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 Partie II : La technologie Plasma

 a) Fonctionnement

  Des débuts chaotiques

Contrairement à l’idée reçue, le plasma n’est pas vraiment une technologie récente même si son industrialisation n’a décollé qu’au début des années 90. Les recherches sur les afficheurs à plasma débutent en effet il y a plus de 40 ans aux Etats-Unis, en 1960 grâce à l’effort de quatre chercheurs, Bitzer, Slottow, Willson et Arora. Très rapidement, en 1964, le premier prototype voit le jour. Il s’agissait pour l’époque d’une matrice révolutionnaire de 4 x 4 pixels émettant de la lumière monochrome bleue. Ensuite, en 1967, la taille des matrices plasma passe à 16 x 16 pixels, cette fois-ci en émettant une lumière rouge, toujours monochrome, grâce à l’emploi de néon.

Evidemment, la technologie intéresse les industriels et des entreprises comme IBM, NEC, et Fujitsu qui se lancent dans l’aventure dès 1970. Hélas, en l’absence de débouchés industriels, on constate un désengagement quasi-total aux Etats-Unis en 1987. Une poignée de chercheurs s’agrippe encore à cette technologie aux Etats-Unis mais c’est surtout de l’autre coté du pacifique, au Japon que les recherches se poursuivent. C’est seulement dans les années 90 que les premiers modèles commerciaux sont disponibles sur le marché. Fujitsu est un des premiers à passer la barre des 21 pouces.
De nos jours, la plupart des grands noms de la HiFi et de l’audiovisuel proposent des dalles plasma. Citons notamment LG, Pioneer, Philips, Hitachi et beaucoup bien d’autres.

Un principe de base "simple"

L’idée de base qui gouverne le fonctionnement des écrans plasma est assez simple : chaque sous pixel est une microscopique lampe fluorescente qui émet une couleur primaire : soit rouge, soit vert, soit bleu. En faisant varier l’intensité de l’éclairage de ces trois sous pixels, on obtient une multitude de teintes.

Pour bien comprendre le fonctionnement d’un pixel plasma, il faut revenir au principe de fonctionnement des lampes fluorescentes.

Ce principe régit le fonctionnement des tubes "néons" que nous connaissons tous. En fait les tubes "néons" ne contiennent plus de néon depuis longtemps mais c’est un abus de langage admis, un peu comme le frigidaire désignant depuis 50 ans tous les réfrigérateurs…

Un gaz rare (de l’argon par exemple) est enfermé dans un tube. Aux extrémités de ce tube se trouvent des électrodes aux bornes desquelles on vient appliquer une haute tension (plusieurs centaines de volts). Le gaz rare est électriquement neutre, mais sous l’effet d’une excitation, il se transforme en plasma, un gaz composé à la fois d’électrons libres et d’ions positifs (mais la somme des charges reste neutre). Sous l’effet de la différence de potentiel de plusieurs centaines de volts, les électrons se déplacent vers l’électrode positive tandis que les ions positifs sont au contraire attirés par la borne négative du tube. Au cours de ces déplacements, des chocs entre atomes se produisent. Lorsqu’un atome est percuté, il gagne de l’énergie et ses électrons changent d’orbites : ils passent à une orbite de plus haute énergie. Plus tard, en revenant sur leur orbite initiale, ils émettront un photon, un "quanta" de lumière.

Ainsi fonctionne une lampe fluorescente. La lumière émise est due au brassage du plasma sous l’effet d’un fort champ électrique. Malheureusement, appliquer une différence de potentiel continue aux bornes du tube ne suffit pas. En effet, il faut en permanence brasser le plasma pour en tirer un quelconque rayonnement aussi on applique une tension alternative aux bornes du tube. Cette tension permettra de faire voyager les ions du gaz d’une borne à l’autre, alternativement.

Cependant, La lumière émise par le plasma n’est pas visible. Il s’agit de rayonnements UV. Hors, nous ne voyons pas l’UV. Il faut donc le transformer en rayonnement visible. Aussi la paroi du tube "néon" est recouverte d’une poudre sensible aux UV qui émet de la lumière blanche dans le cas des tubes domestiques. Cette poudre, souvent appelée phosphore est un scintillateur soit une matière qui convertit un rayonnement en un autre.  L’emploi de scintillateur n’est pas nouveau dans les technologies de l’affichage puisque les tubes cathodiques contiennent déjà des scintillateurs réalisant la conversion du faisceau d’électrons en lumière rouge, verte ou bleue.

Du tube fluorescent au pixel plasma

L’application de cette technique aux pixels à plasma est assez comparable. Chaque pixel est constitué de 3 microscopiques cavités identiques contenant un gaz rare (du xénon). Chaque cavité dispose de deux électrodes : une avant et une arrière. En appliquant une forte tension alternative sur chaque électrode, on brasse le plasma contenus dans les cavités. Le plasma émet des UV (en violet sur le schéma) qui viennent frapper les scintillateurs disposés au fond de chaque cavité. Ces scintillateurs sont choisis afin d’émettre chacun une couleur primaire : rouge, verte, ou bleue. La lumière colorée traverse ensuite la vitre avant pour être perçue par l’utilisateur.

Au final, le fonctionnement des pixels à plasma est assez similaire à celui des tubes "néons". Mais la fabrication de dalles complètes à base de pixels à plasma n’est pas sans poser quelques problèmes techniques. La première difficulté rencontrée par les constructeurs réside dans la taille même de ces pixels. Un sous pixel plasma représente un volume de 200µm x 200µm x 100µm, ce qui n’est pas une mince affaire lorsqu’il  s’agit d’assembler plusieurs millions de ces éléments côte à côte.
Ensuite, l’électrode avant doit être aussi transparente que possible. L’ITO (indium tin oxyde) est employé car c’est un matériau conducteur et transparent. Malheureusement, la taille des écrans plasma est telle (les lignes d’ITO courent sur plus de 70 cm parfois) et l’épaisseur d’ITO si faible que la résistance électrique du matériau devient trop grande pour assurer une bonne propagation de la tension (300 volts environ tout de même). Aussi, on y adjoint souvent une fine ligne de chrome, malheureusement opaque mais bien meilleur conducteur.

Enfin, il faut trouver des scintillateurs (également appelés luminophores) adéquats. Ceux employés dans les pixels à plasma sont de différentes natures selon la couleur désirée :

• Vert : Zn2SiO4:Mn2+ / BaAl12O19:Mn2+
• Rouge : Y2O3:Eu3+ / Y0,65Gd0,35BO3:Eu3
• Bleu : BaMgAl10O17:Eu2+

Ces 3 luminophores permettent d’atteindre des longueurs d’ondes entre 510 et 525 nm pour le vert, 610 nm pour le rouge et 450 nm pour le bleu. Les formules chimiques sont sans intérêt mais plairont à nos amis chimistes.

Reste donc à résoudre le problème d’adressage. En effet, pour obtenir différentes nuances de couleurs, nous avons vu qu’il suffisait de faire varier indépendamment l’intensité lumineuse des trois sous pixels de couleurs primaires.

Sur une dalle plasma de 1 280 x 768 pixel, on compte 3 millions de sous pixels environ soit 6 millions d’électrodes. Il est bien évidemment impossible de router 6 millions de lignes pour contrôler indépendamment les sous pixels. Aussi, on a recours au multiplexage des lignes. Les lignes de devant sont communes à toute une rangée, les lignes arrières sont communes à toute une colonne. L’électronique embarquée dans les écrans à plasma choisit donc successivement les pixels à allumer sur la dalle. Cette opération se fait très rapidement, elle est donc invisible pour l’utilisateur, un peu comme le balayage des moniteurs à tubes.

b) Avantages et inconvénients

 Des qualités indéniables

L’adoption de la technologie plasma a permis d’obtenir de nombreux avantages face au LCD et au CRT. Tout d’abord, le choix des scintillateurs dans les téléviseurs plasma permet d’obtenir des couleurs plus riches .Ensuite, les angles de vision sont très larges, surtout en comparaison de ce qu’on peut trouver dans les LCD. La raison tient surtout au fait que la lumière est générée au sein même du pixel contrairement à ce que nous verrons pour le téléviseur LCD.

Enfin, le contraste est équivalent à celui des meilleurs téléviseurs à tube. La principale raison tient à la bonne qualité du niveau de noir : un pixel éteint n’émet aucune lumière contrairement au LCD. La luminosité des téléviseurs plasma est également un avantage face aux moniteurs à tube puisqu’on atteint des valeurs de 900 à 1000 cd/m2.  Notons aussi que le plasma permet d’obtenir des diagonales affichables très généreuses (32 pouces à 50 pouces) pour une épaisseur minime. C’est un avantage décisif face au tube, plus épais et donc moins élégant.

 Des inconvénients certains

La taille des pixels est un gros problème. Il est difficile voire impossible de faire descendre la taille des pixels plasma en dessous de 0,5, ou 0,6 mm. Par conséquent, les téléviseurs plasma sont introuvables en dessous de 82 cm de diagonale. Pour obtenir une résolution compétitive, le plasma n’a d’autre choix que de monter dans des diagonales supérieures, de 32 à 50 pouces.

Pour la qualité d’image, certains problèmes persistent encore sur les dalles à plasma. Ces problèmes sont essentiellement dus à la nature des pixels. Dans la mesure où un pixel à plasma a besoin d’une décharge pour émettre de la lumière, ces derniers sont soit allumés, soit éteints mais ne disposent pas d’états intermédiaires. Du coup, les constructeurs optent pour une méthode de modulation de la luminosité en PCM (pulse code modulation).

La méthode est simple. Pour  allumer très  fort  un pixel, on  l’allume  très  fréquemment.  Pour obtenir une teinte plus sombre, on l’allume moins souvent. C’est en quelque sorte une moyenne temporelle. Charge à l’œil de l’utilisateur de faire la moyenne. Cette méthode est fonctionnelle mais pose toutefois de nombreux problèmes.

Si elle est efficace dans les teintes moyennes et fortes, les teintes les plus sombres souffrent d’une quantification moindre. Il est plus difficile de faire la distinction entre deux nuances sombres. Ensuite, si cette technique permet d’obtenir une image uniforme lorsqu’on se trouve suffisamment loin de la dalle, elle est la cause d’une gêne visuelle lorsqu’on se trouve trop près. En effet, il est communément admis que l’œil humain n’est pas capable de distinguer les clignotements si la fréquence est supérieure à 85 Hz environ. C’est à la fois vrai et faux. En fait, l’œil humain en est parfaitement capable mais le cerveau ne peut pas "rendre" les images aussi rapidement. En conséquence, une image à 85 Hz peut très bien causer une fatigue oculaire sans que l’utilisateur s’en aperçoive puisqu’il ne "voit" pas le clignotement. C’est malheureusement le cas pour les pixels à plasma. Le clignotement risque d’entraîner des désagréments si on se trouve trop près de la dalle. Au final, on dispose d’une image plus grande sur un écran à plasma mais il faut s’en éloigner tout autant. L’immersion n’est donc pas plus intense.

Les pixels plasma sont également sensibles au « burn-in ». Tous ceux qui ont déjà eu l’occasion de se servir d’un terminal de commande de billet SNCF savent de quoi je parle. Sur un écran cathodique, lorsque la même image est projetée très longtemps, elle s’incruste. Ainsi, après une trop longue exposition, lorsque l’image change, celle d’origine reste visible. Elle est comme gravée dans le moniteur. Ce phénomène est dû au vieillissement prématuré des scintillateurs. Lorsque ces derniers sont sollicités en permanence, ils vieillissent et deviennent moins efficaces. Comme les écrans à plasma dispose de pixels à scintillateurs, ils sont au même titre sensibles au « burn-in ».

Attention toutefois, dans le cadre d’une utilisation courante d’un téléviseur, ce n’est aucunement un problème dans la mesure où l’image projetée bouge en permanence. Les pixels vieillissent donc uniformément. Mais dans le cadre de certaines applications professionnelles, cela peut être un critère de choix. Par exemple un écran diffusant toujours la même chaîne de télévision 24/24 verra s’incruster le logo de la chaîne si celui-ci reste au même endroit en permanence (CNN, NBC, MTV…). De même, dans le cadre d’un affichage publicitaire statique, une image fixe projetée durant une longue période peut finir par s’incruster dans l’image. C’est d’ailleurs ce qui limite la durée de vie du plasma. Contrairement à la légende, un écran à plasma ne fuit pas, et ne se recharge pas, ce sont les scintillateurs qui vieillissent et hélas il n’y a pas grand chose à faire.

Malheureusement aussi, tous les scintillateurs ne vieillissement pas de la même façon, le canal bleu vieillit toujours plus vite que les autres même si la situation s’est améliorée par rapport au premières dalles à plasma.

Reste enfin le facteur économique. Un écran à plasma coûte cher. Non seulement les dalles elles-mêmes sont difficiles à fabriquer mais en plus l’électronique de contrôle de la dalle exige des semi-conducteurs très performants et spécifiques. En effet, quand on y pense, les lignes de contrôles des électrodes doivent véhiculer des tensions énormes de plusieurs centaines de volts, à des fréquences non négligeables. Tout cela a un coût. D’ailleurs, la consommation des écrans à plasma, toujours plus élevée que celle des écrans LCD, est une des conséquences directes de ces tensions très élevées. A titre d’exemple, un écran à plasma de 107 cm de diagonale consommera 250W, un écran de même diagonale en LCD ne consommera que 150W.

 Plasma, domaines d’application

Les écrans à plasma sont surtout présents dans les systèmes vidéos de haute qualité et de grande taille de projection. Leur diagonale intéressante et leurs performances vidéo en font d’excellents téléviseurs pour la projection de DVD, haute définition ou pas. Certes, ils coûtent chers, certes, ils vieillissent, certes ils consomment mais dans la mesure où traditionnellement, le plasma "truste" le marché haut de gamme, ces considérations ne sont que secondaires pour une clientèle qui en a les moyens.

Si on se projette un peu plus dans le futur, on peut deviner que le LCD va grignoter sur le plasma en le reléguant de plus en plus aux très grandes tailles. Cette évolution s’explique simplement par une fabrication LCD plus simple et moins onéreuse dès qu’elle est maîtrisée.

Partie I    : Principe de l'affichage.           Partie III : La technologie LCD.            - Fonctionnement.                                   - Avantages et inconvénients.                                         Partie IV : Conclusion.