microLEDディスプレイにおけるインプレーン（面内）センシング

コンシューマーデバイスおよび車載用電子機器における光学センシングのための新しい性能と製造のパラダイムです。

マイクロLEDは貴重な光学特性を持ち、コンシューマーと自動車向け電子産業にてディスプレイの特性レベルを引き上げることが期待されています：輝度、画像の明瞭性、色精度が大きく向上し、直射日光下で優れた可読性を保ちます。マイクロLEDは非常に省エネルギーでもあります。

こうした特性のおかげで、小型の超高解像度AR/VRヘッドセットから、腕時計、携帯電話、ノートパソコン、タブレット、車載ディスプレイなどの製品に搭載されるディスプレイに最適なコンポーネントとなっています。マイクロLEDは、TVやモニターなどの大型ディスプレイにも使用できます。

マイクロLEDには、ディスプレイの性能を大幅に引き上げ、ディスプレイ全体の機能を一変させる可能性を持つもう一つの要素が存在します：RGBエミッタと同じピクセル面に、センサ機能を統合できます。これはマイクロLEDの超小型サイズのおかげで可能となっています。以下を含む、その他のメリットも存在します：

  • センサを見えなくする
  • 感度を改善する
  • 新機能を可能にする
 

センシングと発光のプレーン内統合は、どんな用途があり得るでしょうか？そして、その可能性を実現するために何を行う必要があるでしょうか？
 

既存のOLEDディスプレイセンサ実装の課題

従来、モバイルデバイスで前面のセンサはディスプレイの輝度制御、ホワイトバランス、顔認識などの機能を担当していました。こうしたセンサは、ディスプレイの切り欠き（ベゼル）によく統合されていました。ベゼルレスのディスプレイへの流れが進行しており、メーカーはディスプレイの背面に統合可能なセンサを開発しています。

ams OSRAMが技術を開拓した、OLEDディスプレイと「OLEDの背後」センシングの領域では、OLEDが密集したディスプレイプレーンの背面にセンサを配置する必要があります。このOLED背後のセンシング技術は、OLEDとセンサ間の干渉を防ぐため、ディスプレイシステムとセンサシステムの間で正確に同期を保つ必要があるため、実装には困難がつきまといます。BOLEDセンサは、非常に低い透過率（通常は10%未満）を持つOLEDディスプレイの背後で動作する場合でも、十分な光学信号強度を供給できるよう、非常に高い感度が要求されます。また、システムに複数のプレーン（ディスプレイ用とセンシング用）を搭載すると、センシングディスプレイ全体の高さがかさみます。

小型化を超えて - プレーン内のセンサ統合用にディスプレイ基板の空間を確保

次世代の技術革新であるマイクロLEDは、超小型寸法と超高輝度を両立する、素晴らしい特性を備えています。今日まで、マイクロLEDの機械的機能では業界標準の仕様が存在していませんでした。一部のメーカーは最大50µmまでの幅を持つデバイスを「マイクロLED」と読んでいますが、ams OSRAMは、そのようなデバイスは市場へ破壊的効果をもたらすには大きすぎると考えています。代わりに、当社は小型化の専門知識を活かして、チップ端長を10µm以下に抑えています。このサイズでは、マイクロLEDがあまりにも小さすぎて、肉眼では見えません。

実際、RGBマイクロLEDはあまりにも小さく、かつ非常に高電流で駆動できるため、かなりまばらに配置しても、高解像度の出力と高輝度を維持できます。ディスプレイ技術者はこれを「低フィルファクタ」と呼んでいます。マイクロLED面積の全体と、合計ピクセル領域の割合を示したものです。低フィルファクタは、マイクロLED周囲に空き領域が存在することを意味します。こうした領域は人間の目には見えませんが、マイクロフォトダイオード（マイクロPD）や、近赤外線（NIR）マイクロLED（図1をご覧ください）などのセンサコンポーネントを配置するには十分な大きさです。これらは光学センサに欠かせないコンポーネントであり、マイクロPDは、ディスプレイの表面に触れる指などの物体に反射した、事象の光やNIRマイクロLEDが発した不可視の光を測定します。

図1：マイクロLEDの小型化は、ディスプレイの発光基板でセンサ用の空間を確保できます

 

新しく改善されたセンサ機能

ディスプレイとセンサのスタックが不要になり、センサ要素を実質的に不可視にすること以外にも、マイクロLEDが実現するプレーン内センシングのアーキテクチャにはもう一つのメリットがあります。センサコンポーネントをRGBマイクロLEDと同じプレーンに配置することで、ガラスカバーを通じた視野が全く阻害されることがありません。このため、OLEDディスプレイですでに利用されているセンサを手軽に実装できます。

また、マイクロLEDディスプレイ（図2をご覧ください）での光学センサ機能のピクセル化のおかげで、新たなユースケースとセンサが可能になります。

マイクロLEDセンシングディスプレイは、以下のように新しい、改善されたセンサ機能を実現できます：

  • ディスプレイのローカル輝度調整：周囲光センシングをディスプレイ全体に分散させます
  • カメラとディスプレイのホワイトバランス
  • 近接センシング
  • バイタルサインの監視
  • 指紋認識：現在の携帯電話で使用される超音波センシングなどのサブシステムを不要にします。これは指紋の検出領域を広げ、センシング/ディスプレイスタック全体の高さを下げます。
  • タッチセンシング
  • ジェスチャー認識：画像処理演算に加え、センシング要素に指向性を追加しています。

図2：様々なセンサが同じNIRマイクロLEDを共有でき、コンポーネントを柔軟に配置できるため、センサ要件に応じて領域の密度を調整できます。

 

ディスプレイ製造の新たなサプライチェーン

マイクロLEDが可能にするプレーン内ディスプレイセンシングは、センサ機能を強化し、消費電力を下げ、センサのコストを節約できる、よりシンプルなシステムアーキテクチャです。   

このビジョンを実現し、最初の製品でプレーン内ディスプレイセンシングを利用できるようにするまでには、まだ開発段階が必要な必須技術が存在します。ディスプレイ内にセンシングを統合すると、光学信号の連鎖で、RGBとNIRマイクロエミッタ、マイクロICピクセルドライバ、マイクロPDとその読み出し回路、信号処理回路、その他のディスプレイ要素、デバイスのSoC（図3をご覧ください）などを接続する複雑なインターフェースが必要になります。

ams OSRAMは技術サプライヤー、ディスプレイメーカー、ディスプレイドライバ、システムオンチップ（SoC）メーカーと協力してプレーン内センシングの課題に対処しています。ams OSRAMは、プレーン内センシングを市販できるようにするため、新型の複雑なサプライチェーンを構築する際に必要な提携、規格、仕様を策定しています。

図3：マイクロLEDでプレーン内センシングを実現するには、複数のサプライヤーのシステムやコンポーネントを統合する必要があります。この新しい種類のディスプレイを製造するためには、新種のサプライチェーンが必要です。センシングを実現するために、マイクロディスクリートコンポーネント以外に、3つの必須項目があります。（1）センサのマイクロドライバ、（2）ディスプレイの統合、（3）SoCのサポートです。

 

ams OSRAMが新興のマイクロLED市場をリード

マイクロLEDがレンダリング可能な鮮やかな色、高いコントラストと傑出したエネルギー効率のため、こうしたデバイスはコンシューマーおよび自動車電子機器の大多数の市場で、非常に貴重な存在となっています。マイクロLEDと共に並べて光学センシング機能を統合できる可能性を持つマイクロLEDは、光学センサをディスプレイ面の背後に収めるOLEDディスプレイと比較して高い魅力を持ちます。

ams OSRAMは、光学半導体とセンサの製造とパッケージングを通じて、エミッタIPとその微細な専門知識を活用し、マイクロLED技術の導入を推進できる立場を築いています。大量生産でマイクロLEDコンポーネントを供給できる能力が、当社の事業/技術戦略の核となっています。マイクロLEDディスプレイでプレーン内センシングを実装するのは難しく、マイクロLED技術の敷居も高いため、ams OSRAMはサポートシステムを構築して業界のエコシステムを発展させる必要性を認識しています。