Principe de fonctionnement d'un écran LCD

Un écran LCD n'est rien d'autre qu'un empilement de 5 couches différentes : le polariseur avant, l'électrode avant, les cristaux liquides eux-mêmes, l'électrode arrière et le polariseur arrière.

Technologie de l'écran LCD

Le fonctionnement d'un écran LCD repose sur la polarisation de la lumière. Venons-en au principe de fonctionnement d'un écran LCD, en image :

- Polariseur avant

Le polariseur avant est fixé sur la surface extérieure du verre. Ce verre sert aussi de support mécanique au polariseur.

- Electrode avant

Sur le dessous de ce même verre, un revêtement transparent mais conducteur du courant électrique est appliqué : c'est le l'oxyde d'indium et d'étain (ITO :Indium-Tin Oxide). 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 est appliqué. Ce film de polyimide est frotté (rubbed) 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.

- Les cristaux liquides

La couche suivante est le réservoir de cristaux liquides. Le liquide s'organise en une superposition de plans de molécules.

Cristaux liquides au repos : alignement des cristaux liquides

Les cristaux liquides sont de longues molécules de forme cylindrique. Sur n'importe plan (couche) de cristaux liquides, les molécules (de cristaux liquides) s'alignent d'elles-mêmes, parallèles entre elles.

La couche de cristaux liquides la plus extérieure est en contact avec le polyimide frotté et s'aligne spontanément avec le polyimide. 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.

Variation progressive d'orientation de couche en couche

Cet allure de torsion (twist) des cristaux liquides fait penser aux marches d'un escalier en colimaçon :

Escalier en colimaçon : chaque marche présente un petit angle avec la suivante

De couche en couche de cristaux liquides, le plan de polarisation de la lumière polarisée suit les cristaux liquides et tourne finalement de 90°...

- L'électrode arrière

La couche suivante est le revêtement de polyimide fixé sur le verre arrière. Juste sous ce polyimide, on retrouve une couche d'oxyde conducteur ITO qui définit les segments. Le verre arrière sert de support mécanique à ces revêtements.

- Polariseur arrière

Sur l'arrière (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".

Ecran LCD : noir = allumé

Ecran LCD : blanc = allumé

Note : il s'agit d'un écran LCD Samsung 206BW qui a eu une panne d'alimentation et qui fut réparé :

Réparation d'écran plat en panne

Mais comment fonctionne un écran LCD ?

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.

Pixel allumé ou éteint : question de tension

Lorsqu'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 :

Pixel au repos : absence de tension

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).

Pixel sous tension : tension appliquée

Si on joue sur la tension entre les électrodes, on arrive à un état intermédiaire qui offre des nuances de gris.

Pixel allumé ou éteint, noir ou blanc ?

Transparent ou opaque, le pixel se définit comme allumé ou éteint, ou inversement. En fait, selon les types d'écrans LCD, l'image est dite "positive" ou "négative".

Image positive : image sombre avec rétroéclairage. Les polariseurs sont perpendiculaires. L'état de repos correspond à la transparence. L'état "allumé" rend un pixel opaque (écran de calculatrice par exemple).

Image négative : lumineuse sur fond sombre. Les polariseurs sont alignés (comme sur les croquis ci dessus). L'état de repos correspond à l'opacité. L'état "allumé" correspond à un pixel transparent.

Conclusion

Le principe de fonctionnement d'un écran LCD repose sur la rotation (ou l'absence de rotation) du plan de polarisation de la lumière entre deux polariseurs :

Absence de tension : la rotation est assurée par les cristaux liquides

Présence de tension : la rotation n'a pas lieu.

Cela réalise un pixel blanc ou noir, ou noir et blanc, selon l'orientation des 2 polariseurs. Un écran LCD est un ensemble de pixels ou de segments.