米国特許商標庁が木曜日に公開した3件の特許出願は、Appleが量子ドットを活用した電子デバイスディスプレイに関する徹底的な研究を行っていることを明らかにした。
総合すると、Apple の 3 つの特許出願は、量子ドットをデバイスのディスプレイ全体に配置する高度なシステムを説明しており、従来の LCD 画面と比較して、より豊かな色彩、より優れた軸外の視野、および全体的なパフォーマンスの向上が実現されます。
Appleが量子ドット強化ディスプレイに取り組んでいることが初めて発覚したのは、米国特許商標庁が昨年12月に特許出願を公開した時だった。この特許出願では、輝度をより正確に制御するために二色性フィルターの使用が概説されていた。
木曜日に公開された文書は、「量子ドットを用いたディスプレイのMEMSシャッター制御」、「量子ドットを用いたディスプレイの光混合」、「量子ドットを用いたディスプレイのバックライト調光制御」と題されています。各発明は、将来iPhoneやiPadなどの製品に実装され、コストに大きな影響を与えることなく色彩精度を向上させる可能性のある、より大きなメカニズムの一部を詳細に説明しています。
出典: USPTO
おそらく3つの中で最も興味深いのは、AppleのMEMS（微小電気機械システム）シャッター制御特許でしょう。LCDディスプレイは通常、液晶層に光を送るバックライト層で構成されており、液晶層は個々のピクセルの明るさを制御して画像を生成します。
バックライトは通常、蛍光体でコーティングされたLEDで構成され、白色光を発します。この白色光は液晶層を通過し、色を生成します。色域とは、ディスプレイが表現できる色のサブセットを指し、生成される赤、緑、青の光のスペクトル幅によって決まります。
特許に記載されているように、色域を拡大する方法の一つは、LED蛍光体を量子ドット、つまり特殊な量子力学的特性を示す半導体材料から作られたナノ結晶に置き換えることです。量子ドットは、光などの吸収エネルギーから励起されると、等方的に光を発します。
ディスプレイメーカーにとって特に有利なのは、QDの発光特性です。QDはサイズと形状によって発光特性が異なります。つまり、非常に狭いスペクトルの光を発するように製造することができ、結果として幅広い色域を実現できます。
しかしAppleは、QDを組み込んだバックライト構造を製造することは、ドットの発光特性を考慮すると、システムに不要な複雑さを追加することになると指摘している。同時に、QDを液晶層内に組み込むことも問題である。液晶のメカニズムでは、色と明るさを制御するために光を偏光させる必要があるが、QDは非偏光光を放射する。
Appleは、QDをバックライト構造の外側に配置するために、液晶層をMEMSシャッター制御層に完全に置き換えることを提案しています。この置き換えにより、ディスプレイはQDによって提供される正確な色を維持しながら、バックライト構造にほとんど手を加えずに済みます。
MEMSシャッターの図。
一実施形態では、MEMS機構はシャッターに接続された導電線またはトレースから構成される。ディスプレイコントローラに動作可能に接続されたエネルギー源は、導電線に電流を供給し、導電線は光シャッターが閉じるように配置した静電線に引き寄せられる。
スタックアップは、バックライト、ガラスパネル、MEMSシャッター、QD層、カバーガラスで構成されています。バックライトからの光はMEMSシャッターを通過し、QD層へと伝わり、特定のスペクトルの光を発します。発せられた光を混合することで広い色域を再現し、微調整することで画像を表示することができます。
「光の混合」に関する文書に移ると、AppleはQDシートをバックライトスタックアップ内に実装するという、全く異なるQDの応用例を提供しています。上記の申請書類でも述べられているように、このような統合はQDの等方性とバックライトからの発光に起因する問題を引き起こします。これらの問題には、輝度の不均一性、色の混合、不正確な色表現などが含まれます。
このモデルでは、液晶層がバックライトスタックアップ上に配置されています。バックライトは直下型またはエッジ型ですが、白色光を出力するように調整された蛍光体層でコーティングされる代わりに、QDシートが使用されます。例えば、本来狭いスペクトル幅を持つ青色LEDや紫外線でQDを励起し、液晶層に純色の光を放射します。
しかし、QDシートが光源に近すぎたり遠すぎたりすると問題が発生します。ドットが過熱によって移動したり、屈折や強度の不均一によって光の混合が不十分になったりする可能性があります。これらの問題を克服するために、特許ではプリズム、拡散板、ライトガイドの使用について詳細に説明しています。これらを適切に組み合わせることで、既存のモジュールよりも高精度で薄型のバックライトサブスタックを製造できる可能性があります。
最後に、Apple の「バックライト調光」の発明は、以前の QD 強化バックライト システムを採用し、それを微調整して LED の色の変化を修正します。
実際には、QDバックライトはRGBグループに配置されたドットを有し、光を混合すると白色光を生成します。他の実施形態では、青色LEDと赤色および緑色のQDグループが使用されます。この例では、青色光がQDから放出される赤色および緑色の光と混合され、白色光が生成されます。
一般的なLCDパネルと同様に、バックライトの輝度は供給電流の減少によって出力強度を変化させることで調整できます。しかし、QDバックライトスタックアップでは、このような変化は青色LEDから放出される光の波長に変化を引き起こします。
パルス幅変調を調整することで、LEDから出力される光の輝度値を特定のパラメータ内に制御し、波長シフトを最小限に抑えることができます。例えば、輝度を設定された閾値で監視することができます。閾値を超えた場合、ディスプレイコントローラはデューティサイクルと駆動電流を調整することで輝度を維持しながら、波長シフトを最小限に抑えることができます。
現時点では、Apple が近い将来の製品に QD 技術を採用するかどうかは不明だが、この技術はテレビなどの他のデバイスではすでに使用されている。
AppleのMEMSシャッター制御および光混合に関する特許出願では、Shawn R. Gettemy、Jean-Pierre S. Guillou、David A. Doyleが発明者として記載されています。バックライト調光制御に関する特許では、Chenhua YouとJean-Jacques P. Droletが発明者として記載されており、これら3つの出願はすべて2012年10月31日に提出されました。
