micro-plasmas pour télévision grand écran

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CNRS INFO • N° 391
MARS 2001
MICRO-PLASMAS POUR TÉLÉVISION GRAND ÉCRAN
Les écrans plats à plasma sont apparus récemment sur le marché de la télévision de
grande taille (diagonale de 1 m à 1,5 m) mais leurs prix de vente les rendent encore
inaccessibles au grand public. Bien que la qualité d’image et les performances de ces
écrans se rapprochent de celles des meilleurs écrans à tube cathodique, leur rendement lumineux est très faible et doit absolument être amélioré pour une commercialisation de masse. Le rendement lumineux d’un écran à plasma est de l’ordre
de 1 lumen par Watt ce qui signifie que seulement 0,5 % de la puissance électrique
dissipée est convertie en puissance lumineuse visible. Les chercheurs du Centre de
physique des plasmas et de leurs applications de Toulouse 1 (CPAT) consacrent
d’importants efforts de recherche2 à l’amélioration de l’efficacité du rendement lumineux.
Plusieurs laboratoires3 du CNRS se sont regroupés en France autour de Thomson Plasma,
dans le cadre d’un programme (« Réseau micro-nano technologies ») soutenu par le ministère
de la Recherche pour atteindre cet objectif et améliorer d’autres aspects des écrans à plasma.
L’amélioration du rendement passe par une meilleure compréhension de la physique contrôlant l’excitation du gaz par les électrons du plasma et l’émission de photons UV qui en résulte.
Il existe des modèles physiques sophistiqués du transport des particules chargées et excitées
dans le plasma permettant par exemple d’améliorer le design des cellules (géométrie des électrodes, dimensions etc.). Des moyens de diagnostic puissants servent également à observer
l’évolution du plasma et l’émission de photons dans la cellule. À l’aide d’une caméra CCD intensifiée montée sur un microscope, on peut suivre l’évolution spatio-temporelle de l’émission de
lumière (photo ci-dessous) d’une cellule avec une résolution temporelle de l’ordre de 2 nanosecondes et une résolution spatiale de quelques microns.
1
CNRS-Université Toulouse 3.
2
Plusieurs pays sont impliqués
dans ces recherches, notamment
le Japon, la Corée du Sud,
Taiwan, la France (Thomson
Plasma) et les Pays Bas (Philips).
3
Laboratoire de spectrométrie
physique (LSP), CNRS-Université
Grenoble 1 ; Institut d’électronique fondamentale (IEF),
CNRS-Université Paris 11 ;
Laboratoire des matériaux et
du génie physique, CNRS-INP
Grenoble ; Centre de physique
des plasmas et de leurs applications de Toulouse (CPAT), CNRSUniversité Toulouse 3.
Exemple de visualisation de l’émission lumineuse du plasma (par
caméra CCD rapide) sur une cellule de laboratoire à électrodes
coplanaires simulant une cellule réelle mais de plus grandes
dimensions.
La cellule est vue de face sur les 3 premières images et à 3 instants
successifs, et en coupe sur la dernière image ; elle se situe à
l’intersection des deux électrodes coplanaires parallèles, et de
l’électrode d’adressage (verticale).
Les électrodes sont représentées en rouge. Les différentes images,
pour une cellule réelle, seraient séparées d’environ 5 à 10 nanosecondes. La lumière est émise par le plasma dans un large spectre
de longueurs d'onde. Les photons utiles et les plus nombreux sont
les photons UV qui excitent les luminophores. Le plasma émet
également dans l'infrarouge ; c'est la lumière infrarouge qui est ici
visualisée par la caméra à différents instants et dont l'intensité est
représentée en fausses couleurs sur ces images. D. R.
Grâce aux recherches menées dans le cadre de ce programme, le rendement lumineux
devrait être multiplié par un facteur de 3 à 5 dans les années à venir. D’autres aspects plus liés
aux matériaux représentent également des enjeux importants : la recherche de luminophores
plus efficaces, l’élaboration de couches minces protégeant les cellules de l’agression des ions
du plasma (augmentation de la durée de vie), et susceptibles d’émettre plus facilement des électrons sous l’impact des ions (diminution des tensions de fonctionnement). Enfin des recherches
sont menées sur des concepts de fonctionnement nouveaux (régime de plasma radiofréquence)
qui permettraient à la fois de décupler l’efficacité et d’augmenter la durée de vie des écrans à
plasma.
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Pour en savoir plus :
• Th. Callegari, R. Ganter and J.-P. Boeuf, Diagnostics and modeling of a macroscopic
Plasma Display Panel cell. J. Appl. Phys. 88, pp. 3905 (2000).
• J.-P. Boeuf, C. Punset et L.C. Pitchford. Les écrans à plasma. Images de la physique. 1998,
p. 97, CNRS 1998.
PIXEL ET MICRO-PLASMA
Chaque pixel d’un écran à plasma est une source de lumière indépendante, de dimensions inférieures au millimètre, et dont le fonctionnement est très voisin de celui d’une
lampe fluorescente (lampe à décharge électrique). Un pixel est composé de trois cellules
de décharge émettant de la lumière dans les trois couleurs fondamentales (voir photo cidessous). Le plasma (milieu ionisé) de chaque cellule est créé par le passage du courant
dans un gaz rare (mélange xénon-néon) et émet des photons ultra-violets convertis en
photons visibles par des luminophores disposés sur les parois de cette cellule.
La difficulté est de contrôler électroniquement chaque micro-plasma à l’aide d’électrodes lignes et colonnes disposées sur deux dalles de verre en vis à vis et séparées d’environ 100 microns. En fait, le plasma est généré de façon impulsionnelle pendant des temps
très courts (environ 100 nanosecondes). Pour moduler l’intensité de la lumière perçue par
l’œil, on joue sur le nombre d’allumages de
chaque micro-plasma pendant une image
vidéo. On arrive ainsi à générer 256
niveaux d’intensité (« niveaux de gris »)
pour chaque cellule de décharge. Puisque
l’on a trois cellules par pixel, on peut générer 256 x 256 x 256 soit plus de 16 millions
de couleurs ! Sachant que l’on doit contrôler ainsi environ un million de cellules, on
comprend la complexité de l’électronique
de commande et le coût qui en résulte.
Un groupe de trois cellules dont on voit ici
les luminopohores excités par les photons UV
d’un micro-plasma de décharge électrique forme
un pixel de l’écran (géométrie à électrodes
coplanaires).
Contact chercheur :
Jean-Pierre BOEUF,
Centre de physique des plasmas
et de leurs applications
de Toulouse (CPAT),
CNRS-Université Toulouse 3,
mél : [email protected]
Contact Thomson Plasma :
Laurent TESSIER,
tél. : 04 76 57 42 00
mél : [email protected]
Contact département
des Sciences pour l'ingénieur
du CNRS :
Béatrice REVOL,
tél. : 01 44 96 42 32
mél : beatrice.revol@
cnrs-dir.fr
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