L'écran à cristaux liquides ou LCD (de l'anglais liquid crystal display) permet la création d’écrans plats à faible consommation d'électricité. Ces écrans sont utilisés dans presque tous les affichages électroniques.
Les premiers panneaux d’affichage à cristaux liquides ont été présentés en 1971, mais il faut attendre 1985 pour que Matsushita propose un écran plat d’une taille et d'une résolution suffisante pour être utilisable sur des micro-ordinateurs.
Dès 1984, c’est le laboratoire central de Thomson qui a développé le premier LCD en couleurs.
Les LCD sont utilisés depuis la fin des années 1990 en noir et blanc, puis en couleur depuis les débuts des années 2000 dans les téléphones portables, les ordinateurs personnels, les téléviseurs, les ordinateurs de bord pour les avions et les voitures.
Les premiers écrans plats commercialisés (14 pouces, soit 35,56 cm) en couleur en Europe datent de fin 1995 pour un prix de 5 000 francs français (environ 1 100 € de 2022).
Les écrans à cristaux liquides utilisent la polarisation de la lumière par des filtres polarisants et la biréfringence de certains cristaux liquides en phase nématique, dont on peut faire varier l’orientation en fonction du champ électrique. Du point de vue optique, l’écran à cristaux liquides est un dispositif passif : il n’émet pas de lumière, seule sa transparence varie, et il doit donc disposer d'un éclairage.
D’abord disponible en monochrome et de petite taille, il est utilisé dans les calculatrices, les appareils de mesure, les montres du fait de sa faible consommation électrique ; il permet actuellement d’afficher en couleurs dans des dimensions dépassant un mètre, en diagonale. Il a supplanté le tube cathodique dans la plupart des applications, sauf en très haute définition lorsque la palette des couleurs doit être précise et fidèle, et dans les environnements difficiles (par exemple quand la température d'utilisation est inférieure à 5 °C).
L’écran à cristaux liquides est constitué de deux polariseurs dont les directions de polarisation forment un angle de 90°, disposés de chaque côté d’un sandwich, formé de deux plaques de verre enserrant des cristaux liquides. À chacune des interfaces avec les cristaux liquides, une couche de polymère, généralement un polyimide, rainurée assure l’ancrage des molécules au repos.
Les deux faces internes des plaques de verre comportent une matrice d’électrodes transparentes pour le noir et blanc. L’épaisseur du dispositif et la nature des cristaux liquides sont choisies de manière à obtenir la rotation désirée du plan de polarisation, en l’absence de tension électrique (90° dans les écrans TN). Dans les écrans de grande dimension, on ajoute des espaceurs, petites billes transparentes, dans l’espace rempli de cristaux liquides pour maintenir la très faible épaisseur (20 µm) constante et précise.
L’application d’une différence de potentiel plus ou moins élevée entre les deux électrodes d’un pixel entraîne un changement d’orientation des molécules, une variation du plan de polarisation, et donc une variation de la transparence de l’ensemble du dispositif.
Cette variation de transparence est exploitée par un rétro-éclairage, par réflexion de la lumière incidente ou par projection.
Les électrodes des pixels ne sont accessibles que par ligne ou colonne entières et la commande d’allumage ou d’extinction doit se faire par un balayage régulier des lignes de points.
Les petits afficheurs à cristaux liquides monochromes reposent sur le même principe, mais emploient souvent des électrodes avant en forme de segment de caractère, de façon à simplifier l’électronique (commande directe en tout ou rien), tout en obtenant une très bonne lisibilité (pas de balayage).
Les écrans LCD diffèrent aussi par leur taille, leur résolution et leur pitch (taille du pixel affiché à l’écran), dont voici une liste ci-après : ceci est à prendre en considération lors du choix d’un moniteur, en fonction de son usage, et de ses besoins.
Le principe de base est toujours le même. Il nécessite trois cellules par pixels et le sandwich est complété par un filtre coloré de motifs rouges, verts et bleus. Généralement le filtre est une succession de bandes verticales alternant les trois couleurs. Il y a toutefois d’autres répartitions décalant les couleurs d’une ligne à l’autre.
Afin d’améliorer la précision de rendu des couleurs, les éléments du filtre RVB sont séparés par une bande noire opaque.
La technologie TN ne permet pas l’affichage de plus de 262 144 couleurs (3×6 bits), l’affichage de 16 millions de couleurs (3×8 bits) utilise une technique d’approximation soit par clignotement (blinking) qui alterne l’affichage de 2 couleurs qui encadrent la « vraie », soit par effet de diffusion (tramage) entre des cellules adjacentes. De nombreux écrans semblent utiliser une combinaison de ces deux techniques.
En fonction de la relative transparence des dispositifs à cristaux liquides : 15 % pour les afficheurs monochromes, et moins de 5 % pour les écrans couleurs, du fait de l’interposition du masque coloré, plusieurs modes d’éclairage ont été adaptés :
Éclairage transmissif : l’écran fonctionne avec un rétro-éclairage (TV, moniteur informatique, appareil photo, caméra et téléphone) par une ou des lampes à décharge à cathode froide, dont la lumière est répartie par deux réseaux de prismes orthogonaux. Depuis les années 2010 les led remplacent avantageusement les tubes.
Les caractéristiques sont :
- une luminosité insuffisante si l’écran est en plein soleil ;
- la consommation électrique de la source lumineuse, bien plus importante que celle de l'afficheur à cristaux liquides, même si elle reste deux à trois fois moindre qu’un tube cathodique, soit 10 à 40 W selon l’éclairage, pour un écran 48 cm (19 pouces), et moins d’1 W en veille ;
- l'affichage non permanent sur certains appareils comme les téléphones portables pour des raisons d'autonomie électrique ;
- la durée de vie des lampes : 2,4 fois plus qu’un écran cathodique, avec 60 000 heures, soit 33 ans si l’écran est allumé 5 heures par jour.
Projection : l’éclairage transmissif est également employé pour les projecteurs, où l’image d’un écran à cristaux liquides couleur de petite taille, d’environ 2 cm de diagonale, est projetée par un dispositif optique comparable à un projecteur de diapositives comprenant une lampe halogène de forte puissance. Les meilleurs résultats sont obtenus en combinant trois écrans monochromes à un ensemble de filtres et de prismes, décomposant et recomposant le spectre lumineux.
Éclairage réflectif : l’écran tire parti de la lumière incidente; cette caractéristique est très intéressante pour les assistants numériques personnels, les calculatrices, les baladeurs et les montres. Les téléphones portables disponibles vers l'an 2000 utilisaient aussi ce type d'afficheur. Il est employé pour les écrans monochromes, suffisamment transparents.
- Les avantages : une luminosité adaptée à l’éclairage ambiant : l'écran est parfaitement visible en plein soleil et une forte réduction de la consommation électrique due à l’absence du système de rétroéclairage qui permet à l'afficheur de fonctionner en permanence.
- Le principal inconvénient : illisibilité quand l’éclairage ambiant est très faible ou nul, d'où un dispositif de rétro-éclairage sur les montres pour pouvoir lire l'heure en pleine nuit.
Éclairage transflectif : il combine un dispositif réflectif à un rétro-éclairage transmissif. Il est employé pour de nombreux assistants personnels (PDA) et certains appareils photographiques. L'ordinateur destiné aux enfants des pays en développement, OLPC combine un affichage transmissif en couleurs et un affichage réflexif en noir et blanc qui font de cet ordinateur un des seuls parfaitement utilisables en plein soleil.
Les écrans à cristaux liquides utilisent de l'indium, métal dont l'importance est critique, et des terres rares. Les écrans LCD rétro-éclairés par des tubes fluorescents (en voie de disparition) contiennent également du mercure, élément toxique pour l'homme et l'environnement.
La durée de vie varie de 50 000 à 60 000 heures.
Texte et photo sous licence CC BY-SA 3.0. Contributeurs, ici
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