Chapitre 2 L'écran à plasma, un principe simple mais une technologie évoluée pour une image de qualité

Le fonctionnement des PAP repose sur l'émission d'UV lors d'une décharge luminescente d'un gaz transformée en lumière visible par excitation de luminophores. De nombreux domaines entrent en jeu pour obtenir des panneaux à plasma : un peu de physique des plasmas pour comprendre ce qu'est une décharge luminescente, un zeste de chimie et de science des matériaux pour convertir le rayonnement UV de la décharge en lumière visible, de l'électronique pour allumer les cellules et recréer une image. L'étude du fonctionnement d'un PAP s'est faite avec l'appui de diverses sources citées en bibliographie dont cinq brevets : trois brevets déposés par Thomson multimédia[brevet_pap_thomson], Fujitsu LTD[brevet_fab_fujitsu] (voir aussi annexe ??) et Samsung Display Devices Co[brevet_pap_samsung] (voir aussi annexe ??) pour le fonctionnement même du PAP, deux brevets de Corning INC[brevet_fab_corning] et Toray industries, INC[brevet_fab_toray] en ce qui concerne la fabrication d'un tel dispositif et un brevet déposé par Thomson Multimedia[brevet_com_thm] (voir aussi annexe ??) en ce qui concerne la commande électronique du panneau. Ce chapitre traite des PAP alternatifs¹.

2.1 La décharge luminescente dans un gaz : le principe de base d'un PAP

Lorsqu'un gaz est soumis à un potentiel assez élevé, il passe de l'état isolant à l'état conducteur. Ses atomes se dissocient en ions et en électrons. Un plasma est en fait un ensemble d'atomes (électriquement neutre), d'électrons et d'ions. Le plasma créé par la décharge électrique dans le gaz est un plasma froid, dont le degré d'ionisation est typiquement inférieur à 10^-4 et dont les températures sont de l'ordre de l'eV (1 eV » 10000 K). La désexcitation spontanée des atomes de gaz rares excités par les électrons énergétiques conduit à l'émission de photons dont la longueur d'onde dépend de la nature du gaz.

[t]0.46

Figure 2.1: [

Rendement lumineux d'une cellule d'un écran matriciel]Rendement lumineux mesuré et calculé d'une cellule d'écran matriciel, en fonction du pourcentage de xénon dans le néon, pour une pression totale de 560 torr et une distance de 100 µm entre surface diélectrique; les résultats sont normalisés par rapport au rendement expérimental à 10% de xénon.
[t]0.46

Figure 2.2: [

Influence du pourcentage néon-xénon sur la tension de claquage et le rendement lumineux]Tension d'entretien Vs_min et Vs_max mesurées et calculées d'une cellule d'écran plasma matriciel en fonction du pourcentage de xénon. Les tensions de fonctionnement élevée dans le xénon pur imposent un fonctionnement à faible concentration en xénon (inférieur à 10%), ce qui diminue le rendement.

Source : ``les écrans à plasma'', ``Images de la Physique'', P97, Journal du CNRS, France (1998).

Figure 2.3: [

Spectre UV d'une décharge luminescente pour le xénon]Spectre UV typique d'un plasma de décharge luminescente à haute pression dans le xénon. Source : ``les écrans à plasma'', ``Images de la Physique'', P97, Journal du CNRS, France (1998).

Dans un écran plasma, on cherchera à favoriser l'émission de photons dans les UV. Ces photons UV seront ensuite convertis par des luminophores pour donner de la lumière rouge, verte ou bleue. Dans tous les PAP alternatifs actuels le gaz utilisé est un mélange de xénon et de néon : le néon abaisse le coefficient de claquage du gaz alors que le xénon produit l'émission UV (voir figures ?? et ??). On voit dès lors qu'il y a un compromis à faire : d'une part favoriser le rendement lumineux grâce au xénon, d'autre part préserver l'électronique du système des hautes tensions. Un bon compromis semble être 10% de xénon pour 90% de néon [journal_cnrs] [journal_ap].

On utilise le niveau résonnant Xe(³P₁) du xénon pour émettre des photons UV à 147 nm. Dans les conditions de pression assez élevées, les collisions entre l'état résonnant et l'état excité méta-stable Xe(³P₂) et des atomes de xénon et de néon entraînent également des émissions de photons UV autour de 173 nm (voir figure ??).

2.2 Deux géométries pour la cellule : matricielle et coplanaire

Les PAP alternatifs sont constitués de deux dalles de verre sur lesquelles ont été sérigraphiés des réseaux d'électrodes parallèles puis recouvertes d'une couche de diélectrique (émail) et d'une fine couche d' oxyde de magnésium² (MgO). Les deux dalles sont scellées en mettant les deux réseaux d'électrodes perpendiculaires entre eux (de façon à obtenir des électrodes lignes et colonnes) en maintenant un espace de l'ordre de la centaine de micromètres entre elles. Cet espace sera ensuite rempli d'un mélange gazeux. Chaque pixel de l'écran est constitué de trois cellules élémentaires correspondant aux trois couleurs de base (rouge, vert et bleu) dans lesquelles se produit une décharge luminescente. L'émission UV sera convertie en rayonnement visible par excitation de luminophores déposés dans chaque cellule. Dans le cas des PAP alternatifs, deux types de géométrie sont couramment utilisés. Le premier est appelé géométrie matricielle et le second géométrie coplanaire.

2.2.1 La géométrie matricielle

Figure 2.4: [

Coupe transversale d'une cellule à géométrie matricielle]Coupe transversale d'un écran à plasma à géométrie matricielle. La décharge s'effectue entre une électrode ligne et une électrode colonne. La largeur d'une cellule est comprise entre 125 µm pour un écran 19 pouces et 310 µm pour un écran 24 pouces.

Cette géométrie a été développée et brevetée [brevet_pap_thomson] par thomson Tubes [tomtube] et Photonics [photonics].

Dans ce cas, une cellule est définie par l'intersection d'une électrode ligne et d'une électrode colonne (voir figure ??). La décharge se produit dans cet espace. Cette décharge produit des UV qui sont convertis par les luminophores disposés sur les bords de la cellule (sur la <<barrière>>). Le rayonnement visible est renvoyé vers l'observateur. L'électrode ligne a une largeur très faible (80 µ m) ce qui gêne peu l'émission visible de la cellule : elle peut être en métal opaque et donc bonne conductrice.

La technique antérieure de cette géométrie, consistait à ouvrir des fenêtres dans la couche de luminophores devant la décharge pour éviter la pulvérisation de celui ci et donc la contamination du mélange gazeux. C'était une des difficultés rencontrées lors de la fabrication des PAP matriciels. Une grande précision était nécessaire dans l'ouverture de ces fenêtres. Maintenant, un nouveau procédé de fabrication a été développé et breveté par Toray industries, INC [brevet_fab_toray] : les couches de luminophores sont disposées uniquement sur les barrières et ces barrières sont montées après le dépôt d´une couche de MgO (voir subsection ?? page ??). Les cellules sont séparées par des barrières diélectriques qui ont pour but de réduire l'interaction électrique et optique des deux cellules qui sont de couleur différente. L'interaction optique est l'excitation de luminophore d'une cellule par les photons issus d'une cellule voisine : c'est ce qu'on appelle la diaphonie.

2.2.2 La géométrie coplanaire

Figure 2.5: [

Coupe transversale d'une cellule à géométrie coplanaire]Coupe longitudinale d'un écran à plasma à géométrie coplanaire. Sur ce plan, on ne voit pas les barrières diélectriques car elles se trouvent dans le même plan. On voit donc ici deux cellules de même couleur. La décharge s'effectue entre une électrode X et une électrode Y. La largeur d'une cellule est comprise entre 220µm pour un écran 21 pouce et 360 µ m pour un écran 42 pouce.

C'est la géométrie la plus répandue actuellement. Elle a été développée par diverses entreprises comme Fujistu, Nec, Pioneer, Mitsubishi ou encore Samsung [brevet_pap_samsung]. Dans cette géométrie, une cellule est définie par l'intersection de deux électrodes X et Y et d'une électrode d'adressage située sur la face arrière (voir figure ??). La décharge s'effectue entre une électrode X et une électrode Y. L'électrode d'adressage sert à déclencher ou à éteindre cette décharge. Le problème est que dans ce type de configuration, les électrodes X et Y de la face avant bloquent l'émission de lumière. Pour palier ceci, ces électrodes sont en ITO (Indium Tin Oxyde), un conducteur transparent. Mais à cause de leur longueur, elles sont trop résistives et pour maintenir le potentiel sur toute leur longueur (soit pour assurer la conduction) on leur colle une fine électrode de métal. L'un des avantages de cette géométrie est que le dépôt de luminophore est uniforme sur toute la face arrière, contrairement à la géométrie matricielle (dans la technique antérieure).

Enfin, même si les structures des deux géométries diffèrent, les matériaux utilisés sont identiques et doivent donc posséder les mêmes contraintes et propriétés (rendement lumineux pour les luminophores, dilatation thermique pour le verre, etc.).

Voici maintenant un bref descriptif des étapes de la fabrication d'un PAP alternatif.

2.3 Du verre aux luminophores : les différents constituants d'un PAP alternatif.

Une multitude de brevets ont été déposés pour la fabrication des PAP. L'étude de la fabrication d'un tel dispositif s'est appuyée sur les brevets de Corning INC [brevet_fab_corning] et Toray industries, INC [brevet_fab_toray]. Voici les étapes clés de la fabrication d'un écran à plasma.

2.3.1 Le réseau de barrières diélectriques : délimitation des pixels de l'image

Le réseau de barrières sert en effet à délimiter les pixels de l'image. On évite ainsi la diaphonie qui est l'interaction électrique et lumineuse d'une cellule voisine. Ces barrières sont alignées en colonnes et donc chaque colonne aura la même couleur. Pour fabriquer de telles barrières, les brevets [brevet_fab_corning] et [brevet_fab_toray] utilisent des méthodes similaires. On prend une feuille métallique d'une épaisseur de 200 à 500 µm. Cette feuille est faite en alliage de fer-nickel qui a un coefficient de dilatation thermique proche de celui du verre (80.10^-7 C^-1). Ceci est important car lors de la fabrication d'un écran, les températures peuvent atteindre 600 °C. On créer ensuite un réseau de barrières par photogravure conventionnelle sur cette plaque, chaque barrière étant espacée de 200 à 400 µm. Les barrières sont tenues entre elles par une partie commune non gravée (voir figure ??).

Figure 2.6: [

Réseau de barrières diélectriques]Vue de face et coupe d'un réseau de barrière selon les brevets de fabrication [brevet_fab_corning] et [brevet_fab_toray].

On isole électriquement ce réseau de barrières en le plongeant dans une frite de verre. On dépose ensuite une couche de luminophore à l'aide de trois roulettes, l'une déposant un luminophore a sur les faces opposées des barrières i_-1 - i ; l'autre un luminophore a' sur les faces opposées de i - i₊₁ et une dernière dépose un luminophore a'' sur les faces i₊₁ - i₊₂ (voir figure ??). Ces roulettes parcourent les barrières de haut en bas et forment ainsi des colonnes de luminophores Rouge - Vert - bleu par exemple.

Figure 2.7: [

Dépôt de la couche de luminophore]Dépôt de la couche de luminophore selon le brevet [brevet_fab_corning] et [brevet_fab_toray].

2.3.2 Le réseau d'électrodes : allumage des pixels

Pour réaliser le réseau d'électrodes du fond de l'écran, on dépose une couche de résine d'une épaisseur de 0.3 à 2 mm sur la dalle de verre du fond. L'astuce réside dans le fait d'utiliser les barrières diélectriques décrites ci-dessus comme masque. Les barrières diélectriques et la plaque de verre sont positionnées entre elles à l'aide d'ergots ou de piges. On soumet le tout à un rayonnement dont la résine est sensible. Un bain supprime la résine qui n'a pas été exposée au rayonnement (la résine inter-barrières). On enlève le masque et on vaporise un oxyde métallique qui va prendre la place des espaces inter-barrières. La résine restante est éliminée par le même bain (voir figure ??). On obtient donc des électrodes positionnées de façon très correcte par rapport aux barrières diélectriques. Ceci est très important pour le rendement de la décharge luminescente et surtout pour la conversion des rayons UV par les luminophores.

Figure 2.8: [

Fabrication d'un réseau d'électrodes]Fabrication du réseau d´électrodes. 1) le masque est le réseau de barrières. 2) élimination de la résine inter-barrières. 3) dépôt de métal dans les interstices. 4) élimination de la résine restante. Source : brevet [brevet_fab_corning] et [brevet_fab_toray].

Le réseau d'électrodes est ensuite recouvert d'un diélectrique (émail par exemple) et d'une couche de MgO. Le MgO est une couche mince (5000 Angströms) qui a un double rôle :

Il abaisse la tension de claquage du gaz en favorisant l'émission secondaire d'électrons. Quand deux électrons percutent cette couche de MgO, elle en émet en moyenne un autre.
Il protège le diélectrique du bombardement ionique constant.

L'une des limitations actuelles dans la durée de vie des écrans à plasma vient de cette couche de MgO. Elle est très fragile et se détériore très vite sous le bombardement ionique constant. Des études sont menées pour trouver d'autres matériaux dont le coefficient d'émission secondaire est plus élevé et dont la résistance face au bombardement ionique est plus grande.

Le réseau d'électrodes de la face avant est perpendiculaire au réseau du fond de l'écran. Ce réseau diffère dans la géométrie matricielle et la géométrie coplanaire (voir section ??).

La figure ?? montre l'ancienne disposition des couches de luminophores suivant les géométries matricielles et coplanaires. Cependant, la disposition des réseaux d'électrodes reste la même dans les deux cas.

Figure 2.9: [

Arrangement antérieur des bandes de luminophores dans les deux géométries]Arrangement antérieur des luminophores en bandes verticales dans les deux géométries. Les données pour les hauteurs et largeurs des cellules correspondent à un écran de 21 pouces de diagonale (52,5 cm). Source : Thèse de Cédric Punset. <<modélisation bidimensionnelle fluide d'un écran à plasma>>. N° d'ordre 2979.

2.4 Les décharges à barrières diélectriques

En 1964, les professeurs Bitzer et Stohow ont l'idée ingénieuse de recouvrir les électrodes d'une couche de diélectrique. L'écran à plasma alternatif est né. Comme les électrodes ne sont pas en contact avec le gaz, on doit appliquer une tension alternative.

La tension alternative rectangulaire appliquée tout le long du fonctionnement est appelée tension d'entretien. Elle doit être inférieure à la tension de claquage du gaz pour ne pas allumer toutes les cellules d'un coup.

Figure 2.10: [

Tensions dans une cellule adressée]Schéma représentant la tension d'entretien à laquelle est soumise une cellule et la tension mémoire induite par l'accumulation des charges sur les électrodes.

Pour allumer une cellule, on applique une surtension qui va claquer le gaz : c'est le cas (1). A ce moment, une décharge électrique se produit dans le gaz. Les charges positives vont migrer vers l'électrode qui a le rôle de cathode, les électrons vont migrer vers l'électrode qui a le rôle d'anode. Ainsi, une tension va s'opposer progressivement à la tension appliquée aux bornes des électrodes annulant ainsi la tension vue par le gaz. Lors de la demi période suivante, la tension induite par l'accumulation des charges électriques s'ajoute à la tension d'entretien : c'est le cas (2). La tension vue par le gaz est alors supérieure à la tension de claquage, une nouvelle décharge luminescente se produit et les charges migrent vers la nouvelle anode et la nouvelle cathode : c'est le cas (3). Le même phénomène se répète la demi-periode suivante, etc. On maintient de cette façon une cellule allumée. A chaque alternance, on doit transférer le même nombre de charges (2Q) à chaque électrode. Pour éteindre une cellule, on applique une tension qui ne va transférer que Q charges : la cellule s'éteint, c'est le cas (4). La figure ?? illustre le transfert des charges au cours d'une phase d'allumage, d'entretien et d'arrêt d'une cellule.
La prochaine section porte sur la manière de piloter un écran à plasma afin d'afficher une image.

2.5 Adressage des cellules d'un PAP

L'adressage des cellules d'un panneau à plasma n'est autre que la manière d'allumer et d'éteindre ces cellules. La méthode pour adresser un écran à géométrie matricielle et un écran à géométrie coplanaire diffère en quelques points sans être complètement différentes. L'adressage dans la géométrie coplanaire étant relativement compliqué et différent suivant chaque constructeur, nous ne nous y attarderons pas. Nous traiterons seulement l'adressage d'un panneau à géométrie matricielle. Le brevet déposé par Thomson Multimédia [brevet_com_thm] évoque en partie l'adressage d'un tel panneau utilisant la géométrie matricielle. Voici les principaux points d'un tel procédé.
Nous avons vu précédemment qu'un panneau à plasma est constitué d'électrodes lignes et d'électrodes colonnes. On peut donc assimiler le panneau à une matrice contenant nl ligne et nc colonnes. L'adressage d'un panneau se fait ligne par ligne i.e. dans le temps, on adresse les cellules de la ligne i puis celle de la ligne i+1 etc.

Rappelons que toutes les lignes d'un panneau sont soumises a un signal d'entretien. Pour allumer une cellule, il suffit d'ajouter une surtension à ce signal d'entretien (voir figure ??). Mais dans ce cas de figure, on allume toutes les cellules de la ligne d'un coup. Pour remédier à ce problème, on applique une <<tension de masquage>> aux colonnes dont on veut garder les cellules éteintes de telle sorte que la tension vue par le gaz de la cellule soit inférieure à la tension de claquage du gaz. Mais cette tension de masquage engendre un second problème : imaginons que la cellule j de la ligne i soit allumée et qu'on veuille éteindre la cellule [i+1,j] (cellule de la ligne i+1 et de la colonne j). Dans ce cas, la tension de masquage risque d'éteindre la cellule [i,j]. Pratiquement, on décale de quelques µs la tension de masquage pour laisser le temps à la décharge d'entretien de la cellule [i,j] de se produire.

Figure 2.11: [

Principe de commande pour l'adressage des cellules]Schéma de principe d'obtention des tensions d'adressage dans la géométrie matricielle (Thomson TE).

Les tensions d'entretien, d'allumage-extinction et de masquage sont délivrée par trois générateurs distincts :

Le générateur d'entretien applique en permanence un signal alternatif carré aux bornes des électrodes lignes.
Le générateur d'allumage-extinction applique lors de l'adressage les signaux qui allument et éteignent la cellule sur la ligne adressée.
Le générateur de tension de masquage applique une tension de masquage sur les électrodes colonnes sélectionnées.

La figure ?? illustre l'organisation des trois générateurs ainsi qu'un exemple d'allumage et d'extinction de cellules.

2.6 Obtention des nuances de couleurs

Le panneau à plasma est prévu dans bon nombre d'applications dont la télévision. Cette dernière requiert un nombre de couleurs important pour une restitution fidèle de l'image. Contrairement aux tubes cathodiques où l'obtention de couleurs est obtenue en modulant l'intensité du rayon électronique, une cellule d'écran à plasma ne peut prendre que deux valeurs : allumée ou éteinte. La solution est de jouer avec une particularité physique de l'oeil : la persistance rétinienne³. Face à l'impossibilité de moduler le signal dans son intensité, on va le moduler temporellement. Dans un intervalle de temps donné qui sera l'adressage de la cellule, on va faire varier la durée du signal. Prenons par exemple un signal vidéo codé sur un mot de trois bits, la période d'adressage sera décomposée en trois périodes de valeurs respectives 2⁰/2³T = 1/7T, 2¹/2³T = 2/7T et 2²/2³T = 4/7T. On voit donc que le nombre de niveaux est 2³ (une cellule peut prendre 2 valeurs : allumée ou éteinte). La figure ?? montre comment on obtient des niveaux de gris avec un mot de 3 bits. L'oeil transforme ces sous périodes d'allumage en une période globale qui est la somme de celles-ci : l'oeil intègre le signal sur la période T.

Figure 2.12: [

Obtention du niveau de gris dans une cellule]Obtention de niveaux de gris pour une cellule d'écran à plasma. L'exemple est pris avec un mot de 3 bits.

Actuellement, les écrans à plasma utilisent des mots de 8 bits pour coder le signal lumineux ce qui fait 255 niveaux de gris par couleur. Sachant que l'écran utilise trois couleurs primaires, le signal lumineux d'un pixel d'un écran plasma peut prendre 255³ valeurs soit 16,8 millions de couleurs : c'est le maximum que l'oeil peut percevoir.

Cette méthode implique cependant certains défauts. Par exemple, lorsque d'une période à l'autre le bit de poids fort change de valeur, il se produit un phénomène de contour⁴. Prenons l'exemple courant d'un adressage découpé en 8 sous-adressages (le mot est de 8 bits). Le passage de la valeur 127 à 128 ou 128 à 127 induit une commutation totale de tous les bits (127 = 01111111, 128 = 1000000). Les huit sous-balayages étant répartis sur la trame de 20 ms⁵, l'oeil va intégrer de façon asynchrone le signal et faire apparaître des noirs (voir figure ??). C'est le phénomène de contouring dont souffrent la plupart des écrans plasma actuels. On voit ainsi des contours de couleur opposée à la couleur de l'objet en mouvement.

Figure 2.13: [

Phénomène de contouring]Phénomène de contouring où l'oeil va intégrer deux zones de même intensité qui se suivent.

Figure 2.14: [

Solution au phénomène de contouring]Le brevet développé par Thomson Multimédia [brevet_com_thm] explique comment remédier au phénomène de contouring en découpant la période du signal de façon plus homogène.

Le brevet [brevet_com_thm] propose de découper la période d'adressage non plus avec les valeurs [1,2,4,8,16,32,64,128] (pour un mot de 8 bits) mais les valeurs [1,2 4,32,32,32,64,64]. Ceci évite des <<zones noires>> dans l'image et donc le phénomène de contouring (voir figure ??).

1: Les PAP alternatifs utilisent un courant alternatif pour ioniser le gaz.
2: Le MgO assure une émission secondaire d'électrons pour entretenir la décharge.
3: Lorsqu'un signal lumineux à une fréquence suffisante, l'oeil ne perçoit plus le <<scintillement>> de ce signal. La fréquence limite que l'oeil peut percevoir est d'environ 30 à 40 Hz (30 à 40 images par seconde).
4: Plus communément dit <<contouring>> selon l'appellation anglo-saxonne.
5: Une trame est une image du flux vidéo, la fréquence usuelle des écrans plasma est de 50 Hz soit 50 images par seconde soit encore 20 ms par trame