JP3954619B2

JP3954619B2 - 液晶表示装置

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Publication number: JP3954619B2
Application number: JP2005024368A
Authority: JP
Inventors: 修二早瀬; 和樹平; 寧森; 泰三西室
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2005182076A

Description

本発明は、液晶表示装置のうち、太陽電池を備える液晶表示装置に関するものである。

液晶による表示装置は、ＣＲＴ表示装置、プラズマ表示装置等に比べて消費電力が少なく、かつ薄型にできることから、例えば、ＰＤＡ端末、携帯電話、ノートパソコン、ビデオカメラ等の表示素子として盛んに使用されている。一方、アモルファスシリコン太陽電池や単結晶シリコン太陽電池に代表される太陽電池は、光を照射するだけで発電可能なため、電卓等に用いられている。

ところで、液晶による表示装置に太陽電池を搭載し、太陽電池により得られる電力を利用して表示装置を駆動することにより表示装置の消費電力を省力化することが検討されている。この一例として、液晶表示面が含まれている平面内に太陽電池を設置する案がある。しかしながら、太陽電池の設置面積が制限されるため、得られる電力に限界がある。

このようなことから、液晶表示面の背面側に太陽電池を配置することが試みられている。例えば、特許文献１の段落［００１６］には、バックライト光源の出力光が液晶表示素子の照明に完全に利用されきれていないことに着目し、液晶表示素子の照明に利用されていない部分（例えば、前記公報の図２におけるバックライト光源１２の背面側）に太陽電池を設けることで、特別なエネルギーを必要とすることなく、液晶駆動用の電圧を得ることが開示されている。

しかしながら、液晶表示素子を照明するための光路でない部分に太陽電池を設けるだけでは、太陽電池から大きな電力を得ることが困難であった。
特開平７−３６４１７号公報

本発明は、太陽電池を備える液晶表示装置であって、一定光量の光源による太陽電池発電量が向上された液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る液晶表示装置は、液晶セルと、
前記液晶セルの背面側に光を照射する光源と、
前記光を前記液晶セルに導く導光板と、
前記液晶セルと前記導光板の間に配置されており、光透過領域と、外部から入射した光を前記液晶セル側に反射させると共に前記外部から入射した光で光電変換反応を行う太陽電池から形成された反射・光電変換領域とを備える半透過反射手段と、
前記半透過反射手段と前記導光板の間に配置されており、前記液晶セルによる表示に必要な偏光成分を透過させると共に前記偏光成分とは異なる偏光成分を前記導光板側に反射させる反射偏光手段と
を具備することを特徴とする。

本発明に係る液晶表示装置によれば、液晶表示の視認性を損なうことなく、光源一定光量当りでの太陽電池の発電量を向上することができ、省電力化を図ることができる。

本発明に係る第１の液晶表示装置は、液晶セルと、
前記液晶セルの背面側に光を照射する光源と、
前記光を前記液晶セルに導く導光板と、
前記液晶セルと前記導光板の間に配置されており、前記液晶セルによる表示に必要な偏光成分を透過させると共に前記偏光成分とは異なる偏光成分を前記導光板側に反射させる反射偏光手段と、
前記導光板の側面もしくは背面と対向する位置で前記光が透過するように配置される太陽電池と
を具備する。

液晶セルに含まれる液晶としては、例えば、ＴＮ（twisted nematic）形、ＧＨ（guest-host）形、ＥＣＢ（electrically controlled birefringence）形、ＳＴＮ（super-twisted nematic）形、ＳＢＥ（super-twisted birefringence effect）形等に属するものを挙げることができる。

光源としては、例えば、発光管を備えるものを使用することができる。発光管としては、例えば、蛍光管（例えば、冷陰極管、熱陰極管など）、電球などを挙げることができる。

導光板は、例えば、透明性を有する樹脂から形成することができる。透明性を持つ樹脂としては、例えば、アクリル樹脂などを挙げることができる。導光板には、反射率を高めるために背面に反射板を配置することができる。かかる反射板としては、例えば、アルミニウム箔、ＴｉＯ₂粒子が含有された薄膜等を使用することができる。

本発明に係る第１の液晶表示装置は、光拡散性を高めるために拡散板をさらに備えることができる。

反射偏光手段は、円偏光成分のうち一方のみを透過させ、かつ他方を反射させる機能（円偏光二色性）を有することが望ましい。かかる機能を有する反射偏光手段としては、例えば、コレステリック液晶が含まれているシートを備えるものを挙げることができる。

太陽電池としては、例えば、結晶性シリコン型太陽電池、ポリシリコン型太陽電池、ＣｄＳ／ＣｄＴｅのような化合物半導体型太陽電池、色素増感型太陽電池等を使用することができる。

この第１の液晶表示装置によれば、一定光量の光源での太陽電池発電量を増加させることができるため、省電力化を図ることができる。

導光板と導光板の側面に配置されるバックライトとを備える液晶表示装置においては、導光板の入光部が小さいため、バックライトの出力光のうち約５０％程度しか導光板に入射されず、残りは熱として消失しまう。そのうえ、導光板から液晶セルに入射される光のうち特定の偏光成分しか液晶セルによる表示に利用することができないため、残りの偏光成分も熱として消失せざるおえない。よって、光源から照射された光のうちかなりの光が熱として消失しているのが現状である。

第１の液晶表示装置によれば、光源から導光板に入射し、導光板で液晶セル側に反射された光は、反射偏光手段において、液晶セルによる表示に必要な偏光成分が反射偏光手段を透過し、同時に、前記偏光成分とは異なる偏光成分が前記反射偏光手段で前記導光板側に反射される。このため、反射光を太陽電池の発電に利用することができる。この反射光の中には、導光板で液晶セル側に再度反射される光が存在する。このような光は、再度、反射偏光手段により選択的透過・選択的反射がなされるため、選択的透過させたものを液晶セルの表示に利用することができ、また、選択的反射されたものを太陽電池の発電に利用することができる。さらに、選択的反射されたものの中には、導光板で液晶セル側に再度反射される光が存在するため、このような光について、三度、反射偏光手段により選択的透過・選択的反射を行うことができる。

従って、反射偏光手段による選択的透過・選択的反射が繰り返されることによって、液晶セルによる表示で利用しない光成分を高い効率で太陽電池の発電に利用することができるため、一定光量当りの太陽電池発電量を増加させることができる。また、熱として消失する分を少なくすることができるため、光の利用効率を高くすることができる。

本発明に係る第１の液晶表示装置の一例を図１〜図３を参照して説明する。

図１は本発明に係る第１の液晶表示装置の一例の概略構成を示す断面図で、図２、図３は図１の液晶表示装置の動作を図解したフローチャートである。

この液晶表示装置は、２枚の偏光板１ａ、１ｂと、偏光板１ａと偏光板１ｂの間に配置される液晶セル２とを備える。この液晶セル２は、例えば、１対の基板（例えば、ガラス基板）間にＴＮ形液晶層が挟持された構造を有する。導光板３は、例えば、正面３ａが水平で、かつ背面３ｂが傾斜しているアクリル板から形成されている。このような導光板３は、液晶セル２の背面側に配置されている。光源は、蛍光ランプ４と、蛍光ランプ４の背面を囲んでいる湾曲した反射板５とを備える。この光源は、導光板３の側面と対向するように配置されている。反射偏光手段６は、液晶セル２と導光板３の間に配置されている。この反射偏光手段６は、導光板３側に位置するコレステリック液晶含有フィルム７と、液晶セル２側に位置するλ／４波長板８とを備える。コレステリック液晶含有フィルム７は、円偏光成分のうち一方のみを透過させ、かつ他方を反射させることができる。太陽電池９は、導光板３の背面３ｂと間隔を開けて対向するように配置されている。

この図１に示すような構成の液晶表示装置の動作を図２〜図４を参照して説明する。蛍光ランプ４から発せられた光の一部は、直接導光板３に入射し、また、他の一部は反射板５で反射された後に導光板３に入射される。導光板３に入射された光Ａは、液晶セル２側に反射される。この反射光のうち、左廻りの円偏光成分あるいは右廻りの円偏光成分いずれか一方のみ（円偏光成分Ｂ）がコレステリック液晶含有フィルム７を透過し、残りの円偏光成分Ｃが導光板３側に反射される。

コレステリック液晶含有フィルム７を透過した円偏光成分Ｂは、λ／４波長板８により直線偏光Ｄに変換される。この直線偏光Ｄのうち特定方向に振動する光Ｅだけが偏光板１ｂを透過し、この透過光Ｅが液晶セル２に入射し、この入射光が偏光板１ａを透過するか、入射光が偏光板１ａで遮断されるかの違いにより明暗が変化し、液晶表示がなされる。

一方、コレステリック液晶含有フィルム７により導光板３側に反射された他の円偏光成分Ｃは、偏光が解消される。この反射光Ｆの一部（ａ）は、太陽電池９に吸収され、電力に変換される。また、反射光Ｆの別な一部（ｂ）は、導光板３で液晶セル２側に反射される。この反射光Ｆは、一方の円偏光成分Ｂのみがコレステリック液晶含有フィルム７を透過し、かつ他方の円偏光成分Ｃがコレステリック液晶含有フィルム７で反射される。コレステリック液晶含有フィルム７を透過したものについては、λ／４波長板８で直線偏光Ｄに変換され、この直線偏光Ｄのうち特定方向に振動する光Ｅだけが偏光板１ｂを透過し、この透過光Ｅが液晶セル２に入射し、液晶表示がなされる。一方、コレステリック液晶含有フィルム７で反射された他の円偏光成分Ｃは、一部（ａ）は太陽電池９の発電に利用され、また、他の一部（ｂ）は、導光板３で液晶セル２側に反射され、反射偏光手段６により選択的透過・選択的反射がなされる。

従って、図３に示すように、光源から照射された光は、反射偏光手段６により選択的透過・選択的反射がなされ、透過光Ｌ₁は液晶セル２による表示に利用され、また、反射光Ｍ₁の一部は太陽電池９の発電に利用され、同時に、他の一部が導光板３で再度反射されて反射偏光手段６に到達する。この光は、反射偏光手段６により選択的透過・選択的反射がなされ、透過光Ｌ₂は液晶セル２による表示に利用され、また、反射光Ｍ₂の一部は太陽電池９の発電に利用され、他の一部が導光板３で再度反射されて反射偏光手段６に到達する。到達した光は、反射偏光手段６により選択的透過・選択的反射がなされ、透過光Ｌ₃は液晶セル２による表示に利用され、また、反射光Ｍ₃の一部は太陽電池９の発電に利用され、同時に、他の一部が導光板３で再度反射されて反射偏光手段６に到達する。

このような反射偏光手段６による選択的透過・選択的反射が繰り返されることによって、反射偏光手段６での反射光Ｍ、つまり液晶セル２による表示に利用できない円偏光成分を太陽電池９の発電に効率良く利用することができるため、光源から照射される一定光量当りの発電量を向上することができる。同時に、反射光Ｍから、液晶セル２による表示に必要な円偏光成分（反射偏光手段６の透過光Ｌ）を再度抽出することが可能であるため、熱変換による消失分を少なくすることができ、光の利用効率を向上することができる。

第１の液晶表示装置は、カラー化のためのカラーフィルター、その他視認性を向上させるための部材等を備えることができる。この一例を図４に示す。前述した図１に示す構成の第１の液晶表示装置においては、偏光板１ａと液晶セル２の間にカラーフィルター１０を配置することができる。

なお、前述した図１〜図４に示す構成の液晶表示装置においては、導光板３の背面と対向する位置に太陽電池９を導光板３から離して配置したが、図５に示すように反射板５の反射面５ａに太陽電池９を配置しても良い。また、湾曲した形状に加工された太陽電池９を反射板５の代わりに使用することも可能である。

また、前述した図１〜図４に示す構成の液晶表示装置においては、透過型液晶表示装置に適用した例を説明したが、半透過型の液晶表示装置にも同様に適用することができる。

第１の液晶表示装置に使用される太陽電池としては、色素増感型太陽電池を使用することが望ましい。

色素増感型太陽電池は、光受光面を有する基板と、前記基板の内面に形成される透明導電膜と、前記透明導電膜に形成されており、表面に色素が吸着されているｎ型半導体電極と、前記ｎ型半導体電極と対向する対向基板及び前記対向基板の前記ｎ型半導体電極と対向する面に形成される導電膜を有する対向電極と、前記対向電極の前記導電膜と前記ｎ型半導体電極間の電荷輸送を中継する電解質とを具備する。

以下、前記電解質、前記透明導電膜、前記ｎ型半導体電極、前記色素、前記対向基板及び前記導電膜について説明する。

１）電解質
電解質の形態は、液状、ゲル状、固体にすることができる。

電解質は、可逆的な酸化還元対を含むことが好ましい。

前記可逆的な酸化還元対は、例えば、ヨウ素（Ｉ₂）とヨウ化物の混合物、ヨウ化物、臭化物、ハイドロキノン、ＴＣＮＱ錯体等から供給することができる。特に、Ｉ^-とＩ₃ ^-からなる酸化還元対が好ましい。この酸化還元対は、例えば、ヨウ素とヨウ化物の混合物から供給される。ヨウ化物としては、例えば、アルカリ金属のヨウ化物、有機化合物のヨウ化物、ヨウ化物の溶融塩等を挙げることができる。

電解質は、さらに有機溶媒を含有することができる。

２）透明導電膜
前記透明導電膜は、可視光領域の吸収が少なく、かつ導電性を有することが好ましい。かかる透明導電膜には、フッ素あるいはインジウムなどがドープされた酸化スズ膜、フッ素あるいはインジウムなどがドープされた酸化亜鉛膜などが好ましい。また、伝導性向上させて抵抗の上昇を防ぐ観点から、前記透明導電膜と併用して低抵抗な金属マトリクスを配線することが望ましい。

３）ｎ型半導体電極
ｎ型半導体電極は、可視光領域の吸収が少ない透明な半導体から構成することが望ましい。かかる半導体としては、金属酸化物半導体が好ましい。具体的には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、亜鉛、インジウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデンあるいはタングステンなどの遷移金属の酸化物、ＳｒＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＭｇＴｉＯ_３、ＳｒＮｂ_２Ｏ_６のようなペロブスカイト、あるいはこれらの複合酸化物または酸化物混合物、ＧａＮなどを挙げることができる。中でも、ＴｉＯ₂が好ましい。

前記ｎ型半導体電極の表面に吸着される色素としては、例えば、ルテニウム−トリス型の遷移金属錯体、ルテニウム−ビス型の遷移金属錯体、オスミウム−トリス型の遷移金属錯体、オスミウム−ビス型の遷移金属錯体、ルテニウム−シス−ジアクア−ビピリジル錯体、フタロシアニン、ポルフィリン等を挙げることができる。

４）対向基板
この対向基板は、可視光領域の吸収が少なく、かつ導電性を有することが好ましい。かかる基板には、酸化スズ膜、酸化亜鉛膜などが好ましい。

５）導電膜
この導電膜は、例えば、白金、金、銀のような金属から形成することができる。

色素増感型太陽電池の一例を図６に示す。図６は、色素増感型太陽電池の一例を電極積層方向に沿って切断した際に得られる断面図である。

すなわち、ガラス基板１１上には、透明導電膜１２が形成されている。透明なｎ型半導体電極１３は、前記透明導電膜１２上に形成される。この半導体電極１３は、微粒子１４の集合体を含む。また、前記半導体電極１３の表面には色素が単分子吸着している。透明半導体電極１３の表面は樹脂状構造のように自己相似性を持ったフラクタル形状とすることが可能である。対向電極１５は、ガラス基板１６と、前記ガラス基板１６の表面のうち前記半導体電極１３と対向する表面に形成された導電膜１７とから構成される。電解質（例えば、ゲル状電解質）１８は、前記半導体電極１３中の細孔に保持されると共に、前記半導体電極１３と前記導電膜１７との間に介在される。絶縁樹脂（例えば、エポキシ系樹脂）を含有する封口部材１９は、ガラス基板１１とガラス基板１６の間に配置され、ガラス基板１１とガラス基板１６の間に密閉空間を形成している。

このような光増感型太陽電池では、前記ガラス基板１１側から入射した光２０をｎ型半導体電極１３の表面に吸着されている色素が吸収した後、前記色素がｎ型半導体電極１３へ電子を渡すと共に、前記色素が電解質１８にホールを渡すことによって光電変換を行う。

次いで、本発明に係る第２の液晶表示装置の一例について説明する。

この液晶表示装置は、
液晶セルと、
前記液晶セルの背面側に光を照射する光源と、
前記光を前記液晶セルに導く導光板と、
前記液晶セルと前記導光板の間に配置されており、外部から入射した光を前記液晶セル側に反射させると共に太陽電池による光電変換反応が生じる反射・光電変換領域及び光透過領域を備える半透過反射手段と
を具備する。

前記液晶セル、前記導光板及び前記光源としては、前述した第１の液晶表示装置で説明したのと同様なものを使用することができる。

半透過反射手段としては、例えば、金属粒子を堆積することにより得られる薄膜の導光板側の面に太陽電池を島状に形成したもの、貫通孔が形成されている金属板の導光板側の面に太陽電池を島状に形成したもの等を使用することができる。太陽電池としては、前述した第１の液晶表示装置で説明したのと同様なものを使用することができる。

半透過反射手段のうち好ましいのは、偏光板に一体化されている色素増感型太陽電池を使用するものである。かかる偏光板一体型色素増感型太陽電池は、偏光板に形成される透明導電膜と、前記透明導電膜上に形成される半導体電極と、前記半導体電極と対向するように配置される対向電極とを備える。また、前記半導体電極は、ＴｉＯ₂粒子が含有されているｎ型半導体粒子と、前記ｎ型半導体粒子の表面に吸着される色素とを含むものである。

かかる半透過反射手段によれば、外部から入射した光を太陽電池のｎ型半導体電極で反射させることができる。また、太陽電池が反射領域となるため、太陽電池間に存在する隙間は、光透過領域として機能することができる。

この第２の液晶表示装置は、光源からの光を半透過反射手段の光透過領域を通して液晶セルに照射することができると共に、自然光や室内照明光等の外部からの光を半透過反射手段の反射・光電変換領域で液晶セル側に反射させることができるため、透過型表示機能と反射型表示機能とを同時に実現することができる。反射・光電変換領域は、より液晶セル側に近いため、液晶表示に利用されなかった光を太陽電池の発電に効率良く利用することができ、一定光量の光源での発電量を向上することができる。また、熱に変換されて消失する分を少なくすることができるため、光の利用効率を高くすることができる。

半透過反射手段として、前述した偏光板一体型色素増感型太陽電池を使用することによって、ＴｉＯ₂粒子が含有されているｎ型半導体粒子は光反射性を有するため、ｎ型半導体電極で外光を反射させることができる。また、太陽電池が反射領域として機能するため、太陽電池間に存在する隙間は、光が透過する領域として機能することができる。さらに、色素増感型太陽電池が偏光板に直接形成されているため、液晶セルとの距離が近くなり、液晶表示に利用されなかった光を発電に効率良く利用することができ、発電量を多くすることができる。

また、色素増感型太陽電池は、ＴｉＯ₂を含む半導体電極を使用するために透明であり、液晶セルの近くに配置しても液晶画面が太陽電池の持つ色で着色されず、視認性を保つことができる。

第２の液晶表示装置においては、半透過反射手段と導光板の間に反射偏光手段を配置することが好ましい。太陽電池が液晶セルの近辺に配置されているため、反射偏光手段による選択的透過・選択的反射を繰り返すことにより液晶セルに入射する光量を高くすると、太陽電池の発電量を増加させることができる。

第２の液晶表示装置は、カラー化のためのカラーフィルター、その他視認性を向上させるための部材等を備えることができる。

第２の液晶表示装置の一例を図７〜図８に示す。図７は本発明に係る第２の液晶表示装置の一例を示す断面図で、図８は図７の液晶表示装置の要部を示す拡大断面図である。なお、図７〜図８においては、前述した図１〜図６で説明したのと同様な部材について同符号を付して説明を省略する。

図７に示す構成の液晶表示装置は、２枚の偏光板１ａ、１ｂと、液晶セル２と、導光板３と、蛍光ランプ４及び反射板５を有する光源とを備える。色素増感型太陽電池２１は、偏光板１ｂの導光板３側の面に島状に形成されている。図８に示すように、色素増感型太陽電池２１は、偏光板１ｂの導光板３側の面に形成されている透明導電膜１２と、透明導電膜１２上に形成されている透明なｎ型半導体電極１３とを備える。この半導体電極１３は、ＴｉＯ₂粒子が含有されている金属酸化物半導体粒子２２と、前記半導体粒子２２の表面に吸着されている色素とを含む層状物である。対向電極１５は、ガラス基板１６と、前記ガラス基板１６の表面のうち前記半導体電極１３と対向する表面に形成された導電膜１７とから構成される。電解質（例えば、ゲル状電解質）１８は、前記半導体電極１３中の細孔に保持されると共に、前記半導体電極１３と前記導電膜１７との間に存在する。絶縁樹脂（例えば、エポキシ系樹脂）を含有する封口部材１９は、偏光板１ｂとガラス基板１６の間に配置され、偏光板１ｂとガラス基板１６の間に密閉空間を形成している。

このような構成の液晶表示装置によれば、蛍光ランプ４から導光板３に入射して液晶セル２側に反射された光ａは、島状の太陽電池２１間に存在する隙間を透過して偏光板１ｂに入光する。すなわち、太陽電池２１間に存在する隙間２３は、透過領域として機能する。一方、自然光や室内灯などの外光ｂは、各太陽電池２１のｎ型半導体電極１３で液晶セル２側に反射され、偏光板１ｂに入光する。つまり、ｎ型半導体電極１３は、反射領域として機能する。

従って、光透過領域と外光を液晶セル側に反射させる反射領域とを備える半透過反射手段を太陽電池２１で兼ねることができるため、液晶表示装置の構造を簡略化することができる。

また、偏光板１ｂに太陽電池２１が一体化されているため、太陽電池２１と液晶セル２の距離が近くなり、液晶セル２で利用されなかった光を太陽電池２１の発電に効率良く利用することができる。その結果、一定光量での太陽電池２１の発電量を向上することができると共に、光の熱変換による消失を少なくして光の利用効率を高くすることができる。

さらに、ＴｉＯ₂粒子を含むｎ型半導体電極は、透明性が高いため、太陽電池２１全体の透明性を高くでき、液晶表示画面が太陽電池の持つ色で着色されず、液晶表示画面の視認性を維持することができる。

この第２の液晶表示装置の別な例を図９に示す。図９は本発明に係る第２の液晶表示装置の別な例を示す断面図である。なお、図９においては、前述した図１〜図８で説明したのと同様な部材について同符号を付して説明を省略する。

この液晶表示装置は、前述した図７に示す構成の液晶表示装置において、さらに反射偏光手段６を備えるものである。

反射偏光手段６は、半透過反射手段を兼ねる色素増感型太陽電池２１と導光板３との間に配置されている。この反射偏光手段６は、導光板３側に位置するコレステリック液晶含有フィルム７と、液晶セル２側に位置するλ／４波長板８とを備える。

この図９に示す構成の液晶表示装置によれば、蛍光ランプ４から発せられた光の一部は、直接導光板３に入射し、また、他の一部は反射板５で反射された後に導光板３に入射される。導光板３に入射された光Ａは、液晶セル２側に反射される。この反射光のうち、左廻りの円偏光成分あるいは右廻りの円偏光成分いずれか一方のみ（円偏光成分Ｂ）がコレステリック液晶含有フィルム７を透過し、残りの円偏光成分Ｃが導光板３側に反射される。

コレステリック液晶含有フィルム７を透過した円偏光成分Ｂは、λ／４波長板８により直線偏光Ｄに変換される。この直線偏光Ｄは、色素増感型太陽電池２１間に存在する隙間２３（光透過領域）を通り、特定方向に振動する光Ｅだけが偏光板１ｂを透過し、この透過光Ｅが液晶セル２に入射し、この入射光が偏光板１ａを透過するか、入射光が偏光板１ａで遮断されるかの違いにより明暗が変化し、液晶表示がなされる。

一方、コレステリック液晶含有フィルム７により導光板３側に反射された他の円偏光成分Ｃは、偏光が解消される。反射光の一部は、導光板３で液晶セル２側に反射される。この反射光は、一方の円偏光成分Ｂのみがコレステリック液晶含有フィルム７を透過し、かつ他方の円偏光成分Ｃがコレステリック液晶含有フィルム７で反射される。コレステリック液晶含有フィルム７を透過したものについては、λ／４波長板８で直線偏光Ｄに変換された後、光透過領域２３を通過し、この直線偏光Ｄのうち特定方向に振動する光Ｅだけが偏光板１ｂを透過し、この透過光Ｅが液晶セル２に入射し、液晶表示がなされる。一方、コレステリック液晶含有フィルム７で反射された他の円偏光成分Ｃの一部は、導光板３で液晶セル２側に反射され、反射偏光手段６により選択的透過・選択的反射がなされる。

このような反射偏光手段６による選択的透過・選択的反射が繰り返されることによって、反射偏光手段６での反射光、つまり液晶セル２による表示に利用できない円偏光成分Ｃから、液晶セル２による表示に必要な円偏光成分Ｂ（反射偏光手段６の透過光Ｂ）を再度抽出することが可能になる。よって、円偏光成分Ｂの光量を高くすることができるため、一定光量の光源に対する太陽電池２１の発電量を向上することができる。また、熱変換による消失分を少なくすることができるため、光の利用効率を向上することができる。

次いで、本発明に係る第３の液晶表示装置の一例について説明する。

この液晶表示装置は、液晶セルと、
前記液晶セルの背面側に光を照射する光源と、
前記液晶セルの背面側に配置されており、前記光を前記液晶セルに導く導光板と、
前記導光板の背面に形成される透明導電膜と、前記透明導電膜上に形成され、ＴｉＯ₂粒子を含有するｎ型半導体粒子を含む半導体電極と、前記半導体電極と対向するように配置される対向電極とが備えられている色素増感型太陽電池と
を具備する。

前記液晶セル、前記光源、前記導光板としては、前述した第１の液晶表示装置で説明したのと同様なものを挙げることができる。また、前記色素増感型太陽電池に含まれる透明導電膜と、半導体電極と、対向電極としては、前述したのと同様なものを挙げることができる。

本発明に係る第３の液晶表示装置によれば、光源から導光板に入射した光を、色素増感型太陽電池の半導体電極で液晶セル側に反射させることができるため、散乱による消失分を少なくすることができ、光の利用効率を高くすることができる。また、導光板に直に色素増感型太陽電池の発電要素が形成されているため、導光板に入射した光のエネルギーで色素増感型太陽電池を効率良く加熱することができ、色素増感型太陽電池のエネルギー変換効率を高くすることができ、発電量を増加させることができる。

この第３の液晶表示装置の一例を図１０に示す。図１０は本発明に係る第３の液晶表示装置の一例を示す断面図である。なお、図１０においては、前述した図１〜図９で説明したのと同様な部材について同符号を付して説明を省略する。

図１０に示す構成の液晶表示装置は、２枚の偏光板１ａ、１ｂと、液晶セル２と、導光板３と、蛍光ランプ４及び反射板５を有する光源とを備える。色素増感型太陽電池２１は、導光板３に一体化されている。この色素増感型太陽電池２１は、導光板３の背面に形成されている透明導電膜１２と、透明導電膜１２上に形成されている透明なｎ型半導体電極１３とを備える。この半導体電極１３は、ＴｉＯ₂粒子が含有されている金属酸化物半導体粒子２２と、前記半導体粒子２２の表面に吸着されている色素とを含む層状物である。対向電極１５は、ガラス基板１６と、前記ガラス基板１６の表面のうち前記半導体電極１３と対向する表面に形成された導電膜１７とから構成される。電解質（例えば、ゲル状電解質）１８は、前記半導体電極１３中の細孔に保持されると共に、前記半導体電極１３と前記導電膜１７との間に存在する。絶縁樹脂（例えば、エポキシ系樹脂）を含有する封口部材１９は、導光板３とガラス基板１６の間に配置され、導光板３とガラス基板１６の間に密閉空間を形成している。

図１０に示す構成の液晶表示装置によれば、蛍光ランプ４から直接、もしくは反射板５で反射された後に導光板３に入射した光ｘは、ｎ型半導体電極１３で液晶セル側に反射される。反射光ｙのうち、特定の振動方向を持つ直線偏光が偏光板１ｂを透過して液晶セル２に入射され、液晶表示がなされる。

よって、導光板３の反射率を高くすることができるため、散乱による消失を少なくすることができる。同時に、導光板３の表面に直接、色素増感型太陽電池２１の発電要素が形成されているため、導光板３への入射光ｘによるエネルギーで発電要素を効率良く加熱することができ、色素増感型太陽電池２１のエネルギー変換効率を高くすることができる。

図１０に示す構成の液晶表示装置においては、偏光板１ｂと導光板３との間に反射偏光手段６を配置することが好ましい。このような構成にすることによって、液晶表示に必要な偏光成分以外の光成分を効率良く太陽電池２１の発電に利用することができるため、一定光量当りの太陽電池２１の発電量をさらに増加させることができる。

また、前述した図１０に示す構成の液晶表示装置においては、透過型液晶表示装置に適用した例を説明したが、半透過型の液晶表示装置にも同様に適用することができる。

次いで、本発明に係る第４の液晶表示装置の一例について説明する。

この液晶表示装置は、液晶セルと、前記液晶セルの背面側に光を照射する発光管とを備える。前記発光管は、背面に形成される透明導電膜と、前記透明導電膜上に形成され、ＴｉＯ₂粒子を含有する半導体粒子を含む半導体電極と、前記半導体電極と対向する対向電極とが備えられている色素増感型太陽電池を兼ねる。

前記発光管としては、例えば、蛍光管（例えば、冷陰極管、熱陰極管など）、電球などを挙げることができる。

前記液晶セルとしては、前述した第１の液晶表示装置で説明したのと同様なものを挙げることができる。また、前記色素増感型太陽電池に含まれる透明導電膜と、半導体電極と、対向電極としては、前述した第１の液晶表示装置で説明したのと同様なものを挙げることができる。

本発明に係る第４の液晶表示装置によれば、発光管の反射板として色素増感型太陽電池を使用しているため、発電のための光量を十分に確保することができる。同時に、発光管の表面に直に色素増感型太陽電池の発電要素が形成されているため、発光管から発せられる熱エネルギーで発電要素を効率良く加熱することができ、色素増感型太陽電池のエネルギー変換効率を高くすることができる。その結果、一定光量の光源での色素増感型太陽電池の発電量を増加させることができる。

この第４の液晶表示装置の一例を図１１〜図１２に示す。図１１は本発明に係る第４の液晶表示装置の一例を示す断面図で、図１２は図１１の液晶表示装置の要部を示す拡大断面図である。なお、図１１〜図１２においては、前述した図１〜図１０で説明したのと同様な部材について同符号を付して説明を省略する。

図１１に示す構成の液晶表示装置は、２枚の偏光板１ａ、１ｂと、液晶セル２と、導光板３と、蛍光ランプ４を有する光源とを備える。色素増感型太陽電池２１は、蛍光ランプ４に一体化されており、反射板として機能する。この色素増感型太陽電池２１は、蛍光ランプ４の背面に形成されている透明導電膜１２と、透明導電膜１２上に形成されている透明なｎ型半導体電極１３とを備える。この半導体電極１３は、ＴｉＯ₂粒子が含有されている金属酸化物半導体粒子と、前記半導体粒子の表面に吸着されている色素とを含む層状物である。対向電極１５は、ガラス基板１６と、前記ガラス基板１６の表面のうち前記半導体電極１３と対向する表面に形成された導電膜１７とから構成される。電解質（例えば、ゲル状電解質）１８は、前記半導体電極１３中の細孔に保持されると共に、前記半導体電極１３と前記導電膜１７との間に存在する。絶縁樹脂（例えば、エポキシ系樹脂）を含有する封口部材１９は、蛍光管４の表面とガラス基板１６の間に配置され、蛍光管４の表面とガラス基板１６の間に密閉空間を形成している。

図１１に示す構成の液晶表示装置によれば、色素増感型太陽電池２１が蛍光ランプ４の反射板を兼ねているため、発電のための光量を十分に確保することができる。また、色素増感型太陽電池２１の発電要素が蛍光ランプ４の表面に直接形成されているため、蛍光ランプ４から発せされる熱エネルギーを色素増感型太陽電池２１に効率良く伝達して加熱することができ、色素増感型太陽電池２１のエネルギー変換効率を向上することができる。よって、色素増感型太陽電池２１の発電量を大幅に増加させることができる。

また、前述した図１１に示す構成の液晶表示装置においては、透過型液晶表示装置に適用した例を説明したが、半透過型の液晶表示装置にも同様に適用することができる。

本発明に係る第１〜第４の液晶表示装置は、太陽電池により充電可能な電気回路を備えることができる。かかる電気回路の一例を図１３に示す。図１３は、本発明に係る第１〜第４の液晶表示装置に含まれる、太陽電池により充電可能な電気回路を示すブロック図である。すなわち、湾曲した形状の太陽電池９は、蛍光ランプ４の背面側に配置されており、反射板としての機能を兼ねる。この太陽電池９は、逆流防止ダイオード３１を備えた二次電池３２と電気的に接続されている。太陽電池９で発電された電力は、この二次電池３２に蓄えられる。二次電池３１としては、例えば、ニッケルカドミウム二次電池やニッケル水素二次電池のようなアルカリ二次電池、リチウムイオン二次電池のような非水電解質二次電池を挙げることができる。

また、本発明に係る第１〜第４の液晶表示装置は、液晶表示部としての液晶パネルへ電力供給を行うための電気回路を備えることができる。かかる電気回路の一例を図１４に示す。図１４は、本発明に係る第１〜第４の液晶表示装置における電力供給の流れの一例を示すブロック図である。

太陽電池９または二次電池３２から供給される電流は、電圧安定化回路３３及び昇圧回路３４を備えるＬＣＤコントローラ３５を用いて操作され、液晶パネル３６に電力が供給される。

[実施例]
以下、本発明の実施例を前述した図面を参照して詳細に説明する。

なお、以下に説明する実施例及び比較例の液晶表示装置は、それぞれ、前述した図１３に示す逆流防止ダイオード３１を備えたリチウムイオン二次電池３２と、前述した図１４に示す構成の電力供給回路とを備えている。

（実施例１）
以下に説明する方法で製造した色素増感型太陽電池を用いて、前述した図１に示す構成を有する透過型の液晶表示装置を得た。

平均一次粒径が３０ｎｍのＴｉＯ₂粉末に硝酸を添加した後、純水とともに混練し、さらに界面活性剤で安定化させたペーストを作製した。透明導電膜であるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜が表面に形成されているガラス基板上にペーストを塗布した後、温度４５０℃で３０分間熱処理を行うことにより、ＴｉＯ₂粉末を含有する膜状物を得た。

次いで、シス−ビス(シオシアナト)−N，N−ビス（２，２’−ジピリジル−４，４’−ジカルボン酸）−ルテニウム(II)二水和物）の乾燥エタノール溶液（温度約８０℃）に浸漬したのち、アルゴン気流中で引き上げることにより、ＴｉＯ₂粉末の表面に色素であるルテニウム錯体を担持させ、ｎ型半導体電極を得た。

ガラス基板に、白金をつけたフッ素ドープ酸化錫電極（導電膜）を形成し、対向電極を得た。この対向電極とｎ型半導体電極との間にスペーサを介在させた状態で、対向電極の周縁とｎ型半導体電極の周縁との間に電解質注入口のためのスペースを残してエポキシ樹脂を充填し、光電変換素子ユニットを得た。

次いで、１−メチル−３−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、よう化テトラプロピルアンモニウム、よう化カリウム及びヨウ素を溶解させ、電解質を調製した。この電解質に、ポリ（４−ビニルピリジン）を溶解させた。その後、その溶液に１，６−ジブロモヘキサンを溶解させることにより、ゲル電解質前駆体である電解質組成物を得た。

光電変換素子ユニットの注入口から電解質組成物を注入した後、注入口をエポキシ樹脂で封口した後、ホットプレートで加熱して電解質組成物をゲル化させることにより、前述した図６に示す構造を有する色素増感型太陽電池を製造した。

（実施例２）
ＫＢｒ板上に前述した実施例１で説明したのと同様なペーストを塗布した後、４５０℃で３０分間熱処理を行うことにより、ＴｉＯ₂粉末を含有する膜状物を得た。この膜状物をシス−ビス(シオシアナト)−N，N−ビス（２，２’−ジピリジル−４，４’−ジカルボン酸）−ルテニウム(II)二水和物）の乾燥エタノール溶液（温度約８０℃）に浸漬したのち、アルゴン気流中で引き上げることにより、ＴｉＯ₂粉末の表面に色素であるルテニウム錯体を担持させた。ひきつづき、この膜状物の表面にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜をスパッタで形成し、積層膜を得た。

アクリル樹脂製の導光板の表面に積層膜をＩＴＯ膜が導光板と接するように配置し、これらを接着剤を用いて接着した。これらを水に浸漬することによりＫＢｒを除去し、導光板の表面にｎ型半導体電極を転写した。

実施例１で説明したのと同様な対向電極と導光板との間にスペーサを介在させた状態で、対向電極の周縁と導光板との間に電解質注入口のためのスペースを残してエポキシ樹脂を充填し、光電変換素子ユニットを得た。

次いで、光電変換素子ユニットの注入口から実施例１で説明したのと同様な電解質組成物を注入した後、注入口をエポキシ樹脂で封口し、ホットプレートで加熱して電解質組成物をゲル化させることにより、前述した図１０に示す構造の、導光板と一体化した色素増感型太陽電池を製造した。

実施例１の液晶表示装置における導光板３の代わりに、この導光板一体型色素増感型太陽電池を用いると共に、導光板３の背面側に配置した太陽電池９を取り除き、実施例２の液晶表示装置を得た。

（実施例３）
蛍光ランプに使用するガラス管の表面に透明導電膜を装備し、その上部にインクジェット方式により前述した実施例１で説明したのと同様なペーストを塗布した後、４５０℃で３０分間熱処理をした。その後、同じ極率のガラスをスペーサーを分散させながら密着させ、熱融着により対極を固定した。スペーサーの隙間から前述した実施例１で説明したのと同様な電解質組成物を注入した後、注入口を封止し、加熱することにより電解質組成物をゲル化させ、湾曲した色素増感型太陽電池を製造した。

実施例１の液晶表示装置における蛍光ランプ４の反射板５の代わりに、湾曲形状を持つ太陽電池９を使用すると共に、導光板３の背面側に配置した太陽電池９を取り除き、実施例３の液晶表示装置を得た。

（比較例１）
反射偏光手段６を用いないこと以外は、前述した実施例１で説明したのと同様にして、図１５に示す構成の液晶表示装置を製造した。

（比較例２）
反射偏光手段６を用いないこと以外は、前述した実施例３で説明したのと同様にして、図１６に示す構成の液晶表示装置を製造した。

実施例１〜３及び比較例１〜２の液晶表示装置について、太陽電池から得られた電力をＤＣ−ＤＣコンバーターにより４．５Ｖに昇圧した後、リチウムイオン二次電池に充電した。次いで、実施例１〜３及び比較例１〜２の液晶表示装置をリチウムイオン二次電池を駆動電源として作動させ、作動時間を測定し、その結果を比較例１の作動時間を１００として下記表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１〜３の液晶表示装置は、リチウムイオン二次電池を駆動電源とした際の使用時間が、比較例１〜２の液晶表示装置に比べて長いことがわかる。この結果から、実施例１〜３の液晶表示装置によると、一定光量の光源での太陽電池の発電量を向上できることがわかる。

（実施例４）
ガラス製偏光板の表面にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を島状に形成した。島状のＩＴＯ膜それぞれの上に前述した実施例１で説明したのと同様なペーストを塗布した後、４５０℃で３０分間熱処理を行うことにより、ＴｉＯ₂粉末を含有する膜状物を得た。これらをシス−ビス(シオシアナト)−N，N−ビス（２，２’−ジピリジル−４，４’−ジカルボン酸）−ルテニウム(II)二水和物）の乾燥エタノール溶液（温度約８０℃）に浸漬したのち、アルゴン気流中で引き上げることにより、ＴｉＯ₂粉末の表面に色素であるルテニウム錯体を担持させ、偏光板上にｎ型半導体電極を形成した。

実施例１で説明したのと同様な対向電極とｎ型半導体電極との間にスペーサを介在させた状態で、対向電極の周縁と偏光板との間に電解質注入口のためのスペースを残してエポキシ樹脂を充填し、光電変換素子ユニットを得た。

次いで、光電変換素子ユニットの注入口から実施例１で説明したのと同様な電解質組成物を注入した後、注入口をエポキシ樹脂で封口し、ホットプレートで加熱して電解質組成物をゲル化させることにより、前述した図８に示す構造の、偏光板と一体化した色素増感型太陽電池を製造した。

得られた偏光板一体型色素増感型太陽電池を用いて、前述した図７に示す構造を有する半透過型の液晶表示装置を製造した。

（実施例５）
太陽電池２１と導光板３の間に、コレステリック液晶含有シート７及びλ／４波長板８を備える反射偏光手段６を配置すること以外は、前述した実施例４で説明したのと同様にして前述した図９に示す構成を備える半透過型の液晶表示装置を製造した。

（比較例３）
前述した図１５に示す構造を有する比較例１の液晶表示装置において、ガラス製偏光板の表面にアルミニウム製の半透過反射膜を形成し、比較例３の半透過型液晶表示装置を得た。

実施例４〜５及び比較例３の半透過型の液晶表示装置について、前述したのと同様な条件でリチウムイオン二次電池を駆動電源として作動させた際の作動時間を測定し、その結果を比較例３の作動時間を１００として下記表２に示す。

表２から明らかなように、実施例４〜５の液晶表示装置は、リチウムイオン二次電池を駆動電源とした際の使用時間が、比較例３の液晶表示装置に比べて長いことがわかる。この結果から、実施例４〜５の液晶表示装置によると、一定光量の光源での太陽電池の発電量を向上できることがわかる。

（実施例６）
前述した実施例２で説明したのと同様な導光板一体型色素増感型太陽電池を用いて、前述した図１０に示す構成を有する透過型の液晶表示装置を得た。

（比較例４）
導光板の背面に色素増感型太陽電池を形成する代わりに、市販のアモルファスシリコン太陽電池を形成すること以外は、前述した実施例６で説明したのと同様な構成を有する透過型の液晶表示装置を得た。

実施例６及び比較例４の透過型の液晶表示装置について、前述したのと同様な条件でリチウムイオン二次電池を駆動電源として作動させた際の作動時間を測定し、その結果を比較例４の作動時間を１００として下記表３に示す。

表３から明らかなように、実施例６の液晶表示装置は、リチウムイオン二次電池を駆動電源とした際の使用時間が、比較例４の液晶表示装置に比べて長いことがわかる。この結果から、実施例６の液晶表示装置によると、一定光量の光源での太陽電池の発電量を向上できることがわかる。

（実施例７）
蛍光ランプのガラスチューブの表面にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を形成した。このＩＴＯ膜上に前述した実施例１で説明したのと同様なペーストを塗布した後、４５０℃で３０分間熱処理を行うことにより、ＴｉＯ₂粉末を含有する膜状物を得た。これらをシス−ビス(シオシアナト)−N，N−ビス（２，２’−ジピリジル−４，４’−ジカルボン酸）−ルテニウム(II)二水和物）の乾燥エタノール溶液（温度約８０℃）に浸漬したのち、アルゴン気流中で引き上げることにより、ＴｉＯ₂粉末の表面に色素であるルテニウム錯体を担持させ、ガラスチューブ上にｎ型半導体電極を形成した。

実施例１で説明したのと同様な対向電極とｎ型半導体電極との間にスペーサを介在させた状態で、対向電極の周縁とガラスチューブとの間に電解質注入口のためのスペースを残してエポキシ樹脂を充填し、光電変換素子ユニットを得た。

次いで、光電変換素子ユニットの注入口から実施例１で説明したのと同様な電解質組成物を注入した後、注入口をエポキシ樹脂で封口し、ホットプレートで加熱して電解質組成物をゲル化させることにより、前述した図１２に示す構造の、蛍光ランプと一体化した色素増感型太陽電池を製造した。

得られた蛍光ランプ一体型色素増感型太陽電池を用いて、前述した図１１〜図１２に示す構成を有する透過型の液晶表示装置を得た。

（比較例５）
蛍光ランプの背面に色素増感型太陽電池を形成する代わりに、蛍光ランプの背面に市販のアモルファスシリコン太陽電池を形成すること以外は、前述した実施例７で説明したのと同様な構成を有する透過型の液晶表示装置を得た。

実施例７及び比較例５の透過型の液晶表示装置について、前述したのと同様な条件でリチウムイオン二次電池を駆動電源として作動させた際の作動時間を測定し、その結果を比較例５の作動時間を１００として下記表４に示す。

表４から明らかなように、実施例７の液晶表示装置は、リチウムイオン二次電池を駆動電源とした際の使用時間が、比較例５の液晶表示装置に比べて長いことがわかる。この結果から、実施例７の液晶表示装置によると、一定光量の光源での太陽電池の発電量を向上できることがわかる。

本発明に係る第１の液晶表示装置の一例の概略構成を示す断面図。図１の液晶表示装置の動作を図解したフローチャート。図１の液晶表示装置の動作を図解した別のフローチャート。本発明に係る第１の液晶表示装置の別な例の概略構成を示す断面図。本発明に係る第１の液晶表示装置における太陽電池の配置の一例を示す断面図。本発明に係る液晶表示装置に用いられる色素増感型太陽電池の一例を電極積層方向に沿って切断した際に得られる断面図。本発明に係る第２の液晶表示装置の一例の概略構成を示す断面図。図７の液晶表示装置の要部を示す拡大断面図。本発明に係る第２の液晶表示装置の別な例の概略構成を示す断面図。本発明に係る第３の液晶表示装置の一例の概略構成を示す断面図。本発明に係る第４の液晶表示装置の一例の概略構成を示す断面図。図１１の液晶表示装置の要部を示す拡大断面図。本発明に係る第１〜第４の液晶表示装置に含まれる、太陽電池により充電可能な電気回路を示すブロック図。本発明に係る第１〜第４の液晶表示装置における電力供給の流れの一例を示すブロック図。比較例１の液晶表示装置の概略構成を示す断面図。比較例２の液晶表示装置の概略構成を示す断面図。

符号の説明

１ａ、１ｂ…偏光板、２…液晶セル、３ａ…導光板正面、３ｂ…導光板背面、３…導光板、４…蛍光ランプ、５…反射板、６…反射偏光手段、７…コレステリック液晶含有シート、８…４／λ波長板、９…太陽電池。

Claims

液晶セルと、
前記液晶セルの背面側に光を照射する光源と、
前記光を前記液晶セルに導く導光板と、
前記液晶セルと前記導光板の間に配置されており、光透過領域と、外部から入射した光を前記液晶セル側に反射させると共に前記外部から入射した光で光電変換反応を行う太陽電池から形成された反射・光電変換領域とを備える半透過反射手段と、
前記半透過反射手段と前記導光板の間に配置されており、前記液晶セルによる表示に必要な偏光成分を透過させると共に前記偏光成分とは異なる偏光成分を前記導光板側に反射させる反射偏光手段と
を具備することを特徴とする液晶表示装置。
前記太陽電池は、色素増感型太陽電池であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
前記半透過反射手段は、偏光板と、前記偏光板に光透過領域となる隙間を開けて形成された色素増感型太陽電池からなる反射・光電変換領域とを具備することを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
前記反射偏光手段は、コレステリック液晶含有シートを備えることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の液晶表示装置。
前記反射偏光手段は、前記導光板側に配置されたコレステリック液晶含有シートと、前記半透過反射手段側に配置されたλ／４波長板を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の液晶表示装置。