Les dalles (ou écrans) plasma

Un écran plasma est un système optoelectronique permettant de visualiser des signaux Video ou Data, au même titre qu'un tube cathodique ou un panneau LCD. C'est un système direct (direct view technology), donc ce n'est ni de la projection ni de la rétroprojection.
La particularité de l'écran plasma est sa très faible profondeur et technologie utilisée permet de creer de larges surfaces d'affichages sans perdre en terme de résolution, d'encombrement ou de caractéristiques générales (c'est-à-dire qu'un écran de 2 mètres peut avoir la même résolution/profondeur/luminosite/colorimetrie qu'un écran de 50 cm).

Explication :

On pourrait comparer l'écran plasma à la juxtaposition d'une multitude de minuscules tubes néon rouges verts et bleus, commandés par un cerveau électronique d'adressage.

Dans un écran plasma en effet, ce sont des centaines de milliers de capsules remplies de gaz (néon et zenon) et tapissées de phosphore rouge, vert ou bleu qui sont incluses dans une dalle de verre recouverte d'électrodes transparentes.

Elles sont juxtaposées en "trios" (rouge, vert, bleu). Chacun de ces "trios" représente un pixel de l'image.

Le gaz emprisonné dans les capsules est activé par les électrodes pour faire réagir les phosphores afin de reproduire les couleurs. Ces phosphores sont identiques à ceux qui sont utilisés dans les tubes cathodiques.

Chaque pixel est contrôlé individuellement par l'électronique pour diffuser plus de 16 millions de couleurs différentes.

Avantages et inconvénients :

C'est probablement le téléviseur du futur de Madame-Monsieur Tout Le Monde, à moins qu'une autre technologie inconnue aujourd'hui arrive:

Avantages :

• écran extrêmement plat pouvant être accroché (solidement) au mur comme un tableau
• en théorie pas de limitation de taille (ils atteignent déjà 129 cm de diagonale depuis 1998)
• qualité de l'image RVB (extrêmement précise, lumineuse et stable tout en offrant une très bonne colorimétrie)

Inconvénients :

• prix (le Pioneer 129cm se vend à plus de 110000F en 1999 !...mais son prix devrait chuter d'ici 5 ans, <50KF ?)
• encore trop peu de modèles à l'image convaincante (Pioneer et NEC sont les références)
• technologie récente pour le marché grand public et qui demande à être confirmée (par exemple : y aura-t-il des problèmes de gaz qui s'échappe pouvant se traduire par des pixels inactifs ?)

Quel taille d'image peut-on atteindre?

Actuellement les écrans sont limites à 50 pouces (à ma connaissance en tout cas), mais le 60 ou 70 pouces est envisageable dans le futur. Le probleme qui limite la taille est triple:

• La stabilite de la dalle de verre qui constitue l'essentiel de l'ecran. Cette dalle est lourde, et plus elle est grande plus elle doit être épaisse, donc plus elle fléchira sous son propre poids. L'emploi de matériaux hybrides n'est pas exclu.
• Il faut couvrir la dalle de différentes couches (électrodes, dielectriques, phosphore...) et les méthodes de dépots utilisées (chimique ou plasma) ne permettent pas encore de traiter d'aussi grandes surfaces sans perdre en productivité (le zéro défaut diminue en quantité, comme en techno LCD ou en microélectronique dès que l'on augmente la taille des supports).
• Plus on augmente la taille, plus il y a de pixels si on veut conserver la définition, et plus l'électronique de commande est rapide et compliquée. L'adressage complexe est encore mal maitrisé pour des raisons électriques (électrodes), pas trop électroniques.

Peut-on imaginer un écran plasma de 1.8m ou 2 m de base?

Oui en prototype, mais en production il faut attendre que l'on développe la fabrication de dalles et les méthodes de dépot de couches minces à grande échelle, impossible actuellement (mais c'est comme les processeurs, il a 5 ans on était à 66 Mhz en se demandant si on pouvait faire mieux...

On présente l'écran plasma comme une TV que l'on accroche au mur. Mais quel est le poids de la bête?

Le poids est important et dépends surtout de la diagonale d'écran. En effet la masse de l'ensemble sera déterminée par la dalle de verre qui contient les cellules plasma, et la structure de maintient de la dalle.
Cette dalle est épaisse pour des questions de rigidite (elle ne doit pas fléchir sinon la répartition du gaz ne sera plus homogène et la luminosite va varier) et de sécurite ( le vide partiel de ~200 torr entre les deux plaques de verre crée une force de rappel sur une grande surface non cloisonée, qu'il faut contrer en renforcant l'épaisseur du verre). Bref tout cela donne du poids aux écrans plasma, en moyenne 30 à 35 kg pour un 42 pouces avec l'alimentation.

Quel est l'ordre de puissance consommé?

Arg, très variable...grosso modo on peut compter 200 à 300 W pour un 42 pouces, mais cela dépend si le constructeur booste la luminosité, le nombre de pixels, etc...

La puissance est a 80% dissipee par effet joule + effet photoelectrique dans le plasma. Le reste de la puissance sert à l'életronique.

La marge de progrès est faible. En fait plutot que de diminuer la puissance, on préfèrera augmenter le rapport de l'effet photoelectrique sur les autres pertes dans le plasma (autres pertes = échauffement du gaz, pertes électroniques sur les parois, etc...)

Ecran plus boitier...

Aujourd'hui les écrans plasma sont des produits finis avec alimentation intégré. Par contre certains distributeurs commercialisent des doitiers de commutation vidéo de facon indépendante. En effet l'écran plasma, contrairement à une télévision comme on les connait, ne contient qu'un afficheur et l'electronique qui gère l'affichage. L'OSD et le tuner ne sont pas compris par exemple. Cela viendra lorsque les écrans seront destinés au grand public et non pas à des applications professionelles d'affichage.

Cable vidéo si boitier tuner, cable d'adressage ~200V sinon, mais ce devait être un prototype que tu as vu. Ceux que j'ai vu n'avaient pas ce boitier et étaient branchés directement à une source VGA.

Est-ce que le nombre de couleurs est limité? Pourquoi?

Question importante, qui devrait apparaitre après l'explication sur le fonctionnement. Oui le nombre est limite. Déjà technologiquement, l'adressage sous 8 bits *conventionnel* limite la plage à 256^3 couleurs possibles (compatibilite avec les supports numériques de demain, le DVD). Ensuite on touche le gros problème des écrans plamsa: les noirs.
On peut théoriquement atteindre 16.7 Millions de couleurs, mais en pratique il y a un aspect limitant difficile à gérer: l'allumage du plasma n'est plus linéaire entre le niveau 0 et le niveau 32, ce qui fait que les noirs sont plutôt gris et que donc on perd un grand nombre de teintes.
Des études sont menées pour gérer differemment le plasma. En gros, au lieu de jouer sur la durée d'allumage, on jouera aussi sur la tension d'activation pour les faibles niveaux inférieurs à 32 sur 256. Cela devrait permettre pour les écrans grand public à applications vidéo d'avoir des images nickel. Aujourd'hui on s'en fout un peu dans un aéroport d'avoir tous les niveaux de gris, du moment que l'afficheur soit fiable et peu encombrant...

Est-ce que l'image est généré numériquement (adressage par pixel) ou en analogique (balayage vertical et horizontal)?

On touche là le point fort des écrans PDP. L'adressage se fait pixel par pixel, comme un LCD, mais avec un gros avantage en plus.

D'abord détail sur l'adressage des LCDs. Chaque pixel est adresse en créant une différence de potentiel entre les deux faces du crystal liquide.
Celui ci se twiste pendant l'activation laissant alors passer la lumière, puis se detwiste des que le potentiel décroit. Deux problèmes se créent alors:
- Il existe une *pente* de déclenchement, c'est-à-dire que si on applique un potentiel un peu inférieur, le LCD se twiste a moitié et laisse donc à moitié passer la lumiere. Ca oblige donc a gérer les matrices de facon actives, en placant des transistors qui alimentent pixel par pixel, procédé très couteux car il y a beaucoup de pertes de production. Les matrices passives existent, qui adressent par ligne et par colonne par electrode courante, mais avec un constraste très
mauvais.
- Le LCD doit être adressé a très haute fréquence car dès qu'il n'est plus alimenté il provoque un pixel noir et diminue le rendement lumineux. Pour avoir le niveau 128 on l'active 128 fois sur 256 etc...mais si le niveau est 27, il s'allume donc sur un 27/256 ème de période, ce qui conduit à un scintillement ou a une perte de luminosite car quand on adresse un pixel de la matrice, les autres ne sont pas gérés.

Pour le plasma, les deux problèmes sont résolus. On alimente en continu le plasma sous ce que l'on appelle une tension d'entretien. Sous cette tension, le plasma à la particularité d'avoir un état inconnu!! En effet si on lui donne un pic de tension supérieur (tension d'activation), il s'allume et reste alors allumé sous la tension d'entretien, mais si on lui donne un pic négatif (tension d'extinction) alors le plasma est éteint sous la tension d'entretien. Cette propriété très importante et permet:
- de ne pas avoir le problème de seuil de déclenchement linéaire, et donc d'adresser de facon passive ligne/colonne par électrodes concourrantes, sans interférer avec l'allumage des pixels de la ligne / colonne adressée.
- d'obtenir un effet mémoire des pixels. Cela est très important: on peut alimenter un pixel sans se soucier des autres, car il restera dans le même état jusqu'à ce que on l'adresse de nouveau si il reste sous la tension d'entretien. Cela évite le scintillement : pour le niveau 50, au lieu d'allumer et d'eteindre 50 fois un pixel LCD sur 256 unités temporelles, on allume le pixel plasma et au bout de la 50eme unité temporelle on l'éteint! On gagne donc énormement en luminosité !!

N'oubliez pas que pour chaque allumage du pixel LCD, l'électronique doit parcourir toute la matrice, soit quelque milliers ou millions de pixels, ce qui represente des temps morts importants. Cela n'est pas le cas pour le plasma.

Donc au final l'image est générée numériquement et non pas par balayage,
ce qui la rend DVD-ready et HDTV-ready sans problème.

Donc on peut imaginer dans le futur une image 100% numérique: DVD ou TV numérique en liaison digital sur un écran plasma. Ceci va arriver avec l'IEEE 1394.

Comment marchent les écrans plasma?

Je propose une réponse en plusieurs parties pour bien comprendre...

- Qu'est-ce qu'un plasma?

Malgré son nom barbare qui rappelle plus la médecine que la physique, le plasma est un élément que l'on cotoie tous les jours.
Il y a 4 états de la matiere: le solide, le liquide, le gaz et le plasma. Un plasma est un fluide (on va dire un gaz...) dissocié contenant des espèces neutres et des espèces chargées: typiquement des atomes, des molécules, des ions, des électrons, mais aussi des photons et j'en passe. Il s'obtient par exemple en appliquant un fort champ électrique dans un milieu gazeux. Les exemples d'applications sont par exemple les tubes néons, les lampes à décharge, les étoiles (notre bon vieux soleil), la ionosphere dans laquelle baigne la terre, mais aussi les éclairs ou la soudure à l'arc! En gros 99.5% de l'univers est constitue de plasma! Dingue non? Donc effectivement tout le monde connait mais peu de gens en connaissent le fonctionnement et on est loin (très loin) de connaitre toutes les applications possibles. Un exemple frappant, le LASER qui connait un développement incroyable est une application directe des plasmas! Vous imaginez donc l'envergure de la chose... Sur terre pour créer un plasma il faut deux électrodes, un milieu gazeux (souvent contenu) et une différence de potentiel entre les électrodes. Prenez l'exemple du tube néon pour la suite.

- Quels sont les différents plasmas?

Un peu de physique. Un atome peut perdre un électron et devient un ion.
C'est le phénomène de ionisation causé par différents processus:
radiatif (absorption de lumière, souvent de l'UV), collisionel (choc entre particules chargées ou non), réaction chimique, etc... Si un ion récupère un électron on parle de recombinaison et cela redonne un atome neutre, c'est-à-dire non chargé. Généralement la recombinaison s'accompagne d'une émission lumineuse.
Dans un plasma le champs électrostatique crée par le potentiel que l'on applique entre deux électrodes accélère les électrons qui existent naturellement dans un gaz (souvent crée par la lumière UV ou les rayons cosmiques naturels). Ces électrons prennent de la vitesse et ionisent les atomes par collision. On assiste alors à un effet d'avalanche qui conduit à un premier plasma: le plasma luminescent.
Le plasma luminescent tire son nom de son activité. Il y a un équilibre entre l'ionisation, la recombinaison, et les processus autres de perte ou de création de charge. Le plasma émet alors une certaine quantité de lumière (par recombinaison) qui est utilisée dans les néons par exemple.
Le milieu peut-être très stable, fournir de la lumiere, et rester à une temperature voisine des conditions normales. Ce type de plasma s'obtient typiquement à basse pression.
Si on augment la tension et/ou la pression, l'effet d'avalanche devient auto-controllé (émission thermoionique prédominante mais hum...passons les détails) et on obtient ce que l'on appelle un arc électrique (éclairs, lampe à arc, soudure à l arc, etc...). Il est également très lumineux, MAIS fortement instable et SURTOUT très chaud (le gaz est chauffé thermiquement par les chocs avec les électrons très rapides). Il est donc peu recommandable pour faire un écran plasma! Voila grosso-modo ce qu il faut savoir des plasmas pour comprendre le reste.

- Quel plasma est utilise dans les PDP?

Les écrans plasmas utilisent des plasmas luminescents, c'est-à-dire que:

* La tension appliquee est assez faible pour éviter la formation d'un arc (typiquement 100/200 V)
* La pression de travail est assez faible (quelque 0.1 mbars)
* On utilise la lumiere émise par les recombinaisons pour obtenir l'effet voulu
* Le tout forme un procédé stable et restant a température normale

- Bon alors comment ca marche?

[schéma d'écran plasma disponible sur http://130.120.96.94/themes/operations/oper3/posters/pdp/index.html#principles]

C'est très simple. Le plasma utilisé est luminescent, c'est l'exemple type du néon. Imaginez des milliers de petits tubes néons minuscules cote à cote, chacun pourvus de deux électrodes, d'un volume de gaz et d un matériau phosphorscent. Et bien vous y êtes!
On crée une grande dalle en verre. On dépose des barrières isolantes
(tous les 0.2 mm environ), des électrodes transparentes en lignes (et des électrodes en colonnes sur une seconde dalle de verre), du phosphore rouge, vert ou bleu entre les barrières. Des pixels RVB sont nés! On referme ensuite les deux dalles l'une sur l'autre, on fait le vide puis on injecte du gaz (néon + xénon par exemple). Ensuite on réalise les circuits d'adressage et d'alimentation haute tension des électrodes et le tour est joué. Un panneau plasma, c'est donc des milliers de petits néons rouge, vert et bleus dont on controlle la durée d'allumage pour
faire des images qui bougent.

- Pour les plus curieux...

Pour entrer un peu plus dans les détails...Le mélange gazeux introduit est composé de gaz rares pour éviter toute chimie entre espèces réactives (les ions ou les radicaux libres par exemple). Ce gaz rare, lorsqu il se ionise puis se recombine, émet dans l'ultraviolet, une lumière invisible à l'oeil nu. Mais le phosphore à la bonne idée d'absorber les UV et de les ré-emmettre dans le domaine du visible. En introduisant des impuretés dans le phosphore on obtient du rouge du vert ou du bleu. Après l'astuce consiste à optimiser l'emission UV pour correspondre au maximum d'efficacité du phosphore. On joue alors sur les niveaux émetteurs des atomes, sur leur niveau d'excitation et donc sur la pression, la tension, le mélange, etc...
Ensuite le fonctionnement n'est pas aussi simple. Pour avoir une décharge très lumineuse, mais que l'on peut rallumer facilement et rapidement, on utilise le principe de la décharge à barrière
diélectrique. Les électrodes sont sépares du milieu gazeux par une couche de diélectrique (de l'oxide de manganèse généralement). Ce diélectrique ne coupe pas le champs électrique imposé par les électrodes, mais il coupe le courant qui pourrait traverser grâce aux électrons libres du plasma. L'avantage est énorme: on limite les perte d'électrons nécessaires à l'ionisation du gaz, on évite le passage à l'arc en gardant un champ électrique fort (donc en produisant beaucoup de
lumière), et d'autres facultés difficiles à expliquer ici (mais vous pouvez me mailer en perso si vous êtes intéressé). Cependant un autre effet intéressant est que le plasma mémorise son état sous un certain potentiel (dit potentiel d'entretien), avantage qui permet d'avoir une image fixe sans recourir à une électronique de commande diabolique.
Justement en ce qui concerne la gestion de l'allumage de tous les petits plasmas, on doit recourir à des transitors rapides mais ayant aussi la capacité de commuter de fortes tensions! Ce qui ne coure pas les rues... Pour avoir une idée de la rapidité, imaginons un écran de 1024*840, 25 images par seconde, 256 niveaux.

Cela donne une fréquence de commutation de...
1024*840*3*50*256 = 16 Ghertz pour un pixel

En utilisant le multiplexage ligne/colonne et l'effet mémoire du plasma, on descend heureusement ce chiffre bien en dessous la barre du gigahertz. C'est aussi cela qui fait le prix de ces écrans, une électronique de puissance assez balaise!
Les transistors sont reliés à des lignes conductrices quasi transparentes (très fines) placées entre le verre et la couche de diélectrique sur chaque dalle de verre (les lignes d'une dalle sont orthogonales à celles de l'autre dalle). Elles sont espacées de 0.2 mm environ. Le gaz est situé entre les électrodes sur une épaisseur d'une centaine de microns. Vous voyez donc tout l'intéret d'avoir un maximum de lumiere dans si peu de volume. A noter que la fabrication des dalles de panneau à plasma est très rigoureuse, nécessite des moyens proches de la micro-électronique mais sur des dimensions beaucoup plus importantes, et la aussi on en paye le prix (pour l'instant)...

- Différence avec ma télé?

Elle est multiple.
Tout d'abord la lumière est crée par effet photoluminescent et non électroluminescent. Ce ne sont pas des électrons qui viennent taper la surface émettant la lumière (cas des tubes cathodiques) mais des photons UV qui sont transformés en lumière visible. On évite donc ces terribles rayons X, on évite l'usure de la couche de phosphore, on évite l'influence du magnétisme ambiant sur l image et on a un rendement lumineux supérieur. Le problème est que la couverture en phosphore est moins importante que dans un tube télé, et que les électrodes coupent une partie de la lumière.
Ensuite il n y a pas de balayage mais un adressage numérique de chaque pixel. Pas besoin de monter à 50Hz en balayage grace à l'effet mémoire, pas de déviation de faisceau dans le temps dans pas de mauvais rendu des couleurs. On obtient donc une image stable et bien colorée, prête pour le numérique. Bien entendu, on est limite par le numérique en définition, mais on gagnera en dynamique d'images une fois que le problème des noirs sera résolu.
Comme il n y a pas de canon à électron, il n y a pas de zone d'accéleration et de déviation, donc on a des écrans plats et de taille théoriquement limitée que par la résistance des matériaux, pour une profondeur minime quelque soit la taille.

progressif ou entrelacé?

Progressif il me semble, mais je crois que ca dépend des constructeurs et de l'application de l'écran...Grâce à l'effet memoire il n y a de toute facon plus de probleme de scintillement. Comme la gestion est numérique, il n y a pas non plus de problème de parasitage secteur, donc le travail en progressif ne pose pas de problèmes.

Que donne la luminausité d'un écran plasma?

Aujourd'hui elle est très bonne, car on arrive à recouvrir de phosphore
non seulement les barrières entre pixels, mais aussi les électrodes et le diélectrique inter-pixel. Donc un gain de pres de 50%. On peut compter aujourd hui jusqu a 200cd/m2. C'est moins qu'un tube cathodique mais largement plus que le LCD. N'oublions pas qu'un tube cathodique de cette taille n'étant pas envisageable, il est dur de comparer... ;-)
Le problème des noirs cependant diminue terriblement l'effet de contraste qui, sans cette limitation, serait bien meilleur et sans problème au niveau des tubes cathodiques.

Le plasma et l'avenir

A quand un plasma au prix d'un tube?

Je ne sais pas, je table sur 2005 mais personne ne peut vraiment dire.

Pourquoi la technologie met-elle tant de temps à arriver?

Les écrans plasma coutent chers en production, et le besoin n'est pas vraiment ressenti chez le particulier (la TV cathodique marche très bien pour tout le monde, et les gens ne sont pas très embéte par la profondeur de leur 55cm). La technologie se réveillera dès que les modèles grand public seront disponibles, et dès que le Home cinema aura réveillé le besoin de grande image de "monsieur tout le monde". En gros dans 5 à 10 ans, la techno devrait s'envoller. Aujourd'hui elle vise surtout le marché professionnel, ce qui devrait permettre d'augmenter la masse de production et donc les couts pour le grand public.

Mais la vrai révolution va arriver avec le tout numérique, avec l'IEEE 1394.

Annexes : voir schéma du procédé PLASMA........et liens internet....

Cf. le site Pioneer où la technologie est expliquée en détail schéma à l'appui avec photos des écrans vendus actuellement : http://www.pioneerelectronics.com/home/pdp501mc_2.htm