Histoire des premiers écrans aux écrans tactiles

Aujourd’hui, de plus en plus de systèmes électroniques nécessitent des systèmes d’affichage.
En effet, les systèmes d’affichages sont utilisés dans tous les domaines, et sont de plus en plus spécialisés.
Je réalise ce projet de 2e semestre avec Valentin MARQUES, Rami BOUSLIMANI, Thibault DESSART et comme coach M. POISSON. Nous devons réaliser le jeu connu de tous, le SIMON. Il consiste à une reproduction de combinaisons lumineuses de plus en plus grandes. Ce projet va me permettre de développer mes compétences en programmation, systèmes électroniques ainsi qu’en réalisation de cartes.
Mes recherches vont me permettre de choisir le système d’affichage le plus performant pour l’affichage du score de ce jeu. Aussi, je me suis alors intéressé aux évolutions des systèmes de ces systèmes depuis leurs créations.
Pour cela nous allons d’abord voir, dans une première partie, les premières technologies d’affichage, la base de leur fonctionnement. Puis dans un deuxième temps, nous allons étudier la technologie d’aujourd’hui, comment elle fonctionne et ses objectifs. Dans une troisième partie, j’envisagerai les technologies futures, celles qui seront utilisées demain. Pour finir, je ferai un point sur l’élément retenu dans mon projet et justifierai les pertinences de ce choix.

1 Les premières technologies

Le 20e siècle a vu l’apparition des grandes innovations technologiques, ce qui a donné la naissance des premiers afficheurs électrique telle que les premier chiffres et l’apparition des premières images électriques, qui pour la plupart ne sont plus utilisés de nos jours mais représente parfois la base du fonctionnement de ce que nous utilisons aujourd’hui.

1.1 L‘apparition des chiffres

1.1.1 Les tubes Nixie

Tout d’abord, les Tubes Nixie présent sur la figure 3 ont été créé par la société Haydu Brothers Laboratories et commercialisera ces tubes en 1954. Le principe des tubes Nixie est très simple. Un tube Nixie est un empilement de 10 cathodes qui n’ont aucun contact entre elles. Chaque cathode à la forme d’un chiffre différent avec chacune leurs broches attribuées.
Lors de l’application d’une tension aux bornes du tube d’environ 170V grâce à une résistance de quelques kilo ohm, le gaz présent dans le tube s’ionise. Ainsi un mouvement de charges positives vers la cathode se crée ainsi avec le plasma présent autour de la cathode va émettre des photons ce qui va générer un halo lumineux.
Il possède de nombreux avantages malgré les 170V, ces tubes perdurent dans le temps donc restent très fiables et le courant n’étant que de quelques milliampères, ce qui en fait une

solution économique en termes de courant.

Figure 4 Tube Nixie avec un décodeur

On peut de nos jours, retrouver le tube Nixie dans certains systèmes dotés d’un décodeur que présent sur la figure 4. Ici, chaque signal d’horloge permet compter, ainsi de contrôler le tube en alimentant la bonne cathode.

1.1.2 Les afficheurs à palettes

Plus connu et plus présent que les tubes Nixie, l’afficheur a palettes aussi appelé « Split-flap » ne se limite pas non plus aux chiffres. Apparu dans le milieu des années 1950, ils ont été massivement utilisé dans les gares et aéroports avant d’être remplacé 50 ans après par des technologies plus récentes car très énergivores.
Le principe étant que chaque palette est activée grâce à un petit moteur électrique qui en faisant tourner les palettes permet d’afficher un caractère alphanumérique.
Ce système possède malgré tout quelques avantages :
– Grande durée de vie
– Peu d’entretien
– Facilité d’emploi
Bien qu’il consomme beaucoup pour sa possibilité d’affichage, il a été remplacé par des systèmes plus visuels avec les écrans LCD par exemple.

1.1.3 Les 7 segments

Cet afficheur porte le nom de 7 segments car il est doté comme son nom l’indique de 7 LED sous forme de segment. Cet afficheur est très basique et pourtant très utilisé par exemple dans les réveils, micro-ondes, horloge etc. Il est composé d’une diode par segment avec un bandeau de verre placé au-dessus. Le 7 segments sont nommés a, b, c, d, e, f et g sans compter le « decimal point » appelé DP sur la figure suivante.

Figure 6 Nom des segments du 7 segments

Il existe deux types de 7 segments :
– Afficheur à anodes communes : Les LED sont reliées au potentiel haut, ici la commande se fait alors par un potentiel bas.
– Afficheur à cathodes communes : Les LED sont reliées au potentiel bas, ici la commande se fait par un potentiel haut.
Aujourd’hui, ces types d’afficheur sont multiplexés comme pour les Matrice LED, car ils nécessitent de nombreuses sorties soit 8 pour seulement un afficheur. Ainsi, ils deviennent facilement contrôlables par un code binaire ou hexadécimal.
Ils sont notamment utilisés avec des décodeurs, des compteurs ou par chaque front montant, chaque impulsion, va compter afin d’afficher les bons segments de l’afficheur avec seulement 4 bits. On peut prendre par exemple du 4026b de Texas Instrument.

Figure 8 Décodage d\’un 7 segments

Ce principe a permis une intégration plus aisée dans les systèmes actuelles par son efficacités.

1.2 Des afficheurs hauts en couleurs

1.2.1 L’écran Plasma

L’écran plasma fut inventé en 1964 par deux professeurs de l’université de l’Illinois. Ces principales utilisations ont été dans les gares ou dans les milieux industriels en raison de son grand angle de vision ainsi que de sa grande taille.

1.2.1.1 Le plasma

Tour d’abords le plasma est un état physique de la matière. Il permet d’accélérer la circulation des électrons d’une tension électrique élevée. Lors de l’application d’une tension, un brassage de plasma grâce à la tension électrique, va se créer ainsi les ions et électrons vont s’entrechoquer ce qui va émettre des photons, cela créant ainsi une lumière. Pour réaliser ce brassage du plasma afin d’entrechoquer les ions et électrons qui là compose, il est nécessaire d’utiliser une tension alternative. Cependant, la lumière émise par cette réaction est de l’ordre de l’ultraviolet et n’est alors visible par l’Homme. Alors, du phosphore est utilisé pour convertir ces photons.

1.2.1.2 Composition

Les systèmes d’afficheur plasma est constitué de centaines de milliers de pixels. Chacun de ces pixels est constitué de trois cellules différentes contenant chacune un gaz rare, du xénon et du néon.

Figure 9 Schéma d\’un afficheur plasma

Chaque cellule est placée entre deux électrodes afin de parvenir à la tension voulu à l’intérieur de ces cellules contenant le gaz pour le brassage vu précédemment. L’électrode placée à l’arrière de la cellule est nommée « électrode d’adresse » et celle placée à l’avant de la cellule se nomme « électrode d’affichage ». L’électrode d’affichage se doit d’être transparente pour ne pas gêner l’affichage. Ces deux électrodes sont entourée d’un matériau diélectrique ainsi que d’une couche de protection d’oxyde de magnésium ( MgO ).

1.2.1.3 Fonctionnement

Les électrodes d’affichages sont positionnées horizontalement et les électrodes d’adresse verticalement. Ce système forme une grille où à chaque intersection se trouve un pixel. Avec ce cadrillage, il suffit d’alimenter par une forte tension alternative sur les intersections des électrodes afin de brasser le plasma à l’intérieur de la cellule. Cela va créer des rayons ultra-violets qui en contact avec le phosphore va former la lumière colorée.

Figure 10 Grille formée par les électrodes
Bien que remplacé par des technologies plus récentes, les écrans plasma permettent des écrans de dimensions sans réellement de limite de taille tout en restant particulièrement plat avec seulement quelques centimètres de profondeur avec malgré tout un angle de vision élevé et un contraste suffisant.

2 Les systèmes d’aujourd’hui

De nos jours, les affichages se perfectionnent de plus en plus et ainsi d’avantage dans un but précis, une utilisation bien déterminée. Encore aujourd’hui ils ne cessent d’évoluer. Ainsi on peut alors voir de nouvelles technologies qui révolutionnent les anciens systèmes pour les remplacer suites à des avancées technologiques comme la technologie LCD, OLED et leurs améliorations.

2.1 L’âge des cristaux liquides

2.1.1 Les écrans LCD
Apparu dans les années 1970, cette technologie a remplacé beaucoup d’autre par sa novation, notamment à partir de 1990 par sa commercialisation dans les ordinateurs et les téléviseurs. Ces aujourd’hui l’une des technologies les plus utilisées.
Ce système d’écran plat procède par filtrage pour y afficher des images en couleurs. Le filtrage est un procédé qui consiste à superposer plusieurs couches de différents matériaux avec des propriétés différentes pour but de laisser passer que certains éléments comme ici avec la luminosité. Il repose sur 2 propriétés des cristaux liquides qui sont :
– Faculté à être orientés lorsqu’ils sont soumis à un courant électrique
– Capacité à modifier la polarisation de la lumière qui les traverse
2.1.1.1 Fonctionnement
Prenons un cas très populaire, la dalle d’un téléviseur LCD. La dalle est composée d’une couche de cristaux liquides placée entre 2 électrodes. De part et d’autre de laquelle sont plaquées 2 filtres polarisants, l’un polarisants horizontalement et l’autre verticalement. Une source lumineuse est placée à l’arrières pour le rétro-éclairage. Si aucune tension n’est appliquée aux électrodes pour orienter les cristaux liquides, la lumière ne peut alors pas traverser les cristaux.
En appliquant une tension aux bornes des électrodes et en la faisant varier, l’orientation des cristaux de chaque cellule varie également. Cette variation implique alors une variation de la polarisation initiale de la lumière de telle sorte qu’elle puisse plus ou moins passer dans le second filtre polarisant. Ce processus détermine la luminosité de chaque pixel.
En ce qui concerne la couleur, cela se fait par synthèse additive des trois couleurs primaires, c’est-à-dire rouge vert bleu. Chaque pixel est constitué de 3 cellules (une par couleur) nommées également sous-pixels. Ces cellules contiennent des cristaux, ainsi en laissant passer qu’une des trois composantes du pixel on parvient alors à obtenir une teinte spécifique en faisant varier l’intensité lumineuse.
Cette technologie du début à subit de nombreuses améliorations telle qu’un meilleur contraste ou une meilleure luminosité, couleur et bien d’autre chose. Il y a eu 2 grandes familles de dalles différentes :
– Les dalles IPS (In Plane Switching)
– Les dalles VA (Vertical Alignement)
2.1.1.2 Les principales Dalles

Figure 12 Schéma d\’une Dalle IPS

Cette technologie exploite des cellules dans lesquelles, au repos, les cristaux sont alignés sur un axe parallèle au plan de l’écran. Ce système est utilisé par de grand nom dans le domaine comme LG, Sony ou bien Panasonic car il présente un avantage intéressant. En effet, il permet d’assurer une diffusion uniforme de l’image de la lumière selon un angles de visualisation très large. En revanche, cet alignement permet de moins bien bloquer la lumière, ce qui implique un noir moins profond et donc un contraste plus faible qui peut cependant être compensé par un rétro-éclairage optimal c’est le Local Dimming.
Ici, le cristaux liquides sont alignés selon un axe perpendiculaire au plan de l’écran. Ce système présente l’avantage de mieux jouer sur la lumière, de mieux la bloquer pour un contraste plus élevé. Ce type de dalle est beaucoup utilisé par l’entreprise Sud-Coréenne Samsung. Cependant, il a tendance à diminuer les angles de visualisations et ainsi l’images peut se dégrader par rapport à notre position autour de la dalle.

Figure 13 Schéma d\’une VA

2.1.1.3 Rétroéclairage
Le choix du rétroéclairage pour un afficheur comme le LCD est primordial puisqu’il impacte directement le contraste et la qualité de l’image. Durant les premières technologies, ce rôle était réalisé par des tubes CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp). Cette technologie plus onéreuse en énergie et moins performante que les LED. Puis par la suite, l’arrivée des LED (Light Emitting Diode) ont permis de mieux assurer ce rôle important. Elles ont apporté une réduction de l’épaisseur des téléviseurs et améliorent la qualité d’image.
Aujourd’hui, deux types systèmes d’éclairage par LED sont utilisés :
– Direct LED
– Edge LED
De plus plusieurs types de LED peuvent être utilisées pour différentes performances :
– LED blanches « classiques »
– LED RVB (Rouge, Vert, Bleu), plus connu sous le nom de LED RGB
– LED Bleues au phosphore qui donne un blanc plus pur
2.1.1.3.1 Direct LED
Le rétroéclairage Direct LED consiste à placer les LED en damier derrière la dalle LCD afin d’obtenir une meilleure homogénéité de luminosité sur l’écran. Elle nécessite des LED blanches ou bien des LED RVB pour un meilleur rendu colorimétrique.

2.1.1.3.2 Edge LED
Cette technique est composée de deux rampes de LED en haut et en bas de la dalle et parfois même sur les côtés (voir figure 7). Ces bandes de LED sont accompagnées de réflecteurs qui assure la diffusion de la lumière sur la totalité de l’écran, à travers tous les pixels. Ce système permet la création d’écran plus fin. Cependant, il est plus difficile pour lui de diffuser de façon uniforme la lumière sur tous les pixels.
2.1.1.4 Local Dimming
En français, « Gradation Locale », ce système est surtout exploité avec le rétroéclairage Direct LED. Il permet de gérer finement rétroéclairage à l’aide de plusieurs zones afin de mieux l’ajuster à l’image. Alors le système Direct LED permet la mise en place beaucoup plus facilement et de façon plus performante que les autres systèmes. On peut parler de Micro Dimming lorsque l’écran en question possède un nombre important de zones. Chez le fabricant Philips, il est possible de retrouver environ 6400 zones dans certains téléviseurs.

Figure 15 Local Dimming

2.1.1.5 Quantum Dots – Filtre à boîte quantique

Arrivée très récemment, il s’agit d’une technologie totalement novatrice et nouvelle dans ce domaine. Cette technologie est aujourd’hui mise en avant par les entreprises Samsung, LG ou bien Sony. Ce procédé consiste à l’intercalage d’une couche entre le rétroéclairage et la dalle LCD pour compléter leurs performances. Le filtre quantique exploite les propriétés des nanocristaux de séléniure de cadmium. Elles émettent, à l’aide du rétroéclairage, une lumière dont la longueur d’onde va découler de leurs formes ou de leurs tailles. Ce procédé permet d’exploité le plus proche possible des 100% du spectre colorimétrique.

2.1.2 L’avancée OLED
Apparu en 1987, et utilisée à un but commercial en 1997. Cette technologie est très comparée la technologie LCD bien qu’avec le temps, elle compte remplacer cette technologie comme celle des écrans plasma vu précédemment. Elle est au cœur aujourd’hui de tous les appareils de la marque américaine Apple. En effet elle utilise le principe de filtre aussi. Cependant cette technologie se détache de des écrans à cristaux liquides car elle ne nécessite pas de rétroéclairage. En effet, OLED signifie Organic Light Emitting Diode et elle produit elle-même sa lumière à partir de substance organique qui s’illumine quand elle est traversée par un courant.

2.1.2.1 Fonctionnement

Les afficheurs OLED n’utilise pas les cristaux liquides comme son prédécesseur, son principe repose sur l’utilisation de diodes superposées qui avec un courant vont émettre leurs propres lumières. Ici, chaque pixel est composé de trois diodes accolée (Bleu, Rouge et Vert) dont l’épaisseur ne surpasse pas un millimètre. Ces diodes ont la particularité d’être constituées d’un semi-conducteur organique ainsi composées de Carbone ( C ), hydrogène ( H ) et d’azote ( N ) qui sont recouvertes ensuite d’une cathode métallique et d’une anode transparente. Alors pour la technologie OLED ce sont des transistors chargés d’allumer ou d’éteindre les LED, d’y faire passer ou non du courant dans chaque sous pixels.

Figure 17 Schéma d\’un pixel OLED

2.1.2.2 Les atouts de ce système

Les avantages de ce système sont nombreux :
– Comme expliqué précédemment, ce processus produit sa propre lumière et ne nécessite pas de rétroéclairage, ce qui implique moins d’encombrement, plus léger soit environ 2 fois plus qu’un écran à cristaux liquides et une économie d’énergie importante.
– Le coût de fabrication de l’écran est moins onéreux dont peut paraitre plus rentables que des technologies similaires.
– Le contraste, les couleurs et son angle de vision sont d’avantages profitables à cette technologie. On peut expliquer cela par le fait que chaque pixel émet sa propre lumière, elle est alors mieux restituée pour percevoir des couleurs de meilleures qualités et une diffusion proche des 90° par rapport au centre de l’image ce qui est par exemple plus large que la technologie LCD qui est très directive.
– Une réactivité, c’est-à-dire une capacité à changer de couleur accrue face aux cristaux liquides. Environ 0,1ms pour un écran OLED et seulement 1 à 5ms pour une écran LCD.
– Ce type d’afficheur affiche notamment un véritable noir, dans le sens qu’il correspond à aucune émission de lumière avec une LED éteinte ce qui rend la technologie OLED d’avantage économique.
Cependant, ce procédé possède malgré de nombreux avantages quelques inconvénients :
– La longévité de ce type d’écran est plus faible que ses concurrents.
– Les semi-conducteurs organiques présents dans ces afficheurs sont sensibles à l’humidité, ce qui parfois peut être un frein à son utilisation.
2.1.2.3 Applications
Cette technologie est de plus en plus utilisée à travers de diverse but, elle est au centre de la plupart de nos téléphones mobiles comme avec la marque Apple, cité précédemment dans leurs Iphone, dans certains appareils photos numériques ou dédiés à la flexibilité avec des bracelets numérique. Elle est même employée dans des éclairages écologiques, et ses progrès sont fréquents. Sa flexibilité et son aspect économique en font un élément précieux et très appréciable.
Aujourd’hui, les écrans LCD aussi sont commandé par une couche de transistor TFT (Thin-Film Transistor) fonctionnant comme interrupteur électronique, utilisé dans nos ordinateurs portables.

2.1.3 Les caractéristiques

Pour le choix d’un écran de type LCD ou bien OLED, il faut prêter attention aux caractéristiques de ses téléviseurs. Même en connaissant les technologies, il faut prendre connaissance de leurs performances.
Tout d’abord la résolution d’image correspond au nombre de pixel présent sur la dalle pour afficher une image. Plus le nombre de pixel est important plus la résolution est haute. Les notions suivantes sont les plus courantes :
– UHD : Ultra Haute définition.
– 4k : Correspond à une image de 4096*2160 pixels, utilisée dans les cinémas, et les téléviseurs et smartphones.
Un écran est aussi caractérisé par ses dimensions en termes de largeur, longueurs, hauteur ou bien épaisseur. Ces dimensions sont données en pouces .
2.2 Vers une nouvelle interaction
Le développement des afficheurs dans tous nos systèmes ainsi que la volonté qu’ils soient mobiles ont nécessité une nouvelle façon d’interagir avec notre système, ils ont alors de plus en plus équipés par cette technologie.

2.2.1 Le tactile

Cette amélioration permet d’interagir avec nos smartphones par exemple simplement avec notre doigt ce qui facilite notre quotidien. Cette technologie est catégorisée comme un capteur, en général il est placé au-dessus de l’écran. Il s’agit d’une légère couche de verre ou de polymère. Un signal passant à travers cette couche est modifié par un appuie de notre par avec notre doigt et c’est ainsi que l’on interagit avec nos appareils. Cela crée une perturbation ainsi un contrôleur traduit l’information des capteurs pour aider le logiciel à trouver la localisation.

Figure 18 Différentes couches pour un capteur tactile
Pour utiliser cette technologie, il y a différents procédés. Parmi elles, il en existe quatre principales technologies.
2.2.1.1 Tactile Résistif

Figure 19 Représentation du fonctionnement du tactile résistif
Ce capteur se compose de 2 couches séparées par un invisibles entretoise qui joue le rôle de diviseur de tension. En effet, lors d’un appuie, la couche en surface, résistive rapproche les 2 couches conductrices, ce qui change le courant dans la plaque. L’information est alors interprétée par le contrôleur. Ainsi, le logiciel, détecte le point qui a été touché.
Ce dispositif est suffisamment fiable et peu onéreux mais possède l’inconvénient de ne pas perdurer dans le temps, dû à sa couche en polyester.

2.2.1.2 Tactile Capacitif

Sûrement l’une des technologies les plus utilisées. Ce dispositif est composé d’une couche de verre et d’un matériau conducteur, de l‘Indium Tin Oxyde, utilisé pour ses propriétés de semi-conducteur transparent. Avec les charges présentes dans notre corps, cela va déséquilibrer le champ électrostatique. En effet, fait de matrice de lignes et de colonnes de matériaux conductifs. Le champ électrostatique créé par la tension appliquée, est alors déformé lors de la proximité d’un objet conducteur, comme un doigt avec les charges présentes dans notre corps. Alors, le système va déterminer la localisation de cette perturbation.

Figure 20 Représentation du fonctionnement du tactile capacitif
Le point de contact sera ensuite calculé par le contrôleur. Cette technologie est utilisée par la marque Sud-Coréenne Samsung, possède l’avantage d’être plus durable dans le temps et surtout plus rapide.
2.2.1.3 Tactile Acoustique
Ce dispositif est plus précis que les précèdent. Il est composé d’une couche de verre. Son principe de fonctionnement repose sur la réception d’onde acoustique qui passe à travers la plaque de verre. Une paire d’émetteur récepteur dans chaque coin. Ainsi un transducteur placé sur le côté émet des vagues ultrasoniques sur le long des 2 cotés. Les vagues sont alors reçu par les récepteurs. Quand un objet conducteur touche l’écran, la couche de verre, quelques inaudibles vagues sont absorbé. Cette perte est mesurée par les récepteurs et ainsi une touche est détectée.
2.2.1.4 Le tactile infra-rouge
Ce système repose sur un fonctionnement très simple. Avec des diodes infra-rouges de chaque côté de l’écran, cela va créer une grille avec les faisceaux infra-rouges. Lors d’un appuie sur l’écran, des faisceaux vont être rompu afin de déterminer ensuite les coordonnées de l’appuie grâce à cette grille.

Figure 21 Principe de fonctionnement du tactile infra-rouge
2.2.2 Des promesses pour le futur
De nouvelle technologie dans ce domaine sont actuellement en développement ou bien en test. On peut déjà parler du système piézoélectrique qui part détection d’énergie mécanique produit par la pression appliqué sur l’écran sur chaque coin. Ce système pourra être efficace dans les cas où la surface tend à se détériorer.
Une technologie de tactile 3D tend à faire son apparition un jour pour y ajouter la sensation du toucher.
2.3 Une spécialisation de création
Aujourd’hui, nous ne cherchons plus à créer des afficheurs uniquement pour afficher. Ils sont maintenant conçus dans un but précis, une cible précise.
On peut déjà distinguer les afficheurs conçus pour un particulier ou bien pour un professionnel. Le système va s’adapter à notre besoin, notre utilisation. Il y a notamment des afficheurs conçus, pensés uniquement pour l’extérieurs avec par exemple pour des publicités. Afficheur doté d’une grande taille pour être visible. Alors qu’une tablette doit être petite pour tenir dans nos bras, économique en énergie pour pouvoir rester mobile. Nos systèmes se perfectionne en fonction de leurs utilisations. C’est pour cela qu’il est important de juger les critères essentiels pour un choix d’afficheur.
3 L’affichage de demain
Dans de nombreux film de futuriste, on peut y voir des idées pour le futur tel que des hologrammes, une amélioration de nos projections. En effet nos systèmes vont encore s’améliorer avec les recherches, les avancés scientifiques. Le système à écran plasma en est un bon exemple, avec les progrès, il a été remplacé par la technologie LCD qui quant à elle tend à se faire remplacer par la technologie OLED.
3.1 Le futur de la technologie OLED
La technologie MicroLED apparu dans les années 2000, reprend les idées de la technologie OLED, en effet elle ne nécessite pas de rétroéclairage et est aussi composée de LED mais en possède 3 ou 4 en un point ce qui-là rend plus performante que son prédécesseur avec donc un meilleur rendement. Pour un contraste similaire au système OLED, elle ne possède pourtant pas de matériaux organiques comme il est présent dans les LED organique. Ce changement permet une meilleure durabilité dans le temps ainsi qu’une meilleure résistance à l’humidité. Le composée organique est remplacé par du Nitrure de Galium ( GaN ) sur du silicone. D’autant plus qu’il n’a pas le besoin d’épaisseur pour la polarisation et les composants micro-LED ne mesurent pas plus de 100µm d’épaisseur, comparable à nos cheveux.
Cette innovation, cette amélioration de la technologie OLED a été présente par Samsung à nouveau avec « The Wall », un écran géant de 146 pouces soit 3,7m. Elle tend aujourd’hui à remplacer les afficheur OLED et à être bientôt intégré dans nos smartphones principalement dû à sa faible consommation d’énergie soit 50% de moins que les LED organique car elle pourra proposer dans un futur proche une définition 8k.

Figure 22 \”The Wall\” par Samsung

3.2 Vers un affichage 3D
Fin 2003, une petite entreprise de San Fransisco, IO2 a présenté un dispositif d’affichage dans les aires, créant l’illusion d’un hologramme. Cette technologie se nomme Heliodisplay par son créateur Chad Dyner.
Le Fog Screen, autrement dit écran de fumée est un processus permettant de créer une image dans les aires grâce à un flux d’air important et non turbulent pour ne pas dégrader l’image à afficher mais aussi pour protéger le brouillard sec généré à l’intérieur. Entre ces deux couches d’aires, une image peut alors être projetée et à la fois traversée. Cela permet de palier à la nécessité d’un support non transparent tel qu’un mur pour projeter son image. Heliodispaly s’inspire de ce processus puisqu’il crée un effet similaire au Fog Screen.

Figure 23 Principe de fonctionnement du Heliodisplay
En effet, il consiste à projeter un nuage de particules microscopiques, invisible à l’œil nu, en faisant passer l’air environnent à travers une pompe à chaleur à température inférieur à son point de rosée. A ce moment l’air se condense pour créer un nuage artificiel de gouttelettes entre 1 et 10 microns. La qualité de l’image peut être modifié en faisant varier les propriétés du nuage. Ce produit aujourd’hui, est destiné aux entreprises lors de salon, d’expositions, publicités car cela serait trop coûteux, environ 20000$. En revanche, le développeur assure que ce système ne servira pas à de la conception assistée par ordinateur ou pour des jeux vidéo par manque de fiabilité d’affichage avec ses 30 fps.

Figure 24 Affichage Heliodisplay
Une technologie de projection 3D prometteuse voit actuellement le jour également développé par Actuality Systems. Elle se nomme Perspecta. Son utilisation est de nos jours exclusivement réservé à des fins médicales.
4 Mon projet
Mes recherches se sont portées sur les systèmes d’affichage pour choisir un afficheur optimal doté de caractéristique adaptés à son utilisation. Les technologies étudiées sont :
– Tube Nixie
– Afficheur à palettes
– L’écran plasma
– Les 7 segments
– Matrice à LED
– LCD
– OLED
– MicroLED
– Heliodisplay
Pour ce projet, l’afficheur doit pouvoir afficher le score du jeu en temps réel d’une façon coloré, dynamique afin de mieux s’intégrer à un jeu sans être encombrant et énergivore.
4.1 Les avantages et les inconvénients

Tube Nixie : Ces tubes ne sont plus réellement utilisés de nos jours car ils nécessitent une grande tension de l’ordre de 170V ce qui les rends presque obsolète. Dans un jeu de société, une alimentation aussi forte ne permettrait pas une mobilité adéquate du jeu.
Afficheur à palettes : Afficheur permettant d’afficher des chiffres comme nécessaire. Cependant, il est trop encombrant et ne permet pas un affichage dynamique en couleur et est alors moins intéressant pour ce projet.
L’écran plasma : Le système permet un affichage en couleur mais cette technologie est trop encombrante et certainement trop fragile pour le déplacement perpétuel d’un jeu qui se doit d’être transportable.
Les 7 segments : Permet un affichage des nombres en couleur sont donc pertinent pour ce projet. En revanche il n’est pas très dynamique.
Matrice LED : Système très pertinent dans le sens où il permet un affichage couleur dynamique peu encombrant tout en utilisant seulement LED pour afficher, ce qui diminue alors les coûts possibles.
LCD : Ce dispositif permet un affichage dynamique sans être trop onéreux en énergie. Cependant, pour afficher uniquement un score, il n’est pas nécessaire d’utiliser une telle technologie graphique.
OLED : Cette technologie est comparable à la technologie LCD dans le sens où utiliser un écran OLED serait surdimensionner l’afficheur pour seulement afficher un score, bien qu’il soit moins coûteux que ses semblables.
La technologie retenue pour ce projet est la matrice LED. Elle correspond à toutes les contraintes et critères retenues pour l’affiche du score dans ce projet de façon dynamique et colorées.
4.2 La Matrice LED

Figure 25 Matrice LED Matrix MAX7219
La matrice choisie est une matrice LED rouge, de 8 LED par 8 LED comme présent sur la figure 22. Le composant MAX7219 est un multiplexeur permettant de contrôler cet afficheur avec seulement 3 broches afin libérer des sorties sur la carte de développement Arduino UNO.

Le principe de fonctionnement de cette matrice LED repose sur 8 lignes et 8 colonnes. Ainsi par ce système, on retrouve la configuration suivante :
Ici, chaque LED correspond à une coordonnée dans la matrice correspondant à sa ligne et sa colonne. Ainsi, on peut facilement créer un motif. En allumant à la suite une série de l’aide plus rapidement que notre persistance puisse observer afin de créer le motif souhaité. Ce montage a l’avantage d’être peu énergivore car il est constitué de LED principalement et permet d’afficher plus que des chiffres. Une fois le paterne de chaque chiffre créé. L’Affichage peut commencer.
4.3 L’avancement du projet
A l’heure actuelle, le programme est réalisé et testé sur une plaque de test adéquat pour l’ajustement de certain point du programme.

Figure 27 Test du programme sur plaque test
Le circuit électronique a également été testé un peu plus tard et opérationnel aussi. Maintenant, il reste encore la conception du circuit imprimé qui va tout d’abord être réalisé sur le logiciel Kicad. Le plateau de jeu est aujourd’hui en cours de réalisation sur le logiciel de modélisation 3D SolidWorks pour une possible impression 3D du plateau de jeu.

Conclusion

Les systèmes d’affichages électriques existent depuis maintenant près d’un siècle. Une des premières apparitions en termes d’affichage électrique les tubes Nixie, tubes composés de cathodes et de gaz pour y afficher les chiffres puis l’affichage à palettes encore utilisés parfois de nos jours. Puis les LED sont apparues ainsi que les premiers afficheurs à écran plasma qui ont révolutionné le domaine car tout peut y être affiché. Ensuite les systèmes d’affichages se sont spécialisés selon leurs utilisations, tels que le médical, la publicité, voiture ou bien téléphone, ce qui a donné naissance à la technologie LCD. Celle-ci a remplacé petit à petit les écrans, son principe repose sur la superposition de différents filtres ainsi que de cristaux liquides. Les tubes Nixie ont été peu à peu remplacées par les digits à 7 segments pour 7 LED afin d’afficher de façon claire des chiffres. De plus les technologies, comme OLED ou MicroLED apparaissent et concurrencent la technologie à cristaux liquides car elle présente néanmoins quelques avantages ou bien la plupart des écrans aujourd’hui sont capables de réagir au toucher grâce aux capteurs qui leur sont associés. Ainsi, ce sens donné aux écrans tend à devenir de plus en plus performant selon par exemple son milieu, de nouveaux systèmes devraient voir le jour dans les années à venir pour certain comme l’Heliodisplay que l’on peut apercevoir déjà aujourd’hui ou bien Prospecta bientôt.
Pour ce projet, après ces recherches, mon choix s’est porté sur la matrice LED qui permet un affichage agréable, peu coûteux et suffisant pour son utilisation.
Pour conclure, ce travail en équipe durant ce 2e semestre m’a beaucoup apporté autant en termes de connaissance théorique et pratique dans le domaine de l’électronique et l’informatique qu’en savoir-faire en termes d’organisation, de gestion de planning ainsi que de travail d’équipe. En effet, ce projet m’a amené à m’intéresser aux différentes technologies d’afficheur électrique, afin de connaître leurs histoires et leurs principes de fonctionnement pour mieux les choisir dans mon projet un afficheur adapté et mieux les utiliser.

Résumé

Les premières technologies d’afficheur électrique sont apparues au cours du 20e siècle. Le premier système est les tubes Nixie. Des tubes remplies de gaz et de 10 cathodes, une pour chaque chiffre, dans un tube de verre. Ces tubes nécessitent cependant, une très forte tension pour son fonctionnement bien que sa fiabilité lui permette de perdurer dans le temps. L’afficheur a palettes quant à lui, très utilisé dans les gares et aéroport. Il est aujourd’hui utilisé pour son design principalement car il est remplacé depuis par les écrans LCD car il consomme beaucoup bien qu’il soit fiable, facile d’utilisation et nécessite peu d’entretiens. Les 7 segments sont aujourd’hui très utilisés. Son principe est simple de compréhension et est maintenant multiplexer et aussi décodé pour faciliter encore plus sont utilisations. Il permet l’affiche de chiffre de façon claire avec seulement 8 LED. Puis les afficheurs LCD (Liquid Crystal Display) sont apparus. Un système d’affichage reposant entièrement sur les propriétés des cristaux liquides ainsi que de filtrage de la lumière. Les écran LCD sont composés de rétroéclairage qui va émettre dans la lumière dans un filtre polarisant d’abord horizontalement puis dans les cristaux liquides. Ainsi la lumière passe alors dans les sous pixels qui vont donner la couleur à la lumière pour être polarisé à nouveau mais verticalement. La technologie OLED (Organic Light Emitting Diode) plus récente que la technologie LCD. Cette technologie émet sa lumière à travers ses LED. Cette technologie tend à remplacer les écrans LCD car moins coûteux en énergie, plus réactive et possède également un meilleur contraste. Pour compléter ces écrans, le capteur tactile est venu s’insérer dans nos écrans, il permet une meilleure interaction avec ces systèmes d’affichage puisqu’on intervient directement sur l’affiche. Plusieurs technologies sont aujourd’hui en développement pour révolutionner, changer nos affichages. Il est possible d’y trouver des afficheurs 3D comme l’Heliodisplay et le Perspecta. Pour mon projet, la solution retenue est la matrice LED car elle permet un affichage coloré, peu coûteux en énergie par rapport à d’autre systèmes d’affichage et offre la possibilité également d’un affichage dynamique qui ne se limite pas non plus aux chiffres.