薄くて軽く、鮮やかで高精細な次世代ディスプレイを生み出す装置

有機ELディスプレイ製造装置

スマートフォン、テレビ、パソコンなどのデバイスは、薄型化、軽量化、高画質化が進んでいます。この進化を支えるのが、薄くて軽く、発色も鮮やかな有機ELディスプレイです。有機ELディスプレイ製造装置は、正確な位置合わせを行いながらガラス板上に有機材料を積層させる工程を通し、高精細な有機ELディスプレイの製造に貢献しています。

有機ELディスプレイ製造装置のしくみ

有機ELディスプレイとは

私たちが日常的に使っているスマートフォンやテレビのディスプレイ上で認識している映像は、よく見ると図のように赤・緑・青にそれぞれ光る細かいドットで構成されています。このドットの光らせ方の違いにより、ディスプレイは、2種類に分けられます。赤・緑・青のカラーフィルターの下からライトを当てて色を出す液晶ディスプレイと、自ら光を放つ有機材料を用いた有機ELディスプレイです。

有機EL（Organic Electro-Luminescence）とは、有機材料に電圧をかけると有機材料が自己発光する現象のことをいいます。この現象を応用し、ガラスやプラスチック基板に有機材料を積層させたものが、有機ELディスプレイです。発光する有機材料の層に使う有機材料の違いによって、電流を流した際に、個別のドットを赤・緑・青の異なる色に発光させるしくみを利用し、ディスプレイに映像などを映し出すつくりになっています。これまでディスプレイ分野で中心的だった液晶を鮮やかさや柔軟性などの面で超える次世代ディスプレイとして、テレビやパソコン、スマートフォンなど、私たちの身の回りの表示デバイスへの搭載が進んでいます。

有機ELディスプレイと液晶ディスプレイの違い

有機ELディスプレイは、有機材料が自己発光するため、液晶ディスプレイのようにバックライトを必要としません。そのため、薄型化・軽量化が可能になります。

また、色の鮮やかさにも違いがあります。液晶ディスプレイは、白色のバックライトをカラーフィルターの下から当てることで赤・緑・青の色を表現するのに対し、有機ELディスプレイはカラーフィルターを通さず材料そのものが発光するため、よりはっきりとそれぞれの色を出すことができます。さらに、基板に樹脂を用いれば、折り曲げることもでき、折りたたみ可能なフォルダブルスマートフォン、画面の巻取りが可能なローラブルテレビなど、革新的な機器の製造にも貢献しています。薄型かつ軽量、鮮やかな色を表現できる、形状の自由度が高いといったこれらの特長を生かし、VRヘッドセットやスマートグラス、車載分野などでの採用も見込まれており、ますます将来が期待される分野です。

有機ＥＬディスプレイはどのように製造されるのか

ガラス基板に有機材料を何層にも分けて積層させる必要があるため、有機ELディスプレイの製造には多くの工程があります。完成までのプロセスは、下の図のように、TFT（薄膜トランジスタ）工程、蒸着工程、封止工程からなっています。まずは、TFT工程で、画素１つひとつの電流を調節するTFT回路を形成します。次に、蒸着工程で、ガラスやプラスチックの基板上に有機材料などの薄膜を蒸着します。最後に、ディスプレイを水分などから守るため、封止工程でガラス基板を隙間なく包み込みます。配線を接続し、反射光を調整する効果のあるフィルターを貼り付ければ、有機ELディスプレイの完成です。

このような工程のうち、キヤノンの有機ELディスプレイ製造装置は、高画質を実現するうえで重要な「蒸着工程」の部分を担っています。蒸着は、チャンバーと呼ばれるステンレス製の箱１つひとつの中で、有機材料が劣化しないよう真空中で行われます。有機ELディスプレイ製造装置は、複数のチャンバーが形成したクラスターと、それらの間の受け渡しユニットで構成されています。

有機ELディスプレイは、次の図のように、それぞれ役割の異なる複数の層で構成されており、これらの層は、各チャンバーでの蒸着工程を経て、形成されていきます。中央の搬送室内には真空ロボットが設置されていて、各チャンバーの工程が終わるたびに、各チャンバーからガラス基板をタイミングよく出し、次のチャンバーへと運びます。全てのクラスターでの工程が終了したら、有機材料が積層されたガラス基板がロボットにより自動排出されます。

有機ELディスプレイ製造装置の技術

成膜技術

成膜とは、ガラス基板に有機材料を用いてごく薄い膜を形成することで、有機ELディスプレイの製造においては、「蒸着工程」を通してこれを行います。チャンバー内を高真空状態にして、有機材料を蒸発源（るつぼ）に詰め、300℃程度に加熱し、蒸発させます。蒸発源から噴出した蒸発粒子は、蒸発粒子同士でほぼ衝突することなく、そのまままっすぐ移動し、ガラス基板に付着します。

ここで大きな役割を果たすのが、水晶板をセンサーとしたモニター（以下、水晶モニター）です。水晶モニターは、蒸着速度を制御する目的で用いられています。ガラス基板に向かって移動する蒸発粒子の速度を水晶モニターで検出して一定になるよう制御し、所定の膜厚になったら蒸着を終了します。また、蒸着の際、発光材料の発色の程度を調節するため、その材料とは異なる材料を数％添加する必要がありますが、その割合を一定に維持するためにも、キヤノンは水晶モニターを用い、蒸着速度を精密に制御しています。
また、同じ品質のディスプレイを安定して量産するためには、それぞれの有機材料を長い時間をかけて安定的に蒸着していく必要があります。キヤノンは、水晶モニターを用いた成膜技術で、長時間安定的な蒸着を実現し、鮮やかな色を表現できるディスプレイの製造に寄与しています。

アライメント技術

有機ELの蒸着工程は「蒸着と同時に赤・緑・青それぞれの発光材料を色ごとに塗り分ける（パターニング）」ことが特徴的です。有機材料の薄膜がダメージを受けてしまうため、有機材料は成膜後にエッチング（表面加工）でパターニングができません。そのため、蒸着と同じタイミングでパターニングを行う必要があります。この工程で採用されているのが、ガラス基板に対向して蒸着マスク（穴の開いた金属の板）を配置することで、マスクパターンに応じて思い通りの位置に赤・青・緑の発光材料を成膜するという方法です。まずは赤色専用の蒸着マスクで赤色を蒸着したい部分にのみ色を乗せ、その後、緑色・青色それぞれの蒸着マスクで順に適所に色を乗せていくといった流れです。

その際、より高精細・高解像度な有機ELディスプレイを製造するには、正確な位置に発光材料を蒸着させることが求められるため、蒸着マスクとガラス基板との高精度な位置合わせを行う「アライメント（配置）」の技術が必要になります。アライメントは、蒸着マスクとガラス基板の位置情報をカメラで取得したのち、その両者の位置関係を高精度に制御して行います。

近年、スマートフォンやテレビは高精細化が進み、4K、8Kと解像度を上げる動きが高まっています。キヤノンは、このアライメント技術によって高精度の位置合わせを実現し、需要が高まる高精細・高解像度化のニーズに応えています。