Les technologies d’affichage électronique – Du tube cathodique aux écrans plats

17/07/2017
Auteurs : Alain Brenac
Publication REE REE 2017-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-3:19446
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2017-3/19446You do not have permission to access embedded form.
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Les technologies d’affichage électronique – Du tube cathodique aux écrans plats

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124 Z REE N°3/2017 GROS PLAN SUR Introduction L es techniques utilisées par l’homme pour communiquer par « affichage » sur une surface plus ou moins plane remontent à la nuit des temps. Des procédés variés ont été successivement mis à contribution pour lui permettre de communi- quer à ses semblables une information simple- ment « affichée ». Songeons par exemple aux peintures ou sculptures rupestres exécutées par nos lointains ancêtres qui font encore notre admiration de nos jours. Très tôt, l’une des préoccupations majeures fut la mesure et l’affichage du temps : le cadran solaire (ou gnomon) des égyptiens du Moyen Empire (IIe siècle avant notre ère) fut ainsi le premier afficheur dynamique à faire son apparition. Il fallut cependant attendre les développe- ments de la mécanique pour raffiner cette solution minima- liste et donner naissance à l’horlogerie traditionnelle dès le 13e siècle, ancêtre de l’affichage analogique. Mais ce sont bien sûr les inventions du 20e siècle, la télévision d’abord puis la (micro) informatique et la téléphonie mobile qui vont être à l’origine du développement considérable des techno- logies d’affichage sur écrans plats. Développement caracté- risé par une diminution drastique de l’épaisseur de l’écran, une augmentation de sa taille (diagonale) et une résolution croissante de l’image, le tout s’accompagnant d’une décrois- sance des prix du fait des volumes croissants d’appareils produits. Ce sont ces techniques que nous allons tenter de décrire dans cet article en nous focalisant sur les technologies d’affichage intrinsèque, c’est- à-dire produisant leur propre source de lumière. Nous ne traiterons donc pas des techniques par projection ni des technologies 3D qui nécessi- teraient un développement à part entière. Enfin notons que le vocable «écrans plats» s’étend maintenant à des écrans qui ne sont plus tout à fait plans : écrans incurvés, écrans pliables voire enroulables, que nous évoquerons en fin d’article. Si l’on observe l’évolution depuis une trentaine d’années des technologies d’écrans plats qui se sont finalement imposées face au tube cathodique (la phase zéro ou pro- tohistoire), il est possible de définir en gros deux périodes successives dont la frontière temporelle se situe dans les pre- mières années du 21e siècle : afficheurs de première génération, et principalement les écrans à cristaux liquides (LCD), concurrencés pen- dant une assez courte période par les écrans à plasma (PDP) ainsi que par la technique des microtubes à émission de champ (FED), inspirée du CRT et toujours en dévelop- pement. Cette dernière technologie qui a évolué vers une version plus simple à fabriquer, dénommée (SED pour Sur- face Emitter electron Devices), ne semble pas promise à un grand avenir depuis la percée des OLED ; pour diodes électroluminescentes, une double révolution 0IW XIGLRSPSKMIW H¸EJÁGLEKI qPIGXVSRMUYI Du tube cathodique aux écrans plats Alain Brenac Membre émérite de la SEE Over the past three decades, boosted by suc- cessive killer applications like TV, microcomput- ers and digital mobility devices (tablets, smartphones), dis- play technologies have seen tremendous developments in order to satisfy an ever-increasing demand both in terms of performance and quantity. Several competing techniques based on different physical concepts have emerged suc- cessively or in parallel to replace the classical cathode ray tube by flat screens, exhibiting unrivaled qualities of bright- ness, contrast and angle of view, combined with a dramatic increase in size and a no less spectacular price drop. It is this story the author tries to recall by identifying the tech- nologies currently market leaders but also the evolutions suggested by the latest developments in progress at the laboratory stage. ABSTRACT Poussées par l’essor successif des “killer applications” qu’ont été la télévision, puis la micro-informatique et la mobilité numérique (tablettes, smartphones), les technologies d’affichage sur écrans ont connu, au cours des trois dernières décennies, des déve- loppements prodigieux afin de satisfaire une demande sans cesse croissante en volume comme en performance. Plusieurs techniques concurrentes basées sur des concepts physiques différents, ont émergé successivement ou en parallèle pour remplacer le tube cathodique par des écrans plats, présentant des qualités de luminosité, de contraste et d’angle de vue inégalées allant de pair avec une aug- mentation spectaculaire de la taille et une chute des prix non moins spectaculaire. C’est cette histoire que l’auteur tente de rappeler en tâchant d’identifier les technologies actuellement leaders du marché mais également les évo- lutions que laissent présager les derniers développements en cours au stade du laboratoire. RÉSUMÉ REE N°3/2017 Z 125 Les technologies d’affichage électronique Figure 1 : Schéma simplifié du fonctionnement d’un tube à rayons cathodiques – Source: Wikipedia. 1 : canons à électrons ; 2 : faisceaux d’électrons ; 3 : masque pour séparer les rayons rouge, bleu et vert de l’image affichée ; 4 : couche phosphorescente présentant des zones spécifiques pour chaque couleur ; 5 : zoom sur la face intérieure de l’écran. s’opère qui va conduire à des afficheurs de deuxième géné- ration : - dans un premier temps les réseaux de DEL vont fournir une solution bien plus efficace et plus économique pour le rétroéclairage (éclairage arrière) des écrans à cristaux liquides ; - avec la mise au point de la variante OLED (DEL à base de composés organiques), on passe à un afficheur actif ne nécessitant plus de source d’éclairage annexe filtrée par des portes optiques et dont les performances vont s’avérer considérablement améliorées en termes de lumi- nosité, rendu de couleur et consommation. Retour sur la « protohistoire » des écrans de visualisation Bien qu’il ne s’agisse pas encore ici d’écrans plats, il nous semble utile de rappeler succinctement le principe du tube à rayons cathodiques car ce procédé continuera à inspirer après sa fin de vie des techniques ultérieures d’écrans plats (FED par exemple). Le tube à rayons cathodiques (CRT) Rappelons succinctement le principe de fonctionnement du tube cathodique car c’était la principale et quasi unique technologie mise en œuvre pendant plusieurs décennies avant l’apparition des différents types d’écrans plats permise notamment par l’émergence des technologies à cristaux liquides (LCD). Le CRT peut être intéressant à considérer comme point de référence commode pour évaluer les nou- velles technologies d’affichage numériques qui l’ont rem- placé depuis une vingtaine d’années. La figure 1 rappelle l’architecture schématique du tube CRT. L’affichage par CRT est analogique en ce sens que l’image est créée en faisant varier l’intensité du faisceau d’électrons et donc l’intensité lumineuse du spot au long de son parcours. Le flux est dévié par un champ magnétique appliqué sur le col du tube par un jeu de bobines magnétiques et contrôlées par un circuit électronique. Un balayage par déflexion magné- tique est ainsi créé permettant au faisceau de parcourir de gauche à droite des lignes qui se succèdent de haut en bas, le retour à la ligne suivante et en début de page se faisant à faisceau éteint. Pour passer du noir et blanc à la couleur, il a fallu prévoir trois canons à électrons, un par couleur primaire, et ajouter derrière l’écran un masque perforé ou des fils pour les tubes Trinitron, pour que chaque faisceau allume la cou- leur correspondante. Même si des efforts ont permis de réaliser des CRT de profondeur de plus en plus réduite (30 cm environ), il est impossible par construction de réaliser des écrans plats avec cette technologie sans en changer la conception. C’est ce qui explique l’essor à partir des années 1990-2000 de techno- logies spécifiques (FED, LCD, plasma, (O)LED) dont la struc- ture même permet de réaliser des afficheurs extrêmement minces et de poids considérablement réduits par rapport au CRT. Les dispositifs fluorescents VFD (Vacuum Fluorescent Display) [1] La technologie VFD s’apparente au tube cathodique clas- sique et à l’ancienne technique du tube Nixie aujourd’hui 126 Z REE N°3/2017 GROS PLAN SUR abandonnée. Composé d’une cathode à filaments chauf- fée incorporant des éléments alcalino-terreux, d’anodes au phosphore et de grilles, le dispositif est scellé dans une en- veloppe de verre sous vide poussé (figure 2). Les électrons émis par la cathode sont ensuite diffusés au travers des grilles faites de fils de métal fins et émettent une lumière bleutée par fluorescence en rencontrant les anodes. Ce type d’afficheur a été beaucoup utilisé pour les appareils d’usage courant comme magnétoscopes, autoradios ou fours à micro-ondes car il délivre une lumière intense, per- met un bon contraste et l’obtention de couleurs différentes, le tout à un coût modeste. En outre, ce composant reste opérationnel même par très grands froids. En revanche cette technique est relativement consommatrice, elle est limitée à des écrans de petite taille, aussi les afficheurs VFD ont-ils été progressivement remplacés par des dispositifs OLED. Les technologies d’afficheurs à écrans plats de première génération La technologie FED (Field Emission Display) : une approche dérivée du CRT compatible avec l’écran plat Nous avons rappelé que le tube cathodique, de par sa conception même à canon unique, ne pouvait donner lieu à de l’affichage par écrans plats. La technologie FED [2], longtemps cheval de bataille de la société Sony dans les années 2000, fonctionne comme un tube cathodique traditionnel, en utilisant l’accélération d’élec- trons soumis à un champ de 10 kV environ qui viennent ex- citer les phosphores pour produire de la lumière. Mais au lieu d’un canon à électrons unique, l’écran FED utilise une matrice constituée d’une multitude (plusieurs milliers) de micro-canons à électrons de taille nanoscopique (figure 3). A l’origine les écrans FED étaient supposés combiner les Figure 2 : Affichage VFD sur un magnétoscope. On remarquera que les filaments non allumés restent malgré tout visibles ce qui constitue un des inconvénients de cette technologie. (a) Coupe du dispositif b/ Agrandissement effectué au croisement lignes/colonnes faisant apparaître les micropointes émettrices. Figure 3 : Principe de fonctionnement de l’écran à émission de champ (FED). REE N°3/2017 Z 127 Les technologies d’affichage électronique avantages des tubes cathodiques (des contrastes et des temps de réponse excellents) et les qualités d’encombre- ment des écrans plats. Leur consommation est du même ordre que celles des écrans à cristaux liquides. Le fonctionnement du dispositif FED est le suivant : un champ électrique à haute tension est créé entre les émet- teurs (microtips) et une grille de métal déposée au-dessus, afin d’extraire des électrons de la pointe des émetteurs, d’où le terme d’émission de champ. La tension de grille propulse les électrons dans le vide créé entre les émetteurs en face arrière de l'écran et la face avant. Là, une seconde tension accélère les électrons vers les phosphores, avec suffisamment d'énergie pour que ceux-ci émettent de la lumière. Comme les électrons d'un émetteur sont projetés sur un seul sous-pixel, il n'est pas besoin de prévoir d'aimant pour diriger les électrons. Cette technologie qui permet d'obtenir, sous une tension de 8 kV, un rendement lumineux plus de deux fois supérieur à un CRT (sous 30 kV) ou un écran LCD classique, souffre toutefois de quelques inconvénients : la difficulté à réaliser des micropointes rigoureusement identiques (défaut d'homogénéité), le maintien d'un vide très poussé dans le dispositif scellé, le dégazage des phosphores, etc. La recherche, essentiellement d'origine japonaise, se focalise sur l'obtention de micropointes réalisées à partir de nano- tubes de carbone en raison de son coût de fabrication poten- tiellement bas mais elle n’a pas donné encore lieu à un écran susceptible d’être mis sur le marché. La technologie SED est voisine de la précédente, la modi- fication essentielle étant qu’un seul émetteur est utilisé pour chaque colonne (au lieu d’un très grand nombre d’émetteurs individuels). Réputée être une alternative possible à la tech- nologie FED du fait de cette architecture simplifiée, elle n’a pourtant pas encore débouché industriellement, les démêlés judiciaires au sujet de la propriété des brevets respectifs des deux principaux protagonistes, Canon et Toshiba, ayant fait prendre un retard irrémédiable. Les écrans à cristaux liquides : une technologie bon marché largement répandue Contrairement aux technologies concurrentes à affichage actif (écrans à plasma, LED/OLED), il s’agit ici d’une tech- nique d’affichage passif {3]. Ce procédé nécessite donc une source de lumière à l’arrière du dispositif si l’on veut travailler en mode transmissif ou un miroir qui réfléchit une fraction de la lumière ambiante en mode réflectif. Le schéma de principe d’un écran LCD est illustré sur la figure 4. Beaucoup de variantes de cristaux liquides ont été tes- tées mais la plus couramment utilisée est dite « twistée », par mauvaise traduction1 de l’anglais twisted (twisted nematic ou TN), la phase nématique étant un état intermédiaire entre l’état solide cristallisé et l’état liquide, caractérisé par des mo- lécules allongées. L’effet TN sous champ électrique, mis la première fois en évidence par Ferguson et al. dans un brevet historique en 1970, permet d’aligner les molécules dans la direction du champ empêchant ainsi la lumière polarisée par un premier filtre de sortir de la cellule car elle est bloquée par un second film polariseur, croisé à 90 °C. Au contraire en l’absence de tension, le vecteur de polarisation de la lumière suit la variation hélicoïdale de l’orientation des molécules du « nématique vrillé » et peut ressortir sans altération par le 2e polariseur. La torsion du cristal liquide est aisément obtenue au préalable dans la cellule en alignant les molécules entre deux couches d’ancrage permettant d’aligner les molécules des faces supérieure et inférieure avec une rotation de 90°. Caractéristiques des écrans LCD Les premiers afficheurs LCD nécessitèrent plusieurs an- nées de développement pour atteindre une taille utilisable dans un moniteur d’ordinateur, monochrome d’abord (Mat- sushita en 1984). La couleur fut ensuite introduite en en utili- sant trois cellules par pixels. Le sandwich est complété par un filtre coloré constitué d’une succession de bandes verticales alternant les trois couleurs RVB. 1 Le terme exact serait nématique vrillé mais celui-ci n’est pas consacré par l’usage. Figure 4 : Schéma de fonctionnement d’une porte à cristal liquide. a) en l’absence de tension électrique, la lumière passe la porte optique. b) lors de l’application de la tension, les molécules s’alignent en conservant la polarisation initiale de la lumière. (a) (b) 128 Z REE N°3/2017 GROS PLAN SUR Très vite cette technologie s’imposa et relégua les tubes cathodiques au rayon des musées. En effet elle se caractéri- sait par plusieurs avantages : gamut2 ) ; visée) ; une très bonne définition (de 1024x768 à 1920x980) ; sur une longue durée. Toutefois la technologie LCD présente l’inconvénient d’être assez chère et de ne pas « savoir » produire des noirs profonds comme le CRT. Les premiers afficheurs étaient rela- tivement lents (temps de réponse de l’ordre de quelques ms) et ont longtemps souffert d’un angle de vue relative- ment limité. La technologie est cependant de nos jours la plus mature et reste la plus largement répandue dans les produits du commerce grand public. De nombreux raffinements ont d’ailleurs été apportés à la technologie LCD en jouant sur l’alignement vertical (VA), chaque constructeur voulant apporter son propre élément différentiateur pour remédier aux points faibles relevés plus haut. On distingue ainsi les techniques MVA (mul- tidomain vertical alignment) de Fujitsu, puis PVA (pat- tern vertical alignment) de Samsung qui ont contribué à améliorer la qualité du noir et la valeur du contraste ou encore la technologie IPS (In-plane switching) de Hitachi qui utilise des cristaux liquides dont l’axe est parallèle au plan de l’écran. 2 Le terme gamut est emprunté aux musicologues : il signifiait la capacité d’un instrument à couvrir l’étendue musicale allant de la note la plus basse (notée Gamma) à la plus haute du répertoire (Ut). Adopté par les tech- nologues anglo-saxons de l’éclairage, ce terme désigne ici l’étendue du domaine spectral de couleurs couvert par un dispositif de visualisation. Rétroéclairage Une amélioration très sensible a été apportée à la lumi- nosité des écrans LCD en modifiant le mode d’éclairage. Celui-ci est classiquement effectué au moyen de tubes fluorescents (CCFL - Cold Cathode Fluorescent Lamp), une source froide qui ne risque pas de détériorer les propriétés de la couche LCD mais qui présente l’inconvénient de don- ner une répartition peu homogène de l’éclairage à l’arrière de la dalle LCD. Les écrans dits « LED » utilisent désormais une technologie qui remplace les tubes néon par plusieurs centaines de diodes électroluminescentes. Cette technique permet de fabriquer des écrans plus fins (< 3 cm), plus lumineux et présentant une étendue colorimétrique plus importante qu'avec l'éclairage CCCFL. On distingue la technologie EDGE LED dans laquelle les diodes sont placées sur le bord de la dalle du Full EDGE où elles sont placées sur toute la surface de la dalle. Cette dernière est principalement utilisée pour réaliser des écrans vidéo de très grande taille. Les écrans à plasma (PDP pour plasma display panels) : une technologie qui a fait long feu Avec cette technologie alternative aux écrans LCD, nous revenons à un type d’afficheur actif émettant sa propre lu- mière. Le principe des écrans à plasma est analogue à celui des tubes fluorescents car ils utilisent un mélange de gaz rares (90 % d’argon + 10 % de xénon) excité par une impul- sion électrique pour générer de la lumière [4]. le suivant : L’adressage de l’électrode par une tension électrique transforme le gaz en plasma localement dans la cellule ali- mentant le pixel (a). A son tour le plasma émet des rayons UV dans la région de décharge (b) qui viennent frapper le phosphore (c), chaque sous pixel élémentaire s’illuminant Figure 5 : Principe de fonctionnement d’un écran à plasma. (a) (b) (c) REE N°3/2017 Z 129 Les technologies d’affichage électronique dans la couleur de référence choisie (triplet RVB) en fonction du luminophore impacté. En modulant la tension appliquée entre les électrodes et la fréquence de l’excitation, il est pos- différents). La figure 6 montre une vue éclatée de la structure d’un écran PDP. Il existe deux façons d’exciter le gaz, ou par un courant continu (DC) ou bien un courant alternatif (AC). Dans ce der- nier cas, on ajuste la tension AC juste en dessous du seuil de décharge du mélange gazeux de sorte qu’il suffit d’un faible incrément de tension pour commander l’allumage. Cette deuxième solution, plus économique en puissance consom- mée, a été la plus répandue dans les écrans du commerce car elle utilise une structure plus simple et permet d’obtenir une meilleure durée de vie. Caractéristiques des écrans PDP Les écrans à plasma AC sont généralement d’excellente qualité et se caractérisent notamment par : (gamut) ; et plus). Malheureusement cette technologie qui a fait pendant plus applications haut de gamme essentiellement, a pâti d’incon- vénients rédhibitoires non résolus : intempestif dû à des images fixes trop longtemps allumées vision des parties noires de l’écran (fourmillement) ; (dalle en verre au lieu d’une dalle plastique) ; OLED). Pour toutes ces raisons, la demande en PDP ayant subi une forte baisse après 2010, les principaux fabricants, japo- nais pour l’essentiel, ont décidé les uns après les autres de fermer leurs lignes de production. Les technologies d’adressage : matrice passive ou matrice active TFT ? L’amélioration des performances, notamment dyna- miques, des écrans plats ne dépend pas que du procédé utilisé ou de la structure retenue pour la dalle. La méthode d’adressage électronique des pixels joue également un grand rôle indépendamment de la technologie d’écran utilisée. Dans un premier temps, s’agissant d’écrans à cristaux liquides, les constructeurs ont adressé les pixels au moyen Figure 6 : Structure éclatée d’un écran à plasma. 130 Z REE N°3/2017 GROS PLAN SUR d’une matrice passive. Dans la technologie DSTN (Dual Scan Twisted Nematic), les points situés aux intersections des lignes et colonnes sont allumés séquentiellement. Il n’est pas fait appel à des transistors de commande dans ce cas, d’où cette appellation de matrice «passive». Mais les temps de réponse, le contraste restaient faibles, respectivement 300 ms et 30 :1. Pour améliorer ces deux caractéristiques essentielles, Toshiba et Sharp ont ensuite développé les tech- niques Fast Scan HPD (Hybrid Passive Displays) et HPA (High Performance Addressing), ou HPD, en ce qui concerne Hitachi, avec des résultats intéressants mais qui restaient insuffisants : La réelle amélioration a été introduite lors de l’utilisation d’une matrice active qui permet de sélectionner individuel- lement un pixel grâce à l’intégration d’un transistor TFT (Thin Film Transistor) sur chaque pixel (figure 7). Un des avantages de cette solution c’est de disposer d’une capacité de stockage Cs au niveau de chaque pixel permettant de maintenir une tension constante durant la phase où celui-ci émet. Il conserve ainsi la luminosité voulue jusqu’au cycle de rafraîchissement de l’écran suivant. On peut de ce fait envoyer des niveaux de tension plus faibles, donc réduire la largeur des lignes et augmenter la résolution de l’écran. Cette technique s’est traduite par des résultats spectaculaires avec des temps de La matrice active TFT est désormais quasiment générali- sée quelle que soit la technologie d’écran considérée (LCD, OLED...) ou le type d’application visée (télévision, bureau- tique, appareils mobiles). Les technologies d’afficheurs à écrans plats de deuxième génération : la famille des DEL (LED en anglais) Rappel sur l’électroluminescence : principe de la DEL L’électroluminescence est un phénomène connu depuis longtemps. Celui-ci se caractérise dans un matériau semi- conducteur par la création de paires électron-trou lors du pas- sage d’un courant électrique en continu. Ces paires, nommées excitons, se recombinent en émettant un photon dont l’éner- gie est caractéristique de la bande interdite (le gap) du maté- riau utilisé (transition radiative entre un électron de la bande de valence et le trou du sommet de la bande de conduction). Ce phénomène est à la base du fonctionnement d’une diode électroluminescente schématisée sur la figure 8. Les technologies OLED L’évènement marquant qui est en passe de révolution- ner les technologies d’écrans plat a été la mise au point des diodes électroluminescentes à base de composés semi- conducteurs organiques l’application aux écrans plats car les panneaux d’éclairage de différentes couleurs basés sur ce principe commencent aussi à rencontrer un grand succès auprès du public. Principe de fonctionnement Comme dans le cas d’une DEL classique, nous avons af- faire – par définition – à un affichage actif qui ne nécessite pas de rétroéclairage comme dans le cas des écrans à cris- taux liquides. Le composant est réalisé à partir d’une super- position de plusieurs couches semi-conductrices organiques placées entre deux électrodes dont l'une est transparente (ITO). On distingue dans l’empilement : - tron-trou, siège du luminophore ; Les électrons et les trous se recombinent dans la couche intermédiaire pour former des excitons et produire l’électro- Figure 7 : Schéma d’adressage d’un réseau de pixels par une matrice active de TFT. Figure 8: Principe de fonctionnement dune diode électroluminescente à semiconducteur. REE N°3/2017 Z 131 Les technologies d’affichage électronique luminescence par émission d’un photon. Les matériaux de transfert de charges, la couche d’émission et le choix des électrodes sont des paramètres fondamentaux qui déter- minent les performances et l’efficacité du composant. Les recherches récentes ont consisté essentiellement à multiplier la probabilité de recombinaison des paires électron- trou dans la zone d’émission. Afin de contrebalancer la forte différence de mobilité électrique des électrons et des trous (facteur 3) qui nuit à une équirépartition des deux espèces, on introduit des métaux de transition ce qui, par un effet de couplage de spin, modifie la population relative d’excitons en faveur de l’état singulet (au détriment de l’état triplet), seul état susceptible d’émettre un photon efficace pour l’illumination des luminophores3 constituant l’élément actif de la couche d’émission. Ce faisant, on décale le spectre d’émission vers le rouge rendant plus délicate l’obtention de longueurs d’onde proches du bleu. Mais globalement cette modification est très positive puisqu’elle a permis un gain d’un facteur 4 dans l’effi- cacité lumineuse du pixel élémentaire. Une des spécificités de la technologie OLED est la capa- cité à émettre de la lumière blanche (White OLED ou WLED). La technologie AMOLED Comme on l’a vu, l’adressage des pixels par matrice active à base de transistors en couches minces a pris le pas sur l’adressage passif dans le cas des écrans à cristaux liquides. Dans le cas des OLED, on désigne par le sigle AMOLED (Ac- tive-Matrix Organic Light-Emitting Diodes) l’association de la technologie de fabrication à base de DEL organiques avec un adressage à matrice active. Cette technique permet la réali- sation d’écrans de grandes dimensions, à forte résolution et à plus faible consommation que dans le cas d’un adressage 3 Les luminophores utilisés dans les écrans OLED sont principale- ment des dérivés du PPV (polymère du p-phénylène vinylène) et du « polyfluorène » . passif. Les écrans à matrice passive (PMOLED) sont réservés à des afficheurs de petite taille. La première télévision OLED à être commercialisée fut produite par la compagnie Sony en 2007 (XEL-1) avec une dimension de 11 pouces. Aujourd’hui le marché de la télévi- sion OLED est constitué d’un duopole entre le leader LG qui propose des écrans plats ou incurvés de tailles comprises moins avancée. Les derniers modèles UHD proposés par LG supportent la technologie 4K. Le Chinois BoE serait égale- ment en phase de production. Comparaison OLED-LCD Les principaux avantages des OLED par rapport aux LCD sont : rendu des couleurs ; - més consomment de la puissance contrairement aux cris- taux liquides ; Derniers développements Ecrans flexibles : le papyrus des temps modernes ? La tentation de sortir de la géométrie traditionnelle de l’écran n’est pas nouvelle. Certains fabricants de smartphones se sont déjà risqués à proposer des terminaux mobiles de formes sophistiquées (le GFlex de LG à écran un peu incurvé ou le Galaxy Note Edge de Samsung dont l’écran se recourbe sur les parois latérales). Mais la tendance depuis quelques an- nées est de se tourner vers les écrans OLED pliables, voire en- roulables. Nokia par exemple a déposé début 2017 un brevet d’appareil pliable dont le schéma est reproduit sur la figure 9a. Figure 9 : (a) projet de smartphone pliable (brevet Nokia) ; (b) prototype d’écran pliable Sharp. (a) (b) 132 Z REE N°3/2017 GROS PLAN SUR Sharp a également montré récemment un prototype d’écran On attend des produits analogues des concurrents (Apple, Samsung…) d’ici la fin de cette année. Pour la première fois, on dispose donc avec les écrans OLED de la possibilité de réaliser des écrans souples, pliables voire enroulables en l’intégrant sur des supports plastiques. On parle alors de technologie FOLED (Flexible OLED). La figure 10 illustre de façon saisissante la faisabilité d’un écran enroulable de 10 cm qui peut s’enrouler complètement dans un tube du diamètre d’un stylo (quelques millimètres) ce qui donne une idée du très faible rayon de courbure qu’on peut atteindre sans endommager le dispositif et en conser- vant à l’image sa netteté initiale. Toutefois la fragilité de ces écrans ne permet pas encore de leur donner n’importe quelle forme. La solution pourrait bien venir du graphène, un matériau que certains n’hésitent pas à traiter de « matériau-miracle » tant on ne cesse de lui trouver de nouvelles applications. Des chercheurs sud-co- réens ont eu en effet l’idée de remplacer l’électrode clas- sique en ITO – onéreuse car l’indium est un matériau rare - par du graphène qui possède des propriétés mécaniques remarquables, à la fois souple et dur (200 fois la résistance de l’acier!). Un prototype d’écran OLED (37 x 47 cm) a été réalisé en laboratoire en utilisant des électrodes de graphène L’espoir est bien sûr d’appliquer cette technologie aux écrans de smartphones pour lui permettre d’adopter des formes variées, voire de se plier dans la poche, renouvelant ainsi un produit dont l’aspect extérieur et les fonctionnalités n’ont guère évolué depuis une décennie. L’équipe de cher- cheurs en question se donne cinq ans pour prouver la faisa- bilité industrielle d’un tel écran. Les LED à boîtes quantiques (QD-LED ou QLED ) Rappelons qu’une «boîte quantique» (en anglais quan- tum dot) est un cristal semiconducteur de dimensions na- noscopiques. Utilisé comme diode, il possède la propriété d’émettre une longueur d’onde qui est fortement dépen- dante de sa taille. Ceci est dû à un effet de confinement quantique connu sous le terme de «puits quantique» qui ap- paraît lorsque la structure atteint de très petites dimensions (quelques dizaines de nanomètres). La largeur de bande qui détermine la longueur d’onde d’émission obtenue par fluo- rescence est alors inversement proportionnelle au carré de la taille du nanocristal. La figure 11 illustre la différence de comportement entre le matériau semiconducteur massif et une boîte quantique de ce même matériau : il faut plus d’énergie pour confiner l’excitation du semiconducteur dans un très faible volume. Pratiquement les boîtes quantiques ont permis deux types d’application qui ont trait à des technologies complète- ment différentes. Malheureusement une certaine confusion Figure 10 : Prototype d’écran OLED enroulable à faible rayon de courbure - Source : United Display. Figure 11: Confinement quantique d’un nanocristal : l’énergie de recombinaison est plus grande que dans le cristal massif ce qui décale la longueur d’onde d’émission h vers le rouge. On peut accorder h sur la totalité du spectre visible en jouant sur la taille du cristal. REE N°3/2017 Z 133 Les technologies d’affichage électronique a été entretenue par les fabricants car les deux procédés sont dénommés sous le même sigle de QD-LED (ou QLED) : - posé par Sony en 2013, c’est un raffinement apporté au rétroéclairage des écrans à cristaux liquides. On utilise des LED bleues comme source de lumière, laquelle est convertie par l’introduction de boîtes quantiques dans les autres couleurs fondamentales rouge et verte. On obtient ainsi des RVB de pureté et de brillance inégalées et un meilleur gamut. On se dispense en effet des filtres colorés, classiques en technologie LCD, qui absorbent trop de couleurs non désirées. Cette modification a per-rr mis de hisser la technologie LCD au niveau des meilleurs OLED actuels, voire de les surpasser en termes de pic de luminance, de rendu des cou- leurs et de fiabilité [6]. affichage actif dont la structure est comparablef à celle d’un OLED à ceci près que la couche émissive est constituée de boîtes quantiques à base du semi- conducteur à grande bande interdite CdSe. Celle-ci est prise en sandwich entre des couches de matériau orga- nique assurant respectivement le transport des trous et des électrons (figure 12). Le champ appliqué pro- voque le transport des deux espèces vers la couche à boîtes quantiques. Celles-ci les capturent au sein d’un même « puits quantique » dans le- quel électron et trou se recombinent en émettant un photon de longueur d’onde caractéristique de la structure de la boîte quantique considérée. Ce type de structure est considéré par beaucoup d’ex- perts comme le successeur de la technologie OLED en rai- son des excellentes performances permises par les boîtes quantiques (QD) mais sa fabrication pose encore des pro- blèmes délicats qui ne sont pas complètement maîtrisés et souffre de coûts encore prohibitifs. Samsung semble vouloir faire de cette technologie sa prochaine filière pour téléviseurs haut de gamme [7]. Conclusion Le panorama des technologies qui s’affrontent pour la réali- sation des différents types d’afficheurs que nécessite le monde moderne (téléviseurs, moniteurs, ordina- teurs, tablettes, smartphones…), est émi- nemment évolutif et se complexifie chaque jour. On peut toutefois prédire que la tech- nologie à cristaux liquides, améliorée par l’introduction de LED à boîtes quantiques (QD-LCD), d'une part, et les OLED qui tiennent aujourd’hui le haut du pavé avec des performances comparables, d'autre part, vont rester les principaux challengers dans les quelques années à venir. Mais les progrès ont été tels ces dernières années sur la brillance, le contraste et la qualité des couleurs que l’on voit mal comment trouver de nouveaux avantages différentiateurs en faveur de l’une ou l’autre. Peut-être la mise en forme des écrans (incurvables, pliables, enroulables) permise par la seule techno- logie OLED actuellement et l’augmentation de la durée de vie (on parle d’écrans TV garantis 10 ans), apanage incontesté des diodes à boîtes quantiques, sont-elles les principales pistes à poursuivre pour s’impo- ser sur le marché. Figure 12 : Schéma d’un dispositif actif de type QD-LED. Alain Brenac, docteur d’Etat etc Ingénieur ENSIC, a mené une carrière de chercheur dans les laboratoires du CNET à France Télécom, dans le domaine des composants et systèmes pour les télécommunications optiques et dispositifs de visualisation. Il a ensuite occupé des fonctions de direc-cc tion au département Technologie de l’information du MESR, notamment comme représentant national TIC pour le PCRD auprès de la Commis- sion européenne. Aujourd’hui retraité, il est très impliqué au sein de la SEE : secrétaire général de 2012 à 2015, puis administrateur et membre de l’équipe de rédaction de la REE. Alain Brenac est membre émérite de la SEE, titulaire de la médaille Ampère et chevalier de l’ordre national du Mérite. 134 Z REE N°3/2017 GROS PLAN SUR Références [1] http://www.explainthatstuff.com/how-vacuum-fluorescent- displays-work.html [2] Field emission displays, Mark Staniford (18/06/2012) https://wwww/fh-muenster.de/ciw/downloads/personal/ juestel/juestel/Field_Emission_Displays_MarkStaniford_. pdf [3] Liquid Crystal Displays: Fundamental Physics and Techno- logy, Robert H. Chen, juin 2011, Wiley Series in Display Technology. [4] Les écrans à plasma, JP. Bœuf, C. Punset, L. Pitchford, Images de la Physique (1998) pp. 97-103. [5] http://www.koreaherald.com/view.php?ud=20170411000715 [6] Ecrans plats et vidéoprojecteurs, Gérard Laurent, 2e édition, janvier 2014, Ed. Dunod. [7] Samsung UE55KS8000 55inch SUHD 4K LED SMART TV Quantum Dot – Brochure 2016 (chez Amazon UK). Glossaire CCFL : technologie classique de rétroéclairage par tubes néon pour les écrans LCD CRT : tube à rayons cathodiques DSTN : technique d'adressage à double balayage pour LCD FED : écrans à émission de champ HPA ou HPD : techniques d'adressage à haute performance (procédés déposés) GAMUT : mesure du domaine spectral de couleurs couvert par un dispositif de visualisation IPS : technologie d'orientation des LCD développée par Hitachi ITO : oxyde mixte d'étain et d'indium servant à réaliser des électrodes transparentes LCD : écrans à cristaux liquides LED : diode électroluminescente MVA : alignement vertical multidomaine OLED : DEL organique - AMOLED : écrans OLED à matrice active - FOLED : écrans OLED flexibles - PMOLED : écrans OLED à matrice passive - WOLED : diodes OLED blanches PDP : écrans plats à plasma PVA : pattern vertical alignment QLED ou QD-LED : DEL à boîtes quantiques TFT : transistors en couches minces utilisés pour l'adressage de matrices actives SED : variante de la technologie FED TN : nématique vrillé, variété de cristal liquide utilisée dans la technologie LCD VA : technique d'alignement vertical d'origine VFD : technologie d'écrans fluorescents