イメージセンサー用カラーフィルタ材料

カメラ、スマートフォンなどに使用されるイメージセンサー用カラーフィルタ材料についてご紹介します。

イメージセンサーは、レンズから入った光を電気信号に変換する半導体です。
カラーフィルタは、FPDだけでなく、スマートフォンやデジタルカメラに組み込まれているイメージセンサーの中にも使われています。人間の眼でいうところの網膜に相当する部分で、その性能がデジタルカメラで撮る写真の画質を大きく左右します。
当社は、FPD用カラーフィルタ材料の開発で培ってきた「ナノレベルの分散加工技術」をより強化することにより、イメージセンサーに適したオンチップカラーフィルタ用の材料を展開しています。可視光はもちろん、近赤外線などさまざまな波長に対応した顔料、染料などを用いた材料の開発をしています。

• イメージセンサーとは
• イメージセンサーの構造
• オンチップ用カラーフィルタの種類
• イメージセンサーの用途
• オンチップカラーレジストに求められる特性
• 当社のオンチップカラーレジスト

イメージセンサーとは

カラーフィルタは、FPDだけでなく、スマートフォンや→デジタルカメラなどに組み込まれている小さなチップ（半導体）の中にも使われています。この半導体は、「イメージセンサー」と呼ばれており、人の眼でいえば網膜と同じような機能をもつものです。カメラレンズによって集められた光を電気信号に変換することで、画像（映像）として再現することが可能になります。カラーフィルタは、イメージセンサーに入射した光の色を分解する機能を持ち、画像に色情報を与える重要な部材です。特にデジタルカメラなどの画質は、「イメージセンサー」の性能に大きく左右されます。

イメージセンサーには、大きく「CMOS」と「CCD」の2つの方式があります。従来、画質に優れ歪みの少ないCCDはデジタル一眼レフカメラなどに、消費電力が少なく小型化が容易なCMOSは携帯電話やコンパクトデジタルカメラに使用されるなど、用途によって2つの方式が使い分けられていました。しかし近年になり、CCDの画質に匹敵するCMOSイメージセンサーが開発されたことから、現在ではスマートフォンをはじめ、ほとんどのカメラにCMOSが採用されています。

イメージセンサーの仕組み

イメージセンサーの構造

イメージセンサーは、マイクロレンズとカラーフィルタ、フォトダイオードの3層で形成されています。マイクロレンズは、イメージセンサーへの集光力を高め、センサーの感度を大幅に向上させます。

マイクロレンズは、カラーフィルタのサブピクセル（RGBのいずれか1つ）に対応しており、フィルタを透過することで光にR（レッド）、G（グリーン）、B（ブルー）のいずれかの色情報が与えられます。この色と光の明暗（強弱）の情報をフォトダイオードの受光素子がキャッチし、電気信号に変換して読み出すことで、画像が記録されます。

オンチップ用カラーフィルタには、上記で説明した原色フィルタ（赤・緑・青）のほかに、補色フィルタ（黄・水色・赤紫・緑）があり、イメージセンサーの用途によって使い分けられています。

オンチップ用カラーフィルタの種類

イメージセンサーの用途

イメージセンサーは、デジタルカメラやスマートフォンといった一般的な家電製品だけでなく、監視カメラや車載カメラ、医療用カメラなどの特殊な用途で使用されるカメラにも搭載されています。センサーの発達により、赤外線など可視光（人間の目で捉えられる光）以外の光を検知できるようになったことで、これまでは捉えることができなかったさまざまな映像や画像を撮影できるようになりました。

監視カメラ

夜間など暗闇での撮影では、目には見えない光である赤外線を利用することで、肉眼に近いクリアな画像情報を手に入れることができます。従来はモノクロでしたが、カラーフィルタの使用により、昼夜を問わずカラー画像を撮影することも可能になってきています。

車載カメラ（ToF/3D-LiDAR）

車載用イメージセンサーは、自動運転ならびに先進運転支援システム（ADAS/Advanced Driver-Assistance Systems）、インキャビン（室内）のモニタリング用など、車の安全性や利便性を向上させるために採用が拡大していきます。

医療用カメラ

イメージセンサーの高性能化は、内視鏡などの医療用カメラの機能を向上させています。これにより小さな病変の早期発見が可能となり、人々の健康に貢献しています。

オンチップカラーレジストに求められる特性

カメラの高性能化にともない、イメージセンサーに使用されるカラーフィルタも、より高解像度のものが求められています。例えば、55インチのフルハイビジョンテレビの場合、1画素あたりの標準サイズは約200μm×600μmですが、スマートフォンなどに使われているCMOSセンサー用カラーフィルタの場合、1画素あたりのサイズは約1μm×1μmです。これは面積比でいうと、約10万分の1の大きさになります。1画素のサイズが小さくなればなるほど、異物が画質に与える悪影響は大きくなります。そのためオンチップカラーレジストは、顔料粒子が極めて微細であり、なおかつ均一に分散していることが求められます。

従来のオンチップカラーフィルタは、可視光（400〜700㎚）の色域のみを再現するものでした。しかし、イメージセンサーの多用途化にともなって監視カメラや医療用カメラに搭載されるなど、イメージセンサーの用途やニーズの幅が広がるに従い、赤外線や紫外線などさまざまな波長の光をセンシングするフィルタが開発されています。

当社のオンチップカラーレジスト

当社では、FPD用カラーフィルタ材料の開発で培った技術を活かし、ナノレベルの顔料分散を実現しております。また、高い色材濃度でも安定して分散させるために、新たな分散剤を開発しています。これによりカラーレジストの膜厚をより薄くすることが可能です。