Comment fonctionne l'écran LCD ?

Pour donner une illustration complète du fonctionnement de l'écran LCD, nous allons expliquer la structure, puis la collaboration de chaque partie pour créer les couleurs.

I. Qu'est-ce que le LCD ?

Citation de Wikipedia "Un écran à cristaux liquides (LCD) est un écran plat ou un autre dispositif optique modulé électroniquement qui utilise les propriétés de modulation de la lumière des cristaux liquides combinés à des polariseurs. Les cristaux liquides n'émettent pas de lumière directement, mais utilisent un rétroéclairage ou un réflecteur pour produire des images en couleur ou monochromes."

Il existe plusieurs types et configurations d'écrans LCD, la plupart étant conçus de la même manière de base avec une structure similaire. Mais ils ne sont pas tous capables d'afficher des couleurs.

Étant donné que l'écran LCD couleur est le type le plus utilisé sur le marché actuel, lorsque nous essayons de répondre à la question, nous partons de l'écran couleur pour révéler "comment l'écran à cristaux liquides crée-t-il des images en couleur ?"

Le TFT-LCD est le principal écran LCD couleur, également connu sous le nom d'écran à matrice active.

Commençons le voyage.

Pour donner une illustration complète du fonctionnement de l'écran LCD, nous allons d'abord expliquer la structure, puis la collaboration de chaque partie pour créer l'image en couleur.

II. Structure et 5 couches clés de l'écran LCD

L'écran LCD est principalement composé de 5 unités

● BLU（Backlight Unit)

● POL (Polariseur)

● Panneau LCD (affichage à cristaux liquides)

● IC（Circuit intégré)

● FPC (circuit imprimé flexible)

La figure 2 ci-dessous représente le schéma de structure du module TFT-LCD. Nous allons présenter brièvement les principales fonctions de chacun sur l'écran.

(1) BLU（Unité de rétroéclairage）

L'unité de rétroéclairage est l'un des composants clés de l'écran LCD. Elle est constituée de plusieurs couches de feuilles optiques et de la source lumineuse.

Le rôle de l'unité de rétroéclairage est de fournir une luminosité suffisante et de répartir uniformément la source lumineuse sur le panneau LCD étant donné que les molécules de cristaux liquides ne peuvent pas émettre de lumière elles-mêmes.

Normalement, la source de lumière est constituée de bandes de LED, c'est pourquoi on l'appelle aussi LED-Backlit.

La qualité du rétroéclairage détermine certaines caractéristiques importantes de l'écran, telles que la luminosité, l'uniformité de la lumière sortante et le niveau de couleur de l'écran LCD. En général, le BLU détermine largement l'effet lumineux de l'écran LCD.

(2) POL (polariseur)

Un polariseur sert à convertir la lumière naturelle non polarisée en lumière polarisée et à contrôler les motifs lumineux qui peuvent traverser l'écran LCD

Sans ces filtres, les images visuelles générées par l'écran LCD présentent des performances médiocres en matière de rapport de contraste.

(3) IC (circuit intégré)

Un circuit intégré (CI) est un dispositif à puce qui consiste en un ensemble de circuits intégrés.

Il est utilisé pour ajuster et contrôler la phase, la valeur de crête, la fréquence et d'autres paramètres des signaux potentiométriques sur l'électrode transparente, pour établir le champ électrique moteur, et enfin pour réaliser les informations affichées sur l'écran.

(4) FPC (Circuit imprimé flexible)

FPC est l'abréviation de "Flexible Printed Circuit Board".

En connectant le panneau LCD, le FPC peut réaliser le principe de fonctionnement du circuit et produire l'interface à laquelle la carte mère doit correspondre, afin que le LCD puisse fonctionner d'un point de vue électrique.

(5) Panneau LCD (affichage à cristaux liquides) / Couche cellulaire

La couche cellulaire est un emballage de cristaux liquides encastrés entre deux substrats de verre, un substrat de verre supérieur avec le filtre de couleur (CF) et un substrat de verre inférieur avec la matrice de transistors à couche mince (TFT-Array).

Elle est également appelée panneau LCD et constitue une unité essentielle de l'écran couleur.

Sur le substrat TFT, il peut contrôler précisément la tension des pixels de ce côté. Et c'est la tension du pixel appliquée au cristal liquide qui contrôle la torsion du cristal liquide.

Sur le substrat CF, un pixel est divisé en trois sous-pixels : rouge (R), vert (G) et bleu (B).

Le cristal liquide (LC) qui agit comme une valve de lumière ajuste la quantité de lumière des trois couleurs primaires de RGB passant à travers le substrat CF, et l'affichage de la couleur désirée peut être obtenu.

Pour créer une image, toutes les couches ci-dessus doivent collaborer comme un orchestre.

III. Fonctionnement de l'écran LCD

L'écran LCD est un produit de l'optoélectronique

Nous pouvons avoir une compréhension générale du fonctionnement de l'écran LCD d'un point de vue optique et électrique.

(1) Principe de fonctionnement optoélectronique du LCD

► Perspective optique

● La lumière peut être divisée en différentes directions de polarisation.

● Les lumières avec différentes directions de polarisation passent à travers le cristal liquide, et il y aura différents chemins optiques.

● Après que la lumière soit recombinée par cette différence de chemin optique, elle changera la forme de sa polarisation.

● Avec le polariseur bloquant la lumière dans une certaine direction de polarisation, la transmittance de la lumière peut être déterminée.

►Perspective électrique

● Sous différentes tensions, les cristaux liquides auront des arrangements différents.

● Des dispositions différentes des cristaux liquides entraînent des différences de chemin optique différentes, faisant ainsi varier la transmittance.

● Pour que le signal vidéo (électricité) puisse être converti en un affichage clair et sombre (lumière).

(2) Processus de fonctionnement de l'écran à cristaux liquides

Ci-dessous, voyons comment chaque couche collabore à l'intérieur pour fabriquer l'écran couleur.

▲ Molécules de cristaux liquides

① Le cristal liquide utilisé dans le TFT-LCD est un cristal liquide de type TN (Twist Nematic), présenté dans la figure 3.

② Les molécules de cristaux liquides sont elliptiques ; les cristaux liquides de type TN sont généralement connectés en série dans la direction du grand axe, et les grands axes sont disposés parallèlement les uns aux autres.

③ En touchant la surface rainurée, les molécules de cristaux liquides s'alignent parallèlement le long des rainures, comme le montre la figure 4.

④ Lorsque le cristal liquide est contenu au milieu des deux surfaces rainurées (illustré sur la figure 5), et que les directions des rainures sont perpendiculaires les unes aux autres, la disposition des molécules de cristal liquide sera :

● Molécules sur la surface inférieure : le long de la direction 'b'

● Molécules sur la surface supérieure : selon la direction 'a'

● Molécules entre les deux : l'effet de rotation est généré, les molécules de cristaux liquides sont donc tournées de 90° entre les deux surfaces rainurées.

▲ Effets de la lumière et des molécules de cristaux liquides

① Lorsque la lumière polarisée linéairement entre dans la surface rainurée supérieure, la lumière tourne également en même temps que la rotation des molécules de cristaux liquides, de sorte que la lumière peut passer à travers.

② Lorsque la lumière polarisée linéairement sort de la surface rainurée sous-jacente, la lumière a déjà effectué une rotation de 90°, comme le montre la figure 6.

▲Polariseur

① Filtre la lumière non polarisée (lumière générale) en lumière polarisée linéairement ;

② Lorsque la lumière non polarisée traverse le polariseur de direction 'a', la lumière est filtrée en lumière linéairement polarisée parallèle à la direction 'a' ;

③ La lumière polarisée linéairement continue à se déplacer vers l'avant(illustré sur la figure 7), et

● si elle traverse le polariseur dans la même direction (a), la lumière passe à travers ;

● si la lumière traverse le polariseur dans la direction b, la lumière est complètement bloquée.

(3) Effet optique dans la combinaison de polariseurs, de surfaces rainurées et de cristaux liquides

Lorsque les polariseurs supérieur et inférieur sont perpendiculaires l'un à l'autre：

① si la tension d'alimentation n'est pas appliquée, la lumière peut passer à travers, comme le montre la figure 8.

② si une tension électrique est appliquée, la lumière est complètement bloquée, comme le montre la figure 9. Parce que les molécules de cristaux liquides se redressent de leur motif en hélice et arrêtent de rediriger l'angle de la lumière, ainsi la lumière ne peut pas passer à travers le filtre inférieur.

(4) Création d'images par TFT-LCD

① Le circuit intégré de commande de balayage (également connu sous le nom de circuit intégré de commande de porte) transmet les signaux de balayage et complète l'entrée du signal d'image ;

② Le circuit intégré de pilotage de données (également connu sous le nom de circuit intégré de pilotage de source) transmet les signaux de commande d'imagerie et commande les commutateurs TFT :

● si un sous-pixel est allumé, le sous-pixel apparaît en noir car il ne peut pas transmettre la lumière.

● si le sous-pixel est éteint, la couleur s'affiche car la lumière traverse le filtre de couleur (CF).

③ Après avoir traversé le CF, la lumière rouge, verte et bleue est générée, et passe finalement par le polariseur supérieur.

④ Avec l'effet de synthèse de la lumière, différentes couleurs sont formées et affichées( Montré dans la figure 10&11).

Maintenant, nous avons terminé notre voyage sur le fonctionnement d'un LCD et comment l'affichage crée une image en couleur.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les caractéristiques spécifiques des TFT-LCD, vous pouvez lire les articles correspondants : Que sont les écrans LCD à matrice active et les écrans TFT-LCD ?