JP5387326B2 - 光発電偏光素子、その製造方法及びそれを用いた液晶ディスプレイ - Google Patents
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Description
本発明は光発電偏光素子、その製造方法及びそれを用いた液晶ディスプレイに関する。
一般に偏光板は、特定の振動方向の偏光のみを透過させる。この際、偏光板を透過しない光は吸収され、その光エネルギーの多くは熱エネルギーとして消費される。
例えば液晶ディスプレイにおけるエネルギー消費について説明する。液晶ディスプレイは、液晶層を２枚の偏光板で挟んだ構成を有する液晶パネルを含む。液晶ディスプレイは、光源であるバックライトから出た光のうち、当該２枚の偏光板を透過する光の量を制御することで画像の表示を行う。この様な液晶ディスプレイが白色を表示している場合において、バックライトから射出された光のうち液晶パネルを透過している光の割合は５％程度である。この場合、バックライトから射出された光を最も多く吸収しているのは、バックライト側にある偏光板である。このバックライト側の偏光板は、バックライトから射出された光のうち、およそ５５％〜６０％の光を吸収している。吸収された光のエネルギーの多くは、熱として消費されている。また、液晶ディスプレイ全体の消費電力のうち、大半はバックライトで消費されており、画面サイズが大きくなるほどこの傾向は強い。以上の様な状況を鑑みると、エネルギー損失の少ない偏光板が望まれる。
一方、近年、シリコン結晶を用いた太陽電池に比べ大面積の素子を安価に製造できるという特長があり、またフレキシブルなセルが実現可能であるため、特許文献１に開示されている様な色素増感型太陽電池の実用化が期待されている。この様な色素増感型太陽電池の発電原理を簡単に説明すると以下の通りである。照射された光を吸収した色素分子は励起され、その色素分子の電子は半導体である酸化チタンに注入される。一方で色素分子は、失われた電子を電解質から供給される。従って、酸化チタンと電解質との間に電位差が生じる。この電位差が電池として機能する。
前記の通り、エネルギー損失の少ない偏光板が望まれている。前記特許文献１に開示されている様な色素増感型太陽電池において色素分子は、特定の配向方向を与えられておらず、光に対して等方的である。そこで、色素分子として特定の配向性を与えた二色性分子を用いることで、色素増感型太陽電池を偏光素子としても機能させることが課題である。そして、このような素子は、エネルギー損失の少ない偏光素子となることが期待される。
そこで本発明は、エネルギー損失の少ない偏光素子である光発電偏光素子、その製造方法及びそれを用いた液晶ディスプレイを提供することを目的とする。
前記目的を果たすため、本発明の光発電偏光素子の一態様は、第１の透明基板上に形成されている第１の透明電極と、前記第１の透明電極上に形成されている電子捕集剤と、前記電子捕集剤上に配された一方向に配向している二色性色素と、一定の厚みを有した空間を形成して前記電子捕集剤を挟んで前記第１の透明電極と対峙する、第２の透明基板上に形成されている第２の透明電極と、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間の前記空間に配された電子供給剤と、を具備し、励起状態の前記二色性色素のエネルギー準位は前記電子捕集剤のエネルギー準位より高く、基底状態の前記二色性色素のエネルギー準位は前記電子供給剤のエネルギー準位より低い、ことを特徴とする。
また、本発明の光発電偏光素子の製造方法の一態様は、第１の透明基板の表面に形成した第１の透明電極上に高分子化合物薄膜を形成する工程と、前記高分子化合物薄膜に配向処理を施す工程と、前記配向処理が施された高分子化合物薄膜に金属を含む界面活性剤水溶液を、前記配向処理を施した前記高分子化合物薄膜上に塗布する工程と、前記界面活性剤水溶液を塗布した前記第１の透明基板を焼成することで、前記第１の透明電極上に前記金属により構成される一方向に配向したチューブ形状の細孔を有する細孔膜を形成すると共に前記界面活性剤を除去する工程と、前記チューブ形状の細孔内に二色性色素を前記一方向に配向させて導入する工程と、前記チューブ状細孔内に二色性色素を導入した第１の透明電極と第２の透明電極を形成した第２の透明基板とを、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とが対峙し一定間隔の間隙を有する状態で貼り合せる工程と、前記間隙に電子供給剤を封入する工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明の液晶ディスプレイの一態様は、前記光発電偏光素子を偏光板として用い、液晶セルと組み合わせた液晶ディスプレイにおいて、前記光発電偏光素子が発電した電力は当該液晶ディスプレイの動作に用いられることを特徴とする。
本発明によれば、色素として特定方向に配向する二色性色素を用いることで、偏光素子と光発電素子との機能を兼ね備えることができ、エネルギー損失の少ない光発電偏光素子、その製造方法及びそれを用いた液晶ディスプレイを提供できる。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る光発電偏光素子の構造の一例の概略を図１及び図２に示す。これらの図に示す様に、第１の透明基板１には、第１の透明導電膜２が形成されている。ここで、第１の透明基板１は、例えばガラス或いは耐熱性樹脂を含みうる。第１の透明導電膜２は、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）或いは酸化錫（ＳｎＯ２）を含みうる。第１の透明導電膜２の表面には、例えばポリイミド等の高分子薄膜からなる配向膜３が形成されている。そして、配向膜３上には、一方向に配向しているチューブ状の細孔を有する細孔膜４が形成されている。ここで、細孔膜４の材料としては酸化物半導体を用いることが望ましい。特に酸化物半導体の中でも、色素増感太陽電池に用いられる酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化インジウム及びその複合体等を用いることができる。特に色素増感太陽電池の材料として優れる酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いることが望ましい。
細孔膜４の細孔内には細孔の方向に従って二色性色素５が例えば充填されている。二色性色素５としては、例えばアゾ系色素であるコンゴレッド（３，３’−（１Ｅ，１’Ｅ）−ビフェニル−４，４’−ジイルビス（ジアゼン−２，１−ジイル）ビス（４−アミノナフタレン−１−スルホン酸）ナトリウム）等を用いることができる。
第２の透明基板６が、第１の透明基板１と対向して微小な間隙を保つように、シール部７が互いに接着されている。第２の透明基板６の第１の透明基板１と対向する面には、第２の透明導電膜８が形成されている。ここで、第２の透明基板６は、例えばガラス或いは耐熱性樹脂を含みうる。第２の透明導電膜８は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）或いは酸化錫（ＳｎＯ ２ ）を含みうる。シール部７で囲まれた第１の透明基板１と第２の透明基板６との間隙には、電解質９が封入されている。電解質９の溶媒としては、例えばアセトニトリル、メトキシアセトニトリル、炭酸エチレン等を用いることができる。電解質９の溶質としては、例えば１，２−ジメチル−３−ｎ−プロピルイミダゾリウムアイオダイド（ＤＭＰＩｍＩ）、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、ヨウ素（Ｉ２）、４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジン（ＴＢＰ）等を用いることができる。
次に、本実施形態に係る光発電偏光素子の発電原理を図３を参照して説明する。まず、本光発電偏光素子に光が入射すると、その光は二色性色素５に吸収される。二色性色素５に吸収された光は二色性色素５を励起する（図３中の点線矢印）。ここで励起された二色性色素５の電子は、例えばワイドギャップ半導体である酸化チタン等で構成される細孔膜４に受け渡される。細孔膜４が受け取った電子は、第１の透明導電膜２に移動する。一方、電子を失った二色性色素５は、第２の透明導電膜８と接している電解質９の例えばＩ−から電子を供給される。３Ｉ−は電子を供給するとＩ３ −となる。従って、電解質９の例えばＩ３ −は、第２の透明導電膜８から電子を受け取ろうとする。この様に、第１の透明導電膜２と第２の透明導電膜８との間には、電位差が発生する。第１の透明導電膜２と第２の透明導電膜８との間に外部回路が接続されていれば、第１の透明導電膜２に移動した電子は、外部回路を介して第２の透明導電膜８に移動する。そして、この電子は電解質９の例えばＩ３ −に移動し、Ｉ３ −は３Ｉ−となる。電子を失った二色性色素５は、電解質９の例えばＩ−から電子を供給される。この様に、第１の透明導電膜２と第２の透明導電膜８とに、外部回路を接続することによって、外部回路は光を吸収した本実施形態に係る光発電偏光素子から、電流を取り出すことができる。即ち、本光発電偏光素子は電池として機能する。
本光発電偏光素子の発電原理は前記の通りなので、励起状態の二色性色素５のエネルギー準位は、細孔膜４のエネルギー準位より高く、基底状態の二色性色素５のエネルギー準位は、電解質９のエネルギー準位より低いという関係を要する。
二色性色素５は、棒状の分子構造を有し、入射偏光の振動方向によって吸収係数が異なる色素である。即ち、二色性色素５では分子中に遷移モーメントが存在し、その方向と平行な振動方向を有する光は吸収されるが、直交する振動方向を有する光は吸収されない。細孔膜４の細孔内に吸着した二色性色素５は、細孔の一方向性により配向されるため、光学的に異方性を発現している。従って、当該光発電偏光素子に無偏光の光が入射すると、二色性色素の配向方向と電場の振動方向が一致した直線偏光は吸収される。この吸収された光のエネルギーは前記の発電に使われる。一方、二色性色素の配向方向と電場の振動方向が直交する方向の直線偏光は、当該光発電偏光素子を透過する。以上の様に、本光発電偏光素子は偏光板として機能する。
この様に、例えば第１の透明導電膜２は第１の透明基板上に形成されている第１の透明電極として機能し、例えば細孔膜４は第１の透明電極上に形成されている電子捕集剤として機能し、例えば二色性色素５は電子捕集剤上に配された二色性色素として機能し、例えば第２の透明導電膜８は第２の透明基板上に形成されている第２の透明電極として機能し、例えば電解質９は第１の透明電極と第２の透明電極との間の空間に配された電子供給剤として機能する。
次に本実施形態に係る光発電偏光素子の製造方法について図４を参照して説明する。まず、例えばガラス等からなる第１の透明基板１上に、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜等の第１の透明導電膜２を形成する。その上には、ポリイミド等の高分子薄膜３’を成膜する（図４、１段目）。ラビングローラ１０にラビング布１１を巻き付けたローラを、成膜した高分子薄膜３’の表面に接触させながら回転させることによって、ラビング処理を行い、高分子薄膜３’を配向膜３とする（図４、２段目）。ラビングの方向は、次に形成するメソポーラス酸化チタンのチューブ状の細孔の配向方向と直交する向きとする。
次に、円柱状のミセルを形成する界面活性剤と例えば酸化チタン前駆体の水溶液１２とを基板上に塗布する（図４、３段目）。次に前記基板を焼成することによって一方向に配向したチューブ状細孔を有する細孔膜４を得る（図４、４段目）。酸化チタン前駆体としては例えばＴｉＯＳＯ４を用いれば、メソポーラス酸化チタン薄膜を形成することができる。また、円柱状のミセルを形成する界面活性剤としては、例えばカチオン性界面活性剤であるセチルトリメチルアンモニウムクロライドや非イオン性界面活性剤であるポリオキシエチレン１０ラウリルエーテルやポリオキシエチレン１０セチルエーテル等を用いることができる。尚、焼成により、界面活性剤は除去される。
次に、二色性色素５の溶液に、細孔膜４を形成した基板を浸し、二色性色素５を吸着させる。二色性色素５吸着後、基板を二色性色素５の溶液から取り出し洗浄し、余分な色素を取り除き乾燥させる（図４、５段目）。
これとは別に作製した例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜である第２の透明導電膜８を形成した、例えばガラス等からなる第２の透明基板６と、前記二色性色素５をメソポーラス酸化チタン薄膜の細孔内に導入した第１の透明基板１とを、微小な間隙を保つようにシール部７で接着する。最後に、例えばシール部７に予め設けておいた注入口より、第１の透明基板１と第２の透明基板６との間隙に、電解質９を真空注入し、封止剤で電解質９を封じる（図４、６段目）。
尚、前記説明では電解質９は液体であるとして説明をした。しかしながら、電解質９の液漏れの恐れを排除するため、電解質９の代わりに可視光を透過するワイドギャップのＰ型半導体を、二色性色素５を吸着させた細孔膜４の上に形成し、その上に第２の透明導電膜８を形成した第２の基板６を接着しても良い。或いは第２の透明導電膜８を形成した第２の基板６上に可視光を透過するワイドギャップのＰ型半導体を形成し、それを二色性色素５を吸着させた細孔膜４の上に貼り合せても良い。電解質９は、二色性色素５が光励起によって失った電子を補充する役割を有している。これは二色性色素５の励起のため発生したホールを対向電極へ輸送するのと同等である。従って、可視光を透過するワイドギャップのＰ型半導体は、電解質９と同じ役割を担うことができる。
従来の偏光板は、無偏光の光源から入射した光のうち直線偏光を透過させるため、入射した光の多くを熱エネルギーとして消費していた。これに対して本実施形態に係る光発電偏光素子は、これまで熱エネルギーとして消費され無駄になっていたエネルギーを電気エネルギーとして取り出す電池として機能し、かつ、直線偏光を透過させる偏光板として機能する。従って、エネルギー損失が少ない偏光板ということができる。
尚、本実施形態に係る光発電偏光素子に利用した例えばメソポーラス酸化チタン等の細孔膜４は、二色性色素を配向させ、当該光発電偏光素子に偏光板として機能を持たせる役割を果たす。加えて、大きな表面積を有することで、固定する二色性色素の量を増加させ、発電効率を上昇させる役割を果たす。
次に本実施形態に係る光発電偏光素子を利用した、液晶ディスプレイについて図５を参照して説明する。本液晶ディスプレイにおいては、図５にその構造例の概略を示す様に、当該光発電偏光素子２０をバックライト側の偏光板として用いている。その他の構成は、一般的な液晶ディスプレイと同様である。即ち、本液晶ディスプレイは、光源としてのバックライト３１と、本実施形態に係る光発電偏光素子２０と、ＴＦＴ基板３２と、液晶層３３と、ＣＦ基板３４と、偏光板３５と、がこの順に積層された構造を有する。ＴＦＴ基板３２は、画素電極及びその駆動を制御する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を有する。液晶層３３は、光発電偏光素子２０を透過した偏光の振動方向を回転させる。ＣＦ基板３４は、対向電極としての透明電極と画像表示のカラー化のためのカラーフィルタ（ＣＦ）が形成されている。また、光発電偏光素子２０は、変圧回路３６に接続されている。変圧回路３６は、装置電源３７に接続されている。装置電源３７は、本液晶ディスプレイの動作のための電力を供給し、バックライト３１や、図示しないＴＦＴ用の駆動ドライバ等に接続している。
バックライト３１は光源として機能する。バックライト３１から射出された光は、光発電偏光素子２０に入射する。光発電偏光素子２０に入射した光のうち、二色性色素の配向方向と電場の振動方向が一致した直線偏光は吸収され、そのエネルギーは前記の通り発電に使われる。発電された電力は、変圧回路３６において変圧され、装置電源３７に送られる。一方、二色性色素の配向方向と電場の振動方向が直交する方向の直線偏光は、光発電偏光素子２０を透過する。
ＴＦＴ基板３２には、本液晶ディスプレイの各画素を構成する透明な画素電極と、画素電極のスイッチング素子として働くＴＦＴが形成されている。そして、ＴＦＴ基板３２上のＴＦＴを用いて、ＴＦＴ基板３２上の画素電極とＣＦ基板３４上の対向電極との電場を制御する。この電場制御により、液晶層３３中の液晶分子の向きを制御する。この液晶分子の向き制御により、光発電偏光素子２０を透過した偏光の振動方向の回転を制御する。ＣＦ基板３４上のカラーフィルタは、透過する光に色を付ける。この様な構成により、バックライト３１から射出され、カラーフィルタでカラー化された光のうち、偏光板３５を透過する光量を制御し、本液晶ディスプレイにカラー画像を表示させる。
従来の偏光板を用いた液晶ディスプレイでは、バックライトから射出した光のうちおよそ５５％〜６０％が、偏光板において吸収され、熱エネルギーとして消費されている。これに対して本液晶ディスプレイにおいては、バックライトから射出された光のうち、バックライト側の光発電偏光素子２０によって吸収された光のエネルギーの一部は、再び電気エネルギーとして装置電源３７に還元される。このため、本液晶ディスプレイ全体に関して省電力化を図ることができる。
ここでは当該光発電偏光素子を液晶ディスプレイに用いた例を説明したが、プラズマディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等、偏光板を使用する各種のディスプレイ装置に使用しても良い。当該光発電偏光素子を用いることにより、各種表示装置の省電力化を図ることができる。また、ディスプレイ装置に限らず、偏光板を使用する各種装置に用いることで、同様な効果を得ることができる。
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても、発明が解決しようとする課題の欄で述べられた課題が解決でき、かつ、発明の効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成も発明として抽出され得る。
１…第１の透明基板、２…第１の透明導電膜、３…配向膜、４…細孔膜、５…二色性色素、６…第２の透明基板、７…シール部、８…第２の透明導電膜、９…電解質、１０…ラビングローラ、１１…ラビング布、１２…酸化チタン前駆体とシリンダー状のミセルを形成する界面活性剤の水溶液、２０…光発電偏光素子、３１…バックライト、３２…ＴＦＴ基板、３３…液晶層、３４…ＣＦ基板、３５…偏光板、３６…変圧回路、３７…装置電源。
Claims (12)
- 第１の透明基板上に形成されている第１の透明電極と、
前記第１の透明電極上に形成されている電子捕集剤と、
前記電子捕集剤上に配された一方向に配向している二色性色素と、
一定の厚みを有した空間を形成して前記電子捕集剤を挟んで前記第１の透明電極と対峙する、第２の透明基板上に形成されている第２の透明電極と、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間の前記空間に配された電子供給剤と、
を具備し、
励起状態の前記二色性色素のエネルギー準位は前記電子捕集剤のエネルギー準位より高く、基底状態の前記二色性色素のエネルギー準位は前記電子供給剤のエネルギー準位より低い、
ことを特徴とする光発電偏光素子。 - 前記電子捕集剤は前記一方向に配向したチューブ形状の細孔を有する細孔膜形状であり、 前記二色性色素は前記細孔膜により前記チューブ形状の細孔内に、前記一方向に配向させられていることを特徴とする請求項１に記載の光発電偏光素子。
- 前記電子捕集剤はメソポーラス酸化チタンであることを特徴とする請求項１及び請求項２のうち何れか１項に記載の光発電偏光素子。
- 前記二色性色素はアゾ系色素であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の光発電偏光素子。
- 前記電子供給剤はヨウ素溶液であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の光発電偏光素子。
- 第１の透明基板の表面に形成した第１の透明電極上に高分子化合物薄膜を形成する工程と、
前記高分子化合物薄膜に配向処理を施す工程と、
前記配向処理が施された高分子化合物薄膜に金属を含む界面活性剤水溶液を、前記配向処理を施した前記高分子化合物薄膜上に塗布する工程と、
前記界面活性剤水溶液を塗布した前記第１の透明基板を焼成することで、前記第１の透明電極上に前記金属により構成される一方向に配向したチューブ形状の細孔を有する細孔膜を形成すると共に前記界面活性剤を除去する工程と、
前記チューブ形状の細孔内に二色性色素を前記一方向に配向させて導入する工程と、
前記チューブ状細孔内に二色性色素を導入した第１の透明電極と第２の透明電極を形成した第２の透明基板とを、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とが対峙し一定間隔の間隙を有する状態で貼り合せる工程と、
前記間隙に電子供給剤を封入する工程と、
を含むことを特徴とする光発電偏光素子の製造方法。 - 前記高分子化合物薄膜はポリイミド高分子薄膜であることを特徴とする請求項６に記載の光発電偏光素子の製造方法。
- 前記金属は酸化チタンであることを特徴とする請求項６及び請求項７のうち何れか１項に記載の光発電偏光素子の製造方法。
- 前記二色性色素はアゾ系色素であることを特徴とする請求項６乃至請求項８のうち何れか１項に記載の光発電偏光素子の製造方法。
- 前記電子供給剤はヨウ素溶液であることを特徴とする請求項６乃至請求項９のうち何れか１項に記載の光発電偏光素子の製造方法。
- 請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の前記光発電偏光素子を偏光板として用い、液晶セルと組み合わせた液晶ディスプレイにおいて、前記光発電偏光素子が発電した電力は当該液晶ディスプレイの動作に用いられることを特徴とする液晶ディスプレイ。
- 前記光発電偏光素子は、バックライト側の偏光板として用いられ、変圧回路を経て前記液晶ディスプレイの電源に接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の液晶ディスプレイ。
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