Modules d’affichage LCD TFT – théorie, caractéristiques spéciales, comparaison TN TFT vs IPS LCD – Riverdi

Modules d’affichage LCD TFT – théorie de l’écran TN TFT, caractéristiques spéciales de l’écran IPS TFT, comparaison des écrans TFT

Commençons par les bases ; rafraîchissons nos connaissances sur les écrans TN et LCD en général, nous parlerons plus tard des TFT (Thin Film Transistors), en quoi ils diffèrent des écrans LCD monochromes ordinaires. Nous aborderons ensuite l’effet de rémanence, c’est-à-dire non seulement la technologie qui sous-tend la construction de l’écran TFT, mais aussi certains phénomènes, comme l’effet de rémanence ou l’inversion des niveaux de gris, qu’il est important de comprendre lors de l’utilisation d’un écran LCD TFT. Ensuite, nous examinerons les différentes technologies des écrans LCD TFT (TN, IPS, VA) et, bien sûr, les écrans LCD transmissifs et transflectifs, car les écrans TFT peuvent également être transmissifs et transflectifs. Dans la dernière partie, nous parlerons du rétroéclairage.

Qu’est-ce que la technologie d’affichage TN TFT ?

Commençons par un bref examen de la cellule à cristaux liquides la plus élémentaire, à savoir l’écran TN (nématique torsadé). Sur l’image ci-dessus, nous pouvons voir que la lumière peut être transmise à travers la cellule ou bloquée à l’aide d’une tension. Si vous souhaitez en savoir plus sur les écrans LCD monochromes et sur les bases de la technologie des écrans LCD, suivez ce lien. Qu’est-ce qu’un écran LCD TFT et en quoi est-il différent d’un écran LCD monochrome ? Le TFT est un écran actif. Actif signifie qu’il y a un ou plusieurs transistors dans chaque cellule, dans chaque pixel et dans chaque sous-pixel. TFT signifie Thin Film Transistor, des transistors très petits et très fins qui sont intégrés dans le pixel, c’est-à-dire qu’ils ne se trouvent pas à l’extérieur dans un contrôleur, mais dans le pixel lui-même. Par exemple, dans un téléviseur de 55 pouces, l’écran TFT contient des millions de transistors dans les pixels. Nous ne les voyons pas, car ils sont très petits et cachés, mais si nous faisons un zoom, nous pouvons les voir dans chaque coin de chaque pixel, comme sur l’image ci-dessous. Sur l’image ci-dessus, on peut voir des sous-pixels, qui sont des couleurs RVB (rouge, vert, bleu) de base, et une partie noire, avec les transistors et les circuits électroniques. Il suffit de savoir que nous avons des pixels et des sous-pixels, et que chaque sous-pixel possède des transistors. Cela rend l’écran actif et c’est pourquoi on parle d’écran TFT. Les écrans TFT sont généralement des écrans couleur, mais il existe également des écrans TFT monochromes, qui sont actifs et comportent des transistors, mais n’ont pas de couleurs. Les couleurs de l’écran TFT LCD sont généralement ajoutées par des filtres de couleur sur chaque sous-pixel. Les filtres sont généralement de type RVB, mais il existe également des écrans LCD RVBW (rouge, vert, bleu, blanc) qui ajoutent des sous-pixels sans filtre (blanc) pour rendre l’écran plus lumineux. Ce qui est intéressant, c’est que la partie blanche de l’écran RGB et RGBW aura exactement la même apparence de loin, parce que les lumières sont mélangées et génèrent de la lumière blanche, mais lorsque nous nous approchons de l’écran, nous ne verrons pas du tout de lumière blanche. En allant un peu plus loin, dans la cellule TFT, il y a une partie intérieure que nous connaissons bien grâce à l’affichage LCD monochrome de l’Université de Riverdi. Nous disposons d’une cellule, de cristaux liquides, de polariseurs, d’une couche d’ITO (oxyde d’étain et d’indium) pour les électrodes et, en outre, d’un circuit électronique. En général, le circuit électronique se compose d’un transistor et de quelques condensateurs pour maintenir l’état du pixel lorsqu’il est éteint ou allumé. Dans les modules TFT, les pixels sont beaucoup plus compliqués car, outre la construction de la partie cristalline, il faut également construire une partie électronique. C’est pourquoi la technologie de production des écrans LCD TFT est très coûteuse. Si vous êtes familier avec l’électronique, vous savez que le transistor est une sorte d’interrupteur qui nous permet d’allumer et d’éteindre le pixel. Comme il est intégré au pixel lui-même, il peut être réalisé très rapidement et être très bien contrôlé. Nous pouvons contrôler l’état exact de chaque pixel, non seulement les états ON et OFF, mais aussi tous les états intermédiaires. Nous pouvons allumer et éteindre la lumière des cellules en plusieurs étapes. En général, pour les écrans LCD TFT, il s’agit de pas de 8 bits par couleur, ce qui donne 256 pas de luminosité pour chaque couleur et chaque sous-pixel. Comme nous avons trois sous-pixels, nous avons une gamme de couleurs de 24 bits, ce qui signifie plus de 16 millions de combinaisons, nous pouvons, du moins en théorie, afficher sur notre écran LCD TFT plus de 16 millions de couleurs distinctes en utilisant les pixels RVB. Maintenant que nous savons comment fonctionne l’écran à cristaux liquides à couches minces, nous pouvons apprendre des choses pratiques, dont l’image fantôme de l’écran LCD TFT. Nous savons comment l’image est créée, mais que se passe-t-il lorsque l’image reste affichée à l’écran pendant une période prolongée, et comment l’éviter ? Dans les écrans LCD, il y a ce que l’on appelle l’image fantôme. Nous ne le voyons pas très souvent, mais ce phénomène existe encore dans certains affichages. Si certains éléments de l’image, par exemple le logo de votre entreprise, restent au même endroit de l’écran pendant une longue période, quelques semaines, quelques mois ou une année, les cristaux mémorisent cet état et, plus tard, lorsque nous changeons l’image, nous pouvons voir apparaître des images fantômes de ces éléments. Cela dépend de nombreuses conditions telles que la température et même l’image que nous affichons à l’écran pendant de longues périodes. Lorsque vous créez votre application, vous pouvez utiliser certaines techniques pour l’éviter, comme un changement de contraste très rapide et, bien sûr, éviter de positionner la même image dans la même position pendant une longue période. Vous avez peut-être déjà constaté ce phénomène, car il est courant dans toutes les technologies d’affichage, et même des sociétés comme Apple publient des informations sur leurs sites web, indiquant que les utilisateurs peuvent rencontrer ce phénomène et comment y remédier. C’est ce qu’on appelle l’image fantôme ou la persistance de l’image, et même les écrans Retina n’en sont pas exempts.

Qu’est-ce que l’inversion des niveaux de gris dans la technologie TFT LCD ?

L’inversion des niveaux de gris est un autre problème présent dans les écrans TFT, en particulier les écrans LCD TN. Il s’agit d’un phénomène qui modifie les couleurs de l’écran en fonction de l’angle de vue, et qui n’est qu’unilatéral. Lors de l’achat d’un écran TFT couleur, il convient tout d’abord de vérifier le type de technologie utilisé. S’il s’agit d’un écran IPS, comme la gamme d’écrans IPS Riverdi, il n’y a pas lieu de s’inquiéter de l’inversion des niveaux de gris, car tous les angles de visualisation seront identiques et tous très élevés, comme 80, 85 ou 89 degrés. Mais si vous achetez un type d’écran plus courant ou plus ancien, comme l’écran TN (nématique torsadé), vous devez penser à l’endroit où il sera utilisé, car un angle de vue sera exclu. Cela peut parfois prêter à confusion et il faut être prudent car la plupart des usines définissent la direction de visualisation de l’écran et la confondent avec le côté de l’inversion des niveaux de gris. Sur l’image ci-dessus, vous trouverez une explication plus détaillée de l’inversion des niveaux de gris sur Wikipedia. Il est dit que certains panneaux anciens, ainsi que les écrans TN actuels, ont une inversion des niveaux de gris qui n’est pas nécessairement de haut en bas, mais qui peut être de n’importe quel angle, vous devez vérifier dans la fiche technique. C’est pour éviter ce phénomène qu’ont été développées des technologies telles que l’IPS (In-Plane Switching), utilisée dans les derniers écrans Riverdi, ou VA. Par ailleurs, nous ne voulons pas nous vanter, mais la définition de Wikipedia fait référence à notre site web. Nous savons déjà que les écrans TN (nématiques torsadés) souffrent d’une inversion des niveaux de gris, ce qui signifie que l’écran présente un côté où la couleur de l’image change soudainement. C’est délicat et il faut être prudent. L’image ci-dessus montre une partie de la spécification LCD TFT d’un écran TN (nématique torsadé), qui a une inversion des niveaux de gris, et si nous allons dans ce tableau, nous pouvons voir les angles de vue. Ils sont définis à 70, 70, 60 et 70 degrés, c’est-à-dire l’angle de vision maximal auquel l’utilisateur peut voir l’image. Normalement, nous pensons que 70 degrés est préférable, nous choisirons donc les côtés gauche et droit à 70 degrés, puis le haut et le bas, et si nous ne connaissons pas le phénomène d’inversion des niveaux de gris, nous pourrons placer notre utilisateur sur le côté inférieur qui est également à 70 degrés. La direction d’observation sera alors comme une direction de 6 heures, c’est pourquoi nous l’appelons un affichage de 6 heures. Mais attention ! En examinant les spécifications, on constate que cet affichage a été défini comme un affichage à 12 heures, et qu’il est donc préférable qu’il soit vu dans le sens des aiguilles d’une montre. Mais nous pouvons constater que l’angle de vision de l’horloge de 12 heures est plus faible – 60 degrés. Qu’est-ce que cela signifie ? Cela signifie qu’il n’y aura pas d’inversion des niveaux de gris de ce côté. Si nous passons à 40, 50, 60 degrés et même un peu plus, il est probable que nous verrons encore l’image correctement. Peut-être avec un contraste plus faible, mais les couleurs ne changeront pas. Si nous partons du bas, de la direction de 6 heures où nous avons l’inversion des niveaux de gris, après 70 degrés ou moins, nous verrons un changement soudain de couleur, et c’est bien sûr quelque chose que nous voulons éviter. En résumé, lorsque vous achetez une technologie plus ancienne comme les écrans TN, qui sont encore très populaires et que Riverdi vend également, vous devez faire attention à l’endroit où vous placez votre écran. S’il s’agit d’un appareil portable, vous verrez l’écran par le bas, mais si vous l’installez sur un mur, vous verrez l’écran par le haut. Il faut donc le définir pendant la phase de conception, car il est généralement impossible ou coûteux de changer la direction par la suite.

Technologies d’affichage VA, TFT couleur et IPS TFT

Nous allons maintenant parler des autres technologies TFT, qui nous permettent d’avoir des angles de vision plus larges et des couleurs plus vives. La technologie de base pour les écrans monochromes et TFT est le nématique torsadé (TN). Comme nous le savons déjà, ce type d’écran présente un problème d’inversion des niveaux de gris. D’un côté, nous avons un retard plus important et nous n’obtiendrons pas d’image claire. C’est pourquoi nous disposons d’autres technologies telles que VA (Vertical Alignment), où les cristaux liquides sont organisés différemment, et une autre variante de la technologie TFT – IPS (In-Plane Switching). Les écrans LCD VA et IPS TFT n’ont pas de problème avec les angles de vision, vous pouvez voir une image claire de tous les côtés. Aujourd’hui, tous les téléviseurs, tablettes et bien sûr téléphones portables sont IPS ou VA. Vous pouvez les retourner et voir l’image clairement de tous les côtés. Mais pour les applications de moniteurs, la technologie TN est encore largement utilisée, parce que le moniteur est généralement devant vous et que la plupart du temps vous le regardez directement, par le haut, la gauche ou la droite, mais très rarement par le bas, de sorte que l’angle de vision de l’inversion des niveaux de gris peut être placé à cet endroit. Cette technologie reste très pratique car elle est abordable et présente certains avantages pour les joueurs car elle est très rapide. Outre l’organisation différente des cristaux liquides, nous organisons également les sous-pixels de manière légèrement différente dans les moniteurs VA et IPS. Lorsque nous regardons de plus près l’écran TN, nous ne voyons que les sous-pixels avec les filtres de couleur. Les écrans VA ou IPS comportent des sous-pixels de sous-pixels. Les sous-pixels sont divisés en parties plus petites. De cette manière, nous pouvons obtenir des angles de vision encore plus larges et de meilleures couleurs pour l’utilisateur, mais bien sûr, c’est plus compliqué et plus coûteux à réaliser.

Bref résumé des technologies d’affichage LCD IPS, VA et TN

L’image ci-dessus présente l’écran TFT de type TN et l’inversion des niveaux de gris. Pour les technologies IPS ou VA, il n’y a pas d’effet de ce type. L’image sera la même de tous les côtés que nous regardons. Ces technologies sont donc populaires lorsque nous avons besoin d’angles de vision larges, et la technologie TN est populaire lorsque nous n’en avons pas besoin, comme dans les moniteurs. Les autres avantages de la technologie d’affichage IPS sont la précision des couleurs et les angles de vision larges. Ce qui est également important dans la pratique, dans nos projets, c’est que les écrans d’ordinateur IPS sont moins sensibles aux forces mécaniques. Lorsque nous appliquons une force mécanique à l’écran, et que nous disposons d’un écran tactile à liaison optique, nous poussons l’écran et pressons les cellules. Avec un écran TN, chaque pression sur la cellule modifie brusquement l’image, alors qu’avec la ligne IPS du TFT à commutation dans le plan, avec une organisation différente des cristaux, cet effet est moindre. Il n’a pas complètement disparu, mais il est beaucoup moins distinct. C’est une autre raison pour laquelle les écrans IPS sont très populaires pour les smartphones et les tablettes, lorsque les écrans tactiles sont généralement liés optiquement. Si nous voulions parler des inconvénients, il y aurait un point d’interrogation, car certains d’entre eux peuvent être vrais, d’autres ne reposent pas sur des cas réels, quel type d’écran, quel type de technologie. Parfois, l’écran TFT IPS peut avoir une consommation d’énergie plus élevée que d’autres, mais dans la plupart des cas, ce n’est pas le cas. Ils peuvent être plus chers, mais pas nécessairement. Les nouveaux panneaux IPS peuvent coûter le même prix que les modules TN, mais la technologie IPS offre un temps de réponse plus long. Encore une fois, il ne s’agit pas d’une règle, il est possible de fabriquer des panneaux IPS très rapides, plus rapides que les panneaux TN, mais si vous voulez l’affichage le plus rapide possible, l’écran TN TFT sera probablement le plus rapide. C’est pourquoi la technologie TN est toujours populaire sur le marché des jeux. Bien sûr, vous pouvez trouver de nombreuses discussions sur l’internet pour savoir quelle technologie est la meilleure, mais cela dépend vraiment de ce que vous voulez réaliser.

Types de rétroéclairage des écrans TFT LCD

Examinons maintenant les types de rétroéclairage LED. Comme nous le voyons ici, sur l’image ci-dessus, nous avons quatre types distincts. Les panneaux TFT les plus courants, soit 95 ou 99 % du marché, sont des écrans LCD transmissifs, pour lesquels la lumière doit venir de l’arrière. Si vous vous souvenez de notre cours sur les écrans LCD monochromes, pour les écrans LCD transmissifs, il faut que les DEL soient toujours allumées. Si vous les désactivez, vous ne verrez rien. Comme pour les écrans LCD monochromes, mais moins populaire pour les écrans TFT, nous avons le type d’écran LCD transflectif. Ils ne sont pas populaires parce que les couleurs des écrans TFT transflectifs manquent de luminosité et que les écrans ne sont pas très pratiques à utiliser. Vous pouvez voir l’écran, mais l’application est limitée. Certains écrans à cristaux liquides transflectifs sont utilisés par les militaires, dans des applications où la consommation d’énergie est primordiale, où l’on peut éteindre le rétroéclairage et accepter une qualité d’image moindre, mais où l’on voit toujours l’image. La consommation d’énergie et l’économie d’énergie sont très importantes dans certains types d’applications et vous pouvez utiliser des dispositifs d’affichage transflectifs dans ce cas. Le type réfléchissant de la technologie LCD n’est presque jamais utilisé dans les TFT. Il existe une technologie appelée Low Power Reflective Displays (LPRD) qui est utilisée dans les TFT, mais elle n’est pas très répandue. Enfin, nous avons une variante des écrans réfléchissants avec lumière frontale, où nous ajoutons la lumière frontale à l’écran réfléchissant et obtenons l’image même sans lumière extérieure.
Quelques mots sur les écrans réfléchissants à faible puissance (LPRD). Ce type d’affichage utilise la lumière environnementale, la lumière ambiante pour réfléchir et produire certaines couleurs. Les couleurs ne sont pas parfaites, ni parfaitement claires, mais cette technologie devient de plus en plus populaire parce qu’elle permet d’avoir des écrans couleur dans des applications alimentées par batterie. Par exemple, une smartwatch serait un cas pour cette technologie, ou un vélo ou un scooter électrique, où l’on peut avoir non seulement un écran LCD monochrome standard, mais aussi un écran couleur TFT LCD sans rétroéclairage ; on peut voir l’image même en plein soleil ( ) et ne pas avoir besoin de rétroéclairage du tout. Ce type de technologie LCD à matrice active est donc de plus en plus utilisé pour les écrans LCD d’extérieur qui nécessitent une faible consommation d’énergie. L’image ci-dessus montre quelques exemples de la manière dont les écrans LCD transmissifs et réfléchissants fonctionnent à la lumière du soleil. Si nous avons une image simple, comme un motif en noir et blanc, sur un écran LCD transmissif, même avec une luminosité de 1000 candelas, l’image sera probablement de moins bonne qualité que sur un écran LCD réfléchissant ; si nous avons la lumière du soleil, nous avons de très fortes réflexions lumineuses sur la surface de l’écran. Nous avons abordé la question du contraste plus en détail dans la conférence intitulée Écrans lisibles à la lumière du soleil. Les écrans LCD réfléchissants sont donc une meilleure solution pour les applications extérieures que les écrans LCD transmissifs, pour lesquels il faut un rétroéclairage très puissant, 1000 candela ou plus, pour être vraiment vu à l’extérieur. Pour vous montrer comment le rétroéclairage des écrans LCD est construit, nous avons pris la photo ci-dessus. Vous pouvez voir le rétroéclairage de bord ici, où nous avons des LED ici sur le petit PCB sur le bord, et nous avons un diffuseur qui distribue la lumière sur toute la surface de l’écran LCD. En plus du rétroéclairage, nous disposons de ce que l’on appelle un éclairage frontal. Il est similaire au rétroéclairage, il utilise également les LED pour envoyer la lumière, mais l’éclairage frontal doit être transparent car l’écran se trouve derrière. L’exemple de l’image ci-dessus montre un écran e-paper. L’écran e-paper est également une variante de l’écran TFT, mais il ne s’agit pas d’un écran LCD (à base de cristaux), il s’agit d’une technologie différente, mais le dos de l’écran est le même et il est réfléchissant. L’exemple que vous voyez est le lecteur de livres électroniques Kindle 4. Il utilise un écran e-paper et une lumière frontale, ce qui vous permet de lire des livres électroniques même pendant la nuit.