LED、LCD、OLED、ミニLEDテクノロジーはどのように機能しますか?

ディスプレイ技術の発展に伴い、LED、LCD、OLED、ミニLEDなど、様々な種類が登場しています。それぞれの原理をご存知ですか？本日はDoitvisionが詳しくご紹介します。

LEDとは何ですか？

LEDは半導体電子部品です。電気エネルギーを光エネルギーに変換することができます。LEDは現代社会で広く利用されており、大きく分けて3つのタイプに分類されます。

• 照明： LED ランプは、家庭用照明や自動車用照明などの従来の白熱電球に代わるものです。
• 表示： スマートフォン、タブレット、パソコン、テレビ、モニターなどの端末電子機器の画面に使用されます。
• Communication: 主に低～中データレート（<1 Gb/s）、短～中距離（<10 km）の光ファイバー通信システムの光源として機能し、赤外線 LED が最も一般的な用途です。

Mini-LED 技術は主にディスプレイ アプリケーションで使用されるため、当社はディスプレイ 技術に重点を置いています。

画面表示機構：

LEDディスプレイは、LEDビーズからの発光とカラーフィルターを組み合わせることで動作します。LED発光の中核となるのはLEDチップです。LEDビーズには陽極と陰極の2つの電極があり、電極に流れる電流が大きいほど輝度が高くなります。LEDビーズの輝度とオン/オフ状態を制御することで、様々なパターンや文字を表示できます。

しかし、1つのLEDビーズは1色しか発光できません。フルカラー表示を実現するには、各ピクセルポイントに緑と青のLEDビーズを追加する必要があります。複数のRGB（赤、緑、青）ビーズを組み合わせることで、カラー表示が可能なディスプレイが構成されます。

ミニLEDに関連する概念

現在、ミニLEDの公式な標準化された定義はありません。メーカーによって若干の違いはありますが、主にチップサイズに基づいています。商用ミニLEDディスプレイの一般技術仕様によると、ミニLEDとはチップサイズが約50～200マイクロメートル（μm）のLEDを指します。

チップサイズとピクセルピッチの点で、ファインピッチLEDとマイクロLEDの中間に位置します。ファインピッチLED技術の延長線上にあると同時に、マイクロLEDへの移行段階とも考えられています。

ディスプレイ性能の面では、ミニLEDは新しいディスプレイ技術製品を代表する製品です。LCDよりも優れた画質、OLEDよりも低コストで長寿命、そして従来のLCDディスプレイ技術のアップグレード版を提供します。

ミニ LED テクノロジー

現在主流のディスプレイ技術は、大きく分けてLCDとOLEDに分類されます。ミニLED技術自体は、以下の2つの方向に分岐しています。

• LCDバックライトの強化

• 直接表示

したがって、最初に LCD と OLED の技術を紹介します。

ミニLEDとLCDテクノロジー

1) LCD技術の原理

ディスプレイ画面は多数のピクセルで構成されており、各ピクセルにはLCD構造が含まれています。LCDのピクセル構造は、以下の層/モジュールに分類できます。

• バックライトレイヤー: LCDパネルは自ら光を発しないため、外部光源である「バックライトユニット」（BLU）が必要です。当初は冷陰極蛍光灯（CCFL）が使用されていましたが、2008年以降はLEDバックライトに移行しました。
• 偏光層: 垂直偏光フィルターを通過する光は、垂直方向の光波のみを通過させます。この光が水平偏光フィルターに当たると、水平方向の成分がなくなるため、光は通過しません。つまり、2枚の直交する偏光板は光を完全に遮断します。
• 液晶（LC）層： この層は、正と負の回路に接続された電極の間にあります。
• 電圧なし: 最初の偏光板を通過した光は、液晶分子によって90度回転します。そして水平に整列し、XNUMX番目の偏光板を通過します。
• 電圧あり: 液晶分子は印加電圧の強度に応じて配向し、光の回転量を制御し、第2偏光板を通過する光の量を変化させることで、ピクセルの明るさを制御します。
• カラーフィルターレイヤー: 液晶層から発せられる光は単色（グレースケール）です。そこに、赤（R）、緑（G）、青（B）のサブピクセルフィルターからなるカラーフィルターアレイ（CFA）が追加されます。R、G、Bの各サブピクセルを通過する光の輝度を制御することで、様々な色を混色することができます。

LCDバックライトのミニLED 用途

LCDバックライトにおけるミニLEDは、従来のエッジライト型や大型の直下型LEDを、高密度に配列したミニLEDビーズに置き換えるものです。ミニLEDビーズは直径約50μm～200μmと非常に小さいため、LCDバックライト層により多くのミニLEDを埋め込むことができます。

• 画面全体の明るさが高くなります。
• より均一な明るさの分布。

バックライトを、より多くの独立制御可能なローカル ディミング ゾーン (LDZ) に分割する機能。

黒画像セグメントを表示する際、対応するミニLEDゾーンを完全に消灯することができます。これにより、LCDはより深い黒と、大幅に高いコントラスト比を実現できます。LDZの数と精度の向上により、局所コントラストとダイナミックレンジが大幅に向上し、LCDの表示品質はOLEDに迫るレベルに達します。

LCDの進化の過程では、超低粘度液晶混合物やブルー相液晶材料といった革新が取り入れられ、応答時間の改善が図られてきました。ミニLEDは、バックライト構造の改良によってコントラストを劇的に向上させ、これを補完しています。

ミニLEDとOLEDテクノロジー

初期のLEDランプはサイズが大きく、画面表示材料として単位面積あたりに設置できるランプ数が少なく、鮮明度が低かったため、メーカーはマイクロLEDの研究を開始し、最初の研究方向はOLEDでした。

2) OLED技術の原理

OLEDは自発光ディスプレイ技術です。液晶ディスプレイとは構造が大きく異なり、液晶層、一部のカラーフィルター層、そして独立したバックライト層が省略されています。代わりに、有機EL材料が陰極と陽極の間に挟まれています。

表示原理： 

電圧が印加されると、陰極から電子が、陽極から「正孔」（正電荷キャリア）が有機層に注入されます。これらの電子と正孔は発光層内で出会い、再結合して光子の形でエネルギーを放出します。有機材料によって、特定の色（R、G、B）が発光します。

OLEDの各ピクセルが独自に発光するため、別途バックライトは不要です。個々のピクセルを完全にオフにすることで完全な黒を表示できるため、理論上はOLEDの静的コントラスト比は無限大となります。各ピクセルの明るさと色は独立して制御できます。

デメリット: 

有機材料は寿命が限られており、劣化（経年劣化）しやすい性質があります。R、G、Bの材料はそれぞれ劣化速度が異なります。あるピクセルに長時間静止した明るい画像を表示すると、特定のサブピクセル材料の劣化が加速し、その領域の輝度が恒久的に低下します。これは、目に見える画像の残像や色ムラ、いわゆる「焼き付き」として現れます。

3) ミニLEDダイレクトディスプレイ原理

OLEDの焼き付きを軽減するため、LEDメーカーは白色OLEDとカラーフィルターを組み合わせたW-OLEDや、青色OLEDと量子ドットコンバーターを組み合わせたQD-OLEDなどの技術を開発しました。しかし、これらの技術は依然として有機材料に依存しており、経年劣化や寿命の制約に直面しています。

究極の解決策には、無機材料への切り替えが必要であり、ミニ LED とマイクロ LED 直接発光という次世代 LED ディスプレイ技術につながります。

これには、無機 LED ダイオードを極めて小型化し、それをディスプレイ基板に転写して接着することが含まれます。

この技術は、次のような OLED の利点をすべて継承しています。

• 自発光
•  完璧な黒
• ハイコントラスト
•  広い視野角
• 高速応答

焼き付きをなくし、長寿命化と高輝度化を実現する可能性を秘めています。LEDはマイクロスケール（マイクロLED <50μm）で製造可能ですが、課題は、数百万個、あるいは数十億個もの微小なLEDを制御回路に正確に転写・接続することです。これはマストランスファー技術と呼ばれるプロセスです。マストランスファーの高コストと複雑さが、現状ではマイクロLEDの大規模商用化を阻んでいます。

ミニLEDダイレクトディスプレイは、チップサイズ（50～200μm）が大きく、パッケージングの制約も大きいという課題を抱えています。現在実現可能な最小のピクセルピッチは約0.5mmです。このピッチで4K解像度の画面を実現するには、85インチを超える大画面が必要です。さらに、24Kでは約4万個のLEDが必要となるため、膨大な数になります。

ミニLED技術の応用状況の概要

マイクロLEDはディスプレイ技術の潜在能力の頂点を極めますが、量産化のハードルが商業的な大量生産を阻んでいます。ミニLEDは実用的な過渡期の技術です。

ミニLEDは、直接表示用途では最小0.5mmピッチという制約があるため、携帯電話、ノートパソコン、テレビなどの民生用電子機器の画面には適していません。屋外の大型商用ディスプレイには適している可能性はあるものの、製造コストの高さが普及の妨げとなっています。

その結果、ミニLEDは現在、液晶パネルのバックライト強化において最も成功している主要用途となっています。これにより、成熟した液晶パネル生産ラインを活用し、OLEDや直下型ミニLEDに比べて低コストで大幅な画質向上を実現します。

ダイレクトディスプレイ分野では、主に大型の屋外商業広告スクリーンに使用されています。TrendForceの予測によると、ミニLEDバックライトは現在、主要なアプリケーショントレンドであり、市場規模は164年から2020年にかけて2025%のCAGRで成長すると予想されています。

LED テクノロジーが成熟するにつれ、Doitvision は、商業広告用途向けに COB LED ディスプレイなどのファインピッチ LED スクリーンの幅広いラインナップを開発してきました。

Doitvision COB LEDウォールの推奨事項

DoitvisionのCOB LEDディスプレイは、高解像度ビデオウォールに最適な選択肢です。ピクセルピッチはP0.7からP1.8までご用意しており、2K、4K、8Kに対応しています。

優れた視覚品質

当社のCOBディスプレイは、0.62mmから1.87mmへと高画素密度を実現しました。これにより、視聴者はディスプレイに近づいても個々のピクセルを意識することなく、より鮮明な画像を表示できます。

優れたグレースケールとコントラスト

最大10,000:1という驚異的な色コントラスト比を誇るこれらのディスプレイは、鮮やかでリアルな画像を提供します。ブラックコーティング技術の採用により、低照度環境でも反射を抑え、優れた黒の均一性を実現します。

ユニバーサルな互換性を実現する16:9アスペクト比

16:9のアスペクト比を持つこのフォーマットは、テレビ、コンピューターモニター、モバイルデバイス、デジタルビデオカメラなどの最新デバイスの標準です。このフォーマットは、1080p（2K）、2160p（4K）、4320p（8K）の解像度をサポートしています。

省エネフリップチップ技術

共通カソード回路設計と組み合わせることで、ディスプレイのパフォーマンスを向上させながら、エネルギー消費を最大 40% 削減できます。

精密な色補正

色補正技術により、すべてのLEDモジュールで一貫した色出力を実現します。モアレなどの問題を排除し、均一な色温度とバランスの取れた白色調を維持します。

前面メンテナンスが可能な壁面直付け設計

マグネット式LEDモジュールを搭載した、100%前面メンテナンス可能な設計です。パネルフレームは、付属のフレームバーで壁や合板にネジで直接取り付けることができ、正確な位置決めと簡単な設置が可能です。

技術仕様

• ピクセルピッチオプション: 0.62mm、0.78mm、0.93mm、1.25mm、1.5mm、1.87mm
• LEDパッケージ: 全モデルCOB
• コントラスト比: 最大10,000:1で鮮やかな映像を実現
• アスペクト比: 16:9、2K、4K、8K解像度に対応
• メンテナンス: 磁気モジュールによる100%フロントサービス
• 省エネ：フリップチップ技術で最大40%
• 取り付け：付属のフレームバーで直接壁に取り付けます

まとめ：

様々なディスプレイ開発と原理をご紹介しました。当社はLEDディスプレイの専門メーカーとして、商業用HD LEDディスプレイをご希望の場合は、お気軽にお問い合わせください。