Technologie d'affichage à cristaux liquides (Partie 1)

La technologie d'affichage à cristaux liquides (LCD), grâce à ses exigences de fabrication relativement faibles et à son excellent rapport coût-efficacité, continue de dominer le marché des écrans. Un écran LCD est un écran passif, composé de deux modules principaux : la dalle à cristaux liquides et le module de rétroéclairage. Ce dernier émet une lumière blanche dont la couleur et la luminosité sont modulées au niveau de chaque pixel par la dalle à cristaux liquides, permettant ainsi l'affichage d'une image couleur animée.

Le module de rétroéclairage est composé de LED et de films optiques. La lumière ponctuelle émise par les LED est diffusée et homogénéisée par les films optiques afin de former une source de lumière de surface uniforme qui illumine l'écran à cristaux liquides. La lumière blanche est un mélange des trois couleurs primaires : rouge, vert et bleu. Après avoir traversé l'écran à cristaux liquides, la lumière produit des couleurs et une luminosité spécifiques grâce à l'action combinée des commutateurs à cristaux liquides correspondant à chaque sous-pixel. Un écran 4K complet, constitué d'environ 24,88 millions de sous-pixels, forme une image.

La structure du panneau à cristaux liquides est illustrée dans la figure ci-dessous. Outre les substrats de verre supportant divers films fonctionnels, les couches, de bas en haut, sont : le polariseur inférieur, le circuit de commande des transistors à couches minces (TFT), la couche de cristaux liquides, le filtre de couleur (CF) et le polariseur supérieur.

Comme leur nom l'indique, les cristaux liquides sont des substances cristallines aux propriétés similaires à celles des liquides. Ils possèdent à la fois les caractéristiques d'écoulement des liquides et les propriétés vectorielles des cristaux, ce qui leur confère des caractéristiques mécaniques, optiques et électriques uniques. Comme illustré sur la photo ci-dessous, le panneau à cristaux liquides, grâce à la coordination entre les cristaux liquides et les polariseurs supérieur et inférieur, module l'intensité de la lumière incidente provenant du rétroéclairage, créant ainsi différents niveaux de luminosité (échelle de gris). Associé à la fonction du filtre de couleur, il permet de générer différentes couleurs et différents niveaux de luminosité.

Quels changements se produisent donc lorsque le rétroéclairage pénètre dans l'écran à cristaux liquides ?

Tout d'abord, les couches supérieure et inférieure de l'écran à cristaux liquides sont équipées de polariseurs perpendiculaires. Ensuite, la surface est divisée en une multitude de cellules, selon la résolution des pixels. Chaque pixel est subdivisé en sous-pixels rouges, verts et bleus. Chaque cellule, de bas en haut, est dotée d'une électrode, d'une couche de cristaux liquides et d'une couche de filtre coloré. Les polariseurs supérieur et inférieur, associés aux cristaux liquides, forment une « porte » qui contrôle l'état de transmission de la lumière pour chaque cellule, ainsi que l'intensité de la lumière transmise. Les différentes intensités lumineuses transmises à travers les trois sous-pixels, après passage à travers les filtres colorés rouge, vert et bleu, se mélangent en proportions variables pour former la couleur et la luminosité de l'écran.

Alors, comment fonctionne ce portail combiné ?

Le rétroéclairage, comme la lumière naturelle, est une onde électromagnétique transversale. La direction de vibration des particules est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde, ce qui signifie que la direction de vibration de la lumière se situe toujours dans le plan xy, perpendiculaire à la direction de propagation (axe z). Lorsque les rayons du rétroéclairage atteignent le polariseur inférieur de l'écran à cristaux liquides, seule la lumière vibrant dans le même sens que le réseau du polariseur (direction de l'axe y) peut le traverser, devenant ainsi de la lumière polarisée linéairement et se propageant avec une direction de vibration spécifique. Comme illustré sur la figure 3, lorsque l'électrode du pixel sur le substrat TFT n'est pas alimentée, la lumière polarisée traverse la couche de cristaux liquides et la couche CF sans changer de direction de vibration, et atteint le polariseur supérieur. Cependant, la direction du réseau du polariseur supérieur est perpendiculaire à l'axe y (direction de l'axe x). Par conséquent, la lumière polarisée vibrant selon l'axe y ne peut pas traverser le polariseur supérieur, ce qui explique l'aspect sombre observé de face.

Lorsque l'électrode du circuit TFT est alimentée, les molécules de cristaux liquides se mettent en rotation. La lumière polarisée émergeant du polariseur inférieur voit sa direction de polarisation déviée sous l'effet de cette rotation. En ajustant précisément l'épaisseur des cristaux liquides et l'angle de rotation, il est possible de dévier la direction de vibration de la lumière polarisée de 90° exactement. Dans ce cas, la direction de vibration de la lumière polarisée devient parallèle à l'axe x, s'alignant ainsi avec la direction du réseau du polariseur supérieur et permettant son passage. Si la direction de vibration forme un angle avec la direction du réseau, seule la composante de l'énergie de l'onde lumineuse suivant cette direction peut traverser le polariseur, et l'intensité lumineuse initiale est atténuée. En modifiant la tension appliquée à l'électrode du TFT, il est possible d'ajuster l'angle de rotation des cristaux liquides et, par conséquent, de contrôler l'intensité de la lumière transmise à travers le polariseur supérieur.

Caractéristiques électro-optiques des cristaux liquides

Pourquoi un champ électrique peut-il provoquer la rotation de cristaux liquides ? Et pourquoi la rotation des cristaux liquides modifie-t-elle la direction de vibration de la lumière polarisée ?

Comme illustré ci-dessous, les molécules de cristaux liquides possèdent une structure en forme de bâtonnet et présentent l'anisotropie des cristaux. Elles présentent des effets électro-optiques, des constantes diélectriques et des indices de réfraction différents selon leurs axes long et court. Nous pouvons exploiter ces propriétés pour moduler l'intensité de la lumière incidente sur chaque pixel, et ainsi créer des images en couleur et en niveaux de gris.

Anisotropie diélectrique des cristaux liquides

La constante diélectrique (ε) des molécules de cristaux liquides diffère selon leurs axes long et court. Lorsque la constante diélectrique parallèle à l'axe long est supérieure à celle perpendiculaire à cet axe (ε// > ε⊥), il s'agit d'un cristal liquide à anisotropie diélectrique positive, adapté à un alignement parallèle. Lorsque ε// < ε⊥, il s'agit d'un cristal liquide à anisotropie diélectrique négative, utilisable uniquement en alignement vertical pour obtenir l'effet électro-optique souhaité. Sous l'effet d'un champ électrique externe, l'orientation des molécules de cristal liquide (parallèle ou perpendiculaire au champ) dépend de l'anisotropie diélectrique, positive ou négative, ce qui détermine la transmission de la lumière. Actuellement, les cristaux liquides de type VA, couramment utilisés dans les écrans TFT-LCD, présentent majoritairement une anisotropie diélectrique négative. Sous l'effet d'un champ électrique externe, les molécules de cristal liquide se polarisent, inclinant leur axe long dans une direction perpendiculaire au champ. La technologie IPS utilise généralement des cristaux liquides de type positif, tandis que certaines dalles ADS Pro utilisent des cristaux liquides de type négatif.

Biréfringence des cristaux liquides

Les molécules de cristaux liquides présentent une biréfringence et un pouvoir rotatoire ; leur indice de réfraction (n) diffère selon leur axe longitudinal et leur axe transversal. L’indice de réfraction le long de l’axe longitudinal est n₀, et le long de l’axe transversal est n_E.

Du fait de leurs indices de réfraction différents, les vitesses de la lumière le sont également. Lors de la rotation des cristaux liquides, les vitesses de la lumière diffèrent selon les axes long et court, induisant un déphasage entre les rayons ordinaires (O) et extraordinaires (E) sortants par rapport à leur état incident. Ce déphasage est à l'origine du phénomène de retard de phase. À la sortie du cristal liquide, les vecteurs d'onde O et E se recombinent, générant une nouvelle direction de vibration. Grâce à une conception spécifique du trajet optique et de l'angle de rotation, le déphasage entre les rayons O et E sortants peut être fixé à une demi-longueur d'onde. Ceci provoque une rotation de 90° de la phase de la lumière sortante par rapport à la lumière incidente, lui permettant ainsi de traverser le polariseur supérieur. Différents angles de rotation des cristaux liquides déterminent différents déphasages entre les rayons O et E, et permettent ainsi de contrôler l'intensité de la lumière transmise.

Types de panneaux à cristaux liquides

Selon le mode de rotation des cristaux liquides, on distingue trois types d'écrans LCD : TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) et VA (Vertical Alignment). Les écrans LCD de type TN ont été les premiers à être utilisés, car ils étaient les moins chers. Cependant, leur faible profondeur de couleur (6 bits) et leurs angles de vision très réduits les ont quasiment exclus du marché. Aujourd'hui, la plupart des écrans LCD utilisent des dalles IPS ou VA.

Comme illustré sur la figure, les écrans IPS sont constitués de molécules de cristaux liquides disposées horizontalement. Les électrodes positives et négatives des pixels se trouvent sur le même plan horizontal du substrat TFT. À l'état non alimenté, la lumière polarisée traversant le polariseur inférieur traverse les cristaux liquides sans modification de sa direction de polarisation. Dans ce cas, la direction de vibration de la lumière polarisée est perpendiculaire à la direction du réseau du polariseur supérieur, et la lumière ne peut pas le traverser. Sous tension, en raison du champ électrique, les molécules de cristaux liquides pivotent dans le plan horizontal (commutation dans le plan). Du fait de la biréfringence, la lumière polarisée se décompose en deux rayons lumineux de vitesses différentes. À la sortie des cristaux liquides, ces deux rayons polarisés présentent un déphasage et se recombinent pour former une nouvelle lumière polarisée. Cette lumière traverse ensuite le filtre coloré, chaque cellule de sous-pixel présentant les couleurs rouge, verte et bleue. La lumière polarisée ayant traversé le filtre coloré atteint le polariseur supérieur. La lumière émise par chaque sous-pixel, déviée par le cristal liquide selon un nouvel angle, présente un angle de rotation différent. Les composantes de la lumière polarisée, dont les angles diffèrent par rapport au réseau du polariseur supérieur, traversent ce dernier, produisant ainsi des couleurs rouge, verte et bleue d'intensités variables pour chaque sous-pixel. Ces trois couleurs se mélangent pour former le pixel coloré souhaité. Les couleurs de 24 883 200 sous-pixels (3840 × 2160 × 3) se combinent pour former les couleurs de 8 294 400 pixels (3840 × 2160), créant ainsi une image en résolution 4K. Les cristaux liquides, sensibles au champ électrique à une fréquence spécifique, modifient continuellement l'angle de vibration de la lumière polarisée, générant image après image et permettant ainsi l'affichage vidéo.

Le principe de fonctionnement des écrans VA est identique à celui des écrans IPS. Comme illustré sur la figure 6, la disposition des molécules de cristaux liquides diffère de celle des écrans IPS. Dans les écrans VA, les molécules de cristaux liquides sont alignées verticalement, et les électrodes positives et négatives des pixels sont réparties sur les plans supérieur et inférieur, créant ainsi un champ électrique vertical.

En l'absence de tension appliquée aux électrodes, les molécules de cristaux liquides sont alignées perpendiculairement aux substrats supérieur et inférieur. La lumière polarisée linéairement traversant le polariseur inférieur se propage parallèlement au grand axe des molécules de cristaux liquides ; son état de polarisation reste donc inchangé et elle ne peut traverser le polariseur supérieur. L'écran observé par l'œil humain apparaît alors sombre. En l'absence de tension ou en présence d'une tension faible, la lumière polarisée se propage le long du grand axe des molécules de cristaux liquides. Du fait de la biréfringence des cristaux liquides, la lumière polarisée le long de cet axe ne dévie pratiquement pas et ne peut donc pas traverser le polariseur supérieur, ce qui se traduit par un noir profond, un contraste élevé et une excellente netteté d'image. Lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, les molécules de cristaux liquides tournent sous l'action du champ électrique vertical, leur grand axe s'inclinant perpendiculairement à ce champ. Les composantes de la lumière polarisée linéairement incidente pénétrant dans la couche de cristaux liquides subissent un retard de phase. Après avoir traversé la couche de cristaux liquides, les composantes de la lumière polarisée se recombinent et son état de polarisation se modifie. La direction de vibration de la lumière polarisée de chaque sous-pixel est déviée selon différents angles en fonction de la tension appliquée. Après passage à travers le filtre de couleur et le polariseur supérieur, on obtient des sous-pixels de couleurs d'intensités différentes. Les couleurs rouge, verte et bleue des sous-pixels, avec leurs rapports d'intensité différents, se mélangent pour former la couleur du pixel défini, créant ainsi une image complète pour l'affichage.