L'histoire de la technologie LCD

L'histoire de la technologie LCD

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Lorsque Friedrich Reinitzer a observé pour la première fois la structure et le comportement des cristaux liquides du cholestérol des carottes en 1888, un monde de technologie des cristaux liquides s'est ouvert. Il a découvert que ces les cristaux liquides avaient deux points de fusion: un au niveau duquel les cristaux fondent et créent un liquide trouble et un autre au cours duquel il fond une seconde fois pour devenir clair. Il a également été constaté que ces cristaux avaient des propriétés de génération de couleur. Cependant, c'était loin de ce que compose notre LCD moderne (affichage à cristaux liquides).

Vingt-trois ans après Reinitzer, Charles Mauguin fut le premier à commencer à placer de fines couches de cristaux liquides entre les plaques, une idée qui fondera plus tard le concept structurel des LCD. Un homme du nom de Georges Friedel a d'abord classé les structures à cristaux liquides en 1922, les séparant en nématiques, smectiques et cholestériques. Il a également été découvert en 1962 par Richard Williams de la Radio Corporation of America (RCA) que ces structures à cristaux liquides ont des effets électro-optiques qui peuvent être contrôlés par une tension appliquée.

 

Qui a inventé l'écran LCD et quand ?

La recherche sur les cristaux liquides des années 1960 a été caractérisée par la découverte et expérimentation des propriétés des cristaux liquides. George H. Heilmeier du RCA a basé ses recherches sur celles de Williams, plongeant dans la nature électro-optique des cristaux. Après de nombreuses tentatives pour utiliser les cristaux liquides pour afficher différentes couleurs, il a créé le premier écran LCD fonctionnel en utilisant ce qu'on appelle un mode de diffusion dynamique (DSM) qui, lorsqu'une tension est appliquée, transforme la couche de cristaux liquides transparente en un état plus translucide. Heilmeier était ainsi considéré comme l'inventeur de l'écran LCD.

Évolution de l'écran LCD et jalons importants

À la fin des années 1960, le Royal Radar Establishment (RRE) du Royaume-Uni découvert le cristal liquide cyanobiphényle, un type qui convenait à une utilisation LCD en termes de stabilité et de température. En 1968, Bernard Lechner de RCA a créé l'idée d'un écran LCD à base de TFT, et la même année, lui et plusieurs autres ont concrétisé cette idée en utilisant l'écran LCD DSM de Heilmeier.

Après l'entrée de l'écran LCD dans le domaine de la technologie d'affichage, les années 1970 étaient pleins de recherches approfondies sur l'amélioration de l'écran LCD et le rendre approprié pour une plus grande variété d'applications. En 1970, le effet de champ nématique tordu a été breveté en Suisse avec des inventeurs crédités étant Wolfgang Helfrich et Martin Schadt. Cet effet nématique tordu (TN) s'est rapidement associé à des produits qui sont entrés sur les marchés internationaux comme l'industrie électronique japonaise. Aux États-Unis, le même brevet a été déposé par James Fergason en 1971. Sa société, ILIXCO, connue aujourd'hui sous le nom de LXD Incorporated, fabriquait des écrans LCD à effet TN qui ont progressivement éclipsé les modèles DSM. Les écrans LCD TN offraient de meilleures fonctionnalités telles que des tensions de fonctionnement et une consommation d'énergie plus faibles.

 

À partir de là, la première horloge numérique, ou plus précisément une montre-bracelet électronique à quartz, utilisant un TN-LCD et composée de quatre chiffres a été brevetée aux États-Unis et mise à la disposition des consommateurs en 1972. Sharp Corporation du Japon, en 1975, a commencé la production en série de montre et calculatrice de poche TN LCD, et finalement, d'autres sociétés japonaises ont commencé à monter sur le marché des écrans de montre-bracelet. Seiko, par exemple, a développé la première montre à quartz LCD à six chiffres basée sur TN, une mise à niveau de la montre originale à quatre chiffres.

 

Néanmoins, l'écran LCD du DSM n'a pas été rendu complètement inutile. Un développement de 1972 par la société nord-américaine Rockwell Microelectronics Corp a intégré l'écran LCD DSM dans les calculatrices commercialisées par Lloyds Electronics. Ceux-ci nécessitaient une forme de lumière interne pour montrer l'affichage, et donc rétro-éclairage ont également été intégrés à ces calculatrices. Peu de temps après, en 1973, Sharp Corporation a introduit les calculatrices de poche LCD DSM. Un polymère appelé polyimide a été utilisé comme couche d'orientation des molécules de cristaux liquides.

Transistor à couche mince  écrans LCD avait été introduit en 1968 par la RCA, mais le panneau LCD TFT à matrice active que les consommateurs connaissent le mieux aujourd'hui pour les écrans haute résolution n'a été prototypé qu'en 1972. Tout au long des années 1970, cependant, le TFT a eu du mal à résoudre de nombreux problèmes de composition matériaux, et donc les technologies des années 70 n'utilisaient pas le TFT.

Dans les années 1980, des progrès rapides ont été réalisés dans la création de produits utilisables grâce à cette nouvelle recherche LCD. Les écrans de télévision LCD couleur ont été développés pour la première fois au Japon au cours de cette décennie. En raison de la limite des temps de réponse due à la grande taille d'affichage (corrélée à un grand nombre de pixels), les premiers téléviseurs étaient des téléviseurs de poche/de poche. Seiko Epson, ou Epson, a créé le premier téléviseur LCD, le publiant au public en 1982, qui a été rapidement suivi par leur premier téléviseur LCD de poche à écran entièrement coloré en 1984. C'est également en 1984 que fut le premier écran LCD TFT commercial : Citizen Watch's Téléviseur LCD couleur de 2.7 pouces. Peu de temps après, en 1988, Sharp Corporation a créé un écran LCD TFT couleur de 14 pouces qui utilisait une matrice active et avait des propriétés de mouvement complet. Les écrans LCD de grande taille permettent désormais l'intégration des écrans LCD dans les grands écrans plats tels que les écrans LCD et les moniteurs LCD. La technologie de projection LCD, créée pour la première fois par Epson, est devenue facilement accessible aux consommateurs en modes compacts et entièrement colorés en 1989.

La croissance des écrans LCD dans les années 1990 s'est davantage concentrée sur les propriétés optiques de ces nouveaux écrans dans le but d'améliorer leur qualité et leurs capacités. Les ingénieurs d'Hitachi ont fait partie intégrante de l'analyse des commutation dans le plan(IPS) dans les matrices actives TFT, un concept qui élargirait les angles de vision des appareils utilisant cette technique, en particulier les écrans LCD à grand écran. Une autre technique qui a été développée dans les années 90 était le multi-domaine alignement vertical (MVA), développé par Samsung. Les techniques IPS et MVA ont toutes deux gagné en popularité en raison de leur capacité à élargir les angles de vision, rendant les écrans plus désirables et utiles. Au fur et à mesure de cette recherche, l'industrie LCD, auparavant centrée au Japon, a commencé à se développer et se diriger vers la Corée du Sud, Taïwan et plus tard la Chine également.

 

Quand les moniteurs LCD sont-ils devenus populaires ? 

Alors que nous entrions dans le nouveau siècle, l'importance des écrans LCD a explosé. Ils ont dépassé les écrans à tube cathodique (CRT) auparavant populaires en termes de qualité d'image et de ventes à travers le monde en 2007. D'autres développements ont continué à être réalisés, tels que la fabrication d'écrans encore plus grands, l'adoption de matériaux transparents et flexibles pour le matériel LCD. , et la création de plus de méthodes pour élargir les angles de vision (O-film).

 

Comment fonctionne un écran LCD ?

À ce jour, les écrans LCD se sont beaucoup développés, mais leur structure est restée cohérente. Illuminé par un rétro-éclairage, l'écran se compose, du plus extérieur au plus intérieur, de deux polariseurs, deux substrats (généralement du verre), des électrodes et la couche de cristaux liquides. Plus près de la surface se trouve parfois un filtre de couleur, utilisant un schéma RVB. Lorsque la lumière traverse le polariseur le plus proche du rétroéclairage, elle pénètre dans la couche de cristaux liquides. Or, selon qu'un champ électrique dirigé par les électrodes est présent ou non, le cristal liquide se comportera différemment. Que vous utilisiez un écran LCD TN, IPS ou MVS, le champ électrique de l'électrode modifiera l'orientation des molécules de cristaux liquides pour ensuite affecter la polarisation de la lumière passante. Si la lumière est correctement polarisée, elle passera complètement à travers le filtre de couleur et polariseur de surface, affichant une certaine couleur. S'il est partiellement polarisé correctement, il affichera un niveau de lumière moyen ou une couleur moins vive. Si elle n'est pas correctement polarisée, la lumière ne passera pas la surface et aucune couleur ne sera affichée.

 

Les jalons de la technologie LCD sont énumérés ci-dessous,

1888 : Friedrich Reinitzer, un botaniste autrichien découvre le phénomène de transition de phase des cristaux liquides

1889 : Otto Lehmann, physicien en Allemagne, invente le terme « cristal liquide »

1911 : Charles Mauguin, de l'Université de Paris, découvre l'alignement unique que le cristal liquide adopte sur diverses surfaces.

1922 : Georges Friedel en France nomme les trois phases principales des cristaux liquides smectique, nématique et cholestérique.

1927 : Vsevolod Frederiks conçoit en russe le modulateur de lumière à commutation électrique, appelé transition de Freedericksz, l'effet essentiel de toute la technologie LCD.

1929 : Zocher et Birstein en Allemagne étudient pour la première fois les effets des champs magnétiques et électriques sur les cristaux liquides.

1936 : Barnett Levin et Nyman Levin, Marconi Wireless Telegraph Company en Angleterre, obtiennent le premier brevet sur un modulateur de lumière à cristaux liquides.

1959 : Mohamed M. Atalla et Dawon Kahng des Bell Labs inventent le MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur).

1962 : Paul Weimer a développé le premier transistor à couche mince (TFT) au centre de recherche David Sarnoff de RCA.

1962 : George Gray, de l'Université de Hull en Angleterre, publie le premier livre sur la structure et les propriétés des cristaux liquides.

1963 : Richard Williams rapporte la formation de domaines dans un cristal liquide nématique sous excitation électrique.

1966: Joseph Castellano et Joel Goldmacher ont développé le premier matériau à cristaux liquides de cyanobiphényles fonctionnant à température ambiante ou en dessous.

1967 : Bernard Lechner, Frank Marlowe, Edward Nester et Juri Tults ont construit le premier écran LCD à fonctionner à des vitesses de télévision en utilisant des transistors MOS discrets câblés à l'appareil.

1968 : Un groupe de recherche des laboratoires RCA aux États-Unis, dirigé par George Heilmeier, développe les premiers écrans LCD basés sur le DSM (mode de diffusion dynamique) et le premier écran LCD bistable utilisant un mélange de cristaux liquides cholestériques et nématiques. Le résultat a déclenché un effort mondial pour développer davantage les écrans LCD. George H. Heilmeier a été intronisé au National Inventors Hall of Fame et crédité de l'invention des écrans LCD. Le travail de Heilmeier est un jalon IEEE.

1969 : James Fergason, directeur associé du Liquid Crystal Institute de la Kent State University dans l'Ohio, découvre l'effet de champ TN (twisted nematic).

1979, Peter Le Comber et Walter Spear de l'Université de Dundee ont découvert que les transistors à couche mince en silicium amorphe hydrogéné (Alpha-Si:H) étaient adaptés pour piloter des écrans LCD. C'est la percée majeure qui a conduit à la télévision LCD et aux écrans d'ordinateur.

1970 : Hosiden et NEC ont construit le premier écran LCD utilisant une structure d'électrode coplanaire pour la commutation dans le plan (IPS)

1970 : Nunzio Luce d'Optel Corporatoin, Princeton, New Jersey a conçu la première puce de circuit intégré pour une montre LCD.

1972 : S. Kobayashi au Japon produit le premier écran LCD sans défaut.

1972 : Tadashi Sasaki et Tomio Wada de Sharp Corporation ont construit un prototype de calculatrice de bureau avec un écran LCD à diffusion dynamique et ont lancé un programme pour créer la première calculatrice de poche vraiment portable.

1972 : Wolfgang Helfrich et Martin Schadt de Hoffmann La Roche construisent le premier appareil LCD nématique torsadé (TN).

1972 : Sun Lu et Derek Jones de Riker-Maxson à New York construisent la première montre numérique utilisant le nématic torsadé (TN).

1973 : G. Gray de BDH Ltd au Royaume-Uni a inventé le matériau à cristaux liquides biphényle, permettant de meilleures performances de fonctionnement et une fabrication LCD à faible coût.

Composés de biphényle dans le mélange E-7, les matériaux les plus célèbres et les plus largement utilisés dans la fabrication des LCD au début.

1975 : Ludwig Pohl, Rudolf Eidenshink chez E.Merck ont ​​développé des matériaux à cristaux liquides de cyanophénylcyclohexane sans ester qui étaient plus stables et sont devenus largement utilisés dans les écrans LCD TFT (Thin Film Transistor).

Canophénylcyclohexanes développés par E.Merck

 

Cellule à transistor à couche mince (TFT)

1983 : Colin Waters, V.Brimmel et Peter Raynes à RSRE en Angleterre ont fait la démonstration d'un écran LCD hôte nématique super tordu.

1983 : Shinji Morozumi à Suwa Seikosha fait la démonstration du premier téléviseur LCD couleur commercial au monde doté d'un écran de 2 pouces LCD TN piloté par une matrice active de transistors à couches minces en Si polycristallin. Ce fut une étape majeure dans le développement des écrans LCD et a lancé la tendance vers des écrans plus grands.

1985 : Terry Scheffer et Jurgen Nehring de Brown Boveri en Suisse construisent le premier effet de champ STN (super twisted nematic).

1988 : Hiroshi Take, Kozo Yano et Isamu Washizuka des laboratoires Sharp au Japon ont construit le premier écran LCD couleur à matrice active de 14 pouces sans défaut au monde, fabriqué avec du Si TFT amorphe.

1992 : Hitachi a développé des dispositifs de commutation dans le plan (IPS) et Super IPS LCD.

1996 : Samsung a développé la technique de structuration optique qui permet l'affichage à cristaux liquides multi-domaines. La commutation multi-domaines et dans le plan reste par la suite les conceptions LCD dominantes jusqu'en 2006.

2001 : Samsung produit un écran LCD TFT 42 pouces.

2002 : LCD a dépassé CRT en tant que moniteurs de bureau.

2007 : La qualité d'image des téléviseurs LCD a dépassé la qualité d'image des téléviseurs à tube cathodique (CRT). Au quatrième trimestre 2007, les téléviseurs LCD ont dépassé pour la première fois les téléviseurs CRT dans les ventes mondiales.

 

Histoire de la génération Mother Glass

Génération Longueur [mm] Hauteur [mm] Année d'introduction
GÉN 1 200-300 200-400 1990
GÉN 2 370 470
GÉN 3 550 650 1996-1998
GÉN 3.5 600 720 1996
GÉN 4 680 880 2000-2002
GÉN 4.5 730 920 2000-2004
GÉN 5 1100 1250-1300 2002-2004
GÉN 6 1500 1800-1850 2002-2004
GÉN 7 1870 2200 2006
GÉN 7.5 1950 2250
GÉN 8 2160 2460
GÉN 8.5 2200 2500
GÉN 10 2880 3130 2009
GEN 10.5 (également connu sous le nom de GEN 11) 2940 3370 2018 [26]

 

Génération de la taille du panneau

 

Références:

1, Liquid Gold: L'histoire des écrans à cristaux liquides et la création d'une industrie, Joseph A. Castellano, 2005 World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., ISBN 981-238-956-3.

2, Kawamoto, Hiroshi (2002). « L'histoire des écrans à cristaux liquides » . Actes de l'IEEE. 90 (4) : 460-500. doi:10.1109/JPROC.2002.1002521.

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