Écran à cristaux liquides

Un écran à cristaux liquides ( LCD ) est un écran plat ou un autre dispositif optique à modulation électronique qui utilise les propriétés de modulation de la lumière des cristaux liquides combinées à des polariseurs pour afficher des informations. Les cristaux liquides n'émettent pas de lumière directement mais utilisent un rétroéclairage ou un réflecteur pour produire des images en couleur ou monochromes .

Les écrans LCD permettent d'afficher des images arbitraires (comme sur un écran d'ordinateur classique) ou des images fixes à faible contenu informationnel, qui peuvent être affichées ou masquées : mots prédéfinis, chiffres et afficheurs sept segments (comme sur une horloge numérique) sont autant d'exemples de dispositifs dotés de ces affichages. Ils utilisent la même technologie de base, à la différence que les images arbitraires sont composées d'une matrice de petits pixels , tandis que d'autres écrans utilisent des éléments plus grands.

Les écrans LCD sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment les téléviseurs , les moniteurs d'ordinateur , les tableaux de bord , les affichages de cockpit d'avion et la signalétique intérieure et extérieure. On trouve couramment des petits écrans LCD dans les vidéoprojecteurs et les appareils portables grand public tels que les appareils photo numériques , les montres , les calculatrices et les téléphones mobiles , y compris les smartphones . Depuis la fin des années 2000 et le début des années 2010, les écrans LCD ont remplacé les écrans à tube cathodique (CRT) , lourds, encombrants et énergivores, dans la quasi-totalité des applications.

Selon la disposition des polariseurs, les écrans LCD peuvent être normalement allumés (positifs) ou éteints (négatifs). Par exemple, un écran LCD à caractères positifs avec rétroéclairage affiche des caractères noirs sur un fond de la couleur du rétroéclairage, tandis qu'un écran LCD à caractères négatifs affiche un fond noir et des caractères de la même couleur que le rétroéclairage.

Les écrans LCD ne sont pas sujets au marquage comme les écrans CRT. Cependant, ils restent sensibles à la persistance d'image .

Chaque pixel d'un écran LCD est généralement constitué d'une couche de molécules alignées entre deux électrodes transparentes , souvent en oxyde d'indium-étain (ITO), et deux filtres polarisants (polariseurs parallèles et perpendiculaires), dont les axes de transmission sont (dans la plupart des cas) perpendiculaires. Sans la couche de cristal liquide entre les filtres polarisants, la lumière traversant le premier filtre serait bloquée par le second (polariseur croisé). Avant l'application d'un champ électrique , l'orientation des molécules de cristal liquide est déterminée par leur alignement à la surface des électrodes. Dans un dispositif nématique torsadé (TN), les directions d'alignement des surfaces des deux électrodes sont perpendiculaires, ce qui confère aux molécules une structure hélicoïdale , ou torsion. Ceci induit une rotation de la polarisation de la lumière incidente, et le dispositif apparaît gris. Si la tension appliquée est suffisamment élevée, les molécules de cristal liquide au centre de la couche sont presque complètement détorsadées et la polarisation de la lumière incidente n'est pas modifiée lors de sa traversée de la couche de cristal liquide. Cette lumière sera alors principalement polarisée perpendiculairement au second filtre, et sera donc bloquée, le pixel apparaissant noir. En contrôlant la tension appliquée à la couche de cristaux liquides de chaque pixel, on peut laisser passer la lumière en quantités variables, constituant ainsi différents niveaux de gris.

La formule chimique des cristaux liquides utilisés dans les écrans LCD peut varier. Ces formules peuvent être brevetées. À titre d'exemple, un mélange de 2-(4-alcoxyphényl)-5-alkylpyrimidine et de cyanobiphényle a été breveté par Merck et Sharp Corporation . Le brevet couvrant ce mélange spécifique a expiré.

La plupart des écrans LCD couleur utilisent la même technique, avec des filtres colorés pour générer les sous-pixels rouges, verts et bleus. Ces filtres sont fabriqués par photolithographie sur de grandes plaques de verre, lesquelles sont ensuite collées à d'autres plaques de verre contenant une matrice de transistors à couches minces (TFT), des entretoises et des cristaux liquides. On obtient ainsi plusieurs écrans LCD couleur, découpés les uns des autres et laminés avec des feuilles polarisantes. Des résines photosensibles rouges, vertes, bleues et noires servent à créer ces filtres. Toutes ces résines contiennent un pigment en poudre finement broyé, dont les particules mesurent seulement 40 nanomètres. La ​​résine noire est appliquée en premier ; elle crée une grille noire (appelée matrice noire dans l'industrie) qui sépare les sous-pixels rouges, verts et bleus, augmentant ainsi le contraste et empêchant la lumière de se diffuser d'un sous-pixel à l'autre. Après séchage de la résine noire au four et exposition à la lumière UV à travers un photomask, les zones non exposées sont éliminées par lavage, créant ainsi la grille noire. Le même procédé est ensuite répété avec les résines restantes. Cela permet de remplir les trous de la grille noire avec les résines colorées correspondantes. Les matrices noires fabriquées dans les années 1980 et 1990, à une époque où la plupart des écrans LCD couleur étaient destinés aux ordinateurs portables, étaient en chrome en raison de sa forte opacité. Cependant, pour des raisons environnementales, les fabricants se sont tournés vers une résine photosensible noire à base de pigment de carbone comme matériau de la matrice noire. Une autre méthode de génération de couleur, utilisée dans les premiers PDA couleur et certaines calculatrices, consistait à faire varier la tension dans un écran LCD à cristaux liquides nématiques super-torsadés . La torsion variable entre les plaques plus rapprochées induit une biréfringence de double réfraction variable , modifiant ainsi la teinte. Ces écrans étaient généralement limités à trois couleurs par pixel : orange, vert et bleu.

L'effet optique d'un dispositif TN à l'état passant est beaucoup moins sensible aux variations d'épaisseur qu'à l'état hors tension. C'est pourquoi les écrans TN à faible contenu informationnel et sans rétroéclairage fonctionnent généralement entre des polariseurs croisés, de sorte qu'ils apparaissent lumineux même sans tension (l'œil étant beaucoup plus sensible aux variations à l'état sombre qu'à l'état lumineux). La plupart des écrans LCD des années 2010, utilisés dans les téléviseurs, les moniteurs et les smartphones, sont composés de matrices de pixels haute résolution permettant d'afficher des images arbitraires grâce à un rétroéclairage sur fond noir. En l'absence d'image, d'autres configurations sont utilisées. Les écrans LCD TN fonctionnent alors entre des polariseurs parallèles, tandis que les écrans LCD IPS utilisent des polariseurs croisés. Dans de nombreuses applications, les écrans LCD IPS ont remplacé les écrans LCD TN, notamment dans les smartphones . Le matériau à cristaux liquides et le matériau de la couche d'alignement contiennent tous deux des composés ioniques . Si un champ électrique d'une polarité particulière est appliqué pendant une période prolongée, ces composés ioniques sont attirés à la surface et dégradent les performances du dispositif. Ceci est évité soit en appliquant un courant alternatif , soit en inversant la polarité du champ électrique lors de l'adressage du dispositif (la réponse de la couche de cristaux liquides est identique, quelle que soit la polarité du champ appliqué).

L'affichage d'un petit nombre de chiffres ou de symboles fixes (comme dans les montres numériques et les calculatrices de poche ) peut être réalisé avec des électrodes indépendantes pour chaque segment. En revanche, les affichages alphanumériques complets ou graphiques variables sont généralement réalisés avec des pixels disposés en matrice. Cette matrice est constituée de lignes et de colonnes connectées électriquement, d'un côté de la couche de cristaux liquides (LC), ce qui permet d'adresser chaque pixel à leurs intersections. La méthode générale d'adressage matriciel consiste à adresser séquentiellement un côté de la matrice, par exemple en sélectionnant les lignes une à une, et à appliquer les informations d'image de l'autre côté, colonne par colonne.

L’origine et l’histoire complexe des écrans à cristaux liquides, vues de l’intérieur par un acteur des débuts, sont décrites par Joseph A. Castellano dans son ouvrage *Liquid Gold : The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry* . Un autre rapport sur les origines et l’histoire des écrans LCD, abordant la période jusqu’en 1991 sous un angle différent, a été publié par Hiroshi Kawamoto et est disponible sur le site de l’ IEEE History Center . Une description des contributions suisses au développement des écrans LCD, rédigée par Peter J. Wild , est consultable sur le wiki *Engineering and Technology History * .

En 1888, Friedrich Reinitzer ( découvrit la nature cristalline liquide du cholestérol extrait des carottes (c’est-à-dire deux points de fusion et l’apparition de couleurs) et publia ses résultats. , Lehmann publia son ouvrage « Flüssige » (Cristaux liquides). En 1911, Charles Mauguin réalisa les premières expériences sur des cristaux liquides confinés entre des plaques en couches minces.

En 1922, Georges Friedel décrivit la structure et les propriétés des cristaux liquides et les classa en trois types (nématiques, smectiques et cholestériques). En 1927, Vsevolod Frederiks conçut la valve optique à commutation électrique, appelée transition de Fréedericksz , principe fondamental de la technologie LCD. En 1936, la société Marconi Wireless Telegraph breveta la première application pratique de cette technologie : la « valve optique à cristaux liquides » . En 1962, le Dr George W. Gray publia la première publication majeure en langue anglaise, « Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals » . La même année, Richard Williams, du RCA, découvrit que les cristaux liquides possédaient des caractéristiques électro-optiques intéressantes et réalisa un effet électro-optique en générant des motifs striés dans une fine couche de cristal liquide par l’application d’une tension. Cet effet repose sur une instabilité électrohydrodynamique formant ce que l’on appelle aujourd’hui les « domaines de Williams » au sein du cristal liquide.

S'appuyant sur les premiers MOSFET , Paul K. Weimer chez RCA a développé le transistor à couches minces (TFT) en 1962. C'était un type de MOSFET distinct du MOSFET standard.

En 1964, George H. Heilmeier , travaillant aux laboratoires RCA sur l'effet découvert par Richard Williams, réussit à inverser les couleurs par réalignement induit par un champ électrique de colorants dichroïques dans un cristal liquide à orientation homéotrope. Les problèmes pratiques liés à ce nouvel effet électro-optique incitèrent Heilmeier à poursuivre ses recherches sur les effets de diffusion dans les cristaux liquides, aboutissant finalement à la réalisation du premier écran à cristaux liquides fonctionnel, basé sur ce qu'il appela le mode de diffusion dynamique (DSM). L'application d'une tension à un écran DSM fait basculer la couche de cristal liquide, initialement transparente, vers un état laiteux et trouble. Les écrans DSM pouvaient fonctionner en mode transmission et en mode réflexion, mais nécessitaient un courant important. George H. Heilmeier a été intronisé au National Inventors Hall of Fame et est reconnu comme l'inventeur des écrans LCD. Les travaux de Heilmeier constituent une étape importante de l'IEEE .

À la fin des années 1960, des travaux pionniers sur les cristaux liquides ont été entrepris par le Royal Radar Establishment ( RRE ) britannique à Malvern , en Angleterre. L'équipe du RRE a soutenu les travaux menés par George William Gray et son équipe de l' Université de Hull, qui ont finalement découvert les cristaux liquides de cyanobiphényle, présentant la stabilité et les propriétés thermiques requises pour une application dans les écrans LCD.

L'idée d'un écran à cristaux liquides (LCD) basé sur TFT a été conçue par Bernard Lechner des laboratoires RCA en 1968. Lechner, FJ Marlowe, EO Nester et J. Tults ont démontré le concept en 1968 avec un écran LCD à matrice 18x2 en mode de diffusion dynamique (DSM) utilisant des MOSFET discrets standard .

Le 4 décembre 1970, Hoffmann-La Roche déposa un brevet en Suisse pour l' effet de champ nématique torsadé (TN) dans les cristaux liquides ( brevet suisse n° 532 261, archivé le 9 mars 2021 sur la Wayback Machine ). Wolfgang Helfrich et Martin Schadt (alors employés aux Laboratoires centraux de recherche) y figuraient comme inventeurs. Hoffmann-La Roche concéda une licence d'exploitation de l'invention au fabricant suisse Brown, Boveri & Cie , son partenaire de coentreprise à l'époque. Ce dernier produisit, dans les années 1970, des écrans TN pour montres-bracelets et autres applications destinés aux marchés internationaux, notamment à l'industrie électronique japonaise. Celle-ci commercialisa rapidement les premières montres-bracelets numériques à quartz équipées d'écrans TN-LCD, ainsi que de nombreux autres produits. James Fergason , en collaboration avec Sardari Arora et Alfred Saupe à l'Institut des cristaux liquides de l'Université d'État de Kent , déposa un brevet identique aux États-Unis le 22 avril 1971. En 1971, la société de Fergason, ILIXCO (aujourd'hui LXD Incorporated ), produisit des écrans LCD basés sur l'effet TN, qui supplantèrent rapidement les écrans DSM de qualité médiocre grâce à des tensions de fonctionnement et une consommation d'énergie réduites. Tetsuro Hama et Izuhiko Nishimura, de Seiko, obtinrent un brevet américain en février 1971 pour une montre-bracelet électronique intégrant un écran LCD TN. En 1972, la première montre-bracelet à écran LCD TN fut commercialisée : la Gruen Teletime, une montre à affichage à quatre chiffres.

En 1972, le concept d' un écran à cristaux liquides à transistors en couches minces (TFT) à matrice active a été prototypé aux États-Unis par l'équipe de T. Peter Brody chez Westinghouse , à Pittsburgh, en Pennsylvanie . En 1973, Brody, J.A. Asars et G.D. Dixon, des laboratoires de recherche de Westinghouse, ont présenté le premier écran à cristaux liquides à transistors en couches minces (TFT LCD). En 2013, tous les dispositifs d'affichage électronique modernes haute résolution et haute qualité utilisaient des écrans à matrice active à base de TFT . Brody et Fang-Chen Luo ont présenté le premier écran plat à cristaux liquides à transistors en couches minces à matrice active (AM TFT LCD) en 1974, et Brody a ensuite inventé le terme « matrice active » en 1975.

En 1972, la société nord-américaine Rockwell Microelectronics Corp. a introduit l'utilisation d'écrans LCD DSM pour les calculatrices commercialisées par Lloyd's Electronics, Inc. , bien que celles-ci nécessitaient une source lumineuse interne pour l'éclairage. Sharp Corporation a suivi avec des écrans LCD DSM pour les calculatrices de poche en 1973 , puis a produit en masse des écrans LCD TN pour les montres en 1975. D'autres entreprises japonaises ont rapidement pris une position de leader sur le marché des montres-bracelets, comme Seiko avec sa première montre-bracelet à quartz TN-LCD à 6 chiffres, et Casio avec la « Casiotron ». Les écrans LCD couleur basés sur l'interaction hôte-invité ont été inventés par une équipe de RCA en 1968. Un type particulier de cet écran LCD couleur a été développé par la société japonaise Sharp dans les années 1970, obtenant des brevets pour ses inventions, comme un brevet de Shinji Kato et Takaaki Miyazaki en mai 1975, puis amélioré par Fumiaki Funada et Masataka Matsuura en décembre 1975. Des écrans LCD TFT similaires aux prototypes développés par une équipe de Westinghouse en 1972 ont été brevetés en 1976 par une équipe de Sharp composée de Fumiaki Funada, Masataka Matsuura et Tomio Wada, puis améliorés en 1977 par une équipe de Sharp composée de Kohei Kishi, Hirosaku Nonomura, Keiichiro Shimizu et Tomio Wada. Cependant, ces TFT-LCD n’étaient pas encore prêts à être utilisés dans les produits, car les problèmes liés aux matériaux des TFT n’étaient pas encore résolus.

En 1983, des chercheurs du centre de recherche Brown, Boveri & Cie (BBC), en Suisse , ont inventé la structure nématique super-torsadée (STN) pour les écrans LCD passifs à adressage matriciel . H. Amstutz et al. sont mentionnés comme inventeurs dans les demandes de brevet correspondantes déposées en Suisse les 7 juillet et 28 octobre 1983. Des brevets ont été accordés en Suisse , en Europe , aux États-Unis et dans de nombreux autres pays. En 1980, Brown Boveri a créé une coentreprise à parts égales avec la société néerlandaise Philips, baptisée Videlec . Philips possédait le savoir-faire nécessaire à la conception et à la fabrication de circuits intégrés pour la commande de grands écrans LCD. De plus, Philips bénéficiait d'un meilleur accès aux marchés des composants électroniques et prévoyait d'utiliser les écrans LCD dans les nouvelles générations de produits hi-fi, d'équipements vidéo et de téléphones. En 1984, les chercheurs de Philips, Theodorus Welzen et Adrianus de Vaan, ont inventé un système de pilotage vidéo rapide qui a permis de résoudre le problème du temps de réponse lent des écrans LCD STN, autorisant ainsi l'affichage d'images vidéo haute résolution, de haute qualité et fluides sur ces écrans. En 1985, ces mêmes inventeurs ont résolu le problème du pilotage des écrans LCD STN haute résolution à l'aide d'une électronique de pilotage basse tension (à base de CMOS), permettant l'utilisation de panneaux LCD haute qualité (haute résolution et vitesse vidéo élevée) dans des produits portables alimentés par batterie, tels que les ordinateurs portables et les téléphones mobiles. La même année, Philips a acquis 100 % de la société suisse Videlec AG et a transféré ses lignes de production aux Pays-Bas. Quelques années plus tard, Philips produisait et commercialisait avec succès des modules complets (comprenant l'écran LCD, le microphone, les haut-parleurs, etc.) en grande série pour le secteur en plein essor de la téléphonie mobile.

Les premiers téléviseurs LCD couleur ont été développés au Japon sous forme de téléviseurs portables . En 1980, le département R&D de Hattori Seiko a entamé le développement de téléviseurs LCD couleur de poche. En 1982, Seiko Epson a commercialisé le premier téléviseur LCD, l'Epson TV Watch, une montre-bracelet équipée d'un petit téléviseur LCD à matrice active. Sharp Corporation a introduit la technologie TN-LCD à matrice de points en 1983. En 1984, Epson a lancé l'ET-10, le premier téléviseur LCD de poche couleur. La ​​même année, Citizen Watch a présenté le Citizen Pocket TV, un téléviseur LCD couleur de 2,7 pouces, doté de la première technologie TFT-LCD commercialisée . En 1988, Sharp a fait la démonstration d'un écran TFT-LCD couleur de 14 pouces à matrice active et à affichage dynamique. Cela a conduit le Japon à lancer une industrie LCD, qui a développé des écrans LCD de grande taille, notamment des moniteurs d'ordinateur TFT et des téléviseurs LCD. Epson a développé la technologie de projection 3LCD dans les années 1980 et en a concédé la licence pour une utilisation dans des projecteurs en 1988. Le VPJ-700 d'Epson, sorti en janvier 1989, était le premier projecteur LCD couleur compact au monde .

En 1990, sous différentes appellations, des inventeurs ont conçu les effets électro-optiques comme alternatives aux écrans LCD à effet de champ nématique torsadé (TN-LCD et STN-LCD). Une approche consistait à utiliser des électrodes interdigitées sur un seul substrat de verre afin de produire un champ électrique essentiellement parallèle à ce substrat. Pour exploiter pleinement les propriétés de cette technologie de commutation dans le plan (IPS) , des travaux supplémentaires étaient nécessaires. Après une analyse approfondie, les détails de modes de réalisation avantageux ont été publiés en Allemagne par Guenter Baur et al. et brevetés dans divers pays. L'Institut Fraunhofer ISE de Fribourg, où travaillaient les inventeurs, attribue ces brevets à Merck KGaA, Darmstadt , fournisseur de substances LC. En 1992, peu après, les ingénieurs d' Hitachi ont mis au point divers aspects pratiques de la technologie IPS afin d'interconnecter le réseau de transistors à couches minces en une matrice et d'éviter les champs parasites indésirables entre les pixels. Le premier téléviseur LCD mural a été introduit par Sharp Corporation en 1992.

Hitachi a également amélioré la sensibilité à l'angle de vision en optimisant la forme des électrodes ( Super IPS ). NEC et Hitachi ont été parmi les premiers fabricants d'écrans LCD à matrice active basés sur la technologie IPS. Il s'agit d'une étape importante pour la réalisation d'écrans LCD grand format offrant des performances visuelles acceptables pour les moniteurs d'ordinateurs et les téléviseurs à écran plat. En 1996, Samsung a développé une technique de structuration optique permettant la fabrication d'écrans LCD multi-domaines. Les technologies multi-domaines et IPS ( In-Plane Switching) sont restées les conceptions d'écrans LCD dominantes jusqu'en 2006. À la fin des années 1990, l'industrie des écrans LCD a commencé à se déplacer du Japon vers la Corée du Sud et Taïwan , puis vers la Chine.

Durant cette période, les fabricants taïwanais, japonais et coréens dominaient le secteur de la production d'écrans LCD. De 2001 à 2006, Samsung et cinq autres grandes entreprises ont tenu 53 réunions à Taïwan et en Corée du Sud afin de fixer les prix dans l'industrie des écrans LCD. Ces six entreprises ont été condamnées à des amendes s'élevant à 1,3 milliard de dollars par les États-Unis, 650 millions d'euros par l'Union européenne et 350 millions de yuans par la Commission nationale du développement et de la réforme de Chine .

En 2007, la qualité d'image des téléviseurs LCD a surpassé celle des téléviseurs à tube cathodique (CRT). Au quatrième trimestre 2007, les ventes mondiales de téléviseurs LCD ont dépassé celles des téléviseurs CRT pour la première fois. Selon Displaybank , les téléviseurs LCD devraient représenter 50 % des 200 millions de téléviseurs expédiés dans le monde en 2006.

En octobre 2011, Toshiba annonçait un écran LCD de 6,1 pouces (155 mm) d'une résolution de 2 560 × 1 600 pixels, adapté aux tablettes , notamment pour l'affichage de caractères chinois. Les années 2010 ont également vu la généralisation de la technologie TGP (Tracking Gate-line in Pixel), qui déplace les circuits de commande des bords de l'écran vers l'intérieur des pixels, permettant ainsi des bordures très fines

En 2016, Panasonic a développé des écrans LCD IPS avec un taux de contraste de 1 000 000:1, rivalisant avec les OLED. Cette technologie a ensuite été produite en masse sous la forme d’écrans LCD double couche, double panneau ou LMCL (Light Modulating Cell Layer). Elle utilise deux couches de cristaux liquides au lieu d’une et peut être associée à un rétroéclairage mini-LED et à des feuilles de points quantiques.

Les écrans LCD dotés d'un film d'amélioration à points quantiques ou de filtres de couleur à points quantiques ont été commercialisés entre 2015 et 2018. Les points quantiques captent la lumière bleue du rétroéclairage et la convertissent en une lumière permettant aux panneaux LCD d'offrir une meilleure reproduction des couleurs. Les filtres de couleur à points quantiques sont fabriqués à partir de résines photosensibles contenant des points quantiques au lieu de pigments colorés, et les points quantiques peuvent présenter une structure spécifique afin d'optimiser leur application sur le filtre de couleur. Les filtres de couleur à points quantiques offrent une transmission lumineuse supérieure à celle des films d'amélioration à points quantiques.

Dans les années 2020, la Chine est devenue le premier fabricant mondial d'écrans LCD, les entreprises chinoises détenant 40 % du marché mondial. Parmi les entreprises chinoises ayant fortement augmenté leur production figurent BOE Technology , TCL-CSOT, TIANMA et Visionox. Les gouvernements locaux ont joué un rôle important dans cette croissance, notamment grâce à leurs investissements dans les fabricants d'écrans LCD par le biais de sociétés d'investissement publiques . Auparavant, la Chine importait d'importantes quantités d'écrans LCD. La croissance de son industrie des écrans LCD a entraîné une baisse des prix des autres produits de consommation utilisant cette technologie et a stimulé la croissance d'autres secteurs, comme celui des téléphones mobiles.

Les écrans LCD ne produisent pas de lumière par eux-mêmes ; ils nécessitent donc un éclairage externe pour afficher une image visible. Dans un écran LCD transmissif, la source lumineuse est située à l’arrière de la structure en verre et est appelée rétroéclairage . Les écrans LCD à matrice active sont presque toujours rétroéclairés. Les écrans LCD passifs peuvent être rétroéclairés, mais beaucoup sont réfléchissants car ils utilisent une surface ou un film réfléchissant à l’arrière de la structure en verre pour capter la lumière ambiante. Les écrans LCD transflectifs combinent les caractéristiques d’un écran transmissif rétroéclairé et d’un écran réfléchissant.

Les implémentations courantes de la technologie de rétroéclairage LCD sont :

• Éclairage par LED blanches : La dalle LCD est éclairée par une matrice complète de LED blanches placées derrière un diffuseur. Les écrans LCD utilisant cette technologie permettent généralement d'atténuer ou d'éteindre complètement les LED dans les zones sombres de l'image affichée, ce qui améliore le contraste. La précision de cette atténuation dépend du nombre de zones d'atténuation. Plus il y a de zones, plus l'atténuation est précise, réduisant ainsi les artefacts de halo (ou blooming) visibles sous forme de taches gris foncé entourées par les zones non éclairées de l'écran. En 2012, cette technologie était principalement utilisée dans les téléviseurs LCD haut de gamme à grand écran.
• CCFL : L’écran LCD est éclairé soit par deux lampes fluorescentes à cathode froide placées aux extrémités opposées de l’écran, soit par un ensemble de lampes CCFL parallèles situé derrière les écrans de grande taille. Un diffuseur (en plastique acrylique PMMA, également appelé guide d’ondes ou plaque de guidage de lumière ) répartit ensuite la lumière uniformément sur toute la surface de l’écran. Pendant de nombreuses années, cette technologie a été utilisée de manière quasi exclusive. Contrairement aux LED blanches, la plupart des lampes CCFL émettent une lumière blanche uniforme, offrant ainsi une meilleure gamme de couleurs. Cependant, les lampes CCFL sont moins économes en énergie que les LED et nécessitent un onduleur relativement coûteux pour convertir la tension continue utilisée par le dispositif (généralement 5 ou 12 V) en la tension d’environ 1 000 V nécessaire à leur fonctionnement . L’épaisseur des transformateurs de l’onduleur limite également la finesse de l’écran.

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  Éclairage EL-WLED : La dalle LCD est éclairée par une rangée de LED blanches placées sur un ou plusieurs bords de l’écran. Un diffuseur de lumière (guide de lumière, LGP) répartit ensuite la lumière uniformément sur toute la surface d’affichage, à l’instar des rétroéclairages LCD CCFL à éclairage latéral. Le diffuseur est fabriqué soit en plastique PMMA, soit en verre spécial. Le PMMA est généralement utilisé pour sa robustesse, tandis que le verre spécial est privilégié lorsque l’épaisseur de l’écran LCD est primordiale, car sa faible dilatation sous l’effet de la chaleur ou de l’humidité permet de réduire l’épaisseur des écrans à seulement 5 mm. Des points quantiques peuvent être déposés sur le diffuseur sous forme de film d’amélioration des points quantiques (QDEF, nécessitant alors une protection contre la chaleur et l’humidité) ou sur le filtre de couleur de l’écran LCD, en remplacement des résines photosensibles habituellement utilisées. En 2012, cette conception était la plus répandue pour les moniteurs d’ordinateurs de bureau. Elle permet de réaliser des écrans extrêmement fins. Certains moniteurs LCD utilisant cette technologie possèdent une fonction appelée contraste dynamique, inventée par les chercheurs de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer et Adrianus de Vaan Utilisant la PWM (modulation de largeur d'impulsion, une technologie où l'intensité des LED est maintenue constante, mais le réglage de la luminosité est obtenu en faisant varier un intervalle de temps de clignotement de ces sources lumineuses à intensité constante ), le rétroéclairage est atténué à la couleur la plus brillante qui apparaît sur l'écran tout en augmentant simultanément le contraste LCD aux niveaux maximums possibles, permettant au rapport de contraste de 1000:1 du panneau LCD d'être adapté à différentes intensités lumineuses, ce qui donne les rapports de contraste « 30000:1 » que l'on voit dans la publicité sur certains de ces moniteurs. Étant donné que les images sur écran d'ordinateur comportent généralement du blanc pur à un endroit, le rétroéclairage est généralement à pleine intensité, ce qui fait de cette « fonctionnalité » un simple argument marketing pour les moniteurs d'ordinateur. Cependant, pour les écrans de télévision, elle augmente considérablement le rapport de contraste perçu et la plage dynamique, améliore la dépendance à l'angle de vision et réduit considérablement la consommation d'énergie des téléviseurs LCD classiques.
• Matrice LED RGB : Similaire à la matrice LED blanche, à la différence que la dalle est éclairée par une matrice de LED RGB . Alors que les écrans à LED blanches offrent généralement une gamme de couleurs plus restreinte que les écrans à tubes fluorescents CCFL, les dalles à LED RGB présentent des gammes de couleurs très étendues. Cette technologie est surtout répandue sur les écrans LCD professionnels pour le montage graphique. En 2012, les écrans LCD de cette catégorie coûtaient généralement plus de 1 000 $. Depuis 2016, leur prix a considérablement baissé et ces téléviseurs LCD ont atteint des niveaux de prix comparables à ceux des anciens modèles CRT de 71 cm (28 pouces).
• LED monochromes : les LED rouges, vertes, jaunes ou bleues, par exemple, sont utilisées dans les petits écrans LCD monochromes passifs, généralement employés dans les horloges, les montres et les petits appareils électroménagers. Les LED bleues peuvent être utilisées dans les écrans LCD dotés d’un film d’amélioration à points quantiques ou de filtres de couleur à points quantiques.
• Mini-LED : Le rétroéclairage par mini-LED peut prendre en charge plus de mille zones de gradation locale (FLAD). Cela permet d’obtenir des noirs plus profonds et un rapport de contraste plus élevé.

Aujourd'hui, la plupart des écrans LCD sont conçus avec un rétroéclairage LED au lieu du traditionnel rétroéclairage CCFL, ce rétroéclairage étant contrôlé dynamiquement en fonction des informations vidéo (contrôle dynamique du rétroéclairage). L'association avec le contrôle dynamique du rétroéclairage, inventé par les chercheurs de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer et Adrianus de Vaan, augmente simultanément la plage dynamique du système d'affichage (également commercialisée sous les appellations HDR , télévision à plage dynamique élevée , ou FLAD , gradation locale complète ).

Les systèmes de rétroéclairage LCD sont rendus très efficaces grâce à l'application de films optiques, tels que des structures prismatiques (feuilles prismatiques), pour diriger la lumière vers l'écran et des films polarisants réfléchissants qui recyclent la lumière polarisée initialement absorbée par le premier polariseur de l'écran LCD (inventé par les chercheurs de Philips Adrianus de Vaan et Paulus Schaareman) Ces films, appelés DBEF, sont généralement fabriqués et fournis par 3M . Des versions améliorées des feuilles prismatiques présentent une structure ondulée plutôt que prismatique. Ces ondulations latérales, dont la hauteur varie, dirigent davantage de lumière vers l'écran et réduisent l'aliasing ou le moiré entre la structure de la feuille prismatique et les sous-pixels de l'écran LCD. Une structure ondulée est plus facile à produire en série qu'une structure prismatique à l'aide d'outils de machines diamantées classiques, utilisés pour fabriquer les rouleaux qui impriment la structure ondulée sur des feuilles de plastique, produisant ainsi les feuilles prismatiques. Une feuille de diffusion est placée de part et d'autre de la feuille prismatique afin de répartir uniformément la lumière de rétroéclairage, tandis qu'un miroir est placé derrière la plaque de guidage de lumière pour diriger toute la lumière vers l'avant. La feuille prismatique, munie de ses feuilles de diffusion, est placée sur la plaque de guidage de lumière. Les polariseurs DBEF sont constitués d'un grand empilement de films biréfringents orientés uniaxiaux qui réfléchissent le mode de polarisation précédemment absorbé de la lumière.

Les polariseurs DBEF, utilisant des cristaux liquides polymérisés à orientation uniaxiale (polymères biréfringents ou colle biréfringente), ont été inventés en 1989 par les chercheurs de Philips Dirk Broer, Adrianus de Vaan et Joerg Brambring. L'association de ces polariseurs réfléchissants et du contrôle dynamique du rétroéclairage LED rend les téléviseurs LCD actuels bien plus efficaces que les modèles à tube cathodique, permettant une économie d'énergie mondiale de 600 TWh (2017), soit 10 % de la consommation électrique de tous les foyers du monde ou deux fois la production d'énergie de toutes les cellules solaires mondiales.

Un écran de télévision LCD 1080p standard possède plus de six millions de sous-pixels, chacun alimenté individuellement par un réseau de fils intégrés. Ces fils fins forment une grille, avec des fils verticaux sur toute la largeur de l'écran d'un côté et des fils horizontaux sur toute la largeur de l'autre. Chaque pixel de cette grille possède une connexion positive d'un côté et une connexion négative de l'autre. Ainsi, un écran nécessite 6 840 fils au total : 3 x 1 920 verticalement et 1 080 horizontalement. Cela correspond à trois fils pour le rouge, le vert et le bleu, et 1 920 colonnes de pixels par couleur, soit 5 760 fils verticalement et 1 080 lignes horizontalement. Pour un écran de 73 cm (28,8 pouces) de large, la densité de fils est de 200 par pouce sur le bord horizontal.

L'écran LCD est alimenté par des pilotes LCD positionnés avec précision sur son bord en usine. Ces pilotes peuvent être installés selon différentes méthodes, les plus courantes étant COG (Chip-On-Glass) et TAB ( Tape-automated bonding ). Ces mêmes principes s'appliquent également aux écrans de smartphones, beaucoup plus petits que les écrans de télévision. Les écrans LCD utilisent généralement des pistes conductrices métalliques finement déposées sur un substrat de verre pour former les circuits de fonctionnement des cellules. Il est généralement impossible de connecter directement l'écran à une carte de circuit imprimé en cuivre par soudure. L'interface est donc réalisée à l'aide d' un film conducteur anisotrope ou, pour les faibles densités, de connecteurs élastomères .

Les écrans LCD à matrice passive monochromes, puis couleur, étaient la norme sur la plupart des premiers ordinateurs portables (bien que quelques-uns utilisaient des écrans plasma ) et sur la première Game Boy de Nintendo jusqu'au milieu des années 1990, date à laquelle les écrans à matrice active couleur sont devenus la norme sur tous les ordinateurs portables. Le Macintosh Portable (sorti en 1989), un échec commercial, fut l'un des premiers à utiliser un écran à matrice active (bien que toujours monochrome). Les écrans LCD à matrice passive sont encore utilisés dans les années 2010 pour des applications moins exigeantes que les ordinateurs portables et les téléviseurs, comme les calculatrices bon marché. Ils sont notamment utilisés sur les appareils portables où l'affichage d'informations est limité, où la consommation d'énergie est minimale (absence de rétroéclairage ) et où un faible coût est recherché, ou encore lorsqu'une bonne lisibilité en plein soleil est nécessaire.

Les écrans à matrice passive utilisent la technologie STN ( Super Twisted Nematic ), inventée par le centre de recherche Brown Boveri de Baden, en Suisse, en 1983 ; les détails scientifiques ont été publiés , ou la technologie DSTN (Double Layer STN), cette dernière corrigeant un problème de décalage de couleur de la première, ainsi que la technologie CSTN (Color-STN), où la couleur est ajoutée par un filtre de couleur interne. Les écrans LCD STN ont été optimisés pour l'adressage par matrice passive. Ils présentent un seuil de contraste plus abrupt que les écrans LCD TN d'origine. Ceci est important, car les pixels sont soumis à des tensions partielles même lorsqu'ils ne sont pas sélectionnés. La diaphonie entre pixels activés et non activés doit être correctement gérée en maintenant la tension RMS des pixels non activés en dessous de la tension de seuil, comme l'a découvert Peter J. Wild en 1972 , tandis que les pixels activés sont soumis à des tensions supérieures au seuil (tensions selon le schéma de commande « Alt & Pleshko »). Le pilotage de tels écrans STN selon le schéma de pilotage Alt & Pleshko requiert des tensions d'adressage de ligne très élevées. Welzen et de Vaan ont inventé un schéma de pilotage alternatif (non « Alt & Pleshko ») nécessitant des tensions beaucoup plus faibles, permettant ainsi de piloter l'écran STN à l'aide de technologies CMOS basse tension. Les écrans LCD blancs sur fond bleu sont de type STN et peuvent utiliser un polariseur bleu, ou biréfringence, ce qui leur confère leur aspect caractéristique.

Les écrans LCD STN nécessitent un rafraîchissement continu par des impulsions de tension alternées : une tension de polarité donnée pour une image et une tension de polarité opposée pour l’image suivante. Chaque pixel est adressé par les circuits de ligne et de colonne correspondants. Ce type d’affichage est dit à adressage matriciel passif , car le pixel doit conserver son état entre les rafraîchissements sans bénéficier d’une charge électrique stable. Plus le nombre de pixels (et donc de colonnes et de lignes) augmente, moins ce type d’affichage est adapté. Les écrans LCD à adressage matriciel passif comportant un grand nombre de pixels et pilotés selon le schéma « Alt & Pleshko » présentent généralement des temps de réponse lents et un faible contraste . Welzen et de Vaan ont également inventé un schéma de pilotage non RMS permettant de piloter les écrans STN à des fréquences vidéo et d’afficher des images vidéo fluides. Citizen, entre autres, a acquis les licences de ces brevets et a commercialisé avec succès plusieurs téléviseurs de poche LCD à technologie STN.

Les écrans LCD bistables ne nécessitent pas de rafraîchissement continu. La réécriture n'est nécessaire que pour les modifications d'informations d'image. En 1984, H.A. van Sprang et A.J.S.M. de Vaan ont inventé un écran de type STN fonctionnant en mode bistable, permettant l'affichage d'images à très haute résolution (jusqu'à 4 000 lignes, voire plus) sous basse tension. Puisqu'un pixel peut être allumé ou éteint au moment où de nouvelles informations doivent y être écrites, la méthode d'adressage de ces écrans bistables est relativement complexe, ce qui explique leur absence de commercialisation. La situation a évolué en 2010 avec l'arrivée des écrans LCD bistables « à consommation nulle ». L'adressage par matrice passive peut être utilisé avec certains appareils dont les caractéristiques d'écriture/effacement sont adaptées, comme c'était le cas pour les liseuses électroniques qui n'affichent que des images fixes. Une fois une page affichée, l'écran peut être mis hors tension tout en conservant des images lisibles. Cela présente l'avantage que ces livres électroniques peuvent fonctionner pendant de longues périodes avec une simple petite batterie.

Les écrans couleur haute résolution , tels que les moniteurs et téléviseurs LCD modernes, utilisent une structure à matrice active . Une matrice de transistors à couches minces (TFT) est ajoutée aux électrodes en contact avec la couche de cristaux liquides. Chaque pixel possède son propre transistor dédié , permettant à chaque ligne de colonne d'accéder à un pixel. Lorsqu'une ligne est sélectionnée, toutes les lignes de colonne sont connectées à cette ligne de pixels et les tensions correspondant aux informations de l'image sont appliquées à toutes les lignes de colonne. La ligne est ensuite désactivée et la suivante est sélectionnée. Toutes les lignes sont sélectionnées séquentiellement lors d'une opération de rafraîchissement . Les écrans à matrice active offrent une image plus lumineuse et plus nette que les écrans à matrice passive de même taille, et présentent généralement des temps de réponse plus rapides, produisant ainsi des images de bien meilleure qualité. Sharp produit des écrans LCD bistables à réflexion avec une cellule SRAM 1 bit par pixel, ne nécessitant qu'une faible consommation d'énergie pour maintenir l'image.

Les écrans LCD à segments peuvent également afficher des couleurs grâce à la technologie FSC (Field Sequential Color). Ce type d'écran est doté d'une dalle LCD à segments passive haute vitesse avec un rétroéclairage RGB. Le rétroéclairage change rapidement de couleur, ce qui donne l'impression d'un blanc à l'œil nu. La dalle LCD est synchronisée avec le rétroéclairage. Par exemple, pour qu'un segment apparaisse rouge, il est allumé uniquement lorsque le rétroéclairage est rouge ; pour qu'il apparaisse magenta, il est allumé lorsque le rétroéclairage est bleu, reste allumé lorsque le rétroéclairage devient rouge, puis s'éteint lorsqu'il devient vert. Pour qu'un segment apparaisse noir, il est toujours allumé. Un écran LCD FSC divise une image couleur en trois images (une rouge, une verte et une bleue) et les affiche successivement. Grâce à la persistance rétinienne , ces trois images monochromes apparaissent comme une seule image couleur. Un écran LCD FSC nécessite une dalle LCD avec une fréquence de rafraîchissement de 180 Hz et son temps de réponse est réduit à seulement 5 millisecondes, contre 16 millisecondes pour les dalles LCD STN classiques. Les écrans LCD FSC intègrent un circuit intégré de commande Chip-On-Glass et peuvent également être utilisés avec un écran tactile capacitif. Cette technique peut aussi être appliquée aux écrans d'affichage d'images, car elle offre une transmission lumineuse supérieure et, par conséquent, une consommation d'énergie potentiellement réduite pour le rétroéclairage grâce à l'absence de filtres de couleur dans les écrans LCD.

Samsung a lancé les écrans UFB (Ultra Fine & Bright) en 2002, exploitant l'effet de super-biréfringence. Offrant la luminance, la gamme de couleurs et un contraste comparable à celui d'un écran TFT-LCD, ils consomment, selon Samsung, autant d'énergie qu'un écran STN. Utilisés dans divers modèles de téléphones portables Samsung jusqu'à fin 2006, leur production a été arrêtée. On retrouvait également des écrans UFB dans certains modèles de téléphones mobiles LG.

Les écrans à cristaux liquides nématiques torsadés (TN) contiennent des cristaux liquides qui se tordent et se détordent à différents degrés pour laisser passer la lumière. Lorsqu'aucune tension n'est appliquée à une cellule à cristaux liquides TN, la lumière polarisée traverse la couche de cristaux liquides torsadée à 90 degrés. Proportionnellement à la tension appliquée, les cristaux liquides se détordent, modifiant ainsi la polarisation et bloquant le passage de la lumière. En ajustant correctement le niveau de tension, il est possible d'obtenir presque tous les niveaux de gris et la transmission souhaitée. Ces écrans sont peu coûteux à fabriquer et offrent des temps de réponse très rapides, mais leurs inconvénients sont des angles de vision étroits, un décalage gamma visible et une précision des couleurs limitée.

La technologie IPS (In-Plane Switching) est une technologie LCD qui aligne les cristaux liquides dans un plan parallèle au substrat de verre. Dans ce procédé, le champ électrique est appliqué par l'intermédiaire d'électrodes opposées sur le même substrat de verre, permettant ainsi la réorientation (commutation) des cristaux liquides quasiment dans le même plan, bien que les champs de fuite empêchent une réorientation homogène. Cela nécessite deux transistors par pixel, contre un seul pour un écran TFT (Thin-Film Transistor) standard. La technologie IPS est utilisée dans de nombreux appareils, des téléviseurs aux moniteurs d'ordinateur, en passant par les objets connectés ; la quasi-totalité des écrans LCD de smartphones fonctionnent en mode IPS/FFS. Les écrans IPS appartiennent à la famille des dalles LCD. Les deux autres types sont VA et TN. L'IPS est plus coûteux à produire, mais il est devenu la référence en matière de précision des couleurs, de stabilité et de fiabilité à long terme. Avant l'introduction de la technologie LG Enhanced IPS par Hitachi en 2001 sur le marché des moniteurs 17 pouces, les transistors supplémentaires entraînaient une augmentation de la surface de transmission, nécessitant ainsi un rétroéclairage plus intense et une consommation d'énergie accrue, ce qui rendait ce type d'écran moins adapté aux ordinateurs portables. Le Panasonic Himeji G8.5 utilisait une version améliorée de l'IPS, tout comme LG Display en Corée. BOE, alors premier fabricant mondial de dalles LCD et basé en Chine, proposait également des dalles TV IPS/FFS.

La technologie Super-IPS a été introduite après la commutation dans le plan avec des temps de réponse et une reproduction des couleurs encore meilleurs.

En 2015, LG Display a annoncé la mise en œuvre d'une nouvelle technologie appelée M+ qui consiste en l'ajout de sous-pixels blancs aux points RGB réguliers dans sa technologie de panneau IPS.

La technologie M+ a principalement été utilisée sur les téléviseurs 4K, ce qui a suscité la controverse. Des tests ont en effet révélé que l'ajout d'un sous-pixel blanc, remplaçant la structure RGB traditionnelle, s'accompagnait d'une réduction de résolution d'environ 25 %. De ce fait, un téléviseur M+ « 4K » n'affichait pas la pleine résolution UHD. Les médias et les internautes les ont alors surnommés « téléviseurs RGBW » en raison de ce sous-pixel blanc. Bien que LG Display ait développé cette technologie pour les écrans d'ordinateurs portables, d'extérieur et de smartphones, elle a connu un plus grand succès sur le marché des téléviseurs grâce à la résolution « 4K UHD » annoncée, sans toutefois atteindre la véritable résolution UHD définie par la CTA (3840 x 2160 pixels actifs en 8 bits). Ce manque de précision a eu un impact négatif sur le rendu du texte, le rendant légèrement flou, un défaut particulièrement visible lorsque le téléviseur est utilisé comme moniteur d'ordinateur.

En 2011, LG affirmait que le smartphone LG Optimus Black (écran LCD IPS NOVA) atteignait une luminosité de 700 nits , tandis que son concurrent proposait un écran LCD IPS de 518 nits et un écran OLED à matrice active (AMOLED) deux fois plus lumineux, à 305 nits. LG prétendait également que l'écran NOVA était 50 % plus efficace que les écrans LCD classiques et consommait seulement 50 % de l'énergie des écrans AMOLED pour l'affichage du blanc. En matière de contraste, l'écran AMOLED restait le plus performant grâce à sa technologie sous-jacente, qui permet d'afficher des noirs profonds et non gris foncé. Le 24 août 2011, Nokia annonçait le Nokia 701 et revendiquait également l'écran le plus lumineux au monde avec 1 000 nits. Cet écran était doté de la couche ClearBlack de Nokia, améliorant le contraste et le rapprochant de celui des écrans AMOLED.

Connue sous le nom de commutation de champ de frange (FFS) jusqu'en 2003 , la commutation de champ de frange avancée (AFFS) est similaire aux technologies IPS ou S-IPS, offrant des performances et une gamme de couleurs supérieures, ainsi qu'une luminosité élevée. L'AFFS a été développée par Hydis Technologies Co., Ltd, en Corée (anciennement Hyundai Electronics, LCD Task Force) . Les applications pour ordinateurs portables utilisant l'AFFS minimisent la distorsion des couleurs tout en conservant un angle de vision plus large pour un affichage professionnel. Les décalages et les écarts de couleur causés par les fuites de lumière sont corrigés par l'optimisation de la gamme de blancs, ce qui améliore également la reproduction des blancs et des gris. En 2004, Hydis Technologies Co., Ltd a concédé une licence d'exploitation de l'AFFS à Hitachi Displays (Japon). Hitachi utilise l'AFFS pour fabriquer des dalles haut de gamme. En 2006, Hydis a concédé une licence d'exploitation de l'AFFS à Sanyo Epson Imaging Devices Corporation. Peu après, Hydis a lancé une évolution à haute transmittance de l'écran AFFS, appelée HFFS (FFS+). Hydis a lancé l'AFFS+, offrant une meilleure lisibilité en extérieur, en 2007. Les écrans AFFS sont principalement utilisés dans les cockpits des avions commerciaux les plus récents. Cependant, leur production a cessé en février 2015.

Les écrans à alignement vertical (VA) sont une forme d'écrans LCD où les cristaux liquides s'alignent naturellement verticalement sur le substrat de verre. En l'absence de tension, les cristaux liquides restent perpendiculaires au substrat, créant un écran noir entre polariseurs croisés. Sous tension, les cristaux liquides s'inclinent, laissant passer la lumière et créant un affichage en niveaux de gris, dont l'intensité dépend du champ électrique. Ils offrent un noir plus profond, un contraste plus élevé, un angle de vision plus large et une meilleure qualité d'image à températures extrêmes que les écrans à cristaux liquides nématiques torsadés (TN) traditionnels. Cependant, leur temps de réponse est plus long. Comparés aux écrans IPS, les noirs sont encore plus profonds, permettant un contraste plus élevé, mais l'angle de vision est plus étroit, les variations de couleur et surtout de contraste sont plus visibles, et le coût des écrans VA est inférieur à celui des écrans IPS (mais supérieur à celui des écrans TN).

Des écrans LCD à mode de phase bleu ont été présentés comme prototypes au début de l'année 2008, mais ils ne sont pas encore produits en série. La physique de ces écrans suggère qu'il est possible d'atteindre des temps de commutation très courts (≈1 ms), ce qui permettrait un contrôle séquentiel des couleurs et rendrait obsolètes les filtres de couleur coûteux.

Certains écrans LCD présentent des transistors défectueux , ce qui entraîne l'apparition de pixels allumés ou éteints en permanence, communément appelés pixels bloqués ou pixels morts . Contrairement aux circuits intégrés (CI), les écrans LCD comportant quelques transistors défectueux restent généralement utilisables. Les politiques des fabricants concernant le nombre acceptable de pixels défectueux varient considérablement. À une époque, Samsung appliquait une politique de tolérance zéro pour les moniteurs LCD vendus en Corée. Depuis 2005, Samsung se conforme à la norme ISO 13406-2, moins restrictive . D'autres entreprises sont connues pour tolérer jusqu'à 11 pixels morts dans leurs politiques.

Les politiques relatives aux pixels morts font souvent l'objet de vifs débats entre fabricants et clients. Afin de réglementer l'acceptabilité des défauts et de protéger l'utilisateur final, l'ISO a publié la norme ISO 13406-2 , devenue obsolète en 2008 avec la publication de la norme ISO 9241 , et plus précisément des normes ISO 9241-302, 303, 305 et 307:2008 relatives aux défauts de pixels. Cependant, tous les fabricants d'écrans LCD ne se conforment pas à la norme ISO, et celle-ci est fréquemment interprétée de différentes manières. Les panneaux LCD sont plus susceptibles de présenter des défauts que la plupart des circuits intégrés en raison de leur taille plus importante.

De nombreux fabricants remplacent un produit même en cas de pixel défectueux. Même en l'absence de telles garanties, l'emplacement des pixels défectueux est important. Un écran présentant seulement quelques pixels défectueux peut être inacceptable si ces pixels sont proches les uns des autres. Les dalles LCD présentent également fréquemment un défaut appelé « clouding » , « effet d'écran sale » ou, plus rarement, « mura » , qui se manifeste par des zones de luminance irrégulières sur la dalle. Ce défaut est particulièrement visible dans les zones sombres ou noires des scènes affichées. En 2010, la plupart des fabricants de dalles LCD haut de gamme pour ordinateurs affirmaient que leurs produits étaient exempts de défauts.

Le dispositif bistable zénithal (ZBD), développé par QinetiQ (anciennement DERA ), peut conserver une image sans alimentation. Les cristaux peuvent exister dans l'une des deux orientations stables (« noir » et « blanc ») et l'alimentation n'est nécessaire que pour changer l'image. ZBD Displays est une entreprise issue de QinetiQ qui fabriquait des dispositifs ZBD en niveaux de gris et en couleur. Kent Displays a également développé un écran « sans alimentation » utilisant des cristaux liquides cholestériques stabilisés par polymère (ChLCD). En 2009, Kent a démontré l'utilisation d'un ChLCD pour recouvrir toute la surface d'un téléphone portable, lui permettant de changer de couleur et de conserver cette couleur même hors tension.

En 2004, des chercheurs de l' Université d'Oxford ont présenté deux nouveaux types d'écrans LCD bistables à consommation nulle, basés sur des techniques de bistabilité zénithale. Plusieurs technologies bistables, comme la technologie BTN à 360° et la technologie cholestérique bistable, reposent principalement sur les propriétés intrinsèques du cristal liquide (CL) et utilisent un ancrage fort standard, avec des films d'alignement et des mélanges de CL similaires aux matériaux monostables traditionnels. D'autres technologies bistables, comme la technologie BiNem, sont principalement basées sur les propriétés de surface et nécessitent des matériaux d'ancrage faible spécifiques.

• Résolution : La résolution d'un écran LCD est exprimée par le nombre de colonnes et de lignes de pixels (par exemple, 1024 × 768). Chaque pixel est généralement composé de trois sous-pixels : un rouge, un vert et un bleu. Cette caractéristique était l'une des rares constantes des performances des écrans LCD, quel que soit le modèle. Cependant, de nouveaux modèles partagent des sous-pixels entre plusieurs pixels et intègrent la technologie Quattron, qui tente d'améliorer la résolution perçue sans augmenter la résolution réelle, avec des résultats mitigés.
• Performances spatiales : Pour un écran d’ordinateur ou tout autre dispositif d’affichage utilisé de très près, la résolution est souvent exprimée en nombre de points ( ou pixels par pouce), conformément aux normes de l’industrie de l’imprimerie. La densité d’affichage varie selon l’application : les téléviseurs ont généralement une faible densité pour une utilisation à distance, tandis que les appareils portables ont une densité élevée pour une meilleure précision des détails de près. L’ angle de vision d’un écran LCD peut être important selon l’écran et son utilisation ; les limitations de certaines technologies d’affichage font que l’affichage n’est précis que sous certains angles.
• Performances temporelles : la résolution temporelle d’un écran LCD correspond à sa capacité à afficher des images changeantes avec précision, c’est-à-dire la fréquence à laquelle l’écran affiche les données reçues. Les pixels LCD ne clignotent pas entre les images, ce qui évite le scintillement dû au rafraîchissement, même à basse fréquence. Cependant, une faible fréquence de rafraîchissement peut engendrer des artefacts visuels tels que des images fantômes ou des flous, notamment avec des images en mouvement rapide. Le temps de réponse de chaque pixel est également important, car tous les écrans présentent une latence inhérente à l’affichage d’une image, qui peut être suffisamment importante pour créer des artefacts visuels si l’image affichée change rapidement.
• Performance des couleurs : Plusieurs termes permettent de décrire les différents aspects de la performance des couleurs d'un écran. Le gamut de couleurs correspond à l'ensemble des couleurs affichables, tandis que la profondeur des couleurs représente la finesse de la subdivision de cet ensemble. Le gamut de couleurs est une caractéristique relativement simple, mais rarement abordée dans les supports marketing, sauf au niveau professionnel. Un gamut de couleurs supérieur au contenu affiché à l'écran ne présente aucun avantage ; les écrans sont donc conçus pour fonctionner dans les limites d'une spécification donnée. La couleur des écrans LCD et sa gestion comprennent d'autres aspects, tels que le point blanc et la correction gamma , qui définissent la couleur blanche et la manière dont les autres couleurs sont affichées par rapport au blanc.
• Luminosité et contraste : Le contraste est le rapport entre la luminosité d'un pixel allumé et celle d'un pixel éteint. L'écran LCD lui-même ne produit pas de lumière ; celle-ci provient d'un rétroéclairage, soit fluorescent, soit composé de LED . La luminosité est généralement exprimée comme le flux lumineux maximal de l'écran LCD, qui peut varier considérablement selon sa transparence et la luminosité du rétroéclairage. Un rétroéclairage plus puissant permet un contraste plus marqué et une plage dynamique plus étendue ( les écrans HDR sont classés selon leur luminance maximale), mais il existe toujours un compromis entre luminosité et consommation d'énergie.

Certains de ces problèmes concernent les écrans plein format, d'autres les petits écrans comme ceux des montres, etc. De nombreuses comparaisons sont faites avec des écrans CRT.

• Très compact, fin et léger, surtout comparé aux écrans CRT.
• Faible consommation d'énergie. Selon la luminosité de l'écran et le contenu affiché, les anciens modèles rétroéclairés CCFT consomment généralement moins de la moitié de l'énergie qu'un moniteur CRT de même taille, et les modèles modernes rétroéclairés par LED consomment généralement 10 à 25 % de l'énergie qu'un moniteur CRT consommerait.
• Faible dégagement de chaleur pendant le fonctionnement, grâce à une faible consommation d'énergie.
• Aucune distorsion géométrique.
• La possibilité d'avoir peu ou pas de scintillement selon la technologie de rétroéclairage.
• En général, il n'y a pas de scintillement dû au taux de rafraîchissement, car les pixels LCD conservent leur état entre les rafraîchissements (qui sont généralement effectués à 200 Hz ou plus rapidement, quel que soit le taux de rafraîchissement d'entrée).
• Image nette sans bavure ni flou lorsqu'elle est utilisée à la résolution native .
• Il n'émet pratiquement aucun rayonnement électromagnétique indésirable (dans la gamme des très basses fréquences ), contrairement à un moniteur CRT.
• Peut être fabriqué dans presque toutes les tailles et formes.
• Aucune limite de résolution théorique. Lorsque plusieurs panneaux LCD sont utilisés ensemble pour créer une seule surface d'affichage, chaque panneau supplémentaire augmente la résolution totale de l'écran, ce que l'on appelle communément la résolution empilée.
• Peut être fabriqué dans de grandes tailles de plus de 80 pouces (2 m) en diagonale.
• Les écrans LCD peuvent être transparents et flexibles , mais ils ne peuvent pas émettre de lumière sans rétroéclairage, contrairement aux OLED et aux microLED, qui sont d'autres technologies d'affichage pouvant également être réalisées de manière flexible et transparente.
• Effet de masquage : la grille LCD peut masquer les effets de la quantification spatiale et de niveaux de gris, créant l’illusion d’une qualité d’image supérieure.
• Insensible aux champs magnétiques, y compris celui de la Terre, contrairement à la plupart des écrans cathodiques couleur.
• En tant que dispositif intrinsèquement numérique, l'écran LCD peut afficher nativement des données numériques provenant d'une connexion DVI ou HDMI sans nécessiter de conversion en analogique. Certains écrans LCD possèdent des entrées fibre optique natives en plus des entrées DVI et HDMI.
• De nombreux moniteurs LCD sont alimentés par une alimentation de 12 V et, s'ils sont intégrés à un ordinateur, ils peuvent être alimentés par son alimentation de 12 V.
• Il est possible de le fabriquer avec des bordures très fines, permettant ainsi de disposer plusieurs écrans LCD côte à côte pour former ce qui ressemble à un seul grand écran.

• Certains moniteurs anciens ou bon marché présentent un angle de vision limité , ce qui entraîne des variations de couleur, de saturation, de contraste et de luminosité selon la position de l'utilisateur, même dans l'angle de vision prévu. Des films spéciaux peuvent être utilisés pour améliorer les angles de vision des écrans LCD.
• Un rétroéclairage inégal sur certains moniteurs (plus fréquent sur les modèles IPS et les anciens modèles TN) provoque une distorsion de la luminosité, notamment vers les bords (« fuite de rétroéclairage »).
• Les niveaux de noir peuvent ne pas être aussi profonds que nécessaire car les cristaux liquides individuels ne peuvent pas bloquer complètement le passage de la lumière de rétroéclairage.
• L'affichage présente un flou de mouvement sur les objets en déplacement dû à des temps de réponse lents (> 8 ms) et au suivi oculaire sur un écran à échantillonnage et maintien , sauf si un rétroéclairage stroboscopique est utilisé. Cependant, ce stroboscope peut provoquer une fatigue oculaire, comme indiqué ci-après :
• En 2012, la plupart des systèmes de rétroéclairage LCD utilisaient la modulation de largeur d'impulsion (MLI) pour faire varier la luminosité de l'écran Ce procédé rend l'écran plus scintillant (sans que cela soit visible) qu'un moniteur CRT à 85 Hz (car l'écran entier clignote , contrairement au point lumineux permanent d'un moniteur CRT qui balaie continuellement l'écran, laissant une partie de celui-ci toujours éclairée). Ce scintillement provoque une fatigue oculaire importante chez certaines personnes Malheureusement, beaucoup ignorent que leur fatigue oculaire est due à l'effet stroboscopique invisible de la MLI . Ce problème est encore plus marqué sur les moniteurs à rétroéclairage LED , car les LED s'allument et s'éteignent plus rapidement qu'une lampe CCFL .
• Une seule résolution native . L'affichage de toute autre résolution nécessite soit un convertisseur vidéo , ce qui entraîne un flou et des bords crénelés, soit un affichage à la résolution native avec un mappage pixel par pixel 1:1 , ce qui a pour conséquence que l'image ne remplit pas l'écran ( affichage avec bandes noires ) ou déborde d'un ou plusieurs bords de l'écran.
• Profondeur de couleur fixe (également appelée profondeur de bits). De nombreux écrans LCD d'entrée de gamme ne peuvent afficher que 262 144 (2¹⁸ ⁾ couleurs. Les dalles S-IPS 8 bits peuvent afficher 16 millions (2²⁴ ⁾ de couleurs et offrent un niveau de noir nettement supérieur, mais elles sont plus chères et leur temps de réponse est plus long.
• Le délai d'affichage est dû au fait que le convertisseur analogique-numérique de l'écran LCD attend la fin du traitement de chaque image avant de l'afficher. De nombreux moniteurs LCD effectuent un post-traitement avant l'affichage afin de compenser une faible fidélité des couleurs, ce qui ajoute un délai supplémentaire. De plus, un scaler vidéo est nécessaire pour afficher des résolutions non natives, ce qui augmente encore ce délai. La mise à l'échelle et le post-traitement sont généralement effectués par une seule puce sur les moniteurs modernes, mais chaque fonction exécutée par cette puce induit un certain délai. Certains écrans proposent un mode jeu vidéo qui désactive tout ou partie du traitement afin de réduire le délai d'affichage perceptible.
• Des pixels morts ou bloqués peuvent apparaître lors de la fabrication ou après une période d'utilisation. Un pixel bloqué émet une lueur colorée même sur un écran noir, tandis qu'un pixel mort reste toujours noir.
• Sous réserve du phénomène de marquage, bien que la cause diffère de celle des écrans CRT et que l'effet ne soit pas nécessairement permanent, une image statique peut provoquer un marquage en quelques heures sur les écrans mal conçus.
• En cas d'utilisation continue, une thermalisation peut se produire suite à une mauvaise gestion thermique, entraînant une surchauffe partielle de l'écran et une décoloration par rapport au reste de celui-ci.
• Baisse de la luminosité et ralentissement important du temps de réponse par basses températures. En conditions de températures négatives, les écrans LCD peuvent cesser de fonctionner sans chauffage d'appoint.
• Perte de contraste dans les environnements à haute température.

Plusieurs familles de cristaux liquides sont utilisées dans les écrans à cristaux liquides. Les molécules employées doivent être anisotropes et présenter une attraction mutuelle. Les molécules polarisables en forme de bâtonnet ( biphényles , terphényles , etc.) sont courantes. Une forme fréquente est constituée de deux cycles benzéniques aromatiques, avec un groupement non polaire (pentyle, heptyle, octyle ou alkyloxy) à une extrémité et un groupement polaire (nitrile, halogène) à l'autre. Parfois, les cycles benzéniques sont séparés par un groupe acétylène, éthylène, CH=N, CH=NO, N=N, N=NO ou un groupe ester. En pratique, on utilise des mélanges eutectiques de plusieurs composés chimiques afin d'obtenir une plage de températures de fonctionnement plus étendue (de -10 à +60 °C pour les écrans d'entrée de gamme et de -20 à +100 °C pour les écrans hautes performances). Par exemple, le mélange E7 est composé de trois biphényles et d'un terphényle : 39 % en poids de 4'-pentyl[1,1'-biphényl]-4-carbonitrile (plage nématique : 24–35 °C), 36 % en poids de 4'-heptyl[1,1'-biphényl]-4-carbonitrile (plage nématique : 30–43 °C), 16 % en poids de 4'-octoxy[1,1'-biphényl]-4-carbonitrile (plage nématique : 54–80 °C) et 9 % en poids de 4- pentyl[1,1':4',1- terphényl]-4-carbonitrile (plage nématique : 131–240 °C).

La fabrication des écrans LCD utilise le trifluorure d'azote (NF₃ ₎ comme fluide de gravure lors de la production des composants en couches minces. Le NF₃ _est un puissant gaz à effet de serre , et sa demi-vie relativement longue pourrait en faire un contributeur potentiellement nocif au réchauffement climatique . Un rapport publié dans Geophysical Research Letters suggérait que ses effets étaient théoriquement bien plus importants que ceux de sources de gaz à effet de serre plus connues, comme le dioxyde de carbone . Le NF₃ _n'étant pas d'usage courant à l'époque, il n'a pas été intégré au Protocole de Kyoto et a été qualifié de « gaz à effet de serre manquant » _{. Le} NF₃ a été ajouté au Protocole de Kyoto pour la deuxième période de mise en conformité, lors du Cycle de Doha

Les critiques du rapport soulignent qu'il part du principe que la totalité du NF₃ _produit serait rejetée dans l'atmosphère. En réalité, la grande majorité du NF₃ _est décomposée lors des procédés de purification ; deux études antérieures ont montré que seulement 2 à 3 % du gaz échappe à la destruction après son utilisation. De plus, le rapport n'a pas comparé les effets du NF₃ _avec ceux du gaz qu'il a remplacé, le perfluorocarbure (PFC ), un autre puissant gaz à effet de serre, dont 30 à 70 % s'échappent dans l'atmosphère lors d'une utilisation courante.