(57)【要約】【課題】  本発明は、コレステリック液晶を用いた表示素子と光電変換素子と組み合わせた表示デバイスの表示品質に関するものである。【解決手段】  本発明の表示デバイスは、コレステリック液晶の選択反射特性を利用した表示素子と、表示素子の背面に設けられた光電変換素子とを有し、コレステリック液晶の表示素子の選択的に反射特性を有する部分の反射色と、表示素子を通過した光電変換素子の反射色とが補色の関係にある、よう構成する。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の反射と透過とを制御して形成した画像を表示する表示素子と、
前記表示素子の背面に設けられた光電変換素子とを有し、
前記表示素子の前記画像の反射色と前記光電変換素子の反射色とが補色の関係にある
ことを特徴とする表示デバイス。
【請求項２】
コレステリック液晶の選択反射特性を利用した表示素子と
前記表示素子の背面に設けられた光電変換素子とを有し、
前記表示素子の選択的に反射特性を有する部分の反射色と前記光電変換素子の反射色とが補色の関係にある
ことを特徴とする表示デバイス。
【請求項３】
前記表示素子の選択的に反射特性を有する部分の反射色と前記光電変換素子の反射色とが補色の関係にあり、該表示素子の反射色は該光電変換素子の反射色より明度が高い
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表示デバイス。
【請求項４】
前記表示素子の非表示の場合は、前記コレステリック液晶をフォーカルコニックの状態とする
ことを特徴とする請求項２に記載の表示デバイス。
【請求項５】
前記表示素子の選択的に反射特性を有する部分の反射色と前記光電変換素子の反射色とが、単一色である
ことを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の表示デバイス。
【請求項６】
前記表示素子の選択的に反射特性を有する部分の反射色と前記光電変換素子の反射色とが、複数の色が合成された合成色である
ことを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の表示デバイス。
【請求項７】
画像を表示する電子ペーパーであって、
前記請求項１乃至請求項６に記載の表示デバイスを備える
ことを特徴とする電子ペーパー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示素子と光電変換素子を組み合わせた表示デバイスの表示品質に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子ペーパーは、表示中の電力消費が不要であることから長時間のバッテリー駆動を可能とすること、反射型のため視認性は高く比較的紙に近い表示で目が疲れにくいこと、などから電子ブックを筆頭に、モバイル端末機器のサブディスプレイやＩＣカードの表示部等に多様に用いられている。
【０００３】
電子ペーパーには幾つかの表示方式があるが、その一つにコレステリック相が形成される液晶組成物（コレステリック液晶、あるいはカイラルネマティク液晶と称される。本発明においては、コレステリック液晶に統一する）を用いた表示素子がある。コレステリック液晶は、印加する電界強度の調節によりプレーナ状態、フォーカルコニック状態、またはそれらの混合による中間的な状態のいずれかの状態をとることができ、一旦プレーナ状態、フォーカルコニック状態、またはそれらの中間的な状態になると、その後は無電界下においても安定してその状態を保持する。プレーナ状態は、入射光のうち液晶のら旋ピッチに応じた波長の光を選択的に反射し、フォーカルコニック状態は入射光を透過する状態である。
【０００４】
プレーナ状態におけるの選択反射波長（λ）は、次式で与えられる。
【０００５】
λ＝ｎ・ｐ
ここで、ｎはコレステリック液晶の屈折率、ｐはら旋ピッチである。即ち、コレステリック液晶の反射色は、コレステリック液晶の屈折率、またはら旋ピッチを変えることで調整可能である。このうち、ら旋ピッチはコレステリック液晶に添加されるカイラル材の添加量を調整することにより、容易にら旋ピッチを変更することができる。ら旋ピッチを短くすると選択反射波長は短波長へ、ら旋ピッチを長くすると長波長へとシフトする。
【０００６】
前述のように電子ペーパーは低消費電力で作動するが、その電子ペーパーへの電力の供給方法として太陽電池を用いる方法が知られている。太陽電池を用いる方法の一つに、反射型液晶の裏面に太陽電池を配置し、反射型液晶を透過した光を受けて太陽電池が発電する方法である。例えば、腕時計に適用することで、表示素子と太陽電池の一体化による小型化と、デザイン性の向上が図れる。
【０００７】
また、金属酸化物半導体に各種の色素を化学吸着させた色素増感太陽電池が知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】第２２回無機高分子シンポジウム、“フィルム型カラフル色素増感太陽電池の開発”、箕浦  秀樹、２００３．７
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−７３８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したように、反射型液晶に太陽電池を重ね合わせ、太陽電池を電源とする方法が知られている。しかしながら、光が反射型液晶を透過して入射されることによる太陽電池の発電量減少を防ぐために、表示素子による反射波長を太陽電池の分光感度で特に可視域で感度の悪い波長域（反射が大きい波長域）に設定することが行なわれている。このため、表示素子の呈する色（反射波長）と太陽電池の呈する色（反射波長）が同色系となり、表示素子の各画素のＯＮ／ＯＦＦによる色差やコントラスト比が小さくなり、表示品質が低下してしまう、という問題がある。
【００１１】
本発明は、光の反射と透過により表示を行う表示素子、特に、コレステリック液晶表示素子と光電変換素子とを重ね合わせた表示デバイスにおいて、光電変換素子の発電効率を低下させることなく、表示品質の優れた表示デバイス、および電子ペーパーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明の一観点によれば、本発明の表示デバイスは、光の反射と透過とを制御して形成した画像を表示する表示素子と、表示素子の背面に設けられた光電変換素子とを有し、表示素子の反射色と光電変換素子の反射色とが補色の関係にある表示デバイスが提供される。
【００１３】
発明の他の一観点によれば、本発明の表示デバイスは、コレステリック液晶の選択反射特性を利用した表示素子と、表示素子の背面に設けられた光電変換素子とを有し、表示素子の反射色と光電変換素子の反射色とが補色の関係にある表示デバイスが提供される。
【発明の効果】
【００１４】
表示素子が反射状態において呈する色と光電変換素子が呈する色が補色の関係にあるようにしたので、表示デバイスとしての表示色は表示素子の反射光に光電変換素子の反射光が加色された白色となって明度が高いものとなり、背景色との色差を大きくでき、表示品質に優れた表示表示デバイス、および電子ペーパーの提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の表示デバイスの概略構成例である。
【図２】本発明の表示デバイスの構成例である。
【図３】液晶表示素子の構造例である。
【図４】液晶表示素子の反射色の作成例である。
【図５】コレステリック液晶と光電変換素子の反射スペクトル例である。
【図６】表示デバイスの表示例である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の表示デバイスを図１〜図６を用いて説明する。なお、本実施例ではコレステリック液晶を用いた表示デバイスとして説明する。
【００１７】
図１は、本発明の表示デバイスの概略構成を模式的に示したもので、表示デバイス１００は液晶表示素子２００と光電変換素子３００、および駆動回路４００とを有している。図１に示す液晶表示素子２００の上面は表示面であり、駆動回路４００によりコレステリック液晶の配向を制御することにより入射光を反射、または透過させ表示する。光電変換素子３００は、光電変換素子３００の受光面を液晶表示素子２００の背面に重ね合わせて配置している。液晶表示素子２００の上面から入射した光の一部は液晶表示素子２００を透過し、光電変換素子３００の受光面に入射する。光電変換素子３００は受光面に入射した光で発電し、駆動回路４００に電力を供給する。図１では、液晶表示素子２００と光電変換素子３００は略同一寸法で重ね合わせているが、光電変換素子３００は必ずしも液晶表示素子２００の背面全域を占めるようにする必要はない。なお、コレステリック液晶表示素子は、選択反射波長においても入射光の５０％を透過する特長を有するため、光電変換素子の発電効率を大きく低下させることはない。
【００１８】
図２は、図１に示した構成をより詳細に示す図で、重ね合せて配置した液晶表示素子２００と光電変換素子３００とを上面から見た図を示している。詳細は後述するが、液晶表示素子２００は上下の２枚の基板の間に液晶材料を封入し、基板に透明の電極を形成して電極間の液晶に電圧を印加する構造になっている。図２に示すように、液晶表示素子２００の上基板（不図示）には、複数の走査電極２３０を駆動する走査電極ドライバ４２０のＩＣが接続されている。また、下基板２２０には、複数のデータ電極２４０を駆動するデータ電極ドライバ４３０のＩＣが接続される。これらは、制御回路４１０から出力された所定の信号に基づいて、走査信号やデータ信号を走査電極２３０あるいはデータ電極２４０に出力するようになっている。なお、図１の駆動回路４００は、図２の制御回路４１０、走査電極ドライバ４２０およびデータ電極ドライバ４３０の総称として示している。
【００１９】
走査電極２３０とデータ電極２４０は図２に示すように、上下基板の電極形成面を法線方向に見て互いに交差して対向配置されている。両電極の各交差領域がそれぞれピクセル（画素）となる。それらのピクセルはマトリクス状に配置されて表示画面を形成している。
【００２０】
次に、液晶表示素子２００の構造と封入する液晶について説明する。図３は、液晶表示素子２００を断面で見た図で、液晶表示素子２００は上基板２１０と下基板２２０の間にコレステリック液晶２５０を封入し、両基板の端部は封止材２６０で封止している。
【００２１】
上下の基板は透光性を有し、本実施の形態ではポリカーボネート（ＰＣ）フィルムを用いている。また、ポリカーボネート基板に代えてガラス基板やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のフィルム基板を使用することもできる。
【００２２】
電極の形成材料としては、例えばインジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ；ＩＴＯ）が代表的であるが、その他インジウム亜鉛酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｃ  Ｏｘｉｄｅ；ＩＺＯ）等の透明導電膜、アルミニウムあるいはシリコン等の金属電極、又はアモルファスシリコンや珪酸ビスマス（Ｂｉｓｍｕｔｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｘｉｄｅ；ＢＳＯ）等の光導電性膜等を用いることができる。
【００２３】
両電極上には機能膜として、それぞれ絶縁膜や液晶分子の配列を制御するための配向膜（いずれも不図示）をコーティングしている。絶縁膜は、電極間の短絡を防止したり、ガスバリア層として液晶表示デバイスの信頼性を向上する。また、配向膜には、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリビニルブチラール樹脂およびアクリル樹脂等の有機膜や、酸化シリコン、酸化アルミニウム等の無機材料を用いることができる。本実施の形態では、電極上の基板全面に配向膜を塗布（コーティング）している。配向膜は絶縁性薄膜と兼用されてもよい。また、配向膜の表面には、必要に応じてラビング処理が行われてもよい。
【００２４】
また、液晶層の厚さ（セルギャップ）は均一に保持する必要がある。所定のセルギャップを維持するには、樹脂製又は無機酸化物製の球状スペーサを液晶層内に散布したり、柱状スペーサを液晶層内に複数を形成したりする。これにより液晶層の厚みを、３μｍ〜６μｍの範囲に収まるようにしている。
【００２５】
次に、封入する液晶について説明する。液晶の組成物は、ネマティック液晶混合物にカイラル材を１０〜４０Ｗｔ％添加したコレステリック液晶である。カイラル材の添加量はネマティック液晶成分とカイラル材の合計量を１００Ｗｔ％としたときの値である。ネマティック液晶としては従来公知の各種のものを用いることができる。前述のように、カイラル材の添加量を調整することにより、コレステリック液晶のら旋ピッチを変更することが可能であり、ら旋ピッチの調整により選択反射波長の変更が可能である。
【００２６】
ここでは、簡便な方法でカイラル材の添加量を調整し、選択反射波長を変更しているので、その方法を説明する。この方法は、青色と赤色の２種類のコレステリック液晶をブレンドして黄色や緑色の選択反射波長を作り出す方法である。図４（ａ）はブレンド比率を変えたときのピーク波長を示す図である。横軸の左端の１００％は、青色のコレステリック液晶のみ（青色のコレステリック液晶１００％）を表し、右に進むに従って赤色のコレステリック液晶の比率が多くなり、右端の０％は青色のコレステリック液晶０％、即ち赤色のコレステリック液晶１００％を示している。青色のコレステリック液晶を１００％から０％まで変化させたＳ１〜Ｓ９のピーク波長は約４７０〜６３０ｎｍである。図４（ｂ）は、Ｓ１〜Ｓ９に対する反射スペクトルを示している。ここでは、後述する光電変換素子３００に単結晶シリコンを用いることとし、その反射色は紺色であるのでコレステリック液晶の反射色を補色関係にある黄色〜オレンジ色となるようにする。このため、青色と赤色のコレステリック液晶のブレンド比を２：６〜１：７程度とすることで得られる。
【００２７】
次に、光電変換素子３００について述べる。本発明に用いられる光電変換素子３００は特に限定されるものではなく、既存の光電変換素子（例えば、単結晶シリコン型、アモルファスシリコン型、有機薄膜型、色素増感型など）を用いることができる。光電変換素子の有する色は、光電変換素子の種類により変更可能である。一般に単結晶シリコン型は紺色を、アモルファスシリコン型は茶色を有しており、色素増感型では、利用する色素としてシアン、マゼンタ、黄色の三原色を利用し、その組み合わせにより、赤、緑、青などさまざまな色を実現できる。
【００２８】
図５に光電変換素子３００として、単結晶シリコン型を用いた場合の反射スペクトルの一例を示す。４００ｎｍ、５００ｎｍおよび１０００ｎｍにピークが見られるが、可視光領域（約４００〜７００ｎｍ）においては４００ｎｍ近辺と５００ｎｍ近辺のピークの合成で人間の目で見たとき紺色を示すことになる。図５には６００ｎｍ近辺をピークとするコレステリック液晶の反射スペクトルも併せて描いている。このコレステリック液晶の反射色は、単結晶シリコン型の光電変換素子３００の反射色と補色の関係にある。
【００２９】
次に、図５に示したコレステリック液晶と単結晶シリコンを用いた表示デバイス１００の表示例を図６を用いて説明する。図６は、表示デバイス１００が英文字「Ｐ」を表示した状態を示し、英文字「Ｐ」の部分がコレステリック液晶２５０のプレーナ状態部分２７０で、その選択反射波長は６００ｎｍ近辺で反射色は黄色〜オレンジ色の略中間の色である。このコレステリック液晶による黄色〜オレンジ色の反射色に単結晶シリコンの紺色の反射色が加わるので、英文字「Ｐ」は白色となる。英文字「Ｐ」以外の光電変換素子３００の表面が透けて見えるフォーカルコニック状態部分２８０、２９０の反射波長は４００ｎｍ近辺と５００ｎｍ近辺とをピークとする紺色である。コレステリック液晶による選択反射波長と光電変換素子の反射波長は補色の関係にあるので、表示デバイスとしての表示色は白色となり高い明度で表示を行なうことができる。また、表示素子の反射色（黄色）を光電変換素子の反射色（紺色）より明度の高い色としたことで、表示色と背景色のコントラストは大きく、見やすいものとなる。なお、表示素子および光電変換素子の反射光は単一色あるいは複数の色が合成された合成色からなるものであってよく、それらが互いに補色関係にあればよい。
【００３０】
上記では、表示デバイス１００を構成する液晶表示素子２００の反射色と光電変換素子３００の反射色が補色関係とする方法を主に説明した。上記表示デバイス１００の作製方法は従来方法により作製可能であるが、簡単に説明する。
【００３１】
最初に、液晶表示素子２００の作製方法を説明する。まず、縦横の長さが１０ｃｍ×８ｃｍの大きさに切断した２枚のポリカーボネートフィルム（ＰＣ）基板上にＩＺＯ透明電極を形成してエッチングによりパターニングし、０．２４ｍｍピッチのストライプ状の電極を形成する。ストライプ状の電極は、３２０×２４０ドットのＱＶＧＡ（Quarter Video Graphics Array）表示ができるよう、２枚のＰＣフィルム基板上には、それぞれ３２０本と２４０本のストライプ状の電極を形成する。
【００３２】
電極が形成された基板に配向膜としてポリイミドを厚さ５００Åに塗布し、硬化後にラビングを行う。ラビングの方向は、２枚の基板を重ね合わせたとき、直交する方向（クロスラビング）とする。ラビング後、一方のＰＣフィルム基板上にフォトレジストをパターニングして、高さ５μｍの柱状の構造体を形成する。その後、どちらか一方のＰＣフィルム基板上の周縁部にエポキシ系のシール材を塗布して２枚のＰＣフィルム基板を貼り合わせる。これにより、液晶を注入するための均一な空隙ができる。
【００３３】
次に、ＰＣフィルム基板に形成した注入口から選択反射波長が黄色〜オレンジ色に調整されたコレステリック液晶を真空注入した後、エポキシ系の封止材で注入口を封止する。また、各表示素子に駆動用のドライバＩＣを接続する。そして、液晶表示素子２００の背面に紺色を有する単結晶シリコン型の光電変換素子を設ける。これにより、白／紺の表示を実現できる。
【００３４】
なお、単結晶シリコン型の光電変換素子は以下の方法により作製する。まず、ｐ型シリコン基板の受光面側にｎ型不純物原子をドーピングし、ｎ型不純物領域であるｎ層を形成し、ｐ層とｎ層との間にｐｎ接合面を形成する。つぎに、ｎ層上にパッシベーション膜および反射防止膜を形成する。その後、フォトリソグラフィにより反射防止膜などをパターン化し、ｎ層と接続するように表面電極を形成する。つぎに、受光面と反対側の非受光面に、高濃度のｐ型不純物領域であるｐ＋層を形成し、ｐ＋層の上に裏面電極を形成してシリコン太陽電池の完成となる。
【００３５】
液晶表示素子２００と光電変換素子３００は接着剤を用いて接着され、光電変換素子３００の表面電極ならびに裏面電極から液晶表示素子２００の駆動回路へ電力が供給されるよう配線されている。
【００３６】
なお、液晶表示素子２００が非表示状態のときには、コレステリック液晶を光を透過するフォーカルコニック状態とし、光電変換素子３００による発電効率が高まるようにしている。例えば、本表示デバイス１００が電子機器に組み込まれ、電子機器の電源ＯＦＦを検出した場合に、コレステリック液晶がフォーカルコニック状態となるよう制御し、光電変換素子３００の発電した電力を蓄電するようにする。こうすることで、電子機器を使用しない状態でも蓄電が行なわれ、エネルギーを効果的に使用できる。
【００３７】
上記の作製例では、表示素子の反射色（コレステリック液晶の選択的に反射する色）が黄色で、光電変換素子の反射色が紺色の場合を説明したが、例えば表示素子の反射色がシアン（波長４９０μｍ〜５００μｍ）で光電変換素子の反射色が赤色（波長６０５μｍ〜７５０μｍ）である場合は、次のようにして作製できる。まず、液晶表示素子２００は、図４（ｂ）を参照してシアン色を示す波長４９０μｍ〜５００μｍでピークを示すＳ４を求め、図４（ａ）からＳ４のブレンド比を求める。Ｓ４はブレンド比が６２％であるので、青色と赤色のコレステリック液晶を５：３の比率とすることでシアン色を呈するコレステリック液晶が得られることになる。この液晶を液晶表示素子２００に用いればよい。光電変換素子３００は、例えば赤色を呈する色素増感型の光電変換素子を用いればよい。
【００３８】
表示素子の反射色が緑色（波長５００μｍ〜５６０μｍ）で光電変換素子の反射色がマゼンダ色（波長７５０μｍ〜７８０μｍ）である場合は、同様に図４を用いて青色と赤色のコレステリック液晶のブレント比を１：１とすることで緑色を呈するコレステリック液晶が得られる。そして、光電変換素子３００は、例えばマゼンダ色を呈する色素増感型の光電変換素子を用いればよい。他の表示素子の反射色、光電変換素子の反射色せ同様にして作製できる。
【００３９】
本発明の表示デバイスは電子ペーパーに好適に用いることができる。
【００４０】
以上の実施例は、コレステリック液晶を用いた表示素子について述べたが、本発明は反射と透過により表示を行う表示素子であれば同様の効果が得られる。よって、本発明はコレステリック液晶による表示素子に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４１】
１００  表示デバイス
２００  液晶表示素子
２１０  上基板
２２０  下基板
２３０  走査電極
２４０  データ電極
２５０  コレステリック液晶
２６０  封止材
２７０  プレーナ状態部分
２８０  フォーカルコニック状態部分
２９０  フォーカルコニック状態部分
３００  光電変換素子
４００  駆動回路
４１０  制御回路
４２０  走査電極ドライバ
４３０  データ電極ドライバ
【図１】
2012058703.tif 000003
【図２】
2012058703.tif 000004
【図３】
2012058703.tif 000005
【図４】
2012058703.tif 000006
【図５】
2012058703.tif 000007
【図６】
2012058703.tif 000008