Quelques notions de physique utilisées dans les

écrans plats : écrans à plasma, écrans à cristaux liquides et

OLED

(Organic Light Emitting Diode)

Nous souhaitons faire apparaître en un point de l’écran une lumière de caractéristiques données, ceci grâce à un signal électrique correct.

Le problème est que la lumière n’est pas directement sensible

à un signal électrique, il faudra faire appel à un artifice pour

atteindre le but fixé, cet artifice n’est pas le même pour les

écrans à plasma et pour les écrans à cristaux liquides.

-pour les écrans à plasma le signal électrique permettra de créer la lumière au point choisi ( vrai aussi pour les OLED).

- pour les écrans à cristaux liquides le signal électrique permettra d’adapter une lumière pré-existante.

préliminaires

A LES ECRANS A PLASMA

Sommaire

A1 Les notions physiques de base :Qu’est-ce qu’un plasma ? Quel est le principe d’une lampe fluorescente?

A2 Utilisation de ces notions dans le fonctionnement des cellules à plasma, dans les écrans plats.

Les cavités ou cellules dans un écran à plasma

Le réglage de la couleur.

A3 Les avantages de cette technologie

A1 Qu’est-ce qu’un plasma?Un atome est constitué

d'un noyau central, chargé positivement, et d'un nuage périphérique composé d'un cortège d'électrons, chargés négativement, qui tournent à des vitesses prodigieuses autour du noyau. 

Quand les constituants de l'atome se séparent totalement ou partiellement, noyaux, ions et électrons se déplacent indépendamment et forment un mélange globalement neutre : c'est un plasma

.

L'application d'un signal électrique (V) de haute tension entre les deux électrodes d’un tube contenant un gaz rare provoque dans le gaz l’apparition d’un plasma et le déplacement des particules chargées qu’il contient(+ dans un sens, – dans l’autre sens), c’est à dire une décharge électrique. Cette décharge entraînant des heurts entre les particules provoque l'émission d'une lumière ultraviolette.

Celle ci en frappant une substance (fluorescente) qui couvre la paroi interne du tube,fait apparaître une lumière visible : blanche dans le cas d’un tube dit «tube au néon »).

A1suite Principe d’une lampe fluorescente

Les cellules ou cavités Dans l’écran à plasma 3 cavités identiques microscopiques contiennent un gaz rare (Argon, xénon). L’ensemble de ces 3 cavités constitue un pixel

A2 Utilisation des notions précédentes

Ces scintillateurs sont choisis afin d’émettre chacun une couleur primaire : rouge, verte, ou bleue. La lumière colorée traverse ensuite une vitre avant pour

être perçue par l’utilisateur

Chaque cavité dispose de deux électrodes : une avant et une arrière. En appliquant une forte tension alternative sur chaque électrode, on provoque l’apparition d’un plasma dans les cavités, plasma qui émet des UV (en violet sur le schéma).Ces UV viennent frapper des scintillateurs disposés au fond de chaque cavité.

A2 fin Le réglage de la couleur.•Lorsque l'on ajoute les trois composantes Rouge, vert, bleu (RVB), de la lumière, on obtient du blanc. L'absence de composante donne du noir. Les couleurs secondaires sont le cyan, le magenta et le jaune car : Le vert combiné au bleu

donne du cyan

Le bleu combiné au rouge

donne du magenta

Le vert combiné au rouge

donne du jaune

Ce sont les couleurs dites

secondaires .En tout on a donc  8 couleurs   possibles

suite Si les cellules sont pleinement allumées ou totalement éteintes on ne dispose donc que d’ une palette que de 8 couleurs, noir et blanc inclus, or le procédé utilisé ne permet pas de faire varier progressivement la luminosité de chaque cellule, ni la proportion de rouge, de vert ou de bleu qu‘elle émet.

Sur les écrans à plasma, 1/5o de seconde est divisée en 256 durées élémentaires, 256 intensités lumineuses différentes pourront donc être perçues par l’oeil. Appliquée à chaque couleur de base, cette gestion temporelle offre une palette comptant 256 x 256 x 256 variantes, soit plus de 16 millions de teintes

En revanche, il est possible de commander très vite leur durée d'éclairement. C'est cette dernière caractéristique qui est mise à profit pour recréer les teintes intermédiaires, En vidéo, les cellules sont sollicitées à la cadence de 5o par seconde. Si chaque cellule est maintenue illuminée 1/5o de seconde, elle possédera sa luminosité maximale. En revanche, si elle ne s'allume que durant une portion de cette durée, sa luminosité paraîtra moindre POUR L’OEIL

A3 Quels sont les avantages de cette technologie?

Ce qui précède est un principe de base, il est largement amélioré actuellement.La technologie Plasma permet d’obtenir un écran totalement plat, de sorte que les images restent claires, lumineuses et faciles à voir, même sous un angle aussi important que 160 degrés - à la verticale comme à l’horizontale il ne se produit pas de distorsion..

Les écrans plasma sont insensibles aux champs magnétiques. Ils sont donc particulièrement adaptés à tous les environnements sujets à des interférences électriques, comme par exemple les installations de production électrique, les usines, les bateaux, les gares et les hôpitaux…

B LES ECRANS A CRISTAUX LIQUIDES

Sommaire

B1 Les notions physiques de base Les cristaux liquides

La Notion d’onde. La polarisation d’une onde ( onde mécanique)

Onde lumineuse ou lumière

Rôle d’un cristal liquide sur une lumière polarisée et action d’une tension

électrique sur ce cristal

B2 Utilisation de ces notions dans le fonctionnement des cellules à cristaux liquides, dans les écrans plats

Les cellules à cristaux liquides

Le réglage de la couleur.

**C’est en 1888, que le botaniste autrichien Reinitzer, étudiant des extraits de calculs biliaires, découvrit qu’ils ne se comportaient pas comme des cristaux habituels : ils fondaient à 145,5 °C en se transformant en un fluide laiteux qui devenait ensuite un liquide parfaitement clair à 178,5 °C. C’est un des cristallographes les plus expérimentés de l'époque, Lehmann, qui suggéra en 1900 le nom de «  cristaux liquides »

Un cristal liquide est formé de bâtonnets de quelques nanomètres de longueur et de quelques dixièmes de nanomètres de section comportant au moins deux parties différentes : par exemple une partie rigide et une partie flexible, une partie hydrophile et une autre hydrophobe, un groupe hydrocarboné et un autre fluo carboné ce qui confère au cristal liquide des propriétés particulières

B11 les cristaux liquides

Mais alors qu’un cristal est un arrangement ordonné et périodique d'atomes ou de molécules, que cet arrangement est totalement perdu dans un liquide, dans un cristal liquide la situation est intermédiaire

En voici 3 exemples

Les molécules bâtonnets de cristaux liquides sont

- parallèles entre elles, sans autre arrangement pour la phase nématique

-dans des plans pour la phase cholestérique, avec une rotation en hélice de la direction préférentielle

- en couches pour la phase smectique A.

suite

B12 Introduction à la notion d’onde mécanique

Un ébranlement horizontal se propage

Une onde horizontale se propage,

elle traverse la fente horizontale

L’onde horizontale est arrêtée par la fente verticale

B13 Expérience avec polariseurs croisés

(mécanique)

Vecteur déplacement d’un point de la corde

***Une lumière naturelle, est une onde caractérisée, entre autres, par un champ électrique E qui peut prendre n’importe quelle direction perpendiculaire à l’axe de propagation de la lumière. Lorsque la lumière passe à travers un polariseur, la lumière qui en ressort dispose d’un vecteur champ électrique orienté selon une direction connue (verticale dans l’exemple): elle est polarisée. Si on fait passer cette lumière à travers un deuxième polariseur, perpendiculaire au premier (horizontal dans l’exemple), plus aucune lumière ne ressort.

***Mais si on intercale un cristal liquide entre ces deux polariseurs, le cristal liquide fait tourner le vecteur E on dit que le plan de polarisation de la lumière a tourné ou que le cristal liquide a joué le rôle d'un guide d'onde si E est alors aligné avec le polariseur de sortie, la lumière passe

B14 La lumière ; le cristal liquide guide d’onde

***Si on impose une tension continue,de valeur convenable (différence de potentiel :V), de part et d’autre du cristal liquide, les cristaux vont

s’orienter sous l’action de cette tension( un peu comme un aimant s’oriente selon le champs magnétique terrestre )et ils ne pourront plus permettre la

rotation du plan de polarisation de la lumière,celle-ci ne passera plus à travers le polariseur horizontal. Le faisceau lumineux sera alors interrompu.

B15 Action d’une tension électrique sur un cristal liquide, et ses conséquences

***En jouant sur la tension aux bornes du cristal liquide,on peut agir sur l’orientation des cristaux, et on peut obtenir un faisceau lumineux plus ou moins atténué.

B21 Utilisation des notions précédentes : les cellules à cristaux liquides( nématiques)

**Chaque cellule (de quelques micromètres d'épaisseur) délimitée par deux « électrodes » en verre, planes et transparentes, contient un cristal liquide(nématique).

**Le verre est traité pour que les molécules de cristal liquide s'orientent parallèlement aux électrodes près de celles-ci, et toutes dans une direction déterminée. Les électrodes sont orientées de telle façon que cette direction soit décalée de 90° entre les deux faces de la cellule, et l'épaisseur de la cellule est ajustée de telle sorte que si un polariseur(à gauche) laisse passer une lumière dont le champ E est parallèle à la direction adopté par les molécules sur l’électrode de gauche le cristal liquide va remplir le rôle d'un guide d'onde, c’est à dire que E va tourner de 900, la lumiére pourra donc sortir librement de la cellule à travers un polariseur croisé par rapport au précédent.

Mais, si le nématique a été bien choisi lorsqu'une tension dépassant une valeur seuil est appliquée entre les électrodes, les molécules s’alignent perpendiculairement à celles-ci et la direction de polarisation de la lumière traversant la cellule

ne tourne pas. La lumière est bloquée par le polariseur de sortie qui l'absorbe . On commande donc l'allumage et l'extinction

d'une cellule par une tension électriqueEn jouant sur la tension aux bornes du cristal liquide, on peut moduler plus finement l’extinction d’une cellule et obtenir ainsi des états intermédiaires(faisceau lumineux plus ou moins atténué).

Remarque : les cellules peuvent être éclairées par la lumière ambiante (un miroir est la lumière la lumière ambiante (un miroir est alors placé sur la face arrière de l’écran) ou(et) par une source lumineuse arrière

B22

suite

Les couleurs fondamentales R V B sont obtenues par l’ajout de filtres colorés sur les cellules de cristaux liquides et chaque cellule est équipée d’un transistor qui commande le rendu de ces couleurs.

Il faut entre 100 000 et 1 000 000 de cellules pour obtenir un écran d’un mètre de diagonale

1 lumière blanche non polarisée

2 polariseurs croisés

3 cellules de cristaux liquides

4 filtres

Les transitors ne sont pas représentés

B24 Les couleurs

ECRAN à plasma à cristaux liquides

 lumière Créée dans les cellules Elle provient d’une source extérieure

Couleur Dépend du traitement

Qu’ont subi les cellules

Est donnée par les filtres

Nuances Sont obtenues en sollicitant plus ou moins longtemps les cellules

Sont obtenues en modulant la tension électrique appliquée aux cellules

C Comparaisons

D Les écrans OLED

Il existe de nouveaux écrans, dits OLED, pour Organic Light Emitting Diode.

Les diodes électroluminescentes utilisées sont constituées d’une superposition de couches organiques différentes, encadrées d'électrodes, d’ou le nom du procédé.

Ces couches, mille fois plus minces qu'un cheveu, possèdent la particularité de s'illuminer dès qu'une

tension de 5 à 10 volts leur est appliquée

D1

En effet dans ces conditions il apparaît des charges électriques qui se recombinent au niveau de la zone de contact entre les couches positives et négatives de la diode organique en donnant naissance à de la lumière dont la couleur dépend de la composition chimique de chaque couche. Il est ainsi possible de réaliser des diodes qui émettent dans le bleu, le vert ou le rouge .. La technologie OLED possède de nombreux avantages par rapport aux LCD : faible consommation électrique , meilleur rendu des couleurs, meilleur contraste et angle de confort de vision plus étendu , minceur et souplesse du support.

D2

Ces écrans incassables,devenus souples, sont assez faciles à réaliser; ils vont donner naissance à de nouvelles applications : écran “dépliable” , “journaux électroniques enroulables". panneaux publicitaires de grande taille et probablement s’imposer en de nombreux endroits incongrus, à commencer par les vêtements (robes-écrans faites de textiles aux couleurs changeantes) ou les emballages de certains produits de consommation, les murs-écrans d'ambiance qui diffuseront les programmes de la télé, la vidéo, les porte-monnaie électroniques-écrans qui afficheront ce qui reste en caisse, les casques-écrans pour les jeux vidéos, les cockpits-écrans pour les simulateurs de vol etc.. Le seul point faible est la durée de vie qui n'est pas encore optimale : aux alentours de 1500 à 10 000 heures.

D3

La matrice passive : le multiplexage.

Dans un écran à matrice passive (FSTN) une grille de fils métalliques gérés électroniquement, chacun par un transistor, est placée sur les vitres arrière et frontale. Une cellule est situé à chaque croisement entre les fils verticaux et horizontaux. Il suffit d’appliquer une tension entre une ligne et une colonne pour que le gaz contenu dans la cellule occupant leur intersection se transforme en plasma et émette de la lumière

Le courant électrique résiduel qui traverse chaque fil de contrôle peut parasiter les cellules non sélectionnées, diminuant ainsi le contraste général de l'écran.

E complément L’ allumage des nombreuses cellules

La matrice active

les écrans à matrice active sont équipées d'un transistor à l'emplacement même de chaque cellule agissant comme interrupteur pour l'allumer ou l'éteindre Grâce à ces transistors, les cellules peuvent être allumées ou éteintes très rapidement. De plus, du fait que chaque transistor traite une seule cellule, le phénomène de parasitage qui tend à diminuer le contraste sur les écrans à matrice passive est éliminé.

E suite