【TOHOKU University Researcher in Focus】Vol.030 人間科学を材料工学に生かしたフレキシブルディスプレイの探究

2025年10月20日 17:00 | プレスリリース?研究成果

本学の注目すべき研究者のこれまでの研究活动や最新の情报を绍介します。

東北大学大学院工学研究科　藤掛英夫ディスティングイッシュトプロフェッサー

液晶ディスプレイが开発されたのは、かれこれ60年ほど前のことです。アメリカの电机メーカーによってでした。まだ、コントラストが低くて白黒が明瞭でない性能でしたが、壁掛けテレビの実现につながるブレークスルーでした。しかし実际に壁掛けも可能なフラットなテレビが开発されるまでにはそれから30年あまりの月日を要しました。

テレビ受信用アンテナとしておなじみの八木?宇田アンテナの伝统を継ぐ东北大学の研究室で无线アンテナの研究に手を染めた藤掛さんは、修士课程を修了后、1985年に狈贬碍に就职。3年间の地方放送局の勤务を経て、次世代放送システムの研究?开発を担う放送技术研究所（东京）に配属されました。そこで课された研究テーマは、液晶技术の立ち上げと高解像度プロジェクターへのその応用でした。液晶プロジェクターでハイビジョン映像を投影すれば、壁掛けテレビでなくても、大画面で高画质の映像を楽しむことができます。赤緑青の叁原色に分けた光を液晶パネルに通してレンズで投射するというのが液晶プロジェクターの仕组みです。学生时代に学んだ电波工学とは一见异质なテーマですが、光学の研究は波长が违うだけで、ほとんど违和感はなかったそうです。関连する学会やメーカから材料?製造技术をゼロから学び、自ら研究を立ち上げた経験と知识は、その后の研究を推进して展开する上で大きな力になりました。

フレキシブル液晶ディスプレイの开発

そもそも液晶というのは、特定の物质のことではなく、固体（结晶）と液体の性质をもつ物质の総称です。电圧をかけると光の通し方を変える特性があり、液晶ディスプレイはこの特性を活用しています。透明な电极のついた2枚のガラス基板で液晶を挟み、それをさらに2枚の偏光フィルターで挟んで、背面から光（バックライト）を当てる构造になっています。この基本构造（画素）がたくさん并んで、画像を表示できるようにしたものが液晶パネルです。

当时の放送技术研究所の研究の主流は、プラズマディスプレイの开発研究でした。その中にあって液晶プロジェクターの研究にあたっていた藤掛さんは、光源の光を効率よく利用できて高辉度化が期待できる光散乱性の液晶材料の研究を进めていました。すると、高分子原料と液晶をさまざまな组み合わせで混ぜる研究を进めていくうちに、2枚のガラス基板がスポンジ状の构造体（高分子の网目构造）で贴り付く现象をたまたま见つけました。1997年顷のことです。この高分子の构造は、液晶を基板で均一な厚みで贴り合わせる部材（スペーサー）として使用できます。さらには、従来のガラス基板をプラスチックフィルム基板で置き换えれば、自由に曲げれられる未来のディスプレイを実现できる可能性が见えてきました。当时は、ノートパソコン用に高コントラストの液晶ディスプレイが実用化されていましたが、精巧な电子ディスプレイを曲げて変形させるなど、とんでもないと思われていました。液晶モニターの画面を指で押すと表示が乱れるように、液晶ディスプレイでは、液晶の厚みが変化すると表示が乱れてしまうからです。

フレキシブルディスプレイのプラスチック基板は、期待どおり、高分子の网目构造で贴り付けることができました。しかし、大きく曲げると剥がれてしまうため、高分子をたくさん分散する必要がありました。藤掛さんは工夫を重ね、分子が并んだ高分子の隔壁を画素ごとに作ることで、両侧の基板を强く固着しました。かくして2002年に世界初の、丸めても表示が乱れない液晶素子の开発に成功したのです。当时、静止画を映す电子ペーパーはありましたが、高画质の动画を映せるものではありませんでした。藤掛さんたちの発明は画期的でした。その后、たくさんの尝贰顿チップを并べたフレキシブルなバックライトを开発し、それを液晶パネルに重ねることで、Ａ４判サイズのフレキシブルディスプレイの开発にも成功しました（2004年）。

2012年には东北大学に移り、フレキシブル液晶の研究をさらに进めることに。まず取り组んだのが、液晶を挟み込むプラスチック基板を薄くすることでした。これは、溶媒で溶かして涂る方法でラップフィルム并みの薄さを実现しました。高分子のスペーサ壁を大面积かつ低コストに作製できる型押し製法も开発しました。将来、大画面ディスプレイを丸めることができれば、幅が2メートルを超える100インチ以上の超高精细テレビ（８碍解像度スーパーハイビジョン）を、一人で手軽に持ち运んで、壁に贴ることもできるようになります。また、巻き取りや折り畳みにより大画面の携帯用タブレット端末も出现して、どこでも高临场感映像を楽しめるようになることでしょう。

一般にバックライト不要で电流を流して有机物を発光させる有机贰尝は、液晶ディスプレイよりも薄型、軽量、高コントラスト、鲜やかな色彩というメリットがある一方で、高辉度化が困难、寿命が制限される、高価格というデメリットがあります。それに対する液晶ディスプレイの优位性は、材料劣化がないため寿命にほとんど制限がない、成熟した技术の転用により大面积化でき低コスト、高辉度化が容易な点です。さらに、薄くて湾曲?巻き取り?折り畳み可能という机能性が加われば、利用価値や応用范囲はぐんと拡がります。

フレキシブル化の延长として、さらにストレッチャブル化（伸缩能力）が付加されれば、液晶ディスプレイを曲面の构造物に贴り付けたり、衣服、人体、ロボットへの装着も梦ではありません。藤掛さんは、ゲル化した液晶を伸缩性のある基板で挟み込むことで、液晶ディスプレイをストレッチャブル化する研究も进めています。

人に优しい情报デバイスの研究

藤掛さんは、材料工学というハードウェア面だけではなく、认知?感性などの人间科学というソフト面から见たデバイス开発の重要性を意识してきました。情报化社会が否応なく进展する中で、人に优しい生活环境の実现に向けて、携帯性を损なわない大画面フレキシブルデバイス、视覚疲労のない立体表示、视认しやすい映像が得られる撮影光学、高画质の映像通信が途切れない无线伝送技术の4つが重要で、それらハードウェアの実现に有机材料の机能开発が役立つはずです。人に优しい电子情报环境を、人间と同じ有机材料で作り上げるコンセプトです。有机材料は、軽くて柔软で特性を自在に制御できるため、既に身近な衣类、构造物、薬剤などで多用されており、电子材料への応用展开も期待できます。藤掛さんは、现在のウェラブル端末（スマートウォッチや电子メガネなど）の先を行く次世代ディスプレイは、どこでもいつでも（ユビキタス）、アンビエントに使える（生活环境の中に仕込んで融合させる、携帯しなくてもいい）べきだと提案しています。

その一方で、现在のフラットなディスプレイは、画素を今以上に细かくして视认性を高めようとしても人の目には违いがわからず、すでに限界に达しているそうです。それを打开するには、奥行きの情报も与える立体（３Ｄ）ディスプレイが有効です。それが可能になれば、あたかもそこに物があるかのような実物感や临场感が実现できます。そのための第一候补が、光の立体像を现実に造り出せる电子ホログラフィであり、安価で高解像度化が可能な液晶技术が决め手となるというのが藤掛さんの考えです。実际、波长サイズ程度に液晶を微细駆动するための基本技术をすでに见出しています。もし、それらが実现すると、直视の立体ディスプレイのみならず、眼镜やコンタクトレンズの中に仕込んで础搁?痴搁用途にも応用できるようになります。ただしこのような理想的な立体表示を実现する上では、膨大な情报量の计算能力と超高解像度液晶デバイスの开発が不可欠で、実用化にはもう少し时间がかかりそうです。

藤掛さんが目指す大画面フレキシブル／ストレッチャブルディスプレイや理想的な立体ディスプレイが実现するまでには、まだまだ乗り越えるべき技术课题があります。その克服には、人间科学の解明と材料工学（电子工学）によるアプローチが必须です。藤掛さんは、人々に梦を持ってもらえる未来社会のビジョンと新技术を指し示すことが、専门性という先が见られる望远镜をもった大学研究者?教育者の使命と考えています。

文責：広報室特任教授（客員）渡辺政隆

参考リンク

问い合わせ先

东北大学総务企画部広报室
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