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FPD International 2013(10月23〜25日)


FPD International 2013 フレキシブル有機ELの製品化がカウントダウン段階に
酸化物TFTもバックチャネル構造の実現が現実味に

 10月23〜25日、パシフィコ横浜で開かれた「FPD International 2013」。昨年激減したFPDメーカーの出展はさらに減り、ジャパンディスレイ、パナソニック、Truly Semiconductor(香港)のわずか3社に。このため、FPDモジュール自体のデモは低調感が否めなかったが、FPD用マテリアルではスマッシュヒットといえるデモも。おもなトピックスをレポートする。


写真3 6.2型低温Poly-Si TFT-LCD(ジャパンディスプレイ)

写真1 7型低温Poly-Si TFT-LCD(ジャパンディスプレイ)

写真2 8.9型低温Poly-Si TFT-LCD(ジャパンディスプレイ)

 出展が激減したとはいえ、やはりFPD Internationalの顔はFPDメーカー。パナソニックは先日開かれた「CEATEC JAPAN 2013」に注力したせいか、積極的なデモがなく、単にTFT-LCDモジュールを展示していただけといった印象。Trulyもパッシブマトリクスパネル中心の中小型FPDメーカーだけに、最新テクノロジーを披露するといったレベルではなかった。

ユニークな車載用a-Si TFT-LCDに新鮮味

 となると、やはり主役は世界最大の中小型FPDメーカーの日の丸ジャパンディスプレイ。まず目を引いたのが低温Poly-Si TFT-LCDによるハイレゾリューションパネルで、製品レベルではタブレット端末用7型WUXGAパネル(1200×1920画素)と8.9型WQXGAパネル(2560×1600画素)を披露。その解像度は323ppiと339ppiだけに、圧巻の出来栄えだった。一方、参考出展レベルではタブレット端末用12.1型4K2Kパネル(3840×2160画素)、スマートフォン用5.4型/6.2型パネル(2560×1440画素)を展示。5.4型パネルは543ppiと世界最高解像度だが、色純度やコントラストはいまひとつでさほど完成度は高くなかった。

 むしろ低温Poly-Si TFT-LCDよりも目立ったのが車載機器用a-Si TFT-LCD。まずはNTSC比102%を実現した12型高色純度仕様パネル(2560×1440画素)。RGBにW(White)サブピクセルを加えた“White Magic”技術により消費電力を抑えながら、LCDでは驚異的とさえいえる色再現性を確保した。このスペックだけにコントラストは抜群で、輝度も高輝度モードで1400cd/m2をマーク。果たして車載機器にこれだけのハイエンドTFT-LCDが必要なのかとさえ感じてしまうレベルだった。このサイズだけに用途が気になるが、説明員によると「通常のナビゲーションモニターとして想定している。日本では画面サイズが大きいかもしれないが、欧米ではこのサイズに対するニーズがある」とのこと。


写真5 曲面タッチディスプレイ(ジャパンディスプレイ)

写真4 12型a-Si TFT-LCD(ジャパンディスプレイ)

 また、“イノベーションビークル2013”のひとつである12型曲面タッチディスプレイ(2560×1440画素)も人気だった。ガラス基板上にタッチパネル機能をインテグレートしたもので、グローブを着けたままでもタッチ操作が可能。写真5のように曲面とはいっても少し曲げただけだが、インパネ向けならこのレベルでも十分に感じた。実際、曲率半径は900oで、モジュールも通常のガラス基板製パネルをセッティングする際に少し曲げただけだという。

半エネ研はフレキシブル有機ELDを大々的にPR

 FPDメーカーではないが、半導体エネルギー研究所は今年もインパクトあるデモを敢行。シャープと共同開発した単結晶ライクなCAAC-IGZO(C-Axis Aligned Crystal-In-Ga-Zn-O)-TFTで存在感を誇示した。


写真7 3.4型トップロール有機ELD(半導体エネルギー研究所)

写真6 13.5型4K2Kフレキシブル有機ELD(半導体エネルギー研究所)

 まずは13.5型4K2Kフレキシブル有機ELディスプレイで、キャリア基板である600×720oマザーガラス基板上にCAAC-IGZO-TFT&低分子有機ELを作製した後、独自開発した剥離転写法によってキャリア基板からプラスチックフィルム基板にデバイスを転写してフレキシブル化した。有機ELは青色燐光発光層と緑色&赤色燐光発光層を電荷発生層(CGL)でつないだタンデムユニットで白色光を発光。前面基板側に設けたマイクロカラーフィルター(CF)でRGBに色変換する白色EL+CF方式を採用した。そのせいか色再現性はNTSC比90%と有機ELDとしては色純度が低かった。その厚さは0.1o以下、重さはわずか10g。ただ、展示パネルは点欠陥だけでなく、線欠陥もみられるなど完成度は高くなかった。

 同社はフレキシブル性を極限まで追究したロール状有機ELDも披露。表示エリアを曲面形状の端面にまで広げた曲面ボーダーレスパネルで、側面方向に巻き取る形のサイドロール型パネル(5.4型540×960画素)と、上面方向に巻き取る形のトップロール型パネル(3.4型540×960画素)を開発。このため、上着のポケットに入れておけば、その上面または側面に文字情報などを表示するといったユニークな使用シーンを提案していた。なお、こちらもデバイス構造はCAAC-IGZO-TFT駆動の白色EL+CF方式とのこと。

 また、同社は有機ELDだけでなく有機EL照明デバイス分野にも進出することを表明。写真8のようなフレキシブル有機EL照明デバイス(298×277o)を公開した。緑色発光ユニット、オレンジ色発光ユニット、青色発光ユニットをCGLを介して直列に接続したマルチフォトンエミッション(MPE)構造で、燐光発光材料だけでなく、すべての有機材料を自社開発した。赤色に代わって発光効率の高いオレンジ色を採用することによって、発光効率を100lm/W(光取り出しフィルムなしで70〜80lm/W)にまで向上。輝度半減寿命も1000cd/m2発光時で30万時間を確保した。ただ、色温度は2800K、演色性はRa=30とかなり低く、写真8のように白色というよりはイエローに近かった。もちろん、これは効率を重視したためで、演色性を重視した白色デバイスも作製可能だ。ちなみに、同社はFPD分野ではシャープとエクスクルーシブで協業しているが、有機EL照明デバイスではそうした制約がないようで、今後、技術供与先を探していく考えだ。

バックチャネル構造のCAAC-IGZO-TFTでLCDをドライブ


写真9 4.3型CAAC-IGZO-TFT-LCD(半導体エネルギー研究所)

写真8 フレキシブル有機EL照明デバイス(半導体エネルギー研究所)

 一方、LCDでは4.3型CAAC-IGZO-TFT-LCD(1920×1080画素)を展示した。その精細度は513ppiと酸化物TFT-LCDでは世界最高、低温Poly-Si TFT-LCDを含めても世界トップレベルに当たる。CAAC-IGZO-TFTはコンベンショナルなエッチングストッパータイプではなく、a-Si TFTで一般的なバックチャネル構造を採用。いうまでもなく、CAAC-IGZOは耐エッチング性が高く、上部に形成されるソース/ドレイン電極のウェットエッチング時にもダメージが少ないため。また、ガラス基板上にスキャンドライバ回路をビルトインするとともに、額縁も1oにナロー化した。さらに、液晶モードもFFSモードとVAモードの2種類を展示。スマートスマートフォン用TFT-LCDで一般的な双方のモードに対応できることをアピールした。

有機EL照明デバイス市場にまたしてもニューフェースが
 
  ここにきて次世代照明デバイスとしてオーソライズされてきた有機EL照明デバイスでは、またニューフェースが激戦市場に名乗りを挙げた。その名はエイソンテクノロジー。2006年7月に設立されたベンチャー企業で、山形大学 城戸淳二教授とMPE構造有機ELを共同開発したことで知られる旧アイメスからスピンアウトした技術者が母体。滋賀県大津市に200×200o対応の量産ラインを設置、2014年2月から初期量産を開始する予定だ。

 その保有テクノロジーだが、まずは独自のCGL構造を採用することによって通常のCGL構造に対して優位性があること。詳細は明かさなかったが、図1のようなレイヤー構成にすることにより、2〜3段が限界とされてきたスタック数の制約がないという。実際、展示した120×120o蛍光デバイスは発光ユニットを5段化したもので、10段以上も可能だ。このため、ピークスペクトル数が多い太陽光ライクなブロードスペクトルが容易に実現する。


図2 波長-輝度の角度依存性(エイソンテクノロジー)


図1 CGLの構成(エイソンテクノロジー)

 もうひとつのオリジナルテクノロジーは、デバイスの最上部に設けるメタルカソードに代わってITO光透過性カソードを採用するとともに、その上部に拡散反射層を設けたこと。拡散反射層は独自の有機・無機ハイブリット材料を数十μm厚で塗布したもので、これだけで前方への光取り出し効率が1.5倍に向上する。また、図2のように角度依存性がなくなり、さらに多段化による効率低下もほとんどない。

 多段化デバイスで気になる生産コストでも競合他社に比べ優位性があると主張。まずはチャンバ毎に蒸着する材料を固定する方式ではなく、シングルチャンバ・マルチソース方式を採用したこと。つまり、ひとつのチャンバ内に有機材料用蒸着セルを複数個設け、ホール注入材料から電子輸送材料までを一貫蒸着する。この結果、チャンバ内の圧力や露点が変化せずにひとつのデバイスを処理でき、歩留まりも向上する。


写真10 白色有機EL照明デバイス(エイソンテクノロジー)
項目
エイソン型有機EL
従来スタック型有機EL
従来型有機EL
スタック数
10段以上可能
2〜3段
1段
大面積化
〜1000o
<150o
<100o
輝度
>5000cd/m2
〜3000cd/m2
〜1000cd/m2
寿命(@5000cd/m2換算)
>1万時間
〜1500時間
<1000時間
色度視野角依存性
なし
多段で顕著
あり

表1 有機EL照明デバイスの比較(エイソンテクノロジー)

 また、蒸着材料を面形状で蒸発させる面蒸着法を採用するとともに、基板〜蒸着源間のワークディスタンスを100o以下にシュリンク。この結果、材料利用率も50%以上になるという。

 さらに、基板に付着しない共蒸発分子を蒸着材料と共蒸着するアシスト蒸着法によって蒸着レートを従来の10倍以上に高速化。このため、多段化してもコンベンショナルなシングルユニット構成デバイスと同等以下の製造コストで製造できるとしている。

 ちなみに、今回展示した5段スタックデバイスは蛍光発光材料を使用したため、その発光効率は15lm/W程度。今後は燐光材料を使用する予定で、この場合、発光効率は30〜40lm/Wに向上する見通しだ。

ツイストボール型電気泳動ディスプレイが量産採用


写真12 ヘアサロン看板モデル(綜研化学)

写真11 スポーツタイマー(綜研化学)

 電子ペーパー関連ではモジュールメーカー自体の出展はなかったが、綜研化学が独自のツイストボール型電気泳動ディスプレイを展示した。What's NEWはモルテン社のスポーツタイマーに量産採用されたこと。綜研化学が白&青色のツイストボールを充填したフィルムシートを作製し、大日本印刷がこのフィルムシートを上下のITO透明電極付き基板でサンドイッチする形でアッセンブリした。その表示サイズは30×70cmと電子ペーパーとしてはかなり大きい。もちろんメモリー性もあり、トータル消費電力もこのサイズで数十mWに過ぎない。

 同社は白&オレンジ、赤、緑、黒のカラーツイストボールもラインアップ。写真12のように理髪店向けとしてユニークな装飾看板も披露した。

バックチャネル構造の酸化物TFTを実現するキーマテリアルが

 FPD用マテリアルでスマッシュヒットを放ったのがコベルコ科研。まずはIGZO系酸化物ターゲット「KOS-BO2」で、コンベンショナルなIGZOに第5元素を添加したとみられる。ターゲットのスペックは密度が98%以上、純度が99.99%。

 最大の特徴はウェットエッチング耐性が高いことで、PANエッチャント(H3PO4、HNO3、CH3COOH)を用いてテストしたところ、膜のエッチングレートは0nm/minとまったく侵食されなかった。これに対し、IGZO膜のエッチレートは66nm/min、ソース/ドレイン電極として使用されるMoメタル膜のエッチレートは1200nm/minだった。つまり、ソース/ドレインのウェットエッチング時に侵食される心配がないわけである。これは、いうまでもなくコンベンショナルなエッチングストッパー構造よりもシンプルストラクチャーなバックチャネル構造が実現できることを意味しており、Si系エッチングストッパーの成膜・パターニングコストをカットすることができる。

 気になるTFT特性だが、熱酸化SiO2膜付きシリコンウェハー基板上に社内で作製したサンプルを評価したところ、キャリアモビリティは10cm2/V・s前後、儼thは1.7V、サブスレッショルドスイング(SS)は0.28V/decだった。つまり、通常のa-IGZO-TFTと同等の特性が得られるわけである。

 同社は、次世代酸化物半導体としてIGZOの延長線上ではない新組成ターゲット「KOS-HO7」も提案。ターゲットスペックは密度が90%、比抵抗が1.5×10-2Ω・cm、純度が99.99%。こちらも社内で試作したエッチングストッパー構造TFTを評価したところ、50〜62cm2/V・sという驚異的なハイモビリティが得られた。つまり、低温Poly-Si TFTに近いハイモビリティが得られるわけで、この結果、ガラス基板上に各種機能をビルトインしたシステム・オン・パネルの実現も期待できる。もちろん、Vth=3V、儼th=1.75V、SS=0.23V/decと他のスペックも良好である。

 さらに興味深いのがKOS-BO2と同様、PANエッチャントにまったくエッチングされないこと。つまり、バックチャネル構造が実現する可能性があるわけである。なぜエッチングストッパー構造TFTを試作したのかと尋ねたところ、説明員は「この酸化物半導体は膜自体がまったくエッチングされないが、その表面状態は非常にクリティカル。エッチングストッパーをレス化して正常にトランジスタ動作するかはまだ検証していない」とのことだった。つまり、今後の検証次第では“低温Poly-Si TFTライクなバックチャネル構造酸化物TFT”が実現する可能性があるといえよう。

MORESCOの封止材料がフレキシブル有機ELDに量産採用


写真13 フレキシブル有機ELD(東北パイオニア)


図3 フレキシブル有機ELDのデバイス構造(MORESCO)

 フレキシブル有機ELD用マテリアルでは、MORESCOが全面封止材をアピールした。図3のように独自開発した有機&無機ハイブリッド材料をパネルの両面に塗布して封止する仕組みで、光透過率が99%以上と高いのが特徴。推奨硬化条件は6Jcm2+80℃×1hとUV&熱硬化方式だが、80℃で120分程度加熱処理すれば熱だけでも硬化可能だ。もちろん、曲率半径5oとフレキシブル性も良好。ただ、水蒸気透過率は30〜50g/m2/dayと決して低くない。このため、図3のようにSi系パッシベーション膜の使用が絶対条件で、この封止材はおもにフレキシブル性と透明性を担う。なお、パネルの端面もパッシベーション膜と封止材で封止できるが、それでもガスバリア性が気になる場合はもちろん通常のエポキシ系シール剤を土手として使用することもできる。

 What's NEWはこの全面封止材を用いてフレキシブル化した東北パイオニアのパッシブ有機ELDで、このパネルへの量産採用が決まっているという。

フレキシブルデバイス向けにトータルソリューションを

 製造装置関連では、フォトレジストメーカーの東京応化工業がフレキシブルデバイス向けのトータルソリューションサービスをアピール。@キャリアガラス基板上にポリイミド(PI)膜を塗布し硬化、ATFTやディスプレイ素子などのデバイスを作製、Bキャリアガラス基板から剥離してPIフィルム製フレキシブルデバイスを作製、という剥離法向けインフラで、@向けとしてスリットコーターと高温焼成炉、B向けとしてメカニカル剥離装置を提供する。気になるBのメカニカル剥離装置について説明員は、「剥離層の有無やその物性などによって大きく異なるので、一概にどのような処理メカニズムなのかはいえない」とコメント。いずれにしても第5世代ガラス基板までのトータルソリューションサービスが提供できるとしている。

ポスト蒸着装置&コーターにエレクトロスプレーコーティング装置を

 一方、東レエンジニアリングはポスト蒸着装置&ポストコーターとしてエレクトロスプレーコーティング(ESC)装置を紹介した。周知のように、ESC装置はノズル〜基板間に高電圧を印加し、その電位差を利用することにより塗布液をスプレー化して基板上に付着させる。ドライ成膜法とウェット法の中間的性質があり、常温・常圧雰囲気で処理できるのが特徴。これまでも学会や展示会でESC法をエレクトロニクスデバイスの成膜に用いるという提案はあったが、同社のような大手装置メーカーが展示会で大々的にアピールするのは初めてとみられる。


図4 マルチノズルを用いた量産装置のイメージ

基板サイズ
1100×1300oまで対応
塗布溶液粘度
数百mPa・s以下
塗布膜厚
200〜1000nm
膜厚精度
±3〜5%
材料利用率
95%以上

表2 ESC装置の仕様(東レエンジ)

 おもな装置仕様は表2の通りで、最大1100×1300oの第5世代ガラス基板に対応。ただ、当然のことながら塗布できるのは極性溶媒に溶解する材料という制約があり、数百mPa・s以下と低粘度でないと塗布できない。最大の特徴は95%以上という材料利用率で、その原理からマスクには塗布液が付着せず、基板上だけに付着する。

 メインターゲットは有機EL照明デバイスや有機薄膜太陽電池といった有機デバイスで、マスクを用いることによりマザーガラス基板上のデバイスエリアだけに成膜することができる。ただし、成膜速度は0.5μm/min程度と遅いため、量産装置では図4のようなマルチノズル化&スキャン方式が有効だとしている。


REMARK
1)Stella通信はFPD&PCB関連ニュースの無償提供コーナーです(ステラ・コーポレーションがFPDやPCBそのものを製品化しているわけではありません)。
2)この記事はステラ・コーポレーション 電子メディア部が取材して記事化したものです。

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