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マイクロLEDディスプレイの製造方法は改善されるのか?

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液晶ディスプレイが普及し、有機ELディスプレイも徐々に普及が始まりました。これらの次に来る次世代のディスプレイとマイクロLEDディスプレイが注目されています。ソニーが世界で最初にテレビサイズの試作品を作り、現在は大型のサイネージ用のディスプレイとして事業化しています。これがテレビやスマホなどのディスプレイとして普及するためには、乗り越えなければならない課題があります。以下に紹介します。

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マイクロLEDディスプレイの製造方法に課題がある

マイクロLEDディスプレイとは、微細な100ミクロン以下のLED素子を並べ、画素として駆動させることによって画像を表示するディスプレイのことです。赤・緑・青それぞれのLED素子を用い、これらをサブピクセルとしています。つまり、これら1組で1画素を形成しています。(*詳細は、こちらの記事「マイクロLEDディスプレイの課題は?普及するの?」をご覧ください)

原理的にも優れた性能になると期待されていたのですが、ソニーが試作品を作り、非常に高い性能が得られることがディスプレイ業界に知れ渡りました。ソニーは、試作品を発表以降、しばらくこの関連の発表をしなかったため、開発が中止になったのではないかと噂されていましたが、大型のディスプレイシステム「CLEDIS」として2017年から販売を開始し、業界を驚かせました。これはユニット構成型のスケーラブルなディスプレイシステムで、例えば126ユニット並べて312インチのディスプレイとして使用されたりしています。主に企業のエントランスに置くディスプレイや、ショールーム、車のデザインセンターなどで利用されているようです。

ソニーの事業化に刺激され、多くの企業がマイクロLEDディスプレイディスプレイを、もっと小型の様々な用途のディスプレイとしての利用を目指し、研究開発が進められています。特にAppleがマイクロLEDディスプレイのベンチャー企業を買収したことからも、近い将来にApple Watchに搭載されるのではないかと噂されています。

高性能なマイクロLEDディスプレイの普及を妨げているものは、極めて高い製造コストです。この課題が解決されなければ、多くの一般消費者向けの機器に搭載することはないでしょう。

マイクロLEDディスプレイの製造方法は改善されるのか?

マイクロLEDディスプレイの製造方法を改善し、製造コストを下げるために、世界中で多くの企業が研究開発を進めています。なぜ製造コストが高いのかを理解することは比較的簡単です。まずディスプレイにするためには赤・緑・青のサブピクセルを作らなければなりません。赤・緑・青に発光する微細なLED素子をそれぞれ使用するのですが、それらは異なる色の光を発することができるようにそれぞれ異なる結晶構造・化学構造の素子からできています。以前、青色発光ダイオードの研究開発により、日本人研究者の天野氏・赤池氏・中村氏がノーベル物理学賞を受賞した際に、テレビなどでその内容が大きく報道されたのでご存知の方も多いと思いますが、青色で発光させるために窒化ガリウム(GaN)系結晶を苦心して作製しました。このように特定の波長(色)で発光するLED素子を作るには、それに相応しい結晶構造・化学組成の素子を、それに最適な条件下で作らなければなりません。そのため、現在の技術では、最終的にマイクロLEDディスプレイとして使用できるような画素配列の状態で、直接、赤・緑・青のサブピクセルを作製できないことにコストが高くなる原因があります。

そのため、赤・緑・青の微細なLED素子を、それぞれ別の基板上で別の装置内で作り、それらをカットして素子を作ります。さらに微細なLED素子をピックアップし、所定の位置に1つずつ運び、配線して実装することになります。これが100個や1000個程度ならばよいのですが、4Kディスプレイでは解像度が3,840×2,160=8,294,400個もあります。約830万個の画素ですが、赤・緑・青のサブピクセルの数に換算するとこの3倍になります。

20年ぐらい前は、パソコンを買った時には画面内に画素欠陥があっても数個程度ならば良品扱いとなっていました。しかし、最近はスマホやパソコン、テレビを購入した時に画素欠陥はほとんどありません。上記の4Kの画素数を考えると、驚異的な不良品の少なさです。したがって、これから登場するマイクロLEDディスプレイも、この水準の不良品率の低さが最初から要求雨されますので、ハードルが高くなっているわけです。

ここまでいくつかの企業により、前述の作製した微細なLED素子をピックアップして正しく配列させる工程のスピードアップを目指した研究開発が進められているようです。もちろん人手でできることではありませんので、製造装置の開発ということになります。数年前よりも桁違いに早くはなっていますが、まだ十分な製造コストの低減が実現できるレベルには遠いです。

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マイクロLEDディスプレイの製造方法改善の鍵は蛍光体か?

赤・緑・青の微細なLED素子を配列したマイクロLEDディスプレイに比べ、1色だけで発光するマイクロLEDディスプレイを作るのはかなり容易です。多くの試作品が複数のメーカーから発表されています。そのため1つのアプローチとして、蛍光体を利用して赤・緑・青のサブピクセルを作る方式が提案されています。

比較的早くから提案されていたのが量子ドット(QD)を使った方式です。青色のLED素子のみを並べたマイクロLEDディスプレイをまず作製します。次に赤と緑のサブピクセルに相当する位置に、青色の光で励起して赤あるいは緑に波長変換して発光する量子ドットを載せます。するとLED素子は青色用だけなのですが、赤・緑・青のサブピクセルを形成することができます。この方法は、量子ドットの耐久性・毒性と、青色光がそのまま出てくるのに対し、赤と緑は量子ドットから発せられるために光の放射角度などに差異があるなどの課題があり、実用化していません。しかし、青色のLED素子だけを作れば良いとなると、前述の製造工程が大幅に簡略化できる可能性があり、マイクロLEDディスプレイの製品化に大きく貢献するアプローチと考えられます。

この方法の課題を乗り越えられる新たな方法がすでに提案されています。これは紫外光を出すことのできる紫外線LED(UV-LED)を製造販売する日本企業ナイトライド・セミコンダクター株式会社によるものです。まずUV-LEDを微細化して、この上に波長変換する材料を載せることで、サブピクセルの色によって光の放射角度に差異があるという問題は解決できます。次に波長変換材料に、耐久性や毒性に課題が残る量子ドットは使わずに、照明用途などですでに実績のある赤・緑・青の3色の無機蛍光体を使用するというものです。まだ効率や実現可能な色域などの詳細なデータは分かりませんが、かなり有望な方法と考えられます。もしかしたら、かなりマイクロLEDディスプレイの製品化に向けて前進するかもしれません。

まとめ

マイクロLEDディスプレイの製品化に向けた課題である製造方法の改善とコスト削減について紹介しました。世界中で膨大な研究開発が進められていますので、短期間でかなり進展するかもしれません。

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