JP4066503B2

JP4066503B2 - 太陽電池付反射型ディスプレイ

Info

Publication number: JP4066503B2
Application number: JP10496898A
Authority: JP
Inventors: 教尊中曽
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1998-04-15
Filing date: 1998-04-15
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2018-04-15
Also published as: JPH11295726A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示駆動電力の一部或いはすべての電力を、情報表示面に形成した太陽電池によって供給する反射型ディスプレイに関するものであり、さらに詳しくは、反射型カラー液晶ディスプレイにおいては、そのカラーフィルターの役割を補うか、或いは損なわずに太陽電池機能を有する太陽電池付反射型ディスプレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の平面型の画像表示ディスプレイは、その代表的な構造として図６に示すように、光の偏光と液晶材料の特性を利用して光の透過と遮光を電気的に制御する光透過率制御層（１０）としての液晶の背面に、発光層（４０）（通称バックライト）を設けている。
【０００３】
また、色表現によって情報表示を行うディスプレイにおいて、幅広いスペクトル分布をした光にマスクをかけて各画素の配色パターンに求められる波長域の光だけを通すようにするために、光源から観察者に至る光の行路の何処かにカラーフィルター（５０）が配設されている。
【０００４】
このカラーフィルター（５０）は、図７にその例を示すように、一般には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の配色された画素パターンについて、それらの発光程度の割こよって画像等の情報を表示する場合に、表示を鮮明化する等の手段としてブラックマトリクス（ＢＭ）と呼ばれるクロム等の無透過パターンをガラス基板（５２）上に形成されている。
【０００５】
上記カラーフィルター（５０）の３色の配色された画素パターンのうち、２色或いは３色の光透過スペクトルは、図８に示すように、可視光領域において多くを重なり合わない分布を持ち、各画素の液晶の配向性を図７に示すＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）でなる透明電極（１２）に印加する電圧の制御によって制御することで、可視光領域の波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）において様々なフルカラー化を実現するものである。
【０００６】
また、これら従来の液晶を用いたディスプレイの発展として、画面周囲に発光管を配置し、光ファイバーによって画面全体を背面から照らすもので、この発光管の代わりに、図９に示すように、エレクトロルミネッセンス発光素子（１４）を用いたディスプレイが考案されているが、画面全体にエレクトロルミネッセンス発光素子（１４）を配し、選択的に電流を流すことで発光させるものも開発されている。この場合、特に有機エレクトロルミネッセンス発光素子（１４）によって構成すれば低電圧且つ高効率の自発光型ディスプレイが実現されている。
【０００７】
また、他方、さらに低消費電力のディスプレイとして開発されたのが、反射型液晶ディスプレイと呼ばれるものである。これは、発光層（４０）としてのバックライトを有せず、外部からの室内光や太陽光の反射率を変えることによって画像や文字などの情報を画面表示するものであって、一般の印刷物に近い自然な表示が可能なだけでなく、それ自ら発光する必要が無いために、相対的に少ないエネルギーで駆動出来る利点を持つものである。
【０００８】
図１０、図１１および図１２に上記反射型カラー液晶ディスプレイの構造の一例を示す。ＩＴＯでなる透明電極（１２）とアルミ反射板でなる反射層（２０）の間の光透過率制御層（１０）としての液晶（１６）に電圧を印加して各色の光の透過度を変えるもので、図１０に示すディスプレイでは、偏光板（５４）下方のアルミ反射板でなる反射層（２０）で外光が反射されて観察者に反射される。また、図１１に示すディスプレイでは、光透過率制御層（１０）としてＨＡＮ液晶と呼ばれる液晶（１６）を用いたもので偏光板（５４）が一枚で良い。また、図１１に示すディスプレイでは、下方のアルミ反射板でなる反射層（２０）が液晶の電極として機能するように設計されており、紙の様な白さを出すために表面が粗されている。なおここで使用される液晶（１６）は強誘電体でゲストホスト液晶と称されるものであり、一度形成した情報をエネルギーを消耗することなく保持でき、さらに低消費電力化が可能と考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術における反射型液晶ディスプレイあるいはエレクトロルミネッセンスディスプレイであっても、自体の情報表示（液晶への電圧印加）駆動のみならず、電気信号処理部（ＣＰＵ）等の半導体演算記憶素子等の駆動、ディスク等の記憶装置の駆動に多くの電力を必要とし、長時間の使用では体積あるいは重量のある電池を共に運ばなくてはならず、使用者の負担となり、当然のことながら、電池の消耗によってその使用時間には限りがあった。
【００１０】
また、表示部に対してのみであっても、それ自体が電池を必要としなければ、演算部や記憶部等と物理的に分離可能にし、表示画面（ディスプレイ）の設置が自由となる他、ディスプレイを備えた器具の使用形態を格段に自由に出来ることは想像に難くない。
【００１１】
しからば、太陽電池（３０）を反射型ディスプレイに応用するにも、太陽電池の形成される部分では画像表示が出来ず、表示画面が制約を受ける問題があった。さらに、太陽電池（３０）に用いられる光電気変換層は可視光領域で透明でないものが多く、反射型カラー液晶ディスプレイではその画面表示部に形成すると表示される情報の色彩が影響されることから、画像表示部の周囲の小面積に形成する他になかった。
【００１２】
さらに、太陽電池（３０）を光透過率制御層（１０）より背面側に形成するために、発生した電力をとりだす為の電極を作ると、電極それ自身の色が表示画面に影響し、正確な情報伝達や画像表示が困難になる等の問題があった。
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、その課題とするところは、表示駆動電力の一部或いはすべての電力を、情報表示面に形成した太陽電池によって供給する反射型ディスプレイにおいて、特に、カラーフィルターを有する反射型カラー液晶ディスプレイにおけるカラーフィルターの役割を補うか、あるいは損なわずに太陽電池機能を有する太陽電池付反射型ディスプレイを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に於いて上記課題を達成するために、まず請求項１の発明では、周期的に形成された多数の画素の相互の明暗の差あるいは色彩変化によって情報を観察者に視覚的に与え、観察者側に周囲光を反射し、光が反射される前後の行路において光の吸収あるいは遮光によって画像や文字情報を表示する反射型ディスプレイであって、観察者側から、少なくとも太陽電池、光の吸収あるいは遮光を行う光透過率制御層、反射層の順で構成される太陽電池付反射型ディスプレイにおいて、該太陽電池の背面側にカラーフィルター基板が配設され、該カラーフィルターを構成する導電性材料でなるブラックマトリックスと少なくとも部分的にそのパターンを一にして太陽電池の前面側電極とし、該太陽電池の可視光領域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光の透過率の平均値が５０％を越え、且つ、前記カラーフィルターの３色の配色パターンのうち１色あるいは２色の画素の領域にのみ太陽電池機能（光電気変換機能）を持たせることによって、前記以外の配色パターンの光の反射率を確保することを特徴とする太陽電池付反射型ディスプレイとしたものである。
【００１６】
また、請求項２の発明では、前記カラーフィルターの１色あるいは2 色の配色パターン領域について、配色の反射領域の光の透過率を他の配色部分とは異なる光電変換層膜で構成する太陽電池でなることを特徴とする請求項１記載の太陽電池付反射型ディスプレイとしたものである。
【００１７】
また、請求項３の発明では、前記光透過率制御層は、反射型液晶表示素子またはエレクトロルミネッセンス表示素子よりなることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池付反射型ディスプレイとしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
本発明の太陽電池付反射型ディスプレイに係わる液晶ディスプレイやエレクトロルミネッセンス（以下ＥＬと略す）ディスプレイは、通常、例えば図１０に示すように、２枚のガラス基板（５２）の間に光透過率制御層（１０）としての液晶（１６）等を挟み込むことによって作るのが一般的である。この２枚のガラス基板（５２）のうち、観察者側（Ｋ）のガラス基板（５２）には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の配色パターンとブラックマトリックスでなるカラーフィルター（５０）が配設されている（このガラス基板（５２）とカラーフィルター（５０）を併せてカラーフィルター基板（５）と呼ばれる）。このカラーフィルター基板（５）の場合、表面には通常赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のパターンが形成され、さらに、それらパターンの協会にはクロム膜をエッチングすることによって形成されたブラックマトリックスと呼ばれる編目模様の遮光域が形成されている。また、この３色のパターンは、レジストに顔料を分散させるなどで特定波長域の光のみ透過するものであり、上記ブラックマトリックスは、各画素間の明度や色の混じりによってコントラストが低下しないなどのために形成されるものである。
【００１９】
また、本発明の太陽電池付反射型ディスプレイに係わる太陽電池（３０）は、図１３にその例を示すようにＰ−Ｎ接合をなす一対の半導体（Ｎ型半導体（３２）、Ｐ型半導体（３４））の層と電力を取り出す前面電極（３６）と背面電極（３８）によってその基本的な単位を構成される。半導体材料の違いによって化合物半導体、アモルフアス太陽電池や、シリコン単結晶太陽電池等、様々なものが考案されている。
【００２０】
本発明の太陽電池付反射型ディスプレイでは、例えば図１に示すように、前記した２枚のガラス基板（５２）のうちの観察者側の基板（５２）に、光の透過可能な太陽電池（３０）を構成して、自身の駆動する電力を補う反射型液晶ディスプレイを作製する。
【００２１】
また、本発明に係わるカラーフィルター基板（５）は、ガラス等の透明基板に、ブラックマトリックスや色パターンが形成されるか、あるいはその他に反射防止膜等の膜が形成されているのみなので、太陽電池（３０）への作り込みに際して、太陽電池（３０）の厚さの不均一や、太陽電池（３０）作製過程における例えばＴＦＴ部の損傷や劣化を引き起こし、ディスプレイ自体の機能や表示の均一性を損なう可能性が無くなり容易となる。これをディスプレイに応用すれば、特に反射型液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイのような消費電力が極めて小さいものならば、少なくとも自身のエネルギー源として応用可能であり、エネルギー源不要のディスプレイを可能とる。
【００２２】
本発明に係わる太陽電池（３０）は、光電変換層を構成する材料とその組み合わせによって決まるある特定の波長より長い波長の光はエネルギーに変換出来ないという特徴を持つ。その波長の光より短波長の光エネルギーを吸収して電気エネルギーに変換する事によって電力を発生する。逆に、その変換の限界となる波長や、光の電力への変換効率の波長依存性にしたがって様々な色をもつことになる。例えば、アモルフアスシリコンを光電変換層としたものは、図１４に示すような光吸収（光電気変換効率）を持ち、そのために赤褐色をしている。
【００２３】
このアモルフアスシリコンを光電変換層とし、図１に示すように、ＩＴＯ等による透明電極（１２）として太陽電池（３０）の前面側電極（３６）に用いた反射型液晶ディスプレイ（２）とすれば、少なくとも赤に関して明るく表示可能な、赤と黒によって情報を表示する太陽電池付反射型液晶ディスプレイ（２）が作製可能である。この場合、ディスプレイの画素の間の編目状の領域にクロム等の微細な金属パターンを表裏に形成すればほとんど反射型液晶ディスプレイ自身の明るさに悪影響を与えることはない。
【００２４】
上記透明電極（１２）自体も４００ｎｍ以下など、波長によっては強く吸収するが、太陽電池（３０）の光電変換効率の高い波長において透明電極（１２）膜の光透過率が高ければ高効率で電力の取り出しが可能である。この透明電極（１２）の材料の選択については、多くは公知であるとともに本発明の主旨から外れるのでここでは説明しない。
【００２５】
以上説明したように、情報を表示するディスプレイの画面に亘って太陽電池を構成すれば電力供給機能を果たし、従来の太陽電池のようにその形成がディスプレイ面でも可能な為に、大きな電力の供給が可能となる。
【００２６】
また、反射型液晶ディスプレイ面以外に太陽電池の受光面を形成する必要がないから、カード型の携帯用情報処理端末等、表面全体をディスプレイとすることも可能である。
【００２７】
さらに、反射型カラー液晶ディスプレイについて説明すると、太陽電池付きとする場合には、次のようにカラーパターンに添った構成とすることで十分な精彩度と明るさを維持した反射型液晶ディスプレイを構成することが出来る。すなわち、前述したように、可視光に対して光電気変換能力を持つ膜はそれ特有の色を持つものであり、このため、図２に示すように、画像表示面の各色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）パターンをもつカラーフィルター（５０）の分布にあわせて太陽電池（３０）を構成することで、画像表示等で必要な目的とする色の再現が可能となる。
【００２８】
例えば、図３はカラーフィルター（５０）の赤色（Ｒ）パターンの部分にのみアモルフアスシリコンを用いた太陽電池（３０）を構成した例である。また、ｃｄｓを用いた場合は、青色（Ｂ）より短波長を吸収することから、黄色を表現することが出来る。さらに、この部分に顔料などによる赤を吸収する色材による膜を形成すれば緑（Ｇ）のパターンを形成することが可能となる。
【００２９】
このように、各色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）パターンに対して部分的に選択的に太陽電池（３０）を選択すれば、太陽電池（３０）のために供することのできる面積がより広く確保出来、さらに自由な色再現が可能になる利点を持つものである。
【００３０】
また、太陽電池（３０）の光電気変換膜自体にカラーフィルターの役割を果たさせ、また、顔料入りレジストによりなるカラーフィルターを併用することによっても、さらにカラーフィルターが色調調整のために用いられても本発明は制限を受けるものではない。
【００３１】
また、図４に示すように、各色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）パターンをもつカラーフィルター（５０）を観察者側（Ｋ）に設けるものではなく、例えば反射層（２０）に、光干渉光学膜によって反射する光の色を選択させることで各画素の配色を決定する場合についても同様である。本発明では、カラーフィルターを用いる場合を主に例として説明するが、光透過率制御層（１０）の背面側にこの光干渉光学膜によって発色するカラーフィルターを構成するものも同様に有効であり、これによって制限を受けるものではない。
【００３２】
ここで、各色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）パターンに追随して太陽電池（３０）の光電変換膜の材料構成を変えることは、フォトリソ工程などの公知の技術によって可能なことは明白である。
【００３３】
また、太陽電池（３０）の吸収する波長領域は、太陽電池（３０）を構成するＮ型半導体（３２）とＰ型半導体（３４）のハンド構造に起因することから、例えば、イオンドープと呼ばれる処理によって光の吸収波長を変え、色調を走査することが可能である。この場合に、画素のパターン化は、フォトリソ工程を用いて１色づつ構成してもよいし、ドープする原子やその量を各パターンにわけることによって構成しても良い。
【００３４】
特に、反射型液晶ディスプレイ（２）に太陽電池（３０）機能を持たせるには、太陽電池（３０）が光透過率制御層（１０）としての液晶（１６）より観察者側（Ｋ）にあるものは、可能な限り高い透過率を持たせなくてはならない。その前面側電極（３６）や背面側電極（３８）についても通常は光の入射する面は可能な限り光を透過するか、専有する面積の小さい材料構成をとらなくてはならない。
【００３５】
本発明では、太陽電池（３０）の光電変換膜に接する正負の電極を各画素の間に形成することで、太陽電池（３０）からの電力の取り出しを行うものである。また、各画素間領域に網目状の金属膜パターン等による遮光領域があっても、画素間の明暗や色彩コントラストを上げるのに役立つことが知られ、ブラックマトリックスと言われているものがある。
【００３６】
太陽電池（３０）にカラーフィルター（５０）を構成する場合、カラーフィルター（５０）を構成している上記ブラックマトリックスをそのままカラーフィルターの電極として用いることができる。現在の液晶ディスプレイに用いられているブラックマトリックスは、クロムで構成されているものが多いが、金属クロムのように全く光を透過しない材料でなくとも、透明もしくは半透明の材料を観察者側（Ｋ）に用いれば、この部分でも発電が行えるのは明白である。
【００３７】
また、ブラックマトリックスの部分を幹として、透明電極（１２）膜をそれの裏あるいは表に構成すれば、さらに効率よく電力取出し電極として働くことは明らかである。この透明電極（１２）膜が反射型液晶ディスプレイ（２）の前面に形成されているかあるいは一部かは本発明では問うものではなく、この面積が広ければ、光の透過率は多少であるが制限を受ける。しかし、電力取出しの効率が良くなるものである。
【００３８】
さらに図５に示すように、カラーフィルター（５０）の各色パターンの間にのみ太陽電池（３０）の光電変換素子を構成すれば、全く反射型液晶ディスプレイ（２）の明度や彩度に影響を与えることなく、太陽電池（３０）の機能をもった反射型液晶ディスプレイ（２）とすることができる。この場合には、太陽電池（３０）の観察者側（Ｋ）ではない面の背面側電極（３８）をクロムや銀等でなる光を全反射するもので構成すれば、これによる反射光によっても発電可能で、その効率をより高める効果がある。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は以上の構成であるから、下記に示す如き効果がある。
即ち、本発明の太陽電池付反射型ディスプレイにおいて、液晶等でなる光透過率制御層より観察者側に太陽電池を構成することによって、ディスプレイ特に、反射型液晶ディスプレイあるいはＥＬディスプレイと、その他演算や記録部で要するエネルギーを太陽電池で補うことを可能とした。
【００４０】
また、太陽電池の背面側電極をカラーフィルターのブラックマトリックスと共用することによって、太陽電池の機能を持たせながら画像表示の明度やコントラストを損なわない反射型液晶ディスプレイとすることができる。
【００４１】
従って本発明は、特に、反射型液晶カラーディスプレイの如き用途において、優れた実用上の効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す反射型液晶ディスプレイを側断面で表した説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示すカラー反射型液晶ディスプレイを側断面で表した説明図である。
【図３】本発明の他の一実施の形態を示すカラー反射型液晶ディスプレイを側断面で表した説明図である。
【図４】本発明の他の一実施の形態を示す太陽電池付反射型カラー液晶ディスプレイを側断面で表した説明図である。
【図５】本発明のさらに他の一実施の形態を示す太陽電池付反射型カラー液晶ディスプレイを側断面で表した説明図である。
【図６】本発明に係わる従来の平面型画像表示ディスプレイを側断面で表した説明図である。
【図７】本発明に係わるカラーフィルターの一例を側断面で表した説明図である。
【図８】本発明に係わるカラーフィルターの透過スペクトルを示すグラフである。
【図９】本発明に係わる従来のＥＬディスプレイの一例を側断面で表した説明図である。
【図１０】本発明に係わる従来のカラー液晶ディスプレイの一例を側断面で表した説明図である。
【図１１】本発明に係わる従来のカラー液晶ディスプレイの他の例を側断面で表した説明図である。
【図１２】本発明に係わる従来のカラー液晶ディスプレイのさらに他の例を側断面で表した説明図である。
【図１３】本発明に係わる太陽電池の一例を示す側断面図である。
【図１４】本発明に係わる太陽電池の光電変換層の一例における光吸収曲線である。
【符号の説明】
１‥‥太陽電池付反射型ディスプレイ
２‥‥太陽電池付反射型液晶ディスプレイ
５‥‥カラーフィルター基板
１０‥‥光透過率制御層
１２‥‥透明電極
１３‥‥ＭＩＭダイオード
１４‥‥エレクトロルミネッセンス発光素子
１６‥‥液晶
２０‥‥反射層
２２‥‥選択的反射層
３０‥‥太陽電池
３２‥‥Ｎ型半導体
３４‥‥Ｐ型半導体
３６‥‥前面側電極
３８‥‥背面側電極
４０‥‥発光層
５０‥‥カラーフィルター
５２‥‥ガラス基板
５４‥‥偏光板
ＢＭ‥‥ブラックマトリックス
Ｋ‥‥観察者側

Claims

周期的に形成された多数の画素の相互の明暗の差あるいは色彩変化によって情報を観察者に視覚的に与え、観察者側に周囲光を反射し、光が反射される前後の行路において光の吸収あるいは遮光によって画像や文字情報を表示する反射型ディスプレイであって、観察者側から、少なくとも太陽電池、光の吸収あるいは遮光を行う光透過率制御層、反射層の順で構成される太陽電池付反射型ディスプレイにおいて、該太陽電池の背面側にカラーフィルター基板が配設され、該カラーフィルターを構成する導電性材料でなるブラックマトリックスと少なくとも部分的にそのパターンを一にして太陽電池の前面側電極とし、該太陽電池の可視光領域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光の透過率の平均値が５０％を越え、且つ、前記カラーフィルターの３色の配色パターンのうち１色あるいは２色の画素の領域にのみ太陽電池機能（光電気変換機能）を持たせることによって、前記以外の配色パターンの光の反射率を確保することを特徴とする太陽電池付反射型ディスプレイ。
前記カラーフィルターの１色あるいは2 色の配色パターン領域について、配色の反射領域の光の透過率を他の配色部分とは異なる光電変換層膜で構成する太陽電池でなることを特徴とする請求項１記載の太陽電池付反射型ディスプレイ。
前記光透過率制御層は、反射型液晶表示素子またはエレクトロルミネッセンス表示素子よりなることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池付反射型ディスプレイ。