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フラットパネルディスプレイ概論（３）
有機EL（Organic Light Emitting Diode : OLED）
Introduction to Flat Panel Display（3）Organic Light Emitting Diode : OLED
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．はじめにると下記の通りである。
（１）特徴

ディスプレイとして長く王座を占めていたCRTは、真空管のため大型で重かったが、LCDの実用化で薄型化・軽量化が実現した。LCDは、非発光型のためバックライトが必・全固体・自発光デバイス
・高コントラスト比（1,000,000:1以上、階調に依存しない）要で薄型化には限界がある。一方OLEDは、自発光型の・鮮明でキレの良い表示

オールソリッドステート（固体）のフラットパネルディスプレイ

・高速応答（〜数μs）（FPD）
としてポストLCDへの期待が大きい（図1）。ここで・薄型化に適するは、先ずOLEDの特徴、要求事項、技術的課題を述べる。

・低電圧・低消費電力

次に、OLEDの動作原理と発光材料、駆動方式とバックなど。

（２）要求条件

プレーン技術、カラー化と色塗り分け技術を概説し応用に・高い発光効率（特に青）ついても触れる。

・長寿命、高信頼性
・大画面化に適したプロセス（材料、プロセス、設備等のスケーラビリティ）など。
（３）技術的課題
・信頼性（特に高分子型）
・再現性
・材料コストの削減など。

3．OLED の動作原理と発光材料
3.1動作原理と発光効率
図１ ディスプレイの薄型化・軽量化

OLEDは、図２に示すようにアノード（陽極）、正孔輸送層、カソード（陰極）、電子輸送層で有機物からなる発光層を挟んだシンプルな構造をしている。各層の厚さは20〜

2．OLED の特徴、要求事項、技術的課題

30nmである。カソードとアノードに電圧をかけ、電子と正孔を注入する。電子と正孔は発光層で結合し、結合によっ

FPD概論（1）の表１でFPDの特性比較を示したが、て生じたエネルギーで周りの分子が励起される。そして、OLEDの特徴、要求事項、技術的課題を箇条書きにす

励起状態から再び基底状態に戻る、その際に放出されTHE CHEMICAL TIMES 2011 No.1
（通巻219号）

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図２ OLEDのデバイス構造とエネルギー順位

スキーム1 発光効率るエネルギーによって光を発する。

3.2発光材料とデバイス構造

電極材料としてカソードには、銀やアルミニウムなどの光発光材料に低分子材料を用いた低分子型と、高分子を反射する金属を使用する一方で、アノードにはインジウ材料を用いた高分子型のデバイス構造を図4に示す。図ム−スズ酸化物（ITO）などの透明な電極を使用し、ガラス5に発光材料の一例として、低分子材料、高分子材料、蛍（プラスチック）基板を透過させ外部に光を取り出す。

光材料および燐光材料を示す。

電子と正孔の再結合により形成される分子励起の生成状況を図３に示す。三重項励起子は、そのまま失活して燐光を放出する過程と、三重項-三重項消滅を経由して一重項励起子を生成し失活する遅延蛍光過程が存在する。
一重項励起からの発光が蛍光（Fluorescence）
で三重項励起子からの発光が燐光（Phosphorescence）である。この割合は、蛍光：燐光＝1:3である。
OLED の 外 部 量 子 効 率 EQE（External Quantum

図4 OLEDデバイスの構造

Efficiency）
は、スキーム1に示すように内部量子効率と光取り出し効率の積で表される。電荷注入バランス、励起子生成効率、励起子の輻射再結合確率および光取り出し効率の四つの積からなる。ここで、電荷注入バランスは、電子と正孔の注入・輸送効率と電子と正孔の再結合確率に分離できる。発光効率を最大にするには、これら四つの因子をそれぞれ100％近い効率にする必要がある。

図5 OLED発光材料

3.2.1低分子材料
低分子材料は、図4（a）に示すように有機材料を蒸着により薄膜化・積層化することによりデバイスを作成している。前述の発光原理により蛍光材料と燐光材料に大別できる。蛍光材料は、一重項発光を利用した材料で、光の三原色となる赤（R）・緑（G）・青色（B）ともコスト・寿命・耐久
図３ 発光メカニズムとエネルギー移動過程

4THE CHEMICAL TIMES 2011 No.1
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性・成膜性に充分な要件を持った材料が揃っている。

フラットパネルディスプレイ概論（３）
有機 EL（Organic Light Emitting Diode : OLED）

燐光材料は、前述の三重項発光を利用した材料であ

4．駆動方式とバックプレーン技術

り、原理的に蛍光材料よりはるかに発光効率がよい。しかし、燐 光 材 料 は、寿 命、電 流 増 加 時 の 効 率 低下

４.1駆動方式（Triplet-triplet annihilation）、精製の困難さ、熱耐性の点

4.1.1パッシブマトリックス（単純マトリックス、マルチプレッで蛍光材料ほどの普及はしていない。特に青色はまだ十クス駆動とも呼ばれる）分な特性を持つ材料が開発されておらず、実用化には至パッシブマトリックス駆動は、図6（a）に示すように構造はっていない。各社がこの青色燐光材料の開発競争を続単純だが瞬間的に光らせるのは1ラインであるため、その瞬けている状況である。

間の発光輝度を大きくしている。よってデバイスの寿命が高分子材料と比したとき、低分子材料の欠点として製短くなってしまう欠点がある。また、パッシブ方式では、単造技術が挙げられる。デバイスにする際、薄膜製造には純マトリックス駆動のLCDと同様にクロストークによる画質透明のガラス基板やプラスチック基板に蒸着させる方法低下が問題になる。LCDではSTN型がパッシブマトリックが一般的である。しかし通常のシャドウマスクを用いた色スに対応する。

分け成膜技術は、シャドウマスクの精度、熱膨張の観点4.1.2アクティブマトリックスから大型化が困難である。現状のOLEDが小型のもの

パッシブマトリックス駆動の欠点は大型化や高精細化に限られるのはそのためである。この問題を解決するたでより深刻になるため、大型パネルや高精細パネルにはめに様々な手法が提案されている。

図6（b）に示すアクティブマトリックス駆動が採用される傾3.2.2高分子材料

向にある。TFT-LCDとの違いは、LCDの画素には基本高分子材料は、それをインクとした印刷技術の応用によ的にTFTが1個であるが、OLEDの場合はスイッチング用り大量・安価・大型のOLEDデバイスが容易に生産できると駆動用の2個が必要なことである。TFTにアモルファスと言われ、次世代の材料として国内外の研究開発が続シリコン（a-Si）
を使用すれば、しきい値電圧の面内均一性けられている。しかし高分子材料でOLEDを作製する場が優れていることから、画素ごとのバラツキは少なくなるが合、層間の材料同士が溶解しやすくOLEDに不可欠な前経年変化が大きくなる。低温多結晶シリコン（LTPS : Low

述の薄膜化・積層化することが非常に困難である。そのTemperature Poly Silicon）-TFTを使用すれば経年変化ため単層ないし少数の層の素子構造しかできず、多くのが小さくてすむ代わりに、しきい値電圧のバラツキが大き機能（各層の機能）をこれら単数または少数の層や材料いことにより画素ごとのバラツキが大きくなる。いずれの場に持たせる必要がある（図4（b））。したがって高分子材合も、これらを補償するための画素TFTの構造が複雑に料の分子設計への要求は低分子材料のそれに比べてなる。

非常に高く、そのため低分子材料に比べて高分子材料の開発は遅れている。しかし、ここ数年で効率、寿命、色度ともに大きな進展が見られ、赤、緑については実用領域に入りつつある。表１に低分子型と高分子型の比較を示す。
表１ 低分子型と高分子型の比較

図6 パッシブマトリックス駆動（a）と アクティブマトリックス駆動（b）

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5図7に示すようにTFT-OLEDの光の取り出し方法には、表２ バックプレーン用TFTの特性と生産性有機層の「上」からと「下」からの2種類がある。製造工程が比較的簡単とされているボトムエミッション方式は、発光層からの光をTFT基板側の「下」から取り出す方式である。TFT基板にはOLED駆動用の画素回路が存在するため、光取り出し領域が限られてしまい、光利用効率が落ちてしまう。これに対しトップエミッション方式は、画素回路など光をさえぎるものがない封止ガラス側の「上」から光を取り出すので、発光した光を外部に効率よく取り出し、低消費電力かつ長寿命を実現できる。

も残されている。したがって、現状では大型TFT-OLEDの量産に適したバックプレーン技術は未確立と言える。
詳細は、第8回、9回に予定しているFPDの製造技術で取り上げる予定である。

5．カラー化と色塗り分け技術

図7 TFT-OLEDのデバイス構造比較

OLEDのカラー化方式には、図9に示すように三色方式、カラーフィルタ方式、色変換方式の3種類ある。

４.2バックプレーン技術
現在実用化されているTFT-OLEDのバックプレーン用TFTの半導体層は、a-Si膜をエキシマレーザ（ELA）でLTPSとしたものである。小型のTFT-OLEDにはELAが用いられているが、課題は基板面内のしきい値電圧をいかに小さくするかである。この方式では、基板サイズが730㎜×920㎜が最大で、大型TV用のTFT-OLEDの製造技術としては不向きである。そこで、図8に示す各種TFT材料と製法の開発が行われている。中でも、透明酸化物半導体（transparent amorphous oxide semiconductor :図9 色塗り分け技術

TAOS）
は、移動度が2桁と大きくスパッタリングで大面積の基板に比較的低温で成膜できることから大学および企業

5.1三色方式の開発が盛んである。しかし、表２から分かるようにチャン

赤色（R）・緑色（G）・青色（B）の発光層をそれぞれ用いる

バークリーニング法が確立されていない等、量産上の課題方式である。色純度を向上させるため、カラーフィルタを併用する場合もある。高精細メタルマスクと低分子材料の蒸着法は、現在実用化されているOLED生産の主流である。この方式は発光効率、色度とも優れているが、R,G,Bの発光層を塗り分けるため開口率が低下する。さ
らに、大型基板での高精細パターニングには大きな課題がある。マスク蒸着に代わる技術として、レーザを用いた転写法も開発されている。
これらはいずれも低分子材料を用いたドライプロセス

図8 OLEDバックプレーン用ＴＦＴ材料と製法

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であるが、高分子材料をインクジェット等で印刷するウエッフラットパネルディスプレイ概論（３）
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トプロセス技術も開発されている。

モジュールは約8kg と軽く人力で搬入ができるので、従来

5.2カラーフィルタ方式

大型ディスプレイの搬入が難しかった設置場所にもデザイ

白色発光層を用い、カラーフィルタを通すことでR,G,Bをンや大きさに合わせてフレキシブルにディスプレイが構成得る方式である。この方式は、高精細パターニングを必要でき、また、従来導入が困難であった曲面の柱や角度のとしないので大型化・高精細化対応は現実的と言える。

ついた壁面などさまざまな場所への設置も可能である。

しかし、カラーフィルタを用いることで効率は低くなる。対

このディスプレイの特徴は、策として、R,G,Bに白色（W）
を加えた方式が提案・開発さ・面発光するOLEDにより、上下左右±80度以上のれている。この方式の課題は、高効率・長寿命の白色OLEDの開発が鍵といえる。
5.3色変換方式
青色発光層を用い、その発光の一部を色変換層を介して赤色・緑色を得る方式である。波長の短い色への色

広視野角
・明るい場所でも見やすい、1,200cd/m2 の高輝度と高コントラスト（LED比 約2倍）・新開発の制御技術で駆動し、高精細な画像を表示変換は困難であり、また青色材料の開発も赤・緑に比べである。今後の展開を大いに期待したい。

難しく十分な材料も乏しいため青色LEDに希土類錯体な6.2アクティブマトリックス駆動OLED

どの色変換材料を組み合わせた白色照明の開発も行アクティブマトリックス駆動OLEDは、現在2〜3型の小われている。この方式の特徴は、パターニングが不要で型が主流で携帯電話機のメインディスプレイ等として採用開口率を大きくできることである。

されている。テレビ用は、2007年に11型が発売されたのが世界初である。2010年には、15型が市場投入された。

6．応用
7．おわりにOLEDの市場規模は、2010年には１億個を超え、2013年には2億個を超えると予測されている。パッシブ型とア

TFT-LCDは3型から108型まで実用化され、基本的にクティブ型を数量で見ると、現在はパッシブ型が多い。し同一材料、プロセス、装置等で生産できている。一方、かし、パッシブ型は、小型、安価で応用範囲が広く市場をOLEDはここで述べたように材料、バックプレーン技術、色牽引してきたが、発光色が単色で小型に限定され、台頭し塗り分け技術等がディスプレイサイズに左右されるのが現てきたアクティブ型が、今後は成長すると見込まれている。

状である。この点がTFT-LCD技術および産業との大きな6.1 パッシブマトリックス駆動 OLED違いで、この課題が解決されない限り一大産業に成長で1997年に、モノクロム低分子型が市販されたのが始まりきるかは、大いに疑問がある。

である。高分子型は、シェーバー用に2002年商品化され競合デバイスのTFT-LCDは性能・コストパーフォーマンた。最近では、自動車のダッシュボードに採用されていス共に日進月歩で、OLEDにとっては厄介なムービングターる。採用の理由は他のFPDに比べ視認性に優れ過酷なゲットである。単に「固体だ、次世代だ」と言うだけでは、環境条件に耐えられることにある。

そのハードルは日々高くなっている。最近、消費電力の観従来の規格型ディスプレイで対応困難だった場所に、点からTFT-LCDに比べOLEDはグリーンデバイスに適し画質や見やすさなどを悪化させずに大きさや形をフレキているとの報告や固体照明としての期待は大きいが、上シブルに構成できるスケーラブルなディスプレイが求めら述の課題が何時解消されるかが注目されるところである。

れている。
2009年CEATECで、世界で初めてパッシブ型OLEDを用いた155 型の大型ディスプレイが展示され好評を博した。2010年のCEATECでは、縦横384mm×384mm の標準モジュールを複数組み合わせていろいろな形状・サイズを構成できる大型ディスプレイの発売が発表された。

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