Principes de fonctionnement et comparaison des avantages et inconvénients des écrans LCD et OLED

01. Principes de fonctionnement des écrans LCD et OLED

1.1. Principe de fonctionnement de l'écran LCD

Le schéma en coupe d'un écran LCD est le suivant, composé principalement de 7 couches de bas en haut : couche de rétroéclairage, polariseur vertical, circuit d'électrode positive, couche de cristaux liquides, circuit d'électrode négative, polariseur horizontal et filtre de couleur.

• La couche de rétroéclairage inférieure émet une lumière blanche qui, après avoir traversé le filtre coloré, prend la couleur correspondante. Remarque : le rétroéclairage n’est pas assuré par une LED indépendante sous chaque pixel ; l’écran entier partage une seule et même couche de rétroéclairage.

• Lorsqu'une tension est appliquée au circuit de l'électrode positive , elle traverse la couche de cristaux liquides et se connecte au circuit de l'électrode négative pour former une boucle. Cette tension provoque la torsion des molécules de cristaux liquides. À ce stade, la couche de cristaux liquides, tel un obturateur, bloque partiellement la lumière. En contrôlant l'amplitude de la tension, on peut contrôler l'angle de torsion des molécules de cristaux liquides et, par conséquent, la luminosité des sous-pixels rouge, vert et bleu. Modifier le rapport de luminosité permet de créer n'importe quelle couleur.

1.2. Principe de fonctionnement des OLED

OLED signifie diode électroluminescente organique . Comme les écrans LED, elle possède trois sous-pixels. La différence réside dans l'absence de couche de cristaux liquides et de couche de rétroéclairage ; il s'agit d'une diode auto-émissive spécialement conçue. En contrôlant la tension, et donc le courant traversant la diode, on peut modifier sa luminosité et ainsi ajuster le rapport de couleur de chaque sous-pixel, permettant d'obtenir la couleur désirée.

• L'OLED ne possède pas de rétroéclairage. Chaque pixel peut être allumé ou éteint indépendamment. Ainsi, contrairement aux écrans LCD qui nécessitent l'illumination de toute la couche de rétroéclairage lorsqu'ils sont allumés, dans un écran OLED, chaque pixel peut être considéré comme une lampe contrôlée individuellement. Ceci permet des fonctionnalités telles que l'affichage permanent (Always-On Display - AOD) , où une partie des pixels peut rester allumée à faible luminosité et fréquence de rafraîchissement pour afficher l'heure, les notifications et d'autres informations importantes lorsque le téléphone est verrouillé.

02. Comparaison des avantages et des inconvénients des écrans LCD et OLED

2.1. Les écrans OLED consomment moins d'énergie.

• Une fois allumé, un écran LCD illumine tout son rétroéclairage et consomme de l'énergie en continu.

• Un écran OLED consomme plus d'énergie qu'un écran LCD uniquement lors de l'affichage d'une image blanche pure. Cependant, la luminosité et l'état (allumé/éteint) de chaque pixel OLED peuvent être contrôlés indépendamment, permettant ainsi une réduction de luminosité différentielle, voire l'extinction de certains pixels. Par conséquent, sauf en cas d'utilisation prolongée d'un écran blanc, un écran OLED offre généralement une meilleure autonomie.

2.2. L'OLED possède un rapport de contraste plus élevé

• Le rapport de contraste désigne le rapport de luminosité entre le blanc le plus lumineux et le noir le plus foncé. Un rapport plus élevé signifie des couleurs plus vives et saturées.

• Pour qu'un écran LCD affiche un noir pur, idéalement, les molécules de cristaux liquides devraient se refermer complètement afin de bloquer toute la lumière émise. Cependant, une fermeture totale est impossible. Lors de l'affichage du noir, une petite quantité de lumière blanche filtre, de sorte que ce qui apparaît n'est pas un noir pur, mais un gris nettement atténué. C'est cette caractéristique qui empêche les écrans LCD d'afficher un noir véritablement pur.

• La technologie OLED est dépourvue de rétroéclairage et chaque pixel est contrôlé indépendamment. Pour afficher du noir, l'alimentation de ces pixels peut être totalement coupée, ce qui empêche toute émission de lumière et permet d'obtenir un noir absolu. Les écrans OLED présentent ainsi un taux de contraste plus élevé.

2.3. L'OLED possède un temps de réponse plus rapide, avantageux pour l'affichage dynamique.

• Lors de l'affichage de contenu dynamique, chaque pixel doit changer de couleur rapidement. Le temps nécessaire à ce changement correspond au temps de réponse de l'écran. Si ce temps de réponse est trop long, les pixels ne peuvent pas changer de couleur à temps, ce qui provoque des images rémanentes, car l'image précédente n'a pas complètement disparu avant l'apparition de la suivante.

• Les écrans LCD changent de couleur en contrôlant la torsion des molécules de cristaux liquides. La vitesse de cette torsion détermine directement le temps de réponse gris à gris (GtG) de l'écran. Cette vitesse de torsion dépend de la température : elle diminue à basse température, ce qui entraîne un effet de rémanence visible sur les écrans LCD dans les environnements froids.

• Les écrans OLED sont dépourvus de couche de cristaux liquides et ne sont donc pas limités par celle-ci. Bien que les OLED présentent un temps de réponse, celui-ci est extrêmement court pour les transitions de couleur, éliminant ainsi quasiment tout effet de rémanence. Le passage du noir pur au blanc pur est légèrement plus long, mais reste généralement plus rapide que sur la plupart des écrans LCD. Par conséquent, la technologie OLED offre un avantage intrinsèque pour l'affichage de contenus dynamiques.

2.4. Les écrans OLED peuvent être plus fins et pliables.

• Les écrans OLED, dépourvus de rétroéclairage et de couches de cristaux liquides, sont beaucoup plus faciles à fabriquer en fines couches et peuvent être pliés de manière significative, comme du papier. Cette flexibilité permet de réaliser facilement des écrans incurvés, améliorant considérablement la qualité perçue des appareils.

• Les écrans LCD, outre leur couche de rétroéclairage et leurs cristaux liquides, contiennent également des polariseurs, ce qui les rend beaucoup plus épais. La couche de rétroéclairage et les cristaux liquides sont fabriqués sur des substrats rigides, ne permettant qu'une très légère flexion, généralement observée uniquement sur les grands écrans comme les moniteurs d'ordinateur de bureau.

2.5. Durée de vie plus courte des écrans OLED

• Dans les écrans LCD, la couche de rétroéclairage émet de la lumière. La couche de cristaux liquides contrôle uniquement le blocage de la lumière, et le filtre modifie uniquement sa couleur ; aucun des deux n'émet de lumière. Une tension est appliquée à la couche de cristaux liquides non émissive.

• Dans les écrans OLED, la tension est appliquée directement aux diodes auto-émissives, ce qui provoque de fréquentes migrations d'électrons au sein de la couche émissive. Ce phénomène, combiné à la composition organique de cette couche (qui vieillit plus rapidement que les matériaux inorganiques) et à l'auto-émission, explique la durée de vie nettement plus courte des écrans OLED par rapport aux écrans LCD.

2.6. L'écran LCD souffre de fuites de lumière

• En raison de la présence de la couche de rétroéclairage dans les écrans LCD et du fait que la dalle doit être assemblée à un appareil, la lumière émise par ce rétroéclairage peut facilement fuir au niveau des joints entre l'écran et le châssis de l'appareil. Lors de l'affichage d'une image entièrement noire, de larges halos lumineux peuvent apparaître sur les bords, un phénomène appelé « fuite de lumière ».

2.7. Les écrans OLED sont sujets au « marquage »

• Sur les écrans LCD, le rétroéclairage est une unité unique et tous les pixels vieillissent de manière uniforme.

Dans les écrans OLED, chaque pixel émet de la lumière indépendamment, ce qui signifie que différentes zones de l'écran vieillissent à des vitesses différentes selon l'utilisation. Par exemple, si la zone A affiche constamment du bleu, les sous-pixels bleus de cette zone se dégraderont plus rapidement. Plus tard, lors de l'affichage d'une couleur uniforme, le bleu de cette zone sera légèrement moins lumineux, créant une image rémanente persistante, comme si l'image était « marquée » sur l'écran. Ce phénomène est appelé « burn-in » (il ne s'agit pas d'une brûlure physique, mais d'un vieillissement inégal des pixels entraînant des différences de couleur).

2.8. Les écrans LCD et OLED peuvent tous deux provoquer une fatigue oculaire, mais différemment.

• La luminosité de l'écran doit être réglable en fonction de la lumière ambiante. Deux méthodes principales sont utilisées : la modulation de largeur d'impulsion (PWM) et la gradation par courant continu (DC) .

• La gradation en courant continu est simple : elle contrôle directement la tension pour modifier la luminosité. Une tension plus élevée produit une lumière plus intense. Comme la source lumineuse reste allumée en permanence, elle ne provoque pas de fatigue oculaire liée au scintillement.

• La gradation PWM ajuste la luminosité en modifiant le rapport cyclique (durée d'allumage/d'extinction) de la lampe. Un rapport cyclique plus élevé signifie une lumière plus intense. Ce procédé consiste à allumer et éteindre la lampe, ce qui crée un scintillement. L'inconvénient est la fatigue oculaire potentielle ; les fréquences de scintillement plus élevées sont moins perceptibles.

• En raison de ses caractéristiques intrinsèques, si un écran OLED utilise la gradation DC à des niveaux de luminosité très faibles, la tension excessivement basse provoque un effet d'écran irrégulier et « brouillé », affectant considérablement la qualité d'image. Par conséquent, les écrans OLED ne peuvent pas utiliser efficacement la gradation DC et reposent principalement sur…PWM .

• De plus, les matériaux organiques des OLED étant sujets au vieillissement, ils ne peuvent pas utiliser la modulation de largeur d'impulsion (PWM) à haute fréquence (moins perceptible) et sont souvent limités à la gradation PWM à basse fréquence (généralement jusqu'à environ 250 Hz). Certaines personnes à la vue sensible peuvent percevoir ce scintillement, ce qui augmente le risque de fatigue visuelle.

• La partie de la lumière émise par l'écran la plus nocive pour les yeux est la lumière bleue à haute énergie, dans la gamme de longueurs d'onde de 420 à 440 nm , qui peut causer des dommages irréversibles à la rétine. Les rétroéclairages des écrans LCD traditionnels utilisent plusieurs lampes LED puissantes avec des guides de lumière. Une part importante de la lumière bleue à haute énergie émise par ces LED se situe dans cette gamme.

• En résumé : les écrans LCD émettent une forte lumière bleue nocive, et les écrans OLED utilisent la modulation de largeur d'impulsion (PWM) , également nocive. Certains écrans d'entrée de gamme utilisent même la PWM sur les écrans LCD pour réduire les coûts. Il n'est pas clairement établi lequel est le plus nocif.