Technologie des écrans plats

L’histoire commence par l’écran cathodique (CRT pour Cathode Ray Tube) que personne n’a encore oublié. Il fut petit, monochrome, bombé, lourd. Il restera lourd surtout quand sa taille atteindra plus de 20 ’’ mais il deviendra plat, et affichera la couleur. Son encombrement et sa consommation d’énergie feront sa perte lorsque le prix des écrans plats deviendra abordable.

Un écran à affichage à cristaux liquides (ACL ou LCD pour Liquid Cristal Display) est composé de deux plaques de filtres polarisants enfermant plusieurs couches de filtres et de cristaux liquides suivant la technologie utilisée.

Parce qu’il n’existe pas qu’une sorte de LCD, du DSTN (matrice passive) au TFT (matrice active), du VA au IPS, beaucoup de technologies ont vu le jour. Elle se ressemblent mais n’ont pas les mêmes caractéristiques. Analysons ces différences ainsi que les technologies qui succéderont au LCD.

Les premiers écrans LCD à matrice passive (TN et DSTN pour Dual Scan Twisted Nematic) :

Sans rentrer dans les détails, cette technologie économique a été très utilisée pour le monochrome et la couleur.

Elle présente de grosses faiblesses en contraste (50:1) et en angle de vision, une faible quantité de couleurs et de qualité de noir, mais avec un bon temps de réponse de quelques millisecondes seulement.

La dalle est transparente et permet le rétroéclairage avec lumière naturelle par miroir. Les montres ou les réveils utilisant cette technologie possédaient un rétroéclairage à la demande pour économiser les piles.

Elle fut remplacée rapidement par les matrices actives pour les ordinateurs portables.

Les matrices actives TFT TN (Thin-Film Transistors) :

Les pixels représentés par des croisements de fils de matrices pour les écrans TN sont ici commandés par un ou trois transistors (noir et blanc ou couleurs).

Meilleure luminosité, meilleur contraste, angles de vision accrus compensent largement le surcoût de cette technologie.

Le temps de réponse, toujours très faible, le destine aux consoles de jeux. Il sera évité pour la lecture de film où un effet de fourmillement sera perceptible.

Bon nombre d’écrans sont TN, on peut facilement les identifier à leur faiblesse d’angle de vision inférieur. Ils deviennent noir dès qu’on les basculent.

Les tablettes Acer Iconia A100 et W500 sont équipées d’écran TN ainsi que la plupart des tablettes Archos.

Les variantes IPS et S-IPS (Super In-Plane Switching) :

Développées par Hitachi et Nec, ces techniques (propriétaires) permettent de meilleurs angles de visions et des contrastes plus soutenus. Ils pêchent par un temps de réponse qui tend toutefois à s’améliorer (de l’ordre de 30 ms). Ils sont surtout utilisés en télévision mais ils équipent les iPad d’Apple ainsi que les tablettes d’Asus. Particularité : un pixel mort ne transmet plus la lumière et est donc moins visible.

Les variantes xVA (Vertical Alignment) :

Fujitsu améliore son VA par un MVA (Multi-domain VA). Ce procédé augmente la densité du noir. Les angles de vision ainsi que les contrastes sont excellents. Mais, à l’instar du TN, il est sujet au fourmillement pendant la lecture des films (Archos utilise cette technologie pour ses tablettes 101G9). Samsung développera le PVA (Patterned multiple domains VA) qui permettra d’avoir les écrans les plus polyvalents et les plus performants du moment. Les tablettes Acer Iconia A500 sont équipées d’écran PVA ainsi que la Galaxy Tab de Samsung.

Les technologies évoquées ne sont liées qu’à une partie de l’écran : la dalle. Que la matrice soit active ou non, la dalle reste passive, c’est à dire qu’elle n’émet aucune lumière. La dalle est donc un filtre, il faut l’associer à un fond lumineux. Il est temps de parler du rétroéclairage.

Le rétroéclairage fluorescent :

Jusqu’en 2009, le standard était les lampes fluorescentes CCFL (Cold Cathodes Fluorescent Lamps), appelées communément « néons ».

Pour des raisons de rapidité d’allumage, ces tubes sont toujours allumés.

Problème qui est à l’origine des noirs peu soutenus des écrans LCD (les pixels laissent passer toujours un peu de lumière).

Le gros inconvénient de ces lampes restait la durée de vie qui était souvent inférieure à l’appareil qu’elles équipent. Il reste encore à la vente, bon nombre de télévisions rétroéclairé par néons.

Pour économiser de l’énergie et leur durée de vie, il est intéressant de paramétrer une mise en veille (extinction) lorsqu’ils ne vont pas servir pendant un certain temps.

Le rétroéclairage par LED :

Cette technologie n’est pas récente mais la prise de conscience de limiter notre consommation d’énergie a « boosté » la recherche et le développement de produits puissants capables de concurrencer les lampes classiques. Les LEDs s’installent donc partout, et pour ce qui nous intéresse, dans nos écrans. Les avantages sont indéniables :

 faible consommation
 plus écologique, elles n’ont pas de mercure et sont facilement recyclables
 pas d’inertie lumineuse
 elles chauffent peu et améliorent la durée de vie des écrans
 meilleure résistance mécanique
 durée de vie importante
 associées au « local dimming », elle peuvent s’éteindre par zones, améliorant ainsi le noir et le contraste.

N’ont-elles donc que des avantages ? Presque, oui. On peut quand même signaler que le blanc généré est relativement froid, il est parfois difficile de régler les couleurs finement.

Comment choisir un rétroéclairage par LED ? Autant la question ne se posait pas avec les tubes néon qu’elle devient complexe avec les LEDs.

 Edge LED :

Les LEDs entourent l’écran. Il y a en a 300 à 400 suivant la taille. Procédé le plus ancien, il est le moins coûteux et génère des écrans très plats (moins d’un cm pour les plus fins). Inconvénient, la répartition de la lumière est moins uniforme et le local dimming impossible.

 Edge LED avec local dimming :

Plusieurs rampes de LEDs sont positionnées permettant l’installation de zones autorisant le local dimming. On conserve l’avantage de la faible épaisseur.

 Full LED avec ou sans local dimming :

L’ensemble du panneau est couvert de LEDs. Elles éclairent donc directement la dalle (et non par réflexion comme pour le edge). L’uniformité de la luminosité est donc meilleure. Les écrans sont bien sûr plus chers et plus épais. Le local dimming est ou non implanté.

 Full LED avec nanotechnologie :

Le panneau de LEDs individuelles est remplacé par un film composé de bien plus d’éléments éclairants tout en étant plus fin. Certainement, le procédé le plus abouti du moment.

 Full LED RVB :

Les LEDs blanches sont remplacées par des LEDs colorées. Associée au local dimming, cette technologie coûteuse permet la meilleure gestion des couleurs et du contraste. Toutefois, les panneaux sont plus épais.

Voilà pour les dalles passives. Et les dalles actives, quelles sont-elles ? Il existe deux technologies. L’une vieillissante : le plasma (réservée aux téléviseurs de grande taille) et une autre, naissante : l’OLED (réservée aux petits écrans). Alors, complémentarité ? Sûrement pas. Beaucoup d’autres technologies sont à l’étude (Laser, SED, FED …).

- Écrans plasmas :

Dans les dalles actives, il n’y a pas de cristaux liquides mais des éléments lumineux contrôlés pour générer des couleurs, du blanc et … du noir quand ils sont éteints. Ici, on utilise des cellules de gaz émettant une lumière ultraviolette corrigée par des filtres pour la rendre visible. Il est impossible d’implanter ces cellules dans des petits volumes, d’où son utilisation télévisuelle à grande dimensions (>1m) uniquement. Les contrastes sont excellents mais la consommation électrique est élevée ainsi que l’épaisseur des boîtiers.

- Écrans OLED (Organic LED) :

Deux technologies : les PMOLED (Passive OLED) et les AMOLED (Active OLED) sont étudiées.

La différence se situe dans la matrice, comme pour les matrices actives et passives des LCDs. Dans tous les cas, le film de LEDs organiques est très fin et autorise des écrans souples.

Les PMOLEDs sont peu coûteux mais sont limités aux petites dimensions (3’’ max). Ils sont donc déjà très implantés dans les appareils photos, les baladeurs et les téléphones portables.

Les AMOLEDs sont beaucoup plus chers à fabriquer mais la taille n’est pas un problème technique. L’enjeu se situe en ce moment à augmenter la durée de vie des LEDs diffusant le bleu. En contre-partie, le contraste (1 000 000:1), le temps de réponse (< 0,1 ms), les angles de vision imbattables et la très faible consommation en font un concurrent redoutable.

La tablette Samsung Galaxy Tab 7.7 est une des premières tablettes à utiliser un écran AMOLED.

- Écrans Laser :

Mitsubishi développe depuis quelques années un procédé à éclairage laser. Trois faisceaux RVB éclairent chaque pixel. Quelques modèles sont sortis aux USA avec d’énormes qualités … et un prix aussi énorme.

- Écrans FED ou SED (Surface-conduction Electron-emitter Display) :

La technologie SED (développée par Canon) fut abandonnée (officiellement) en 2008 pour des problèmes de licence. Pour la technologie FED, c’est Sony qui compte bien remonter en terme d’innovation et surtout de ventes. Ces deux systèmes, similaires, s’inspirent de l’écran CRT en utilisant un mini canon à électrons placé derrière chaque pixel.

Pour l’instant, le manque de prototype ne permet pas de situer ces écrans par rapport à la concurrence.

Cet article ne serait pas complet sans quelques lignes sur les écrans tactiles. De plus en plus présents depuis le développement d’OS (Operating System) prenant en compte ce concept, ils se sont installés d’abord sur les smartphones, puis sur les tablettes et quelques ordinateurs. Deux technologies cohabitent : les surfaces résistives et les capacitives.

Les écrans tactiles à surface résistives :

Ce qui paraissait comme superflu voire gênant (on parlait de traces de doigts …) est devenu un périphérique incontournable pour beaucoup d’appareils (Swatch vient de sortir sa première montre à écran tactile). Quelles technologies se cachent derrière cette fonctionnalité ? Elles sont nombreuses mais deux seulement vont nous intéresser.

- Les écrans résistifs :

Une plaque de verre et un film plastique sont conducteurs.

Ils sont séparés par des cales qui vont s’écraser lors de la pression du doigt ou d’un stylet.

Un contact va s’établir, la variation du champ électrique va être détectée par le traitement logiciel.

Les inconvénients sont évidents, le mouvement des plaques va entraîner une usure de la surface conductrice qu’il faudra régulièrement compenser par réglages.

Ce dispositif est encore utilisé dans les produits d’entrée de gamme à cause de son coût de fabrication relativement faible.

Il présente aussi les avantages de consommer peu d’énergie, de ne pas craindre les rayures et l’eau.

- Les écrans capacitifs :

La plaque de verre est recouverte d’une couche qui accumule les charges électriques. Lorsque le doigt touche la plaque, une partie de ces charges lui sont transférées. Ce transfert est facilement détecté par des capteurs situés en périphérie.

Pas de pression et pas d’usure, ce procédé permet en plus de laisser passer davantage de lumière que le précédent. Il a toutefois une limite dans la taille de l’écran ce qui le rend incontournable pour les appareils portables.

Pour les grands écrans et pour les lieux publics, on fera appel à des technologies optiques bien adaptées à un durcissement nécessaire à l’usage en milieux hostiles.

Comment choisir son écran ? En général, le prix fait la qualité. Si votre budget est minimum, il faudra accepter d’utiliser des techniques dépassées mais qui ont fait leurs preuves. Pour les choix intermédiaires, il faut absolument se renseigner sur des données qui, malheureusement, n’apparaissent pas forcément au premier descriptif. Vous vous heurterez également à la méconnaissance de ces critères par beaucoup de vendeurs. La plupart des sites de ventes ne fournissent pas des caractéristiques complètes.