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Quelques notions de physique utilisées dans les écrans plats : écrans à plasma, écrans à cristaux liquides et OLED ( Organic Light Emitting Diode )

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Présentation au sujet: "Quelques notions de physique utilisées dans les écrans plats : écrans à plasma, écrans à cristaux liquides et OLED ( Organic Light Emitting Diode )"— Transcription de la présentation:

1 Quelques notions de physique utilisées dans les écrans plats : écrans à plasma, écrans à cristaux liquides et OLED ( Organic Light Emitting Diode )

2 Nous souhaitons faire apparaître en un point de lécran une lumière de caractéristiques données, ceci grâce à un signal électrique correct. Le problème est que la lumière nest pas directement sensible à un signal électrique, il faudra faire appel à un artifice pour atteindre le but fixé, cet artifice nest pas le même pour les écrans à plasma et pour les écrans à cristaux liquides. -pour les écrans à plasma le signal électrique permettra de créer la lumière au point choisi ( vrai aussi pour les OLED). - pour les écrans à cristaux liquides le signal électrique permettra dadapter une lumière pré-existante. préliminaires

3 A LES ECRANS A PLASMA Sommaire A1 Les notions physiques de base :Quest-ce quun plasma ? Quel est le principe dune lampe fluorescente? A2 Utilisation de ces notions dans le fonctionnement des cellules à plasma, dans les écrans plats. Les cavités ou cellules dans un écran à plasma Le réglage de la couleur. A3 Les avantages de cette technologie

4 A1 Quest-ce quun plasma? Un atome est constitué d'un noyau central, chargé positivement, et d'un nuage périphérique composé d'un cortège d'électrons, chargés négativement, qui tournent à des vitesses prodigieuses autour du noyau. Quand les constituants de l'atome se séparent totalement ou partiellement, noyaux, ions et électrons se déplacent indépendamment et forment un mélange globalement neutre : c'est un plasma.

5 L'application d'un signal électrique (V) de haute tension entre les deux électrodes dun tube contenant un gaz rare provoque dans le gaz lapparition dun plasma et le déplacement des particules chargées quil contient(+ dans un sens, – dans lautre sens), cest à dire une décharge électrique. Cette décharge entraînant des heurts entre les particules provoque l'émission d'une lumière ultraviolette. Celle ci en frappant une substance (fluorescente) qui couvre la paroi interne du tube,fait apparaître une lumière visible : blanche dans le cas dun tube dit «tube au néon »). A1suite Principe dune lampe fluorescente

6 Les cellules ou cavités Dans lécran à plasma 3 cavités identiques microscopiques contiennent un gaz rare (Argon, xénon). Lensemble de ces 3 cavités constitue un pixel A2 Utilisation des notions précédentes Ces scintillateurs sont choisis afin démettre chacun une couleur primaire : rouge, verte, ou bleue. La lumière colorée traverse ensuite une vitre avant pour être perçue par lutilisateur Chaque cavité dispose de deux électrodes : une avant et une arrière. En appliquant une forte tension alternative sur chaque électrode, on provoque lapparition dun plasma dans les cavités, plasma qui émet des UV (en violet sur le schéma).Ces UV viennent frapper des scintillateurs disposés au fond de chaque cavité.

7 A2 fin Le réglage de la couleur. Lorsque l'on ajoute les trois composantes Rouge, vert, bleu (RVB), de la lumière, on obtient du blanc. L'absence de composante donne du noir. Les couleurs secondaires sont le cyan, le magenta et le jaune car : Le vert combiné au bleu donne du cyan Le bleu combiné au rouge donne du magenta Le vert combiné au rouge donne du jaune Ce sont les couleurs dites secondaires.En tout on a donc 8 couleurs possibles

8 suite Si les cellules sont pleinement allumées ou totalement éteintes on ne dispose donc que d une palette que de 8 couleurs, noir et blanc inclus, or le procédé utilisé ne permet pas de faire varier progressivement la luminosité de chaque cellule, ni la proportion de rouge, de vert ou de bleu quelle émet. Sur les écrans à plasma, 1/5o de seconde est divisée en 256 durées élémentaires, 256 intensités lumineuses différentes pourront donc être perçues par loeil. Appliquée à chaque couleur de base, cette gestion temporelle offre une palette comptant 256 x 256 x 256 variantes, soit plus de 16 millions de teintes En revanche, il est possible de commander très vite leur durée d'éclairement. C'est cette dernière caractéristique qui est mise à profit pour recréer les teintes intermédiaires, En vidéo, les cellules sont sollicitées à la cadence de 5o par seconde. Si chaque cellule est maintenue illuminée 1/5o de seconde, elle possédera sa luminosité maximale. En revanche, si elle ne s'allume que durant une portion de cette durée, sa luminosité paraîtra moindre POUR LOEIL

9 A3 Quels sont les avantages de cette technologie? Ce qui précède est un principe de base, il est largement amélioré actuellement. La technologie Plasma permet dobtenir un écran totalement plat, de sorte que les images restent claires, lumineuses et faciles à voir, même sous un angle aussi important que 160 degrés - à la verticale comme à lhorizontale il ne se produit pas de distorsion.. Les écrans plasma sont insensibles aux champs magnétiques. Ils sont donc particulièrement adaptés à tous les environnements sujets à des interférences électriques, comme par exemple les installations de production électrique, les usines, les bateaux, les gares et les hôpitaux…

10 B LES ECRANS A CRISTAUX LIQUIDES Sommaire B 1 Les notions physiques de base Les cristaux liquides La Notion donde. La polarisation dune onde ( onde mécanique) Onde lumineuse ou lumière Rôle dun cristal liquide sur une lumière polarisée et action dune tension électrique sur ce cristal B 2 Utilisation de ces notions dans le fonctionnement des cellules à cristaux liquides, dans les écrans plats Les cellules à cristaux liquides Le réglage de la couleur.

11 **Cest en 1888, que le botaniste autrichien Reinitzer, étudiant des extraits de calculs biliaires, découvrit quils ne se comportaient pas comme des cristaux habituels : ils fondaient à 145,5 °C en se transformant en un fluide laiteux qui devenait ensuite un liquide parfaitement clair à 178,5 °C. Cest un des cristallographes les plus expérimentés de l'époque, Lehmann, qui suggéra en 1900 le nom de « cristaux liquides » Un cristal liquide est formé de bâtonnets de quelques nanomètres de longueur et de quelques dixièmes de nanomètres de section comportant au moins deux parties différentes : par exemple une partie rigide et une partie flexible, une partie hydrophile et une autre hydrophobe, un groupe hydrocarboné et un autre fluo carboné ce qui confère au cristal liquide des propriétés particulières B1 1 les cristaux liquides

12 Mais alors quun cristal est un arrangement ordonné et périodique d'atomes ou de molécules, que cet arrangement est totalement perdu dans un liquide, dans un cristal liquide la situation est intermédiaire En voici 3 exemples Les molécules bâtonnets de cristaux liquides sont - parallèles entre elles, sans autre arrangement pour la phase nématique -dans des plans pour la phase cholestérique, avec une rotation en hélice de la direction préférentielle - en couches pour la phase smectique A. suite

13 B1 2 Introduction à la notion donde mécanique Un ébranlement horizontal se propage Une onde horizontale se propage, elle traverse la fente horizontale Londe horizontale est arrêtée par la fente verticale

14 B1 3 Expérience avec polariseurs croisés (mécanique) Vecteur déplacement dun point de la corde

15 ***Une lumière naturelle, est une onde caractérisée, entre autres, par un champ électrique E qui peut prendre nimporte quelle direction perpendiculaire à laxe de propagation de la lumière. Lorsque la lumière passe à travers un polariseur, la lumière qui en ressort dispose dun vecteur champ électrique orienté selon une direction connue (verticale dans lexemple): elle est polarisée. Si on fait passer cette lumière à travers un deuxième polariseur, perpendiculaire au premier (horizontal dans lexemple), plus aucune lumière ne ressort. ***Mais si on intercale un cristal liquide entre ces deux polariseurs, le cristal liquide fait tourner le vecteur E on dit que le plan de polarisation de la lumière a tourné ou que le cristal liquide a joué le rôle d'un guide d'onde si E est alors aligné avec le polariseur de sortie, la lumière passe B1 4 La lumière ; le cristal liquide guide donde

16 ***Si on impose une tension continue,de valeur convenable (différence de potentiel :V), de part et dautre du cristal liquide, les cristaux vont sorienter sous laction de cette tension( un peu comme un aimant soriente selon le champs magnétique terrestre )et ils ne pourront plus permettre la rotation du plan de polarisation de la lumière,celle-ci ne passera plus à travers le polariseur horizontal. Le faisceau lumineux sera alors interrompu. B1 5 Action dune tension électrique sur un cristal liquide, et ses conséquences ***En jouant sur la tension aux bornes du cristal liquide,on peut agir sur lorientation des cristaux, et on peut obtenir un faisceau lumineux plus ou moins atténué.

17 B2 1 Utilisation des notions précédentes : les cellules à cristaux liquides( nématiques) **Chaque cellule (de quelques micromètres d'épaisseur) délimitée par deux « électrodes » en verre, planes et transparentes, contient un cristal liquide(nématique). **Le verre est traité pour que les molécules de cristal liquide s'orientent parallèlement aux électrodes près de celles-ci, et toutes dans une direction déterminée. Les électrodes sont orientées de telle façon que cette direction soit décalée de 90° entre les deux faces de la cellule, et l'épaisseur de la cellule est ajustée de telle sorte que si un polariseur(à gauche) laisse passer une lumière dont le champ E est parallèle à la direction adopté par les molécules sur lélectrode de gauche le cristal liquide va remplir le rôle d'un guide d'onde, cest à dire que E va tourner de 90 0, la lumiére pourra donc sortir librement de la cellule à travers un polariseur croisé par rapport au précédent.

18 Mais, si le nématique a été bien choisi lorsqu'une tension dépassant une valeur seuil est appliquée entre les électrodes, les molécules salignent perpendiculairement à celles-ci et la direction de polarisation de la lumière traversant la cellule ne tourne pas. La lumière est bloquée par le polariseur de sortie qui l'absorbe. On commande donc l'allumage et l'extinction d'une cellule par une tension électrique En jouant sur la tension aux bornes du cristal liquide, on peut moduler plus finement lextinction dune cellule et obtenir ainsi des états intermédiaires(faisceau lumineux plus ou moins atténué). Remarque : les cellules peuvent être éclairées par la lumière ambiante (un miroir est la lumière la lumière ambiante (un miroir est alors placé sur la face arrière de lécran) ou(et) par une source lumineuse arrière B2 2 suite

19 Les couleurs fondamentales R V B sont obtenues par lajout de filtres colorés sur les cellules de cristaux liquides et chaque cellule est équipée dun transistor qui commande le rendu de ces couleurs. Il faut entre et de cellules pour obtenir un écran dun mètre de diagonale 1 lumière blanche non polarisée 2 polariseurs croisés 3 cellules de cristaux liquides 4 filtres Les transitors ne sont pas représentés B2 4 Les couleurs

20 ECRAN à plasma à cristaux liquides lumièreCréée dans les cellulesElle provient dune source extérieure CouleurDépend du traitement Quont subi les cellules Est donnée par les filtres NuancesSont obtenues en sollicitant plus ou moins longtemps les cellules Sont obtenues en modulant la tension électrique appliquée aux cellules C Comparaisons

21 D Les écrans OLED

22 Il existe de nouveaux écrans, dits OLED, pour Organic Light Emitting Diode. Les diodes électroluminescentes utilisées sont constituées dune superposition de couches organiques différentes, encadrées d'électrodes, dou le nom du procédé. Ces couches, mille fois plus minces qu'un cheveu, possèdent la particularité de s'illuminer dès qu'une tension de 5 à 10 volts leur est appliquée D1

23 En effet dans ces conditions il apparaît des charges électriques qui se recombinent au niveau de la zone de contact entre les couches positives et négatives de la diode organique en donnant naissance à de la lumière dont la couleur dépend de la composition chimique de chaque couche. Il est ainsi possible de réaliser des diodes qui émettent dans le bleu, le vert ou le rouge.. La technologie OLED possède de nombreux avantages par rapport aux LCD : faible consommation électrique, meilleur rendu des couleurs, meilleur contraste et angle de confort de vision plus étendu, minceur et souplesse du support. D2

24 Ces écrans incassables,devenus souples, sont assez faciles à réaliser; ils vont donner naissance à de nouvelles applications : écran dépliable, journaux électroniques enroulables". panneaux publicitaires de grande taille et probablement simposer en de nombreux endroits incongrus, à commencer par les vêtements (robes-écrans faites de textiles aux couleurs changeantes) ou les emballages de certains produits de consommation, les murs-écrans d'ambiance qui diffuseront les programmes de la télé, la vidéo, les porte-monnaie électroniques- écrans qui afficheront ce qui reste en caisse, les casques- écrans pour les jeux vidéos, les cockpits-écrans pour les simulateurs de vol etc.. Le seul point faible est la durée de vie qui n'est pas encore optimale : aux alentours de 1500 à heures. D3

25 La matrice passive : le multiplexage. Dans un écran à matrice passive (FSTN) une grille de fils métalliques gérés électroniquement, chacun par un transistor, est placée sur les vitres arrière et frontale. Une cellule est situé à chaque croisement entre les fils verticaux et horizontaux. Il suffit dappliquer une tension entre une ligne et une colonne pour que le gaz contenu dans la cellule occupant leur intersection se transforme en plasma et émette de la lumière Le courant électrique résiduel qui traverse chaque fil de contrôle peut parasiter les cellules non sélectionnées, diminuant ainsi le contraste général de l'écran. E complément L allumage des nombreuses cellules

26 La matrice active les écrans à matrice active sont équipées d'un transistor à l'emplacement même de chaque cellule agissant comme interrupteur pour l'allumer ou l'éteindre Grâce à ces transistors, les cellules peuvent être allumées ou éteintes très rapidement. De plus, du fait que chaque transistor traite une seule cellule, le phénomène de parasitage qui tend à diminuer le contraste sur les écrans à matrice passive est éliminé. E suite


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