物理システム工学科３年次「物性工学概論」第12回光エレクトロニクス(5) さまざまなディスプレイ物理システム工学科量子機能工学分野佐藤勝昭第11回に学んだこと光ストレージについて • 読み出しは、レーザー光を絞ったときに回折限界で決まるスポットサイズで制限されるため、波長が短いほど高密度に記録される。 • 光ストレージには、読み出し(再生)専用のもの、１度だけ書き込み(記録)できるもの、繰り返し記録・再生できるものの３種類がある。 • 記録には、さまざまな物理現象が使われている。光ストレージについて興味を持った点身近な光ディスクに物理が使われていること • CD, CD-Rなど身近でよく使うものなので、話は難しいが、聞いていて興味をもった。(坪内、増田、宮城) • CD-ROM, DVD-Rの仕組みが大まかにわかった。(高橋) • 私たちの生活にとても近いものでこんなにも物理が恩恵をもたらしていると思うとわくわくする (須藤) 。 • 身近なCD-R, CD-RWの仕組みが、自分の勉強している授業の内容であること(土屋)。 • 光ディスクは毎日お世話になっている必需品。メディアもそうだけどドライブも気になる。(佐藤俊) • ドライブのフォーカスサーボやトラッキングサーボが小さな領域で調整できること。(松本) • 光ストレージには、再生専用、１度だけ記録、繰り返し記録再生の３種類あること。(深津、山口、窪田) 光ストレージについて興味を持った点身近な光ディスクに物理が使われていること • CD-ROMが光の干渉を利用していること。(今井、松下) • 光ディスクは身近にあるものだけど、(動作原理を)初めて学んで、結構難しいことを原理にしているのだということに気がついた。(民部) • せっかく技術者が開発したものが安く売られてしまい、会社が儲からないことにショックを受けた。(土屋) 光ストレージについて興味を持った点光記録の物理に興味 • 外見上区別の付かないCD-RW, CD-R, DVD-RWなどが書き込みの段階で違いがあることが印象的。例えば、DVD-RAM, DVD±RWの相変化記録、使用回数の違いなど、基礎の大切さを感じた。(安藤) • 光ストレージにおいて、さまざまな物理現象（相変化、光磁気効果）を用いている点に興味をもった。(市村、石黒、円子) 光ストレージについて興味を持った点光相変化記録に興味 • CD-RWの繰り返し記録・消去に相変化を用いていること。(遠藤、前田) • CD-RWの記録で結晶→アモルファスの相変化が30nsという短時間で行われていることに驚いた。(今野) • 光相変化記録では加熱により光コントラストを付けること。(須藤) • DVD-RWで繰り返し記録するたびに薄くなっていくということが不思議な気がした。(白橋) • 書き換え型は半永久的と思っていたが、高温にするため傷むと聞き、形あるものはいつか壊れるのだと思った。(宮本) • CD-RWなどの書き換えに冷却時間の違いが使われていること。 (村上) • CD-Rの記録消去の仕方にアモルファス化と結晶化を利用していること。(長井)→注意：CD-Rは消去で来ません。相変化を用いるのは、CD-RWの方です。光ストレージについて興味を持った点 CD-Rに興味 • CD-Rに記録するのに、熱で色素を分解して気体にする点が面白いと思った。(白橋) • CD-R、DVD-Rで基板の変形を利用していることに感心した。(石黒、平木） • CD-RがCD-RWと記録の方法が違うことを初めて知った。(小尻) • CD, DVDなどで熱で色素が分解されて、それが原因で書き換え回数が制限されているということに興味をもった。(SK)→A. S君、キミは誤解しています。色素が分解されるのはCD-R, DVD-Rで、１回しか記録できないタイプです。融液が薄くなって書き換え回数が制限されるのはCD-RW, DVD-RWなどのRewritable(書き換え可能)のディスクです。光ストレージについて興味を持った点光磁気記録に興味 • MO、MDなど光磁気記録は、保磁力が働くため、常温では磁石を近づけてもデータが壊れないこと。 (今野、村松、庄子) • 書き換え耐性が高いこと。(今野) • MO記録は光の熱を使い記録し、また、熱を加えて消し、また、記録が難解も記録できること。(岩崎) • 光磁気記録で磁気 (注：磁気ではなく保磁力です。)が室温で無限大(注：正しくは測定できないくらい大きくなる)になること。(野澤) • MO, MDの書き換え耐性が1000万回以上に驚いた。(柳澤、中島) Q&A1(CD-ROM, CD-R) Q: なぜピットの深さをλ/4にしたのか。誤差があっても干渉を読み出せるのか。(HK)→A. 第１１回の最初の方で説明しましたが、ピットがないところは85-100%反射しますが、ピットのあるところでは、ピットの底からの反射光とピットの周りからの反射光の位相がほぼ180°違うので干渉し合って、反射光が10%以下になるのです。多少、干渉条件からずれても反射率は十分低くとれるので許容されるのです。 Q: CD-Rで有機色素がどのような働きをするのか(HK、 MS)→A. 色素というのは、特定の波長域に吸収があるため、透過光に色が付くような物質です。CD-Rでは780nm付近、 DVD-Rでは650nm付近に吸収帯をもつ色素が使われます。吸収した光が熱に変わり、その熱で色素が分解され、気体になり、基板の変形をもたらします。 Q&A2（CD-RW, CD) Q: CD-RWをフォーマットするとき、結晶化してデータを消去すると聞きましたが、簡易消去するときはこのような操作をしているのか疑問です。(F)→A: HDDでもそうなのですが、データを消去する代わりに、その部分のアドレス帳に「消去」マークを付けるだけなのです。実際に新たなデータを記録する際に、前に記録されたデータの上にオーバーライトをするのです。 Q:傷が付いたCDを聞けるようにするのに表面をやするとよいと聞いたが、コーティング層のことですか。(A)→A. 傷が付いて読めなくなったとすれば、コーティング層だけでなくアルミニウムの反射膜に損傷が及んだものでしょう。やすることによって深い傷がなめされて回復することもあるようですが、お薦めできません。 Q&A3 (メディアの比較) Q: CD-RよりDVD-Rの方が容量が大きいのはなぜですか（SY、YT) →A: Rに限らず、ROMでもRWでも、CDと DVDの規格に差があるのです。CD-Rはλ=780nm、 NA=0.55、トラックピッチ1.6μmです。一方、DVD-Rは λ=650nm、NA=0.6、トラックピッチ0.74μmです。波長を短くし、レンズの開口数を上げ、トラックピッチを増やしたことで、容量を大きくしたのです。 Q: DVD-RWとDVD+RWの違いは何ですか。(IK,MT)→規格の違いとしか言えません。媒体材料も同じ、波長も同じ、レンズの開口数も同じです。ウォッブルといってトラックを円周でなくクネクネとうねらしているのですが、そのうねりの付け方が異なります。また、ランドに記録するかグルーブに記録するかの違いもあります。 Q&A4 (高速DVD) Q: 半年前から４倍速DVDドライブ、４倍速対応メディアが出回りましたが、４倍の速さで加熱→急冷→アモルファスを行っているのですか。(SY)→A. 媒体側でも材料、構造の工夫により、相変化の高速化を図っていますが、ドライブにおいて、チルト制御、機械振動低減、信号処理などを改善して４倍速でもジッターを減らした効果が大きいようです。 Q: メディアに記録する際、なるべく低速で焼いた方が、アモルファス化の時間がとれるのでエラーが起きにくいですか(SY)→A. ４倍速のメディアを使い、純正の４倍速ドライブを使う限りは速くても問題がないでしょう。 Q&A5(青紫色レーザーを用いた記録) Q: Bluray Diskの記録はどのようにされているのか。(KK)→A. 5”(=12cm), 27GBの大容量, 405mn 青紫色レーザー, レンズの開口数 (NA) 0.85, 保護層膜厚 : 0.1mm, 媒体厚：1.2mm, データ転送速度：36Mbpsというスペックは公開されていますが、技術の詳細はライセンスをもつ１０社だけに公開されています。 Q: Blurayの話が良くわからない。大容量の理由はスポット径が小さくなることらしいが、どうしてそれが原因かわからない (MT) 。波長が短いほど高密度に記録されるという関係を詳しく知りたい。(IA) →A. 第11回の始めに述べたように、読み出しの際のレーザーのスポット径は回折限界で決まり、d=0.6λ/NAで決まります。波長が半分になれば、スポットの面積は1/4になり、同じ面積に４倍詰め込めるので、記録密度は４倍になるのです。 Q: 青色レーザー以前にも黄色や緑を使えば書き込み容量はふえたのではないですか。(MO)→A. LD開発は、GaAlAs系の赤から InGaN系の青紫に一気に飛んだのです。間の波長領域(黄～緑) には、まだよい半導体レーザーがないのです。 Q&A6（光磁気記録） Q: 「磁化に応じた偏光の回転を検出し電気に変換」とは具体的にどのようなことですか。(IK)→A. 磁性体には磁化の向きに応じて入射偏光の向きを回転させる性質(磁気光学効果)があります。回転角はたった１°以下の小さなものです。ディスク面に垂直上向きに磁化が向いているときと、下向きに向いているときとで、偏光回転の向きが右回りか左回りかの違いが生じます。この違いを検出するのです。物理システム工学実験III・IVテキストの「磁性」の項を読んで下さい。 Q: 光ディスクの劣化はディスク表面を600℃くらいまで上げるのが原因だそうですが、MOも記録するとき200℃まで上げるのに半永久的に使えるのは何故ですか。(H) →A: 表面上のスポットの温度を上昇するだけの問題なら、熱放散層を入れることで基板の損傷を防げます。光相変化ディスクでは、結晶アモルファスという形で媒体そのものを変化させるので、劣化が激しいのです。MOの場合は、物質は変化させず、磁気状態だけを変化させるので、劣化しないのです。 Q&A7（磁気記録） Q:クレジットカードの磁気も磁石を近づけても変化しないですか(M) →A: クレジットカードの場合は、光磁気記録ではなく、普通の磁気記録なので、保磁力が小さく、強い磁石を近づけると消えてしまいます。 Q: FDよりMOの容量が多いのは垂直磁気記録だからでしょうか。 (KN)→A. FDは媒体がフレキシブルであること、ドライブにおけるヘッドの位置決め精度がないことなどのため、高密度記録ができないのです。MOは光スポットを小さくできることが高密度の原因です。なお、現行HDDは面内記録ですが、MOより高密度を達成しています。 Q&A8(ストレージの技術的限界) Q: 記録密度の技術的限界はまだまだ上がっていくのでしょうか。理論限界はどれくらいなのでしょうか。(MA)→A. 光ディスクの普通の(遠視野)光学系では回折限界で決まりますが、近接場(近視野) 光学系を使うことにより２桁以上の高密度化が可能と言えます。 Q: 磁気記録にもスポットに限界があるのでしょうか。光と磁気とではどちらがスポットを小さくできるのでしょうか。(KN)→A. 光には、回折限界があり、読み出せるスポットサイズに限界があります。超解像を使ってようやく0.2μm、MAMMOS技術を使って0.05μmが読み出せます。一方、磁気記録では、すでに周回方向ではマークの直径が0.1μmを切っています。これは、再生磁気ヘッドが改良されたためです。しかし、超常磁性限界があって何処までも小さくできません。記録したビットが時間とともに消えていくのです。この解決のために、光磁気記録と磁気記録の長所を組み合わせた「ハイブリッド記録」が研究されています。 Q&A9（今後の光ディスク) Q:MOの容量は128MB→2.3GBと増えましたが、今後さらに増えるのでしょうか、増えるならば、どの程度と予想されているのでしょうか（K)→A: 現在の方式の延長では限界があるので、次世代規格 (ASMO)が検討されています。3.5”MOで20GBをめざしています。 Q: Bluray, AODという言葉は初めて聞いたが、ふつうのCDと同じ形や色ですか(KT)→A. 直径は、CDと同じ5”=120mmです。現物を見たことがないので色はわかりません。 Q: CD-Rの小型化はあり得るのですか。(YT)→A. ハンディカメラ用にDVDの小型化が研究されています。 Q: 青色レーザーより短波長のレーザーが使えるのですか。短くなると透過率が高くなると思うのですが。(HK’)→A. 波長が短くなるとプラスチックの基板の吸収端にかかってしまうので405nmが最適と考えられているのです。 Q: 大容量光ディスクのために短波長を使うと言っていましたが、X線は使わないのですか。(KT)→A. X線を小さなスポットに絞るのも難しいし、放射線は身体に危険ですから、使うことは検討されていません。第12回さまざまなディスプレイ現行のディスプレイ • ブラウン管(CRT=cathode ray tube) • 液晶ディスプレイ(LCD=liquid crystal display) • プラズマディスプレイ(PDP=plasma display panel) • 無機ELD (Inorganic electroluminescence display) これからのディスプレイ • 有機ELD (organic electroluminescence display) • 電界放出ディスプレイ(FED=field emission display) ディスプレイの比較 CRT(ブラウン管) • 電子ビームを加速→RGB三色の蛍光体を励起 →発光(CL=cathodoluminescence) • 加速・集束系：電子レンズ • シャドウマスク方式、アパーチャグリル方式 • 高精細度、視野角依存性なし、技術的に確立 • 大きい、重い、高電圧(→ホコリ)、色ズレ、消費電力大、ちらつき、焼き付きＣＲＴの原理 • 電子銃からの電子ビームを１万V位の高電圧で加速、シャドウマスクを通して、蛍光スクリーンの蛍光体を励起 http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/pdp/3.htm アパーチャグリル方式 • FDトリニトロン管を含むトリニトロンブラウン管は、R、G、Bの三原色からなるカラー画像を正しく再現するために、色選別機構（管面の蛍光体を発色させるため、R、G、Bの電子ビームを選別する小さな孔の開いたフィルター）に縦ストライプ状のアパチャーグリルを使用しています。画面の上下方向に電子ビームを遮るものがありませんので、ピッチを狭めても明るく輝度の高い画像を得られるという特長があります。また、グリルは上下方向にテンション（張力）を持たせていますので、ビーム照射による熱膨張を吸収し、色ズレや色ムラを起こしにくく、長時間安定した画質を維持することができます。ソニーのホームページより www.sony.jp/.../Display/CRT/tech nology/ Images/tech_3_1.gif 液晶ディスプレイ • • • • 液晶を光スイッチとして使用直交偏光板ではさんだ液晶内での偏光の伝搬電界印加により液晶分子の配向を制御ＴＦＴ(薄膜トランジスタで各画素のRGBを個別に選択制御)：アモルファスSiから多結晶Siへ • 利点：薄型、省電力、高精細度、ちらつきがない • 欠点：視角依存性、バックライト必要、大画面に問題液晶 ●液晶は、液体と固体の中間的物質 •1888年：液晶を発見：ライニツァー(オーストリアの植物学者) •「液晶」とは、固体と液体の中間にある物質の状態（イカの墨や石鹸水など）を指す。 •ディスプレイへの応用：1963年ウィリアムズ (RCA社), 液晶に電気的な刺激を与えると、光の透過が変わることを発見。 •1968年：ハイルマイヤーら(RCA)、この性質を応用した表示装置を試作→液晶ディスプレイの始まり。 •ディスプレイの材料としては不安定で商用として問題あり •1973年：シャープより電卓(EL-805)の表示として世界で初めてLCDを応用。 •1976年：グレイ教授（英国ハル大学）が安定な液晶材料（ビフェニール系）を発見。 www.bohlken.com/ C O N H www.chem.wisc.edu/ 21 45 T 液晶分子の配向と電界制御 • 液晶分子の配向 – 配向剤を塗布、ラビング。分子をラビング方向に配列 • 電界による配向制御(液晶分子は電気双極子) http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/lcd/index.htm 液晶ディスプレイの構造カラー液晶ディスプレイの構造は、構成要素が層状になっている。 1－偏光フィルター：出入りする光をコントロールする。 2－ガラス基板：電極部からの電気がほかの部分に漏れないようにする。 3－透明電極：液晶ディスプレイを駆動するための電極。表示の妨げにならないよう透明度の高い材料を使う。 4－配向膜：液晶の分子を一定方向に並べるための膜。 5－液晶：ネマティック液晶 6－スペーサー：液晶物質をはさむ2枚のガラス基板に、均一なスペースを確保するシャープのホームページより http://www.sharp.co.jp/products /lcd/tech/s2_3.html#2 アクティブ・マトリックス 1. X電極が、各画素に付いたアクティブ素子を ON／OFFする。 2. ON状態にあるアクティブ素子は、そのままの電圧を保ち、Y電極と通じることができる。 3. Y電極に電圧をかけ、 ON状態にある目的の画素を点灯させる。 http://www.sharp.co.jp/products/lcd/tech/s2_3.html#2 TFTアクティブマトリクスLCD http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/lcd/index.htm プラズマディスプレイ • 気体の放電→紫外線→RGB蛍光体を励起 (Photoluminescence)：蛍光灯と同じメカニズム • 放電の持続性→メモリ性 • 利点：大画面(32型～60型超)、薄型(CRTの10分の1)、軽量(CRTの6分の1 )、広視野角(160°以上 )、色再現性よい(自発光による高画質 ) • 欠点：高価格、発光効率低く電力消費大(LCDが標準150Wに対し、プラズマは250W)、液晶に比べ高電圧を扱うので周辺回路が複雑プラズマディスプレイの構造 • PDPの仕組みは、RGB発色するように細工した小さな蛍光灯の集合体といえる。 • つまり、発光素子(小さな蛍光灯、正確には「放電セル」)が一つ一つのドットを構成するという仕組み(ドットマトリックス) になっている。 • そのため放電セルを増やしてつないでいけば、いくらでも大きなディスプレイがつくれる。 • 放電セルに詰め込まれているプラズマは自発光し、紫外線を出している。それが蛍光体にぶつかると可視光にかわり私たちの目に入ってくる。 http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/pdp/3.htm 無機エレクトロルミネセンス • 発光中心を添加した半導体に電界を印加して、ホットキャリアを注入、発光中心を衝突励起 • ZnS:Cu多結晶体のパネル:長い歴史 • ZnS:Mn薄膜を用いた２重絶縁構造のオレンジ色ＥＬパネル：シャープが３０年前に開発 • 青色発光に課題： • 利点：薄型、電力消費微小、単色は大画面可、真空不要 • 閾電圧200V前後と高く制御困難、カラー化に難無機ELの構造 • 電子が電界により絶縁体/ZnS:Mn界面から放出される • 電界で加速されホットエレクトロンとして移動 • ホットエレクトロンがMn など発光中心に衝突 • 発光中心の電子系が励起される • 励起状態が放射遷移 • 長寿命 ZnS:Mnの発光(結晶場遷移) • ZnS:Mnの発光は、 Mn2+イオンの3d5多電子系における励起状態 4T から基底状態6A へ 1 1 のd-d遷移による。 • このような遷移を結晶場遷移または配位子場遷移とよぶ。 • １電子系のバンド図では説明できない基底状態励起状態 4T 2 4T 1 4A 1 無機ELで３5インチディスプレイ TDKのHPより •DNPと三洋、iFireが35インチ無機EL ディスプレイを共同開発へ大日本印刷（DNP）とカナダiFire Technologyは3月27日、35インチ程度の大型無機ELディスプレイを共同開発すると発表した。三洋電機も技術支援する。年末までにモノクロ製品の試作品完成を目指し、2004年前半までに同サイズのカラー製品を、2005年に量産型を完成させる計画。 •TDK、業界最高輝度のカラー無機ELディスプレイを開発カラー無機ELを開発しているカナダiFire Technologyの技術をベースに、TDKが独自開発した、青色蛍光体材料を含む高輝度蛍光体材料を採用。200カンデラ／平方メートル以上（白色）の高輝度を実現した。長寿命：3万時間以上 •iFire(http://www.ifire.com/) 有機エレクトロルミネセンス • 有機物(高分子または低分子）の発光層に電子とホールを注入して、１重項励起状態に遷移させる。 • 電子輸送層とホール輸送層で挟んで、効率的にキャリアを注入 • 寿命に問題三洋電機のHPより光産業技術振興協会のHPより有機EL材料低分子昇華蒸着大型化困難電子輸送層 Alq3 高分子塗布、コート大型フレキシブル可能 PPV NPB PEDOT 発光層ホール輸送層 http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/oel/2.htm 有機ELの電子構造 • キャリアはホッピングしながら移動し再結合 • 有機層は数十～数百 nmの薄さ。 • バッファ層の導入でホール注入効率を改善 • 陰極金属にCaを使うことで電子注入効率改善 LUMO HOMO LUMO=lowest unoccupied molecular orbital HOMO=highest occupied molecular orbital http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/oel/3.htm ヘテロ構造有機EL • 有機層が三つの有機分子の層から構成されていて、順バイアスをかけたときのエネルギー関係は上図のようになっている。正孔を注入する陽極とPPV層の橋渡役をする MEH-PPVは、正孔輸送層 (HTL)と呼ばれている。一方、電子を注入する陰極とPPV層の橋渡役をするCN-PPVは、電子輸送層(ETL)と呼ばれている。また、キャリアが閉じ込められるPPV層で再結合が起こり発光するので、PPV層は発光層(EML)と呼ばれている http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/oel/3.htm 電界放出ディスプレイ (FED) •CRTに電子銃を小さくして数を増やし、画素(ピクセル)ごとに電子銃を配置したディスプレイ。 •低速電子線によるカソードルミネセンス http://www.nanoelectroni cs.jp/kaitai/fed/index.htm FEDの構造 • FEDの大まかな構造は、真空の空間が二つのガラスシートによってはさまれたものになっている。そのガラスシートのうち、カソード（陰極）からは電界放出によって電子が放たれる。このときの電子はカソードとゲート電極の間の電圧の差によって生じる。 • 真空中に放出された電子はアノード（陽極）の方に向かって進み、途中で蛍光体に衝突して光を放つ。こうして、RGBの三つの蛍光体一組から発せられた可視光が、ディスプレイの１ピクセルに相当する。 • 従来のFEDの電子放出源：マイクロティップ。１ピクセルを構成するのに必要なマイクロティップの数は一つではなく、数千個規模のマイクロティップ・アレイが使われている。カーボンナノチューブで実用化の可能性が増大