QNED(quantum dot nano-rod LED)の構造とコア技術

サムスンディスプレイ研究所はOLEDに続く次世代のディスプレイとしてQNED開発に拍車をかけている。

サムスンディスプレイがQNEDを大型ディスプレイ事業の一環として開発している理由は、サムスンディスプレイの最大の顧客であるサムスン電子が満足できる画質を出す、唯一のディスプレイであるからである。

世界のTV市場シェア1位のサムスン電子のTV事業の方向は、QDを使用して色再現率をOLEDより良くし、高い輝度として明るい画面で階調特性が優れたHDR性能を最大化することができるディスプレイを使用して、最高レベルのTVを顧客に提供するものである。

これらのサムスン電子のニーズを唯一満足させることができるディスプレイがまさにQNEDある。

 

Items QNED OLED Mini-LED LCD
Color gamut best better best
HDR best better better
Luminance best better better
Contrast ratio best best better
Motion blur best best good

 

QNEDは自発光ディスプレイであり、QDを使用するため、色再現率とHDR、輝度、コントラスト比、motion blurなどのすべての特性などが最も良い、サムスン電子で期待している製品である。

QNEDが最高の特性を持つディスプレイであることは構造として確認することができる。QNEDは大型OLEDで使用される3T1CのTFT構造上にnano-rod LEDがある画素層、その上部にQDとCF(color filter)で構成されている色変換層で構成されている。

OLEDは画素に信号を伝達するための電極(陰電極、陽電極)と配線が発光材料の上下部に位置しているが、QNEDは信号伝達電極(画素電極)と配線がすべて同じ平面に位置している。QNEDは画素電極に加えて、出光効率を高めるための反射電極が追加で存在する。Nano-rod LEDを整列するための整列電極は画素電極が兼ねている。

< QNED断面構造>

< QNED画素部の構造>

< QNED画素平面構造>

 

QNED画素の平面構造をみると、1つの画素内には多数の画素電極が直列に接続されており、画素電極の間にnano-rod LEDが配置されている。画素電極は絶縁材料で形成されている隔壁(PW)上にあり、各画素はバンク(BNK)によって囲まれて領域が区分されている。

 

QNEDのコア技術は駆動技術とセンシング技術である。

駆動技術には、nano-rod LEDを整列するための駆動技術とnano-rod LED数偏差があることができる画素を均一に制御することができる駆動技術がある。整列回路には、画素ごとにスイッチング素子があり、スイッチング素子で整列信号を画素に印加する。各画素にどの整列信号を与えるかによって、nano-rod LEDの整列状態が決定される。

<整列駆動回路>

<整列状態確認用センシングトランジスタ>

 

最後に、重要な駆動技術は、画素ごとのnano-rod LEDの数が違っても、全画面に均一な輝度がでるように画素ごとに電流を供給する技術である。センシングトランジスタから読み取ったデータに基づいて、各画素を制御する方式である。

【QNED技術の完成度の分析レポート]には、パネル上にあるnano-rod LED整列状態を確認できるセンシングトランジスタとセンシング配線、センシングシグナルが詳しく紹介されている。

 

センシング技術としてはQNED内部に設計されたセンシング技術(センシングトランジスト)とQNED製造に使用されるセンシング技術がある。QNED製造に使用されるセンシング技術はインクジェットシステムに内在されている。インクジェットシステム内のセンシング技術としては、インク内のnano-rod LED数と溶媒の粘度分析、パネルに噴射されたnano-rod LED数の分析、nano-rod LED整列状態の分析の3つである。

<インクジェットシステムの構成>

 

QNEDはすでに2年前に4K 65インチが駆動可能であることが証明された。サムスンディスプレイはQNEDの画面均一性を確保するための仕上げ作業に集中している。

サムスン電子、「Galaxy Z Fold3」に新技術の適用に技術格差より得られる。

UBIリサーチで最近発刊した「2021OLED部品素材報告書」によると、サムスン電子の今年8月に発売すると予想される」Galaxy Z Fold3」には、UPC(under panel camera)とpol-less(あるいはcolor filter on encapsulation、COE)、Sペン技術が新たに適用されるものと思われる。

まず、フロントカメラを画面の下に位置させて、スマートフォンのフルスクリーンを実装する技術であるUPCは透明PI基板を使用、レーザーパターニングなど複数の技術が記載されたが、最終的には、カソード電極をレーザーでパターニングして、カメラ付近の解像度とは異なりして可能な限りの透過率を確保したものと思われる。透明PI基板はTFTの高いプロセス温度により、量産工程に適用されなかったものと分析される。

偏光板をカラーフィルタと低反射技術で置き換える技術pol-lessは、多くのパネルメーカーが開発したが、偏光板だけの外光反射防止効果を見ず、適用できなかった。偏光板は、外光の反射防止には効果的や、OLED発光層から発生する光の量を50%以上低減させる。偏光板を削除すると、同じ電力でより多くの光を外部に放出することができるので、同じ輝度を実装する場合、バッテリーの消耗を軽減することができる。サムスンディスプレイはカラーフィルタと低反射フィルム、ブラックpixel define layer(PDL)を適用してpol-less技術を実装したものと思われる。

Sペンは、最終的にelectro-magnetic resonance(EMR)方式が適用され、UTGも前作に使用された30 um厚の製品がそのまま使用されると思われる。金属製のデジタイザの柔軟性の問題のためにデジタイザが必要ないAES方式も検討がされたが、最終的には、パネルの両面にデジタイザがそれぞれ位置するようにSペンが適用されるものと予想される。

今回発刊された「2021 OLED部品素材報告書」は、フォルダブルOLED開発動向だけでなく、モバイル機器の開発動向、TV用素材の開発動向などを収録しており、モバイル機器とTV用素材の市場の見通しを扱ったので、関連企業に大きな助けになると予想される。

<’Galaxy Z Fold3’ Expected Structure ©2021 UBI Research>

2021年上半期にリリースされOLEDスマートフォン6インチの割合97.5%を占め

2021年上半期に発売された122個のOLEDスマートフォン中、6インチ台のスマートフォンが119個発売され97.5%という圧倒的なシェアを占めている。これは2018年にリリースされた6インチのスマートフォンが全体の中で78%のシェアを占めたものと比較すると、わずか3年も経たない時点で、スマートフォン市場の主流に位置だ。5インチ大のモデルは、1つ、8インチのモデルは、2つのリリースされ、7インチのモデルは発売されなかった。5インチモデルは、AsusのZenfone8、8インチモデルは、XiaomiのMi Mix Fold、HuaweiのMate X2である。

ディスプレイデザイン別holeモデルが103社で最も多く発売されており、notchモデルが13個、narrow bezelモデルが6個続いた。2020年と同様にhome buttonが入った製品は、発売されなかった。

解像度別分布を見ると、400〜500ppiの製品が64個52.5%のシェアを占めており、400ppi未満の製品は、48個、500ppi以上の製品は、10個の製品が発売されました。最も高い解像度の製品は、643ppiを記録したSONYのXperia1 IIであった。

スマートフォンサイズ比ディスプレイの比率であるD.A(display area)は、80〜90%に属する製品は、88.5%の割合を占め、90%以上は11.5%、80%未満の製品は発売されなかった。これは、ホームボタンがなくなってフルスクリーンの形のスマートフォンが継続的にリリースされた結果と分析される。D.Aが最も高い製品は、94.1%でHuaweiのMate40 Pro4Gが占め、2位はHuaweiのNova8 pro、3位はHonor社View40が占めた。

最後に、国別、中国が104社で最も多く、韓国は12個、台湾4個、日本とドイツはそれぞれ1つずつ発表しました。

QNED完成度どこまできたか

サムスンディスプレイが次世代ディスプレイとして準備中であるQNED(quantum dot nano-rod LED)の実体が明らかになった。

サムスンディスプレイが出願した特許160件を分析した結果、QNEDを構成する構造は既に完成しており、光を出す画素内のnano-rod LED整列数を一定に維持することだけが残っている課題であることが確認された。

 

QNEDの収率と品質特性を決定する画素ごとに整列されたnano-rod LED数は、インク内のLED分布と画素に噴射されたLEDの数、噴射されたLEDの整列割合に応じて決定される。

ピクセルごとのnano-rod LED数分布が異なる場合、画素ごとに印加される電圧に変化が生じるため、不良が発生することになる。

サムスンディスプレイは画素ごとにnano-rod LEDの数を一定にするための方法とnano-rod LEDの数が異なる場合も、輝度を均一にすることができるアルゴリズムを既に開発したことが確認された。

今回発刊された「QNED技術の完成度分析」報告書では、94件の特許の分析を介して発行された以前の報告書の内容と、新たに追加された66件の特許として作成され、サムスンディスプレイのQNED技術完成度がどのレベルに達したかどうかがわかるように細かく分析して収録した。

今回の報告書では、これまで公開しなかったQNED特許番号と分類表、定量分析データをエクセルとして提供する。

 

 

性能が向上した LG ディスプレイ のWRGB OLEDパネル

性能が向上した LG ディスプレイ のWRGB OLEDパネル

 

 

競争が激化するプレミアムTV市場

競争が激化するプレミアムTV市場

競争が激化する、有機ELテレビ、液晶テレビ、マイクロLEDテレビ

 

2021年第1四半期の中大型OLEDの実績と展望

UBIリサーチが10インチ以上の中大型OLED市場実績に関するマーケットトラックを発刊した。 応用製品として、テレビやモニター、ノートパソコン、tablet PC などがある。

UBIリサーチの中大型OLEDマーケットトラックによると、第1四半期の総売上高は14.6億ドルとで前四半期(QoQ)に比べると16.9%、前年同期(YoY)と比べると156.3%増となっている。

1四半期売上高の増加理由はTV用大型OLEDパネルとノートパソコン用のOLED売上高に増大に起因する。TV用OLEDパネルは1四半期に160万台が売れ、歴代最高の実績を達成した。ノートパソコン用OLEDも今年から出荷量が急増している。

ノートパソコンは、アイコンが多くのがOLEDの最大の短所に挙げられているイメージスティキンに対する憂慮が最も高い製品だ。しかし、三星ディスプレイはスマートフォンから積んできた製造技術としてOLEDの短所を完全に克服したノートパソコン用OLEDを開発して2020年からプロモーションを進めてきた。2020年ノートパソコン用OLED販売実績は80万台に過ぎなかったが、2021年1四半期に110万台出荷を達成した。三星ディスプレイはスマートフォンに続き、IT製品にも次第に事業領域を拡大している。

1四半期売上高の割合を見ると、TV用OLEDが81.6%を占めており、ノートパソコン用OLEDは8.3%に急増した。

2021年第1四半期の小型OLED市場実績と展望

UBIリサーチが10インチ未満の小型OLED市場実績に関するマーケットトラックを発刊した。 主な応用製品はフォルダーブルフォン、スマートフォン、ウォッチである。

UBIリサーチの小型OLEDマーケットトラックによると、第1四半期のスマートフォン(フォルダーブルフォンも含む)用OLED出荷量は1億4千万台と、前四半期(QoQ)に比べると13.5%減少したが、前年同期(YoY)と比較すると32.4%増加した数値となっている。

2020年第1四半期にはコロナウイルスの発生によりスマートフォンの販売が減少した影響でOLED出荷量も減少したが、今年第1四半期のYoYが32.4%増加したことを考えると、OLEDスマートフォンはコロナ状況から完全に外れたと判断される。

2020年第4四半期に比べ13.5%減少した理由は、昨年第4四半期はiPhoneの発売と販売好調で出荷量が急増したためである。

企業別の売上高を見ると、三星ディスプレイは79.0%、LGディスプレイが11.3%を占め、韓国OLEDが90.3%とで圧倒的に市場を支配していることを確認できる。

2020年小型OLED出荷量は3.4%増加↑、売上高は2.8%減少↓

新型コロナとHuaweiの米国制裁はスマートフォン用OLED市場にマイナス影響を与えたが、Appleiphone12の販売好調がスマートフォン用OLED市場にプラスに作用した。

サムスンディスプレーは2020年にApple向けラインのY-OCTA改造を完了し、LTPO TFT30Kになった。 2021年上半期までにApple向けラインのLTPSラインをLTPO TFTラインに転換する予定である。

2020年にサムスン電子から発売したGalaxy Z Fold(2月発売)Galaxy Z Fold2(9月発売)はどちらもインフォルディング方式で、UTG(ultra thin glass)を使用した。 Galaxy Z Fold2LTP OTFT技術を適用した製品である。

BOE202012月末にAppleiPhone12用のパネル供給の最終承認を取得した。BOEの新規ラインであるB12にはApple向けモジュールラインの設備搬入が202012月から開始され、202111月の量産を目指している

UBIリサーチが発刊した2021年小型OLED Display年間レポートによると、2020年の小型OLED出荷量は2019年に比べて3.4%増加したが、売上高は2.8%減少した。 出荷量の増加はウォッチ用OLED増加が理由で、売上高の減少はスマートフォン用OLED減少が起因した。

2020年スマートフォン用OLED売上高の総額は267億ドルで、そのうちサムスンディスプレイが210億ドルで78.8%を占めた。サムスンディスプレイは2019年には253万ドルで91.7%を占めたが。LGディスプレイは売上高が28億ドルでシェアは10.5%である。

2020年中大型OLEDの売上高40.2%成長

米国制裁によるHuaweiのスマートフォン生産減少によってサムスンディスプレイのRigid OLEDラインの稼働率が低くなると予想していたが、ノートブックの需要増大によってRigid OLEDラインがフル稼働すると予想される。また、来年から販売されるAppleiPadOLED生産に対応するために、A4ラインにRigid OLEDラインの投資を検討している。

車載用ディスプレイとしてP-OLEDを生産しているLGディスプレイではドイツの自動車メーカーにOLEDを供給する予定であり、サムスンディスプレイも車載用OLEDパネル生産している。

UBIリサーチが発刊した2021年中大型OLED年間報告書によると、2020年中大型OLEDの売上高は368270万ドルであり、2019262630万ドルと比べて40.2%成長した。 アプリケーション別で売上高を分析して見たらノートブックと車載用市場が著しく増加し、2021年にもこれらの市場が伸びると予想され

サムスンディスプレイのQD-OLED量産は202112月から始まると期待される。65インチパネルはSonyが使用する可能性が高い。サムスン電子は65インチは購買せず、モニター用32インチQD-OLEDだけを受けるものと予想される。

LGディスプレイの2020年のTVOLEDパネル出荷量は440万台と集計され、Guangzhou工場が第3四半期から90Kで稼動すれば、2021年の生産可能量は850万台に達すると思われる。