Les écrans plats

Les écrans plats
Gaston Guy — Alexis Laurent — Alexis Da Silva — Bastien Cassar
— Michael Bontemps
IUT Nice-Côte d’Azur
41 Boulevard Napoléon III
06206 Nice Cedex 3
{guy.gaston, laurent.alexis, dasilva.alexis, cassar.bastien, bontemps.michael}@
etu.unice.fr
RÉSUMÉ.
De nombreuses technologies pour écrans plats existent. Deux d’entre elles occupent
actuellement une place très importante sur le marché de l’audiovisuel. D’un coté l’écran
plasma, apprécié par sa grande taille et son image de très bonne qualité. De l’autre coté
l’écran LCD, mieux adapté pour la bureautique car ces écrans sont au départ plus petits que
le plasma, mais surtout ils ne causent pas de gêne visuelle. Cependant, d’autres technologies
moins connues du grand public comme le FED ou l’OLED existent. Ces dernières sont plus
innovatrices les unes que les autres mais ne sont pas encore assez performantes pour se faire
une place sur le marché. De plus, le LCD s’améliore de jours en jours et devient aussi
innovant que ces nouvelles technologies futures, tout en rattrapant le plasma, qui risque de
disparaitre. Il semble bien que le LCD n’ait pas encore dit son dernier mot.
ABSTRACT.
Numerous technologies for flat screens exist. Nowadays, two of them occupy a very
important place on the audiovisual’s market. On one side the screen plasma, appreciated by
its wide size and its picture of very good quality. On the other side the screen LCD, better
adapted for the office automation because these screens are smaller at first than plasma but
especially they do not get a visual embarrassment. However, other technologies less known
by the general public as the FED or the OLED exist. These last are more innovative the some
that the others but are not enough successful to make a place on the market. Besides, LCD
always improves and becomes as innovative as these new technologies of intended, while
catching plasma, which risks to disappear. It seems well that LCD does not say its last word
yet.
MOTS-CLÉS :
contraste, pixel, plasma, cristal liquide, SED, FED, OLED, latence, DEL, rétroéclairage, électron.
KEYWORDS:
contrast, pixel, plasma, liquid crystal, SED, FED, OLED, latency, LED, backlight,
electron.
Les écrans plats. Volume 1 – n° 1/2010, pages 1 à 11
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Les écrans plats. Volume 1 – n° 1/2010
1. Introduction
Le monde de l’écran est en constante évolution. A peine une nouvelle
technologie apparait qu’une autre voit déjà le jour, tandis qu’une autre disparait.
C’est ainsi que nos vieux écrans cathodiques délaissent de plus en plus de nos
salons, s’ils n’ont pas déjà disparus, pour laisser place à des écrans toujours de plus
en plus fin. En plus de la place occupée par les CRT1, ce choix de migration
technologique est aussi la conséquence de l’arrivée de la Haute Définition, qui n’est
pas supportée par ces écrans.
De nos jours, plusieurs technologies existent : les technologies SED, OLED,
FED, etc., certaines plus ou moins avancées. Mais les plus répandues dans le
commerce actuellement sont les technologies plasma et LCD, à la fois différentes et
concurrentes, qui se vouent une guerre interminable. Sous la menace incessante de
l’arrivée de nouvelles technologies, est-ce la fin du LCD et du plasma ?
Cet article sera rédigé en trois parties. Dans un premier temps, nous étudierons
ces deux technologies en détail, de leurs avantages à leurs inconvénients. Enfin,
nous regarderons de plus près ces nouvelles technologies qui se découvrent petit à
petit et qui comptent bien trouver leur place sur le marché.
2. La technologie plasma
2.1. Historique
C’est en 1960, grâce à quatre chercheurs, que débutent les recherches sur les
afficheurs plasma. Après que cette technologie se fit connaitre, certaines industries
et entreprises, comme IMB et NEC, décident de la développer en 1970. Cependant,
malgré le potentiel et les possibilités du plasma, on observait une absence de
débouchés industriels. C’est pourquoi à la fin des années 1980, les Etats-Unis
s’écartent de ce projet. Cependant, le Japon n’abandonne pas et continue l’aventure.
C’est ainsi que les premiers modèles d’écran plasma arrivent sur le marché au début
des années 90. Aujourd’hui, le plasma est très utilisé dans le monde de l’audiovisuel
et du HIFI. On peut citer comme marques connues LG, Pionner, Phillips et d’autres
encore.
2.2. Principe
Concrètement le plasma est constitué de deux plaques de verre. Ces dernières
renferment près d’un million de pixels. Chacun de ces pixels contient 3 sous-pixels.
Ce sont ces sous-pixels qui vont déterminer la couleur du pixel. En effet, ces sous-
1. Ecran à tube cathodique.
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pixels peuvent émettre une couleur : le rouge, le bleu ou le vert. Chacun d’eux
contient du xénon, un gaz rare. Ces sous-pixels disposent de deux électrodes.
Ensuite, le principe est plutôt simple. Lorsque l’on veut qu’un pixel émette telle ou
telle couleur, on applique une forte tension aux bornes des électrodes du sous-pixel
correspondant. Ceci va avoir pour effet, grâce au xénon [RegisG 09], de créer des
rayons UV qui vont venir frapper les scintillateurs disposés au fond de chaque souspixel (Figure 1). On va alors obtenir une lumière de la couleur voulue. Cette
dernière traverse ensuite la vitre et est perçue par l’utilisateur.
Figure 1. Architecture d'un pixel d'écran plasma [Dupont 05]
2.3. Avantages
Le plasma est une technologie qui permet d’avoir des couleurs plus riches grâce
à son fonctionnement. De plus, les angles de visions sont très larges par rapport à
d’autres écrans plats. Il faut savoir aussi que son contraste2 est l’un des meilleur sur
le marché de l’audiovisuel. Ceci s’explique par le fait qu’un pixel éteint n’émet
aucune lumière, ce qui permet d’avoir une image très nette. Enfin, le plasma permet
d’avoir des écrans très grand (Figure 2) pour une épaisseur très fine. Ceci est
surement le critère qui l’a rendu célèbre lors de son lancement, même si ce n’est
plus vraiment le cas aujourd’hui, rattrapé par l’écran LCD.
2. Ratio entre le blanc le plus lumineux de l’écran et le noir le plus profond de celui-ci.
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Figure 2. Le plus grand écran plat du monde : un plasma de 150
pouces
2.4. Inconvénients
On peut dire que l’un des avantages du plasma est aussi l’un de ses
inconvénients. En effet, les pixels sont trop grands ce qui signifie que l’on ne peut
avoir des écrans que de l’ordre de 32 à 60 pouces3. Donc les personnes souhaitant
avoir un petit écran ne s’attardent pas sur cette technologie. Aussi, il est très difficile
de faire la distinction entre les différentes teintes sombres. Ceci a pour effet que
l’on ressent une gêne visuelle lorsque l’on est trop près de l’écran. A cela s’ajoute
un coût de production assez conséquent à cause des matériaux nécessaires à sa
conception. Enfin, l’écran plasma consomme beaucoup d’énergie par rapport à
d’autres écrans plats. Ceci est dû au besoin d’une tension très élevée aux bornes des
électrodes des sous-pixels afin d’émettre de la lumière.
Ce sont tous ces éléments qui font que le plasma est différent des autres
technologies, notamment de son concurrent le plus sérieux : l’écran LCD.
3. 1 pouce = 2,54 cm
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3. La technologie LCD
3.1. Historique
Le terme « cristal liquide » est inventé en 1889 [Dupont 05]. Il faudra presque un
siècle avant de voir le premier dispositif d’affichage à base de cristaux liquides, en
1968. En 1969, James Fergason découvre l’effet TN : Twisted Nematic. Cette
technologie donne naissance aux afficheurs alphanumériques utilisés dans de
nombreux appareils portables (calculatrices, montres, etc.). Ce fut une découverte
fondamentale dans la mesure où tous les écrans LCD (Liquid Crystal Display) 4 que
nous connaissons sont basés sur ce principe. 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. Aujourd’hui, le
LCD, comme le plasma, s’est installé dans un grand nombre de foyers à travers le
monde du fait de l’arrivée de la télévision numérique, de son rapport qualité prix
attractif et de sa profondeur réduite.
3.2. Principe
Un pixel est constitué de trois sous-pixels de couleurs élémentaires. Le principe
de fonctionnement est intéressant : un écran LCD n’émet aucune lumière mais se
comporte comme un interrupteur. Ainsi, il dispose d’un rétro-éclairage blanc. La
lumière émise par le rétro-éclairage 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. En variant l’intensité du courant électrique dans chaque
sous-pixel, on module la quantité de rouge, de vert et de bleu. Cela permet d’obtenir
une large palette de couleur.
Un rétro-éclairage émet une lumière blanche et les rayons lumineux sont projetés
sur un filtre polarisant, puis traversent une première épaisseur de verre ainsi qu’un
filtre d’orientation (Figure 3). C’est ensuite qu’interviennent les cristaux liquides.
Ils vont plus ou moins diriger la lumière et la laisser passer en fonction d'un courant
électrique. Ensuite, un second filtre d’orientation (perpendiculaire au premier) va
laisser passer seulement une partie des rayons filtrés. Enfin, la lumière va traverser
un filtre de couleur, une plaque de verre ainsi qu’un dernier filtre polarisant.
Le LCD a récemment connu de récentes améliorations notamment en termes de
fréquence de rafraichissement. La fréquence de rafraichissement d’un écran est le
nombre d’images par seconde que celui-ci peut afficher. Une fréquence de
4. Ecran à cristaux liquides.
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rafraichissement élevée permet d’améliorer la fluidité et le confort visuel,
notamment dans les scènes rapides (actions, sport, vitesse, jeux etc..). La plupart des
films et autres diffusions télévisuelles sont composés de 24 images par secondes, on
va donc devoir créer des images virtuelles à partir de l’image originale qui vont
venir combler les espaces entre chaque images réelles.
Figure 3. Architecture d’un écran LCD [Cuvelier 08]
3.3. Avantages
L’écran LCD est idéal pour les applications informatiques. En effet, il est
possible de fabriquer des pixels de petite taille assez facilement et donc de produire
des écrans LCD adaptés à un usage bureautique. Ils constituent donc une bonne
alternative aux moniteurs CRT trop encombrants. Atout notable du LCD, son prix :
« L'écran Plasma est encore globalement plus cher que l'écran LCD (pour une taille
équivalente). Mais l'écart se resserre. » [RegisG 09]. Concernant le confort visuel, le
LCD possède un gros avantage par rapport au CRT puisqu’il dispose d’une
meilleure luminosité et ne scintille pas, ce qui permet de ne pas fatiguer les yeux
même lorsque l’on est relativement proche de l’écran comme c’est le cas en
informatique. De plus, étant donné la taille de ses pixels, le LCD possède une netteté
parfaite et les pixels ne sont pas (ou peu) visibles à l’œil nu.
3.4. Inconvénients
L’angle de vision du LCD est relativement réduit, surtout si on le compare à
celui du plasma. Cependant, ce défaut est de plus en plus atténué par les
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constructeurs et l’écart entre les angles de vision des deux types d’écrans commence
à disparaitre.
Autre lacune du LCD : le contraste. Même si la luminosité est assez élevée, la
profondeur des noirs des écrans LCD ne tient pas la comparaison avec celle des
écrans plasma et encore moins avec celle des nouvelles technologies d’écrans
comme l’OLED. Ce problème s’explique par le fonctionnement des écrans :
contrairement aux autres technologies, les pixels du LCD n’émettent pas de lumière,
ils sont éclairés par une lumière de fond. Il n’est donc pas possible d’ « éteindre » un
pixel et il y a toujours des fuites de lumière même lorsque la « vanne » est fermée.
Pour compenser ce défaut il a fallu changer le système de rétro-éclairage. Alors que
l’ancienne génération d’écrans LCD utilise comme source lumineuse une lampe
fluorescente, la nouvelle utilise des diodes électro-luminescentes (LED en anglais)
pour assurer cet éclairage de fond, d’où leur nom écran LED.
La latence des dalles LCD est également un problème car les dalles sont
particulièrement lentes et moins aptes à afficher correctement des images animées
que les téléviseurs plasma. Malgré des progrès constants en ce sens, on peut
constater que ce n’est toujours pas au niveau d’un tube cathodique. Ceci étant, on est
aujourd’hui parvenu à des vitesses suffisantes pour un usage vidéo et TV. Sur les
dalles les plus récentes, la rémanence n’est plus vraiment un sujet de préoccupation.
4. Les écrans du futur
4.1. Introduction aux technologies futures
De nombreuses technologies peu connues du grand public apparaissent peu à
peu, ou sont annoncées depuis longtemps comme l’OLED. Toutes ont la prétention
d’apporter des améliorations ou encore des innovations par rapport aux technologies
actuelles (LCD et plasma). Ce qui est sûr en tout cas, c’est que ces écrans seront de
plus en plus plats et à l’heure actuelle où les questions environnementales
préoccupent, ces nouvelles technologies consommeront beaucoup moins que le
plasma et le LCD. Cette partie ne traitera pas toutes les autres technologies
existantes mais du moins celles qui paraissent les plus prometteuses.
4.2. Le successeur du CRT, le SED
Commençons cette étude des écrans futurs par la technologie SED, vu par
certain comme le successeur du tube cathodique puisqu’elle reprend en partie son
fonctionnement. C’est Canon qui, en 1999, obtient les droits d’utilisations du SED.
Cependant à cause de problèmes judiciaires qui dureront de 2004 jusqu’à fin 2008,
cette technologie va prendre du retard par rapport à d’autres concurrentes.
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SED signifie Surface-conduction Electron-emitter Display5. Son principe est
plutôt simple : elle utilise des flux d’électrons. Des canons d’électrons envoient un
flux d’électrons vers un écran couvert de petits éléments phosphorescents, ce qui
crée l’image (Figure 4). A la différence d’un tube cathodique qui ne contient qu’un
seul canon, un panneau SED contient autant de canons qu’il comprend de pixels. On
appelle cela des nano-émetteurs d’électrons. Cette technologie est radicalement
différente des autres par son mode d’éclairage. En effet là où tous les autres écrans
nécessitent une source lumineuse externe, les pixels d’un écran SED assurent euxmêmes leur propre éclairage.
Figure 4. La technologie SED [Mbida 06]
Au niveau des améliorations par rapport au LCD ou au plasma, le SED permet
par conséquent d’obtenir des écrans beaucoup plus fins (10 mm pour un écran de 40
pouces), plus lumineux et avec un angle de vision proche des 180°. Le temps de
réponse est également inférieur à la milliseconde. Toutefois, malgré les prouesses
révolutionnaires annoncées, cette technologie se trouve en ce moment au point mort,
et il semble qu’il soit difficile pour Canon de remonter la pente. Néanmoins cette
technologie présente de nombreuses innovations, qui vont servir à d’autres.
5. Ecran avec canon à électrons à conduction de surface.
Les écrans plat actuels et futurs
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4.3. La technologie FED
La technologie FED (Field Emission Display) 6 est au départ la propriété de
Sony, qui reprend complètement le principe du SED, mais à la différence qu’il
remplace les nano-fentes par des canons en forme de cônes. La particularité de ces
cônes est d’assurer une émission d’électrons à des énergies assez faibles et à une
température peu élevée. Les autres caractéristiques du FED sont les mêmes que
celles du SED.
Sony oublia cette technologie en 2009. Mais depuis peu, le taïwanais AU
Optronics, n°3 mondiale des fabricants de dalles, annonce la production de ces
écrans FED, avec la prétention de rivaliser avec ce qui semble être la future
référence, les écrans OLED.
4.4. L’OLED, une technologie prometteuse
La technologie OLED (Organic Light-Emitting Diode) 7 est sans doute l’une des
technologies les plus prometteuses : un taux de contraste très important, une
rémanence inexistante, etc. De même que les deux technologies précédentes, ces
écrans ne nécessitent pas de rétro-éclairage. Les pixels d’un écran OLED sont
composés de trois DEL (rouge, verte et bleue), qui créent leur propre lumière
lorsqu’elles sous soumises à une faible tension. Chacune de ces diodes est composée
de trois couches organiques situées entre une anode transparente et une cathode
métallique, le tout sur un « substrat » généralement de verre ou en plastique (Figure
5). On distingue deux types d’écrans OLED. Ceux dits à matrice passive, et ceux à
matrice active. Ces derniers disposent d’un support électronique dans le substrat.
La consommation d’un écran OLED est faible, ceci grâce à l’absence de rétroéclairage, de même pour l’encombrement de l’écran. Etant donné que chaque pixel
produit uniquement la lumière nécessaire, la consommation en énergie en est
fortement réduite, et le contraste meilleur. L’inconvénient relatif à ce type d’écran
est la durée de vie très courte, même par rapport aux deux technologies actuelles
LCD et plasma.
6. Ecran à émission de champ.
7. Diode électroluminescente organique.
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Les écrans plats. Volume 1 – n° 1/2010
Figure 5. Cellule OLED [Cuvelier 08]
5.5. Quel écran pour demain ?
Le point commun de ces futures technologies, qui en fait leur principal défaut,
est leur prix d’achat qui reste extrêmement élevé. D’autres technologies comme le
laser (beaucoup utilisé dans d’autres domaines que l’écran) existent mais à l’heure
actuelle, cela reste du domaine du prototype. En tout cas, nul ne peut prédire de quel
type d’écran sera équipé notre salon de demain.
5. Conclusion
Actuellement, grâce aux toutes dernières innovations (rétro-éclairage LED,
fréquence améliorée, temps de latence diminuée, etc.) le LCD a rattrapé le plasma,
s’il ne l’a pas déjà dépassé. Il semble que les défauts initiaux du LCD, soit des noirs
peu profonds, des contrastes faibles ou encore des angles de visions réduits,
disparaissent peu à peu. Cependant, contrairement au LCD, le plasma quant à lui à
beaucoup de mal à rester à niveau. Il est probable que cette technologie vive ses
derniers jours.
Le LCD progresse tellement que les prouesses présentées par les technologies
sur le point de voir le jour comme le FED ou l’OLED semblent possibles à atteindre
par le LCD. La question que nous nous posions, à savoir si l’écran LCD est mort, et
bien il semblerait que la réponse soit non. Même si de nouvelles technologies
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arrivent avec leurs lots d’améliorations plus prometteuses les unes que les autres, le
LCD possède apparemment de beaux jours devant lui.
6. Cadre réactionnel
Cet article a été rédigé dans le cadre du cours Architecture du Département
Informatique de l'IUT de Nice sous la direction de Gaëtan Rey.
7. Bibliographie
[Alzieu 07] Alzieu V., Les écrans du futur (proche) : Laser, LCD, SED, FED, LED, OLED,
http://www.lesnumeriques.com, Mai 2007.
[Cuvelier 08] Cuvelier F., Quelles technologies pour l'écran plat du futur ?,
http://www.clubic.com, Novembre 2008.
[Dupont 05] Dupont B., LCD ou plasma ? Comprendre par la technologie,
http://www.erenumerique.fr, Février 2005.
[Mbida 06] Mbida A., Les écrans à technologie SED, http://www.01net.com, n° 1836, Janvier
2006.
[RegisG 09] RégisG et Yoan, Ecran LCD ou Plasma ?, http://www.commentcamarche.net,
Août 2009.