アクティブマトリクス方式とは？基礎原理・構成要素・最新トレンドを総まとめ
エバープレイ編集部アクティブマトリクス方式とは
アクティブマトリクス方式（Active Matrix）は、ディスプレイパネルの画素（ピクセル）ごとにスイッチング素子を配置し、各画素を個別に選択・保持して駆動する方式です。主に液晶ディスプレイ（TFT-LCD）や有機EL（AMOLED）などで採用され、高解像度・高リフレッシュレート・高コントラストを実現するための基本技術となっています。
なぜアクティブマトリクスが必要か（背景と目的）
初期のディスプレイでは、行列電極の交差点（クロスポイント）に直接信号を与える「パッシブマトリクス」方式が使われていました。パッシブ方式は構造が単純で製造コストが低い反面、画素ごとの電圧を長時間保持できないため、多重化（マルチプレクス）時にコントラストや応答速度が悪化します。アクティブマトリクスは各画素にスイッチ（通常は薄膜トランジスタ：TFT）と保持用コンデンサを持たせることで、フレーム間で画素電圧を安定的に保持でき、色の精度や応答性、表示密度を大幅に向上させます。
基本的な動作原理
アクティブマトリクスのピクセルは主に「スイッチ（TFT）」「保持コンデンサ」「画素電極（光の透過/発光部）」で構成されます。駆動は一般に以下の手順で行われます。
- 行選択（ゲートラインにパルス）：特定の行のTFTをオンにする。
- 列信号（ソースライン）による電圧供給：各列に対応する信号電圧を画素に与える。
- TFTオフ→保持：行選択が終わるとTFTはオフに戻り、保持コンデンサが画素電圧を保持する。
- 液晶の配向/有機ELの発光は、その画素電圧（または駆動電流）に応じて変化する。
この「サンプルアンドホールド」方式により、全画面が走査方式で更新されても、各画素は次の走査が来るまで安定して表示を保持できます。
主要構成要素とその役割
- TFT（薄膜トランジスタ）：画素ごとに配置されるスイッチ素子。オン／オフで画素への電流経路を制御する。材料にはa-Si（アモルファスシリコン）、LTPS（低温多結晶シリコン）、IGZO（酸化物半導体）などがある。
- 保持コンデンサ：走査の間に画素電圧を保持するために使われる。コンデンサ容量が小さいと電圧ドリフトやコントラスト低下が起きやすい。
- ゲートドライバ／ソースドライバ：行（ゲート）と列（ソース）を制御するドライバIC。最近は画素列の外部に置かれる場合と、パネル内に埋め込む（オンガラスやGOA）方式がある。
- 画素電極・カラーフィルタ・配光層：LCDでは液晶層と偏光板・カラーフィルタ・バックライトを組み合わせる。OLEDでは画素電極と有機発光層が直接光を出す。
アクティブマトリクスとパッシブマトリクスの比較
- 解像度・画質：アクティブは高解像度に適する。パッシブは行数が増えるとコントラストが著しく低下する。
- 応答速度：アクティブは高速走査と安定保持により映像残像が少ない。パッシブは残像やチラつきが発生しやすい。
- 消費電力：構成による。LCDではバックライトが支配的。OLEDではアクティブ（各画素を直接駆動）だとコンテンツ依存で効率的になることがあるが、TFT等の駆動回路の消費も考慮する必要がある。
- 製造コスト：アクティブはTFT作製やドライバ統合のためコストが高めだが、スマートフォンや高精細ディスプレイでは標準化されている。
代表的なアクティブマトリクスの種類（材料と用途）
- a‑Si TFT：アモルファスシリコンを用いる。低温プロセスで大型パネルに向くが電気特性（電子移動度）が低い。大型テレビの初期や安価なパネルで利用。
- LTPS（低温多結晶シリコン）TFT：高い電子移動度で高密度駆動が可能。スマートフォンやタブレットの高PPIパネルで主流。
- IGZO（酸化物半導体）TFT：低リーク電流と中高移動度の特性を持ち、低消費電力かつ高解像度に適する。中小型パネルや一部の高性能ディスプレイで採用。
- AMOLED（アクティブマトリクス有機EL）：各画素にTFTを配置して有機EL素子へ電流を供給する。自発光により高コントラスト・広視野角を実現。スマートフォンや高級テレビで広く採用。
メリット・デメリット（実務的観点）
メリット：
- 高解像度・高輝度・高コントラスト表示が可能。
- 高速表示（ゲームや動画）に強い。
- 個別ピクセル制御により部分更新や省電力化（可変リフレッシュ等）が可能。
- AMOLEDなどでは黒の表現が優れる（自発光によるピクセル消灯が可能）。
デメリット／課題：
- 製造コストや歩留まり問題（特に高解像度・大型化時）。
- TFTの閾値シフトや経年劣化によるドリフト。補償回路や補正アルゴリズムが必要。
- パネル内の配線やトランジスタが占有する面積により有効開口率（アパーチャ比）が低下し光効率に影響。
- 有機ELでは焼き付き（burn-in）や色減衰が懸念される。
製造上の技術的ポイントと対策
- 歩留まり改善：ピクセル欠陥（死点／輝点）を抑えるための検査・補修や冗長回路設計が重要。
- 閾値シフト補償：TFTのVth変動を補償する回路や駆動アルゴリズムを用いる。例えばピクセル内の補償トランジスタや外部の補正回路がある。
- ドライバ統合（COG／COF／on‑panel）：ドライバICをガラス上に実装することでベゼル最小化や高密度化を図る。最近はゲートドライバをパネル内に内蔵するGOA（Gate On Array）も一般的。
- 材料開発：LTPSやIGZOなどの高性能TFT材料、低リークの絶縁層、耐久性の高い有機材料などが開発されている。
アクティブマトリクスの応用分野
- スマートフォン、タブレット、ノートPCの高精細ディスプレイ
- テレビ・モニタ（TFT‑LCD、AMOLED）
- VR/ARヘッドセット（高リフレッシュレートと高解像度が要求される）
- 車載ディスプレイ、デジタルサイネージ、産業用表示装置
- 可撓（フレキシブル）ディスプレイや透明ディスプレイなどの次世代応用
最新技術と今後のトレンド
ここ数年の注目点は以下の通りです。
- LTPO（Low‑Temperature Polycrystalline Oxide）：LTPSと酸化物TFTの利点を組み合わせ、可変リフレッシュレートを低消費電力で実現する技術。スマホでのバッテリー効率向上に貢献。
- MicroLED（マイクロLED）＋アクティブマトリクス：各マイクロLEDをTFTで駆動することで、有機ELより高寿命・高輝度・高効率の自発光ディスプレイを目指す。
- フレキシブル・折り畳みディスプレイ：TFTプロセスや基板材料の改善で折り畳み耐久性の向上が進む。
- 高解像度・高速駆動：VRやAR用途ではピクセル密度と駆動周波数の両立が重要で、TFT性能の向上が鍵。
まとめ
アクティブマトリクス方式は、現代ディスプレイ技術の中核であり、TFTや保持コンデンサを用いることで高精細・高品質な表示を可能にします。材料（a‑Si、LTPS、IGZO）や駆動方式（AMOLED、TFT‑LCD）によって特性や用途が異なり、それぞれメリット・デメリットがあります。今後はLTPOやマイクロLED、フレキシブル技術などの進展により、アクティブマトリクスの適用範囲と性能はさらに広がっていくでしょう。
参考文献
- Active-matrix — Wikipedia
- Thin-film transistor — Wikipedia
- Active-matrix LCD — Wikipedia
- AMOLED — Wikipedia
- Low-temperature polysilicon (LTPS) — Wikipedia
- IGZO — Wikipedia
- Samsung Display — 技術情報（製造／製品紹介）
- DisplayMate Technologies — ディスプレイ評価・解説
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