マイクロLEDの大きな影響

マイクロLEDは、5～100μmの径を持つ極めて小さい発光ダイオード（LED）で構成された半導体素子であり、小さな粉塵粒子や細かい砂粒とほぼ同じサイズです。

マイクロLEDの登場

現代社会の絶え間ない喧騒の中で、テクノロジーの進歩は、デバイスの継続的な縮小、高速化、効率化をもたらしています。ディスプレイの世界における革命について考えてみましょう。大型のブラウン管時代からディスプレイは大きく進歩し、液晶から有機発光ダイオード（OLED）へのディスプレイ技術の小型化に伴い、新しい世代のディスプレイが登場するたびに、よりコンパクトで明るく高解像度になっています。近年、それに取って代わる強力なテクノロジーとしてマイクロLEDが登場し、明るさ、色域、コントラスト、応答時間、寿命、そしてエネルギー効率の大幅な向上が期待されます。自動車に搭載されているお気に入りのガジェットやディスプレイから高速通信ネットワークまで、さまざまな用途に対応できるマイクロLEDが期待されています。

小型化における設計上の課題

マイクロLEDアプリケーションの場合、小型化は便利であるだけでなく、製造がある程度大規模になると電力効率が向上し、さらに安価になります。ただし、小型化には独自の課題があります。このような微小な発光構造体を製造するプロセスでは、主にLEDの端に原子レベルの欠陥が生じ、そこでは電流が光に変換されず、内部効率が低下します。マイクロLEDが小さくなればなるほど、その表面積に対する周囲の比率が大きくなり、高い内部効率を達成することはより困難になります。 

また、別の重要な課題として、光の抽出と成形もあります。LEDを小さくすると、寸法の変更や位置ずれに対する許容値がより厳しくなります。同時に、隣接するピクセル間の意図しない信号やエネルギーの伝達（「クロストーク」と呼ばれる）を制御および回避しながら、素子から効率的に光を取り出すことが難しくなります。これらの課題は、ピクセル密度が高くなるにつれてさらに大きくなります。

マイクロLEDピクセルのナノ／マイクロスケール設計に加えて、設計者はマクロデバイスレベルでこれらのピクセルの大きなアレイのインコヒーレント放射と相互作用を考慮する必要があります。ユースケースに応じて、レンズ、フィルタ、色変換レイヤー、散乱構造、回折格子、偏光子など、他のレイヤーや光学素子が組み込まれ、色定義、ビーム増強、およびビームシェーピングを支援します。シームレスなワークフローで適切なソルバーを組み合わせて、これらの構成ブロックとその相互作用を正確にモデリングすることは、エンジニアがシステムレベルで直面する重要な課題です。

高解像度ディスプレイ画面に搭載するために必要な膨大な数のマイクロLEDを考えてみましょう。数百万個の小さな砂粒をミクロンの精度で配置するという困難な作業を想像してみてください。多くのメーカーは、ドナーウェハから数百万個のマイクロLEDダイを切り離し、転写スタンプに取り付けてから、ディスプレイ基板上の正確な位置に放出するための効率的でスケーラブルな物質移動プロセスに多額の投資を行ってきました。物質移動プロセスおよび装置を使用して、これらの数百万個のマイクロLEDがディスプレイバックプレーンに転送され、アレイに組み立てられてディスプレイ内のサブピクセルを形成します。次に、マイクロLEDは、金属インターコネクトを使用して、関連するスイッチング回路および駆動回路を備えたアクティブ相補型金属酸化膜半導体（CMOS）バックプレーンに電気的に接続されます。サブピクセルサイズの縮小を考えると、個々のピクセルを正確かつ迅速に制御できる、非常にコンパクトで電力効率の高い複雑な薄膜トランジスタ（TFT）ドライバを作成するという問題を解決することは、克服すべき大きな障壁です。

欠陥は、マイクロLEDの製造ライフサイクルのどの段階でも発生する可能性があります。800万ピクセルを超える4Kディスプレイを考えてみましょう。たとえ製造プロセスの歩留まりが99.99%であっても、ディスプレイのデッドピクセルが1,000個を超えることがあります。この規模で欠陥を特定して修復することは非常に困難です。したがって、欠陥に対処し、高歩留まりを達成するための方法とテクノロジーは注視すべきものです。  

マイクロLED技術の重要な利点

マイクロLED技術には、次のような重要な利点があります。

高輝度: OLEDのような発光素子の輝度は、入力電流を一定のレベルまで上げることで向上できます。その後、素子は効率の低下、急速な経年変化に悩まされ、慎重な熱マネジメントが必要になる場合があります。マイクロLEDは、よりスリムなプロファイルを維持しながら、大電流密度を伝送し、高効率ではるかに高い輝度を達成することができます。

高速な応答時間: マイクロLEDに使用される半導体物質は、電気的および光学的な応答特性が高速であるため、OLEDに使用される有機材料に比べてピクセル応答時間が速くなります。

独立したピクセル制御: マイクロLEDディスプレイの各ピクセルは、個々に駆動してオンとオフの状態を直接制御できますが、OLEDは光を放出または消すために有機材料に依存しています。

安定性とロバスト性: マイクロLEDは、優れた安定性を持つ窒化ガリウム（GaN）などの半導体物質で構成されているため、複雑なカプセル化手法が不要です。OLEDは凍結温度では問題なく機能しますが、高温では経年劣化が大幅に加速します。LCDにおいても、熱マネジメントはディスプレイの効率に影響を及ぼし、低温では性能が低下する可能性があるため、困難な課題となっています。基盤のLED技術のロバスト性により、マイクロLEDは湿度や広範な動作温度などの厳しい条件に直面するアプリケーションで優れた輝度と寿命をもたらします。

マイクロLEDの用途

前述の利点により、マイクロLEDは特定のアプリケーションで優れた性能を発揮します。

ヘッドアップディスプレイ（HUD）および中央クラスタディスプレイ: マイクロLEDの高輝度は、ドライバーの安全を守るために、自動車や航空機のHUDや中央クラスタディスプレイにとって極めて重要です。直射日光下の可読性が改善され、さまざまな照明条件下で重要な情報の可視性が維持されます。

自動車照明のヘッドライト: マイクロLEDはピクセルレベルで光セグメントを選択的に制御できるという特徴があり、それを高輝度の特性と組み合わせることで、自動車用ヘッドライトアプリケーションの光の分布と強度を正確かつリアルタイムに制御することができます。マイクロLED技術は、照明システムで現在採用されているデジタルライトプロセッシング（DLP）技術のマイクロミラーを置き換え、これまでDLPで実現できたものをはるかに超えて、ヘッドライトの制御可能な光セグメントの数を増やす可能性があります。この高いピクセル数により、高度なグレアフリーハイビームヘッドライトを実現し、ドライビング体験を向上させることができます。  

家電: マイクロLEDは、高い輝度と小さなフットプリントにより、スマートウォッチや拡張現実（AR）ディスプレイのような高いアンビエント光と競合しながら、狭いエリアに情報を表示する必要があるアプリケーションにとって重要な利点となり、ユーザーエクスペリエンスを向上させます。

各ピクセルを直接制御できる機能と高速な応答時間を組み合わせることで、ゲーム、スポーツ、アクションコンテンツ、AR/VRなど、滑らかなモーションレンダリングを必要とする動きの速いコンテンツを含むアプリケーションでモーションブラー（被写体ぶれ）やゴーストアーチファクトを低減するのに特に有用です。

高速光ベース通信: マイクロLEDを最適化してスイッチング時間を短縮することで、高速コンピューティングなどの高速光ベース通信アプリケーションで採用される可能性が高まります。

柔軟で伸縮性のあるディスプレイ: マイクロLEDは安定性とロバスト性を備えているため、複雑なカプセル化手法が不要となり、柔軟性と伸縮性に優れたディスプレイにとって有力な候補となります。

マイクロLEDの困難であるが有望な未来

Sony、Samsung、Konka社など、いくつかの企業がマイクロLEDビデオウォールを販売しています。また、他の企業は高級テレビや各種サイズの透明で柔軟なディスプレイなど、マイクロLEDベースのさまざまなプロトタイプを示していますが、その普及はまだ実現していません。1つの課題は、確立された費用対効果の高いOLED技術によって参入障壁が大幅に高くなったことです。OLEDは、数十年にわたって材料、デバイス、製造開発に多額の投資を行ってきたため、テレビやスマートフォン用のアプリケーションの粘り強いライバルとなっています。

 一部のアプリケーションではOLEDとの差別化を達成することは非常に困難ではあるものの、マイクロLEDは、高輝度、高解像度密度、応答時間、消費電力、および過酷な条件下でのロバスト性に関する厳しい要件を課す他のアプリケーションには最適であり、このテクノロジーの普及を促進する可能性があります。

OpticaのCTOであるJose Pozo氏は、次のように述べています。「家電製品でのマイクロLEDには大きな可能性があります。テクノロジーリーダーたちは、次世代に対して常に期待し続ける先例を意図的に行っています。スマートフォンの新しいバージョンが登場するたびに、最新の機能強化が行われ、より優れたエクスペリエンスが提供される点が強調されます。この考え方は、新たに登場するどのテクノロジーにも当てはまります。ウェアラブル技術と、比較的新生の分野である拡張現実やバーチャルリアリティが登場したことで、マイクロLEDは継続的な製品進化にとって非常に魅力的な特性をもたらします。」1916年に設立されたOpticaは、科学者、エンジニア、ビジネスの専門家、学生など、光学業界に関心のある人々のための主要な組織です。光学分野における知識の生成、応用、アーカイブ化、普及を促進することに専念しています。

また、OLED技術の発展に貢献する新材料や新技術の研究開発にも投資を続けています。毎年、新しいディスプレイメーカー、スタートアップ、OEMメーカー、および機器メーカーがマイクロLED分野に参入し続けています。そして、テクノロジー業界の主要プレーヤーは、マイクロLEDの開発に数十億ドルを注ぎ込み続けています。この新興のディスプレイ技術が、大きな投資と成長の可能性を備えた豊かな場であることは有望な兆候です。

その他のリソース

マイクロLED設計向けのAnsys Opticsのシミュレーション機能の詳細については、アプリケーションギャラリー例「MicroLEDマルチフィジックス設計」を参照してください。