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IT基礎講座 公開

画面はどうやって色を出す? 液晶と有機ELのしくみから、焼き付き・ダークモード・120Hzまで|ラクにゃんとミナが解説

液晶ディスプレイ有機EL画素IT基礎ラクにゃん
目次(13 章)
ラクにゃんミナ

ラクにゃんとミナ

アイキャッチ
ミナ
ミナ
ラクにゃん、スマホを買い替えたら、画面の黒がすごく黒いんです。前のスマホだと、真っ暗な動画を見ても、うっすら灰色っぽかったのに。同じ「画面」なのに、何が違うんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
いい所に気づいたね。それは、画面の作りが違うからなんだよ。今の画面には、大きく分けて「液晶」と「有機 EL」の 2 つがあるんだ。
ミナ
ミナ
あと、友だちに「ダークモードにすると電池が持つよ」って言われたんですけど、本当ですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
それも、同じ話につながっているよ。答えは「画面による」なんだ。今日は、画面を虫めがねでのぞくところから始めて、色が生まれるしくみを、中の層まで順番に見ていこうね。
虫めがねで、スマホの画面をのぞく
虫めがねで、スマホの画面をのぞく
この記事の要点
  1. 1画面は、赤・緑・青の小さな点の集まり。人の目には色を感じる細胞が 3 種類しかないので、3 つの光の強さを変えるだけで、ほとんどの色に見せられる。
  2. 2液晶は自分では光らない「光のシャッター」で、後ろの明かりを通したり止めたりする。だから真っ黒が少し明るく見える。有機 EL は点そのものが光るので、黒い所は消すだけで本当の黒になる。
  3. 3ダークモードで電池が持つのは、有機 EL の画面だけ。その有機 EL は、同じ絵を出し続けると「焼き付き」の跡が残ることがある。画面を選ぶときは、点の数・明るさ・黒の出方・1 秒に描き直す回数を見る。

1. 画面を拡大すると

ミナ
ミナ
虫めがねでのぞくと、何が見えるんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
写真も文字も消えて、赤と緑と青の、小さな点だけが並んでいるんだよ。
白の画素黄の画素青の画素画面画素(ピクセル)が並ぶ赤・緑・青の 3 つの点で 1 画素白は 3 つとも光る・黄の点はない
白の画素黄の画素青の画素画面画素(ピクセル)1 つの画素は、赤・緑・青の 3 つの点白は 3 つとも光る・黄の点はない
液晶の画面を拡大した写真。赤・緑・青の細長い点が並んでいる
液晶の画面を拡大した写真。赤・緑・青の細長い点が並んでいるPolitelyinsulting / CC BY-SA 3.0 / Wikimedia Commons
ラクにゃん
ラクにゃん
画面の 1 つの点を、画素、またはピクセルと呼ぶよ。その画素が、赤・緑・青の 3 つの小さな点でできているんだ。小さな点のほうは、サブピクセルと呼ぶこともあるね。
ミナ
ミナ
え、白い所も、白い点じゃないんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
白い所も、赤・緑・青が 3 つとも明るく光っているだけなんだ。黄色い所にも、黄色の点はないんだよ。

2. なぜ 3 色で足りるの?

ミナ
ミナ
世の中には色がいっぱいあるのに、なんで 3 色で足りるんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
その答えは、画面ではなく、私たちの目の中にあるんだよ。目の奥には、色を感じる細胞が 3 種類あるんだ。主に、赤っぽい光、緑っぽい光、青っぽい光に反応する細胞だね。
反応の強さ青っぽい光緑っぽい光赤っぽい光青の細胞緑の細胞赤の細胞
反応の強さ青っぽい光緑っぽい光赤っぽい光青の細胞緑の細胞赤の細胞
ラクにゃん
ラクにゃん
脳は、この 3 種類の細胞が、それぞれどれくらい強く反応したかを比べて、色を決めているんだ。だから、3 種類の反応の組み合わせさえ同じになれば、中身の違う光でも、同じ色に見えてしまうんだよ。
ミナ
ミナ
中身の違う光?
ラクにゃん
ラクにゃん
たとえば、虹の黄色。あれは「黄色」という 1 つの色の光だよ。画面の黄色は、赤の光と緑の光を混ぜたもの。光としては、まったくの別物なんだ。でも、目の 3 種類の細胞の反応がほぼ同じになるから、区別がつかないんだよ。画面は、目をうまくだましているんだね。
虹の黄色:1 本の光赤緑青黄色に見える画面の黄色:赤と緑の 2 本の光赤緑青黄色に見える光の中身目3 種類の細胞の反応同じ反応=
虹の黄色:1 本の光赤緑青黄色に見える画面の黄色:赤と緑の 2 本の光赤緑青黄色に見える目の反応が同じ → 同じ黄色に見える
ミナ
ミナ
だまされていたんですね……。
ラクにゃん
ラクにゃん
もう 1 つ、おもしろい違いがあるよ。絵の具は、混ぜるほど暗くなるよね。でも光は、混ぜるほど明るくなる。赤と緑と青を全部混ぜると、白になるんだ。
光(画面)赤緑青白光は、足すほど明るい → 白絵の具・インク青緑赤紫黄暗い絵の具は、混ぜるほど暗い
光(画面)赤緑青白光は、足すほど明るい → 白絵の具・インク青緑赤紫黄暗い絵の具は、混ぜるほど暗い
ラクにゃん
ラクにゃん
画面は、光を足して色を作る。紙の印刷は、インクで光を吸って色を作る。だから印刷には、青緑・赤紫・黄の 3 つのインクを使うんだよ。黒をくっきり出すために、黒のインクも足して 4 つにすることが多いね。画面で見た写真を印刷すると色が少し変わるのは、色の作り方が違うのも理由の 1 つだね。
ミナ
ミナ
じゃあ、3 色を混ぜれば、どんな色でも出せるんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
実は、そうでもないんだ。色を地図のように並べると、赤・緑・青の 3 つの光で作れる色は、その 3 つの点を結んだ三角の中だけ。人の目に見える色は、それより広いんだよ。とても鮮やかな青緑やエメラルドのような色は、画面では出しきれないことがあるんだ。
赤緑青人の目に見える色画面の赤・緑・青で作れる色3 つの点を結んだ三角の中だけ鮮やかな青緑・エメラルド画面では出しきれないことがある
赤緑青人の目に見える色画面の赤・緑・青で作れる色鮮やかな青緑・エメラルド画面では出しきれないことがある

3. 点はいくつある? 何段階ある?

ミナ
ミナ
点って、全部でいくつくらいあるんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
4K のテレビなら、横に 3840、縦に 2160 の画素が並んでいるよ。横がおよそ 4000(4K)だから、こう呼ぶんだ。全部で約 830 万画素。小さな点にすると、3 倍の約 2500 万個だよ。
ミナ
ミナ
2500 万!
ラクにゃん
ラクにゃん
しかも、1 つ 1 つの点に、明るさの段階がある。多くの画面では、1 つの点を 256 段階の明るさで光らせるよ。256 は 2 の 8 乗。0 か 1 のけたを 8 つ並べた、8 ビットで表せる数だね。
1 つの点の明るさ:256 段階(8 ビット)赤緑青000000000:消えている11111111255:いちばん明るい混ざった色256 × 256 × 256 = 約 1,677 万色
1 つの点の明るさ:256 段階(8 ビット)赤緑青000000000:消えている11111111255:いちばん明るい混ざった色256 × 256 × 256 = 約 1,677 万色
ラクにゃん
ラクにゃん
赤が 256 段階、緑が 256 段階、青が 256 段階。組み合わせると、256×256×256=約 1,677 万色になるんだ。
ミナ
ミナ
1,677 万色もあれば、十分そうですね。
ラクにゃん
ラクにゃん
ふだんはね。でも、夕焼けの空のように、少しずつ色が変わる所を大きく映すと、段の境目が縞もように見えることがあるよ。段を細かくした画面もあるのは、このためなんだ。
ミナ
ミナ
そういえば、スマホの画面って、近くで見ても点が見えませんよね。
ラクにゃん
ラクにゃん
それは、点の細かさと、見る距離の関係なんだ。人の目で見分けられる細かさには限りがあって、点がそれより細かくなると、もう 1 つ 1 つは見えなくなる。スマホは顔から近くで見るから、とても細かく作ってある。テレビは離れて見るから、そこまで細かくなくてもいいんだよ。
ミナ
ミナ
どれくらい細かければ、見えなくなるんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
目安を計算してみよう。視力 1.0 の人は、角度でいうと 1 度の 60 分の 1 くらいの細かさまで見分けられる。スマホを顔から 30 センチで見るなら、その角度は、画面の上で約 0.09 ミリの幅になる。点と点の間がそれより狭ければ、もう 1 つ 1 つは見えない計算だよ。1 インチ(約 2.5 センチ)に並べると、約 290 個だね。
ラクにゃん
ラクにゃん
同じ計算で、2 メートル離れて見るテレビなら、点と点の間は約 0.6 ミリまで広くてもいい。ただ画面が大きいと 1 つの点も大きくなるから、大きいテレビほど 4K が効くんだよ。
30 cm2 m約 0.09 mmより狭いと、点は見えない1 インチに約 290 個約 0.6 mmまで広くてよい視力 1.0 の目が見分けられる角度:1 度の 60 分の 1角度は大きく描いています
30 cm2 m約 0.09 mm1 インチに約 290 個約 0.6 mmスマホテレビ視力 1.0 は 1 度の 60 分の 1 まで見分ける角度は大きく描いています
ミナ
ミナ
あと、パソコンの文字を虫めがねで見たら、ふちが少し赤や青ににじんでいたんです。壊れてるんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
壊れていないよ。それは、文字を細かく見せる工夫なんだ。1 つの画素の中で、赤・緑・青の小さな点は横に並んでいるよね。そこで、文字のふちでは、画素まるごとではなく、小さな点を 1 つずつ使い分けて、線の位置を細かくずらしている。そのかわり、拡大すると色がにじんで見えるんだ。
文字のふちを拡大すると、小さな点を 1 つずつ使い分けているのが分かる
文字のふちを拡大すると、小さな点を 1 つずつ使い分けているのが分かるALexL33 / CC BY-SA 3.0 / Wikimedia Commons

4. 液晶という、ふしぎな物質

ミナ
ミナ
点の明るさは、どうやって変えているんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
まずは、液晶の画面から見ていこう。そもそも液晶って、何だと思う?
ミナ
ミナ
液体の、結晶……? 意味が分からないです。
ラクにゃん
ラクにゃん
そう、その「意味が分からない」状態の物質なんだ。液体のように流れるのに、中の細長い分子は、結晶のように向きをそろえて並ぶことができる。液体と固体の間の、ふしぎな状態なんだよ。
固体(結晶)場所も向きもそろう液晶流れるのに、向きはそろう液体場所も向きもばらばら熱する145.5 ℃178.5 ℃
固体(結晶)場所も向きもそろう液晶流れるのに向きはそろう液体場所も向きもばらばら熱する(145.5 ℃)熱する(178.5 ℃)
ラクにゃん
ラクにゃん
見つかったのは 1888 年。オーストリアの植物学者ライニッツァーが、植物の成分を調べていて、ある物質を熱すると、145.5 度で白く濁った液体になり、178.5 度でやっと透明になることに気づいたんだ。溶ける温度が 2 つあったんだよ。
フリードリヒ・ライニッツァー(1857〜1927)。溶ける温度が 2 つある物質に気づいた
フリードリヒ・ライニッツァー(1857〜1927)。溶ける温度が 2 つある物質に気づいた作者不明 / パブリックドメイン / Wikimedia Commons
ミナ
ミナ
溶けたのに、まだ濁っている……。
ラクにゃん
ラクにゃん
ライニッツァーは、ふしぎに思って、ドイツの物理学者レーマンに手紙で相談した。レーマンは、光の向きを見分けられる顕微鏡で、濁った液体を調べたんだ。すると、流れているのに、結晶のような光り方をする。そこでレーマンは、これを「流れる結晶」と呼んだ。のちに「液晶」という名前になったんだよ。
オットー・レーマン(1855〜1922)。顕微鏡で調べ、「流れる結晶」と呼んだ
オットー・レーマン(1855〜1922)。顕微鏡で調べ、「流れる結晶」と呼んだ作者不明 / パブリックドメイン / Wikimedia Commons
ミナ
ミナ
それが、すぐ画面になったんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
それが、80 年ほど、ほとんど使い道がなかったんだ。めずらしい物質として研究はされていたけれど、何の役に立つのか、分からなかったんだね。画面に使えると発表されたのは、1968 年のアメリカ。電機会社 RCA の研究所にいたハイルマイヤーたちが、電気をかけると液晶の見え方が変わることを使って、文字を映せると示したんだよ。
ジョージ・ハイルマイヤー(1936〜2014)。液晶で文字を映せると示した
ジョージ・ハイルマイヤー(1936〜2014)。液晶で文字を映せると示したIEEE / CC BY-SA 3.0 / Wikimedia Commons

5. 液晶の画面をばらしてみよう

ミナ
ミナ
液晶の画面は、どうなっているんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
1 つの画素のところで、ばらばらにしてみよう。後ろから順番に並べると、こうなっているよ。
液晶の画面を、後ろから順に並べると
液晶の画面を、後ろから順に並べると
ラクにゃん
ラクにゃん
いちばん後ろには、白く光る板、バックライトがある。実は、液晶そのものは光らない。後ろの光を、通したり止めたりするだけなんだ。液晶は、光のシャッターなんだよ。バックライトを強くすれば、そのぶん画面も明るくできるね。
ラクにゃん
ラクにゃん
光の前と後ろには、偏光板という板が 2 枚ある。光は、波のようにふるえながら進んでいる。偏光板は、決まった向きにふるえる光だけを通す板なんだ。2 枚の向きは、直角にずらしてあるよ。
ミナ
ミナ
直角にずらしたら、光は通れないんじゃないですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
そのままだとね。そこで、2 枚の間の液晶が活躍する。いちばん基本の方式では、液晶の分子が、ねじれた階段のように少しずつ向きを変えて並んでいて、通る光のふるえの向きを、くるりと 90 度回してくれるんだ。だから光は、2 枚目の偏光板も通れる。
電圧なし:光が通る90 度回る後ろの明かり偏光板液晶:ねじれた階段偏光板(直角)明るい電圧あり:光が止まる電圧後ろの明かり偏光板電圧で、ねじれがほどける止まる暗い
電圧なし:光が通る明かり偏光板液晶で 90 度回る偏光板明るい電圧あり:光が止まる電圧明かり偏光板電圧でほどける止まる暗い
ラクにゃん
ラクにゃん
ここで、点ごとのスイッチで電圧をかけると、分子がいっせいに電気の向きにそろって、ねじれがほどける。すると光は回らなくなって、2 枚目の偏光板で止まる。その点は暗くなるんだ。電圧の強さで、ねじれのほどけ方を細かく変えれば、明るさを 256 段階に調整できるよ。今のスマホやモニターには、分子を横にくるっと回す方式など、別の並べ方も多いんだ。でも、光の向きを変えてシャッターにする考え方は同じだよ。
ラクにゃん
ラクにゃん
最後に、赤・緑・青のフィルターを通せば、小さな点ごとに色がつく。これが、液晶の画面のしくみだよ。
ミナ
ミナ
点ごとのスイッチって、どこにあるんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
液晶をはさむガラスの上に、ごく薄いトランジスタ、つまり電気を流したり止めたりする小さなスイッチを作ってあるんだ。4K なら約 2500 万個。もし 1 つが壊れると、その点だけ光らなくなったり、光りっぱなしになったりする。これが「ドット抜け」と呼ばれる小さな点の正体だよ。

名前がいっぱい:LED テレビ・ミニ LED・量子ドット

ミナ
ミナ
そういえば、お店で「LED テレビ」って書いてあるのも見ました。あれは液晶とは別ですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
それ、ややこしいよね。「LED テレビ」の多くは、液晶テレビなんだ。後ろの明かりに LED を使っているから、そう呼んでいるだけなんだよ。点そのものが光る画面とは、別のものなんだ。
ミナ
ミナ
ほかにも、「ミニ LED」とか「量子ドット」とか、名前がいっぱいありますよね。
ラクにゃん
ラクにゃん
名前だけ、整理しておこう。ミニ LED は、液晶の後ろの明かりを、ごく小さな LED にしてたくさん並べたもの。場所ごとに明かりを消せるから、黒が締まるんだ。量子ドットは、青い光を当てると、決まった色にきっちり光る、ごく小さな粒の層のこと。色が鮮やかになるんだ。液晶にも有機 EL にも使われているよ。マイクロ LED は、点の 1 つ 1 つが小さな LED で、自分で光る画面。まだ作っている途中で、身近な製品はわずかなんだよ。
ラクにゃん
ラクにゃん
お店で見る「マイクロ RGB」という名前のテレビは、実は液晶なんだ。後ろの明かりを、赤・緑・青の小さな LED にしたものだよ。名前がよく似ているから、気をつけてね。
画面自分で光らない=液晶後ろの明かりを通したり止めたりLED テレビ後ろの明かりが LEDミニ LED小さな LED をたくさんマイクロ RGB明かりが赤・緑・青の LED自分で光る点の 1 つ 1 つが光る有機 EL点そのものが光るマイクロ LED点が小さな LED・作っている途中ブラウン管昔の画面量子ドット青い光を当てると決まった色に光る粒の層。液晶にも有機 EL にも使う
画面自分で光らない=液晶後ろの明かりを通したり止めたりLED テレビ後ろの明かりが LEDミニ LED小さな LED をたくさんマイクロ RGB明かりが赤・緑・青の LED自分で光る点の 1 つ 1 つが光る有機 EL点そのものが光るマイクロ LED点が小さな LED・作っている途中ブラウン管昔の画面量子ドット色を鮮やかにする粒の層・両方に使う

6. 偏光サングラスの実験

ラクにゃん
ラクにゃん
ここで、ちょっとおもしろい実験をしよう。釣りやドライブで使う、偏光サングラスを持っているかな。
ミナ
ミナ
持ってます! 水面のぎらぎらが消えるやつですよね。
ラクにゃん
ラクにゃん
それをかけて、液晶の画面を見ながら、首をゆっくりかしげてみて。画面がだんだん暗くなって、真っ黒に見えることがあるんだ。
偏光サングラスごしに見ると、画面が暗くなる
偏光サングラスごしに見ると、画面が暗くなる
ミナ
ミナ
どうしてですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
液晶の画面から出てくる光は、最後に偏光板を通ってきたから、ふるえる向きがそろっているんだ。偏光サングラスのレンズも、同じしくみの板。2 枚の向きが直角になると、光は通れない。だから、画面が消えたように見えるんだよ。
画面の偏光板縦にふるえる光だけが出る偏光サングラス首をかしげると、板の向きが回る目に届く光向きがそろう → 通る直角になると → 通れない
画面の偏光板縦にふるえる光だけ偏光サングラス首をかしげると向きが回る目に届く光向きがそろう → 通る直角になると → 通れない
レンズの線の向き=通れる光のふるえの向き。90 度回すと、画面の光は通れない
ラクにゃん
ラクにゃん
車のメーターや、駅の券売機の画面が、偏光サングラスだと見えにくいことがあるのも、同じ理由だよ。ただ、画面の作りによっては、黒くならないものもあるんだ。有機 EL のスマホでも、照り返しをおさえる偏光板を表にはっていることが多いから、少し暗くなることがあるよ。

7. 液晶の苦手なこと

ミナ
ミナ
最初の話に戻りますけど、前のスマホの黒が灰色っぽかったのは、なんでですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
それが、液晶のいちばんの苦手なんだ。後ろのバックライトは、黒い所でも、ずっと点いたまま。液晶で止めても、ほんの少し光がもれてしまうんだよ。
白灰黒バックライト黒の所でも点いたまま液晶のシャッター閉じても、すき間から少し見える色黒でも、少し光る
バックライト黒でも点いたまま白灰黒液晶のシャッター見える色閉じても、少しもれる暗い部屋では、黒が灰色っぽく見える
黒が少し光るぶん、白との明るさの比(コントラスト比)を大きくしにくい
ラクにゃん
ラクにゃん
画面の説明には、よく「コントラスト比 1000:1」のような数字が書いてあるよ。これは、いちばん明るい白が、いちばん暗い黒の何倍明るいか、という比べなんだ。液晶は黒が少し光ってしまうから、この比を大きくしにくいんだ。黒が本当に消える画面なら、計算の上ではいくらでも大きくなるね。
ラクにゃん
ラクにゃん
だから、暗い部屋で真っ黒な場面を映すと、黒が灰色っぽく光って見える。明るい部屋では目立たないけれど、夜に映画を見ると、違いが分かりやすいよ。
暗い部屋では、液晶の黒が灰色っぽく見える
暗い部屋では、液晶の黒が灰色っぽく見える
ミナ
ミナ
ほかにも苦手なことはありますか?
ラクにゃん
ラクにゃん
斜めから見ると、色や明るさが変わって見えることがあるよ。液晶は、分子の向きで光を調整しているよね。斜めから見ると、その分子を横からのぞくことになって、光の通り方が変わってしまうんだ。作りを工夫して、ずいぶん少なくなってはいるけれどね。
ラクにゃん
ラクにゃん
それから、液晶は「液」だから、寒い所では動きがにぶくなる。冬の屋外で、画面の切り替わりが遅く、残像のように見えることがあるのは、そのためなんだ。

8. 有機 EL:点が自分で光る

ミナ
ミナ
じゃあ、今のスマホの黒が真っ黒なのは……。
ラクにゃん
ラクにゃん
それが、有機 EL の画面だね。EL は、エレクトロルミネッセンス。電気を流すと光る、という意味だよ。
ラクにゃん
ラクにゃん
有機物は、炭素をもとにした物質のこと。プラスチックや、私たちの体も、その仲間だよ。有機 EL は、電気を流すと光る、特別な有機物でできていて、点そのものが、自分で光るんだ。
バックライト偏光板液晶色フィルター偏光板光る点(有機 EL)照り返しをおさえる板液晶後ろの明かりを、止めたり通したり有機 EL点が自分で光る。表に 1 枚だけ前(見る人)
バックライト偏光板液晶色フィルター偏光板光る点(有機 EL)照り返しをおさえる板液晶後ろの明かりを、液晶と 2 枚の偏光板で止めたり通したり有機 EL点が自分で光る。表に 1 枚はるだけ後ろの明かり・液晶・2 枚の偏光板がいらない
下が後ろ、上が見る人の側。黄色の矢印が光の通り道
ミナ
ミナ
有機物が光るって、どういうことですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
1 つの点の中は、2 枚の電極で、髪の毛よりずっと薄い有機物の層をはさんだ作りになっているよ。電気を流すと、片方からは電子が、もう片方からは電子の抜けた穴が入ってくる。その 2 つが層の中で出会うと、余ったエネルギーが光になって出てくるんだ。
+−−の電極+の電極(光を通す)有機物の層髪の毛よりずっと薄い電子(−の電極から)電子の抜けた穴(+の電極から)出会うと、余ったエネルギーが光になる
−の電極+の電極(光を通す)有機物の層髪の毛よりずっと薄い電子(−の電極から)電子の抜けた穴(+の電極から)出会うと、余ったエネルギーが光になる
何色に光るかは、有機物の種類で決まる
ラクにゃん
ラクにゃん
何色に光るかは、使う有機物の種類で決まるんだ。スマホの画面では、赤・緑・青、それぞれに合った材料を、小さな点ごとにぬり分けているんだよ。テレビでは、白や青に光らせてから色をつける作り方も多いね。電気を多く流せば明るく、少なくすれば暗く光るよ。
ミナ
ミナ
自分で光るなら、後ろの明かりは……。
ラクにゃん
ラクにゃん
いらない。液晶も、光をはさむ 2 枚の偏光板もいらないんだ。外の光の照り返しをおさえるために、表に 1 枚だけはることは多いけれどね。黒い所は、その点を消すだけ。光がもれないから、本当の真っ黒が出せるんだ。層が少ないぶん、画面をとても薄くできて、曲げたり、折りたたんだりもできるよ。
ミナ
ミナ
じゃあ、ダークモードで電池が持つっていうのは?
ラクにゃん
ラクにゃん
有機 EL なら本当だよ。黒い所の点は消えていて、電気を使わないからね。白い画面より黒い画面のほうが、使う電気が少ないんだ。画面を明るくしているときほど、差が大きくなるよ。アメリカのパーデュー大学が 2021 年に調べたら、画面をいちばん明るくしたときは、画面の使う電気が 4 割ほど減ったけれど、ふだんの明るさでは 1 割に届かなかったんだ。
有機 EL黒い点は消えて、電気を使わない液晶後ろの明かり黒でも、明かりは点いたまま有機 EL のスマホをダークモードにすると、画面の電気が減った分パーデュー大学の調べ(2021 年)。帯の全体=白い画面のときの、画面の電気いちばん明るいとき約 4 割減ふだんの明るさ1 割1 割に届かない
有機 EL黒い点は消えて、電気を使わない液晶後ろの明かり黒でも、明かりは点いたまま有機 EL のスマホをダークモードにすると、画面の電気が減った分パーデュー大学の調べ(2021 年)。帯の全体=白い画面のときの、画面の電気いちばん明るいとき約 4 割減ふだんの明るさ1 割1 割に届かない
画面を明るくしているときほど、差が大きくなる
ラクにゃん
ラクにゃん
でも、液晶の画面では、ほとんど変わらない。黒い所でも、後ろの明かりは点いたままだからね。友だちの話は、「有機 EL の画面なら」が抜けていたんだ。

9. 有機 EL の弱点と工夫

ミナ
ミナ
有機 EL って、いいことばかりですね。
ラクにゃん
ラクにゃん
弱点もあるよ。光る材料は、使うほど少しずつ暗くなっていくんだ。とくに、青を光らせる材料がいちばん傷みやすい。青い光は、赤や緑より強いエネルギーの光だから、材料への負担が大きいんだよ。
ラクにゃん
ラクにゃん
そして、同じ絵を長い時間出し続けると、その点だけが早く傷んで、うっすらと跡が残る。これを焼き付きと呼ぶよ。
同じ帯を出し続ける中身は変わっても、帯は同じ光り続けた点だけ早く暗くなる灰色を出すとうっすら跡(焼き付き)工夫:表示を、目立たないくらい少しずつずらす同じ点だけが光り続けないように
同じ絵を出し続けるその点だけ早く傷むうっすら跡が残る工夫:表示を、目立たないくらい少しずつずらして、同じ点が光り続けないように
使わないときに画面が自動で消える設定にしておくのも、焼き付きを防ぐ手
ミナ
ミナ
同じ所だけ、早く年をとっちゃうんですね。
ラクにゃん
ラクにゃん
そう。だから多くの有機 EL には、表示を目立たないくらい少しずつずらしたり、同じ所が光り続けないようにしたりする工夫が入っているんだ。使う人にできることは、同じ絵を明るいまま何時間も出しっぱなしにしないこと。使わないときに画面が自動で消える設定にしておくことだね。
ラクにゃん
ラクにゃん
それから、スマホの有機 EL を拡大すると、おもしろいことが分かるよ。緑の点が、赤や青の 2 倍あるものが多いんだ。
スマホの有機 EL を拡大した写真。緑の点が多い並び
スマホの有機 EL を拡大した写真。緑の点が多い並びNick Spiker / CC BY-SA 3.0 / Wikimedia Commons
ミナ
ミナ
なんで緑だけ?
ラクにゃん
ラクにゃん
人の目は、緑のあたりの光をいちばん明るく、細かく感じるんだ。さっきの 3 種類の細胞のグラフを思い出してみてね。だから緑を多くして、少ない点でも、くっきり見せているんだよ。
ミナ
ミナ
あと、画面を暗くすると、目がちかちかする気がするんですけど……。
ラクにゃん
ラクにゃん
それには理由があるかもしれないよ。画面によっては、暗くするときに、光を弱くするのではなく、目に見えないくらい速く点けたり消したりして、点いている時間を短くしているんだ。ほとんどの人は気づかないけれど、ちらつきを感じやすい人もいるといわれているよ。
明るいとき:ずっと点いている暗くするとき:光を弱くするのではなく、点いている時間を短くする点く消えるならすと暗い時間 →実際は、目に見えない速さ
明るいとき:ずっと点いている暗くするとき:光を弱くせず、点いている時間を短くする点く消える黒い線=ならした明るさ時間 →実際は目に見えないくらい速い。ちらつきを感じやすい人も
図はゆっくり描いているけれど、本当はずっと速い

10. 1 秒に 60 回、120 回

ミナ
ミナ
画面の説明に「120Hz」って書いてあることがありますよね。あれは何ですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
画面は、止まっているように見えても、何度も絵を描き直しているんだ。ふつうの画面は、1 秒に 60 回。これを 60Hz というよ。120Hz なら、1 秒に 120 回描き直すんだ。
60Hz1 秒に 60 回1 コマ 約 16.7 ミリ秒120Hz1 秒に 120 回1 コマ 約 8.3 ミリ秒同じ速さで動かすと、120Hz は 1 コマの飛び幅が半分
60Hz 1 秒に 60 回描き直す1 コマ 約 16.7 ミリ秒120Hz 1 秒に 120 回描き直す1 コマ 約 8.3 ミリ秒同じ速さで動かすと、120Hz は 1 コマの飛び幅が半分
点線=絵が描き直される位置。間が狭いほど、目で追いやすい
ミナ
ミナ
描き直す回数が多いと、何がいいんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
動きがなめらかになるんだ。画面を指でスクロールするとき、60Hz だと文字が 60 コマで動き、120Hz だと 120 コマで動く。1 コマの間の飛び幅が半分になるから、目で追いやすいんだよ。
ラクにゃん
ラクにゃん
時間にすると、60Hz の 1 コマは約 16.7 ミリ秒(1 ミリ秒は 1000 分の 1 秒)、120Hz なら約 8.3 ミリ秒。指で画面を動かしてから、絵がついてくるまでの待ちも短くなるから、操作がきびきび感じられるんだ。
ミナ
ミナ
動画も、120 コマでなめらかになるんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
動画は、撮ったときのコマ数で決まるんだ。多くの動画は 1 秒に 24 コマや 30 コマ、60 コマで撮ってあるから、画面を 120Hz にしても、動画そのものがなめらかになるわけではないよ。120Hz が効くのは、スクロールやゲームのように、その場で絵を作る場面なんだ。
ラクにゃん
ラクにゃん
ただ、描き直すほど電気を使うんだ。だから、止まっている画面を見ているときは、描き直す回数を下げて、電池を守る画面もあるんだ。
ラクにゃん
ラクにゃん
それから、描き直す回数とは別に、点の色が切り替わる速さもあるよ。液晶は分子の向きを変えるので、切り替わりに少し時間がかかる。有機 EL は電気を止めればすぐ消えるので、切り替わりが速いんだ。

11. ブラウン管から今まで

ミナ
ミナ
薄い画面になる前は、どうなっていたんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
ブラウン管だよ。奥行きの大きなガラスの管の中で、電子を飛ばして、画面の内側にぬった粉に当てていたんだ。粉は、電子が当たると光るんだ。その粉が、赤・緑・青の 3 種類、細かく並んでいたんだよ。
ブラウン管の画面を拡大した写真。ここにも 3 色の点が並んでいる
ブラウン管の画面を拡大した写真。ここにも 3 色の点が並んでいるPolitikaner / CC BY-SA 3.0 / Wikimedia Commons
ラクにゃん
ラクにゃん
電子のビームは、画面の左上から右へ、1 行ずつ、すごい速さでなぞっていく。1 秒に何十回も画面全体をなぞり直して、絵を作っていたんだ。光った粉はすぐに暗くなっていくから、休まずなぞり直す必要があったんだね。
ミナ
ミナ
3 色の点で色を作るのは、昔から同じなんですね。
ラクにゃん
ラクにゃん
そうなんだ。電子を飛ばす距離が必要だったから、奥行きがとても大きかったんだよ。それに、ブラウン管にも焼き付きがあったよ。パソコンを使わないときに、絵が動き回る「スクリーンセーバー」が流れていたのを覚えているかな。あれは、同じ絵で画面が焼き付かないように生まれたものなんだ。
ブラウン管液晶有機 EL1888 液晶の発見1897 ブラウン管1968 画面に使えると発表(RCA)1973 液晶の電卓(シャープ)1987 明るく光る有機 EL(コダック)80 年ほど、使い道がなかった今のスマホ
1888 液晶の発見1897 ブラウン管1968 画面に使えると発表(RCA)1973 液晶の電卓(シャープ)1987 明るく光る有機 EL(コダック)80 年ほど、使い道がなかった今のスマホ(液晶・有機 EL)ブラウン管液晶有機 EL
技術ごとに列を分けた。液晶は、ブラウン管より前に見つかっていた
ラクにゃん
ラクにゃん
液晶が身近な道具に使われ始めたのは、1970 年代の初め。1973 年には、日本のシャープが、液晶を使った世界で初めての電卓を売り出したんだよ。数字だけを映す、小さな画面だったんだ。
1973 年のシャープの電卓。液晶を使った、世界で初めての電卓
1973 年のシャープの電卓。液晶を使った、世界で初めての電卓Joe Haupt / CC BY-SA 2.0 / Wikimedia Commons
ラクにゃん
ラクにゃん
有機 EL が明るく光るようになったのは、1987 年。フィルムで有名なアメリカのコダックで、タンとバンスライクが発表した研究がきっかけだよ。

12. 仕事の画面は、どこを見る?

ミナ
ミナ
会社で、新しいモニターを選ぶことになったら、どこを見ればいいんですか?
ラクにゃん
ラクにゃん
今日の話を使えば、4 つの所を見ればいいよ。
1 大きさと点の数見る距離で、点が見えない細かさか点が多いと、一度にたくさん映せる3 章2 明るさ明るい部屋で使うなら、明るく光れるほうが見やすい5 章3 黒の出方暗い動画や写真 → 有機 EL同じ表を出しっぱなし → 液晶7〜9 章4 描き直す回数スクロールや動きが多いなら、回数が多いほうがなめらか10 章
1 大きさと点の数見る距離で、点が見えない細かさか点が多いと、一度にたくさん映せる3 章2 明るさ明るい部屋で使うなら、明るく光れるほうが見やすい5 章3 黒の出方暗い動画や写真 → 有機 EL同じ表を出しっぱなし → 液晶7〜9 章4 描き直す回数スクロールや動きが多いなら、回数が多いほうがなめらか10 章
ラクにゃん
ラクにゃん
1 つ目は、大きさと点の数。見る距離で、点が見えない細かさかどうかが決まるよ。文字をたくさん並べる仕事なら、点の数が多いと、一度にたくさん映せるよ(3 章)。
ラクにゃん
ラクにゃん
2 つ目は、明るさ。明るい部屋で使うなら、明るく光れるほうが見やすいよ(5 章)。
ラクにゃん
ラクにゃん
3 つ目は、黒の出方。暗い場面の多い動画や写真を扱うなら、有機 EL のほうが黒がしまるよ。同じ表を一日じゅう出しておくような使い方なら、焼き付きの心配が少ない液晶が向いているね(7〜9 章)。
ラクにゃん
ラクにゃん
4 つ目は、描き直す回数。スクロールや動きの多い使い方なら、回数が多いほうがなめらかだよ(10 章)。
ミナ
ミナ
お店の説明に書いてある数字の意味が、全部つながりました!

まとめ

ラクにゃん
ラクにゃん
今日の言葉をまとめるね。
ラクにゃん
ラクにゃん
光の 3 色。目に色を感じる細胞が 3 種類あるから、赤・緑・青の強さを変えるだけで、ほとんどの色に見せられる。画面は、目をうまくだましているんだ。
ラクにゃん
ラクにゃん
画素。1 つの点は、赤・緑・青の 3 つの小さな点。それぞれ 256 段階で、約 1,677 万色。4K の画面には、約 2500 万の小さな点があるよ。
ラクにゃん
ラクにゃん
液晶。自分では光らない、光のシャッター。分子のねじれで光の向きを回して、通したり止めたりする。後ろの明かりがもれるから、黒は少し明るいんだ。
ラクにゃん
ラクにゃん
有機 EL。点そのものが光る。だから本当の黒が出せて、ダークモードで電池も持つ。そのかわり、同じ絵を出し続けると焼き付くことがあるんだよ。
ミナ
ミナ
今度、虫めがねで自分のスマホを見てみます。
ラクにゃん
ラクにゃん
ぜひ見てみてね。何百万もの点が、1 秒に何十回も光り方を変えているのが、ちょっとだけ実感できるはずだよ。

関連記事:コンピューターはなぜ0と1? 2進数・ビット・バイト / CPUはなぜ速くなり続けるの?


YouTube でも、液晶と有機 EL のしくみを、3D で解説しているよ。

色の出る画面がなかったころ リンゴは、気持ちで赤く見る

写真の出典(すべて Wikimedia Commons)

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