液晶ディスプレイはどのように発明されたか？スクリーンディスプレイ技術の進化の歴史

私たちは毎日、テレビ、パソコン、携帯電話などのデバイスの画面を通じてストリーミングコンテンツを視聴しています。ハードウェアデバイスとストリーミングメディア技術の継続的な開発と更新に伴い、画面表示技術も絶えず進化しています。今日は、歴史の足跡をたどり、画面表示技術の発展における重要なマイルストーンを振り返ってみましょう。

1. CRTの登場

陰極線は、1869年にドイツの物理学者ユリウス・プリュッカーとヨハン・ヴィルヘルム・ヒットルフによって初めて観察されました。1897年、ドイツの物理学者カール・フェルディナント・ブラウン（ブラウンは1909年にノーベル物理学賞も受賞）は、当初ブラウン管と呼ばれていたCRT（陰極線管、ブラウン管）を発明しました。これは世界初の電子ディスプレイのXNUMXつです。

CRT は、1 つ以上の電子銃を備えた特殊な真空管です。電子銃から放出される電子ビームが蛍光スクリーンに当たり、画像を作成します。初期のテレビ、コンピューター、ATM、カメラ、モニター、レーダーディスプレイにはすべて CRT が組み込まれていました。

1907年、ロシアの科学者ボリス・ローシング（テレビの発明者ウラジーミル・ズヴォリキンと共同研究を行った）は、CRTを用いて単純な幾何学的画像をテレビ画面に投影することに成功した。ローシングの先駆的な業績は、彼をテレビ分野における重要な発明家たらしめた。それ以来、CRT技術は進化を続け、1922年に初めて商用化された。LED、プラズマ、OLEDといった技術が登場する以前は、ほとんどの機器のディスプレイとしてCRTが用いられていた。

20 世紀中期から後半にかけて、テレビやコンピューターモニターではブラウン管が一般的に使用されていました。この間、メーカーは性能と解像度の向上を続けてきました。1970 年代のほとんどのコンピューターモニターは、黒い画面に緑色の文字しか表示できませんでした。1990 年までに、IBM の Extended Graphics Array (XGA) モニターは、16.8 x 800 ピクセルの解像度で 600 万色を表示できるようになりました。

14インチカラーブラウン管

2. プラズマディスプレイ

1936年、ハンガリーのエンジニア、カールマン・ティハニは、自身の論文でこのフラットパネルプラズマディスプレイシステムについて記述した。1964年、ドナルド・ビッツァー、H・ジーン・スロットウ、そして当時イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の大学院生だったロバート・ウィルソンは、PLATOコンピュータシステムで使用するための最初のモノクロプラズマディスプレイを開発した。

プラズマの発光原理は、真空ガラス管に不活性ガスまたは水銀蒸気を注入することです。電圧をかけると、ガスがプラズマ効果を生み出し、紫外線を放射し、蛍光体を励起して可視光を生成します。励起時間の長さは、異なる明るさを生み出すために使用されます。プラズマディスプレイでは、各ピクセルは3つの異なる色（原色）のプラズマエミッターによって生成されます。個々の照明器具が一度に同時に点灯するため、特に鮮明ではっきりしています。

2000年代初頭まで、プラズマディスプレイは大型フラットスクリーンHDTVの最も人気のある選択肢でした。しかし、プラズマディスプレイは残像が発生しやすいこと、また材料と構造の制限によりサイズを小さくできないため、コンピューター、タブレット、携帯電話には適していないことに注意する必要があります。これは、プラズマディスプレイが市場競争で負ける主な理由でもあります。

2013 年までに、低価格の LCD に追い抜かれ、高価だがコントラストの高い OLED フラットパネルディスプレイと表示品質で競合するようになりました。プラズマディスプレイはほぼすべての市場シェアを失いました。米国の小売市場向けのプラズマディスプレイの生産は 2014 年に終了し、中国市場向けの生産は 2016 年に終了しました。

プラズマディスプレイ

3．液晶ディスプレイ（LCD）の時代

1888年、オーストリアの植物学者F·ライネッツァーはニンジンに含まれるコレステロール安息香酸を研究中に偶然液晶を発見しましたが、長い間、人間にはあまり役立ちませんでした。1960年代になって、数人の若い電子工学科学者が沈黙を破りました。

1961 年、若い電子工学の学者ジョージハイルマイヤーは、米国の RCA 社のプリンストン研究所で博士論文の審査の準備をしていました。彼の専門はマイクロ波固体部品で、この分野で非常に優れた業績を残していました。

ある日、友人が彼に、現在取り組んでいる有機半導体の研究について話し、学際的なテーマが彼の大きな興味をそそりました。彼は指導教官にアドバイスを求め、指導教官のサポートと励ましを受けて、これまで多くを学んだ専門分野を思い切ってあきらめ、まだあまりよく知らない新しい分野に進みました。彼は電子工学の知識を有機化学に応用し、すぐに成果を上げました。

やがて、彼は別の新しいテーマ、レーザーに興味を持ち、再び結晶と親しくなった。外部電場が結晶の内部電場に与える影響を研究するため、彼は液晶を思いついた。染料をドープしたネマティック液晶を2枚の透明導電ガラスの間に挟んだ。液晶層の両側に数ボルトの電圧をかけると、液晶層は赤から透明に変わる。電子工学出身の彼は、これがカラー薄型テレビだとすぐに気づいた。興奮したチームメンバーと彼はすぐに昼夜を問わず研究を開始し、液晶の動的散乱や相転移など、液晶の一連の電気光学効果を次々と発見した。そして、一連のデジタルおよび文字表示装置、液晶表示時計、ブリッジディスプレイなどの実用的な製品の開発に成功した。

LCDの構造は、2枚の平行なガラス基板上に液晶セルを配置し、下側のガラス基板上にTFT（薄膜トランジスタ）を、上側のガラス基板上にカラーフィルターを配置し、回転方向を制御することで、各ピクセルの偏光を発光させるか否かを調節し、表示を実現するというものである。

RCA社は自社の研究を非常に重視しており、常にこれを同社の重要な機密プロジェクトとして分類してきました。最新の科学技術成果を放送レポートで世界に報告したのは1968年になってからでした。このレポートはすぐに日本の科学技術界と産業界の注目を集めました。日本は当時台頭しつつあった大規模集積回路と液晶を組み合わせ、「パーソナルエレクトロニクス」市場をガイドとして、一連の商用製品を迅速に開発し、液晶ディスプレイの実用状況を開拓し、主導権を握りました。この勢いは日本のマイクロエレクトロニクス産業の驚異的な成長に貢献しました。

米国では、RCA社の一部生産部門のリーダーたちが、一方では伝統的な半導体製品に限定し、他方では新興の液晶ディスプレイ装置の欠点を過度に強調し、市場がまだ産業化されていないという口実で、液晶ディスプレイ装置を破壊しようと全力を尽くした。このため、「液晶」チームのメンバーが流出し始め、「液晶ディスプレイ」の特許も売却された。液晶ディスプレイが産業を形成していた1970年代半ば、RCA社は取締役会で、RCAのXNUMX年にわたる発展の歴史の中で液晶ディスプレイ技術を失ったことは大きな間違いだったと悲しく結論付けたと言われている。

液晶ディスプレイは 1970 年代から存在していましたが (電卓、腕時計、時計、さまざまな家電製品によく使用されています)、広く使用されるようになったのは 1990 年代になってからです。消費電力が少なく、サイズが小さく、重量が軽いため、ノートパソコンで広く使用されています。LCD 技術が進歩するにつれて、コンピューターやテレビでの LCD 画面の使用はますます普及しています。2007 年には、LCD テレビの売上が初めて世界中で CRT テレビの売上を上回りました。

4. LEDからOLEDへ

1962年、ゼネラル・エレクトリック社のエンジニア、ニック・ホロニアックが世界初の可視光LEDを発明しました。1962年から1968年にかけて、ヒューレット・パッカード社のハワード・C・ボーデンとジェラルド・P・ピギーニがLEDの研究開発を主導しました。1969年5082月、彼らは集積回路技術を採用した初のLEDデバイスであるHPモデル7000-XNUMX電卓と、世界初のスマートLEDディスプレイを発表しました。HPによるLEDの商品化は、デジタルディスプレイ技術の革命を引き起こし、その後のLEDディスプレイ技術の発展の基礎を築きました。

LED は Light Emitting Diodes の略称で、「発光ダイオード」のことですが、厳密に言えば LCD (液晶ディスプレイ) の一種でもあります。従来の LCD デバイスのバックライト光源である CCFL (冷陰極蛍光灯、冷陰極蛍光灯など) は、画面全体を均一に照らすことしかできず、照度を変更することはできません。CCFL と比較して、LED バックライト LCD デバイスはローカルディミングを使用できるため、消費電力を抑えながら、コントラストが向上し、より鮮明な表示が得られます。

ほとんどの LCD スマートフォンおよびタブレットディスプレイでは、汎用性と軽量性のため LED が使用されています。

1987年、イーストマン・コダックのXNUMX人の化学者、Deng Qingyun氏とSteven Van Slyke氏が、これまでの研究を基に、初の実用的なOLEDデバイスを共同で開発しました。

OLED（有機発光ダイオード）は、「有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ」とも呼ばれます。OLEDは、多層有機薄膜構造を用いてエレクトロルミネッセンスを発生させるデバイスで、電流を流すと明るい光を発します。LCDとは異なり、OLEDはバックライトを必要とせず、LCDやLEDで使用されるガラス基板ではなく、より軽量な発光基板を使用でき、視野角が広く、応答速度も速いという利点があります。

OLEDの登場は、エレクトロルミネッセンス技術における大きな進歩です。LEDと比較して、OLEDはより薄く、軽く、柔軟性があり、テレビ画面、コンピューターモニター、スマートフォン、スマートウォッチ、携帯ゲーム機などの機器に広く使用されています。

iPhone XがOLEDディスプレイを採用して以来、OLEDは世界の端末市場を急速に席巻し、フルスクリーン、折りたたみ式、フレキシブルスクリーンが次々と登場し、ディスプレイ技術の発展を大きく促進してきた。

5. 電子ペーパーの発明

1970 年代に、ゼロックスパークのニックシェリドンが世界初の電子ペーパーである Gyricon を開発しました。

電子ペーパーは、電子インクでコーティングされた薄いフィルムです。電子インクは、人間の髪の毛ほどの直径のマイクロカプセルが数百個浮遊している液体材料で、各マイクロカプセルは正と負に帯電した粒子で構成されています。正または負の電界が単一の電極に適用されると、対応する電荷を持つ色の粒子がカプセルの上部または下部に移動し、電子ペーパーのディスプレイの表面に特定の色が与えられます。

電子ペーパーはOLEDと同様に、「紙」の光沢を保ちながら、それ自体が可視光を発します。

電子ペーパーは 1970 年代に開発されましたが、2000 年代初頭まで普及しませんでした。最も広く使用されているのは、一般的な Kindle、BOOX などの電子書籍リーダーです。他にも、電子値札、デジタルサイネージ、一部のスマートフォンディスプレイで使用されています。

電子ペーパー

6. DLPテクノロジー

DLP (Digital Light Processing) は、デジタル光処理の略称です。その動作原理は、画像信号をデジタル処理し、光を通して投影することです。この技術は画像忠実度が非常に高く、鮮明で明るく鮮やかなカラー画像を投影できるため、主にプロジェクターシステムに使用されます。

DLP 技術の核となるのは、デジタルマイクロミラーデバイス (DMD) と呼ばれる光半導体です。DMD は、アルミニウム製のマイクロミラーを使用して光を反射し、画像を作成します。DLP チップと呼ばれることが多い DMD には、それぞれ 2 万個を超えるマイクロミラーが含まれており、その幅は人間の髪の毛の XNUMX 分の XNUMX 未満です。マイクロミラーはマトリックス状 (写真のモザイクのように) に配置され、各マイクロミラーが XNUMX つのピクセルを表します。

これらのマイクロミラーの数は、画面の解像度に対応します。DLP 1080p テクノロジーは、真の 2x1920p 解像度で 1080 万を超えるピクセルを実現します。市場にはすでに 8K DLP プロジェクター (3xDLP を使用) が存在します。

DLP はもともと 1987 年に Texas Instruments 社の物理学者 Larry Hornbeck 氏によって開発されました。1997 年に Digital Projection 社が最初の DLP プロジェクターを発表しました。1998 年には Texas Instruments 社と Digital Projection 社が DLP 技術でその年のエミー賞を受賞しました。

プラズマや LCD デバイスと比較すると、DLP デバイスは安価で、画面が大きく、薄くて軽量です。DLP テクノロジが実際に生活の中にあることに気付いていないかもしれません。DLP は、あらゆる種類のプロジェクター (トレーニング、教育用)、ホームシアター、ビデオウォール、コンサートや会議などの大規模な投影システムで一般的です。

DLP ディスプレイと DLP プロジェクター

上記は、スクリーン表示技術の発展における重要なマイルストーンです。ディスプレイ技術の発展は、微細構造光学材料、先進的な製造、画像処理などの技術の融合を伴い、デバイスの画面解像度を向上させるだけでなく、人間の想像力を鮮やかに表現します。新世代の新技術と新製品の導入、特に現代のハイテク製品の導入は、常に学際的、業界横断的であり、革新的で先駆的な精神を持つ若者によって発見され、完成されています。新技術の発見とその実際の開発は、実際の応用技術と市場の需要に基づいています。応用技術はハイテク産業の発展の保証であり、市場の需要はハイテク産業の発展の原動力です。ハードウェアデバイスの発展と技術の継続的な進歩により、ディスプレイ技術は再び革新的なブレークスルーを達成すると信じています。