Comment l'affichage à cristaux liquides a-t-il été inventé ? L'évolution de la technologie d'affichage sur écran

Chaque jour, nous regardons du contenu en streaming sur les écrans d'appareils tels que des téléviseurs, des ordinateurs et des téléphones portables. Avec le développement et la mise à jour continus des appareils matériels et de la technologie de diffusion multimédia en continu, la technologie d'affichage sur écran évolue également constamment. Aujourd'hui, suivons les traces de l'histoire et passons en revue les étapes importantes du développement de la technologie d'affichage sur écran.

1. L'avènement du tube cathodique

Les rayons cathodiques ont été observés pour la première fois en 1869 par les physiciens allemands Julius Plücker et Johann Wilhelm Hittorf. En 1897, le physicien allemand Karl Ferdinand Braun (Braun a également remporté le prix Nobel de physique en 1909) a inventé le CRT (tube cathodique, tube à rayons cathodiques), qui s'appelait à l'origine tube de Braun. ), l'un des premiers écrans électroniques au monde.

Un tube cathodique est un tube à vide spécial qui contient un ou plusieurs canons à électrons, qui émettent des faisceaux d'électrons qui frappent un écran fluorescent pour créer une image. Les premiers téléviseurs, ordinateurs, distributeurs automatiques de billets, appareils photo, moniteurs et écrans radar étaient tous équipés de tubes cathodiques.

En 1907, le scientifique russe Boris Rosing (qui collaborait avec Vladimir Zworykin, l'inventeur de la télévision) utilisa un tube cathodique pour transmettre une image géométrique simple à un écran de télévision. Ce travail novateur fit de Rosing une figure majeure de l'invention de la télévision. Depuis, la technologie des tubes cathodiques n'a cessé d'évoluer et fut commercialisée pour la première fois en 1922. Avant l'avènement de technologies telles que les LED, le plasma et les OLED , les tubes cathodiques étaient utilisés comme écrans pour la plupart des appareils.

Du milieu à la fin du XXe siècle, les tubes cathodiques étaient couramment utilisés dans les téléviseurs et les écrans d'ordinateur. Pendant cette période, les fabricants ont continué à améliorer les performances et la résolution. La plupart des écrans d'ordinateur des années 20 ne pouvaient afficher que du texte vert sur un écran noir. En 1970, les moniteurs XGA (Extended Graphics Array) d'IBM étaient capables d'afficher 1990 millions de couleurs à une résolution de 16.8 x 800 pixels.

Un écran couleur cathodique de 14 pouces

2. Écran plasma

En 1936, l'ingénieur hongrois Kálmán Tihanyi décrivit ce système d'affichage plasma à écran plat dans un article. En 1964, Donald Bitzer, H. Gene Slottow et Robert Willson, alors étudiant diplômé de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, mirent au point le premier écran plasma monochrome destiné au système informatique PLATO.

Le principe d'émission de lumière du plasma consiste à injecter un gaz inerte ou de la vapeur de mercure dans le tube en verre sous vide. Après application d'une tension, le gaz produit un effet plasma, émet des rayons ultraviolets et excite le phosphore pour générer de la lumière visible. La durée du temps d'excitation est utilisée pour produire une luminosité différente. Dans un écran plasma, chaque pixel est produit par trois émetteurs de plasma de couleurs différentes (primaires). Il est particulièrement clair et distinct car chaque illuminateur individuel est allumé en même temps. 

Jusqu'au début des années 2000, les écrans plasma étaient le choix le plus populaire pour les téléviseurs haute définition à écran plat de grande taille. Cependant, il convient de noter que l'écran plasma est sujet à la rétention d'image et qu'en même temps, en raison de la limitation du matériau et de la structure, il ne peut pas être réduit en taille, il ne convient donc pas aux ordinateurs, aux tablettes et aux téléphones portables. C'est également la principale raison pour laquelle l'écran plasma perd dans la concurrence du marché.

En 2013, les écrans plasma ont été dépassés par les écrans LCD à bas prix, qui rivalisaient en termes de qualité d'affichage avec les écrans plats OLED, plus chers mais à contraste plus élevé. Les écrans plasma ont perdu presque toute leur part de marché. La production d'écrans plasma pour le marché de détail américain a pris fin en 2014 et celle pour le marché chinois en 2016.

Écran plasma

3. L'ère des écrans à cristaux liquides (LCD)

En 1888, le botaniste autrichien F. Reinetzer a découvert par hasard des cristaux liquides en étudiant le benzoate de cholestérol dans les carottes. Mais depuis longtemps, cette découverte n'a pas apporté beaucoup d'avantages à l'homme. Ce n'est que dans les années 1960 que quelques jeunes électroniciens ont rompu le silence.

En 1961, un jeune électronicien, George Heilmeier, se préparait à la soutenance de sa thèse de doctorat au Princeton Laboratory de la RCA Corporation aux États-Unis. Sa spécialité était les composants solides micro-ondes. Il est très doué dans ce domaine.

Un jour, un ami lui parle de ses recherches actuelles sur les semi-conducteurs organiques et les sujets interdisciplinaires suscitent son intérêt. Il demande conseil à son tuteur et, avec le soutien et les encouragements de ce dernier, il abandonne résolument le domaine professionnel dans lequel il a beaucoup appris et se lance dans un nouveau domaine qu'il connaît encore peu. Il applique ses connaissances en électronique à la chimie organique et obtient rapidement des résultats.

Bientôt, il s'intéresse à un autre sujet nouveau, le laser, et se familiarise à nouveau avec les cristaux. Afin d'étudier l'effet du champ électrique externe sur le champ électrique interne du cristal, il pense aux cristaux liquides. Il prend en sandwich un cristal liquide nématique dopé au colorant entre deux verres conducteurs transparents. Lorsqu'une tension de plusieurs volts est appliquée des deux côtés de la couche de cristal liquide, celle-ci passe du rouge au transparent. Né dans l'électronique, il comprend immédiatement qu'il s'agit d'un téléviseur couleur à écran plat ! Les membres de l'équipe sont enthousiastes et il commence immédiatement des recherches jour et nuit, et ils découvrent successivement une série d'effets électro-optiques des cristaux liquides, tels que la diffusion dynamique et la transition de phase des cristaux liquides. Et développe avec succès une série de dispositifs d'affichage numérique et de caractères, ainsi que des horloges à affichage à cristaux liquides, des affichages à pont et d'autres produits pratiques.

La structure d'un écran LCD consiste à placer une cellule à cristaux liquides entre deux substrats de verre parallèles. Un transistor TFT (transistor à couches minces) est disposé sur le substrat inférieur, et un filtre de couleur sur le substrat supérieur. La rotation de ces substrats permet de contrôler l'émission de lumière polarisée de chaque pixel, assurant ainsi l'affichage.

RCA Corporation attache une grande importance à ses recherches et les a toujours classées comme un projet confidentiel majeur de l'entreprise. Ce n'est qu'en 1968 qu'elle a rendu compte au monde entier des dernières réalisations scientifiques et technologiques dans un rapport diffusé à la radio. Ce rapport a immédiatement attiré l'attention des milieux scientifiques et technologiques et des milieux industriels japonais. Le Japon a combiné les circuits intégrés à grande échelle et les cristaux liquides qui émergeaient à cette époque et s'est inspiré du marché de « l'électronique personnelle », a rapidement développé une série de produits commerciaux, a ouvert la situation pratique des écrans à cristaux liquides et a pris l'initiative, ce qui a contribué à la croissance étonnante de l'industrie microélectronique japonaise.

Aux États-Unis, les dirigeants de certains départements de production de la société RCA se limitent d'une part aux produits semi-conducteurs traditionnels et, d'autre part, ils mettent trop l'accent sur les défauts des dispositifs d'affichage à cristaux liquides naissants et font de leur mieux pour détruire les dispositifs d'affichage à cristaux liquides sous prétexte que le marché n'a pas encore été développé. industrialisation. Pour cette raison, les membres de l'équipe « cristaux liquides » ont commencé à s'épanouir et le brevet de « l'affichage à cristaux liquides » a également été vendu. On dit qu'au milieu des années 1970, lorsque l'affichage à cristaux liquides avait formé une industrie, la société RCA a tristement conclu lors d'une réunion du conseil d'administration que la perte de la technologie d'affichage à cristaux liquides dans l'histoire du développement centenaire de RCA était une grave erreur.

Les écrans à cristaux liquides existent depuis les années 1970 (on les retrouve couramment dans les calculatrices, les montres, les horloges et divers appareils électroménagers), mais leur utilisation n'a été généralisée que dans les années 1990. En raison de leur faible consommation d'énergie, de leur petite taille et de leur poids léger, ils sont largement utilisés dans les ordinateurs portables. À mesure que la technologie LCD continue de s'améliorer, l'utilisation d'écrans LCD dans les ordinateurs et les téléviseurs devient de plus en plus populaire. En 2007, les téléviseurs LCD ont dépassé pour la première fois les ventes de téléviseurs cathodiques dans le monde.

4. De la LED à l'OLED

En 1962, Nick Holonyack, ingénieur chez General Electric, invente la première LED à lumière visible au monde. De 1962 à 1968, Howard C. Borden et Gerald P. Pighini de Hewlett-Packard Company dirigent les travaux de recherche et développement sur les LED. En février 1969, ils présentent la calculatrice HP modèle 5082-7000, le premier appareil LED à utiliser la technologie des circuits intégrés et le premier écran LED intelligent au monde. La commercialisation des LED par HP déclenche une révolution dans la technologie de l'affichage numérique et pose les bases du développement ultérieur de la technologie d'affichage LED.

LED est l'abréviation de Light Emitting Diodes, c'est-à-dire « diode électroluminescente », c'est-à-dire à proprement parler, c'est aussi un type d'écran LCD (écran à cristaux liquides). La CCFL traditionnelle (lampe fluorescente à cathode froide, lampe fluorescente à cathode froide, etc.) comme source de rétroéclairage de l'appareil LCD ne peut éclairer que l'ensemble de l'écran de manière uniforme et ne peut pas modifier l'intensité de l'éclairage. Par rapport aux CCFL, les appareils LCD rétroéclairés par LED peuvent utiliser une gradation locale, ce qui permet d'obtenir un meilleur contraste et des affichages plus vifs tout en consommant moins d'énergie.

La plupart des écrans LCD de smartphones et de tablettes utilisent des LED en raison de leur polyvalence et de leur poids plus léger.

En 1987, sur la base de recherches antérieures, deux chimistes d'Eastman Kodak, Deng Qingyun et Steven Van Slyke, ont développé conjointement le premier appareil OLED pratique.

L'OLED (diode électroluminescente organique) , également appelée « écran électroluminescent organique » , est un dispositif qui utilise une structure multicouche de couches minces organiques pour générer de la lumière vive lorsqu'un courant électrique la traverse. Contrairement aux écrans LCD, les OLED ne nécessitent pas de rétroéclairage, peuvent utiliser un substrat émissif plus léger (au lieu des substrats en verre utilisés par les LCD et les LED), et offrent des angles de vision plus larges et une réactivité accrue.

L'apparition des OLED représente une avancée majeure pour la technologie d'électroluminescence. Plus fines, plus légères et plus flexibles que les LED, les OLED sont couramment utilisées dans les écrans de télévision, les moniteurs d'ordinateur et les appareils tels que les smartphones, les montres connectées et les consoles de jeux portables.

Depuis l'apparition de l'iPhone X et de ses écrans OLED , ces derniers ont rapidement conquis le marché mondial des terminaux, avec l'émergence successive d'écrans plein format, pliables et flexibles, ce qui a largement favorisé le développement de la technologie d'affichage.

5. L'invention du papier électronique

Dans les années 1970, Nick Sheridon de Xerox Parc a développé le premier papier électronique au monde : Gyricon.

Le papier électronique est un film mince recouvert d'encre électronique, un matériau liquide dans lequel sont suspendues des centaines de microcapsules d'un diamètre d'environ un cheveu humain, chacune composée de particules chargées positivement et négativement. Lorsqu'un champ électrique positif ou négatif est appliqué à une seule électrode, des particules colorées ayant une charge correspondante se déplacent vers le haut ou le bas de la capsule, donnant à la surface de l'écran du papier électronique une certaine couleur.

Comme l'OLED, le papier électronique lui-même émet de la lumière visible tout en conservant la brillance du « papier ».

Bien que le papier électronique ait été développé dans les années 1970, il n'est devenu populaire qu'au début des années 2000. Il est le plus largement utilisé dans les liseuses électroniques, telles que notre Kindle, BOOX, etc. Il est notamment utilisé dans les étiquettes de prix électroniques, l'affichage numérique et certains écrans de smartphones.

E-papier

6. Technologie DLP

DLP (Digital Light Processing) est l'abréviation de Digital Light Processing. Son principe de fonctionnement consiste à traiter numériquement le signal d'image puis à le projeter à travers la lumière. Cette technologie offre une fidélité d'image extrêmement élevée et peut projeter une image aux couleurs claires, lumineuses et vives, qui est principalement utilisée dans les systèmes de projection.

Au cœur de la technologie DLP se trouve un semi-conducteur optique appelé dispositif à micromiroirs numériques (DMD), qui utilise des micromiroirs en aluminium pour réfléchir la lumière afin de créer des images. Souvent appelés puces DLP, les DMD peuvent contenir plus de 2 millions de micromiroirs chacun et mesurent moins d'un cinquième de la largeur d'un cheveu humain. Les micromiroirs sont disposés dans une matrice (un peu comme une mosaïque photographique), chaque micromiroir représentant un pixel.

Le nombre de ces micromiroirs correspond à la résolution de l'écran. La technologie DLP 1080p délivre plus de 2 millions de pixels pour une véritable résolution de 1920 x 1080p. Il existe déjà sur le marché des projecteurs DLP 8K (utilisant 3xDLP).

Le DLP a été développé à l'origine en 1987 par le physicien Larry Hornbeck de Texas Instruments. En 1997, Digital Projection a présenté le premier projecteur DLP. En 1998, Texas Instruments et Digital Projection ont remporté les Emmy Awards de cette année-là pour la technologie DLP.

Par rapport aux appareils plasma et LCD, les appareils DLP sont moins chers, ont des écrans plus grands et sont plus fins et plus légers. Peut-être ne réalisez-vous pas que la technologie DLP fait réellement partie de votre vie. Elle est courante dans tous les types de projecteurs (pour la formation, l'enseignement), les home cinémas, les murs vidéo, les systèmes de projection à grande échelle tels que les concerts et les conférences.

Écran DLP et projecteur DLP

Ce qui précède est une étape importante dans le développement de la technologie d'affichage sur écran. Le développement de la technologie d'affichage implique la fusion de matériaux optiques microstructurés, de fabrication avancée, de traitement d'image et d'autres technologies, qui non seulement améliorent la résolution d'écran des appareils, mais présentent également de manière vivante l'imagination humaine. L'introduction d'une nouvelle génération de nouvelles technologies et de nouveaux produits, en particulier l'introduction de produits de haute technologie contemporains, est toujours découverte et complétée par ces jeunes qui sont interdisciplinaires, intersectoriels et ont un esprit innovant et pionnier. La découverte d'une nouvelle technologie et son développement réel sont basés sur la technologie d'application pratique et la demande du marché. La technologie appliquée est la garantie du développement des industries de haute technologie, et la demande du marché est la force motrice du développement des industries de haute technologie. Nous pensons qu'avec le développement des appareils matériels et l'avancement continu de la technologie, la technologie d'affichage réalisera à nouveau des percées innovantes.