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LA TECHNOLOGIE LCD
L’invention du terme "cristal liquide" date de… 1889 ! Et on ne la doit pas
à un électronicien mais à un botaniste. Cela dit, il faudra attendre 1968
pour que le RCA s’intéresse au phénomène et invente le premier
afficheur à cristaux liquides. En 1969, James FERGASON découvre
l’effet TN : twisted nematic. Ce fut une découverte fondamentale dans la
mesure où tous les écrans LCD que nous connaissons sont basés sur ce
principe de rotation du plan de polarisation. En 1973, G. Gray invente le
cristal liquide diphényle qui permet de mettre en place des solutions à
cristaux liquides stables aux conditions de pression et de température
ambiantes. Et dès 1986, NEC produit le premier ordinateur portable doté
d’un afficheur à cristaux liquide (ACL pour les francophones, LCD pour le
reste de la planète). En 1995, on commence à produire des dalles LCD
de grandes diagonales, supérieures à 28 pouces.
1 – Principe de fonctionnement du LCD
La principale différence entre le plasma et le LCD tient au fait que les
pixels LCD n’émettent aucune lumière. De là sont dérivées toutes les
qualités mais aussi tous les défauts des afficheurs dans cette
technologie.
Un pixel est constitué de trois sous-pixels de couleurs élémentaires. Le
principe de fonctionnement est intéressant : le LCD n’émet aucune
lumière mais se comporte comme un interrupteur. Ainsi, un écran LCD
dispose d’un rétro-éclairage blanc. La lumière émise par le rétroéclairage passe à travers le cristal liquide avant d’être colorée par un
filtre. Chaque sous pixel dispose donc de la même architecture, seul le
filtre de couleur change au final. On peut contrôler électriquement le
cristal liquide de chaque sous-pixel comme une vanne. On laisse passer
plus ou moins de lumière à travers le cristal. Ce faisant, on module la
quantité de rouge, de vert et de bleu qu’on pour chaque pixel.
2 - Fonctionnement dans le détail
Le rétro éclairage émet une lumière blanche, naturelle, non polarisée. La
polarisation de la lumière est dictée par l’orientation de son vecteur
champ électrique. Sans entrer trop dans le détail, la lumière est une
onde électromagnétique et perpendiculaire à son sens de déplacement,
on trouve ses vecteurs champs électriques et champs magnétiques. Une
lampe émet une lumière non polarisée. Le champ électrique peut
prendre n’importe quelle direction perpendiculaire à l’axe de propagation
de la lumière. Lorsque la lumière passe dans un polariseur, la lumière
qui en ressort dispose d’un vecteur champ électrique orienté selon une
direction connue (verticale dans l’exemple).
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 fait tourner le plan de polarisation de la lumière
pour l’aligner avec le polariseur de sortie et alors, la lumière passe. C’est
cette propriété naturelle du cristal liquide qui lui vaut son succès dans les
techniques d’affichage.
Si on impose une tension continue de part et d’autre du cristal liquide,
les cristaux s’orientent selon cette différence de potentiel, un peu comme
un aimant s’oriente selon le champ magnétique terrestre. En ne
permettant plus la rotation du plan de polarisation, la lumière ne passe
plus à travers le polariseur horizontal puisqu’elle reste polarisée
verticalement. Le faisceau lumineux est donc interrompu.
En jouant sur la tension aux bornes du cristal liquide, on peut moduler
plus finement la "fermeture" de l’interrupteur et obtenir ainsi des états
intermédiaires.
3 - Adressage des matrices LCD
L’adressage des matrices passives LCD est assez proche de
l’adressage des matrices plasma. Une électrode de face, commune à la
colonne complète, permet d’acheminer la tension voulue. L’électrode de
derrière, commune à toute la rangée, achemine la masse.
Les inconvénients de la matrice passive sont nombreux et connus. Les
dalles sont lentes et peu précises. A cela deux raisons. La première tient
au fait que le pixel, une fois adressé, commence à reprendre doucement
son état normal, créant ainsi un flou dans l’image. La seconde est due
au couplage capacitif existant entre les lignes d’adressage. Ce couplage
rend peu précis la propagation de la tension et vient contaminer les
pixels avoisinant.
Pour remédier à ces problèmes, les constructeurs ont eu recours à la
matrice active : TN + film.
L’astuce consiste à ajouter un transistor par pixel. Ce transistor
fonctionne ici comme un interrupteur : lorsque l’interrupteur est fermé
(on), on peut écrire une donnée de data-line vers la capacité mémoire.
Lorsque l’interrupteur est ouvert (off), la donnée reste sur la capacité qui
fonctionne alors comme une mémoire analogique.
Les avantages de cette technologie sont très nombreux. Lorsque
l’interrupteur se ferme, la donnée reste stockée sur la capacité, le cristal
liquide aura donc une tension constante à ses bornes même lorsque les
lignes adresseront un autre pixel. Il ne reviendra donc pas à sa
configuration initiale comme c’était le cas sur la matrice passive. Ensuite,
le temps d’écriture sur la capacité est bien plus faible que le temps de
rotation du cristal, on peut donc écrire la donnée et adresser
immédiatement un autre pixel sans attendre.
Cette technique est devenue si populaire de nos jours qu’elle a donné
son nom, par abus de langage aux moniteurs LCD. Les transistors
implémentés dans cette solution sont des Thin Film Transistor… des
TFT.
Les tensions mises en jeu sont bien moins grandes que pour le plasma.
Pour faire fonctionner un pixel TFT, il faut des tensions de l’ordre de –5 à
+20 volts, on est loin des valeurs extrêmes des dalles à plasma.
4 – Technologie du LCD
Le procédé de fabrication des TFT est très proche de celui des semiconducteurs que nous connaissons.
Sur un substrat de verre, on vient déposer du chrome qui servira de grille
métallique pour le transistor et de capacité de stockage. Puis, on vient
déposer un oxyde de silicium mince pour l’oxyde de grille et le
diélectrique de la capacité. Afin de créer un canal pour le transistor, on
utilise un dépôt de silicium amorphe. Deux zones sont ensuite dopées
N+ pour la création du drain et de la source. Pour finir, un niveau
d’interconnexion métallique est déposé afin de connecter plus
efficacement le transistor (à gauche) à la capacité mémoire, (à droite).
Cette couche métallique permettra également la connexion du bus de
données métallique. La grille de chrome, reliant tous les transistors d’une
même ligne, servira de ligne d’accès horizontale. Enfin, on recouvre le
tout d’un oxyde de passivation, permettant de protéger les composants
de toute agression extérieure.
Les transistors sur silicium amorphe étant de très mauvais transistors
comparés aux transistors sur substrat dopé, une tension négative (-5 V)
sur la grille permet d’être sûr que le transistor est ouvert (off). Une fois le
transistor déposé, on peut procéder au dépôt du cristal liquide.
Une entretoise (spacer) est ajoutée afin d’éviter l’écrasement des deux
couches de verre. On dépose ensuite le cristal liquide, une électrode ITO
qui servira d’électrode de référence. Ensuite viennent les filtres de
couleurs (vert dans l’exemple), la plaque de verre avant et un autre
polariseur, orienté perpendiculairement au premier.
A la verticale du transistor, on vient déposer un filtre de couleur noire. La
raison est simple : au-dessus du transistor, on ne contrôle pas la tension
par rapport à l’électrode commune, elle dépend de la tension de la ligne
de donnée qui peut changer même si on n’adresse pas ce pixel en
particulier. On a donc tout intérêt à masquer cette zone mal définie pour
éviter des désagréments à l’utilisateur.
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