フラットパネルディスプレイ概論（7）FPDを支える部品・材料技術（2）LED-BLU
Introduction to Flat Panel Display (7) FPD to Components and Materials Technology (2) LED-BLU
Ukai Display Device Institute代表

工学博士

鵜飼育弘

YASUHIRO UKAI Ph.D.
Ukai Display Device Institute

1. はじめに

大型LCD-TV用やモニター用TFT-LCDのBLUではCCFLが大勢を占めていたが、最近の状況はLEDが過LCDの構造については、本概論（2）（THE CHEMICAL

半数を超す勢いである。本稿では、LED-BLUを取り上TIMES 2010 No.4）で取り上げ、非発光ディスプレイのげ、その仕 組みや構 造および 特 徴を述 べる。さらに、

LCDにはバックライトユニット（Back Light Unit ： BLU）

LED-BLUの特徴を活かしたAdditive Dimming法を概が必 要なことを述 べた。BLUの光 源としては、CCFL説し消費電力削減への寄与について触れる。さらに、（Cold Cathode Fluorescent Lamp）が大型LCD-TVやLED-BLUの今後の動向も紹介する。

モ ニター用 TFT-LCD に 使 わ れ てきた。一 方、LED（Light Emitting Diode）
を用いたBLUは、ノートPC、携帯電話、デジタルスチルカメラなど中小型のTFT-LCDに2. バックライトユニットの方式広く用いられている。LED光源の利点は、低消費電力・LCDのBLU用光源は、CCFLとLEDの2種類が主流長寿命であること、小型・薄型・軽量化を実現するデザである。CCFLは、蛍光ランプの1種である。放電させるイン性を持っていることなどが挙げられる。特に小型薄電極に電流加熟のフィラメントを使わない。CCFLは管を型化への対応の柔軟性が、携帯電話機などのモバイル細くでき、寿命も長いのでノートPCなどで技術が進み、テ機器やノートPCなどで普及する要因となった。

レビやモニターに使われている。

図1 TFT-LCD用LED-BLUの種類と構造

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LEDは、省スペース，低消費電力という特徴からモバ

順方向に電圧をかけて電流を流すと電子と正孔（ホーイル機器向けの小型パネル向けとして早くからBLU光源ル）がpn接合部で結合し、電気エネルギーが直接光エに使われてきた。しかし、ここへ来てLEDの別の付加価ネルギーに変換される。LEDは1907年に固体物質に電値、すなわち、高輝度，広い色再現性、Hg（ 水銀）レスな気を流すことで発光する現象が報告されてから、表示どの特徴から、大型パネルへの搭載が急激に広がり始用途で実用化されてきたが、1993年に青色LEDが開発めている。特にLCD-TVでは、LED-BLU搭載品の市場されて光の3原色である赤、緑、青のLED光源が揃っ投入が相次いでいる。

た。1996年には青色LEDと黄色蛍光体による白色LED

LED-BLUは、図 1に示すように、その配 置 部 分でが実現し、現在ではTFT-LCDのバックライト光源として「エッジ・ライト型」と「直 下 型」および「モジュラー型」に広く採用されている。

分類される。ただし、それぞれが実現できる性能は一長3.2 白色LED一短がある。エッジ・ライト型は、TFT-LCDの側面に白LEDで白い光を作る代表的な方式は図3に示すよう色LEDを配置し、反射板や導光板を用いてパネル全体に加法混色を用いたもので、ここでは次の3種類を説明を照射する。薄型化に適しており、厚さが10mm前後でする。LEDには図3に示したように赤、緑、青の個別のもあるLCD-TVはエッジ・ライト型を採用する。直下型は、のを、BLU の 光 源として使う方 式と、疑 似 白 色 LED

白色または赤、緑、青の3色のLEDをTFT-LCDパネルの（Pseudo White LED）がある。

背後に多数配置する。パネルに表示する映像に合わせ、LEDの輝度を領域ごとに制御すると、コントラスト比が高められる。赤、緑、青の3色のLEDを使用すれば，色再現範囲の拡大が可能である。モジュラー型（スリムブロック方式とも呼ばれる）は、LED光を薄型導光板に入射し、面光源に変換してLCDを照射する導光板方式である。
3. LEDとLED-BLUの特徴
3.1 LEDの発光原理
LEDとは「発 光ダイオード」と呼ばれる半 導 体のことで、“Light Emitting Diode” の 頭 文 字をとったもの。
LEDはこれまでの白熱ランプや蛍光ランプと異なり、半図3 白色LEDの方式

導体結晶のなかで電気エネルギーが直接光に変化するしくみを応用した光源である。図2に示すように、LEDに（1）青色LEDと黄色蛍光体の組み合わせ3方式の中で一番発光効率が高い方式である。LEDの青色光と、その光で励起される補色の黄色を発光する蛍光体（例えばYAG）の組み合わせで白色を作り出している。チップが青色光を放出し周囲の蛍光体層は励起され黄色の蛍光を発光する。黄色光は蛍光体層内で散乱と吸収を繰り返したのち外部へ放出され、補色関係にある青色と黄色の2色が混合されて白色光として見える。この方式の発光効率は100lm/Wと高いが、色再現範囲はNTSC比45〜70%と広くはない。なお、制御回路は簡単で、使用部材が少ないことも特徴である。

図2 LEDの発光原理

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フラットパネルディスプレイ概論（7）FPDを支える部品・材料技術（2）LED-BLU（2）光の3原色（赤、緑、青）を組み合わせる③薄型・軽量・狭額縁化：自発光ディスプレイのOLED

見た目には白色光が得られるが、放射エネルギーのと比べると、BLUが必要なことからLCD-TVは薄型ない波長域があるために、物の見え方が不自然になるこ

化 に は 課 題 が あった が、LED-BLU の 採 用 でともある。広い色再現範囲を実現する上では、赤、緑、OLED-TVと同等の薄型・軽量・狭額縁化が実現

青の個別のLEDを使う方式が好ましいが、特性を揃える可能。

回路などが複雑になる。
（3）近紫外（紫色）LEDとRGB蛍光体の組み合わせ④ 応 答 時 間：液 晶 本 来の応 答 時 間の課 題をLEDBLUと新規駆動方式の採用および液晶材料の改3波長形蛍光ランプと同じ発光方式で、青色よりも波善で、CRTと同等以上の動画応答時間を実現。

長の短いLED光源で、赤、緑、青の蛍光体を励起させ⑤輝度：現在商品化されている3D-TVでは液晶シャッる。きれいな白色が得られる特長がある反面、（1）の方ターのメガネが必要で、自ずと輝度が減少する。こ式と比べ発光効率の向上が課題である。なお、色再現れに対して、高輝度LEDおよび光学設計の最適化

範囲はNTSC比72〜100％と広い。また、色のばらつきがで高輝度化を実現。屋外でのディジタルサイネージ小さいことが特徴である。

としても応用が進んでいる。

3.3 LED-BLUの特徴⑥コントラスト比：非発光ディスプレイであるLCDは、自従来のCCFL-BLUからLED-BLUを用いることで、次発光ディスプレイのCRTやPDPおよびOLEDに比べのような特徴と機能を有するLCD-TVを実現できる（図4

コントラスト比が劣っていた。しかし、LED-BLUの採参照）。

用でアダプティブ・ディミング（Adaptive Dimming）①広色再現範囲：LEDとカラーフィルタ（CF）との最適技術を用いることで、ダイナミックコントラスト比を自発化によってNTSC規格比が72％以上の広色再現範光ディスプレイと同等の値を実現。これにより、黒の囲を実現することが可能で、自然な色に限りなく近映像を表現する際、最適なバックライト発光を制御、づけることが可能。

不要な発光をゼロ状態に近づけることにより、本来②グリーンテクノロジ：CCFLは水銀（Hg）を用いていたがLEDはHgフリーで環境に優しい技術である。さらに、ローカルディミング技術により消費電力の削減の黒の深み、奥行き感、立体感を表現できる。
⑦付加機能：以上の特徴の他、IPTV、3D-LCD-TV、タッチ機能などの付加機能を付けられる。

が可能。

図4 LED-BLUによるTFT-LCDの高性能化

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やマトリックス構造を有するOLEDなどに用いることがで

4. アダプティブ・ディミング

きる。表1にLED-BLU方式と特徴の比較を示す。各方

LED-BLU 方 式では、映し出す映 像 信 号に合わせて、BLUの光量を調節するアダプティブ・ディミングなど式の特徴を活かしたLCD-TV（2Dおよび3D）が市販されている。の電力低減技術が注目されている。これらの特徴は環境への配慮という点においても大きな意味を持ち、BLUのみ成らず、一般照明や信号機などLEDのさまざまな用途への展開が期待されている。
図5に入力信号に適応して調光を行う
アダプティブ・ディミングによる消 費 電 力低減の原理を示す。図5の最上行は、高輝度画像を表示する場合である。入力信号、BLUの消費電力を100%とおく。2行目の、例えば入力信号が25%の輝度レベルを表示する場合、従来の方式では

図5 Adaptive Dimming 技術の基本原理

BLUの輝度を100%に保つため、BLUの消費電力は100%のままである。3行目のアダプティブ・ディミングにおいては、信号レベルを4 倍の100%に拡 大し、同 時にBLUの輝 度を1/4に落とす。その結 果、表示輝度は25%のままであるが、BLU電力は25%に低下する。アダプティブ・ディミ
ングには、図6に示すように0次元（0D）、一次元（1D ）、および二次元（2D）ディミ
ングがある。0Dディミングは、平板状蛍光ランプ、1Dディミングには、CCFLなどの線状ランプ、また、2DディミングにはLED
図6 調光領域制御方式と光源
表1 LED-BLUの方式と特徴

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1．はじめに5.
LCD-TVの消費電力削減とLED-BLUの個数削減

図8にエッジ・ライト型の変遷を示す。当初、TFT-LCDの4辺にLED-BLUを配していたが、上下2辺、左右2辺、テレビは家 庭 内の電 力消 費 量のうち10％程 度を占下1辺さらには左1辺へと削減が進む。

め、大画面サイズによる大型化や複数台数の使用が進LCD-TVの消 費 電 力の大 半はBLUによるもので、む傾向にある。LCD-TVの約80％の消費電力はBLUでLED個数の削減は省電力化に大いに貢献できる。LG消費されるため、LED−BLUの低電力化が重要である。

Displayは、消費電力が28Wの47型のTFT-LCDを2011

図7にIMIDʼ10（ The 10th International Meeting on

年 10 月に 発 表した。画 素 数 は 1920 × 1080、輝 度 はInformation Display、ソウルで開催）でSamsungから発400cd/m 2。LCD-TV用としては「世界で最も低い消費表された、LED-BLUを用いたLCD-TVの技術変遷と電力を実現した」とのこと。使用する白色LEDの個数をBLUに用いられるLEDの数 量を併 せて示 す。LED-減らすことで、低消費電力化を実現したとする。BLU光BLUをLCD-TVに最初に用いたのはソニーで、赤、緑、源である白色LEDを、TFT-LCDの1辺のエッジ部分にの青のLEDによる直下型であった。その後、白色LEDによみ配置した。使用する光学フィルムは3枚。入力信号にる直下型からエッジ・ライト型へと移行している。用いら応じて、LEDの発光を部分制御する機能も備える。

れているLEDの数量は、例えば46型LCD-TVの場合、PDPやOLEDのような自発光ディスプレイの消費電力

当初は2160個だったが2009年には324個となり、2010

は、一般に画面サイズ（表示面積）に比例する。NEDO年では2XX個、2011年には1XX個と予測されている。

が 進めているOLEDプロジェクトのターゲットは、40 型

図7 LED-BLUの技術変遷

図8 LCD-TV用エッジ・ライト型LED-BLUの変遷

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40Wを目標としている。TFT-LCDとの比較で唯一の特ストアップとなる。したがって、現状では、中・低出力の徴と言われていたが、これで大型OLED-TVの出番は無LEDを数多く並べるか、高出力のLEDを用いて数量をくなったと言っても過言ではなかろう。

減らすかはコストパーフォーマンスの観点から選択されてまた、BLUがTFT-LCDモジュールのコストに占める割いる。

合も大きいので、この面からも低価格化に寄与できる。したがって、現在のLED市場の大半はLCD-TV用であり、このLED-BLUの市場動向を十分把握する必要がある。即ち、LCD-TV用BLUの方式等は日進月歩であり、大きな流れはLED個数削減である。

6. おわりにTFT-LCDにLED-BLUが採用されたことでLCD-TVの特徴が飛躍的に増え、OLED-TVの特徴を凌駕して上述したように、コスト低減にLEDの個数削減は大きしまった。具体的には、高ダイナミックコントラスト、広色再な効果をもたらす。したがって、TFT-LCDの画面輝度を現範囲、ハイフレームレート駆動等による動画表示特性、維持しながらLEDの個数削減を実現するには、LED単低消費電力および水銀（Hg）フリーによるグリーン化対体の発光効率の向上が必要である。しかも3D対応には応、薄型化・狭額縁化（BLUが付いていてもOLED-TV

2D用に比べ高輝度が要求される。2011年からは、Wと厚みが変わらない）、など枚挙に暇がない。

（RG）に加えてW（RGY）のLEDが要求されるようになる

ここで述べたように、LED-BLUの採用と技術者の弛（W：B＋蛍光体）。これは、従来のR,G,Bの3原色にYまない努力の結果、用いられるLEDの個数は激減し、低（黄色）を加えることで色再現範囲に更なる拡大を目的消費電力を実現した。これらの努力は、LED-BLUのコにしたもので、LEDと合わせてカラーフィルタの構 成もスト削減に寄与し、今や32型LCD-TVは3万円も出さなくR,G,B,Yとなる。この構成は既にシャープから2Dおよびても手に入るようになった。
しかし、大半のパネルおよびテ3D用LCD-TVに採用されている。

レビメーカは赤字の状態である。技術開発は「儲かって高 輝 度 化を実 現するために、従 来は中・低出力のなんぼ」の世界であることを考えると自己矛盾に陥る。

LED（20〜200mA）が採用されていたが、今後は高出TFT-LCDはTFT-OLEDと比べ直材費比率が高いデ力LED（200〜1,000mA）が採用されるようになる。そのバイスである。その結果、TFT-LCDを支える部品・材料

結果、LEDのデバイス構造も図9に示すようにLateralメーカは多いことも特徴と言える。今回取り上げたLED-（Epi Up）構造から垂直（Vertical）構造となる。垂直構

BLUの採用でTFT-LCDの特性は飛躍的に向上した。

造の採用で、放熱特性は改善される半面、現状ではコ過去にカラーフィルタ、液晶材料、配線材料等も同様に貢献した。TFT-LCDには、これら部品・材料の技術革新と共に新しいデバイスの創生に期待したい。一方、
TFT-OLEDは直材費比率が低いデバイスであり、技術 革 新のスピードはパネルメーカと発 光 材 料メーカの開発力に大きく依存している状 況である。この面でもTFT-OLEDが大きくブレークスルー出来るかが問われている。

図9 LEDチップ構造比較

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