Cet article compare ces différentes technologies d'affichage et analyse le contrôleur de pixels 2T1C pour les écrans LCD et le contrôleur de pixels 7T1C/2C pour les écrans OLED et micro-LED.

Introduction
Cet article est le premier d'une série en deux parties consacrée aux écrans TFT LCD, OLED et micro-LED pour applications automobiles. Il compare en détail les caractéristiques de ces écrans ainsi que les techniques de pilotage des différents pixels. Il aborde également la technologie TFT et les techniques d'alimentation pour les écrans automobiles.
La première partie de cette série se concentre sur les principes fondamentaux des écrans automobiles, notamment les tendances, les défis et l'architecture d'affichage. Les pilotes de pixels sont présentés afin de faciliter la compréhension de la technologie d'alimentation des écrans automobiles.
La seconde partie de cette série traite de la technologie d'alimentation des écrans automobiles. Différentes technologies d'affichage sont présentées, notamment le rétroéclairage latéral et direct. La gradation locale des écrans mini-LED est également brièvement décrite.

Tendances des intérieurs automobiles numériques :
Ces dernières années, l’industrie automobile a connu une évolution rapide dans des domaines tels que la connectivité, l’électrification, la conduite autonome et la mobilité partagée. Cette évolution a transformé le design intérieur des véhicules afin d’améliorer l’expérience utilisateur. La demande d’écrans incurvés plus grands, offrant une résolution et un contraste plus élevés, ainsi que de nouveaux types d’affichages, est en constante augmentation. Selon l’étude IHS Markit Automotive Display Market Tracker, 161,5 millions d’écrans automobiles ont été vendus en 2018 et les ventes devraient dépasser les 200 millions d’unités d’ici 2025.
Pour optimiser l’expérience à bord, les véhicules modernes intègrent plusieurs types d’affichages : le combiné d’instruments, l’écran central d’information (CID), l’affichage tête haute (HUD), l’écran passager, l’affichage du rétroviseur intérieur intelligent, l’affichage des rétroviseurs extérieurs et l’écran de divertissement arrière. Le combiné d’instruments fournit au conducteur des informations essentielles, telles que la vitesse et le niveau de carburant. L’affichage tête haute (HUD) projette les informations cruciales sur le pare-brise. Les écrans de divertissement arrière et les affichages passagers font partie du système d'infodivertissement, permettant aux passagers de regarder des films ou de profiter d'autres divertissements. Le système de caméras (CMS) remplace les rétroviseurs extérieurs par deux ou trois caméras, et les affichages intégrés aux rétroviseurs latéraux et au rétroviseur intérieur électronique améliorent la perception visuelle de l'environnement par le conducteur.
Selon l'étude IHS Markit Automotive Display Market Tracker, 10 % des commandes d'écrans automobiles en 2018 concernaient des écrans de 10 pouces, et ce chiffre devrait atteindre 18,4 % d'ici 2025. Ces dernières années, les écrans de 12,3 pouces et plus sont devenus la norme pour les combinés d'instruments.
Depuis l'introduction de l'écran tactile de 15 pouces de la Tesla Model 3 en 2017, les écrans automobiles ont eu tendance à être plus grands, avec une résolution plus élevée, des taux de contraste supérieurs et des designs plus originaux. En 2019, la Li Xiang ONE était équipée d'un écran occupant toute la largeur du tableau de bord, composé de deux écrans de 12,3 et 16,2 pouces. En 2023, la BMW Série 3 a inauguré un écran tactile incurvé de 14,9 pouces avec fonction de gradation, s'étendant du côté conducteur à la console centrale. Le concept-car VISION EQXX est quant à lui équipé d'un écran de 47,5 pouces couvrant toute la largeur du véhicule et utilisant également la fonction de gradation. L'évolution des écrans automobiles est illustrée par la figure 1.

Figure 1. Tendances en matière d'affichage en cabine.²

L'affichage tête haute (HUD) recouvrant tout le pare-brise du concept-car Neue Klasse de BMW sera produit en série en 2025. Cette technologie HUD innovante permet à tous les passagers de visualiser des informations sur toute la largeur du pare-brise. Le bord inférieur du pare-brise, avec une luminosité et un contraste accrus, affiche les informations pertinentes pour le conducteur et les passagers. Un écran central de forme libre complète l'affichage

Architecture des écrans :
Les écrans TFT LCD (figure 2), OLED (figure 3) et micro-LED (figure 4) représentent trois technologies distinctes qui révolutionnent les capacités d’affichage.
Les écrans TFT LCD utilisent des cristaux liquides pris en sandwich entre deux substrats de verre. Le substrat inférieur intègre les TFT, tandis que le substrat supérieur sert de filtre de couleur. Ces cristaux liquides sont alignés de manière à moduler la rotation de la lumière qui les traverse en contrôlant le courant traversant les transistors, ce qui induit des variations du champ électrique. Chaque pixel, d’une couleur différente, est généré par l’illumination du filtre de couleur dans des proportions variables.

Figure 2. Structure de l'écran LCD TFT.

À l'inverse, les écrans OLED ne nécessitent pas de rétroéclairage grâce à leur capacité d'auto-émission. La structure de base d'une OLED est constituée d'une couche électroluminescente organique (OLED) déposée sur un verre d'oxyde d'indium-étain (ITO). Cette couche OLED est prise en sandwich entre deux électrodes métalliques à faible fonction de travail : la cathode supérieure et l'anode inférieure.
Lorsqu'une tension externe est appliquée à la cathode et à l'anode, les couches de transport d'électrons (ETL) et de trous (HTL) injectent des électrons et des trous dans la couche OLED selon un volume et un débit contrôlés. Ce processus provoque l'émission de lumière par l'OLED. La lumière rouge, verte et bleue peut être produite grâce à différents matériaux chimiques utilisés dans les OLED. Par conséquent, les écrans OLED sont plus fins, plus économes en énergie et offrent une reproduction des couleurs et un contraste supérieurs.

Figure 3. Structure d'un écran OLED.

Les écrans micro-LED constituent une avancée récente qui utilise des matrices de LED microscopiques comme pixels individuels. La taille des puces micro-LED est généralement inférieure à 50 µm, ce qui les rend pratiquement invisibles à l'œil nu. Grâce à leur petite taille et à une technologie d'assemblage avancée, les sources lumineuses rouge, verte et bleue peuvent être intégrées dans un seul pixel, éliminant ainsi le besoin de filtres de couleur et de cristaux liquides.
Chaque micro-LED au sein du pixel émet sa propre lumière, ce qui se traduit par une luminosité élevée, des noirs profonds et une excellente efficacité énergétique. Ces technologies représentent des progrès significatifs dans le domaine de l'innovation en matière d'affichage, chacune offrant des avantages uniques en termes de structure et de performances. Les écrans micro-LED conviennent à des applications allant des smartphones et téléviseurs à la réalité augmentée, aux objets connectés et aux écrans automobiles.

Figure 4. Structure d'un écran micro-LED.

Les écrans LCD TFT étant une technologie relativement mature et présentant des avantages économiques significatifs, ils dominent actuellement le marché des écrans plats dans l'industrie automobile. Cependant, les écrans OLED et micro-LED suscitent un intérêt croissant chez les constructeurs automobiles.
Les écrans OLED offrent d'excellents rendus visuels, une faible consommation d'énergie, une grande flexibilité et une finesse extrême. Les écrans micro-LED émergent comme la technologie d'affichage de nouvelle génération, permettant la conception d'écrans incurvés avec une luminosité et un contraste supérieurs, et offrant ainsi une plus grande flexibilité pour la conception des affichages embarqués.
Toutefois, les écrans OLED souffrent de rémanence d'image, entraînant une dégradation des pixels après un affichage statique prolongé, et leur durée de vie est inférieure à celle des écrans LCD. Les écrans micro-LED sont onéreux en raison des difficultés liées à leur production de masse.
Les différences détaillées entre les écrans LCD TFT, OLED et micro-LED sont résumées dans le tableau 1.

Tableau 1. Comparaison entre les écrans LCD, OLED et micro-LED³

Les écrans LCD TFT existants peuvent être modernisés grâce à une source de rétroéclairage mini-LED (diode électroluminescente submillimétrique) et à une technologie de gradation. Les mini-LED sont des LED conventionnelles miniaturisées et constituent une transition vers les micro-LED. Les LED dont les dimensions sont inférieures à 200 micromètres sont classées comme mini-LED, tandis que celles dont les dimensions sont inférieures à 100 micromètres sont classées comme micro-LED.⁵
Bien que les mini-LED servent principalement de source de rétroéclairage dans les écrans LCD, elles améliorent l'épaisseur et le contraste de ces écrans tout en offrant des solutions économiques.

Contrôleurs de pixels :
Différentes couleurs sont synthétisées par le mélange des trois couleurs primaires (rouge, vert et bleu). Ce mélange forme un pixel, comme illustré sur la figure 5. Chaque pixel est composé de trois sous-pixels, gérés et combinés pour former un seul pixel.
Les écrans TFT LCD, micro-LED et OLED utilisent des méthodes différentes pour contrôler ces sous-pixels, en raison de leurs technologies d’affichage et procédés de fabrication distincts. Par exemple, la Tesla Model 3 est équipée d’un écran TFT LCD de 15,4 pouces d’une résolution de 1 920 × 1 200 pixels, soit un total de 6,91 millions de sous-pixels.

Figure 5. Pixel.

Dans un écran LCD TFT, le circuit équivalent d'un sous-pixel, qui contrôle le champ électrique à travers le cristal liquide, est illustré à la figure 6. Il se compose d'un transistor, d'un condensateur à cristal liquide (CLC) et d'un condensateur de stockage. Le circuit de commande de grille fournit une tension positive, appelée tension de grille haute (VGH), pour activer le TFT, et une tension négative, appelée tension de grille basse (VGL), pour le désactiver. Les informations d'image sont envoyées au circuit de commande de source, qui charge le CLC. Le condensateur de stockage (SC) sert de tampon pour éviter les fuites de courant du CLC. L'article « Nouvelle structure de commande pour augmenter le taux de charge des pixels des écrans LCD TFT UHD à fréquence d'images élevée » analyse plus en détail les circuits de commande de pixels dans les écrans LCD TFT.⁴
Le scintillement ou la persistance d'image dans les écrans LCD TFT est dû à la capacité parasite (CGD) présente entre les nœuds de grille et de drain du TFT. Lorsque le contenu de l'image change et que le TFT passe de l'état passant à l'état bloqué, une chute de tension se produit aux bornes du CLC en raison d'un diviseur de tension capacitif entre CGD et CLC||CST. Pour améliorer la constance des performances du panneau, la tension commune de la carte mère (VCOM) est introduite et ajustée au centre de la tension du pixel pendant le temps de transition du pixel.

Figure 6. Un contrôleur de pixels conventionnel.

La topologie des contrôleurs de pixels les plus courants dans les écrans micro-LED et OLED est similaire, mais plus complexe, à celle des écrans LCD TFT en raison du processus de fabrication et de l'intégration des circuits TFT avec les LED sur un substrat de verre ou de polyimide. Par conséquent, la luminosité de chaque LED est contrôlée individuellement.⁸ Comme illustré sur la figure 7, un contrôleur de pixels simple, appelé 2T1C (deux transistors et un condensateur de stockage), est décrit dans l'article « Technologies de pilotage pour les écrans OLED ».⁵ Dans ce contrôleur, le signal d'émission analogique de la LED est envoyé au TFT M1. La tension de seuil (VGS) est ensuite stockée dans (CST), qui sert à contrôler le TFT M2 en zone de saturation, comme illustré sur la figure 8. Le TFT de contrôle M2 maintient les LED à un courant constant grâce à la tension positive (VDD) et à la tension de cathode (VSS). La méthode de contrôle du fonctionnement en saturation de ce contrôleur de pixels 2T1C présente l'avantage de prolonger la durée de vie de la LED par rapport au fonctionnement dans la région linéaire du TFT de contrôle.

Figure 7. Un pilote de pixel 2T1C d'OLED ou de micro-LED.

Figure 8. Caractéristiques de sortie du transistor MOS.

Cependant, le circuit de commande de pixels 2T1C présente certains inconvénients, notamment le problème de Mura et la variation de la tension de seuil sous polarisation électrique. Le problème de Mura correspond à l'hétérogénéité de la luminosité de l'écran, principalement due aux variations du processus de fabrication, telles que la densité des couches TFT, l'uniformité de la tension directe des LED et la tension de seuil. Ces effets entraînent des problèmes de qualité d'image. Bien que les meilleurs procédés de fabrication ne puissent éliminer complètement la variation de la tension de seuil, des circuits de pixels utilisant des méthodes de rétroaction de tension et de surcompensation de cette variation ont été proposés pour améliorer la qualité d'image.
La méthode de commande 7T1C proposée dans l'article « Amélioration de la qualité d'image des écrans AMOLED à fréquence de rafraîchissement variable grâce à un schéma de compensation de tension initiale variable » est illustrée figure 9.6. Ce circuit de pixel 7T1C comporte trois étapes de fonctionnement, comme le montre la figure 10 : initialisation, compensation et émission. Le TFT M4 est utilisé pour la connexion de la diode du TFT de commande M3. Pendant la compensation, la tension stockée dans le CST par le circuit de commande maintient l'émission de la LED. Les transistors TFT M1, M6 et M7 servent à empêcher l'allumage de la LED. Par ailleurs, un circuit de pixel 7T2C a été proposé dans l'article « Circuit de pixel à luminance uniforme et faible scintillement et ses méthodes de pilotage pour écrans AMOLED à fréquence d'images variable ».

Figure 9. Schéma d'un contrôleur de pixels 7T1C.

Figure 10. Séquence de contrôle des pixels de compensation 7T1C : (a) initialisation, (b) compensation et (c) émission.

Actuellement, la technologie des cartes mères pour écrans a évolué, passant des transistors TFT en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) aux transistors TFT en silicium polycristallin basse température (LTPS) et en oxyde de silicium polycristallin basse température (LTPO), qui constituent la nouvelle génération de cartes mères pour l'électronique grand public. Les transistors TFT a-Si:H présentent une faible mobilité des porteurs (1 cm²/Vs), ce qui se traduit par une taille de carte mère importante et une consommation d'énergie plus élevée. Les transistors TFT LTPS offrent une mobilité des porteurs plus élevée (> 50 cm²/Vs), les rendant adaptés aux écrans OLED. Cependant, les transistors TFT LTPS présentent généralement un courant de repos élevé. En revanche, les transistors TFT LTPO présentent un faible courant de repos. C'est pourquoi l'utilisation d'une architecture de pixels hybrides combinant les technologies TFT LTPS et LTPO dans les cartes mères pour écrans OLED/micro-LED est à l'étude.

Conclusion :
Les écrans embarqués jouent un rôle de plus en plus important dans l’expérience à bord, les consommateurs ayant des attentes toujours plus élevées en matière de visibilité, de sécurité et d’ergonomie. Les écrans automobiles doivent relever des défis importants pour offrir une qualité d’image exceptionnelle avec une haute résolution et un contraste élevé, une conception flexible, une grande taille et des solutions économiques.
Cet article analyse les caractéristiques des écrans TFT-LCD, OLED et micro-LED. Pour obtenir de meilleures performances d’affichage, le contrôleur de pixels des écrans OLED et micro-LED est plus complexe que celui des écrans TFT-LCD. Par conséquent, les écrans OLED et micro-LED sont coûteux en raison des difficultés de production en série. Les écrans Mini-LED LCD avec technologie de gradation locale constituent une solution intermédiaire entre les écrans micro-LED et OLED.
La seconde partie de cet article est consacrée aux techniques d’alimentation des écrans automobiles, notamment le circuit de commande du rétroéclairage, le circuit intégré de gestion de l’alimentation (PMIC) de polarisation des écrans TFT et les fonctions de gradation locale.

Références
1 You Xiang Stacy Wu. « Perspectives du marché des écrans automobiles. » 26e atelier international sur les écrans et dispositifs à matrice active (AM-FPD), IEEE, septembre 2019.
2 Robert Prange. « Tendances du traitement du verre pour les écrans automobiles. » Glastory, décembre 2024.
3 « Que sont les micro-LED, les mini-LED et les micro-OLED ? Explication des différentes technologies d’affichage émergentes. » LEDinside, août 2021.
4 Chih-Lung Lin, Jui-Hung Chang, Fu-Hsing Chen, Po-Cheng Lai, Yi-Chien Chen et Cheng-Han Ke. « Nouvelle structure de conduction pour augmenter le taux de charge des pixels des écrans TFT-LCD UHD à fréquence d’images élevée. » IEEE Access, vol. 10, août 2022.
5 Yojiro Matsueda. « Technologies de pilotage pour écrans OLED. » Manuel des diodes électroluminescentes organiques, Springer, 2022.
6 Li Jin Kim, Sujin Jung, Hee Jun Kim, Bong Hwan Kim, Kyung Joon Kwon, Yong Min Ha et Hyun Jae Kim. « Amélioration de la qualité d’image des écrans AMOLED à fréquence de rafraîchissement variable grâce à un système de compensation de tension initiale variable. » Scientific Reports, vol. 12, avril 2022.
7 Younsik Kim, Kyunghoon Chung, Jaemyung Lim et Oh-Kyong Kwon. « Circuit de pixels à luminance uniforme et faible scintillement et ses méthodes de contrôle pour les écrans AMOLED à fréquence d’images variable. » IEEE Access, vol. 11, 2023.

À propos de l'auteur :
Yujie Bai est ingénieur d'applications senior chez Analog Devices , où il est responsable du support et des applications des produits d'alimentation pour l'automobile. Yujie a rejoint Maxim Integrated (désormais intégrée à ADI) en 2020 et est titulaire d'un master en génie électrique de l'Université de Miami (Ohio).