【更新】[連載:液晶の歩んできた道-14] 無アルカリガラス量産化、フロート法・オーバーフロー法(フュージョン法)並び立つ

----------- 【更新: 2025年2月12日追加】-------------
本記事は2013年4月に発表したのですが、調べてみるとコーニング(米国)がフュージョン法の工程が分かるYoutubeを2023年に発表していることがわかりました。



とてもわかり易く理解の助けになると思いますので、ここに追加の上、記事を更新します。
2013年当時は、ガラスメーカーがこのような企業秘密ともなり得る情報を公開するのは避けていましたが、近年は方針転換して自分たちの強み・技術力を訴求するほうに価値を見出しているのかもしれません。
(もちろん時間経過・事業発展とともに、もはやこのガラス製法が企業秘密では無くなっているのかもしれませんが....)
日本電気硝子(NEG)も液晶用ガラスについては同様の製法を採用しています。


一方旭硝子(AGC)は、液晶用ガラスについてフロート法を採用しています。

[連載:液晶の歩んできた道-19] ディスプレイの光源・バックライト技術 (2)

家庭の室内やオフィスを照らしてきた蛍光灯、それが一躍ハイテク製品の液晶パネル用の光源(=Backlight)として注目を浴びるようになったわけです。

すでに枯れた商品として広く浸透していたモノが、新興の最先端商品の一構成部材として採用されるに至り脚光を浴びたわけです。

これは、技術史を辿ってみても稀な事象だったと思います。

当時、液晶パネルの裏側に配置された蛍光管を見て、技術者が一様に違和感を覚えたのを思い出します。(1980年代の後半だったと思います)

その光源としての役割が、つい最近まで続いていました。今も細々と使われていますが主流はLEDに譲り、ほぼ30年に渡る液晶光源の歴史的な役割を終了しつつあります。

既存技術の流用ということでしたが、その液晶用光源確立に至る道程は一筋縄ではなかったのです。

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[連載:液晶の歩んできた道-18] ディスプレイの光源となるバックライト技術 (1)

液晶パネルの主要要素技術を振り返ってきましたが、液晶は残念ながら自分で光を発する(自発光)わけではなく、別の光源を必要とします。その光源としてバックライト技術が同時並行で開発されてきました。

折角の薄型表示バネルなのですから、光源も薄く作る必要がありました。いかに薄くそして効率的な平面光源を作るか? 試行錯誤が続きました。

実はTFT液晶パネルでは、今でもこの光源の数%しか表示に使われていないのです。

開発初期の段階(1980年代)では、この効率はさらに低くなんと2-3%程度、表示デバイスとして必要な輝度を得るために光源輝度の要求はかなりの高水準だったわけです。

当時パッシブ液晶のバックライトにはEL（エレクトロルミネッセンス）なども使われていましたが、TFT用には輝度が全然足りませんでした。 

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[連載:液晶の歩んできた道-17] トランジスターを形成する薄膜技術

ガラス、液晶、偏光板と見てきましたが、次はトランジスターを形成する薄膜技術の進展を見ていきましょう。トランジスターを形成する基材がガラスであるため、特殊な金属が用いられます。トランジスタを構成する材料、ガラスとの密着性を高める材料、電極としての透明金属、そして配線材料や絶縁膜、といったものです。

これらはスバッタリングやプラズマ化学気相成長という、なじみの無い方にとってはなんとも仰々しい名前の工程を経て薄膜としてガラス上に積層・形成されます。

どのように薄膜形成するのか？　簡単に言ってしまえば、元の金属材料を微小粉体を固めてシート状に加工しておき、真空中で例えばアルゴンイオンを叩き付けて飛散させガラス面に付着・堆積させるというプロセスなのです。

エネルギーのかけ方にスバッタリングやプラズマCVDがあります。その装置がまたすごいことになっているのですが、それは別の機会にお話しするとして、シート状に加工している材料のことを見ていきたいと思います。

[連載:液晶の歩んできた道-16] 光を操る魔法のフィルム 偏光板

液晶パネルの中で光を制御する部材として液晶の次に大事なものが偏光板になります。

一般に光は振動方向に規則性が無くランダムな波の集合体です。偏光とは振動方向が規則的な光波の状態を言います。

一般のランダム振動の光が偏光板を通過する際に、特定の方向の振動の光のみ通過させそれ以外の光は吸収(=遮断)してしまうという性能を偏光板は持っています。

そのため偏光板を通過した光は偏光となります。

液晶パネルに使われるようになって偏光板のビジネスも急拡大、現在この市場は、日東電工・住友化学・ＬＧ化学が3強で約8割を占められています。

[連載:液晶の歩んできた道-15] 液晶は調味料のようでメインディッシュ?

　基板であるガラスの次は、液晶材料そのものの開発の歩みを見ていきましょう。液晶といっても色々な種類が存在することはいままで振り返ってきました。
代表的な液晶相の種類(動くイラスト)を見てみてください。設計するにあたり色々な選択肢があるということがご理解いただけると思います。
現在LCDに使われることが多いのはネマチック液晶で、ほぼ２社(+1社)で独占されています。ドイツに本社をおくメルク社、チッソ株式会社から事業を引き継いだJNC社そしてDICです。 メルクが約６０数%、チッソが約30%、DICが数%といったシェアと思われます。

　さて、そのような液晶の開発秘話は??

[連載:液晶の歩んできた道-13] ソーダ石灰ガラスじゃダメ、無アルカリガラス開発へ

ではトランジスターを形成するといってもどこにどうやって作るのかということになります。

まずどこにですが、ふつうトランジスターを作るといった場合、シリコンウェハー上に形成することを意味します。

シリコンウェーハは結晶欠陥のほとんどない純度の高い単一結晶で、アクセプターやドナーとなる不純物導入や絶縁膜形成、配線形成をすることに特化した洗練された素材です。

液晶の場合は、もちろんシリコンウェハーではありません。ガラス基板の上に形成しなければならないのです。

一般にガラスと言ったら、ソーダ石灰ガラス（soda-lime glass）を指します。

しかしこれが大問題です。

まずトランジスター(以降: TFT=Thin Film Transisterと呼びます) はアルカリ成分に弱く、その拡散により腐食といった信頼性懸念があります。ソーダ石灰ガラスは、そのようなアルカリ成分を含んでいます。

また熱膨張率が大きいという性質もあります。

以上の根本課題を解決するものとして、TFT液晶では「無アルカリガラス」の開発が必須となりました。

[連載:液晶の歩んできた道-12] 画素の制御に半導体を使うという発想

妥協の無い画質という本質的な野望として、液晶ディスプレイに関わっていた技術者の多くが考えていたのが、画素の制御に半導体を使うというものでした。

液晶ディスプレイにおいて、いわば液晶は光を遮るか通過させるかの制御をするシャッターの役割を担っているにすぎません。光源はその背後に配置されています。(バックライト)

当時の液晶のシャッター性能は、完璧とは程遠いものでした。

全く光を遮るべき"オフ"という信号を与えたとしても、"オフ"の状態を保ち続けているわけではありませんでした。

[連載:液晶の歩んできた道-11]忸怩たる思いを一掃、ＴＦＴ液晶の登場

電卓に採用され、世界で初の液晶技術の製品化という段階まで駆け足でたどってきましたが、ここからいきなり話は飛んで、飛躍的に高画質化した動きを振り返っていきたいと思っています。その中に、技術的にもビジネス的にも大きな変革があり、躍動感あふれるドラマが繰り広げられたからです。

もちろん電卓後、応用製品としてワープロや腕時計・家電機器に採用が広がりビジネス面では大きく発展していきました。しかし純粋に表示素子として技術的に見ると画質はお世辞にも合格とは言えず、仕方なく使っているというレベルのものでした。

[連載:液晶の歩んできた道-10]電卓が日本で5番目の「IEEEマイルストーン」認定に

「IEEEマイルストーン」は、電気・電子技術およびその関連分野において、社会に貢献した重要な歴史的偉業に対して認定するものです。
認定条件には、25年以上に渡って世の中の評価に十分に耐えてきたものという項目も含まれています。
1983年の制定以来、世界初のコンピューターであるENIACをはじめ、ボルタ電池やフレミングの二極管などが認定されています。

日本からは、1995年に八木アンテナ(東北大学)、2000年に富士山頂レーダー(気象庁、三菱電機)、東海道新幹線(JR東海)、2004年にセイコークォーツ(セイコー)の4件が認定されていて、2005年にシャープの電子式卓上計算機(電卓)が認定されました。
国内では5件目で、情報機器分野では初めての受賞となりました。
 

この電卓の開発過程で確立した集積回路技術や液晶ディスプレイ技術などが、デジタル家電機器の基盤技術なり、「産業の米」「電子の紙」としてエレクトロニクス産業の発展に大きく貢献したことが認定の理由となったのでした。

[連載:液晶の歩んできた道-9] 1973年ポケット電卓EL-805発売

四塩化アンモニア塩という添加剤の開発により交流による安定したDSM(Dynamic Scattering Mode)液晶駆動という基礎技術の確立にめどが立ち、ポケッタブル電卓に液晶を低消費電力薄型ディスプレイとして採用することが決定され、翌1972年当初からいよいよその事業化プロジェクト（S734プロジェクト）が発足しました。 表示装置の液晶採用とともに電力消費量の大きい演算部などについても徹底した省電力化を図り、さらに、1枚の強 化ガラス板上に、演算部、表示部、駆動部、キー接点などを一体化したCOS（Calculator -on-Substrate）化を図る ことにより乾電池の消耗を従来の 187分の1 にすることに成功しました。 結果としてこのプロジェクトは、要素となる材料開発から工場建設までという幅広い分野の活動を約1 年強で成し遂げ、1973年5月に、ポケット電卓EL-805が発売されました。

[連載:液晶の歩んできた道-8] 液晶版「創造的失敗（Creative Failure）」

ビンの蓋を閉め忘れて液晶材料の純度を低下させてしまった船田、しかしここからが彼の度胸のすわったところ、なんとその失敗を逆手にとったのです。

液晶の駆動の実験で純度を上げイオン数を徹底して減らした試料では交流駆動で表示がうまくできなかったのに対し、この不純物混入の失敗材料は予想通り(と後に船田は述べている)すばらしい表示効果を示したのでした。

そしてなんと1 ヶ月たっても性能の劣化は見られなかったのでした。

船田は液晶材料中に一定量のイオンが必要ではないかと机上で予測はしていたと言っています。

しかし1グラムあたり何万円もする高純度に精錬された液晶材料にイオン不純物を意図的に添加することは新入社員の船田には出来ることではありませんでした。

しかし、実験準備の「失敗」が背中を押して実行に移してくれたのでした。

[連載:液晶の歩んできた道-7] 八百屋さんが算盤がわりに使える計算機をつくれ

当時はようやく電卓が発売され始めたのですが、今とは比べ物にならずお店のレジほどの大きさが最初の電卓、次の改良モデルも弁当箱よりももっと大きな代物で机に鎮座するような代物でした。

当時シャープの社長だった佐伯旭（シャープ元社長）は開発陣に、「八百屋さんが算盤に代えて店先で使える携帯型の計算機をつくれ」という指示が開発に出されていたようですが、まだまだ道のりは遠いように思えました。

そこには二つのブレークスルーが必要でした。ひとつは演算素子。こちらは半導体の世界でCMOS-LSIの開発の目処が立ったことで消費電力が大幅に下がり小型化の可能性が見えてきました。

もう一つは表示素子。こちらは最初プラズマディスプレイの元祖とも言えるニキシー管が採用されていたのですが、蛍光表示管が確立され、そちらに移っていきました。

しかし消費電力はまだまだ大きく小型化の阻害要因でした。更なる低消費電力のディスプレィが待望されていました。

一方でアメリカも、小型軽量・低消費電力・高信頼性長寿命化を狙った新規ディスプレイ・デバイスの開発に高額の研究開発資金を米国政府が投入していたのですが、目的は電卓といった小市民向けの商品ではなく、米・ソ冷戦での軍事競争の下で人工衛星やミサイル用を狙っていたというのも対照的で面白いものです。

さて、シャープの液晶研究の実験室。手さぐり状態の彼らはRCA社のやり方に従って液晶材料に直流電圧を印加して実験をしていました。

[連載:液晶の歩んできた道-6] シャープが独自で液晶ディスプレイの開発へ

　佐々木はRCAから帰国後，部下に対して液晶の開発状況を説明しました。

巨大企業RCAでも手こずっており暗中模索の状態であることに、皆尻込みしました。

しかし技術者の一人、和田富夫（のちのシャープ事業部長）はどうしても液晶の開発を諦めきれなかったため、佐々木に「なんとしてでも液晶を実用化したいので，自分に研究させて欲しい」と申し出たのでした。

言うほうも聞くほうも真剣勝負、佐々木はこれを即座に了承し，和田に研究許可を与えると共に，RCA社のボンダシュミットに，シャープが独自で液晶ディスプレイの開発をすることを伝えて彼の了解を取ったのでした。

了承を受けた和田は先ずなにはともあれ液晶材料を入手しようとしました。

しかし調べてみると、国内では液晶材料は手に入らないということが分かったのでした。

[連載:液晶の歩んできた道-5] RCAの液晶試作品を確認したシャープ

しました。

この発表は世界中に衝撃を与えました。RCA社は，白黒テレビのみならずカラーテレビを発明した会社であったので，すぐにも壁掛けテレビが実現しかねない雰囲気があったようです。
しかし技術的な課題は大きくまだまだ実用化の壁は高かったのです。
 

ここで登場するのが日本のシャープ。

シャープのある技術者がこのニュースを聞き，これは将来すばらしいディスプレイになると直感したのです。
そこで彼は，上司の事業部長の佐々木正に「是非RCA社に行って，液晶ディスプレイの研究状況を調査して欲しい」と申し出ました。

佐々木は，その秋（1968）RCA社を訪問し，液晶ディスプレイ（表示装置）を自分の眼で確かめ，液晶の特徴は（低電圧駆動，低消費電力，薄型平板）であると見抜き，これはシャープの電卓の（表示装置）として最適であると確信しました。佐々木は，旧知でRCA社の半導体事業部の責任者ボンダシュミット（B.V.Vonderschmitt）に会い，シャープの電卓用に液晶表示装置をOEM供給して欲しいと依頼しました。

しかしボンダシュミットの返事は「電卓の場合は数十ミリ秒という応答速度が必要となり，液晶では対応出来ない」というものでした。

[連載:液晶の歩んできた道-4] ディスプレイへの可能性の発見と停滞と

発見された液晶ですが、多くの研究者がこの材料の研究を続け種類も増やしていきますが、性質としては温度(それも百数十度)によって複屈折により光の通り方が変化するということが分かったくらいでした。

液晶のディスプレイへの応用が検討されるきっかけとなったのは、1963年にアメリカのRCA研究所にいたウィリアムズが、ある液晶物質に電気的な刺激を与えると光の通り方が変わることを発見したことでした。

温度に頼らずに電気により液晶の制御つまり光の制御ができるということで表示素子への応用の可能性があることを確信した彼は、すぐに特許を出願しています。[R. Williams, U.S.P. No.3,332,485（Filed; Nov.9, 1962）]

[連載: 液晶の歩んできた道-3] 世界の表示ディスプレイを独占してしまった液晶技術

前回、液晶の発見を振り返ってみましたが、それから120年あまり、劣等生の液 晶が表示デバイスの世界を独占してしまっています。 液晶がいかに表示デバイス市場を牛耳っているか、次ページのチャート(販売:表示面積 ベース)を見てください。公開されている調査会社のデーターを寄せ集めてまと めたものです。

一時期プラズマパネル(PDP)が特に大型テレビの分野で幅をきかけていました。 しかし急速な追い上げをみせた液晶テレビの押し寄せにあい広がりは限定的でした。そして今後数年間を見ていくと明らかに先細りで す。2017年まで一定数は残りますが、とっても心細い存在に陥るようです。

[連載:液晶の歩んできた道-2] 表示デバイス"劣等生"-液晶の発見・命名

まずは、液晶そのものの発見に物語があります。

液晶はオーストリアの植物学者 Friedrich Reinitzer(ライニッツァー)によって発見されています。1888年、明治21年のことです。

彼はコレステロールの研究中に、コレステロールの安息香酸エステルの結晶を加熱していくと、145.5℃で溶けて白く粘り気のある液体になり、さらに178.5℃で透明の液体になることを発見したのです。つまり２つの融点が存在する事を見つけたのです。

普通の材料は融点が２つあるということはありません。水も鉄も融点はある決まった温度ですよね。

実は他の生物学研究者も以前からこの現象には気づいていたのですが、これは不純物の影響だと思い込んでいたのでした。

[連載: 液晶の歩んできた道-1] 表示デバイス"劣等生"液晶の歩んできた道

液晶は本当のところ表示デバイスとしては劣等生です。

自ら発光(自発光しない)しない、もともとの液晶材料そのものが液体でもなく結晶でもない曖昧な状態とも言え挙動不審、その液晶の制御に使っているアモルファスのトランジスターも本来の半導体から見るとなんとも頼りない中途半端な性能ですし、布でこすって毛羽立てるという非工業的な製造工程があったり....材料・構造そして製造方法と全てに渡り工業製品としては決して優等生とは言えない存在です。

そんななんとも頼りない液晶が、なぜ世の中の表示ディスプレイの大半のシェアを取ってしまったのでしょう？