La technologie plasma

Des débuts chaotiques

Contrairement à l’idée reçue, le plasma n’est pas vraiment une technologie récente même si son industrialisation n’a décollé qu’au début des années 90. Les recherches sur les afficheurs à plasma débutent en effet il y a plus de 40 ans aux Etats-Unis, en 1960 grâce à l’effort de quatre chercheurs, Bitzer, Slottow, Willson et Arora. Très rapidement, en 1964, le premier prototype voit le jour. Il s’agissait pour l’époque d’une matrice révolutionnaire de 4 x 4 pixels émettant de la lumière monochrome bleue. Ensuite, en 1967, la taille des matrices plasma passe à 16 x 16 pixels, cette fois-ci en émettant une lumière rouge, toujours monochrome, grâce à l’emploi de néon.

Evidemment, la technologie intéresse les industriels et des entreprises comme IBM, NEC, Fujitsu et Matsushita se lancent dans l’aventure dès 1970. Hélas, en l’absence de débouchés industriels, on constate un désengagement quasi-total aux Etats-Unis en 1987. Le dernier à jeter l’éponge est le géant IBM. Une poignée de chercheurs s’agrippe encore à cette technologie aux Etats-Unis mais c’est surtout de l’autre coté du pacifique, au Japon que les recherches se poursuivent. Bien leur en a pris puisqu’au début des années 90, les premiers modèles commerciaux sont disponibles sur le marché. Fujitsu est un des premiers à passer la barre des 21 pouces.
De nos jours, la plupart des grands noms de la HiFi et de l’audiovisuel proposent des dalles plasma. Citons notamment LG, Pioneer, Philips, Hitachi, etc…

Un principe de base "simple"

L’idée de base qui gouverne le fonctionnement des écrans plasma est assez simple : chaque sous-pixel est une microscopique lampe fluorescente qui émet une couleur primaire : soit rouge, soit vert, soit bleu. En faisant varier l’intensité de l’éclairage de ces trois sous-pixels, on obtient une multitude de teintes.

Pour bien comprendre le fonctionnement d’un pixel plasma, il faut revenir au principe de fonctionnement des lampes fluorescentes.

Ce principe régit le fonctionnement des tubes "néons" que nous connaissons tous. En fait les tubes "néons" ne contiennent plus de néon depuis longtemps mais c’est un abus de langage admis, un peu comme le frigidaire désignant depuis 50 ans tous les réfrigérateurs…

Un gaz rare (de l’argon par exemple) est enfermé dans un tube. Aux extrémités de ce tube se trouvent des électrodes aux bornes desquelles on vient appliquer une haute tension (plusieurs centaines de volts). Le gaz rare est électriquement neutre, mais sous l’effet d’une excitation, il se transforme en plasma, un gaz composé à la fois d’électrons libres et d’ions positifs (mais la somme des charges reste neutre). Sous l’effet de la différence de potentiel de plusieurs centaines de volts, les électrons se déplacent vers l’électrode positive tandis que les ions positifs sont au contraire attirés par la borne négative du tube. Au cours de ces déplacements, des chocs entre atomes se produisent. Lorsqu’un atome est percuté, il gagne de l’énergie et ses électrons changent d’orbites : ils passent à une orbite de plus haute énergie. Plus tard, en revenant sur leur orbite initiale, ils émettront un photon, un "quanta" de lumière.

Ainsi fonctionne une lampe fluorescente. La lumière émise est due au brassage du plasma sous l’effet d’un fort champ électrique. Malheureusement, appliquer une différence de potentiel continue aux bornes du tube ne suffit pas. En effet, il faut en permanence brasser le plasma pour en tirer un quelconque rayonnement aussi on applique une tension alternative aux bornes du tube. Cette tension permettra de faire voyager les ions du gaz d’une borne à l’autre, alternativement.

Cependant, il y a un hic. La lumière émise par le plasma n’est pas visible. Il s’agit de rayonnements UV. Hors, nous ne voyons pas l’UV. Il faut donc le transformer en rayonnement visible. Aussi la paroi du tube "néon" est recouverte d’une poudre sensible aux UV qui émet de la lumière blanche dans le cas des tubes domestiques. Cette poudre, souvent appelée phosphore est un scintillateur soit une matière qui convertit un rayonnement en un autre.

L’emploi de scintillateur n’est pas nouveau dans les technologies de l’affichage puisque les tubes cathodiques contiennent déjà des scintillateurs réalisant la conversion du faisceau d’électrons en lumière rouge, verte ou bleue.

Du tube fluorescent au pixel plasma

L’application de cette technique aux pixels à plasma est assez comparable. Chaque pixel est constitué de 3 microscopiques cavités identiques contenant un gaz rare (du xénon). Chaque cavité dispose de deux électrodes : une avant et une arrière. En appliquant une forte tension alternative sur chaque électrode, on brasse le plasma que les cavités contiennent. Le plasma émet des UV (en violet sur le schéma) qui viennent frapper les scintillateurs disposés au fond de chaque cavité. Ces scintillateurs sont choisis afin d’émettre chacun une couleur primaire : rouge, verte, ou bleue. La lumière colorée traverse ensuite la vitre avant pour être perçue par l’utilisateur.

Au final, le fonctionnement des pixels à plasma est assez similaire à celui des tubes "néons". Mais la fabrication de dalles complètes à base de pixels à plasma n’est pas sans poser quelques problèmes techniques. La première difficulté rencontrée par les constructeurs réside dans la taille même de ces pixels. Un sous-pixel plasma représente un volume de 200µm x 200µm x 100µm, ce qui n’est pas une mince affaire lorsqu’il s’agit d’assembler plusieurs millions de ces éléments côte à côte.
Ensuite, l’électrode avant doit être aussi transparente que possible. L’ITO (indium tin oxyde) est employé car c’est un matériau conducteur et transparent. Malheureusement, la taille des écrans plasma est telle (les lignes d’ITO courent sur plus de 70 cm parfois) et l’épaisseur d’ITO si faible que la résistance électrique du matériau devient trop grande pour assurer une bonne propagation de la tension (300 volts environ tout de même). Aussi, on y adjoint souvent une fine ligne de chrome, malheureusement opaque mais bien meilleur conducteur.

Enfin, il faut trouver des scintillateurs (également appelés luminophores) adéquats. Ceux employés dans les pixels à plasma sont de différentes natures selon la couleur désirée :

• Vert : Zn2SiO4:Mn2+ / BaAl12O19:Mn2+
• Rouge : Y2O3:Eu3+ / Y0,65Gd0,35BO3:Eu3
• Bleu : BaMgAl10O17:Eu2+

Ces 3 luminophores permettent d’atteindre des longueurs d’ondes entre 510 et 525 nm pour le vert, 610 nm pour le rouge et 450 nm pour le bleu. Les formules chimiques sont sans intérêt mais plairont à nos amis chimistes.

Reste donc à résoudre le problème d’adressage. En effet, pour obtenir différentes nuances de couleurs, nous avons vu qu’il suffisait de faire varier indépendamment l’intensité lumineuse des trois sous pixels de couleurs primaires.

Sur une dalle plasma de 1 280 x 768 pixel, on compte 3 millions de sous-pixels environ soit 6 millions d’électrodes. Il est bien évidemment impossible de router 6 millions de lignes pour contrôler indépendamment les sous-pixels. Aussi, on a recours au multiplexage des lignes. Les lignes de devant sont communes à toute une rangée, les lignes arrières sont communes à toute une colonne. L’électronique embarquée dans les écrans à plasma choisit donc successivement les pixels à allumer sur la dalle. Cette opération se fait très rapidement, elle est donc invisible pour l’utilisateur, un peu comme le balayage des moniteurs à tubes.

Il existe d’autres types de dalles plasma que nous ne détailleront pas ici. La variante la plus répandue à l’heure actuelle est la dalle ACC (alternative coplanar current). Elle comporte 3 électrodes par pixels et non pas deux.

Pour des raisons de transparence, les électrodes de façade (scan et sustain) sont en ITO.