La technologie LCD

Un outsider prometteur

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 connaissont sont basé sur ce principe de rotation du plan de polarisation. En 1973, G. Gray invente le cristal liquide biphénile 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.

Il est intéressant de constater que si le plasma est un produit plutôt audio-visuel, le LCD est venu à maturité par la voie de l’informatique et des produits mobiles. En cela, c’est un outsider sur le plan des téléviseurs LCD, mais qui n’est pas dépourvu de qualités et va peut être finir par s’imposer comme leader.

LCD, un principe de base curieux

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 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. Ce faisant, on module la quantité de rouge, de vert et de bleu qu’on pour chaque pixel.

Dans le détail

Voyons comment fonctionne cet interrupteur à lumière.

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.

Maintenant, 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 champs 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.

Adressage des matrices LCD

L’adressage des matrices passives LCD est assez proches 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.

LCD, un peu de lithographie…

Le procédé de fabrication des TFT est très proche de celui des semi-conducteurs 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.