fait de disposer toutes les électrodes sur la même surface réduit la transparence de cette dernière, et une dalle IPS nécessite donc un éclairage plus puissant (et donc, une plus grande quantité d’énergie) pour fournir la même luminosité. Ces dalles sont aussi moins réactives (5 ms pour les meilleures dalles d’aujourd’hui, mais les premières étaient beaucoup plus lentes que leurs concurrentes de l’époque) et sont les plus coûteuses à produire, ce qui les réserve aux produits haut de gamme ou aux appareils dotés de petits écrans et nécessitant des angles de visions larges (smartphones, tablettes…).

C’est pour corriger petit à petit ces défauts que différentes variantes de l’IPS ont été lancées au fil du temps. Les solutions IPS les plus récentes ont notamment amélioré la transparence des dalles pour réduire la puissance du rétroéclairage en utilisant des électrodes translucides. On trouve aussi une technologie aux caractéristiques proches de l’IPS chez Samsung, sous le nom de PLS.

Les dalles IGZO

L’IGZO (Indium gallium zinc oxide) n’est pas à proprement parler une technologie de cristaux liquides, mais mérite toutefois sa place ici vu l’importance qu’elle pourrait avoir dans les années à venir.

Il s’agit d’un nouveau semi-conducteur qui peut être utilisé pour remplacer le silicium utilisé pour les électrodes et les transistors pilotant les cristaux liquides. Ses performances plus élevées permettent de créer plus facilement des dalles très denses (et donc mieux définies) sans trop sacrifier la transparence. Les premier écrans IGZO ont été utilisés sur des appareils mobiles, pour augmenter la résolution sans trop perdre en autonomie, mais on le trouve aussi désormais dans certains moniteurs 4K.

La source de lumière

Outre les différentes technologies pour la gestion des cristaux liquides, il existe aussi plusieurs moyens d’alimenter les écrans LCD en lumière.

Écran réflectif

Les écrans réflectifs sont les plus simples : ils utilisent la lumière ambiante. Pour ce faire, une simple couche réfléchissante est ajoutée derrière le filtre polarisant d’entrée. La lumière ambiante traverse donc l’écran dans un sens, puis est réfléchie et le traverse dans l’autre sens.

Très économe en énergie, cette solution permet une bonne lisibilité en plein jour, mais nécessite un éclairage d’appoint la nuit (souvenez-vous, pour jouer au GameBoy dans votre chambre en pleine nuit, il fallait allumer la lumière…).

Écran transmissif

Les écrans transmissifs utilisent leur propre source de lumière (rétro-éclairage). Ils peuvent donc être utilisés dans le noir, mais perdent par contre en lisibilité en cas de forte luminosité ambiante.

Dans les écrans courants, on distingue principalement trois formes de rétroéclairage :

– CCFL : l’éclairage est assuré par des tubes lumineux placés derrière la dalle.

– Full LED : de nombreuses LED sont disposées derrière l’écran. Ce type de rétro-éclairage est coûteux mais consomme moins d’énergie et permet de réaliser des écrans plus fin que le CCFL. Il donne également la possibilité d’appliquer des intensités lumineuses différentes à plusieurs portions de l’écran pour augmenter le taux de contraste.

– Edge LED : l’éclairage provient de LED situées sur le bord de l’écran et dont la lumière est diffusée sur l’ensemble de la surface via des guides de lumière. La plupart des écrans à rétroéclairage LED utilisent ce système, très économique et permettant de réaliser des écrans encore plus fin.

Écran transflectif

Plus rares, les écrans transflectifs peuvent fonctionner soit en mode transmissif, soit en mode réflectif (avec généralement une forte perte de contraste dans ce mode), ce qui élargit leur plage d’utilisation.

La succession du LCD…

Même si le LCD domine aujourd’hui largement, ce n’est pas une technologie parfaite (les principaux défauts sont aujourd’hui le niveau du noir et la rémanence), et les industriels travaillent donc sur des alternatives. Certaines sont prometteuses et grignotent déjà des parts de marché au LCD, tandis que d’autres sont mortes-nées ou tout juste naissantes…

Les technologies abandonnées

Commençons par le FED et le SED. Ces deux technologies visaient à remettre au goût du jour la technologie des écrans CRT : une dalle de points phosphorescents émettant de la lumière lorsqu’ils sont excités par un flux d’électron. Mais au lieu d’avoir un canon unique balayant la dalle, chaque sous-pixel disposait de son propre micro-canon, ce qui permet de réaliser une dalle fine et d’éliminer le scintillement des dalles CRT.

Canon/Toshiba (SED) et Sony (FED) ont officiellement abandonné ces technologies, qui n’ont jamais dépassé le stade du prototype, mais AU Optronics a repris les travaux de Sony, sans avoir concrétisé industriellement pour l’instant.

La technologie Laser, développée initialement par Mitsubishi a connu un peu plus de réussite, puisqu’elle est arrivée sur le marché. Elle consiste à utiliser des rayons lasers pour balayer un écran (via un miroir mobile orientant les rayons) et y dessiner une image. Les TV Laser produites par Mitsubishi n’ayant pas connu un grand succès commercial (notamment à cause de leur encombrement, la rétro-projection nécessitant un certain recul entre le projecteur et la dalle), le constructeur a abandonné cette technologie.

OLED

Considérée depuis des années comme le LCD-killer, cette technologie consiste à réaliser l’écran avec des millions de minuscules LED (2 à 4 par pixel) fabriquées avec des matériaux organiques.

Théoriquement moins coûteux à produire qu’un écran LCD, un écran OLED est plus fin, moins gourmand en énergie, offre de meilleurs angles de vision, a un taux de contraste infini (un pixel noir n’émet aucune lumière)… Génial, non ? Malheureusement, la théorie est parfois éloignée de la pratique et le manque de maîtrise de la production fait que les coûts restent aujourd’hui plus élevés que pour le LCD, en particulier pour les grandes tailles, car il est difficile d’obtenir une grande dalle sans défaut.

Comme chaque sous-pixel émet sa propre lumière, les écrans OLED ont aussi l’avantage de pouvoir être allumé partiellement, par exemple pour afficher une notification ou l’heure dans le coin d’un écran de smartphone, ouvrant ainsi la porte à de nouvelles fonctionnalités qui n’étaient pas envisageables en LCD pour des questions d’autonomie.

L’OLED a donc fait son entrée sur le marché par la petite porte, en équipant depuis quelques années des appareils dotés de petits écrans, notamment des baladeurs et des appareils photos. Depuis, l’OLED a profité du développement des smartphones pour y prendre une belle position (le principal promoteur de l’OLED, Samsung, étant aussi le numéro un mondial du smartphone…) et ces écrans commencent à arriver sur les TV de grande taille, mais à des prix stratosphériques.

e-Paper

Utilisés quasi exclusivement dans des liseuses, les écrans e-Paper (ou e-Ink) sont basés sur des petites billes contenant des particules noires et blanches dotées de charges électriques opposées. En soumettant ces billes à un champ électrique, les particules de déplacent vers un côté ou l’autre, changeant ainsi la couleur du point.

Principalement produits en noir et blanc, ces écrans sont très confortables pour la lecture, offrent des angles de vision très ouverts et ont l’énorme avantage de ne consommer de l’énergie que lors d’un changement d’état. Ils sont par contre beaucoup trop lents pour remplacer le LCD sur les écrans d’ordinateur ou d’appareils multimédia, et le rendu des versions couleur est encore loin de la richesse d’un écran LCD ou OLED (peu de couleurs affichables, contraste très faible…).

MEMS

Très récents, les écrans MEMS ont été présentés notamment par Sharp (associé à Qualcomm) au CES 2014. Le constructeur a donné peu de détails sur ces écrans. Tout ce que l’on sait c’est qu’il s’agit d’écrans rétro-éclairés par des LED rouges, vertes et bleues (dont la lumière est guidée vers les différents sous-pixels) correspondant et dont les sous-pixels sont composés de MEMS (MicroElectroMechanical Systems), de minuscules éléments mécaniques qui sont utilisés comme des obturateurs à haute fréquence. La luminosité est modulée en faisant varier le rapport entre le temps d’ouverture et le temps de fermeture des obturateurs.

Selon Sharp, les écrans MEMS auraient un coût de production compris entre celui d’un écran LCD et celui d’un écran OLED et une consommation électrique inférieure à celle d’un écran LCD (l’intensité lumineuse est moins atténuée que dans un écran LCD, ce qui nécessite donc un rétroéclairage moins puissant pour une même luminosité).

La commercialisation devrait intervenir dès le milieu de l’année, avec une dalle de 7” destinée aux tablettes.

Outre les écrans rétroéclairés développés conjointement avec Sharp, Qualcomm a aussi utilisé des MEMS pour ses écrans réflectifs Mirasol. La surface réfléchissante de ces écrans est constituée de microcavités dont la taille peut être modulée via des MEMS. Les rayons lumineux qui se réfléchissent sur les différentes bordures de la cavité entrent en interférence ce qui permet de ne conserver qu’une couleur, dépendant de la taille de la cavité.

Le LCD encore là pour longtemps ?

Même si ces nouvelles technologies ont de nombreux avantages, il est toutefois encore trop tôt pour savoir si l’une d’elles risque d’hypothéquer l’avenir du LCD. On l’a bien vu avec l’OLED dans les smartphones : alors que les écrans OLED dominaient un temps les écrans LCD, ces derniers ont réussi un retour en force, notamment grâce à la baisse de prix des dalles IPS, et sont aujourd’hui considérés par beaucoup comme supérieurs aux OLED… Le LCD a donc sans doute encore de longues années de vie devant lui, même s’il finira probablement par être supplanté par une nouvelle technologie, d’autant que l’imagination fertile des laboratoires de R&D continue à proposer de nouvelles idées, qui sont pour la plupart encore au stade expérimental (OLET, QDLED, FLD, TPD…)