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これが中小型ディスプレイの全貌

a-Si TFT-LCDのデバイス技術動向
― 新技術の実用化と高付加価値化 ―

鵜飼育弘/ソニー

はじめに

今回は「a-Si TFT-LCDのデバイス技術動向−新技術の実用化と高付加価値化−」と題して，高精細化，広色域化，高付加価値化などに関して最近の技術動向を述べる。近年の携帯電話は，ワンセグ放送の受信，動画対応，3Dグラフィック表示など様々なアプリケーションが普及している。中でも，ワンセグ放送が受信可能な携帯電話では「長く視聴できること」がユーザーの声として求められている。ワンセグ視聴中はディスプレイが表示された状態が続くため，TFT-LCDモジュールにより携帯電話のバッテリ電力が消耗され，連続視聴時間が短くなってしまう。ここでは，フォトセンサ内蔵および画像認識による消費電力削減技術も紹介する。

高精細化・広色域化

携帯機器用ディスプレイの高精細化が加速していることは第4回で述べた。その中で，a-Si TFT-LCDは低温poly-Si（LTPS）TFT-LCDに比べ技術的に不利な面がある。しかしa-Si TFT-LCD陣営も生き残りを賭けた技術開発で，市場の要求に対応すべく新技術の実用化を目指している。

1.　高精細化技術

カシオ計算機は，「HAST（Hyper Amorphous Silicon TFT-LCD）」と名付けた独自の低抵抗配線材料の活用と多ピン化スリムLSIなどの技術開発により，a-SiでLTPSと同等以上の高精細・高開口率化を実現したTFT-LCDを開発・実用化している。生産ラインは従来のa-Si TFT-LCDの製造設備が応用できるため，大規模な設備投資の必要がなく，しかも生産効率や歩留まり，品質が安定しているのが特徴という。
HASTから進化した「New HAST」技術は，（1）高精細・高開口率化技術，（2）低抵抗配線技術，（3）高透過率・高色純度カラーフィルタ（CF）技術，（4）多ピン・スリムドライバLSI技術，（5）超ファインLSI接合技術を駆使して実現した。同社は高精細化のために，低抵抗配線材料と狭ピッチCOG（Chip on Grass）接続技術を開発し実用化した。低抵抗配線材料としてAl/Nd/Niを採用し，比抵抗値を約10μΩ・cmとし，Al/Tiの約20μΩ・cmから半減させた1）。すなわち同じ膜厚であれば従来の半分の配線幅で設計可能であり，開口率の向上に寄与する。COG技術はドライバLSIをガラス基板上に直接接続する技術で，TFT-LCDの軽量・コンパクト化には欠かせないが，パネルの高精細化に伴い接続ピッチを縮小する必要があり，異方性導電膜ACF（Anisotropic Conductive Film）とプロセスの最適化が求められる。材料面では，ACFのバインダの種類と粒子種類，そして粒子分散密度を接続メタル（端子部材料）の種類に応じて選定することが重要である。New HAST技術では，これらを最適化した結果，20μmピッチ接続を可能にした。また，高開口率を実現するために高プレチルト配向膜の採用と，TFT設計ルールの最適化を実施した。同技術を適用して2.2型VGA，解像度368ppiのパネルを開発している。なお，このパネルの画素ピッチは，23μm×69μmである2）。加えて05年には2.4型VGA TFT-LCDが商品化されている。同社は，同技術をLTPS TFT-LCD技術と競合させながら，次世代LCDのキーテクノロジーとして進化させる考えである3）。

2.　Subpixel Rendering技術

Clairvoyanteは，携帯電話などのTFT-LCDの輝度を向上させ，かつ低消費電力を実現する「PenTile（ペンタイル）」技術を開発している4）。同技術は，少ないサブピクセル数で低消費電力ながら明るいTFT-LCDを実現する技術である。同社は，VGA（640×480）サイズの携帯電話向けTFT-LCDをQVGA（240×320）LCDの製造コストで提供できるとしており，LCDパネルメーカーやICドライバメーカーにライセンス供与している。
従来のTFT-LCDは，赤（R）緑（G）青（B）で構成される三つのサブピクセルを1ピクセルと見なし，VGAサイズのTFT-LCDであれば1440のソースドライバが必要だった。同技術では，RGBにさらに白（W）を加え，二つのサブピクセルを1ピクセルとしているため，ソースドライバがVGAで960と少なくなる。1ピクセルを3分割していたものが2分割となるため必然的に明るさが向上し，バックライトのLEDの数も従来の半分近くまで削減できる他，ピクセル数が少ないためパネルを動かすクロック周波数も小さくて済むという。このため低消費電力化も可能となり，しかもコスト削減にも寄与する。2.4型VGA TFT-LCDにおける従来RGBタイプとPenTile RGBWタイプの比較を表1に示す。
キーとなる技術は「Subpixel Rendering」と呼ばれ，RGBWをそれぞれ独立してコントロールできるのが特徴である。従来のTFT-LCDでは，白を表示する場合にRGBの3色を同時に100％光らせていたが，同技術では，BWのピクセルが中心だった場合はBWを50％，色補正を行なうために周囲のRGを12.5％発光させる。また，RGが中心だった場合はRGを50％，周囲のBWを12.5％発光させる。
同社はSociety for Information Display（SID）2007において，新型PenTile技術を参考展示した。これまでは，RGBW4色のCFに独自アルゴリズムを組み合わせて高画質化と低消費電力化を図ってきたが，Web上で地図を表示させた場合など，黄色が上手く表現できていなかった。すなわち，純度の高い赤色や黄色を表示した時，その部分がやや暗く見えてしまうという問題があった。この問題を解決するために赤色や黄色の明るさを高め，従来型パネルとほぼ同等の見栄えが得られる新しい表示モード「Pure Color Mode」を開発した。同モードは，バックライトユニット（BLU）の輝度を通常のレベルから最大輝度の85％程度まで引き上げながら，白のサブピクセルの信号レベルだけを引き下げるものである。また，このPure Color Modeと，BLU輝度を通常の半分に落とす「Power Saver Mode」との中間的な状態も利用できるようにした。映像信号をフレームごとに解析し，映像シーンに合わせてBLU輝度とWのサブピクセル用の信号レベルを最適制御する。07年第4四半期に市場投入を予定している。

3.　広色再現技術

エプソンイメージングデバイスは，広色域化技術としてR・YG（黄緑）・B・EG（エメラルドグリーン）の4色のCFと白色バックライトとのマッチングを図ることで，高精細化・広色域化を実現している。GをYGとEGとの2色に分割することにより，通常のTFT-LCDではNTSC比40〜72％と困難であったEGやB系の微妙な色再現が可能になった5）。例えば，同社の4.5型VGA（180ppi）透過モードTFT-LCDの色再現範囲はNTSC比108％である。

高付加価値化

1.　ドライバ回路の内蔵

TFT-LCDパネルと駆動LSIとのインターコネクションの数を削減し信頼性を向上する目的で，コックピット用小型TFT-LCDのゲートドライバを内蔵したものは98年から実用化されている6）。その後，携帯機器用TFT-LCD用としても各社で開発実用化が進められてきた。例えばSamsung Electronicsは，ゲートドライバ回路内蔵モジュールとして03年に1.98型CIF，04年に2.0型QVGA，05年に2.6型VGA，06年に1.98型VGA（400ppi）を開発し，ICコストの削減とモジュールのコンパクト化を実現した。また同社は，パネルと駆動LSIの接続数削減のため，高信頼性a-Si TFTの生産技術と7個のTFTから構成される回路を開発した7）。ソースドライバに関しては，R，G，Bの信号を切り替えるセレクタ回路も内蔵されている。これらの技術を用いて，携帯機器用ディスプレイは勿論のこと，LCD-TV用に23型WXGAが開発された。同パネルはゲートドライバを内蔵するために外付けのドライバが不要であり，ソースドライバを従来技術では6個必要であった所を2個のみとし，コスト削減とモジュールのコンパクト化を実現した8）。

図1　容量検出式TPの概念図

2.　In-Cellタッチパネル

タッチパネル（TP）はディスプレイの入力デバイスとして広く用いられている。入力方式としては，光学式，音響式，静電容量式，抵抗膜式，電磁誘導式などがあり，原理を異にした種々の方式が技術を競い，それぞれの特徴を生かして使い分けられている。小型LCDに搭載される抵抗膜式TPは軽薄短小に加え，破損しないことが課題である。一般に，TPはTFT-LCD上に配置されるため，モジュールの厚みが増すだけではなく，パネルの表示品位（コントラスト比，輝度など）の劣化を招く。しかも中小型TFT-LCDモジュールの額縁は，いかに狭く出来るかが重要な要求仕様になっているが，TPの外形寸法で律則されているのが現状である。これらの問題を解消する方法として，TPのIn-Cell化が提案されている9）。
Philips Reserch Laboratoriesは，SID'04でセル内に抵抗式のタッチスイッチを集積化したTFT-LCDを報告した。抵抗式スイッチに用いた構造は，セル内にセル厚に比べ小さい導電材料がコートされた球状スペーサによるものと，フォトリソ技術で対向基板上にITOをコートした突起によるものである。スイッチの感度を高めるには，対向基板の厚みを薄くする必要がある。
Planar Systemsは，a-Siフォトトランジスタ（TFT）による60×60アレイを集積化した2.4インチ×2.4インチの光学式タッチスクリーン付きa-Si TFT-LCDをSID'03で発表した。このデバイスの構造およびプロセスはa-Si TFT-LCDと基本的には相違なく，4〜6枚マスクでフォトトランジスタと読込み用の配線が追加されたものである。このタッチスクリーンは，周囲光が50〜50000luxの条件下で指もしくはスタイラスの入力で動作する。また，同社がSID'04で発表した14.1型XGAパネルに集積されている光学式タッチセンサは，256×192の素子（ピッチ1.116mm）で構成されている。しかし，いずれも実用化には至っていない。
SID'07でSamsung Electronicsから光学式と容量式のTPの提案があった7）。光学式は反射モードとシャドウモードで入力を検出する方式で，反射モードはBLUからの反射光により指の位置を検出する。一方，シャドウモードは指で生じた影を検出するもので，屋外などの明るい環境下で用いる。
携帯機器用ディスプレイの使用環境は，暗闇（1lux）から直射日光下（100万lux）の全天候対応が要求される。したがって，この領域を高感度で検出できるセンサの実現は大きな課題である。対策として，画素に対してセンサを2〜4個で構成することが考えられるが，この方法では開口率が減少する。また，アナログ信号をデジタル信号に変換する回路（AD変換回路）および位置検出信号の二次元画像処理回路が必要であり，これらはモジュールの消費電力の増加とハードのコストアップにつながる。
容量式は光学式の課題を解消する目的で開発されている10）。容量式は，LCDパネルに接触することで液晶の容量変化を検出する。試作した容量ラインセンサは縦30，横40である。光学式の場合開口率の減少が15〜20％と大きいが，容量式の場合は7〜8％と小さい。容量式TPの概念図を図1に示す。このTPを2.45型QVGA TFT-LCDに適用し，従来タイプ（抵抗式）との比較を行った。その結果を表2に示す。表から，従来方式に比べ光学特性および機械的特性のいずれの特性も開発品が優れていることが分かる。

3.　フォトセンサによるBLUの制御

モバイル用TFT-LCDモジュールの消費電力は，BLUが90〜95％を占める。モバイル用TFT-LCDモジュールの消費電力の削減は，周囲環境に応じていかにBLUを制御するかにかかっている。そこでTFT-LCDにフォトセンサを内蔵し，BLUの電流を制御する提案が行なわれている。ここでは，SID'07でのSamsung Electronicsの発表を紹介する7）。a-Siフォトセンサの光感度はpoly-Siに比べ大きいので，センサの面積を小さくできるメリットがある。センサの光電流は，5luxで0.45nA，500luxで1.2nAである。この電流レベルでは小さいので，増幅しデジタル信号に変換する。デジタル信号はLEDに伝送され，BLUを制御し調光する。周囲光とBLUの電力，電流の関係を表3に示す。
VGAパネルの消費電力は，BLUが95％で残り5％はパネルとICである。これらを削減するために，ゲートおよびソースバス抵抗と容量を削減しパネルの負荷を軽くする。これらの結果から，モジュールの消費電力のロードマップとして，06年に45mW，07年に33mW，08年に25mW，09年に21mWがターゲットとなっている。

4.　画像認識によるBLUの電力削減

前述のように，消費電力を抑えるために暗い画像を表示する時にはBLUの光量を絞るという方法がある。しかし，単純にBLUの輝度を調光するだけでは表示される画像そのものが暗くなってしまい，画質の美しさが損なわれることが課題だった。
NECエレクトロニクスは，TFT-LCDに表示する画像を認識し，データ補正およびBLUの調光を実行する技術を開発した11）。この技術は「Mobile AGCPS（Auto Gamma Control and Power Saving）」と呼ばれるもので，表示画質を維持しながらTFT-LCDモジュールの消費電力を最大50％低減できる。この技術をドライバICに実装することにより，システム構成によっては変更を伴わずに画質維持，低消費電力化を両立できる。電池の消耗が問題となりがちなワンセグ視聴機能付き携帯電話機向けにソースドライバを市販する。

おわりに

「a-Si TFT-LCDのデバイス技術動向−新技術の実用化と高付加価値化−」と題して，高精細化，広色域化，高付加価値化および低消費電力化に関して最近の技術動向を述べた。ここで紹介した技術は，開発中もしくは実用化されたものである。これらの技術が融合された暁には，LTPS TFT-LCD技術の大きな脅威となるであろう。ビジネス面から考えると，先進技術のみでは市場は付加価値を認めにくい。a-Si TFT-LCDメーカーは，すでに償却が終わったラインを用いて生産しているところが多い。従って，これらのメーカーはパネルコスト面で優位であり，LTPS TFT-LCDメーカーにとってはコスト競争力のある差異化技術でいかに対応できるかが重要となっている。

〈参考文献〉
1）K.Kamiya, et al.,：SID 1998 Digest pp.455-458（1998）
2）カシオ計算機 プレスリリース（2004）
3）宮下崇：図解 電子ディスプレイのすべて pp.32-35 工業調査会（2006）
4）Clairvoyante プレスリリース（2005）
5）小間徳夫：図解 電子ディスプレイのすべて pp.28-31 工業調査会（2006）
6）H.Lebrun, et al.,：SID 2005 Digest pp.950-953（2005）
7）M.-K.Kang, et a,：SID 2007 Digest pp.1262-1265（2007）
8）S.H.Moon, et al.,：SID'07 Digest pp.1478-1481（2007）
9）鵜飼育弘：低温ポリSi TFT-LCD技術 EDリサーチpp.99-103（2005）
10）J.Lee, et al.,：SID 2007 Digest pp.1101-1104（2007）
11）NECエレクトロニクス プレスリリース（2007）

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