Chapter 3 L'écran à plasma : une technologie jeune qui attend encore beaucoup d'améliorations.

Malgré leurs caractéristiques déjà très bonnes, les panneaux à plasma attendent encore beaucoup d'améliorations. De nombreux centres de recherche se sont penchés sur divers problèmes comme le rendement lumineux ou des procédés plus simples pour la fabrication. En Corée du sud, un grand nombre d'équipes universitaires collaborent avec les grands groupes comme Samsung ou LG Electronic. En France, Thomson Multimédia travaille en étroite collaboration avec des groupes de recherche dont le CPAT¹ à Toulouse. Toutes ces études visent à augmenter la qualité des écrans à plasma pour qu'ils soient incontournables et indispensables dans les technologies à écrans plats de grande taille. Bien sûr, au-delà des améliorations technologiques, le prix est un élément important qui viendra lui aussi rendre le produit plus attrayant.

3.1 L'efficacité lumineuse, un rendement encore très bas

L'efficacité globale d'une cellule est le résultat d'une succession de conversions énergétiques. Grâce à des modèles créés avec la physique du plasma, on a pu déterminer que seulement 15% de la puissance électrique fournie est dissipée par les électrons de l'excitation du xénon². Une partie de la puissance électrique restante est dissipée inutilement par les ions dans des collisions élastiques, dans des échanges de charges avec les atomes de gaz ou encore lors des collisions avec les diélectriques. Le reste de la puissance électrique est dissipée dans l'ionisation du milieu i.e. pour former le plasma et dans l'excitation du néon. Cette dernière doit être limitée pour deux raisons : la première est que l'énergie servant à ioniser le néon est perdue inutilement, la deuxième est que le néon excité émet dans le rouge-orangé et cela nuit à la pureté de l'image. Mais comme nous l'avons montré dans la section ??, le néon est indispensable car il abaisse la tension de claquage du gaz.

Le xénon est cependant un émetteur de photons UV efficace : sur les 15% d'énergie électrique consommée, environ 10% contribuent à l'émission de photons UV. Seulement 40% de ces photons sont convertis en rayonnement visible à cause de la disposition des luminophores. Par exemple, dans la géométrie matricielle, on ne peut pas déposer de luminophores sous la zone de décharge sinon celle ci pulvériserait le luminophore est contaminerait le gaz.

Sur les 40% des photons UV qui parviennent aux luminophores, seulement 25% sont convertis en photons visibles. Des résultats très prometteurs ont été trouvés sur l'amélioration du rendement de ces luminophores. Des chercheurs d'Utrecht ont élaboré un luminophore du type europium dopé au fluorure de lithium gadolinium LiGdF₄:Eu³⁺ capable de produire environ deux photons visibles (rouge) pour un photon UV incident.

Enfin, la collection des photons visibles émis par les luminophores n'excède pas 40%.

Figure 3.1: [

Bilan énergétique d'un PAP]Bilan énergétique approximatif d'une cellule d'écran à plasma. Source : Bulletin de la société française de physique n°102, p4, Janvier 2000.

Le produit de ces différents rendements (voir figure ??) donne un rendement global (énergie rayonnée sur puissance électrique consommée) de 0.4%, ce qui correspond à une énergie de 1lm/W pour une consommation de 250W. Les tubes cathodiques atteignent des efficacités proches de 5lm/W. Ceci laisse de la marge à l'écran à plasma avant d'atteindre l'efficacité des CRT. On a vu que des études étaient menées pour trouver des luminophores plus performants. On peut aussi gagner sur la collection des photons avec une géométrie de la couche de luminophore plus appropriée, on peut également chercher à augmenter la fraction de la puissance totale utilisée par le xénon. Les lampes à plasma ont elles un rendement lumineux 100 fois plus élevé. Mais les cellules d'un écran à plasma sont si petites que les conditions de fonctionnement pour le mode télévision impliquent des contraintes très grandes pour l'allumage et pour l'extinction des cellules (rapidité, netteté de l'allumage et de l'extinction, etc.).

3.2 Des problèmes de qualité d'image

3.2.1 Retard à l'allumage

On a vu section ?? que le claquage d'un gaz nécessite une tension élevée. Cette tension élevée va conduire le gaz à se dissocier en ions et en électrons. Cependant, d'une manière pratique, le gaz doit avoir quelques électrons libres pour pouvoir claquer i.e. pour pouvoir amorcer l'avalanche électronique (voir figure ??). Le problème survient lorsqu'une cellule est restée éteinte trop longtemps : il devient très difficile de la rallumer. Pour éviter ceci, on rallume les cellules régulièrement durant un temps très court.

Figure 3.2: [

Difficulté d'allumage d'une cellule]Comparaison dans le temps d'une cellule ayant des électrons libres et d'une cellule dépourvue. La cellule n'en ayant pas ne peut déclencher d'avalanche électronique.

3.2.2 Une baisse du contraste due au néon

Les premiers écrans à plasma étaient monochromes et utilisaient la propriété suivante du néon : lorsqu'il est excité, il produit des photons UV dans le rouge - orangé. On n'avait donc pas recours à des luminophores, la lumière provenant directement du néon. Dans un écran à plasma alternatif couleur, le néon émet toujours (en proportion moindre) de la lumière rouge-orangée. Ceci a pour effet de baisser le contraste de l'écran et donc nuit à la qualité de l'image.

3.3 Un prix encore trop élevé des PAP

De nombreuses offres d'écrans plasma courent sur le Web. On trouve des écrans entre 60 000 FRF et 125 000 FRF (voir annexe ??). Les entreprises japonaises fabricant de tels écrans ont annoncé pour l'année 2000 des prix compris entre 20 000 FRF et 25 000 FRF pour un écran de 40'' (soit 1 mètre). Ceci divise par 4 les prix existants mais restent encore relativement élevés. En comparaison : un CRT de 32'' (soit 80cm) coûte environ 5000 FRF. De nombreuses études visent à faciliter la méthode de fabrication des écrans plasma afin d'en réduire le coût ; bien sûr, cette technologie est en plein balbutiement ce qui explique un démarrage avec des prix élevés.

3.4 Un centre de recherche à Toulouse : le CPAT

L'écran à plasma est donc une technologie nouvelle qui a beaucoup de défauts. De nombreuses équipes de chercheurs travaillent sur différents points pour améliorer la qualité de ces écrans et leur prix.

C'est en recherchant les documents (voir annexe ??) qui ont servi à faire ce dossier sur les écrans à plasma que j'ai découvert qu'une équipe de chercheurs se trouvait à Toulouse sur le site de l'université Paul-Sabatier : le CPAT. J'ai donc contacté Mr. J.P. Boeuf, le chef de cette équipe, pour aller voir les travaux qu'ils effectuaient. Leurs travaux portent sur la modélisation d'une cellule d'écran à plasma. L'idée est de travailler sur une macro-cellule, qui a des propriétés analogues aux cellules normales sur une échelle de temps différente et avec une pression du gaz différente. Par exemple, ils travaillent sur une cellule à l'échelle 100:1, avec une pression 100 fois moins grande (5 Torr). Une décharge s'effectue donc d'une manière 100 fois plus lente, ce qui permet de faire de l'imagerie. Cette imagerie est faite avec un dispositif à base de caméra CCD qui est reliée à un ordinateur. La figure ?? illustre une décharge dans le temps <<capturée>> par le laboratoire du CPAT.

Figure 3.3: [

Décharge dans une cellule au cours du temps]Décharge dans une macro-cellule au cours du temps. On voit sur cette figure les lignes équipotentielles dans le gaz ainsi que des zones claires traduisant l'état excité du gaz (plasma). Source : ``les écrans à plasma'', ``Images de la Physique'', Journal du CNRS

Toutes les études menées au CPAT (et ailleurs) visent à mieux comprendre les décharges luminescentes dans une cellule en modélisant le gaz comme un fluide. Ils ont découvert par exemple que dans une cellule coplanaire, la décharge glissait le long de l'électrode d'adressage, ce qui ouvrait des voix pour améliorer le rendement lumineux.

Une grande partie des recherches faites au CPAT est disponible sur leur site Web : http://cpat.ups-tlse.fr/

1: Centre de Physique des Plasmas de Toulouse. CNRS, ESA 5002, Université Paul Sabatier.
2: rappel : le xénon excité émet dans deux continuums autour de 147 nm et 173 nm, voir aussi figure ??