MITが桁違いの高解像度を実現する「積層型マイクロLED」の製造に成功

現在の電子機器の画面は、形も大きさも解像度もさまざまだが、共通しているのは、赤、青、緑のサブピクセルが横に並んでいることだ。これは今まで大きく変わってこなかったが、これが高解像度化のボトルネックにもなっていた。だが、この流れが大きく変わるかも知れない。

MITの研究者らは、画素の構成要素を垂直に積み重ねることで、画素をより密に詰める独自のアプローチを開発した。これにより、画素密度が一桁高くなり、仮想現実を現実世界と視覚的に区別できないようにするディスプレイの開発に弾みが付く可能性が出てきたのだ。

現在、最高品質のディスプレイには、電流を流すとそれ自体が発光する有機ELが使われている。だが、サブピクセルの配置を工夫しても、これ以上の高密度は望めない。画素が小さくなればなるほど、発光できる量も少なくなってしまうからだ。次に有望視されているのが、100分の1の大きさの無機材料で構成されたダイオードを使うマイクロLEDだ。しかし、マイクロLEDは、赤・緑・青のマトリックスを別々に作り、それを極めて正確に重ね合わせなければならないため、コストが高くなり、1画素でもズレるとパネルごと廃棄しなければならないこともあり、無駄が多くなってしまうという問題がある。

今回、『Nature』誌に発表された「Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer」と題された論文では、マイクロLEDを製造するための、より優れた、より無駄の少ない方法が提案されている。この研究は、極薄の高性能膜の製造を専門とするMITのJeehwan Kim工学部教授が主導したものだ。研究チームは、2次元膜材料に関する過去の研究成果を用いて、赤、緑、青のサブピクセルの膜を製造した。この膜を硬いベース層から剥がし、重ね合わせることで、幅わずか4マイクロメートルの垂直方向にフルカラーの画素を作り出したのだ。

「これは、最小のmicroLEDピクセルであり、学術誌で報告された中で最も高いピクセル密度です」と、Jeehwan Kimは述べている。このカラースタックは最初の一歩に過ぎない。研究チームは、入力電圧を変えることで、スタックした各ピクセルに複数の色を作り出すことができることを示した。しかし、それでも2,500万個のLEDを個別に制御するシステムが必要である。このアクティブマトリクスの開発は、Kim氏のグループが今後取り組むべき課題である。

しかし、こういった形で積層型超薄型ディスプレイを作製できるようになっただけでも、大きな一歩だろう。同チームが開発したマイクロLEDマトリックスの有効画素密度は、1インチあたり5,000ピクセルであり、これは文献上、これまでで最高のものである。これに対し、Samsungの最新有機ELディスプレイは1インチあたり約500ピクセル、最もシャープなVRヘッドセットでも1,000ピクセル未満である。もし実用化されれば、垂直方向の画素数は、特にVRやARのアプリケーションにおいて、鮮明さを大きく向上させることになる。それこそ、現実と見分けが付かないほどに。

「今のところ、極薄LEDの成長、剥離、積層が可能であることをコミュニティに示しました。これは、スマートウォッチやバーチャルリアリティデバイスのような小型ディスプレイの究極のソリューションです。」と、Kim氏は述べている。

論文

Nature: Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer

参考文献

MIT: Engineers invent vertical, full-color microscopic LEDs

研究の要旨

マイクロLED（μLED）は、1インチあたりの画素数や輝度が極めて高いことが要求される拡張現実感やバーチャルリアリティのディスプレイ用途として検討されている。しかし、赤、緑、青（RGB）のμLEDを横方向に組み立てる従来の製造プロセスでは、画素密度の向上に限界がある。最近の縦型μLEDディスプレイのデモでは、自立したRGB LED膜を積層してトップダウンで製造することでこの問題を解決しようとしているが、積層したμLEDの横方向の寸法を最小限にすることは困難であった。本発表では、これまでに報告された中で最も高い配列密度（5,100ピクセル/インチ）と最小サイズ（4 µm）を実現したフルカラーの縦型積層型μLEDを報告する。これは、二次元材料ベースの層転写技術によって実現したもので、二次元材料コーティング基板上にサブミクロンに近い厚さのRGB LEDをリモートエピタキシーまたはファンデルワールスエピタキシーで成長させ、LEDを機械的に解放して積層し、その後トップダウン加工を行うものである。過去最小の約9µmのスタック高さが、記録的な高密度のµLEDアレイを実現する鍵となる。また、青色LEDをシリコン膜トランジスタと垂直統合し、アクティブマトリックス動作させることも実証している。これらの成果は、拡張現実感やバーチャルリアリティ向けのフルカラーµLEDディスプレイを実現するためのルートを確立するとともに、より幅広いクラスの3次元集積デバイスのための汎用的なプラットフォームを提供するものだ。