フラットパネルディスプレイ概論（1）Introduction to Flat Panel Display (FPD)(1)Ukai Display Device Institute代表 工学博士

鵜飼育弘

YASUHIRO UKAI Ph.D.
Ukai Display Device Institute1．はじめに1．はじめにではさらに2桁か3桁低い。したがって、ネットワーク社会の中で、マン・マシン・インタフェース（man-machine-「フラットパネルディスプレイ概論」と題して今回から10回interface）として視覚から情報が得られるディスプレイデバの予定でデバイス技術、部品材料技術、製造技術およびイスが重要であることは明らかである。

応用分野と市場を紹介する。
「The Chemical Times」の読

2.2 ディスプレイデバイスの定義

者層は広範囲の専門家集団と想像している。ディスプレ

ディスプレイデバイスとは、マン・マシン・インタフェースとイ関連の読者のみならず専門外の読者に興味を持っていわれるように、各種電子機器（machine）からの様々な読んで頂けるように努めたい。

情報が視覚を通して人間（man）に伝達されるデバイス、あるいは、電子機器と視覚を通して人間との情報交換の2．ディスプレイデバイスとはためのツールということができる。したがって、人間と電子機器を結ぶ橋渡し的役割（interface）を担っているものと2.1 人間の五感とディスプレイデバイスして定義される。

人間は情報入力の手段として五感を使っているが、情ディスプレイデバイスを機能面から定義すると、図2に示報の実に85%以上は｢目を通して｣画像を入力しているといすように、各種電子機器から出力されてくる電気的情報信われている。そこで図１に人間の情報入出力能力の比較

号を人間の視覚で認識できる光情報信号に変換するデを示す。まず、入力機能として五感の受容細胞数を比較バイスと定義できる。ディスプレイデバイスは一般に変換

すると、視覚が最大で、ついで臭覚と味覚が挙げられる。

光情報信号を二次元空間にパターン化する機能、すなわ

一方、情報処理速度でみると、やはり視覚が最大で 約

ち光情報信号を数字、文字、図形、画像などのパターン3Mbps、聴覚はそれより2桁ほど低く、さらに臭覚、味覚化情報として表字する機能を備えている。ここで、光情報
信 号 が 発 光 により表 示 され る 場 合 が 発 光 型 表 示（emissive display）、一方、反射、散乱、干渉現象などの周囲光の制御、すなわち光変調で表示される場合が非発光型表示（non-emissive display）と呼ばれる。
時間、空間位置制御は、ディスプレイの輝度と色度を表示画面の各位置で時間的にどう制御するかという方法である。CRT（ブラウン管）
では、蛍光面上に電子ビームで位置走査することで行なう。蛍光体はそれ自身では導電体でないため電気エネルギーを与えた部位のみ発光し他の

図１ 人間の情報入出力能力（樋渡涓二, 視聴覚情報概論, p.15, 昭晃堂 1987）

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部位は発光しない特性を有していることから、電子ビーム

フラットパネルディスプレイ概論（１）は発光体へのスイッチ機能とエネルギー制御機能を併せムがメタルバックされており、このメタル膜を介してアノード持っている。

ボタンから15〜25kVの陽極電圧が蛍光体面に印加され、電子ビームが高速に加速される。

図２ 電子ディスプレイデバイスの機能（松本正一, 電子デバイス, p.1, オーム社 1995）

3．ディスプレイデバイスの分類と特徴
ディスプレイデバイスを構造の面からみると、ディスプレイ自体を直接見る直視型と、スクリーンに映し出した映像

図４ CRTの構造と動作原理を見る投写型とが存在する。図3に直視型と投射型に分類して代表的なディスプレイデバイスを示す。

3.2

VFD（Vacuum Fluorescent Display : 蛍光表示管ディスプレイ）
低速電子線による蛍光体の励起発光現象を利用する表示デバイスである。陰極線ルミネセント現象を利用する
点ではCRTと同じであるが、CRTは電子ビームの走査で表示するのに対して、図5に示すようにVFDはグリッド部とアノード部への選択的電圧印加の走査で表示する点が大きく相違する。なお、VFDは伊勢電子の中村博士の発明によるものである。

図３ ディスプレイデバイスの種類

CRTはFPD（フラットパネルディスプレイ）が出現するまでは、電子ディスプレイの代表としての地位を有していたが、その大きさと重量等の課題から、家庭のTV受像機までがFPDに代わり、中でもLCD（液晶ディスプレイ）が揺るぎない地位を有するに至っている。ここでは、CRTと図5 VFDの構造

FPDの種類と特徴を概説する。次回以降、この中から代表的なFPDについて詳述の予定である。

3.3 PDP（Plasma Display Panel :プラズマディスプレイ）

3.1 CRT（Cathode Ray Tube:ブラウン管ディスプレイ）

希ガスのプラズマ放電に伴う行・列マトリックス電極交高速電子線による蛍光体励起発光（陰極線ルミネッセ点での発光を利用したデバイスである。その基本的デバンス）現象を利用する表示デバイスである。構造は図4に

イス構造は、行電極と列電極を設けた2枚のガラス基板示すように、熱カソードで生成し電子銃で細く絞られて放から構成された放電空間（隙間約0.1mmの空間）に、ネ出された電子ビームは、偏光ヨークの磁界の作用で水オン（Ne）とキセノン（Ｘe）を主体とする混合希ガスが数百平・垂直方向に走査され、パネルガラス面に塗布されたTorrで封入されている。放電セル部分に紫外線発光蛍蛍光体面に高速で衝突する。この衝突エネルギーが蛍光体を組み込み、これを希ガスの放電紫外線で励起発光体を励起し、発光が生じる。蛍光体面にはアルミニウ光させることで、多色カラー表示ができる（図6）。

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だけ格子状に並んでおり、各々が数mm離れて向かい合って配置されたガラス基板上の蛍光体に向けて電子を発射する。CRTのように偏向が必要ないため薄型大画面の平面ディスプレイを作ることができ、また、消費電力もCRTの半分程度で済む。

図6 PDPの構造

3.4 OLED（Organic Light Emitting Diode：有機EL）
有機EL（Organic Electro Luminescence）とは、電流を流すと発光する性質の有機物質を応用した発光現象のことである。有機ELは、基板に有機物質が挟み込まれた構造をしており、電流を流すことで有機物質の分子が図8 FEDの構造励起され発光する仕組みとなっている。図7に示すように構造が比較的単純で、バックライトなどの装置が不要であ3.6 LCD（Liquid Crystal Display：液晶ディスプレイ）るために極端な薄型化が可能であり、電流の調節によっ電圧を加えると分子の配列が変わる液晶分子を利用て光の強さも加減できるなどの特徴をもっている。日本でした表示装置のことである。液晶分子自体は発光するもは有機ELと呼ばれることが多いが、欧米ではOLEDと呼のではない。バックライトもしくは周囲光を液晶分子の向ばれている。デバイスの動作原理からはOLEDの呼び名きを変え、光の透過率（透過型）もしくは反射率（反射型）が適している。

を制御することで、画像を表示する。図9に示すように液晶分子は電極が形成された2枚のガラス基板にはさまれており、電極に電圧を印加すると、向きが変わる。またガラス基板の外側は、特定方向の光だけを透過させる偏光板が配置されている。

図7 OLEDの構造

3.5 FED（Field Emission Display : 電界放出ディスプレイ）
平面状の電子放出源（エミッター）から真空中に電子を放ち、蛍光体にぶつけて発光させる原理の表示装置。ブラウン管の電子銃にあたる装置を平面状にした技術で、CRTのような明るくてコントラストの高い画面が実現する。
CRTでは電子を放出する電子銃が発光面から十数〜数十cm離れた位置に一つあるが、図8に示すようにFEDではガラス基板上に微小な突起状の電極が画素と同じ数

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図9 LCDの構造と動作原理

フラットパネルディスプレイ概論（１）3.7

EPID（Electrophoretic Image Display：電気泳4．FPD に求められるもの動ディスプレイ）
液体に微粒子が分散したコロイド溶液中では、電気二マン・マシン・インタフェースとしてのディスプレイデバイス

重層の形成で分散粒子は正または負に帯電している。の求められる事項を、機能（物理的特性）、性能（電気光このようなコロイド溶液に直流電圧を印加すると、分散粒学的特性）および生産性・グリーン化の3項目に分けて列子はクーロン力で溶液中を泳動する。EPIDは、このような記した。

電気泳動現象を利用している。このディスプレイは元松下

4.1 機能（物理的特性）電器の太田氏によって発明されたものである。図10に、

・画面サイズ：対角長（型、cm）、縦横比（アスペクト比）

現在商品化されているE-Inc製のEPIDのデバイス構造と原理を示す。

3：4、ワイドなど
・表示容量：画素数（ディスプレイフォーマット、放送規格）、諧調数・携帯性：薄さ、軽さ、消費電力
・信頼性：温度、湿度、衝撃などの耐久性（寿命）4.2 性能（電気工学的特性）
・解像度：画素サイズ、ppi（pixel per inch）
・視野角：十分なコントラスト比のとれる上下・左右の角度
・輝度：画面の明るさ（ルミナンスcd/m2もしくはNit）
・応答速度：動画表示に必要な画面の高速切り換え
・コントラスト比：最大輝度/最少輝度、黒の沈み
・諧調（白黒中間調）：微妙な色調を表現するグレイス
ケール
・色再現範囲（Color Gamut）：表示可能な色度範囲
・表示画面の均一性、表示ムラのないこと

図10

EPIDの構造と原理（E-Inc）

・立体表示
4.3

生産性・グリーン化

・歩留まり
表１に代表的なFPDの特徴を比較して示す。個々の特・スループット（単位時間当たりの処理能力）性に関しては次回以降に詳しく述べる予定である。なお、

・コスト

太線で囲った箇所は他のFPDに比べ優れている特性を・運搬性（画面サイズの大型化に伴って、製品や製造示す。

装置の運搬が課題になっている）
・環境対応：ライフサイクル（製造・使用時・廃棄時）

表１ FPDの特性比較

での省エネルギー、省資源
最近は、物理量として表すことが難しい「質感」「臨場感」といった「感性」の領域にまで性能が向上してきた。
商品化されているLCD-TVやPDP-TVのコントラスト比が100万:1とか、色再現範囲がNTSC比100%といった数字が話題になっている。しかし、輝度計による電気光学特性がよければ人間にとって好ましいディスプレイとは限らない。
今後は、質感や光沢感などの評価方法の確立とあいまって、大型FPD-TVの開発および実用化に画像観賞の生理

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的疲労の定量的測定法の確立が求められている。

デューティ比100％のスタティック駆動に近い表示が実現できる。

5．FPD の電極構造と駆動方式
FPDの駆動に用いられる電極構造とその主な用途は、①セグメント電極（数字表示、アナログバーグラフ表示）②固定パターン電極（記号表示、パターン表示）③マトリックス電極（キャラクタ表示、グラフィック表示、ビデオ表示）である。各種セグメント電極の中で代表的なものは、図11aに示す７セグメント電極で、全面基板上の7個のセグメント電極と背面基板上の１個のコモン電極からなる。各セグメントに選択的に電圧印加することにより、０〜９の数字を任意に表示できる。アナログバー表示の場合は、多数のセグメント電極を１列または円形に並べて使用する。あ

図11 FPDの電極構造と駆動方式

る特定の記号やパターンを常時表示する場合は、その形状に固定化された電極を用いる。なお、この駆動方式は6．FPD の応用と市場動向

スタティック駆動と呼ばれ、表示セグメントとコモン電極には表示期間中連続して電圧が印加される。

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図12にディスプレイ（CRTおよびFPD）の技術別市場規模

任意のパターンを表示する場合に用いられるマトリックの推移と予測を示す（Display Search, July 29-30,2009）。

ス電極構造を図11bに示す。一方の基板上の帯状行（走2008年後半のLCD価格急落により、2009年は前年比－査）電極（X）と他方の基板上の帯状列（信号）電極（Y）20％と過去最大の減少幅となった。2010年は同12％増からなり走査電極と信号電極からなる任意の交点（画の見込みで、2011年以降は年率1ケタの安定成長時代に素）に選択的に電圧を印加することでキャラクタ表示、グなると予測されている。2010年の市場規模は$US 93.7

ラフィック表示、ビデオ表示などが実現できる。

Billionで技術別のトップはa-Si TFT-LCD（アモルファスシ以上が一般の単純マトリックス（マルチプレックス）駆動

リコン薄膜トランジスタ-液晶ディスプレイ）＄US 78.1 Billion

方式におけるマトリックス電極構造であるが、各画素にトラ（シェア83％）、次いでLTPS TFT-LCD（低温ポリシリコン薄ンジスタスイッチング素子を付加するアクティブマトリックス

膜トランジスタ-液晶ディスプレイ、図中ではLTPS）$US 7.2駆動方式では、走査電極と信号電極はスイッチング素子

Billion（同7.7％）、PDP $US 4.1 Billion（同4.4%）、OLEDを介して同一基板面に形成されており、他方の基板面に$US 1.5 Billion（同1.6％）である。なお、CRTは$US 1.5

は全面電極が形成されている（図11c）。

Billion（同1.6％）。a-Si TFT-LCDが飛び抜けていること

単純マトリックス駆動は、多桁の数字表示のように比較が分かる。この技術は小型（例えば3型）から大型（108的多数のセグメント電極を用いる場合やマトリックス電極型）まで量産されている。基本的なデバイス構造および構造の場合に適用される駆動方式で、時分割駆動ある生産技術を変えないで広範囲のサイズを実現できる技

いはダイナミック駆動とも呼ばれる。

術 は 他 に は な い 。 2015 年 に は 市 場 規 模 は $US

アクティブマトリックス方式では、スイッチング素子と必要109.7Billionとなるが、順位は2010年と変わりないと予測に応じてキャパシタ素子を付加・集積し、コントラストやレされている。ただ、電子ペーパの台頭でEPID（図中ではスポンスなどの表示性能の向上を図っている。各画素のEPD）が1.4％になると思われる。

スイッチング素子とコンデンサは、それぞれクロストークを図13にFPD用途 別 市 場 規 模 の 推 移と予 測を示 す防ぐ役割と信号電荷を蓄積する役割を担っている。これ（Display Search, July 29-30,2009）。2010年のトップはによって、実質的に走査電極数の制約をなくし、原理的にLCD-TV $US 37.3Billion（39.8%）、次いでDesktop

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フラットパネルディスプレイ概論（１）Monitor $US 15.3Billion（16.3%）、Mobile Phone $US通事項として、求められるもの、電極構造と駆動方式を紹13.6 Billion（14.5%）、Notebook PC $US10.1Billion

介し、応用と市場動向についても紹介した。今後の予定（10.8%）、Plasma-TV $US 3.9 Billion（4.3%）
である。

としては、
下記を考えている。

2015年はLCD-TV $US 37.3 Billion（34%）
、Mobile第 2回：液晶ディスプレイ
（LCD）

Phone $US 20.0 Billion（18.2%）、Notebook PC $US

第 3回：有機EL（OLED）

14.2 Billion（12.9%）、Desktop Monitor $US 13.0 Billion

第 4回：電子ペーパ（11.9%）、OLED-TV $US 1.9Billion（1.7%）と予測されて

第 5回：新規ディスプレイ
（フレキシブル、３Ｄなど）いる。

第 6回：FPDを支える部品・材料技術（１）
第 7回：FPDを支える部品・材料技術（２）7．おわりに第 8回：FPDの製造技術（１）
第 9回：FPDの製造技術（２）マン・マシン・インタフェースとしてのディスプレイデバイス

第10回：FPDの将来展望の分類から各々FPDの特徴について概説した。FPD共

図12 ディスプレイ技術別市場規模

図13 FPDの用途別市場規模

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