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Nov 18, 2023

ディスプレイ技術の長い誕生を考えると、未来はMicroLEDです

Recentemente ci sono state molte segnalazioni sull'adozione di MicroLED da parte di Apple.

最近、Apple の MicroLED 採用に関する多くの報道があり、最近では、Samsung と LG が韓国政府と協力して、ディスプレイ業界で同社の最高の地位を取り戻す手段として無機 LED (ILED) を検討しているというニュースがありました。 。 このように、私たちは次世代のディスプレイ技術の提供、そしてより重要なことに、生産手段の所有を急いでいることを示す興味深い出来事が重なっています。

したがって、ディスプレイ技術の将来の道筋を分析する別の方法を見つけるために、歴史的な視点を取得してみるのは良いことだと思いました。 多くのデータは Display Daily のページからのもので、多すぎて言及できませんが、以下にいくつかの参考文献も追加しました。どれも非常に読みやすく関連性があります。 ここであなたの洞察に役立つ何かが見つかることを願っています。 そして、私にこれを試させてくれた上司に感謝します。 すべてがうまくいかなかったら彼のせいにしてください。

何も決定的なものではありませんが、概要のようなものです。OLED の歴史的観点から始まり、CRT の後に米国がディスプレイ産業をどのように失ったか、そして私が最も関連性があると思う部分、MicroLED がユビキタスな未来に向けて進む道について説明します。 。

約 1 世紀前の発見以来、エレクトロルミネッセンスは単なる科学的好奇心から強力で多用途の技術へと進化しました。 当初は産業、軍事、医療機器などのニッチ市場に限定されていました。

エレクトロルミネッセンス技術の初期段階では、薄膜エレクトロルミネッセンス (TFEL) ディスプレイと無機 LED が市場を支配していました。 TFEL ディスプレイは主に軍事機器や医療機器などの特殊な用途で使用され、一方、無機 LED はさまざまな産業用および商業用機器にその地位を確立しました。 しかし、フルカラー用途で十分な効率を達成し、TFEL のコストを削減することには限界があるため、その普及が妨げられていました。 TFEL ディスプレイは、主に軍事、医療、自動車用途に焦点を当てたニッチ市場に追いやられました。

時間の経過とともに、OLED テクノロジーのさまざまな側面で大きな進歩が見られました。 キャリア注入、ドーピング方法、蛍光体の開発、デバイス設計、カプセル化プロセスにおいて改善が達成されました。 OLED の効率は 20% に迫る驚異的なレベルに達しています。 OLED は、インクジェット印刷デバイス、フルカラー大面積パネル、フレキシブル ディスプレイ、および高解像度アクティブ マトリックス (AM) ディスプレイにおける可能性を実証しています。

OLED テクノロジーは、1960 年代初頭にフランスのナンシー大学の André Bernanose とその同僚によって初めて発見されました。 彼らは有機材料のエレクトロルミネッセンスを観察しました。 しかし、Eastman Kodak の Ching W. Tang と Steven Van Slyke が最初の実用的な OLED デバイスを実証したのは 1987 年のことでした。 これは、OLED 技術の開発における重要なマイルストーンとなりました。

初期の OLED 材料には寿命が限られており、特に青色成分の寿命は赤や緑よりも早く劣化しました。 研究者や企業は、OLED の寿命を延ばすために、より安定した材料とより優れたカプセル化技術を開発する必要がありました。

OLED パネルの商業生産は、1990 年代後半に低分子パッシブ マトリクスのモノクロ OLED パネルから始まりました。 パイオニア株式会社と東北パイオニア株式会社は、車載オーディオシステム用のOLEDパネルを生産して先導しました。 開発は継続され、2001 年にソニーが世界初のフルカラー低分子 AM ディスプレイを開発して頂点に達しました。OLED 技術は、東芝松下ディスプレイによるポリマーベースの概念実証ディスプレイの導入と、 IBM の Super-a-Si 薄膜トランジスタ (TFT) によって駆動されるプロトタイプ。

OLED テクノロジーには大きな期待が寄せられていますが、大規模生産には克服すべき技術的な課題があります。 デバイスの寿命、色のパターン、クロストーク、歩留まりなどの問題は依然として焦点となっています。 しかし、専門家らは、OLED技術にはその固有の利点により明るい未来があり、徐々にLCDに取って代わり主要なフラットパネルディスプレイ（FPD）技術となる可能性があると信じています。 研究の画期的な成果から商用製品への移行を確実に成功させるには、これらの課題に対処することが重要です。

OLED は、LCD のような従来のディスプレイ技術に比べて、より高いコントラスト比、より広い視野角、より高速なリフレッシュ レート、より薄く柔軟なフォーム ファクター、より低いエネルギー消費など、いくつかの利点を提供します。 これらの利点により、OLED はモバイル デバイス、テレビ、ウェアラブル テクノロジーなどのさまざまな用途にとって魅力的な選択肢となりました。

OLED の製造、特に大規模な製造には重大な課題が伴いました。 初期の製造プロセスは高価であり、生産量は少なかった。 時間が経つにつれて、真空蒸着やインクジェット印刷などの製造技術が洗練され、改善され、コストの削減と生産量の増加につながりました。

OLED は当初、LCD に比べて高価でした。 しかし、製造プロセスがより効率的になり、規模の経済が達成されるにつれて、OLED のコストが低下し、他のディスプレイ技術との競争力が高まりました。

近年、OLED技術はフレキシブルで折り畳み可能なOLEDディスプレイの開発など大幅な進歩を遂げており、これが折り畳み式スマートフォンや折り畳み式テレビなどの革新的な製品につながっています。 これらのブレークスルーは、適切な有機材料に関する継続的な研究とデバイス アーキテクチャの改善によって促進されました。

陰極線管 (CRT) の歴史は、テレビやコンピューター モニターの開発と密接に関係しています。 この技術は、研究者や企業が CRT を商業化できるようにするために数多くの課題を克服し、数十年にわたって進化してきました。

発明と初期開発: ドイツの物理学者カール・フェルディナンド・ブラウンは、1897 年に「ブラウン管」として知られる最初の CRT を発明しました。この初期の装置は、電子ビームを燐光スクリーン上に偏向させることによって画像を表示し、電子が当たると可視光を生成しました。 。

進歩と課題: CRT 技術の重要な進歩の 1 つは、1929 年にウラジミール ズウォリキンによるイコノスコープの開発でした。このカメラ管は画質を大幅に向上させ、電子テレビ時代の始まりを示しました。 しかし、CRT は、サイズ、重量、消費電力、製造コストなど、商業的に成功するには対処する必要があるいくつかの課題に直面していました。

商業的な導入と画期的な進歩: 最初の商業的に入手可能なブラウン管テレビは 1940 年代に登場し、その後数十年間にわたってその導入が続きました。 技術の進歩に伴い、CRT はコンピュータのモニタにも使用されるようになり、初期のコンピュータに高品質の表示オプションが提供されました。 しかし、LCD や OLED などの代替ディスプレイ技術の台頭により、CRT の人気は低下しました。

米国が CRT における優位性を活かし、LCD、PDP、OLED などの新しいディスプレイ技術に移行できていないのは、焦点の変更、アジア企業との競争、製造コストの優位性、技術の欠如などの要因の組み合わせによるものと考えられます。先見性と断片的な研究努力。

液晶ディスプレイ (LCD) およびプラズマ ディスプレイ パネル (PDP) 開発の初期には、いくつかの企業や国がこれらの技術の開拓と発展において重要な役割を果たしました。 日本は LCD と PDP の両方の開発の最前線にあり、シャープ、東芝、日立といった大手エレクトロニクス企業が LCD の研究と商品化に深く関わっていました。 一方、富士通、NEC、パナソニックなどの他の日本企業も PDP の開発に貢献しました。

日本の企業であるシャープ株式会社は、LCD 技術の初期の革新者でした。 1973 年、シャープは初めて商業的に実現可能な LCD を製造し、電卓やデジタル時計に使用されました。 同社は 1980 年代から 1990 年代にかけて LCD 技術の開発を続け、最終的に初のフルカラー TFT LCD パネルを製造し、これがラップトップ コンピュータやテレビ画面で広く使用されるようになりました。

もう一つの日本のエレクトロニクス企業、東芝も初期の LCD 開発に携わっていました。 彼らは、ラップトップ、携帯電話、その他のポータブル電子機器向けの中小型 LCD パネルの製造に重点を置きました。 もう一つの日本企業である日立製作所は、初期の頃、画質とリフレッシュレートの向上に重点を置き、LCD の研究開発に貢献しました。 また、テレビやコンピューターモニターなど、さまざまな用途向けの LCD パネルも製造しました。

日本の多国籍企業である富士通は、PDP 開発の先駆者でした。 富士通は 1960 年代に研究を開始し、1989 年に最初の商用 PDP を発表しました。富士通は、画質、色再現、エネルギー効率の向上に重点を置き、1990 年代を通じて PDP 技術の開発を続けました。 もう一つの日本のエレクトロニクス企業である NEC は、PDP 市場の初期のプレーヤーでした。 彼らは PDP 技術の研究開発に投資し、1990 年代初頭に最初の PDP 製品を発表しました。 日本の多国籍企業であるパナソニックも初期の PDP 開発に関与しました。 同社は 1997 年に最初の PDP 製品を発表し、焦点が LCD および OLED 技術に移った 2000 年代初頭まで PDP 技術への投資を続けました。

米国企業は当初ブラウン管の開発を主導しましたが、最終的にはコンピュータやソフトウェア開発などの他の分野に焦点を移しました。 その結果、米国企業はディスプレイ技術の研究開発にそれほど多額の投資を行わず、他国、特に日本とその後の韓国がLCDとPDPの開発で主導権を握ることができました。

アジア企業、特に日本の企業はより機敏で、新しいディスプレイ技術への投資と導入が迅速でした。 彼らは、LCD と PDP の研究、開発、製造インフラストラクチャに多額の投資を行いました。 これらの企業は高品質でコスト競争力のある製品を生み出すことができ、米国企業が市場で競争することを困難にしました。

アジア諸国、特に日本と韓国は製造コストが低く、米国の国々よりも低コストでLCDとPDPを生産することができました。 このコスト上の優位性により市場を独占することができ、米国企業の競争が困難になりました。

米国企業は、LCD、PDP、OLED が市場で CRT に代わる可能性を過小評価している可能性があります。 これらの新技術の可能性に気づいた頃には、アジア企業はすでに研究、開発、市場シェアにおいて大きなリードを確立していました。

米国ではディスプレイ技術に関して注目すべき研究努力がいくつか行われていましたが、それらは断片化され、さまざまな機関や企業に分散していることが多かったです。 このため、米国は新しいディスプレイ技術を効果的に開発し商品化するための取り組みを統合し、調整することが困難になった。 すべての利害関係者がどれだけの努力を求めているかを理解するには、韓国企業がディスプレイ製造に費やしている努力を見ればわかります。

おそらくそれがAppleのやっていることの説明になるだろう。 まず第一に、MicroLED 製造は半導体産業であることを認識することから始めることができます。 第二に、Apple はインテルを独自の Mx プロセッサーに移行したとき、いとも簡単に捨て去りました。 Appleにとってディスプレイメーカーになることは決して無理ではない。 すべてのディスプレイ フォーム ファクター向けの MicroLED の生産量を加速させるものがあるとすれば、それは Apple になるでしょう。 そう考えると、MicroLED 開発への関心と導入が加速すると考えるのは無理もありません。 未来はMicroLEDであり、その未来はさらに近づいています。

MicroLED はディスプレイ技術の一種で、既存の LED 技術を進化させたものです。 これは 20 年以上にわたって科学研究における重要なテーマであり、すでに 2023 年には、このデバイスに関する研究論文の量が前年を超え、4 ～ 5 年にわたって科学成果が増加し続けることになるでしょう。 。 MicroLED には、液晶ディスプレイや OLED ディスプレイよりも効率が高く、消費エネルギーが少なく、明るく、寿命が長いなど、従来のディスプレイに比べていくつかの利点があるのには十分な理由があります。

ただし、MicroLED は以前のものよりも小さく、ピクセル サイズは 100 マイクロメートル未満、さらには 50 マイクロメートル未満であることがよくあります。 この小さなサイズは、これらの LED を使用可能なディスプレイに配置する際に大きな課題を引き起こします。 高品質の MicroLED ディスプレイを構築するには、これらの小さな LED を正確な方法で統合または組み立てる必要があります。 この統合プロセスは現在、高性能 MicroLED ディスプレイの開発における最大の障害とみなされています。

MicroLED 製造における統合テクノロジーには 3 つの重要な側面があります。

製造の観点から見ると、MicroLED ディスプレイを統合するには 3 つの方法があります。

このセクションでは、55 インチ 4K テレビなどの大型高解像度ディスプレイの製造に不可欠な MicroLED の「転送統合」プロセスについて説明します。 このようなディスプレイには膨大な数の LED ダイが必要となるため、このプロセスは「物質転写」としても知られています。

転送統合プロセスでは、さまざまな物理メカニズムに依存するさまざまな技術が使用されます。 この手法は世界中の大手企業や研究機関によって開発されています。 これらには次のものが含まれます。

全体として、転送統合プロセスには、基板のリリース、ピックアンドプレース、電気的相互接続という 3 つの技術ステップが含まれます。

基板リリース段階では、通常シリコン、サファイア、または GaAs 基板上に成長した MicroLED をリリースまたは除去する必要があります。 このステップが必要なのは、基板が厚く、MicroLED を転写すると電気的相互接続や熱管理に問題が生じる可能性があるためです。

基板剥離技術は、使用する材料の物理的および化学的特性によって異なります。 さまざまな基板に対する一般的な剥離技術を図 2 に示します (本文には記載されていません)。

一般に、基質は物理的または化学的に放出されます。

これらの技術にはそれぞれ独自の利点と制約があり、その選択は MicroLED 製造プロセスの特定の要件によって異なります。

MicroLED の基板リリースのプロセスは、転写統合プロセスにおける重要なステップです。 基板の剥離に使用される具体的な技術は、基板の材料特性に応じて異なります。

シリコンまたは GaAs で作られた基板の場合は、機械的研削および湿式化学エッチング技術がより適しています。 ただし、機械的な研削は MicroLED に大きな機械的影響を与える可能性があり、MicroLED を一時的な基板にしっかりと接着する必要があるため、その後の転写ステップが複雑になる可能性があります。 したがって、機械的研削プロセスは主に垂直構造 LED の基板を転写するために使用されます。 ドーソンら。 基板を剥離するために、KOH 溶液を使用して異方性エッチングと呼ばれるプロセスでシリコンをエッチングしました。

基板のリリース後、MicroLED の転送統合における次の重要なステップは、MicroLED のピッキング アンド プレースです。 コスト効率が高く高解像度のディスプレイを実現するには、このプロセスが迅速かつ正確である必要があります。 この点に関しては、エラストマースタンプ法とレーザー選択的剥離という 2 つの方法が優れたパフォーマンスを示しています。

この技術は、スタンプとフィルムの間の接着強度を可逆的に制御する方法を研究したロジャースのグループによって開発されました。 基本的に、彼らはスタンプとフィルムの界面のエネルギー放出速度が剥離速度に比例することを発見しました。 彼らはこれを使用してスタンプと LED 膜の間の接着強度を制御し、MicroLED アレイの転写印刷を可能にしました。 2009 年に、Park et al. 平らなポリジメチルシロキサン (PDMS) スタンプを使用して、AlInGaP ベースの MicroLED アレイをポリウレタンとガラス基板に転写し、フレキシブルで半透明のディスプレイを作成しました。

転写収率と再現性を向上させるために、研究者らは 2010 年に、より明確な可逆性ウィンドウを備えた微細構造 PDMS スタンプを作成しました。 ただし、このプロセスには受容基板上の接着強化層が含まれ、熱伝導率が低く、屈折率が変化するため、熱管理と発光効率に影響を与える可能性があります。 これらの問題を軽減するには、

この技術は、レーザー誘起順方向転送からインスピレーションを得たものです。 この方法では、レーザーが透明なドナー基板の裏側を選択的に照射します。 レーザーからのエネルギーは、基板と転写されるフィルムの間に位置するポリマー犠牲層である動的剥離層 (DRL) によって吸収されます。 この吸収により DRL が部分的にアブレーションされ、反発力が発生して微細構造膜とドナーとの間に剥離が生じ、受容基板上へのダイの転写が可能になります。 Saeidpourazar et al. PDMS スタンプは、MicroLED の転写を容易にするために使用される赤外線レーザーに対して透明であるという事実を利用して、DRL として PDMS スタンプを使用することで、この技術をさらに洗練させました。

一方、アレイ状の UV レーザーを利用した超並列レーザー対応転写技術が提案されています。 DRL が部分的に切除されると、DRL 内に水疱が形成されます。 膨張するブリスターと重力との組み合わせにより、10 ～ 300 マイクロメートルのギャップを越えて MicroLED ダイを受け取り基板に転写することができます。

MicroLED を組み立てた後、MicroLED ディスプレイをアドレス指定可能に駆動できるように相互接続する必要があります。 この相互接続プロセスには通常、フォトリソグラフィー パターンと金属蒸着を使用して金属メッシュを形成することが含まれます。 マトリクスアドレス指定可能な駆動の場合、各 MicroLED の p 電極は行または列に接続され、n 電極は逆の方向に接続されます。

プロセスの最初のステップは、MicroLED ダイを受け取り基板に転写する前に、列配線を製造し、それらを誘電体フィルムで覆うことです。 次に、標準的なフォトリソグラフィーと反応性イオン エッチング技術を使用して、MicroLED と列ワイヤを接続するためのビアが誘電体層に開けられます。 電極メッシュは、1 回の金属のパターニングと蒸着で実現できます。

ただし、この方法では MicroLED のパッシブ マトリックス相互接続のみが可能です。 MicroLED ディスプレイのアクティブ マトリックス駆動を実現するには、MicroLED をマイクロ CMOS 回路アレイまたはマイクロ集積回路 (micro-IC) ユニットを備えた基板に直接転写する必要があります。マイクロ LED を駆動するマイクロ集積回路 (マイクロ IC) ユニットは、転写印刷によって統合できます。 MicroLED とマイクロ IC 間の電気接続は、フォトリソグラフィーと金属蒸着プロセスを通じて実現され、各 MicroLED は、統合されたサブピクセル内の対応するマイクロ CMOS 回路によって制御できます。

サブピクセルへの CMOS 回路の導入により解像度が低下する可能性がありますが、アクティブ マトリックス駆動モードにより MicroLED ディスプレイの輝度が大幅に向上し、ピクセルのクロストークが低減されます。

転送統合は、MicroLED、マイクロセンサー、マイクロ CMOS など、ほとんどの無機マイクロデバイスとそのアレイを統合するための非常に効果的な方法です。 この方法は、MicroLED ディスプレイに特に役立ち、複数の印刷プロセスを通じて MicroLED アレイを拡張できるため、未来の大面積フラットパネル MicroLED ディスプレイに不可欠であると考えられています。 また、より広い色域とより高い効率を備えたフルカラーディスプレイも可能となり、フレキシブルディスプレイに最適です。

しかし、転送統合が直面する課題には、物質転送の収率が限られているため高コストであり、修理と冗長性が必要であること、光の波長が異なるMicroLEDによって必要とされる動作電流が異なるため、駆動回路の設計が困難であることが挙げられます。 これらの課題にもかかわらず、高度な機器と革新的な技術により、高解像度、高歩留まり、低コストにおける将来の画期的な進歩が実現されることが期待されています。

MicroLED ディスプレイは、MicroLED をアクティブ マトリックス CMOS 回路と統合して、各 LED ピクセルを個別に制御します。 この統合を実現するにはさまざまな手法が存在し、それぞれに利点と課題があります。

MicroLED テクノロジーの有望な展望を辿るにあたり、ディスプレイ システムでの大量生産と広範な採用の可能性を引き出すには、いくつかの重要な課題に対処する必要があります。 中心的なテーマは、製造をより効率的でコスト効率の高いものにする材料、技術、統合プロセスを中心に展開します。

まず、LED とドライバー回路に使用される特定の材料が極めて重要な役割を果たします。 研究によれば、大規模なフルカラーモノリシックディスプレイの作製には、大規模な異種エピタキシーが有望であることが示されています。 大量に準備できる 2D 材料の潜在的な使用も、ドライバー トランジスタ製造の有望なフロンティアとして浮上しています。 さらに、ZnS、InP、ペロブスカイト QD などの複合量子ドット (QD) は、GaN ベースの MicroLED と統合した場合の色変換材料として検討されています。

品質保証とテストのための堅牢な方法も不可欠です。 明示的には議論されていませんが、複数の統合技術の調整が必要であるということは、包括的かつ効果的な品質管理が本質的に必要であることを意味します。 MicroLED の一貫した信頼性の高い生産を確保することは、商業的な実現可能性にとって最も重要です。

熱管理と電力効率の問題も不可欠です。 成長統合は、この点で有望な技術の 1 つであり、高効率かつ低エネルギー消費でよりコンパクトな MicroLED ディスプレイを可能にする可能性があります。 しかし、これらのコンパクトで電力密度の高いシステム内での熱放散を管理するためのより具体的な技術は、現在も進行中の研究課題です。

スケーラビリティと費用対効果がもう 1 つの大きなハードルとなります。 大面積フラットパネルディスプレイの製造能力で注目に値する転送統合の進歩により、歩留まりの向上とコスト削減の可能性がもたらされます。 これは、MicroLED ディスプレイのより広範な商品化に向けた有望な道筋を示唆しています。 将来のディスプレイでは、材料やプロセスなどのさまざまな側面での更新が必要になると予想されており、そのすべてが拡張性やコストに影響を与える可能性があります。

長期的な信頼性と故障モードに関しては、複数の統合プロセスが必要であることから、これらの領域に重点が置かれていることが示唆されます。 継続的な使用や潜在的なコンポーネントの故障に直面した場合の MicroLED ディスプレイの耐久性と寿命は、消費者の信頼と業界での普及にとって非常に重要です。

将来に目を向けると、インテリジェント ディスプレイの出現が見られます。 光導波路、光検出器、センサー、アクチュエーター、論理回路およびアナログ回路、高周波デバイス、エネルギーハーベスタなどのさまざまなデバイスやコンポーネントを統合することにより、MicroLED ディスプレイはより幅広い用途に応用できる可能性があります。 目標は、従来のディスプレイ機能を超えた多用途で機能的なシステムを作成し、可視光通信、モノのインターネット (IoT)、生物医学およびマイクロナノ製造における刺激的な新しい可能性を約束することです。 これらすべての分野は Apple にとって重要な価値があり、iPhone やスマートウォッチに組み込まれる可能性があります。

そのため、MicroLED テクノロジーの進化は、単にディスプレイ テクノロジーを強化するだけでなく、他のテクノロジーとどのように統合し、より洗練されたインテリジェントなシステムの未来に向けて推進するかという点でもあります。