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JP6658758B2 - 構造体、透明ディスプレイ、照明装置、液晶表示装置および情報表示装置 - Google Patents

構造体、透明ディスプレイ、照明装置、液晶表示装置および情報表示装置 Download PDF

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JP6658758B2 JP2017536477A JP2017536477A JP6658758B2 JP 6658758 B2 JP6658758 B2 JP 6658758B2 JP 2017536477 A JP2017536477 A JP 2017536477A JP 2017536477 A JP2017536477 A JP 2017536477A JP 6658758 B2 JP6658758 B2 JP 6658758B2
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Description

本発明は、電圧印加および非印加によって光学特性が変化する電気光学機能層を有する光学素子と、透過率が高い透明板とが光学接合層を介して接合されている構造体に関する。
また、前記構造体を有する透明ディスプレイ、前記構造体を有する照明装置、当該照明装置を有する液晶表示装置、および前記構造体を有する情報表示装置に関する。
液晶化合物と樹脂の硬化物とを含む電気光学機能層が一対の電極付き基板に挟持された液晶光学素子(以下、光学素子と略する。)が知られている(特許文献1参照)。
特許文献1に記載の電気光学素子は、電気光学機能層に電圧を印加しないときは透明状態を示し、電圧を印加したときは、液晶化合物の分子の長軸が、その誘電異方性に従い、電界の方向(すなわち、誘電異方性が正)、またその法線方向(すなわち、誘電異方性が負)に配向しようとする。このとき、隣接する樹脂の硬化物に液晶化合物の配向が規制されることで、一軸の配向は妨げられて、電気光学機能層に入射する光を散乱する状態が得られる。このような光学素子は、電気光学機能層に入射する光を透過する際に、斜入射方向の透過率が高い点で、従来の高分子分散型液晶と区別される。そのため、このような光学素子は、その光学特性から、光学素子を単独で使用し、調光ガラスや表示装置として利用されることが提案されている。
特許文献1に記載されている光学素子は、素子に入射する環境光を透過および散乱することにより光学素子としての機能(例えば、表示装置では素子に入射する環境光の透過と散乱のコントラストにより文字などの情報を表示する機能。)を発揮する。そのため、例えば、夜間や暗環境などの素子に入射する環境光の強度が弱いと、散乱時の視認性が低下して、透過と散乱のコントラスト比が低下するために光学素子として十分に機能できない。
これに対し、特許文献2には、光学素子と、光学素子の非観察面の外側で光学素子の観察面から直接視認できない角度に光学素子を照明する光源を設けた画像表示装置が提案されている。このような構成とすることにより、環境光の光が弱くても、観察者は、表示を視認できるようになる。
また、液晶化合物を含まない透明表示装置として、透明有機LED表示装置が知られている。有機LED表示装置は、自発光型ディスプレイであることにより、発光部の視認性は、良好でコントラストの高い表示を提供可能である。
特開2000−119656号公報 特開2004−157492号公報
しかしながら、特許文献2の画像表示装置は、光学素子と照明との間に空気層を介した物理的な距離があるため、照明光が光学素子以外の部分に漏れてコントラストを高くできない、いわゆる光漏れの問題や、光学素子の透明部分では、照明光は、光学素子を透過して光学素子以外の場所を照明することになり、光学素子の透過と散乱のコントラストによる表示形成における光利用効率が低いという問題があった。光利用効率が低いと、視認性の良好な明るい表示を得るためには、光源数を増やす、または高輝度の照明が必要となり、光学素子と照明との間の空気層を介した物理的な距離の確保を含め、画像表示装置が嵩張り、適用される応用にも制限があった。
一方、透明有機LED表示装置は、電流駆動であるために抵抗値の低い透明電極が必要となる。抵抗値の低い透明電極には比較的厚い導電膜が必要となり、透明部分の透過率が低くなる問題がある。更に、有機LEDは、多層の薄膜から形成されており、その多層膜の干渉で透過部分が色づいたり、透過光が滲んだりする問題があった。
本発明は、前述の課題を鑑みてなされたものであり、光学素子の透明部分が透過光に色付きや滲みのない高い透明性を示し、散乱部分は、環境光の強度に依存せずに良好な視認性を有することで、表示コントラストが高い構造体の提供を目的とする。
また、本発明は、前記した構造体と光源とを利用した透明ディスプレイの提供を目的とする。さらに、本発明は、前記した透明ディスプレイと透明画像表示パネルを備えた液晶表示装置の提供を目的とする。
本発明に係る構造体は、少なくとも一方に電極が形成されている一対の透明基板と、前記一対の透明基板間に挟持されている電気光学機能層と、前記透明基板の少なくとも一方に、光学接合層を介して積層されている透明板と、を有し、前記電気光学機能層は、電圧の印加により入射光を透過する状態と散乱する状態とを制御でき、入射光を透過する状態において、前記透明基板の法線方向を0°とした場合の下記式3の測定角度の透過率が60%以上であり、
測定角度=arcsin(透明板と隣接する光学接合層以外の部分の媒体の屈折率/透明板の屈折率) … 式3
前記透明板は、光路長が50mmでの波長400nm〜700nmにおける波長域で平均内部透過率が80%以上である。
本発明の透明ディスプレイは、透明部の透過率が70%以上であり、表示面に対向する側から入射する光がない状態において、透明部と散乱部の輝度コントラスト比が4以上である。
本発明の照明装置は、透明部の透過率が70%以上であり、表示面に対向する側から入射する光がない状態において、透明部と散乱部の輝度コントラスト比が4以上である。
本発明の液晶表示装置は、液晶パネルと、前記照明装置を有する。
本発明の情報表示装置は、透明部分の透過率が70%以上であり、表示面に対向する側から入射する光がない状態において、透明部と散乱部の輝度コントラス比が4以上である。
本発明において、前記した照明装置、液晶表示装置、及び情報表示装置は、前記した透明ディスプレイの用途の具体的な装置の例である。本明細書においては、照明装置、液晶表示装置、及び情報表示装置の説明として透明ディスプレイの説明を援用することができる。また、情報表示装置の説明として液晶表示装置の説明を援用することができる。
本発明の構造体は、透明部分の透明性が高く、環境光の強度に依存することなく散乱部分の良好な視認性を有することで、電気光学素子を駆動させてコントラストの高い表示を提供できる。光源の光利用効率を高くできるために高輝度の照明が不要であり、かつ、光学素子と照明との間に空気層を介した物理的な距離の確保が不要なため、画像表示装置の体積を小さくでき、応用範囲の制限が少ない。
また、本発明の透明ディスプレイは、環境光の強度に依存することなく、光学素子への電圧印加及び非印加によって、透明状態と発光状態とを切り替えることが可能になり、照明装置、液晶表示装置、及び情報表示装置に利用できる。
また、本発明の液晶表示装置は、光学素子への電圧印加及び非印加によって、透明状態と、散乱部分により照明強度を変化させることができる、液晶パネルの照明手段を有し、液晶表示装置の表示コントラストを高めることができる。
さらに、本発明の情報表示装置は、光学素子への電圧印加及び非印加によって、透明状態と、散乱部分により照明強度を変化させることができる、電気光学機能層の照明手段を有し、情報表示装置の表示コントラストを高めることができる。
本発明の第1実施形態に係る構造体の模式断面図 は、本発明の実施形態に係る構造体の動作を示す図 は、本発明の実施形態に係る構造体の動作を示す図 本発明の第2実施形態に係る構造体の模式断面図 本発明の第2実施形態に係る構造体の模式断面図 本発明の第2実施形態に係る構造体の透明基板5側から見たから見た模式上面図 本発明の第3実施形態に係る構造体の模式断面図 本発明の第4実施形態に係る構造体の模式断面図 本発明の第4実施形態に係る構造体の透明電極の模式上面図 本発明の第5実施形態に係る構造体の模式断面図 本発明の第6実施形態に係る構造体の模式断面図 本発明の第7実施形態に係る透明ディスプレイの模式断面図 本発明の第7実施形態に係る透明ディスプレイの透明基板5側から見た模式上面図 本発明の第7実施形態に係る透明ディスプレイの透明基板5側から見た模式上面図 本発明の第7実施形態に係る透明ディスプレイの透明基板5側から見た模式上面図 本発明の第8実施形態に係る液晶表示装置の模式断面図 本発明の第8実施形態に係る液晶表示装置の変形例の模式断面図 本発明の第8実施形態に係る液晶表示装置の変形例の模式断面図 本発明の実施例に係る構造体の模式断面図 本発明の比較例に係る構造体の模式断面図
[構造体]
本発明に係る構造体の一実施形態を、図1〜図9を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1〜図2を参照して本発明に係る構造体の第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る構造体100の断面図である。図1に示すように、構造体100は、透明板1、光学接合層2、一対の透明基板3,5と、一対の透明基板間に挟持された電気光学機能層4を有する。透明板1と一方の透明基板3とは光学接合層2を介して積層一体化されている。本実施形態においては、一対の透明基板3,5の電気光学機能層4と接する面には、図示しない透明電極層が設けられている。本明細書において、透明電極層を透明電極、または単に電極とも称する。
透明電極層と電気光学機能層4の間には、絶縁層や液晶配向層を設けてもよい。また、透明基板3、5の電気光学機能層と接していない面の一部または全部に、紫外線吸収層、反射防止層、反射層、半反射層、指紋付着防止層などを設けることもできる。
以下の説明において、一対の透明基板3,5と一対の透明基板間に挟持された電気光学機能層4の積層体を光学素子6という場合がある。
図2(A)および図2(B)は、透明板1の法線方向を0°とした場合に、透明板1の内部において透明板から透明板と隣接する媒体に向かう光が、下記式3'で示される角度(臨界角という)以上となるように、透明板1に入射された光7が、光学素子が入射光を透過する状態(A)および散乱する状態(B)おいて構造体100の中で導光される様子を示した図である。
臨界角=arcsin(透明板と隣接する光学接合層以外の部分の媒体の屈折率/透明板の屈折率) … 式3'
本実施形態の構造体100は、光学素子6を駆動させることにより、電気光学機能層4の光学特性が制御される。
図2(A)は、透明板1の内部において透明板から透明板と隣接する媒体に向かう光が、前記臨界角以上となるように、透明板1に入射された光7が、光学素子6において透過する状態を示した図であり、図2(B)は、光学素子6において、同様に透明板1に入射された光7が散乱する状態において構造体100の中で導光される様子を示した図である。本実施形態の構造体100は、光学素子6を駆動させることにより、電気光学機能層4の光学特性が制御される。
本実施形態においては、光学素子6は、電圧を印加しない状態(すなわち、常態)で入射光を透過し、電圧を印加した状態で入射光を散乱する様態(以下、この様態を常態透過型という)、および、常態で入射光を散乱し、電圧を印加した状態で入射光を透過する様態(以下、この様態を常態散乱型という)の両方を使用できる。
図2(A)においては、構造体100の内部において、光の反射および散乱がほとんど起こらない。そのため、透明板1の主面1sおよび透明基板5の主面5sで全反射を起こす角度(臨界角)以上で透明板1の一端に入射された光7は、構造体100の中を導光し、透明基板5の主面5sおよび透明板1の主面1sからは光が漏れ出てこない。
この場合、例えば、透明板1の一端に光が入射されていても、透明基板5の主面5s側から構造体を見た観察者にとっては、構造体は、透明に見える。
図2(B)においては、構造体100の電気光学機能層4において、入射した光が散乱する。そして、散乱された光のうち、透明板1の主面1sおよび透明基板5の主面5sでの臨界角以下の光は、透明基板5の主面5sおよび透明板1の主面1sから出射される。
この場合、例えば、透明板1の一端に光7が入射されると、透明基板5の主面5s側、または、透明板1側から構造体100を見た観察者は、散乱部を発光部として確認できる。この散乱部からの発光は、透明板1と光学素子6の内部で導光される入射光が、電気光学機能層の光学特性により取り出されたものである(以下、導光発光という)。
本実施形態の構造体100は、透明基板3および5に設けられた電極の形状または図示しない電圧制御パネルの電気信号によって、散乱部のデザインを自由に設計できる。
例えば、表示電極が一つで、透明基板3,5の全面(ベタ状)に電極を形成し、全面に電圧を印加している場合には、図2(B)の状態では、透明基板5の主面5s側、または、透明板1側から構造体100を見た観察者は、全面が発光しているように見える。
例えば、透明基板3,5にドット状の電極を形成している場合には、図2(B)の状態では、電極が形成している場所でのみ光が散乱する。この場合、透明基板5の主面5s側、または、透明板1側から構造体100を見た観察者は、ドットの配置および印加する電気信号に応じて文字や図形などの情報を認識できる。
本実施形態の構造体100は、透明板1を有し、透明板1と光学素子6が光学接合層2により積層一体化されている。そのため、環境光がある状況では、従来どおり環境光を利用して、光学素子6の機能を発揮させることができる。さらに、環境光が弱い、またはない状況においても、透明板1のエッジ部から光を入射することにより、散乱部の導光発光が可能であり、光学素子6の表示機能を発揮させることができる。
(透明板1)
透明板1は、光路長が50mmでの波長400nm〜700nmにおける波長域で平均内部透過率が80%以上である。透明板1は、平均内部透過率が高いので、透明板1内では、光が減衰しにくい。前記平均内部透過率は、85%以上がより好ましく、90%以上がさらに好ましい。
本明細書において、前記平均内部透過率は、ある光路長をL(cm)、入射光強度をI(%)、ある光路長L(cm)を透過した後の光の強度をI(%)、反射による光の減衰率をR(%)としたときに、下記式1で表せられる値である。
logTin=(log(I/I)−logR) … 式1
透明板1は、光路長が5cmでのJIS Z8701(附属書)でのXYZ表色系における三刺激値のY値が90%以上であることが好ましい。前記Y値は、91%以上がより好ましく、93%以上がさらに好ましい。Y値は、下記式2により求められる。
Y=Σ(S(λ)×y(λ)) … 式2
ここで、S(λ)は、各波長における透過率であり、y(λ)は、各波長の重みづけ係数である。したがって、Σ(S(λ)×y(λ))は、各波長の重みづけ係数と、その透過率と、を掛け合わせたものの総和をとったものである。なお、y(λ)は、眼の網膜細胞のうち、M錐体(G錐体/緑)に対応し、波長535nmの光に最も反応する。
透明板1の厚さは、0.5〜10mmが好ましい。透明板1の厚みが、0.5mmより小さいと、透明板1の表面で光が反射する回数が増加し、反射による光の減衰が大きくなり有効光路長での内部透過率が低下する。一方で、透明板1の厚みが10mmを超えると、構造体100が分厚くなり、取り扱いが困難になる。透明板1の厚みは、0.7〜5mmがより好ましく、1.0〜2.5mmがさらに好ましい。
透明ディスプレイを提供する場合は、透明板1が外部に接する主面1sには、拡散パターンやドット状の微細凹凸等が設けられていないことが好ましい。このような構成とすれば、電気光学機能層4が入射光を透過する状態において、構造体100の高い透明性が保たれる。
透明板1の熱膨張率α1と光学接合層2を介して接する一方の透明基板3の熱膨張率α2との比(α1/α2)は、5以下が好ましく、2以下が更に好ましい。熱膨張率の比率が前記範囲であれば、構造体100を高温および低温の環境で使用できる。すなわち、熱膨張率差が前記範囲にあれば、透明板1と透明基板3との大きさの違いに起因する接合界面の破壊が起こりにくくなる。
例えば、透明基板3としてガラスが用いられる場合、ガラスの熱膨張率α2は、0.5〜10ppm/℃であるため、透明板1の熱膨張率α1は、少なくとも20ppm/℃以下が好ましい。
透明板1の材料としては、アクリル樹脂やガラスを使用できる。大型の構造体の製造し易さの観点から、ガラスが好ましい。また、透明基板3がガラスの場合には、熱膨張率の比を前記した範囲にしやすく、更に屈折率差を小さくできるので、透明板1としてガラスを用いることが好ましい。
透明板1としてのガラスは、Feとして換算された鉄の含有量の総量Aが100質量ppm以下であることが、上述した光路長50mm長での波長400〜700nmにおける平均内部透過率80%以上を満たすうえで好ましく、40質量ppm以下であることがより好ましく、20質量ppm以下であることがさらに好ましい。一方、前記ガラスの鉄の含有量の総量Aは、5質量ppm以上であることが、多成分系の酸化物ガラス製造時において、ガラスの熔解性を向上させるうえで好ましく、8質量ppm以上であることがより好ましく、10質量ppm以上であることがさらに好ましい。なお、前記ガラスの鉄の含有量の総量Aは、ガラス製造時に添加する鉄の量により調節できる。
本明細書においては、ガラスの鉄の含有量の総量Aを、Feの含有量として表しているが、ガラス中に存在する鉄がすべてFe3+(3価の鉄)として存在しているわけではない。通常、ガラス中にはFe3+とFe2+(2価の鉄)が同時に存在している。
Fe2+およびFe3+は、波長400〜700nmの範囲に吸収が存在するが、Fe2+の吸収係数(11cm−1Mol−1)は、Fe3+の吸収係数(0.96cm−1Mol−1)よりも1桁大きいため、波長400〜700nmにおける内部透過率をより低下させる。そのため、Fe2+の含有量が少ないことが、波長400〜700nmにおける内部透過率を高めるうえで好ましい。
前記ガラスのFe2+の含有量Bは、20質量ppm以下であることが、有効光路長で上述した可視光域の平均内部透過率を満たすうえで好ましく、10質量ppm以下であることがより好ましく、5質量ppm以下であることがさらに好ましい。一方、前記ガラスのFe2+の含有量Bは、0.01質量ppm以上であることが、多成分系の酸化物ガラス製造時において、ガラスの熔解性を向上させるうえで好ましく、0.05質量ppm以上であることがより好ましく、0.1質量ppm以上であることがさらに好ましい。
前記ガラスのFe2+の含有量は、ガラス製造時に添加する酸化剤の量、または溶解温度等により調節できる。ガラス製造時に添加する酸化剤の具体的な種類とそれらの添加量については後述する。Feの含有量Aは、蛍光X線測定によって求めた、Feに換算した全鉄の含有量(質量ppm)である。Fe2+の含有量Bは、ASTM C169−92に準じて測定した。なお、測定したFe2+の含有量は、Feに換算して表記した。
前記ガラスの組成の好適な具体例を以下に示す。
前記ガラスの一構成例(構成例A)は、酸化物基準の質量百分率表示で、SiOを60〜80%、Alを0〜7%、MgOを0〜10%、CaOを0〜20%、SrOを0〜15%、BaOを0〜15%、NaOを3〜20%、KOを0〜10%を含み、Feを5〜100質量ppm含む。
前記ガラスの別の一構成例(構成例B)は、酸化物基準の質量百分率表示で、SiOを45〜80%、Alを7%超30%以下、Bを0〜15%、MgOを0〜15%、CaOを0〜6%、SrOを0〜5%、BaOを0〜5%、NaOを7〜20%、KOを0〜10%、ZrOを0〜10%を含み、Feを5〜100質量ppm含む。
前記ガラスのさらに別の一構成例(構成例C)は、酸化物基準の質量百分率表示で、SiOを45〜70%、Alを10〜30%、Bを0〜15%、MgO、CaO、SrOおよびBaOを合計で5〜30%、LiO、NaOおよびKOを合計で0%以上、3%未満を含み、Feを5〜100質量ppm含む。
(光学接合層2)
本実施形態の構造体100は、透明板1と透明基板3とが光学接合層2を介して積層一体化されている。透明板1より光学素子6に光を入射するためには、空気層を介することなく、屈折率が近接した接合層により透明板1と光学素子6とが光学接合されていることが必要である。光学接合層2と透明板1、および光学接合層2と透明基板3との屈折率の差は、0.1以下が好ましく、0.05以下が更に好ましい。
光学接合層2としては、市販されている光学粘着シート、光学接着シート等を使用できる。このようなシートとしては、アクリル系、シリコーン系、ウレタン系、その混合系等が挙げられる。
光学接合層2は、35℃で1Hzにおける動的せん断貯蔵弾性率(G´)が1.0×10Pa以下であるものが好ましい。光学接合層2のG´が前記範囲にあれば、透明板1と光学素子6(ただし、接合面は透明基板3)とを接合する際に気泡が発生しにくく、構造体100の内部に光学的な欠陥の発生を防止できる。前記G´は、同様の観点から、1.0×10Pa〜5.0×10Paがより好ましく、1.0×10Pa〜5.0×10Paがさらに好ましい。
光学接合層2は、35℃で1Hzにおける損失正接(tanδ)が0.1〜1.4であることが好ましい。tanδが前記した範囲にあれば、透明板1と透明基板3とが剥離しにくく、構造体100の製品としての耐久性が向上する。tanδは、0.2〜1.0がより好ましく、0.2〜0.8がさらに好ましい。
光学接合層2の内部透過率は、90%以上が好ましく、98%以上が更に好ましい。内部透過率とは、透過率測定において光学接合層への光の入射側、および出射側の表面反射を除いた透過率を示す。
光学接合層2のヘイズ値は、1%以下が好ましく、0.5%以下が更に好ましい。
光学接合層2が上記した光学特性を有していれば、構造体100に入射した光が、光学接合層2において散乱または吸収されることなく、有効に光学素子6に導光される。そのため、電気光学機能層4が入射光を散乱する状態において、透明板1より導光される光をその散乱部分で取り出すことができ、散乱部分の発光として視認することができる。
(光学素子6)
光学素子6は、一対の透明基板3,5に電気光学機能層4が挟持されて構成される。上述のとおり、一対の透明基板3,5の電気光学機能層4と接する面には、図示しない透明電極が設けられている。透明電極層と電気光学機能層4の間には、更に絶縁層や液晶配向層を設けてもよい。また、透明基板3、5の電気光学機能層と接していない面の一部または全部に、紫外線吸収層、反射防止層、反射層、半反射層、指紋付着防止層などを設けることもできる。
光学素子6は、上述のとおり、常態透過型、および常態散乱型を使用できる。透明な背景に、透明電極のパターニングにより形成されるセグメント電極部での入射光の散乱により表示を形成する場合には、そのセグメント電極に通電するための配線電極を常に透明状態に保つ必要があるため、常態透過型を用いるのが好ましい。
透明基板3,5の材質は、透明性が確保されるものを使用できる。例えば、アクリル板やポリエステル板の樹脂板、ガラス板等が挙げられる。光学素子6の寸法安定性や剛性を高めて、取り扱いを容易にする点では、透明基板3,5は、ガラス板が好ましい。さらに、構造体100の透明性を高める点で、透明基板3,5は、透明板1に近い光学物性を備えたものがより好ましい。
透明電極としては、酸化インジウム−酸化錫(ITO Indium Tin Oxide)等の金属酸化物や、銅や銀などによる細線メッシュやナノワイヤーなどからなる材料を使用できる。
図示していないが、透明電極は、電気光学機能層4を駆動させるために不可欠な構成要素である。
透明電極の形状は、上述のとおり、透明基板3,5の表面全体(所謂、ベタ状)に設けてもよく、透明基板3,5の表面に電極を設ける部分と設けない部分(例えば、セグメント状やドット状)があってもよい。
透明基板3,5には、配向膜を設けることにより、電気光学機能層4を形成する際に液晶化合物の配向を制御できる。
液晶化合物として、誘電異方性が正の材料を使用し、対向する一対の電極間の電界により電気光学機能層を動作させる場合には、プレチルト角が10°以下となる配向膜をラビング処理して用いることが好ましい。これにより、光学素子6の透明性を高くできる。
透明基板3、5のいずれか一方に形成された櫛歯状の電極間の電界により電気光学機能層を動作させる場合には、プレチルト角が60°以上となる配向膜をラビング処理なしで用いるのが好ましい。
対向する一対の電極間の電界により電気光学機能層を動作させる場合において、液晶化合物として、誘電異方性が負の材料を使用する際には、プレチルト角が60°以上となる配向膜をラビング処理なしで用いるのが好ましい。これにより、光学素子6の透明性を高くできる。なお、プレチルト角は、透明基板に垂直の方向を90°として規定した値である。
電気光学機能層4は、透明電極に電圧を印加することで入射光の透過および散乱を制御する機能を有する。電圧を印加することによる電気光学機能層4の入射光の透過および散乱は、電気光学機能層4の垂直方向から観察して評価する場合が多い。
電気光学機能層4は、入射光を透過する状態において、前記透明基板の法線方向を0°とした場合の下記式3の測定角度(臨界角)の透過率が60%以上である。前記透過率は、70%以上が好ましく、75%以上がより好ましい。
測定角度=arcsin(透明板1に隣接し光学接合層以外の部の媒体の屈折率/透明板1の屈折率) … 式3
透明板の法線方向を0°として、透明板1の内部において透明板から透明板と隣接する媒体に向かう光が、上記式3で算出される角度(臨界角という)以上となるように、透明板1の端面より入光した光は、透明板1の主面1sで入射光が全反射する。すなわち、この角度以上の角度で、透明板1内部から透明板1の光学接合層と接していない側の境界面に入射した光は、主面1sから漏れ出ることなく、構造体100内部で導光される。
前記電気光学機能層4は、入射光を透過する状態において、上記式3の測定角度のヘイズ値は、10%以下が好ましく、5%以下がより好ましく、3%以下がさらに好ましい。本実施形態においては、電気光学機能層4は、入射光を透過する状態で式3の測定角度のヘイズ値が10%以下であれば、電気光学機能層4に斜めから入射された光が電気光学機能層4で散乱されにくくなる。その結果、本実施形態の構造体100において、電気光学機能層4が光を透過する状態で、透明板1の一端に光を入射しても構造体100を透明に見えるようにすることができる。
電気光学機能層4は、1種以上の液晶化合物と、その内部に液晶化合物を配向規制する配向規制材を含む。前記配向規制材が柱状樹脂の集合体から成る場合、柱状樹脂は、その長軸方向が電極の法線方向に略一致しているものと、チルトしているものとを有しており、この柱状樹脂の集合体と連接して液晶ドメインが形成されている。
電気光学機能層4の厚さは、1〜50μmが好ましく、3〜30μmがより好ましい。電気光学機能層4の厚さが1〜50μmであれば、適切なコントラスト比が実現し、駆動電圧を低くできる。
電気光学機能層4に含まれる液晶化合物の種類としては、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶および強誘電性液晶などが挙げられる。光学素子6の製造の容易性の観点から、液晶化合物の種類としては、ネマチック液晶、コレステリック液晶を使用することが好ましい。特に、ネマチック液晶は、他の液晶に比べて、液晶温度範囲が広く、粘性が低いという特性を有する。
液晶化合物としては、一般的な表示材料または電界駆動型表示素子の材料として使用される種々のものを使用可能である。具体的には、ビフェニル系、フェニルベンゾエート系、シクロヘキシルベンゼン系、アゾキシベンゼン系、アゾベンゼン系、アゾメチン系、ターフェニル系、ビフェニルベンゾエート系、シクロヘキシルビフェニル系、フェニルピリジン系、シクロヘキシルピリミジン系、コレステロール系等を挙げることができる。
液晶化合物は、一般的に使用されている場合と同様に、単独で使用する必要はなく、2種類以上の液晶化合物を組み合わせて使用してもよい。液晶化合物として、誘電率異方性の絶対値が大きいものを用いると、光学素子6の駆動電圧を低くできる。誘電率異方性の絶対値が大きい液晶化合物としては、シアノ基や、フッ素や塩素などのハロゲン原子を置換基として有する化合物が挙げられる。
配向規制材は、1種以上の硬化性化合物の硬化物である。通常、配向規制材として、硬化性化合物を含む硬化性樹脂組成物の硬化物が好適に用いられる。硬化性化合物は、硬化後に透過率が高く、液晶化合物を配向できるものが使用される。このような硬化性化合物としては、例えば、式5〜式7で表される化合物が挙げられる。
−O−(R―O―Z―O―(RO―A … 式5
−(OR―O―Z’―O―(RO)―A … 式6
ここで、A,A,A,Aは、それぞれ独立に、アクリロイル基、メタクリロイル基、グリシジル基またはアリル基である。R,R,R,Rは、それぞれ独立的に、炭素数2〜6のアルキレン基である。Z,Z’は、それぞれ独立的に、2価のメソゲン構造部である。m,n,o,pは、それぞれ独立的に1〜10の整数である。ここで、「独立的に」とは、組み合わせが任意であって、どのような組み合わせも可能であることを意味する。また、式5、式6の硬化性化合物が、分子内にエステル結合やカーボネート結合を含んでいてもよい。
Figure 0006658758

ここで、A5〜A7は、それぞれ独立に、アクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシ基、ビニルエーテル基、ビニル基またはグリシジルエーテル基である。R5は、炭素原子間に一個または複数個のエーテル性酸素原子を有していてもよい直鎖又は分岐状炭素数1〜50の1〜3価の有機基である。q、r、sは、それぞれ独立に0〜3である。但し、q+r+s=1〜3である。
電気光学機能層4には、液晶化合物および配向規制材以外の他の成分を含んでもよい。
他の成分としては、重合開始剤が挙げられる。重合開始剤としては、公知の重合触媒を選択でき、ベンゾインエーテル系、アセトフェノン系、フォスフィンオキサイド系などが挙げられる。
また、他の成分として、アントラキノン系、スチリル系、アゾメチン系、アゾ系等の各種二色性色素が挙げられる。これらの成分を含めば、電気光学機能層4のコントラスト比を高くでき、安定性を向上できる。
さらに、電気光学機能層4の安定性や耐久性向上の観点から、他の成分として、酸化防止剤、紫外線吸収剤、各種可塑剤を含んでもよい。
光学素子6は、電気光学機能層4の前駆体の混合液(以下、単に「混合液」という。)を硬化させて形成できる。前記混合液を透明電極、絶縁層および配向膜を有する一対の透明基板3,5の間に挟持させ、混合液に紫外線または電子線を照射することで、硬化性化合物が硬化し、液晶化合物と硬化物とが相分離して、光学的に機能し得る良好な電気光学機能層4を形成できる。
混合液は、前記した1種以上の液晶化合物、1種以上の硬化性化合物および必要に応じて他の成分が含まれる。電気光学機能層4が発揮する光学特性に応じて、各成分およびその配合比率は決定される。
(第2の実施形態)
図3〜図5を参照して本発明に係る構造体の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態の説明では、第1の実施形態と同様の説明は省略する。
図3は、本実施形態に係る構造体101の断面図である。図3に示すように、構造体101は、透明板1の一端部に反射部8を有し、その他の構成は、第1の実施形態と同様である。
構造体101は、透明板1の一端部に反射部8を有しているので、構造体101の内部を導光する光が透明板1の主面に垂直な面(側面)から漏れにくくなり、光の利用効率を高めることができる。
反射部8の位置は、限定されない。また、図4に示すとおり、反射部8は、透明板1および光学素子6の端部に設けると、構造体101の側面からの光漏れを防止でき、より好ましい。さらに、図3および図4の態様で反射部8を有する場合に、構造体101を透明基板5の主面5s側から見た上面図である図5に示すとおり、透明板1へ光を入射する部分(入射部9)以外の全端部に反射部8を設けてもよい。
(反射部8)
反射部8は、それ自体が光を反射する部材もよく、反射膜が樹脂フィルム等に貼り付けられた部材でもよい。例えば、アルミニウム膜が樹脂フィルムに貼り付けられたアルミテープなどが挙げられる。
(第3の実施形態)
図6を参照して本発明に係る構造体の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態の説明では、第1の実施形態と同様の説明は省略する。
図6は、本実施形態に係る構造体102の断面図である。図6に示すように、構造体102は、光学素子6の両面に光学接合層2−1および2−2を介して、それぞれ透明板1−1および1−2が積層一体化されており、その他の構成は、第1の実施形態と同様である。
構造体102の構成は、光学素子6の両面に光学接合された透明板での導光を利用することができるため、電気光学機能層の入射光の散乱部分での発光輝度を高くすることができ、視認性を向上できる。
透明板の一端部より光を入射する場には、透明板1−2の入光辺を透明板1−1の入光辺と対向させることで、電気光学機能層の散乱部分での発光の光学素子面内での均一性を向上でき好ましい。構造体102の上面または下面に、更に光学接合層を介して光学素子6を積層一体化すると、光学素子による多重の表示を提供することができる。
(第4の実施形態)
図7〜8を参照して本発明に係る構造体の第4の実施形態について説明する。第4の実施形態の説明では、第1の実施形態と同様の説明は省略する。
図7は、本実施形態に係る構造体103の断面図である。図7に示すように、構造体103は、透明基板3にのみ透明電極10を有しており、透明基板5には透明電極を有していない。そして、その他の構成は、第1の実施形態と同様である。
透明電極10は、透明基板3に平行な方向の電気力線を有する電界を生じさせるものである。このような電極は、透明基板3にのみ設けることで、電気光学機能層4の光を透過する状態と散乱する状態との制御ができる。例えば、透明基板3および5の面積が大きい場合には、電極間の距離を一定に保つことが難しくなることがあり、電極間の距離により電気光学機能層に印加される実効電圧が、光学素子6の平面内で強度に分布が生じて、透過と散乱のコントラストが不均一になるおそれがある。本実施の形態においては、前記課題が解決されるため好ましい。
透明電極10としては、例えば、図8の平面図に示すように、櫛歯形状の態様が挙げられる。本実施形態の透明電極10は、図8の態様に限定されない。
図8に示すように、櫛歯形状の電極は、第1電極31および第2電極36を有し、それぞれライン状の連結部32,37と、連結部32,37から対向する一辺の方向に延在された複数のライン状の櫛歯部33,38を有する。櫛歯部33、38は、互いに並行に、かつ交互に配置されている。これにより、櫛歯部33、38が互いに電極対を形成し、電気光学機能層4に電界を生じさせる。
本実施形態の構造体103においては、電圧を印加しない状態で透明基板の法線方向に概ね配向するように電気光学機能層を形成し、正の誘電率異方性を有する液晶化合物を用いることが好ましい。これにより、透明電極10に電圧を印加すると、透明基板3の面に平行な方向の電気力線を有する電界が生じ、液晶化合物の長軸が電気力線の方向に一致するように動こうとする。このとき、配向規制材の近傍に存在する液晶化合物は、動きが規制され電気力線とは異なる配向をとる。その結果、液晶ドメイン内で秩序構造が乱れて、入射光を散乱する状態を示すと考えられる。
なお、本実施形態の構造体103においては、透明電極10を透明基板3の一面上に形成しているが、透明電極10を透明基板5の一面上に形成してもよい。この構成としても、上記と同様の作用が得られる。
(第5の実施形態)
図9を参照して本発明に係る構造体の第5の実施形態について説明する。第5の実施形態の説明では、第1の実施形態と同様の説明は、省略する。
図9は、本実施形態に係る構造体104の断面図である。図9に示すように、構造体104は、前述した例の透明板1に変えて、面積が光学素子6よりも大きい透明板11を有し、その他の構成は、第1の実施形態と同様である。
透明板11の光学特性および材料は、透明板1と同様である。透明板11は、面積が光学素子6よりも大きいため、光学接合層2を介して光学素子6と接しない部分(非貼合部11a)を有する。透明板11の非貼合部11aは、拡散パターンやドット状の微細凹凸等の光出射部を設けてもよい。このような構成とすれば、例えば、電圧の印加により、入射光の透過と散乱を可変制御できる電気光学機能層4を有する部と、入射光が常に発光する部とを有する構造体が得られる。また、透明板11の端部より光を入射する場合、光学素子6の端部と一致していない辺、すなわち非貼合部11aの側の1辺より光を入射させると、光の入射に必要な部材の設置が容易であり、好ましい。
本発明に係る構造体の他の実施形態を、図10を参照して説明する。
(第6の実施形態)
図10を参照して本発明に係る構造体の第6の実施形態について説明する。第6の実施形態の構造体は、透明基板と透明板に挟持されている電気光学機能層を有し、前記透明基板と前記透明板の少なくとも一方に電極が形成されており、前記電気光学機能層は、電圧の印加により入射光を透過する状態と散乱する状態とを制御でき、入射光を透過する状態において、下記式4の測定角度の透過率が60%以上である。
測定角度=arcsin(透明板と隣接する電気光学機能層以外の部の媒体の屈折率/透明板の屈折率) … 式4
前記透明板は、光路長が50mmでの波長400nm〜700nmにおける波長域で平均内部透過率が80%以上である。
図10は、本実施形態に係る構造体105の断面図である。図10に示すように、構造体105は、透明板12、透明基板5と、透明板12と透明基板5に挟持された電気光学機能層4を有する。すなわち、第1〜5の実施形態における光学接合層2を有さず、第1〜5の実施態様に示した透明板1と透明基板3の両機能を備える透明板12を有する。本実施形態においては、透明板12と透明基板5の電気光学機能層4と接する面には、図示しない透明電極層が設けられている。また、透明板12および透明板5には、第1の実施形態に記載の他の層を設けてもよい。
電気光学機能層4は、入射光を透過する状態において、上記式4の測定角度(臨界角)の透過率が60%以上である。前記透過率は、70%以上が好ましく、75%以上がより好ましい。
(変形例)
本発明に係る他の実施形態においては、透明板12の一端部に反射部8を有してもよい。反射部8の部材、位置および数については、第2の実施形態と同様のものを採用できる。これにより、透明基板での光の吸収が少なくなり、導光時における光量の損失をさらに低減できるため好ましい。
本発明に係る他の実施形態においては、透明基板5として、透明板1(または透明板12)と同様のものを使用できる。電気光学機能層を一対の透明板で挟持することにより、透明基板の光吸収による導光時における光量の損失を低減できるため好ましい。
本発明に係る他の実施形態においては、透明板12または透明基板5の少なくとも一方にのみ透明電極を有する構成でもよい。この場合、透明電極としては、第4の実施形態に記載の電極を使用できる。
本発明に係る他の実施形態においては、透明板12または透明基板5の大きさが異なってもよい。
[透明ディスプレイ]
本発明に係る透明ディスプレイの一実施形態を、図11〜図13を参照して説明する。本実施形態の透明ディスプレイは、透明状態(すなわち、透明状態の透明部)の透過率は、70%以上であり、透明状態と、発光状態(すなわち、発光状態の散乱部)との輝度コントラスト比が4以上である。本実施形態の透明ディスプレイは、電極の形状等によって、情報表示や面状照明として機能できる。
前記透過率および輝度コントラスト比は、前記透明ディスプレイが全面で発光する場合には、透明ディスプレイのいずれかの部分における透明状態と発光状態を測定する。前記透明ディスプレイが透明な部分と発光する部分とを有する場合には、透明な部分で透過率を測定し、透明な部分と発光する部分とで輝度コントラスト比を測定してもよい。
(第1の実施形態)
図11を参照して本発明に係る透明ディスプレイの第1の実施形態について説明する。また、その変形例について図12(A)、図12(B)および図13に従って説明する。
図11は、本実施形態に係る透明ディスプレイ200を示す断面図である。図11に示すように、透明ディスプレイ200は、本発明の構造体100と、構造体100の電極に電圧を印加する制御部と、構造体100の透明板1の一端部に光源13を有する。以下の説明では、第1の実施形態の構造体100に関する説明は、省略する。
本実施形態の透明ディスプレイ200は、その構造体の形態は、限定されず、本発明の技術範囲に含まれる全ての構造体を用いることができる。
本実施形態の透明ディスプレイ200は、構造体100と、透明板1の一端部の外側に光源13を有する。光源13から出射され、透明板1へ入射した光が、光学素子6で散乱することで、環境光の強度に依存することなく、透明ディスプレイ200は発光できる。
透明ディスプレイ200は、光学素子6の透明電極のパターンを制御して面内の実効値電圧を制御することにより、面状照明または部分照明となり、さらに、透明ディスプレイ200自体が情報表示装置として機能できる。
部分照明として機能する透明ディスプレイ200は、液晶パネルの照明装置として使用することもできる。前記透明ディスプレイの照明部分を任意に制御することにより、表示パネルの側面側から光を入射するエッジライト型の液晶表示装置において、ローカルディミングによる表示コントラストの改善が可能となる。液晶パネルと、照明装置として前記透明ディスプレイを組み合せる場合には、通常のエッジライト型液晶表示装置の導光板照明装置や光拡散シート、面状鏡面部材を併用することができる。光拡散シートとの併用により、透明ディスプレイを全面の面状照明とした際に、その面内照明輝度分布を低減でき、好ましい。面状鏡面部材を、液晶パネルを照明する透明ディスプレイ面の裏面に設置すると、液晶パネルの照明輝度を高めることができ、好ましい。
また、液晶パネルの照明装置として透明ディスプレイ用いる場合は、透明板1の光学接合層に接しない面や透明基板5の光学機能層と接しない面に、拡散パターンやドット状の溝等の光出射部を設けて、固定的に液晶パネルを照明する部分を設置してもよい。
透明ディスプレイ200を面状発光として機能させる具体例、すなわち照明装置として機能させる例を以下に示す。
光学素子6の透明電極のパターン設計により、光源13近い場所では光学機能層に電圧を印加して動作させる電極面積を疎に、光源から離れた場所では密にすることが挙げられる。これにより、透明ディスプレイ全面で照明する場合に、光学素子6から発光する面内の光の強度を一様にできる。
液晶パネルに対する任意の部分照明に透明ディスプレイ200を用いる場合には、光学素子を構成する透明電極のパターンとして、ドットマトリクス構成が好ましい。光学素子の駆動方式により、スタティック駆動、セグメント駆動が求められることがあり、その場合にはドットマトリクス電極の各ドットの配線を電極基板面内に配設することがある。この場合には、前記配線の面積を、光学素子を駆動できる範囲で小さくすることが好ましい。前記配線部分による透明ディスプレイの面内での発光輝度の不均一性を抑制するために、光拡散シート等を併用することが好ましい。
また、ドットマトリクス電極により光学素子を駆動する場合に、光源13に近接したドット電極と離れたドット電極において、異なる実効電圧を印加することで、前記ドットごとの光散乱の程度を制御して、それにより面内での発光輝度の分布を改善することができ好ましい。光源から離れたドットの光散乱強度を、光源に近接したドットより高くすることで、光源13からの距離によりドットごとの発光輝度の分布を抑えることができ、好ましい。
各ドット電極に異なる実行電圧を印加する方法としては、ドット電極ごとに異なる電圧値を印加することや、同一の電圧値でその印加時間を周期的に変化させる、パルス幅変調法(PWMという)などを用いる。実効値応答する光学素子を用いる場合には、駆動回路の設計が比較的容易なPWMによる駆動が好ましい。
光源13は、電球、LED(Light Emittion Diode)、有機EL(Electro Luminescence)、冷陰極管等が挙げられ、入射した光を構造体100の透明板1の光学接合層が形成されていない面で全反射させる。出射光の光利用効率が高く、光源サイズを小さくできる点で、LEDを用いることが好ましい。
光源13は、構造体100の透明板1の一端部以外に設けてもよい。すなわち、透明板1の周囲を囲うように設けてもよく、一端部のみに設けてもよい。また、光源13は、透明板1の端部に直接接合してもよく、僅かな空気層を介して設置してもよい。
本実施形態の透明ディスプレイ200は、電気光学機能層4の散乱部分で透明板1中の導光を外部に取り出すことで発光する。そして、表示部が発光し、表示部以外が透明である。
(変形例)
図12(A)、図12(B)および図13は、光源13の配置方法を変えた場合の透明ディスプレイの変形例を透明基板5の主面5s側から見た上面図である。
図12(A)および図12(B)に示す透明ディスプレイ201,202は、透明板1の端部でのみ光源13を設ける端部と、光源13を設けない端部を有する構成である。透明ディスプレイ201は、図12(A)に示すように、光源13を透明板1の一端部に設けており、透明ディスプレイ202は、図12(B)に示すように、光源13が透明板1を介して対向して設けられている。これらの構成では、構造体101で説明したように、透明板1の入射部9以外には、反射部8を設けることが好ましい。これにより、光の利用効率を高めることができる。
図13は、透明板1の全ての周端部に光源13を有する透明ディスプレイ203の構成を示す。この構成は、光源の数が多い分、構造体100の電気光学機能層4が入射光を散乱させる状態において、より多くの光を取り出すことができる。
光源13の色は、特に限定されない。発光色が赤、青、緑と切り替わる光源を用いてもよく、単色の光源を用いてもよい。
光源13として発光色が赤、青、緑と切り替わる光源を使用する場合、図11〜図13に示した透明ディスプレイ200〜203は、カラー表示が可能となる。例えば、発光色の赤、青、緑の順次点灯の周波数を制御し、発光色の点灯に連動して電気光学機能層4の透過および散乱状態を制御することで、いわゆるフィールドシーケンシャルカラー方式に類似した表示方式が実現でき、一つの表示セグメント電極を複数色に発光させることができる。
また、透明ディスプレイの一方の面に反射板などの鏡面部材を設置することで、透明ディスプレイを有する鏡とすることができる。この構成では、鏡の中に導光発光表示が形成されており、情報表示可能な鏡を提供できる。
[液晶表示装置]
本発明に係る透明ディスプレイを用いた液晶表示装置の一実施形態を、図14〜図16を参照して説明する。本実施形態を説明するために、導光板を用いる液晶表示装置の従来技術を説明する。導光板を用いる液晶表示装置は、表示面側から順に、液晶パネル、複数枚の拡散板、導光板、および必要に応じてミラーなどの鏡面部材を有する。導光板には印刷や微細凹凸加工などによりドット状などの特定パターンが配設されており、導光板の側面から入射した光が前記配設パターン部位で散乱や屈折により取り出されて発光し、更に拡散板で前記光が拡散して表示パネルに入射する。このような表示装置においては、導光板面の配設パターンは固定のものであり、液晶パネルの表示画像に応じて、導光板面内で部分的に任意に発光強度を変化させることができない。
(第1の実施形態)
図14を参照して本発明に係る透明ディスプレイを用いた液晶表示装置の第1の実施形態について説明する。
本実施形態の液晶表示装置においては、透明ディスプレイ200は、面状照明が可能な照明装置として機能するものを用いている。
図14は、液晶表示装置300の断面図である。図14に示すように、液晶表示装置300は、透明ディスプレイ200の光学素子6に液晶パネル14が対向配置している。すなわち、液晶表示装置300において、透明ディスプレイ200は、バックライトとしての照明装置として機能する。以下の説明では、透明ディスプレイ200に関する説明は、省略する。
本発明の液晶表示装置は、透明ディスプレイの形態は限定されず、本発明の技術範囲に含まれる全ての透明ディスプレイを用いることができる。
本実施形態の液晶表示装置300においては、透明ディスプレイ200の光源13は白色光が用いられる。
液晶パネル14は、公知の液晶表示パネルが使用できる。例えば、TN(Twisted Nematic)モードの液晶パネル、VA(Vertical Alignment)モードの液晶パネルまたはIPS(In Plane Switching)モードの液晶パネル等が使用できる。
液晶パネル14は、TFT(Thin Film Transistor)を有する透明基板15とカラーフィルターを有する透明基板17と液晶層16を有する。透明基板15,17には偏光板を設けてもよく、設けなくてもよい。偏光板を設けないと、黒表示ができないものの、液晶パネル14の透過率が高くなり好ましい。また、カラー表示が必要でない場合には、カラーフィルターを使用しないことで液晶パネル14の透過率を高めることができる。
本実施形態の液晶表示装置300においては、透明ディスプレイ200の光学素子6は、透明状態と散乱状態を示す。光学素子6が透明状態の場合は、透明ディスプレイ200が透明であるため、液晶パネル14の画像表示と液晶パネル14の背景が透視して共に重畳して視認できる。光学素子6が散乱状態の場合は、透明ディスプレイ200は、透明板1の導光を取り出して発光し、通常の液晶表示装置のバックライトと同様の機能となる。すなわち、光学素子6を透明状態と散乱状態とに切り替えることで、液晶表示装置300を透明な液晶表示装置と不透明な液晶表示装置とに切り替えることができる。
この時、光学素子6が散乱する時に、透明ディスプレイ200の面内での発光輝度分布を均一化できるように、電気光学機能層4に電界を印加する電極に特定のパターンを設けてもよい。または、電極パターンをドットマトリクス構成として、前述のようにドットごとに印加する実効値電圧を変化させる。これにより、非表示時には透明で、表示時には表示面内での輝度分布が抑えられた液晶表示装置を実現できる。
また、光学素子6が散乱する時に、透明ディスプレイ200の面内での発光輝度分布が表示画像に応じて制御されるように、電気光学機能層4に電界を印加する電極にドットマトリクスなどの特定のパターンを設けてもよい。これにより、通常の液晶表示となる表示部と、透明な非表示部とを同時に有する液晶表示装置を実現できる。さらに、表示部の映し出す映像の明るさに応じて、透明ディスプレイ200の発光輝度を制御すれば、ローカルディミングの作用により、コントラストを大幅に向上した液晶表示装置を構成できる。
本実施形態の液晶表示装置300は、透明ディスプレイ200の光透過と面発光とを高速に切り替え、面発光のタイミングのみ液晶パネル14を表示させ、透明ディスプレイ200が透明なタイミングでは液晶パネル14の透過率が最も高くなるように動作させることで、透明表示でのコントラストを高めることができる。
また、液晶パネル14からカラーフィルターを除去しても、透明ディスプレイ200の光源13に前記に示した赤、緑、青を発光するLEDを用いて順次点灯させ、その点灯に同期させて液晶パネル14を動作させることで、いわゆるフィールドシークエンシャル駆動によるカラー表示を提供することができる。この場合、液晶パネル14に偏光板を有さないことが好ましい。これにより、透明背景の透過率を高くでき、背景の視認性を高くできる。この時、透明ディスプレイ200の光源13のLEDの順次点灯において、いずれのLEDも発光させないフィールドを適宜設け、透明ディスプレイ200が透明なタイミングでは、液晶パネル14の透過率を高くするように動作させることで、更に背景の透明性を高めることができる。液晶パネル14が一対の偏光板に挟持されている場合は、透過時の透明性は低下するが、黒表示が可能となる。
液晶パネル14にTFTを備えないパッシブ駆動の液晶パネルを用いても良い。TFTを用いないと透過時の透明性を高めることができる。
前記透明表示が不要な場合は、従来の液晶表示装置と同様に、透明ディスプレイ200の液晶パネル14と対応しない面に反射板などの鏡面部材を設置することで、照明効率を高めることができ好ましい。この場合には、透明ディスプレイ200と液晶パネル14の間に光拡散シートなどを配設することで、透明ディスプレイの面内での輝度分布を押さえることができ、好ましい。更に、透明ディスプレイ200の透明板1の光学接合層と接しない面、または透明基板5の光学機能層と接しない面に、拡散パターンやドット状の微細凹凸等の光出射部を設けて、固定的に液晶パネルを照明する部分を設置してもよい。
(変形例)
図15および図16は、本実施形態の液晶表示装置の変形例の断面図である。
図15に示す液晶表示装置301は、透明ディスプレイ200の透明板1に液晶パネル14が対向配置している。
図16に示す液晶表示装置302は、透明ディスプレイ200の光学素子6に液晶パネル14が対向配置し、光学素子6と液晶パネル14とが、光学接合層18を介して接合されている。これにより、光源13から発せられた光を効率よく液晶パネル14の表示に使用できる。光学接合層18は、構造体において透明板1と光学素子6とを接合する光学接合層と同様の物を使用できる。
また、液晶表示装置の一方の面に反射板などの鏡面部材を設置することで、透明ディスプレイを透明状態とすると鏡の中に表示を形成することができ、情報表示可能な鏡を提供できる。一方、透明ディスプレイが照明装置として機能させる場合には、その照明効率を高めることができ好ましい。
本発明の情報表示装置においては、透明部の透過率が70%以上であり、表示面に対向する側から入射する光がない状態において、透明部と散乱部の輝度コントラスト比が4以上である。
情報表示装置のより具体的な態様においては、少なくとも一方に電極が形成されている一対の透明基板と、前記一対の透明基板間に挟持されている電気光学機能層と、前記透明基板の少なくとも一方に、光学接合層を介して積層されている透明板とを有し、前記電気光学機能層は、電圧の印加により入射光を透過する状態と散乱する状態とを制御でき、入射光を透過する状態において、下記式3の測定角度の透過率が60%以上であり、
測定角度=arcsin(透明板と隣接する光学接合層以外の部の媒体の屈折率/透明板の屈折率) … 式3
前記透明板は、光路長が50mmでの波長400nm〜700nmにおける波長域で平均内部透過率が80%以上である構造体と、
前記構造体の透明板の少なくとも一端面に配置される光源と、を有する。
また、情報表示装置のより具体的な他の態様においては、一対の透明板に挟持されている電気光学機能層を有し、前記透明板の少なくとも一方に電極が形成されており、前記電気光学機能層は、電圧の印加により入射光を透過する状態と散乱する状態とを制御でき、入射光を透過する状態において、下記式4の測定角度の透過率が60%以上であり、
測定角度=arcsin(透明板と隣接する電気光学機能層以外の部分の媒体の屈折率/透明板の屈折率) … 式4
前記透明板の少なくとも一方は、光路長が50mmでの波長400nm〜700nmにおける波長域で平均内部透過率が80%以上である構造体と、前記構造体の透明板の少なくとも一端面に配置される光源とを有する。
この情報表示装置の説明においては、上記した液晶表示装置の説明を援用することができる。
図17および図18を参照して、本発明を説明する。例1が実施例であり、例2および例3が比較例である。
(例1)
一対のソーダライムガラス基板(透明基板)3,5間に液晶化合物と配向規制材からなる電気光学機能層4が挟持された光学素子6を用意した。この光学素子は、電圧印加時に散乱し、電圧の非印加時に透明状態を示すものである。透明板11として、導光板用ガラス基板(旭硝子社製、商品名XCV 屈折率1.52)を用意した。この導光板用ガラス基板は、光路長が50mmでの波長400nm〜700nmにおける波長域において平均内部透過率は98.8%であった。
前記光学素子6と導光板用ガラス基板11とを、断面形状が図17となるように光学接合層2を介して貼合した。光学接合層の35℃で1Hzの動的せん断貯蔵弾性率(G´)は、8.9kPaであった。これにより、例1の構造体を作製した。
(例2)
光学素子6として、市販の電気光学素子(日本板硝子社製、商品名 UMU FILM)を用いたこと以外は、例1と同様にして例2の構造体を作成した。
(例3)
例1で用いた光学素子を単独で使用した。
(評価)
例1〜3について、光学素子の電気光学機能層の透明状態における0°(法線方向)および45°(斜入射方向)における透過率および、法線方向の透明時と散乱時の導光発光の輝度の比(散乱時強度/透明時強度)から求められるコントラスト比を測定した。
(透過率測定)
光学素子が光を透過する状態かつ光源の光を照射しない状態で例1〜3の構造体の透過率の測定を行った。例1および例3は、光学素子への電圧が非印加状態で測定を行った。例2は、光学素子に矩形波50Hz、60Vの電圧を印加した状態で透過率を測定した。その結果を表1に示す。
本実施例で用いている透明板としての導光板用ガラス基板は、屈折率が1.52であり、導光板用ガラス基板に隣接し光学接合層と接していない部の媒体は、空気(屈折率1)である。したがって、上記式3で算出される測定角度は41.1°である。本実施例では、測定装置の都合便宜上、測定角度45°で透過率の測定を行った。一般に光学素子の透過率は、測定角度が大きいほど、光学素子を通過する光の距離が大きくなり透過率は低下する。
(コントラスト比の測定)
光源の光を照射する状態で、例1〜3の構造体のコントラスト比の測定を行った。例1および2は、図17に示すように光源13の光が導光板用ガラス基板から入射されるように、導光板用ガラス基板11の一端部に光源13を配置し、例3は、図18に示すように、光学素子6の一端部に光源13を配置して測定を行なった。
例1〜例3のコントラスト比の測定の際には、導光板用ガラス基板11の光学素子6と接しない面および光学素子6の検出器と対向していない面には、図18に示すように、空気層を介して遮光板19を設けた。これにより、光学素子の表示面に対向する面からの光の入射を抑制される。
測定は、例1〜3の構造体の各5カ所で行い、その平均値をコントラスト比の値とした。また、入射光の強度を2水準(高強度および低強度)変えて測定を行った。それらの結果を表1に示す。
Figure 0006658758

表1に示すように、例1および例3の構造体は、液晶化合物と配向規制材からなる法線方向および斜入射方向の透過率が高い電気光学機能層を有する。このため、例1および例3の構造体は、市販の電気光学素子である電気光学機能層を用いた例2の構造体に比べて法線方向および斜入射方向において高い透過率を示す。特に、例1と例2とを比較すると、例1に使用している電気光学機能層は、斜入射方向の透過率が、例2のそれよりも高いため、導光板用ガラス基板から、それと隣接する媒体に向かう光が前記式3'の角度以上となるように導光板用ガラス基板の端部より入射した光は、電気光学機能層において、その入射光が散乱されにくいために例1の透明時の導光発光強度は小さくなる。光学素子が散乱時の導光発光強度は、例1、例2共に高いことから、例1の構造体のコントラスト比が高くなった。いいかえると、例2で使用した電気光学機能層のように斜入射方向の透過率が低いものは、光学素子が透明状態であっても導光板用ガラス基板から入射した光が、構造体の中を導光する際に散乱される。その結果、透明時であっても、電気光学機能層に入射する光が散乱されることによって、その導光発光強度が高くなり、そのコントラスト比が低下する。
上述のとおり、例1と例3は、透明状態での斜入射方向の透過率が高い電気光学機能層を用いているので、構造体に光を入射した際に観察面方向に同様に導光が得られれば、光学素子が透明時における導光発光強度は同等となる。
しかしながら、例3においては、電気光学機能層に光学接合される透明板は、存在せず、光は、電気光学機能層を構成するソーダライムガラス基板の端部に入射されるため、ガラス基板の光吸収より観察面方向への導光自体が得られない。そのために、光学素子が透明状態の発光輝度は、例1と同様に小さいながら、光学素子が光散時においても導光発光強度が小さいために、コントラスト比が小さくなる。すなわち、本発明の構成においてのみ、光学素子が透明時の導光発光強度を小さくでき、同時に、光学素子の散乱時に充分な導光発光強度が得られることで、コントラスト比が4以上の視認性の高い透明発光表示を提供することができる。
本発明の構造体によれば、環境光の強度が充分に高い場合には、環境光を利用した、光学素子の透過と散乱の高いコントラスト比が得られ、環境光が弱い場合、あるいは環境光がほぼない場合には、光源の光を透明板の端部に入射することで、導光発光によるコントラスト比が5以上の良好な表示が得られる。
また、本発明の照明装置によれば、環境光の強度に依存することなく、光学素子への電圧印加及び非印加によって、透明状態と発光状態とを切り替えることが可能になる。
なお、2015年8月25日に出願された日本特許出願2015−166175号の明細書、特許請求の範囲、図面および要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。
1:透明板、 1s:透明板1の主面、 2:光学接合層、 3:透明基板、 4:電気光学機能層、 5:透明基板、 5s:透明基板5の主面、 6:光学素子、7:光、 8:反射部、 9:入射部、 10:透明電極(電極)、 11:透明板、 11a:非貼合部、 12:透明板、 13:光源、 14:液晶パネル、 15:透明基板、 16:液晶層、 17:透明基板、 18:光学接合層、 19:遮光板、 100〜106:構造体、 200〜202:透明ディスプレイ、 300〜302:液晶表示装置。

Claims (13)

  1. 少なくとも一方に電極が形成されている一対の透明基板と、
    前記一対の透明基板間に挟持されている、膜厚が3〜30μmの電気光学機能層と、
    前記透明基板の少なくとも一方に、光学接合層を介して積層されている透明板と、を有し、
    前記透明板のエッジ部から入射した光は、前記電気光学機能層に導かれ、当該電気光学機能層において、前記電極に対して電圧が非印加の状態では前記エッジ部から入射した光を透過させ、前記電極に電圧が印加された状態では前記エッジ部から入射した光を散乱させ、
    前記電気光学機能層は、液晶化合物と、前記液晶化合物を配向規制する配向規制材を含み、
    前記配向規制材は、柱状樹脂の集合体から成り、前記柱状樹脂は、その長軸方向が前記電極の法線方向に略一致しているものと、チルトしているものとを有している硬化性樹脂組成物の硬化物からなり、
    前記液晶化合物は、前記柱状樹脂の集合体と連接して液晶ドメインを形成してなり、
    入射光を透過する状態において、下記式3の測定角度の透過率が60%以上であり、
    測定角度=arcsin(前記透明板における前記光学接合層側とは反対側の面に接する媒体の屈折率/前記透明板の屈折率) … 式3
    前記透明板は、光路長が50mmでの波長400nm〜700nmにおける波長域で平均内部透過率が80%以上である、
    構造体。
  2. 透明基板と、
    膜厚が3〜30μmの電気光学機能層と、
    前記電気光学機能層を介して前記透明基板と対向配置される透明板と、
    前記透明基板と前記透明板の少なくとも一方に形成された電極とを有し、
    前記透明板のエッジ部から入射した光は、前記電気光学機能層に導かれ、当該電気光学機能層において、前記電極に対して電圧が非印加の状態では前記エッジ部から入射した光を透過させ、前記電極に電圧が印加された状態では前記エッジ部から入射した光を散乱させ、
    前記電気光学機能層は、液晶化合物と、前記液晶化合物を配向規制する配向規制材を含み、
    前記配向規制材は、柱状樹脂の集合体から成り、前記柱状樹脂は、その長軸方向が前記電極の法線方向に略一致しているものと、チルトしているものとを有している硬化性樹脂組成物の硬化物からなり、
    前記液晶化合物は、前記柱状樹脂の集合体と連接して液晶ドメインを形成してなり、
    入射光を透過する状態において、下記式4の測定角度の透過率が60%以上であり、
    測定角度=arcsin(前記透明板における前記電気光学機能層側とは反対側の面に接する媒体の屈折率/前記透明板の屈折率) … 式4
    前記透明板は、光路長が50mmでの波長400nm〜700nmにおける波長域で平均内部透過率が80%以上である、
    構造体。
  3. 膜厚が3〜30μmの電気光学機能層と、
    前記電気光学機能層を挟持し、少なくとも一方に電極が形成された一対の透明板と、を有し、
    前記一対の透明板の少なくとも一端部のエッジ部から入射した光は、前記電気光学機能層に導かれ、当該電気光学機能層において、電圧が非印加の状態では前記エッジ部から入射した光を透過させ、電圧が印加された状態では前記エッジ部から入射した光を散乱させ、
    前記電気光学機能層は、液晶化合物と、前記液晶化合物を配向規制する配向規制材を含み、
    前記配向規制材は、柱状樹脂の集合体から成り、前記柱状樹脂は、その長軸方向が前記電極の法線方向に略一致しているものと、チルトしているものとを有している硬化性樹脂組成物の硬化物からなり、
    前記液晶化合物は、前記柱状樹脂の集合体と連接して液晶ドメインを形成してなり、
    入射光を透過する状態において、下記式4の測定角度の透過率が60%以上であり、
    測定角度=arcsin(前記透明板における前記電気光学機能層側とは反対側の面に接する媒体の屈折率/前記透明板の屈折率) … 式4
    前記透明板は、光路長が50mmでの波長400nm〜700nmにおける波長域で平均内部透過率が80%以上である、
    構造体。
  4. 前記透明板は、ガラスである請求項1〜3のいずれかに記載の構造体。
  5. 前記光学接合層の35℃で1Hzにおける動的せん断貯蔵弾性率(G´)が1.0×10Pa以下である、
    請求項1に記載の構造体。
  6. 前記光学接合層を介して接合されている前記透明基板と前記透明板の熱膨張率の比が5以下である、
    請求項1又は5に記載の構造体。
  7. 請求項1〜6のいずれかに記載の構造体と、
    前記構造体に設けられた前記透明板の一端面に配置された光源と、を有する透明ディスプレイ。
  8. 前記構造体の透明部の透過率が70%以上である請求項7に記載の透明ディスプレイ。
  9. 請求項1〜6のいずれかに記載の構造体と、
    前記構造体に設けられた前記透明板の一端面に配置された光源と、を有する照明装置。
  10. 前記構造体の透明部の透過率が70%以上である請求項9に記載の照明装置。
  11. 請求項1〜6のいずれかに記載の構造体と、
    前記構造体に設けられた前記透明板の一端面に配置された光源と、を有する情報表示装置。
  12. 前記構造体の透明部の透過率が70%以上である請求項11に記載の情報表示装置。
  13. 液晶パネルと、
    請求項9又は10に記載の照明装置とを有する液晶表示装置。
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