LCDとOLEDの動作原理と長所・短所の比較

01. LCDとOLEDの動作原理

1.1. LCDの動作原理

LCD の断面図は次のようになります。下から順に、バックライト層、垂直偏光板、正極回路、液晶層、負極回路、水平偏光板、カラー フィルターの7 つの層で構成されています。

• 最下層のバックライト層は白色光を発し、その光はカラーフィルターを通過して対応する色の光になります。注：バックライトは各ピクセルの下に独立したLEDランプがあるのではなく、画面全体で1つの大きなバックライト層を共有しています。

• 正極回路に電圧を印加すると、液晶層を貫通して負極回路に接続し、ループを形成します。この電圧は液晶分子をねじります。この時、液晶層はシャッターのように光の一部を遮断します。電圧の大きさを制御することで、液晶分子のねじれ角を制御し、赤、緑、青のサブピクセルの明るさを制御できます。明るさの比率を変えることで、任意の色を混ぜることができます。

1.2. OLEDの動作原理

OLEDは有機発光ダイオード（Organic Light-Emitting Diode）の略です。LEDスクリーンと同様に、OLEDにも3つのサブピクセルがあります。LEDスクリーンとの違いは、液晶層とバックライト層がなく、それ自体が特別に設計された自発光ダイオードであることです。電圧、つまりダイオードに流れる電流を制御して明るさを変えることで、各サブピクセルの色比率を制御し、最終的に目的の色を混ぜ合わせることができます。

• OLEDにはバックライト層がありません。各ピクセルは独立してオン/オフを制御できます。そのため、電源を入れるとバックライト層全体を点灯させる必要があるLCD画面とは異なり、OLED画面では各ピクセルが独立して制御されるランプとして機能します。これにより、常時表示ディスプレイ（AOD）などの機能が可能になります。AODでは、スマートフォンがロックされている状態でも、一部のピクセルを低輝度と低リフレッシュレートで点灯させ、時刻、通知、その他の重要な情報を表示できます。

02. LCDとOLEDの長所と短所の比較

2.1. OLEDは消費電力が低い

• LCD 画面は、電源がオンになるとバックライト全体が点灯し、継続的に電力を消費します。

• OLED画面は、純白の画像を表示する場合にのみLCDよりも消費電力が高くなります。しかし、OLEDの各ピクセルの輝度とオン/オフ状態は独立して制御できるため、輝度を段階的に下げたり、ピクセルをオフ状態にしたりすることも可能です。そのため、長時間白い画面を表示しない限り、OLEDは一般的にバッテリー駆動時間が長くなります。

2.2. OLEDはコントラスト比が高い

• コントラスト比とは、最も明るい白と最も暗い黒の明るさの比率を指します。比率が高いほど、色彩が鮮やかで彩度が高いことを意味します。

• LCDで純粋な黒を表示するには、理想的には液晶分子が完全に閉じてバックライトからの光を全て遮断する必要があります。しかし、完全に閉じることはできません。黒を表示する際、微量の白色光が漏れ出すため、表示されるのは純粋な黒ではなく、かなり暗いグレーです。この特性により、LCDは真の純粋な黒を表示できません。

• OLEDはバックライトを持たず、各ピクセルが独立して制御されます。黒を表示する際には、各ピクセルへの電力供給を完全に遮断することで発光を抑制し、真の黒を実現します。そのため、OLEDスクリーンは高いコントラスト比を実現します。

2.3. OLEDは応答速度が速く、ダイナミックディスプレイに有利

• 動的なコンテンツを表示する場合、各ピクセルは色を素早く切り替える必要があります。この切り替えに必要な時間が画面の応答時間です。応答時間が長すぎると、ピクセルの色の変化が間に合わず、前のフレームが完全に消えないうちに次のフレームが表示されるため、残像が発生します。

• LCDは液晶分子のねじれを制御することで色を切り替えます。このねじれの速度は、LCDのグレー・ツー・グレー（GtG）応答時間を直接決定します。このねじれ速度は温度に依存し、低温になると遅くなるため、寒冷環境ではLCD画面にゴーストが目立つようになります。

• OLEDスクリーンには液晶層がないため、液晶層による制限がありません。OLEDには応答時間がありますが、色から色への遷移は非常に短く、ゴーストはほとんど発生しません。純粋な黒と純粋な白の切り替えには若干時間がかかりますが、それでもほとんどのLCDよりも一般的に短いです。そのため、OLEDは動的なコンテンツの表示において本質的な利点を持っています。

2.4. OLEDは薄型化が可能で、折り畳みも可能

• バックライトと液晶層を持たないOLEDスクリーンは、薄型化が容易で、紙のように大きく曲げることができます。この曲げやすさにより、曲面スクリーンの実装が容易になり、デバイスの質感を大幅に向上させます。

• LCDスクリーンは、バックライトと液晶層に加えて偏光板も備えているため、非常に厚くなっています。バックライトと液晶層には硬質基板が使用されているため、わずかな曲げしか許容されません。これは、デスクトップモニターのような大型パネルでのみ見られる現象です。

2.5. OLEDの寿命は短い

• LCDでは、バックライト層が光を発します。液晶層は光の遮断を制御するだけで、フィルターは光の色を変えるだけで、どちらも光を発しません。非発光性の液晶層には電圧が印加されます。

• OLEDでは、電圧が自発光素子に直接印加されるため、発光層内で電子の移動が頻繁に発生します。発光層自体が有機材料（無機材料よりも劣化しやすい）で作られていること、そして自発光という特性と相まって、OLEDの画面寿命はLCDに比べて大幅に短くなります。

2.6. LCD の光漏れ

• LCD画面にはバックライト層があり、画面パネルはデバイスに組み込む必要があるため、バックライトからの光は画面とデバイスのフレームの継ぎ目から漏れやすくなります。純粋な黒の画像を表示すると、境界に大きな光の輪が現れることがあります。これは「光漏れ」と呼ばれます。

2.7. OLEDは「焼き付き」を起こしやすい

• LCD では、バックライトは単一のユニットであり、すべてのピクセルは均一に劣化します。

OLEDでは、各ピクセルが独立して発光するため、画面の領域によって使用状況に応じて劣化速度が異なります。例えば、領域Aが常に青を表示している場合、そこにある青のサブピクセルはより早く劣化します。その後、均一な色を表示すると、その領域の青はわずかに暗くなり、まるで画像が画面に「焼き付いた」かのように、残像が残ります。この現象は「バーンイン」（物理的な焼き付きではなく、ピクセルの不均一な劣化によって色の違いが生じる現象）と呼ばれます。

2.8. LCDとOLEDはどちらも眼精疲労を引き起こす可能性があるが、その原因は異なる

• 画面の明るさは周囲の光に合わせて制御できる必要があります。主にPWM（パルス幅変調）調光とDC（直流）調光の2つの方式が用いられます。

• DC調光は、電圧を直接制御して明るさを調整するシンプルな方法です。電圧が高いほど、光は明るくなります。光源は点灯したままなので、ちらつきによる目の疲れは発生しません。

• PWM調光は、照明のデューティサイクル（オン/オフの時間比）を変化させることで明るさを調整します。デューティサイクルが大きいほど、光は明るくなります。PWM調光は照明のオン/オフを切り替えることで明るさを制御するため、フリッカー（ちらつき）が発生します。欠点は目の疲れを引き起こす可能性があることです。フリッカーの周波数が高いほど、目立ちにくくなります。

• OLEDスクリーンは、その特性上、非常に低い輝度レベルでDC調光を使用すると、電圧が低すぎるために画面にムラが生じ、画質に重大な影響を与えます。そのため、OLEDスクリーンではDC調光を効果的に利用できず、主にDC調光に頼っています。PWM 。

• さらに、OLEDの有機材料は経年劣化しやすいため、（知覚されにくい）高周波PWMを使用できず、多くの場合、低周波PWM調光（通常は最大約250Hz）に制限されます。視覚に敏感な人はこのちらつきを感知するため、視覚疲労を引き起こす可能性が高くなります。

• 画面から発せられる光の中で、目に最も有害なのは、 420～440nmの波長域にある高エネルギーの青色光です。この波長域は網膜に不可逆的な損傷を与える可能性があります。従来の液晶画面のバックライトは、導光板を備えた複数の高輝度LEDランプを使用しています。これらのLEDから発せられる高エネルギーの青色光の大部分は、この波長域に含まれています。

• まとめると、 LCDは有害な強いブルーライトを発し、 OLEDはPWM調光方式を採用していますが、これも有害です。低価格帯のディスプレイの中には、コスト削減のためLCDにPWM調光方式を採用しているものもあります。どちらがより有害かは明確には分かりません。