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[開発最前線] モバイルユースに対応するTFD液晶ディスプレイ「クリスタルファイン」 -- セイコーエプソン











P52_55

開発最前線1

屋外でも室内でもきれいに見える反射・半透過技術、自然な色を再現するsRGB、

高画質、コンパクト、低消費電力を実現したTFD方式……

パソコン以上に高画質な小型ディスプレイが登場する!

モバイルユースに対応するTFD液晶ディスプレイ「クリスタルファイン」

セイコーエプソン株式会社 ディスプレイ事業部

モバイルのためのディスプレイ

 携帯電話機の液晶ディスプレイが今、恐るべき勢いで進化しているのをご存じだろうか。従来、白黒だったディスプレイにカラーが登場したのが九九年末。と同時に、画質競争が一気に加速し、来年にはもうパソコンをもしのぐ高精細ディスプレイが登場するというからすごい。

 今、この開発競争の断トツトップを走るのがセイコーエプソンの「クリスタルファイン」だ。これは液晶ディスプレイとしては「TFD」という方式をもつ。まず、ディスプレイのおもな方式を説明しておこう(図1)。

 液晶ディスプレイは、液晶の駆動方式の違いで二つに分けられる。

 「パッシブマトリクス方式」の液晶は「受動素子」といわれる。画素を単純に並べただけの構造でコストも安いが、画面の反応速度やコントラストには限界がある。この方式に、STN液晶がある。

 一方、カラーの液晶ディスプレイは「アクティブマトリクス方式」に移行しつつある。こちらは別名「能動素子」。液晶ディスプレイは、液晶素子の姿勢を電気的にコントロールすることによって光の透過率を変え、画像を再現するわけだが、アクティブマトリクス方式は、画像を構成する最小単位である画素の一つ一つに電気信号が伝えられ、しかもそのオン/オフがすばやくおこなわれる。よって画像は鮮明で、動画像にもきびきび対応する。

 アクティブマトリクス方式は、さらにTFTとTFDに分けられる。

 TFT(Thin Film Transistor=薄膜トランジスタ)というのはよく聞く言葉だろう。これは画素を点灯するスイッチング素子に「薄膜トランジスタ」を用いる方式。画素一つ一つに極小のトランジスタがつけられ、そのオン/オフは、液晶と一体化したガラス基盤上につくられた半導体のシリコン薄膜によって制御する。

 TFTは以前は薄膜シリコンにアモルファス(非結晶)シリコンを用いた「アモルファスシリコンTFT」が主流だったが、それに代わり、ポリ(多結晶)シリコンを用いた「ポリシリコンTFT」が登場。ポリシリコンは電気抵抗が小さく、スピードが格段に速い高性能TFTだ。ただし、ポリシリコン膜の形成には一〇〇〇度以上の高温処理が必要で(高温ポリシリコンTFT)、その熱に耐える高価な石英基板を必要とする。近年、五〇〇度前後の低温で処理する技術が開発され、ガラス基盤を使える「低温ポリシリコンTFT」が登場した。

 一方、TFD(Thin Film Diode)は、スイッチング素子に「薄膜ダイオード」を採用。現在、TFD液晶を生産しているのはセイコーエプソン一社だけだ。

 もう一つ、次世代ディスプレイとして有望視されているのが有機EL(OLED)ディスプレイ。これは液晶ではなく、それ自体が発光する素材をパネルに使うため、より明るく精細な画像が実現する。セイコーエプソンでは、この有機ELディスプレイと低温ポリシリコンTFTは実用化に向け研究開発中だ。

 セイコーエプソンが現在つくっているディスプレイは、STN、TFT、TFDの三本柱。それらはおもに、携帯電話やPDAなどの携帯情報端末やデジタルカメラ、ポータブルビデオなどに使われる、中・小型ディスプレイである。すなわち、モバイル機器用のディスプレイだ。

 「我々の技術開発の基本コンセプトは、H(ハイクオリティ=高画質)、C(コンパクト=薄型・軽量)、L(ローパワー=低消費電力)の三つ(図2)。どんなモバイル機器でも、この三つは絶対はずすことができない要素なんです。そして人々の生活の動きがダイナミックになるとともに、これらの機器もさまざまな場面で使われることを想定しないといけない。つまり、いつでもどこでも、きれいに見えることが求められる。これに対する答えが『反射半透過ディスプレイ』というまったく新しい方式です」(PAD開発設計部・部長・佐藤彰)

 たとえばデジタルカメラの場合、八〇パーセントが屋外、一〇パーセントが室内、一〇パーセントが夜に使われているという。しかし、既存のデジカメのディスプレイは屋外では見えづらい「透過型」なのだ。かといって反射型にすると、屋内や夜は見えなくなる。要するに、モバイル機器というのはどんな条件下でも使えなければ意味がないのである。

 透過型は、パネルの下にバックライトをつけて液晶を照らすので、室内や暗い場所ではとてもきれいだ。一方、反射型はパネルの下に反射板をつけ、外からの光を反射させて液晶を照らすので、日光の下でもきれいに見える。

 クリスタルファインの「反射半透過」パネルは、反射板とバックライトを両方もち、一つ一つの画素の中にマドを設けることによって、透過型と反射型の利点を高度に共存させることに成功した(図3)。また、デジカメならマドを大きめにとり、透過光できれいに見せようとか、逆にPDAやケータイはマドを小さくして反射光を優先し、バックライトの電力を抑えようなど、目的に応じて調整もできる。

 「いつでも、どこでもきれいに」というモバイルディスプレイの要件が、やっと満たされたといえる。

 一方で、画質自体の向上もめざましい。

 今出ている携帯電話は画素数一二〇×一六〇(一〇〇ppi)程度が一般的だが、来年度モデルとして、すでにセイコーエプソンは二四〇×三二〇(二〇〇ppi)の高精細「クリスタルファイン」を発表した。これは、パソコン画面の四分の一(クォーターVGA)の画素数と同じ。これが携帯電話の二インチ前後のディスプレイに詰め込まれることになる。色についてもsRGB対応により、NTSC規格比六〇パーセントを実現(図4)、これも標準的なノートパソコンを上回る。実際見てみると、色鮮やかで、ドットもまったく見えず、オウムの毛並み一本一本まで見分けられるほど。

 つまり、画素をどんどん小さく、数を増やすことによって精細度をあげるわけだが、これは矛盾をはらんでいる。なぜなら画素が小さく、多くなるほど、パネル開口率に占める配線やスイッチング素子などの画素以外の割合が増え、画面は暗く、色も出しづらいはずである。

 セイコーエプソンは、液晶自体を高度に圧縮し、配線や素子をより高精度に接合する高精度実装技術によってこの課題をクリアし、液晶を小さく、薄くしながら開口率を上げることに成功した。つまり、高精度化の技術とは、同時にコンパクト化の技術でもある。

 そもそも、クリスタルファインが採用するTFD方式は、コンパクト化しやすいという利点をもつ。TFDはTFTに比べ、スイッチング素子が小さく、配線も少ないので、それだけ明るく見やすい画面にしやすい。

 「いまや携帯電話の売れ行きはディスプレイにかかっているといわれるほど、ディスプレイは重要なんです。とくに画質のきれいさですね。このモデルが出たら、たぶんみなさん我先にと乗り換えるはずです(笑)。

 携帯電話の市場動向には、顧客のニーズが極度にダイレクトに反映するんです。だから、商品サイクルが短く、短期間に大量の商品をつくらなければならない。三カ月で一〇〇万台つくって終わりという、いわば”パルス生産方式“。これは技術者泣かせですよ。通常のように徐々に歩留まりを上げていって……というわけにはいかない。裏返せば、それだけの生産技術がないと生き残れないわけです。今携帯電話をつくるためには、非常に高度な商品開発力と生産技術力とが必要なんですね」(佐藤)

 「しかし、クリスタルファインは画質的にはもう行くところまで行ったかなという感じです。むしろ今後の課題は三つめの『低消費電力化』です。省エネ技術の進展が、携帯情報端末の今後を左右するポイントになるでしょう」と佐藤は言う。

 液晶の場合、駆動電力はわずかだが、バックライトが電力を使う。その省エネを課題として、〇四年までに消費電力を半分に削減する予定だ。バッテリー性能もそうそう上がるものではない。こまめにスイッチを切るなど機器側の消費電力を抑える工夫が進められている。

 携帯情報機器は今、大きな過渡期にある。携帯電話のデジカメ化が進む一方で、デジカメがカード化しつつある。PDAも通信機能や表示機能が強化されつつある。これらが相互に影響しながら、より使いやすいモバイル端末が模索されていくだろう。そのなかで、モバイルディスプレイとしてクリスタルファインの役割はますます大きくなるはずだ。

P52キャプション

図1 フラットパネルディスプレイの種類

小型化とローパワーへのこだわりがモバイルディスプレイに結実

ディスプレイ事業部・事業部長、常務取締役

大前昌義

 ディスプレイ事業部のルーツは、1973年の「TN液晶」です。これは同年、わが社が世界で初めて開発した液晶デジタル腕時計に使われたもの。デジタル方式の電子時計をつくるには、時を刻む水晶振動子、駆動部としてのIC、そして表示部としての液晶パネルの3つが必要でした。3つとも前例のない新しい技術でしたから、セイコーエプソンはすべて自前で開発したのです。

 以来、セイコーエプソンの液晶ディスプレイは一貫して中・小型分野に特化してきました。液晶ディスプレイというと世は大判が主流でしたが、私たちはやはり小さいものが得意なんです。そして携帯電話やデジタルカメラ、ビデオなどの普及とともに、この分野が「モバイル市場」として大きな注目を浴びることになるわけです。

 モバイルといえば、まずパワーをセーブする必要がある。このローパワーという課題を、私たちは腕時計の時代から徹底的に追求してきました。現在もセイコーエプソンの基本理念の1つに「省の技術」があります。それがモバイル市場に合致したんですね。

 現在、携帯電話などに採用されつつあるTFD液晶は、セイコーエプソンだけが生産できる方式です。この方式は80年代半ばから研究開発をおこなってきたのですが、TFDを選択した最大の理由は、構造が簡単でデジタル駆動であり、ローエネルギーだからです。今ではTFDは高画質でコンパクト、ローパワーのディスプレイとして広く認められることになりました。

 一方、ディスプレイに対するお客様の目も肥えてきました。精度、明るさ、コントラスト、色味など、トータルに画質がよくなければ認められなくなってきます。これに対しては、セイコーエプソンがプリンタなどでつちかってきたカラーソリューションのノウハウが生きてきます。

 現在、私たちがつくっているディスプレイはSTN、TFT、TFDの3種類。当面の夢は、開発中である低温ポリシリコンTFTと有機ELを世に送り出すことです。前者は、画面と周辺回路を同じ基板上に一体形成できる利点があり、その場合は外づけの回路も不要になるでしょう。後者は、パネル自体が自発光するのでバックライトがいらず、厚さ1.5ミリ以下のディスプレイも可能といわれます。

 私たちが初めて液晶ディスプレイをつくった73年当時からは想像もつかないような大きな可能性を、ディスプレイ自体がもつことになりました。私たちは今後もモバイルディスプレイを中心に、その可能性を切り開いていきます。

P53キャプション

テクノシステムリサーチ調べ

 携帯電話機の液晶ディスプレイが今、恐るべき勢いで進化しているのをご存じだろうか。従来、白黒だったディスプレイにカラーが登場したのが九九年末。と同時に、画質競争が一気に加速し、来年にはもうパソコンをもしのぐ高精細ディスプレイが登場するというからすごい。

 今、この開発競争の断トツトップを走るのがセイコーエプソンの「クリスタルファイン」だ。これは液晶ディスプレイとしては「TFD」という方式をもつ。まず、ディスプレイのおもな方式を説明しておこう(図1)。

 液晶ディスプレイは、液晶の駆動方式の違いで二つに分けられる。

 「パッシブマトリクス方式」の液晶は「受動素子」といわれる。画素を単純に並べただけの構造でコストも安いが、画面の反応速度やコントラストには限界がある。この方式に、STN液晶がある。

 一方、カラーの液晶ディスプレイは「アクティブマトリクス方式」に移行しつつある。こちらは別名「能動素子」。液晶ディスプレイは、液晶素子の姿勢を電気的にコントロールすることによって光の透過率を変え、画像を再現するわけだが、アクティブマトリクス方式は、画像を構成する最小単位である画素の一つ一つに電気信号が伝えられ、しかもそのオン/オフがすばやくおこなわれる。よって画像は鮮明で、動画像にもきびきび対応する。

 アクティブマトリクス方式は、さらにTFTとTFDに分けられる。

 TFT(Thin Film Transistor=薄膜トランジスタ)というのはよく聞く言葉だろう。これは画素を点灯するスイッチング素子に「薄膜トランジスタ」を用いる方式。画素一つ一つに極小のトランジスタがつけられ、そのオン/オフは、液晶と一体化したガラス基盤上につくられた半導体のシリコン薄膜によって制御する。

 TFTは以前は薄膜シリコンにアモルファス(非結晶)シリコンを用いた「アモルファスシリコンTFT」が主流だったが、それに代わり、ポリ(多結晶)シリコンを用いた「ポリシリコンTFT」が登場。ポリシリコンは電気抵抗が小さく、スピードが格段に速い高性能TFTだ。ただし、ポリシリコン膜の形成には一〇〇〇度以上の高温処理が必要で(高温ポリシリコンTFT)、その熱に耐える高価な石英基板を必要とする。近年、五〇〇度前後の低温で処理する技術が開発され、ガラス基盤を使える「低温ポリシリコンTFT」が登場した。

 一方、TFD(Thin Film Diode)は、スイッチング素子に「薄膜ダイオード」を採用。現在、TFD液晶を生産しているのはセイコーエプソン一社だけだ。

 もう一つ、次世代ディスプレイとして有望視されているのが有機EL(OLED)ディスプレイ。これは液晶ではなく、それ自体が発光する素材をパネルに使うため、より明るく精細な画像が実現する。セイコーエプソンでは、この有機ELディスプレイと低温ポリシリコンTFTは実用化に向け研究開発中だ。

 セイコーエプソンが現在つくっているディスプレイは、STN、TFT、TFDの三本柱。それらはおもに、携帯電話やPDAなどの携帯情報端末やデジタルカメラ、ポータブルビデオなどに使われる、中・小型ディスプレイである。すなわち、モバイル機器用のディスプレイだ。

いつでも、どこでも、きれいに

 「我々の技術開発の基本コンセプトは、H(ハイクオリティ=高画質)、C(コンパクト=薄型・軽量)、L(ローパワー=低消費電力)の三つ(図2)。どんなモバイル機器でも、この三つは絶対はずすことができない要素なんです。そして人々の生活の動きがダイナミックになるとともに、これらの機器もさまざまな場面で使われることを想定しないといけない。つまり、いつでもどこでも、きれいに見えることが求められる。これに対する答えが『反射半透過ディスプレイ』というまったく新しい方式です」(PAD開発設計部・部長・佐藤彰)

 たとえばデジタルカメラの場合、八〇パーセントが屋外、一〇パーセントが室内、一〇パーセントが夜に使われているという。しかし、既存のデジカメのディスプレイは屋外では見えづらい「透過型」なのだ。かといって反射型にすると、屋内や夜は見えなくなる。要するに、モバイル機器というのはどんな条件下でも使えなければ意味がないのである。

 透過型は、パネルの下にバックライトをつけて液晶を照らすので、室内や暗い場所ではとてもきれいだ。一方、反射型はパネルの下に反射板をつけ、外からの光を反射させて液晶を照らすので、日光の下でもきれいに見える。

 クリスタルファインの「反射半透過」パネルは、反射板とバックライトを両方もち、一つ一つの画素の中にマドを設けることによって、透過型と反射型の利点を高度に共存させることに成功した(図3)。また、デジカメならマドを大きめにとり、透過光できれいに見せようとか、逆にPDAやケータイはマドを小さくして反射光を優先し、バックライトの電力を抑えようなど、目的に応じて調整もできる。

 「いつでも、どこでもきれいに」というモバイルディスプレイの要件が、やっと満たされたといえる。

高精細でかつコンパクトに

 一方で、画質自体の向上もめざましい。

 今出ている携帯電話は画素数一二〇×一六〇(一〇〇ppi)程度が一般的だが、来年度モデルとして、すでにセイコーエプソンは二四〇×三二〇(二〇〇ppi)の高精細「クリスタルファイン」を発表した。これは、パソコン画面の四分の一(クォーターVGA)の画素数と同じ。これが携帯電話の二インチ前後のディスプレイに詰め込まれることになる。色についてもsRGB対応により、NTSC規格比六〇パーセントを実現(図4)、これも標準的なノートパソコンを上回る。実際見てみると、色鮮やかで、ドットもまったく見えず、オウムの毛並み一本一本まで見分けられるほど。

 つまり、画素をどんどん小さく、数を増やすことによって精細度をあげるわけだが、これは矛盾をはらんでいる。なぜなら画素が小さく、多くなるほど、パネル開口率に占める配線やスイッチング素子などの画素以外の割合が増え、画面は暗く、色も出しづらいはずである。

 セイコーエプソンは、液晶自体を高度に圧縮し、配線や素子をより高精度に接合する高精度実装技術によってこの課題をクリアし、液晶を小さく、薄くしながら開口率を上げることに成功した。つまり、高精度化の技術とは、同時にコンパクト化の技術でもある。

 そもそも、クリスタルファインが採用するTFD方式は、コンパクト化しやすいという利点をもつ。TFDはTFTに比べ、スイッチング素子が小さく、配線も少ないので、それだけ明るく見やすい画面にしやすい。

 「いまや携帯電話の売れ行きはディスプレイにかかっているといわれるほど、ディスプレイは重要なんです。とくに画質のきれいさですね。このモデルが出たら、たぶんみなさん我先にと乗り換えるはずです(笑)。

 携帯電話の市場動向には、顧客のニーズが極度にダイレクトに反映するんです。だから、商品サイクルが短く、短期間に大量の商品をつくらなければならない。三カ月で一〇〇万台つくって終わりという、いわば”パルス生産方式“。これは技術者泣かせですよ。通常のように徐々に歩留まりを上げていって……というわけにはいかない。裏返せば、それだけの生産技術がないと生き残れないわけです。今携帯電話をつくるためには、非常に高度な商品開発力と生産技術力とが必要なんですね」(佐藤)

より省エネルギーに

 「しかし、クリスタルファインは画質的にはもう行くところまで行ったかなという感じです。むしろ今後の課題は三つめの『低消費電力化』です。省エネ技術の進展が、携帯情報端末の今後を左右するポイントになるでしょう」と佐藤は言う。

 液晶の場合、駆動電力はわずかだが、バックライトが電力を使う。その省エネを課題として、〇四年までに消費電力を半分に削減する予定だ。バッテリー性能もそうそう上がるものではない。こまめにスイッチを切るなど機器側の消費電力を抑える工夫が進められている。

 携帯情報機器は今、大きな過渡期にある。携帯電話のデジカメ化が進む一方で、デジカメがカード化しつつある。PDAも通信機能や表示機能が強化されつつある。これらが相互に影響しながら、より使いやすいモバイル端末が模索されていくだろう。そのなかで、モバイルディスプレイとしてクリスタルファインの役割はますます大きくなるはずだ。

P54キャプション

高画質

透過型・反射型での高画質の両立(半透過技術)

高演色化(s-RGB)

システム

周辺デバイスの

トータルシステム供給

コンパクト

左右対称、

3辺フリー狭額縁

(高密度実装技術)

薄型・軽量

低消費電力

デバイス自体の低消費電力化

バックライトを含めたトータル低消費電力化

図2 セイコーエプソンのディスプレイ事業のコア・コンピタンス

図3 クリスタルファインの反射半透過技術

PAD開発設計部・部長・佐藤彰

図4 画質の向上(色面積の拡大)

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