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[UBIリサーチの上半期OLEDセミナー] GrapheneLab、メッキメタルマスクでppiの限界を越える

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Graphene商用化技術企業である”GrapheneLab”でGrapheneを利用した800ppi以上のFMM製造が可能だと発表した。

6月23日、UBIリサーチが開催した「2022年上半期OLEDの決算セミナー」でGrapheneLabのグォンヨンドク代表は”2000年代序盤から始まったFMM技術は、初期にはplating方式には関心がなかったが、最近にはFMM製造技術トレンドがplating方式に変化している”と述べ、”2013年度以後にはplating方式のFMM製造技術に関る特許が多く出願されたし、高解像度で行くためには現在使用されているetching方式よりplating方式を適用することが容易である”と言及した。

さらに、クォン代表は”既存の限界があったetching方式FMMから脱してplating方式のFMMを適用した結果、同じ厚さで400ppiが限界だったetching方式に比べてplating方式では600ppi以上を実現した”と述べ、”Etched metal maskは深さ20um etchingをしたら点のように尖がりくなるINVARの構造によって8um長さのdead zoneが発生するが、plated metal maskのpattern platingの際にはdead zoneの発生がない”と発表した

最後にクォン代表は”MSAP electro forming技術のために薄い厚さの低い熱膨張係数が必要で、Platedされた試料を対象にTMAを利用して熱膨張係数を測定した結果3.1ppmまでに測定されており、熱処理をしていない状態では2.5ppmまで下がった”と強調して発表を終えた。

4K時代を迎えたLCDスマートフォン、OLEDスマートフォンはどうなるのか？

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先日のMWC 2017で、Sonyが世界初となる4K LCD搭載のスマートフォンを公開したことに続き、来る7月には実際に4K LCD搭載の‘Xperia XZ2 Premium’を発売する予定で、スマートフォンにも4K解像度の市場が本格開花すると期待されている。

<Sonyの‘Xperia XZ2 Premium’、参考：theverge.com>

既にTV市場は4Kを越えて8K市場へ移り変わっている。Samsung ElectronicsとSharpは上半期に8K TVの新製品を公開、Sonyも下半期に8K TVを発売する予定である。LG DisplayはCES 2018で、88型の8K OLED TVを展示した。このように、8K TVがプレミアムTV市場に参入することで、スマートフォンもTVの高解像度化と相まって、4K解像度に対応する製品を増やすと予想される。

しかし、LCDでは4Kスマートフォンを実現したものの、OLEDはもう4年もQHD解像度にとどまっている。

<Samsung ElectronicsのGalaxyシリーズの解像度変化、参考：UBI Research DB>

これは、OLED製造に採用されているFMM（Fine Metal Mask）技術に制約が多いためである。現在、量産に使用されているFMMの厚さは約20~30um程度で、4Kを実現するためには、厚さを10umに抑えなければならない。しかし、従来のFMM製造方式では、実現が難しい状況である。

それによって、高解像度の実現に向けたFMMの代替技術が開発されている。代表的な技術として、レーザーでパターニングするレーザーFMMと電鋳方式で製造するElectroforming、フィルムに電鋳でフレームを形成し、レーザーでフィルムをパターニングするFine hybrid mask、蒸着入射角を垂直にして高解像度を実現する面蒸発源などが開発中だ。

様々な展示会と学会で、高解像度を実現するための蒸着技術が公開されており、量産性を確保できれば、今後4K OLEDスマートフォン、ひいてはRGB方式の高解像度AR・VR機器も見ることができると考えられる。

超高解像度を実現できるFMM、国産化の動きは加速するのか

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Fine Metal Mask（以下、FMM）は、画素とRGB有機物を蒸着する役割を担うため、OLEDの解像度と歩留まりを決定する要素となるが、現在のFMMは蒸着工程の際に熱膨張が起こったり、重さによるシャドー現象（Shadow Effect）が発生する限界にぶつかっている。

FMMは、日立金属製圧延インバーが大日本印刷（DNP）でエッチング工程を経て製造された完成品として、高い価格で全量輸入されている。

そのため、韓国国内外の関連業界はレーザー加工など、様々な方式でFMMの開発に総力を挙げているが、まだR&Dの段階に留まっている状況だ。

先日9日に韓国順天大学新素材工学科のパク・ヨンバン教授研究チームは、電鑄インバー製造技術の開発に成功したことを明らかにした。これは、電気メッキを施して陰極に付着した金属を剥離した後、FMMを製造する技術である。

<電鑄インバー製造技術による熱膨張曲線と微細組織、参考：順天大学>

この技術によって、インバーは板として製造することができ、また、パターン化された陰極の形状をそのまま複製することもできる。さらに、FMMの厚さを今の半分位の7 um程度まで抑えられ、超高画質を実現することができると研究チームは説明した。

パク教授は「電鑄インバーに対する日本の研究レベルは、私達の研究チームと同等レベルに追いつくところまできており、中国は大規模な資本を前面に出して開発に乗り出した」と言い、「韓国企業が国際競争力を先取りするためには、学界の積極的な支援が必要だ」と語った。

最後には「20年近く続けてきた研究で構築された全てのデータベースを論文に公開する決心がついた」ことも付け加えた。今まで全量を輸入に頼っていたFMMを国産化できるのかに注目が集まる。

超高画質解像度（UHD）のOLEDスマートフォン時代の幕は開くのか

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最近スマートフォン機器によるVRコンテンツ体験が増える傾向にあり、高解像度スマートフォンが求められているが、2014年に初めてGalaxy Note4にQHD OLEDが採用されて以来3年間、OLEDスマートフォンの解像度は変わらずQHD程度に留まっている。
OLEDスマートフォンの解像度を決定する鍵は、発光層の蒸着工程である。現在、採用されている上向式蒸着方式は、基板とFMM（Fine Metal Mask）を水平にして蒸着装置の上部に配置した後、下部のリニア蒸発源に有機物を蒸発させてRGB発光層を形成する方式である。

 

UHD以上の高解像度OLEDを製造するためには、厚さ15um以下の薄いFMMが必要となるが、FMMが薄くなるほどパターニング、引張、溶接などの技術的な問題が生じ、量産に採用することは容易ではい。

 

このような問題を改善するために、垂直型蒸着、面蒸発源蒸着、様々なメタルマスクパターニング（Metal Mask Patterning）技術が開発されている。

 

基板とFMMを垂直に配置する垂直型蒸着装置は日本の日立が初めて開発し、キヤノントッキもFinetech Japan 2013で、第6世代垂直蒸着方式の装置を公開したことがあるが、現在量産には採用されていない。

<Finetech Japan 2013で公開したキヤノントッキの第6世代垂直型蒸着装置>

しかし、最近の電子新聞によると、米国Applied Materialsが第6世代フレキシブルOLED用垂直蒸着方式の蒸着装置を開発したことを明らかにし、日本のジャパンディスプレイでテストしている。

 

リニア蒸発源ではなく、面蒸発源を用いた蒸着方式も検討されている。面蒸発源蒸着方式は、まず有機物を金属面に蒸着した上で面蒸発源を製造し、それを再蒸発させて基板に有機物薄膜を形成する原理である。iMiD 2017でOLEDONのファン・チャンフン代表は、面蒸発源蒸着方式を採用することで、2250ppi高解像度のOLEDを実現できると述べた。

 

Metal Mask Patterning技術としては、主に電気鋳造 （Electro Forming）とレーザーパターニング技術が挙げられている。電気鋳造方式は韓国のWave ElectronicsとTGO Technology、日本のアテネなどのメーカーが開発中で、レーザーパターニング技術は韓国AP Systemsが開発している。

 

このように様々な観点から高解像度OLEDを実現するための開発が、現在の問題を改善し、OLEDスマートフォンのUHD解像度の実現に貢献できるかという点に大きな注目が集まっている。

<OLEDONが開発した面蒸発源蒸着技術の原理>

【iMiD 2017】OLEDON、2250ppiのOLED製造用面蒸発源FMMの蒸着原理を公開

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28日に開催された「iMiD 2017」で、韓国檀国大学実験室ベンチャーのOLEDON代表ファン・チャンフン教授は、2250ppiを実現できる面蒸発源FMM蒸着技術について発表した。

 

ファン教授の発表によると、OLEDONが開発した面蒸発源蒸着技術は、従来の有機物蒸着方式とは異なる。面蒸発源FMM蒸着技術は、有機物を金属面に蒸着し、N型有機薄膜を形成することで、面蒸発源を製造した後再蒸発し、基板に有機物薄膜を形成する原理である。この技術を採用すると、有機物は面蒸発による垂直性気体ビームを形成するようになる（特許：1012061620000、韓国）。

 

OLEDONが開発した面蒸発源を用いて有機物を蒸着した場合、Shadow Distanceは0.38um~0.59umである。そのため、4umのパターンサイズを持つ2250ppiの素子を製造できる。

 

ファン教授は「面蒸発源の蒸着技術を採用すると、有機物気体の入射角が減少し、MaskによるShadow現象を画期的に改善することができる。また、面蒸発源は垂直性有機物の気体ビームが入射角をゼロにできるため、理論上ではShadow Distanceを０umにすることができる」と付け加えた。

<OLEDONが開発した面蒸発源蒸着技術の原理>

また、今回の発表において、ファン教授は「面蒸発源蒸着技術は、高解像度用Shadow Maskの製造にも必要だ」と強調した。

 

現在、量産に採用している線形蒸発源FMMの場合、Shadow Maskのオープニング間の距離は80umである。そのため、有機物気体ビームの入射角が大きくなり、高密度パターンを持つShadow Maskを製造しにくい状況にある。

 

ファン教授は「面蒸発源技術を用いると、Shadow Maskのテーピング角度は、80°程度になる。オープニング間の距離を20um未満に縮めることができるため、面蒸発源蒸着技術は、線形蒸発源におけるMaskパターンの密度に関する問題を解決できる」と説明した。

 

OLEDONは、面蒸発源蒸着技術で、完全なるShadow-Freeパターニング条件を目指しており、檀国大学のジン・ビョンドゥ教授チームと共同開発し、11KレベルのマイクロOLED素子を製造できる面蒸発源FMM蒸着措置を校内に設置する計画である（参照：OLEDONの公式ウェブサイトwww.oledon.co.kr)。

<面蒸発源FMM蒸着技術を採用した場合、Shadow Maskのオープニングの密度変化>

OLEDONは、量産用面蒸発源FMM蒸着装置に関する13件の特許を保有している。最新の研究結果に基づいた量産装置に関する特許は、韓国出願が7件、PCT国際出願が3件である。

【IMID 2017】AP Systems、USPLからFMMの回答発見

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28日韓国釜山にあるBEXCOで開催された「iMiD 2017」で、韓国AP SystemsはUSPL（Ultra-short Pulse Laser、超短パルスレーザー）で、1000ppiの解像度を持つFMMの開発に成功したと発表した。

 

FMMは、画素とRGB有機物を蒸着するため、OLEDの解像度と歩留まり率を決める要素となる。現在のFMMは、主にエッチング（Etching）方式で製造されている。この方式は、微細パターンの精密度、厚さ、重さによるShadow現象が生じる問題があり、この問題を解決するためにレーザー加工、電鋳（Electro-Forming）など、様々なFMM製造工程が開発されている。

 

その中で、レーザー加工方式は、レーザーを照射する際に発生する熱（Thermal Effect）による微細な穴（ピンホール）の周囲にバリ（Burr）が生じるという問題がある。このバリは、FMMにおいてShadowの発生を増加し、RGB有機物を蒸着する際にパターンが重なる現象をもたらすことで、OLEDの解像度を低下させる。

 

AP Systemsはこのような問題を改善するために、バリ発生の現象を起こさず、テーパー角（Taper Angle）を制御する‘Burr-Free Laser Process’を開発した。

 

Burr-Free Laser Processは、単方向のパルスを一定回数に分けて短く照射する方式で、レーザーを 連続的に照射しないため、蓄えられていた熱エネルギーが最小化し、バリの発生を防ぐ。また、レーザーのエネルギーを制御することで、エネルギーを蓄えてテーパーを形成する方式である。

AP Systemsは、この方法について「1170ppiのFMMのみならず、微細な穴の形状が四角型、ダイヤモンド型、多角型などの様々な形状を持つFMMも製造した。また、USPL方式が採用された大面積FMMの製造装置の開発にも成功した」と説明した。

また、AP SystemsはFMM製造装置について「マルチビーム（Multi-beam）とUSPLが装着されており、生産性の向上とUHDの実現ができる」と付け加えた。

2014年にGalaxy Note4を発売した以降、まだOLEDの解像度はQHD程度に留まっている。高解像度（UHD以上）を持つOLEDを製造するためには、FMMが技術的に直面している様々な問題を解決しなければならない状況である。そのため、今後のOLED市場において、AP SystemsによるUSPL技術が、どのような影響をもたらすかに注目が集まる。

<AP Systemsが製造した1000ppi FMM>

<AP Systemsが製造した様々な形状のFMM>

SUNICシステム1.1um　shadow distanceデモ成功、1500ppiまで具現可能

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SUNICシステムは、2016 IMID Business forumでplane source evaporationと厚さ100umのshadow maskで1.1umのshadow distanceの具現に成功したと発表した。1.1umのshadow distanceは、約1000ppi〜1500ppiの高解像度製作が可能な数値である。

Plane source evaporationは、metal plateにOLED発光材料を蒸着して裏返した後、metal plateに熱を加えることにより、OLEDの発光材料を垂直に蒸着させる技術である。OLEDの発光材料が蒸着されるshadow angle（Ф）が90度になると、理論的にはSD（Shadow distance、step hight/tanФ）の値が0になるので、FMMの厚さを薄く、高解像度で設計することができ、高解像度のAMOLED panel製造が可能になるという原理として、IMID2016学会で初めて発表され、大きな関心を集めた。

SUNICシステムのファン・チャンフン博士は「今回の結果を基に、shadow mask厚さを減少させ、step heightを3umまで減少させると0.37umのshadow distanceを具現可能になり、これは最大2250ppi（11K）の高解像度AMOLED panel製造が可能になる。」と言いながら、0.37 shadow distance具現のための開発に拍車を掛けると発表した。

また、今回の発表では、plane sourceでは不可能だと思われていたhostとdopantのco-evaporationに急速加熱（flashing evaporation）を適用して解決したと明らかにした。Donor filmにhostとdopantを同時蒸着した後、donor filmを 急速加熱（flashing evaporation）すると、hostとdopantを同時に蒸発させることができ、donor filmを製作する時、dopant ratioをコントロールすることにより、カラーコントロールを簡単にすることができることを証明した。

Flashing evaporationを適用したcolor control結果

1.1umのshadow distanceを具現した結果

対面的OLED TV、FMMでも可能になる。ダウォンシス(DAWONSYS)、 ジュール加熱下向き式蒸着技術開発。

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溶液工程とSMS(Small mask scanning)方式だけでアクセスされたRGB方式の対面的OLED panel用の画素形成技術がFMMでも可能になることが期待されている。

ダウォンシス(DAWONSYS)は対面的ディスプレーパネルの量産に適用が容易、材料の使用効率を従来より2倍以上向上させたジュール加熱蒸着工程方式の下向き式蒸着技術を開発した。

ジュール加熱蒸着とは、導電性薄膜に電圧を加えたら抵抗によって短い時間内に少ないエネルギーで表面温度だけ急速に高めて導電性薄膜の上に形成されたorganic material膜を少ないエネルギーに急速に蒸発させることのできる技術である。

ダウォンシス(DAWONSYS)で開発した蒸着技術のコンセプトは次のようだ。ソース基板の上にorganic materialsの薄膜を形成してジュール加熱を使用してソース基板表面の全てのorganic materialsを下部に位置したpanelに一回で蒸着させる方式だ。

ダウォンシス(DAWONSYS)の関係者によると『従来の蒸着工程で使用するpoint sourceやLinear sourceに比べてジュール加熱蒸着工程はArea sourceを利用するため、蒸着速度が約100A/s以上で非常に速い。また、材料の使用効率が70~80%で、従来の蒸着工程比2倍以上向上され、下向き式蒸着に対面的にFMM方式が適用可能で、検証実験結果shadow effect dimensionが4μmとして高解像度の具現が可能である。したがって、JIES蒸着装備は対面的OLEDの新しいsolutionになるだろう』と述べた。

従来の対面的OLED TVはFMMの垂れる現象によってRGB方式での製造に困難を経験していた。 したがって、現在量産中のOLED TV用panelはopen maskを適用したwhite OLED + color filter方式を適用している。

また、対面的OLED TVをRGB方式で製造するため、solution processも積極的に開発中だが、soluble発光材料の効率と寿命の問題で未だ量産に適用されていない状況である。

しかし、ダウォンシス(DAWONSYS)で開発した蒸着技術を適用すれば、FMMを適用した真のRGBの構造のOLED TV用panelの製造が可能となり、従来使用されている蒸着材料をそのまま適用可能なため、効率と寿命も確保することができる。

今回ダウォンシス(DAWONSYS)の新しい蒸着技術が今後の対面的OLED panelの製造技術にいかなる影響を及ぼすかが期待とされている。

SUNICシステム、plane source技術で高解像度の11K AM有機EL panelの解決策を提示

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済州島ICCコンベンションセンターで開かれたIMID2016で、SUNICシステムの11K（2250 ppi）AMOLED製造のためのソリューションが話題になっている。

今年初めに開催された第2回有機EL Korea Conferenceで、サムスンディスプレイのファン・インソン主席研究員は、「VRでは、高解像度が重要で、約2000ppi程度が必要であり、VRデバイスで臨場感をよく感じることができるだろう」と発表し、VRでは、ディスプレイに接する距離が近いため、解像度が落ちるという点を解決すべき課題として挙げた。

しかし、現在のmobile機器用AM有機EL panelの最高解像度は、サムスンディスプレイがSID2016で公開した806ppiが最高解像度である。

現在AMOLED panelの量産に適用されている技術は、線形ソースから有機EL発光材料を熱で蒸発させ、蒸発した有機EL発光材料がFMM（fine metal mask）を通過して基板に蒸着されるという原理である。

しかし、有機EL発光材料の蒸着過程で蒸着ソースとFMMの間の距離とFMMの厚さ、FMMと基板との間の距離により、有機ELの発光材料がFMMを通過する時に入射角（θ）が生じ、入射角によってSD（ shadow distance）が発生することになる。SD問題のためにFMMを設計時にSDを最小限に抑えるため、maskの厚さとstep hightを決定する必要があり、これが解像度のFMM製造を困難にする主要原因となる。

Shadow Distance Principle, Sunic System IMID 2016

Plane Source Process, Sunic System IMID 2016

Plane Source Application, Sunic System IMID 2016

Plane Source Application, Sunic System IMID 2016

SUNICシステムでは、これらの問題点を解決するために、linear sourceではなく、plane sourceを提案し、これは高解像度AMOLED panelの核心技術になることを発表した。Plane source技術は、metal plateに有機EL発光材料を蒸着して裏返した後、metal plateに熱を加えることにより、有機ELの発光材料を垂直に蒸着させる技術である。有機EL発光材料のshadow angle（Ф）が90度になると、理論的にはSD（Shadow distance、step hight /tanФ）の値が0になるので、FMMの厚さを薄く、高解像度で設計することができ、高解像度のAMOLED panel製造が可能になる。

SUNICシステムのファン・チャンフン博士は「plane sourceを使用すると、SD値を従来比の約8倍まで減らすことができ、VR用11K（2250ppi）AMOLED panelの具現が可能になれば、大面積SMS蒸着技術においても8K（200ppi）RGB 有機EL テレビ用panelの製造が可能となる。」と説明した。

特にplane sourceを適用したSMS蒸着技術が大面積で適用が可能になると、大面積有機EL panel製造技術にも大きな波紋を起こすことができると予想される。

現在までRGB方式で大面積有機EL panel製造のための技術としては、inkjet printingを適用したsolution processが重点的に開発されているが、soluble 有機EL発光材料の性能が従来の蒸着用有機EL発光材料よりも低いという問題があった。しかし、plane source技術が開発に成功し、適用が可能となるなら、蒸着用有機ELの発光材料をそのまま使用することができるので、solution process 有機ELに替わる大面積有機EL Panelの製造技術になることが期待される。

一方、SUNICシステムは、LG Displayに国内装置メーカーとして初めてGen6蒸着装置を納品し、2018年から本格的な量産が可能になると予想される。