Écrans LCD expliqués : La science derrière votre écran – Guide complet

Comprendre le fonctionnement des écrans LCD est essentiel, d'autant plus que pratiquement tous les écrans que vous voyez aujourd'hui sont des LCD. Pourtant, il est difficile de différencier ces écrans au premier abord sans connaissances préalables. Dans cet article, nous examinerons les écrans LCD, leur structure, leurs composants essentiels et comment prolonger la durée de vie de votre affichage.

Qu'est-ce qu'un écran LCD ?

Fig 1 : Coupe transversale d'un LCD

Un écran à cristaux liquides (LCD) est un affichage à panneau plat qui utilise des cristaux liquides pour créer une image visible.

La structure de base d'un écran LCD

Rétroéclairage

Diode électroluminescente (DEL/LED)

Fig 2 : Une bande LED

Les écrans LCD à rétroéclairage LED utilisent des DEL pour fournir le rétroéclairage des pixels. Ils offrent une meilleure plage de gradation, de meilleurs rapports de contraste, une gamme de couleurs plus large et sont plus fiables que les écrans à rétroéclairage CCFL.

Panneau d'électroluminescence (ELP)

Cette technologie utilise des phosphores colorés excités pour produire de la lumière, nécessitant une tension électrique de 100 volts AC à 400 Hertz pour émettre de la lumière. La technologie ELP s'applique aux LCD monochromes, à segments et à caractères.

Lampes fluorescentes à cathode chaude (HCFL)

Les HCFL utilisent un filament de tungstène enroulé connecté à deux cathodes aux extrémités. Lorsque les cathodes sont électriquement excitées à 900 °F (environ 482 °C), elles émettent des électrons qui réagissent avec le mercure dans le tube. L'effet produit un rayonnement ultraviolet qui réagit avec le phosphore pour générer de la lumière.

Lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL)

Contrairement aux HCFL, les CCFL n'ont pas de filament de tungstène. C'est la tension à l'intérieur du tube qui excite le mercure, provoquant un flux de courant. Le rayonnement UV du mercure réagit avec le phosphore pour produire de la lumière.

Cristaux liquides pour LCD

Fig 3 : Une femme regardant une TV LCD

Phase nématique des LCD

La phase thermotrope nématique se produit à une température plus élevée que la phase smectique. Les cristaux liquides s'orientent avec leurs axes longs pointant dans une même direction. Leur centre de masse est réparti aléatoirement dans le liquide. Cependant, on peut les aligner grâce à un champ magnétique ou électrique externe pour créer une vue transparente ou opaque. C'est grâce à cette propriété d'alignement que les molécules nématiques sont utilisées dans les LCD.

Phase smectique des cristaux liquides

La phase smectique est une phase thermotrope des cristaux liquides qui existe à basse température. Ici, les molécules de cristal liquide s'alignent en couches perpendiculaires au plan des molécules. L'arrangement cristallin est à l'état liquide et glisse les unes sur les autres dans la direction du plan de la couche.

Phase cholestérique des cristaux liquides

Ici, les cristaux liquides s'alignent en couches d'une seule molécule d'épaisseur. Les molécules s'alignent également avec leurs axes longs parallèles les uns aux autres.

Filtres de couleur des cristaux liquides

Les filtres de couleur dans les panneaux LCD laissent passer des longueurs d'onde spécifiques de la lumière tout en bloquant les autres. Il est ainsi possible d'améliorer et de contraster les couleurs visibles pour créer des variations d'une même couleur.

Filtres polarisants des cristaux liquides

Les filtres polarisants laissent passer la lumière polarisée d'une orientation particulière à travers un dispositif LCD tout en bloquant toutes les autres expositions lumineuses.

Comment fonctionnent les LCD – Transistors à couches minces (TFT)

Les LCD à transistors à couches minces utilisent des TFT comme commutateurs individuels de pixels pour améliorer les caractéristiques d'image telles que le contraste et l'adressabilité. Les TFT sont des transistors à effet de champ (FET) spéciaux qui sont plus minces par rapport au plan du dispositif.

Comment fonctionnent les écrans LCD ?

Le fonctionnement d'un LCD repose principalement sur les propriétés de la lumière polarisée. La lumière polarisée est une lumière dont les vibrations sont restreintes à un seul plan. Dans un LCD, la lumière blanche subit une polarisation grâce à deux films polarisants.

Un écran LCD comporte des millions de pixels, chacun avec un film polarisant de chaque côté d'un cristal liquide lié. Chaque pixel est divisé en trois sous-pixels distincts : rouge, vert et bleu.

Lorsque vous allumez votre LCD, un rétroéclairage projette une lumière blanche non polarisée vers les pixels. La lumière blanche se propage dans divers plans, y compris les plans horizontal et vertical.

Le premier verre polarisant ne laisse passer que les ondes lumineuses horizontales, tandis que le second filtre en verre ne laisse passer que les ondes verticales. Les deux verres polarisants sont des cristaux liquides entourés d'électrodes, et chaque sous-pixel possède sa propre paire d'électrodes et de verres polarisants.

Le cristal liquide est sous forme nématique électronique dans son état naturel.

Les filtres de verre polarisants font pivoter la lumière horizontale en position verticale dans l'état « éteint », permettant à la lumière d'atteindre les pixels.

Lorsque les électrodes polarisantes sont activées, les cristaux liquides nématiques s'orientent dans un alignement horizontal. La lumière du rétroéclairage ne subit plus de torsion à 90 degrés et passe horizontalement. Le verre polarisant vertical bloque alors les ondes lumineuses plates.

En faisant varier le courant électrique à travers chaque ensemble d'électrodes, on peut modifier le nombre de cristaux liquides qui s'alignent horizontalement. Cela entraîne différentes quantités de lumière atteignant les pixels pour créer une image.

Les couleurs sur les sous-pixels individuels sont sur une échelle de 0 à 255. Si les trois sont à zéro, vous verrez du noir sur tout l'écran, et si les trois sont à 255, vous verrez le rétroéclairage (blanc). Une variation du potentiel d'électrode du cristal liquide fait varier l'affichage de la lumière colorée sur un LCD.

Six facteurs qui déterminent la durée de vie d'un écran LCD

Fig 4 : LCD médical EKG futuriste

Voici les six facteurs qui déterminent la durée de vie d'un LCD.

Environnement de fonctionnement de l'écran

Les LCD fonctionnent mieux lorsque les cristaux liquides sont en phase nématique. Une chute de température sous le point de congélation ou des températures élevées entravent le fonctionnement d'un LCD, réduisant ainsi sa durée de vie.

Qualité des composants électroniques associés

Les LCD tombent en panne principalement à cause du gonflement des condensateurs résultant de l'assèchement des électrolytes à l'intérieur. Des matériaux de mauvaise qualité réduisent la durée de vie d'un LCD.

État des composants externes

Les composants externes tels que la stabilité et la fréquence de l'alimentation affectent la durée de vie des écrans LCD. La poussière se dépose également sur les composants de circuit importants, provoquant des courts-circuits et des problèmes de surchauffe pour le dispositif.

Défaillance du rétroéclairage

Une défaillance du rétroéclairage LCD peut survenir en raison d'un court-circuit ou d'un composant interne défectueux. Ce problème peut être résolu rapidement en remplaçant le rétroéclairage.

Radiations électromagnétiques

Un champ magnétique externe interfère avec l'alignement des cristaux liquides entre les deux polariseurs en verre. Par conséquent, un champ électrique élevé diminue la qualité d'image et provoque une détérioration de l'écran avec le temps.

Fréquence d'utilisation

Les LCD ont une durée de vie comprise entre 30 000 et 60 000 heures d'utilisation. Par conséquent, leur durée de vie dépend grandement de la durée pendant laquelle ils restent allumés dans la journée.

Différence entre écrans LCD et Plasma

Fig 5 : TV Plasma au mur d'une pièce

Il n'est pas facile de différencier les écrans plasma et LCD au premier abord, et les deux sont frappants de similarité mais utilisent des technologies très différentes pour afficher l'information.

Voici les différences significatives entre les écrans Plasma et LCD.

Taux de rafraîchissement

Un écran plasma a un taux de rafraîchissement plus rapide comparé à un écran LCD de même classification. Le temps de réponse lent des écrans LCD est évident lorsque les images sont affichées à un rythme plus rapide. On voit souvent un effet de rémanence (ghosting) où les images semblent traîner sur l'écran. Les LCD actuels ne subissent plus d'effets de rémanence car leurs taux de rafraîchissement sont proches de ceux des TV plasma.

Technologie

Une autre différence entre les écrans LCD et Plasma réside dans leurs principes de fonctionnement. La manière d'allumer les pixels et sous-pixels pour produire une image varie : les LCD nécessitent un rétroéclairage pour fournir l'excitation nécessaire aux pixels afin de faire une représentation précise d'une image. Les écrans plasma utilisent les propriétés de gaz inertes pour allumer les pixels. Chaque pixel peut être excité par une grille d'électrodes dans sa structure selon un arrangement horizontal et vertical. Lorsque de la lumière UV est projetée sur le revêtement phosphorescent du pixel, elle se convertit dans la couleur choisie. Une lumière sur un phosphore rouge rend le pixel visiblement rouge, et ainsi de suite.

Poids

Les LCD pèsent moins que leurs homologues plasma de même taille. Ils consomment également moins d'électricité et produisent moins de chaleur. Cependant, la différence de poids et de consommation d'énergie n'a pas beaucoup d'importance car elle est relative. Les affichages plasma restent très légers comparés aux autres technologies d'affichage.

Affichage

Les écrans plasma affichent ce que nous considérons comme des images plus authentiques. En raison de l'absence de rétroéclairage, vous obtenez des photos détaillées de l'objet physique affiché avec les écrans plasma. Les écrans LCD sont d'une certaine manière relativement saturés et pas aussi nets que certains affichages plasma.

Altitude

L'altitude affecte les écrans plasma, qui ne fonctionnent pas bien au-dessus de 6 500 pieds (environ 1 980 mètres). En montant vers l'espace, la pression atmosphérique chute naturellement. Une baisse de pression signifie que l'air se dilate naturellement, créant un problème majeur pour les affichages plasma. Une variation de la distance entre les molécules de gaz inerte entraîne un travail plus intense des électrodes pour allumer les pixels. Dans une pièce silencieuse ou en affichant des images blanches, vous entendrez du bruit provenant de l'écran.

Conclusion

Nous avons discuté des facteurs les plus critiques affectant le fonctionnement des LCD. Vous disposez désormais d'informations suffisantes sur leur fonctionnement, leurs composants, leurs faiblesses et comment prolonger leur durée de vie. Les écrans LCD restent parmi les meilleurs actuellement sur le marché. Si vous envisagez d'acheter un nouveau téléviseur LCD, tenez compte des informations fournies dans cet article. Pour toute question, commentaire ou interaction, n'hésitez pas à nous contacter.