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有機ELディスプレイは本当にスゴい技術なのか!? 3 LCDに匹敵する高精細化を実現する新技術

マイナビニュースより。
有機ELディスプレイは本当にスゴい技術なのか!?
3 LCDに匹敵する高精細化を実現する新技術



注目される高精細化技術「白色OLED+カラーフィルタ」

スマートフォン用ディスプレイの高精細化が進む中、アクティブマトリクス型有機EL(AMOLED)ディスプレイは、300ppi以上の高精細化は難しいとされていた。そこで、注目されている技術が、白色OLED+カラーフィルタ方式だ。
同方式を用いることで画素サイズおよび画素間のピッチはフォトリソグラフィの限界まで縮小でき、LCDに匹敵する高精細が得られる。一方、マスク塗り分け方式のAMOLEDも、画素配列によって高精細化を推し進めている。

白色OLEDは、メタルマスクを用いずに有機膜を基板全面にベタ蒸着できるのに加え、発光層は白色はRGB3色もしくはY(黄色)+Bという2色のタンデム構造で作製できる。また、タンデムデバイスは、1素子当たりの電流が少なく、長寿命化しやすい。広い面積を一様に発光させる場合、低電流で高電圧が有利となる。さらに、色の混合が容易であり、RGBの組み合わせで白色発光が得られるといったメリットがある。RGB3色の形成には、TFT-LCDでも使われているカラーフィルタで光を分解する。
カラーフィルタを用いることで画素サイズおよび画素間のピッチはTFT-LCDと同様にフォトリソグラフィ技術の限界まで縮小でき、高精細化が容易である。この反面、タンデム構造の積層分とカラーフィルタ分のプロセス・材料コストが増加する。加えて、OLEDの光をカラーフィルタで分解するため、理論的には30%以下まで輝度が低下し、ロスがRGB塗り分け方式に比べて大きい。輝度を上げるため、消費電力が増えるとともに、寿命にも影響が出てくる。視野角についても課題がある。これらの解決に向けては、高効率で安定した白色OLEDの開発および発光波長に適したカラーフィルタの開発が鍵となるという。

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タンデム構造のOLED。この図では、RGを混色させた発光Y(黄色)の発光ユニットとBの発光ユニットを積層させている。RGB3色分の発光ユニットを積層することも可能だが、その分製造コストは上がる (出所:Information DISPLAY Mar./Apr. 2013 Vol. 29, No.2)

このように良い面と悪い面それぞれ指摘があるものの、マスク塗り分けが厳しくなる中、さらなる高精細化に向けて、白色OLED+カラーフィルタ方式への期待が高まっている。ジャパンディスプレイは2013年3月、白色+カラーフィルタ方式のAMOLEDを公開した。サイズと解像度は、ここ最近スマートフォンに採用されているスペックを意識した5.2型フルHD(1920×1080画素、423ppi)。TFT基板には低温poly-Si TFTを採用し、カラーフィルタはRGB3色に、W(白色)が追加されている。今後は引き続き国内の材料・設備メーカーと連携を深めて、量産に向けた課題の克服に取り組んでいくとコメントしている。

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ジャパンディスプレイのスマートフォン向け白色+カラーフィルタ方式の5.2型AMOLED (出所:ジャパンディスプレイ)

また、TV向けの大型パネルでも採用されている。韓国LG Displayは2013年1月、同技術を用いて世界初の55型OLED-TVを製品化し、韓国内で販売を開始した。白色OLED+カラーフィルタ方式でボトムエミッション構造、TFT基板には酸化物半導体(IGZO)を採用した。現状は生産歩留りが低く、生産量もわずか。今後、生産のスケールアップ、安定化、コストダウンが必要となるが、まだ時間が掛かると言われている。価格は100万円以上。

この他、学会でも多くの報告がある。半導体エネルギー研究所とシャープは、3.9型1440×1080画素(458ppi)のAMOLEDを開発した。また、フレキシブルOLEDでは、ソニーが9.9型960×540(qHD)品、東芝が11.7型960×540画素(94ppi)品を発表している。いずれも白色OLED+カラーフィルタ方式を採用している(ソニーはカラーフィルタにRGBWを採用)。以前は、開発レベルであっても"OLEDは自発光デバイス"という考え方が主流で、塗り分け方式を採用するものが多かった。

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LG Displayの55型OLED-TV「55EM9700」。

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LG Displayの55型OLED-TV「55EM9700」のデバイス構造。
ボトムエミッションの白色OLEDからの光をRGBWのカラーフィルタを通して画像を作り出している
(出所:Information DISPLAY Mar./Apr. 2013 Vol. 29, No.2)

Samsungが推し進めるメタルマスクによる「塗り分け方式」

これに対し、メタルマスクによる塗り分け方式に注力するSamsung Electonicsは、様々な技術を戦略的に採用している。メタルマスクによる蒸着塗り分け技術は、高精細化が難しくなってきており、LCDや白色+カラーフィルタOLEDと比較して不利ではないかと見られていた。そこで、解決する技術として、画素配列技術「PenTile」を採用した。同技術は、1画素を一般的なTFT-LCDのようにRGBの3サブピクセルで構成するのではなく、RG/BGといったパターンを組み替えて構成されている。サブピクセルは2/3となり、緑に敏感な人間の眼の特性から色の再現性はほぼ同等かつ、擬似的に高精細化できるので製造プロセスに余裕ができる。

基本的には、発光材料の特性から発光効率の高いGの面積を狭く、発光効率が低いRとBの面積を広くする。こうすることで、Gの高い発光効率を有効活用して配列している。PenTile技術により、「Galaxy I」では181ppiを実現した。しかし、PenTileは見た目で線や文字の縁がぼんやりとギザギザに見えるという弱点が指摘された。そこで、「SUPER AMOLED Plus」では、塗り分け技術を向上させることで、サブピクセル配列を一般的なTFT-LCDと同じRGB配列とし、PenTile特有の問題を一旦解決した。画面サイズは4.5型WVGAで画素ピッチ117μm、解像度217ppi。その後の高精細化に向けては、PenTileを再び採用した。これにより、「Galaxy S3」では240ppi、「Galaxy note 2」では267ppiまで高精細化を推し進めている。

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従来型RGB3色ストライプとPenTile構成を4画素分並べた写真。PenTileの方がサブピクセルを33%少なく構成できる (出所:Samsung Display)

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「SUPER AMOLED Plus」では、塗り分け技術を向上させることで、従来型RGB3色ストライプにした (出所:Samsung Display)

2013年に入り、Samsungはマスク塗り分け技術とレーザ転写技術「LITI」の両方でさらなる高精細化を進めてきた。4月末に発売予定の「Galaxy S IV」には、400ppiを越えるAMOLEDが搭載されるが、製造にはマスク塗り分け方式が採用された。
実績のあるプロセスを採用したことで安定的な製造が確保できている。また、緑色のサブピクセルにリン光発光材料が採用されている。
緑色リン光材料はこれまでも採用するという噂が浮上していた。
しかし、ディスプレイに採用できる色再現範囲で発光させるのが困難だった。今回、これにめどをつけたようだ。さらに「Galaxy S IV」には新たな画素配列の「PenTile」技術が用いられている模様である。

次回はOLEDとLCDの比較、および次世代技術について解説する。

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Samsung Electronicsのスマートフォン「Galaxy S IV」。成膜プロセスにはマスク塗り分け技術、発光材料には緑色リン光材料が採用されている。PenTileにも新技術が使われる見通し。

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