フラットパネルディスプレイ概論（10）FPD の将来展望
Introduction to Flat Panel Display (10) The future view of FPD
Ukai Display Device Institute代表

工学博士

鵜飼育弘

YASUHIRO UKAI Ph.D.
Ukai Display Device Instituteにガラス基 板 毎に処 理をする枚 葉 方 式を採 用してい1. はじめにる。ガラス基板サイズは、第 1 世代（約 300mm 角）から2010 年に始まった「フラットパネルディスプレイ概論」

現在の第 10 世代（約 3m 角）となり、設備投資も数千億もいよいよ今回が最終となった。FPD 業界は一部の企円と巨額になっている。TFT-LCD は FPDとして揺るぎ業を除いて元気がなくなっている。また技術者も「夢のない地位を確立しているが、更なる特性の向上と相まっ壁掛けTV」を実現したものの、かつてのチャレンジ精神て省エネルギー、省 資 源といった環 境 対 応 技 術 分 野を失いつつある。しかし、人間生活にディスプレイは欠（グリーン化）でも大きな進展を見せている。ポストフルハ

かせない存在で、今後ますます重要になると思われる。

イビジョン用ディスプレイを目指す要素技術開発も活発

そこで、最終章は FPD 産業の光と影を述べ、次世代で、この分 野の最 新 情 報から目が離せない状 況であFPDとして欠かせない薄膜トランジスタの将来展望と要る。今後は、この連載（5）の図 2 に示したように脱真空、求される移動度の関係および脱真空・脱フォトリソグラ

脱フォトリソグラフィによるロール・ツ・ロール（R2R）方式

フィによるロール・ツゥ・ロール（R2R）への期待についてへの期待が高まっている。この方式で生産されるFPD述べる。最後に、若い技術者に託すメッセージを述べはフレキシブルであり、用いられる材料も無機から有機たい。

材料へと変わるものと思われる。図 1 にディスプレイの技術および市場推移とロードマップを示す。

2. FPD 産業の光と影
ディスプレイ技術者にとって長年の夢だった「壁掛けTV」は実現した。壁掛け TV に代表されるように、ディスプレイ技術のイノベーションで我々のライフスタイルは大きく変わってきた。
かつて FPD の目標は CRT の置き換えであったが、これからは FPD が新しい世界を切り開いていく時代となっている。FPD の技 術 革 新に伴なって、新しい商 品 が我々の生活の中の溶け込み、ライフスタイルが大きく変貌を遂げている。この流れは今後ますます加速するで

図 1 ＦＰＤ技術および市場推移とロードマップあろう。身の周りのあらゆる場所に様々な形態のディスプレイが存在する世界「アンビエント」の到来である。
TFT-LCDの生産方式は、半導体の生産方式と同様

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一方、調査会社によると2010 年以降 FPD 市場は飽和すると言われている。しかし、FPD は人間生活に欠フラットパネルディスプレイ概論（10）FPD の将来展望

かせないデバイスであり（連載（1）参照）、新規デバイスに立ち戻り、消費者が「わくわく」する商品開発に取り組の開発と合わせて新しい応用分野を切り開いてきた。しむ必要がある。技術開発は、｢ 儲かって何歩の世界 ｣たがって、FPD は持続的成長が可能な産業と言える。

である。我々にはビジョンを持ち、目標に向かって果敢

図 2 には、フレキシブルディスプレイ実現への道程を示に挑戦することが求められている 2）。

す。現 状のガラス基 板を用いたディスプレイの堅 牢 性

ここからは、次世代 FPDとして欠かせない薄膜トラン（Unbreakable）を高めることから始める。つぎに、曲げらジスタの将 来 展 望と要 求される移 動 度の関 係、脱 真

れる Bendable Display へと進 化し、最 終目的である空・脱フォトリソグラフィによるロール・ツゥ・ロール
（R2R）

Rolled Displayとしての Flexible Displayを実現する。

への期待について述べる。

ここで用いられるであろうディスプレイとしては OLED やEPD（電気泳動ディスプレイ、電子ペーパー）が考えられる。

3. 薄膜トランジスタの将来展望
薄膜トランジスタが電子デバイスとして初めて実用化されたのは、a-Si TFTとLCD の特徴を上手く活かしたa-Si TFT-LCD である。当初は、3 型の小型ディスプレイからは始まった商品化は、現在では 100 型を超えるものが 商 品 化されていることは既に述 べたとおりである。
ディスプレイの大面積化と相まって、高精細化への需要が高まっている。2003 年から始まった地上ディジタル放送に対応したフル HD（1080 × 1920）が既に商品化されている。また、TFT-LCD の応答特性を改善するために、フレームレートが従来の倍速（120Hz）駆動のデバイ

図 2 フレキシブルディスプレイのロードマップ

スが 商 品 化され、3D 対 応 の LCD-TV では 4 倍 速（240Hz）が実用化されている。

日本の FPDメーカーは、世界の FPD 産業に対して多小型ディスプレイから大型ディスプレイに至るまで、基大の貢献をしてきた。最大の貢献は、技術者が寝食を本的なデバイス構造およびプロセスを順守できるデバイ

忘れてFPDという技術を研究開発から量産技術を確立スは、数あるフラットディスプレイ中 a-Si TFT-LCD のみし製 品 開 発に導いたことある。その過 程で、日本メーである。しかし、更なる高精細化および高フレームレートカーは多くの経験やノウハウを積んできた。例えば、製対応には、現状の a-Si TFT は限界である。高精細化造装置、部材、製造・プロセス技術など豊富な経験とノの動向として、2005 年 10 月から配信放送が開始されウハウを持っている。しかし、現状は、日本の FPDメー

たディジタルシネマ〔2k × 4k（ 2160 × 4096）1k × 2k

カーに元気のある会社は少なく、技術者もかつてのチャ（1080 × 2048）〕や 2015 年試験放送開始、2020 年かレンジ精神を失いつつある。

ら2025 年に実用放送が予定されているスーパーハイビ

FPDメーカーおよび FPD-TVメーカーは軒並みに赤ジョン（4k × 8k）には、a-Si TFT のスイッチング特性で字である。
しかも、アジアのメーカーが赤字で苦しんでいは対応できない。TFT のスイッチング速度は、移動度にるのとは裏腹に、欧米の部材メーカーやセットメーカーは逆比例するため、高精細化、ハイフレーム駆動を実現巨額の利益を得ている。このパターンは昨今、固定化しするには a-Si TFT の移動度（0.5cm 2 /Vs）の 10 倍以上てきたように思える。一 橋 大 学 沼 上 幹 商 学 部 長 は、の移動度を有するTFT が求められる。

「ディスプレイ産業の巨額投資に対する極端な反省論は思考停止を生む」と警告する 1）。さらに「日本企業には戦 略 思 考 力を高める以 外に競 争 力 向 上の道はない」と言い切る。我々技術者には、今一度消費者目線

4. TFTに要求される移動度 3）
TFT には、選択時間 T 内に、液晶容量 C LC および蓄THE CHEMICAL TIMES

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3積容量C Sを所定の電位に充電する能力が求められる。

容 量、フレーム周 波 数の関 係をシュミレーションした結TFT の選択時間 T（s）は、走査線数 n、60Hzを基準と果である。表から、表示容量が HD（1920 × 1080）、フした駆動フレーム比 mを用いて、レーム 周 波 数 60Hz 駆 動 に 要 求 され る 移 動 度 は

T＝160 × n ×m

0.9cm 2 /Vsと実情の 2 倍の値が必要であることが分か（1）る。
a-Si TFT-LCD は表示容量の増加やフレーム周波数で表され、高解像度化、駆動フレームレートの高速化にの増加に伴って、TFTの書き込み時間が減少するため、伴って TFT の選択時間 T が短縮される。

トランジスタのサイズを大きくしたり、駆動電圧を上げたり

一方、TFT による画素充電に必要な時定数τ（s）は、することで対策している。しかし、このような対策では、

液晶容量 C LC（ F）、蓄積容量 C（F）
、TFT の ON 抵抗S

開口率の低下や消費電力の増加などデバイスとして好R TFT（Ω）
を用いて、ましい状態ではない。そこで、書き込み特性を向上する

τ＝ RTFT ×（CLC＋CS）（2）ことが重要な課題になってきた。表 2 に実用化されている Si 系 TFTと一 部 実 用 化 が 始まった酸 化 物 半 導 体

で表され、大面積化、すなわち画素容量（C LC＋C S ）のTFT（Metal Oxide TFT）と開発中のナノ結晶 Si（nc-Si増加とともに充電に必要な時定数τが増加する。

TFT）および有機半導体 TFT（OTFT）の特性と特徴のTFT の ON 抵抗 R TFT（Ω）は、TFT が線形領域で動比較を示した 4）。図 2 に示したフレキシブルディスプレイ

作している場合、電界効果移動度 µ（ cm 2 /Vs）、チャネ用 TFT の有力候補は有機半導体 TFT（OTFT）と思わ

ル長さL（µm）、チャネル幅 W（µm）、ゲート絶縁膜の単れる。

位面積当たり容量（C INS ）、TFT のゲート電圧 V G（ V）、ドレイン電圧 V D（ V）、
しきいち電圧 V（V）
を用いて、t

RTFT ＝VD
1＝ WIDµ L CINS（VG−Vt ）表 2 各種 TFT の特性と特徴（3）で表される。
TFT による画素の充電が、選択期間内に余裕をもって終了するには、
τ＜＜ Tを満足する必要がある。これよりTFT の要求移動度は、（C ＋C ）µ ≫ W LC S
× 60 × n ×m
（VG−Vt ）L CINS（4）で表現され、大面積化による画素容量の増大、高精細化による走査線数 n の増加、駆動フレームレート比 m の増加とともに、TFT には高い移動度が要求される。
表 1 は、ある条件下での要求される移動度を、表示
表 1 要求される移動度と表示容量、フレーム周波数の関係

5. 脱真空・脱フォトリソグラフィによるロール・ツゥ・ロール（R2R）への期待
a-Si TFT-LCD および LTPS TFT-LCD は、技術者の寝食を忘れた努力の結果、CRTを凌駕する性能と高度の生産性を実現し、大きなビジネスとして開花した。
デバイスの観点から見ると、TFT-LCD は、CRT に比べ軽薄短小のデバイスであり、CRT では実現不可能な領域のマン・マシン・インターフェースとしての地位を確立

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フラットパネルディスプレイ概論（10）FPD の将来展望したといえる。しかし、課題がないわけではない。例えば、生産技術面では、ライン構築に当って巨大なクリーンルーム（建屋）と重厚長大な設備を必要とする産業になっている。また産業の海外流出も大変重要な問題となっている。
そこで、TFT-LCD 生産工程における省資源、省エネルギーを実現しなければならない。とりわけ、TFTアレイ工程の革新的な生産技術開発が求められる。確かに、TFT-LCD は、CRT に比べて省エネルギーのデバイスといえる。しかし、生 産に必 要なエネルギーの観 点からは、到底 CRTを凌駕しているとはいえない。TFT-LCDを生産するに必要な電力、純水、薬液等は CRT の比ではない。そこで、真に CRTを凌駕するために生産技

図 3 LCDとOLED のコスト構造比較

さらにデバイスの性能でも取り組むべき課題は残され術としての課題を列記すると、ている。まずデバイスの入力に対する出力、いわゆる効① 脱真空プロセス率の問題である。現状のTFT-LCDの構成は、表示モー② 脱フォトリソグラフィ

ドによらず 2 枚の偏光板とカラーフィルタで構成されてい③ 低温プロセスる。この構成を用いる限り原理上、最大でも15％以上④ 枚葉プロセスからロール・ツゥ・ロールプロセスの効率を実現することは不可能である。しかも、TFT の⑤ 環境に優しいプロセス、地球と共 生する技術

開口率に起因する透過率の低減があり、BLU の効率の確立などが急務である。

を考慮すると、図 4 に示すようにトータルの効率は数％に

TFT-LCD 産業は、装置産業と労働集約産業から成り立っている。基板サイズの大型化は、装置産業として過ぎない。この点からみても光の取り出し効率は、必ず解決しなければならない問題である。の投資生産性の向上に大いに貢献してきた。既に 3m角の超大型基板を用いて量産されているが、さらなる大型化には疑問視する向きが多い。
また、TFT-LCD 産業は半導体産業に比べ直材費比率が大きい産業でもある（TFT-LCD モジュールのコストに占める直材費比率は 70% から80%）。TFT-LCD は、図3に示すように、偏光板、位相差板等の光学フィルム、タッチパネル、バックライトユニット（BLU）等のモジュール部材を使用している。図 3 には比較のため OLEDと構成部材のコスト割合を示す。そこで著者はそれらの部材をセル内に形成するいわゆる「In-Cell 化」を提唱している 5）。In-Cell 化によって、① TFT-LCD モジュールの薄型化、軽量化、堅牢性および信頼性の向上② TFT-LCD モジュールの部材・材料費を付加価値としてパネルメーカに取り込む③ 労働集約的な生産工程の削減による産業流出の回避

図 4 TFT-LCD の光利用効率

デバイスの表示品位でも解決しなければならない問題はある。TFT-LCD はコントラスト、色再現性、応答時間等で CRTと同等もしくは C RTを凌ぐ性能が実現されている。しかし、ディスプレイとしての質感、光沢等の感覚的な領域まで表現できる状況には至っていない。
連載（6）で FPDを支える部品・材料として「タッチパ④ 新規デバイスの創生ネル」をとりあげた。タッチパネルは、機 器とのインターなどが期待できる。

フェースとして重要であり、キーボードやマウスに比べ直THE CHEMICAL TIMES

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観的に使えることから飛躍的に成長している。しかも、今年はソニーからIn-Cell TPを用いたTFT-LCD（PixelEyes “ACX433BLN”）の量産が始まり、正しくIn-Cell

TFT-LCD の本 格 的な研 究 開 発が始まって四半 世TP 元年と呼ぶに相応しい年となった。この技術は、従紀。私は幸いにしてそのスタートからこの研究に携わり、来のタッチパネル技術では成し得なかった新しいマン・発 展の歴 史とともに歩むことができた。その間、TFT-マシン・インターフェースを切り開くものと期待される。新LCD 技術と産業の典型的な特質を目の当たりに見、多技術がビジネスの糧になるように、しかもメーカーの技術くのことを学習した。ここでは、若い技術者の皆さんへ伝者が開 発の喜びを分かち合えるようにしたいものであえたいことを述べる 2）。

る。タッチパネルは最 早 FPD を支える部 品 ではなく、故東大名誉教授の多田富雄氏が朝日新聞に連載さFPDと一体化したデバイスとしてなくてはならない存在とれた記事 6）の中から一部紹介する。
『このごろの研究なった。

者は、なんでも競争、後から参入して成果の先っぽだけ

図 5 にタッチ技術の過去・現在・未来を示す。光セン横取りすることをなんとも思っていない。そんな競争は、サ内蔵技術でスキャン機能が可能となる。我々が日常嫉妬と憎しみが残るだけ。文部科学省も過去の成果だ用いている複写機やファックスでは、ラインセンサによるけを重んじて、これから何をやりたいかということを聞こうドキュメントの取り込みが行われている。しかし、これらともしない。勢い成果主義と仁義なき戦いに走ることにの機 器にはラインセンサの走 査 機 構が必 要であるたなる。やせ細った、小粒の研究しか育たない。何より未め、機器のコンパクト化などには適さない。これに対し、来への夢が無い。若い研究者は、小さい競争に現を抜

フォトセンサアレイ内蔵のデバイスを用いることでこの機かすのではなく、自分のアイデアを引っさげて、世界の構が不要となる。瞬時に 2 次元のドキュメントの読み込研究者のコミュニティーに参加する心がけが大切であみが可能となり、しかも同じデバイスで表示できる。すなる。そのためにも自国の文化を知ることは必須である。まわち入力 / 出力一体型デバイスが実現する。その先は、た、他国の文化を知ることも、競争相手の科学的モチタッチしなくても入 力できるジェスチャ機 能やエアータッベーションを知る大事な手がかりである。いくら英語でチに進展するとともに、対話型ディスプレイが主流とな論文を書いても、競争一辺倒のぎすぎすした論文しかり、タッチデバイスとディスプレイデバイスは切っても切れ生まれない』。

ない関係となる。インプット・アウトプット一体型デバイスの時代の到来である。

図 5 タッチ技術の過去・現在・未来

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6. 技術者はロマンを求めて Never Give-Up の精神でTHE CHEMICAL TIMES

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最近、日本におけるa-Si TFT-LCD 産業は、一部の企業を除いて元気がなくなりつつある。また、技術者もアフラットパネルディスプレイ概論（10）FPD の将来展望

メリカナイズされた人事制度の導入により、リスクを伴うと開発に従事した。小学校卒業の文集に書いた「科学研究開発には取り組み難くなりつつある。このような状況者」の夢は残念ながら実現できなかった。しかし、2008の中で、最 近の関 連 技 術 者は夢と自信を失いつつあ

年 3 月末まで通算 30 年間も TFT-LCD の技術開発と事る。

業化に携わった。技術者にとってこのようなことは多くの元立命館大学・末川博総長の言葉に、「青年は未来を信じ未来に生きる。そこに青年の使命がある」があ機会があることではないと思う。本当に技術者冥利に尽きる。

る。私は、ここで言われている「青 年」とは、肉体 的に顧みれば、先生、上司、先輩、同僚、仲間の多くの「青年」のみならず精神的にも「青年」を意味しての言方々と、両親と家族の支えがあって今の私がある。
『福，葉と理解している。死ぬまで 1日19 時間、数学の問題受けつくすべからず』（ 法演の四戒：瀬戸内寂聴著「美を解き続けた鬼 才の数 学 者ポール・エルデーシュは、しいお経」より）を肝に銘じ、今後ともTFT 分野の学業界「頭を働かせている人は若々しい」と弟子たちに話してに少しでも寄与できれば幸いである。

いたという。また彼は、研究を止めた、つまり脳細胞の活動を停 止した人を「死んだ」といい、人が死んだ時は「去った」と表現したという。

7. おわりに

TFT-LCD はいくつかの Break Throughを経て、現在TFT-LCD はフラットパネルディスプレイとして揺るぎなに至っている。しかし，克 服しなければならない課 題もい地位を確立しているが、更なる特性の向上と相まって多々ある。もちろんこれらの技術的課題を突破するのは省エネルギー、省資源といった環境対応技術分野でも技術者の役目である。しかし忘れてはならないことは、大きな進展を見せている。ポストフルハイビジョン用ディス技術者自身のものの考え方、および仕事の進め方に常プレイを目指す要素技術開発も活発で、この分野の最に Break Through が求められることである。独創的な技

新情報から目が離せない状況である。ここで紹介した術で、夢と情熱を常に持ち、しかもNever Give-Up の精技術が確立し、新規フラットパネルディスプレイ（FPD）、神で果敢に挑戦する。そのことで、真に CRTを凌駕しとりわけフレキシブルディスプレイを用いた商品が人々にた理想の TFT-LCD 技術が確立すると私は信じている。

感動を与えてくれることを期待している。読者には新規技術者には、未来を信じ大きな夢を抱いて、日々夢を実FPDの実用化に参画され、｢ 知 ｣の創造に寄与されるこ現するために失敗を恐れず果敢に挑戦する精神と実とを切望する。

行力が問われている。
イラク戦争やリビア内戦に見られるように、地球上には残念ながら戦争が絶えない。東京電力の原発事故

長期間にわたり連載を読んで頂いた読者の方々に感謝いたします。また、この連載の企画をいただいた関東化学の関係者の方々に感謝の意を表します。

は、人災と言われながらも加害者（東京電力と国）と被害者（国民）の区別なく「日本の文化」で済まそうとする風潮がある。日本人によって何の罪もない人々から命と参考文献

土地および生活を奪ったことを忘れてはいけない。この

1）沼上 幹 . 朝日新聞朝刊 . 2011.11.8

被害は未来永劫続くかもしれない。我々には地球との

2）鵜飼育弘 . 研究開発リーダー. 2009, Vol.5, No.12, 70-77.

共生（我々の生きている時代）だけではなく、共生（とも3）鵜飼育弘 . マイクロ・ナノx 領域の超精密技術 . 日本学術振興会 将来加工技術第 136 委員会編 , オーム社 , 2011, 183-201

いき）（ 開発した技術や製品が孫末代に与える影響を考えること）が重要である。技術者以前に一社会人とし

4）鵜飼育弘 . 液晶 . 2011, 15（3）, 201-216て、世界が戦争や核兵器および原発のない平和で幸5）Ukai,Y. Proceeding of the XIV International Workshop on thePhysics of Semiconductor devices. IEEE, 2007, 29-34

せな時代になるよう常日頃関心を持ち、地道な活動が重要である。

6）多田富雄 . 朝日新聞朝刊 . 2008.6.18

ホシデンで a-Si TFT-LCD の黎明期から研究開発や事業化に携わり、ソニーでは LTPS TFT-LCD の事業化

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