TPE

II.Fonctionnement d’un écran

 

Nous avons tous des écrans chez nous, de télé, d’ordinateur, de téléphone ou encore de tablette. Il existe trois types d’écran :

-Les écrans à tubes cathodiques (CRT : Cathode Ray Tube) qui sont les gros écrans qui correspondent aux anciennes télévisons et aux anciens ordinateurs.

-Les écrans plats, à cristaux liquides (LCD : sont aujourd’hui utilisés dans tous les affichages électroniques.

-Les écrans tactiles

Cependant, comment fonctionnent-ils réellement. Nous allons donc expliquer le fonctionnement d’un écran en général puis nous prendrons l’exemple de l’écran LCD.
 

A. Comment fonctionne un écran en général

 

Un écran est composé de millions de petits carrés (appelés pixels) qui peuvent chacun prendre une couleur (environ 16 millions de couleurs possibles). Chaque pixel est composé de trois "sous-pixels" (appelés luminophores), de couleurs rouge, verte et bleue.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       Titre : Ecran d'iPod vu au microscope

 

Pour obtenir toutes les couleurs visibles, il faut faire varier l’intensité de ces trois couleurs. Par exemple, si le bleu et le vert sont allumés, l'écran sera cyan. Pour du bleu, on allumera seulement les luminophores bleus. Pour du blanc, on allume tous les luminophores. Pour du noir, on les éteint tous. Bien entendu, on fait varier l'intensité lumineuse des luminophores pour pouvoir reconstituer toutes les couleurs possibles. Chaque luminophore peut prendre 256 niveaux de luminosité différentes, et, comme un pixel est constitué de trois luminophores, il y a 256³ = 16 777 216 de couleurs possibles. Nos yeux sont incapables de distinguer autant de couleurs différentes. Les écrans suivent la synthèse additive des couleurs. Il y a trois couleurs primaires. Lorsque deux d’entre elles sont additionnées on obtient une nouvelle couleur, une couleur secondaire.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                Titre : Schéma de la synthèse additive

 

 

Tous les écrans de couleur fonctionnent en suivant ce principe, quel que soit le modèle ou la marque.

Remarque : les écrans en noir et blanc étaient composés de pixels contenant un seul sous-pixel de couleur blanche dont on variait l’intensité.

 

B. La composition d’un écran LCD

 

Un écran à cristaux liquides (liquid cristal display, LCD, en anglais) utilise un mode d'affichage numérique sur un écran plat. Un écran LCD est empilement de 5 couches différentes : le filtre polarisant avant, l'électrode avant, les cristaux liquides, l'électrode arrière et le filtre polarisant arrière. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                        Titre : Composition d’un écran LCD

 

 

Le polariseur avant est fixé sur la surface extérieure du verre. Le polariseur sert à diminuer les reflets et à accentuer la couleur.

 

En dessous du verre, on trouve de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO : Indium-Tin Oxide). C’est un revêtement conducteur du courant électrique. Cet oxyde constitue l'électrode avant. Les motifs de l'électrode avant définissent la forme des segments, des lettres, des images qu'on souhaite faire apparaître. Après que cette couche d'oxyde conducteur a été appliquée sur le verre, un revêtement de polyimide (une sorte d’éponge) est appliqué. Ce film de polyimide est frotté dans une direction bien précise qui définira 

la direction de polarisation. En effet, le frottage du polyimide fait que les molécules de cristaux liquides auront tendance spontanément (sans tension électrique) à s'aligner dans la même direction que le frottage.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                 Titre : photo de polyiamide

 

Ensuite, il y a le réservoir de cristaux liquides. Le liquide s'organise en une superposition de plans de molécules.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                              Titre : Cristaux liquides au repos : alignement des cristaux liquides

 

Les cristaux liquides sont de longues molécules de forme cylindrique. Elles s'alignent parallèlement entre elles. La couche de cristaux liquides la plus extérieure est en contact avec le polyimide frotté et s'aligne spontanément avec celui-ci. Les directions de frottage des couches de polyimide (électrode arrière et électrode avant) sont perpendiculaires entre elles.

Chaque couche de cet alignement aura une orientation légèrement différente.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                     Titre : Variation progressive d'orientation de couche en couche

 

 

La quatrième couche est l’électrode arrière sur le verre arrière. Il a les mêmes fonction et caractéristiques que l’électrode avant.

Sur l’extérieur du verre arrière, il y a le polariseur arrière. L'axe de polarisation du polariseur arrière est soit identique au polariseur avant, soit perpendiculaire. Cela dépend ce qu'on souhaite : mode de vue, transparent ou opaque au repos.

Exemples : un écran LCD d'ordinateur est "noir" en veille alors qu'un afficheur de calculette est transparent au repos, et ses chiffres sont "noirs".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              Titre : Ecran LCD : blanc = allumé                                             Titre : Ecran LCD : noir = éteint

 

 

C. Comment fonctionne un écran LCD

 

Les écrans plats LCD (Liquid Crystal Display) fonctionnent avec des cristaux liquides. Le fonctionnement d'un écran LCD repose sur l’attraction de la lumière par des filtres polarisants et par une variation de l’orientation des cristaux liquides en fonction du champ électrique.

L'orientation des cristaux liquides est la base du principe de fonctionnement d'un écran LCD. Chaque pixel peut être "allumé" ou "éteint" par la présence d'une tension entre les électrodes avant et arrière. C’est une question de tension. Lorsque aucune tension n'est appliquée entre les électrodes correspondant au pixel de l'écran, les cristaux liquides font tourner le plan de polarisation progressivement d'une électrode à l'autre. La lumière polarisée verticalement arrive polarisée horizontalement sur le polariseur horizontal. Elle peut donc passer.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Titre : Schéma du fonctionnement d’un écran LCD lorsque il n’y a pas de lumière diffusée 

 

 

Ce schéma nous montre le fonctionnement d’un écran LCD lorsque les pixels sont au repos, il y a donc une absence de tension et donc de lumière diffusée.

            En revanche, lorsqu'une tension suffisante est appliquée entre les électrodes, les cristaux liquides s'orientent perpendiculairement aux électrodes (selon les lignes de champ électrique), comme un aimant dans un champ magnétique extérieur. Les cristaux liquident ne font alors plus tourner le plan de polarisation de la lumière. La lumière reste polarisée verticalement, rencontre le polariseur horizontal et ne le traverse pas. Le pixel est noir (opaque).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Titre : Schéma du fonctionnement d’un écran LCD lorsque il y a une lumière diffusée

 

 

Ce schéma nous montre le fonctionnement d’un écran LCD lorsque les pixels sont sous tension, il y a donc une tension appliquée et donc une lumière transmise.