DE112004002320T5

DE112004002320T5 - EL-Faser und Photokatalyse-Reaktionsgefäss

Info

Publication number: DE112004002320T5
Application number: DE112004002320T
Authority: DE
Inventors: Chihiro Itami Kawai
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-09-28
Also published as: JP2005158551A; WO2005053363A1; CN1887032A

Abstract

Eine EL-Faser, welche die Funktionsweise aufweist, Ultraviolettlicht oder sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm oder weniger auszusenden, wobei die EL-Faser dadurch gekennzeichnet ist, dass die Querschnittsanordnung der Faser eine innere Elektrode aufweist, die im Zentrum in Radialrichtung angeordnet ist, eine interne, isolierende Schicht, die um die interne Elektrode herum angeordnet ist, eine Lichtemitterschicht, eine externe Elektrode, und eine Schutzschicht, die auf einer äußersten Oberfläche angeordnet ist, wobei das Licht durch Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zwischen den Elektroden ausgesandt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine EL-Faser, welche die Funktion aufweist, organische Materialien, Bakterien und dergleichen zu zersetzen oder zu sterilisieren, und betrifft einen photokatalytischen Reaktor, welcher die EL-Faser aufweist.
Technischer Hintergrund
Unter Berücksichtigung von Umweltproblemen in der jüngsten Zeit wurden photokatalytische Materialien, die schädliche Substanzen, Bakterien, Viren und dergleichen zersetzen oder sterilisieren, festgestellt. Ein typischer Photokatalysator ist TiO₂. Im Allgemeinen ist dies ein Material, das eine photokatalytische Funktion mit Ultraviolettlicht mit einer Wellenlänge von 400 nm oder weniger durchführt. Daher kann der Photokatalysator kaum einen katalytischen Effekt mit Sonnenlicht bewirken, das einen kleinen Anteil an Ultraviolettlicht aufweist.
Photokatalytische Materialien, die selbst mit sichtbarem Licht mit einer Wellenlänge oberhalb von 400 nm arbeiten, wurden ebenfalls entwickelt. Diese Materialien, bei welchen TiO₂, das ein System des Anatasas-Typs aufweist, mit N, S, Mn, Fe, Co, Zn, Cu oder dergleichen dotiert ist, vergrößern jedoch die Absorption des sichtbaren Lichts. Die meisten Materialien sind dazu fähig, die photokatalytische Wirkung selbst mit sichtbarem Licht durchzuführen. Allerdings wird die Leistung auf etwa ein Hundertstel der Leistung einer Kombination aus Ultraviolettlicht und Anatasas-Typ TiO₂ verringert. Als Ausnahme wurde berichtet, dass die Leitung nicht signifikant bei TiO₂ verringert wird, das mit einem Schwefelelement dotiert ist (vergleiche beispielsweise das Herbsttreffen der Electrochemical Society von Japan, Zusammenfassungen, Electrochemical Society of Japan, Seite 322).
Allerdings muss in jedem dieser Fälle eine externe Lichtquelle, beispielsweise eine Quecksilberlampe, dazu eingesetzt werden, getrennt zu ermöglichen, dass diese Photokatalysatoren arbeiten können. Daher werden Reaktoren in der Hinsicht eingeschränkt, dass sie kompakt ausgebildet werden, und muss darüber hinaus eine schädliche Substanz, nämlich Quecksilber, eingesetzt werden. Seit kurzem wird eine Lichtemitterdiode (LED), die Ultraviolettlicht aussendet, anstatt der Quecksilberlampe eingesetzt.
Andererseits ist eine Lichtemitterfaser, die als eine EL-Faser bezeichnet wird, die Licht mittels Elektrolumineszenz aussendet, bekannt. 1 zeigt deren grundsätzlichen Aufbau. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine innere Elektrode, das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine innere Isolierschicht, das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Lichtemitterschicht, das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine äußere Isolierschicht, das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine äußere Elektrode, und das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Schutzschicht. Die äußere Isolierschicht 4 kann auch nicht vorhanden sein. Elektronen mit einem hohem Energiepegel, die als heiße Elektronen be zeichnet werden, können sich in die Lichtemitterschicht durch die Isolierschicht durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen den beiden Elektroden bewegen, wobei die heißen Elektroden die Halbleiterteilchen oder bestimmte Ionen anregen, die in den Halbleiterteilchen in der Lichtemitterschicht vorgesehen sind, so dass eine Lichtaussendung auftritt. Da die Faser das Licht mittels Elektrolumineszenz aussendet, wird die Faser als eine EL-Faser bezeichnet. Normalerweise sind im Handel erhältliche EL-Fasern einfach Fasern, die grünes oder blaues Licht im sichtbaren Bereich aussenden, und werden für verschiedene Beleuchtungszwecke und dergleichen eingesetzt (vergleiche Plastics, Rubber and Composites Progressing and Applications 1998, Bd. 27, Nr. 3, Seiten 160–165).
Beschreibung der Erfindung
Eine photokatalytische Reaktion ist eine Reaktion, die nur auf den Oberflächen von Teilchen auftritt, so dass die Teilchenoberflächen gleichmäßig mit dem Ultraviolettlicht bestrahlt werden müssen. Allerdings gibt es beispielsweise die nachstehend geschilderten Probleme.

(1) Falls ein Objekt ein Gas ist, müssen TiO₂-Teilchen, die als ein Photokatalysator dienen, in einem Reaktor schwebend angeordnet werden, so dass eine spezielle Einrichtung benötigt wird. Im Falle einer Flüssigkeit müssen die Photokatalysatorteilchen in der Flüssigkeit verteilt sein. In diesem Fall treten Kosten für die Rückgewinnung beim Austausch von Photokatalysatorteilchen auf.
(2) Da das Ultraviolettlicht dazu neigt, in Luft absorbiert zu werden, muss eine Lichtquelle in der Nähe angeordnet werden, und ist es schwierig, einen Einsatz bei einem großen Reaktor vorzusehen. Insbesondere in jenem Fall, in welchem der Gegenstand eine dickflüssige Flüssigkeit ist, ist die Abschwächung des Ultraviolettlichts signifikant, so dass ein System mit einer externen Lichtquelle nicht eingesetzt werden kann.

Es hat sich herausgestellt, dass die voranstehend geschilderte EL-Faser auf Grundlage der ursprünglichen Idee verbessert wurde, was es ermöglicht, dass sie die Funktionsweise aufweist, dass sie organische Materialien, Bakterien und dergleichen zersetzt oder sterilisiert, so dass die voranstehend geschilderten Probleme überwunden wurden. Daher wurde die vorliegende Erfindung entwickelt.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine EL-Faser, die hauptsächlich die Aufgabe hat, Ultraviolettlicht auszusenden. Die EL-Faser hat die Aufgabe, Ultraviolettlicht oder sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm oder weniger auszusenden, wobei die Querschnittskonstruktion der Faser eine interne Elektrode aufweist, die am Zentrum in Radiusrichtung angeordnet ist, eine interne Isolierschicht, die um die interne Elektrode herum angeordnet ist, eine Lichtemitterschicht, eine externe Elektrode, und eine Schutzschicht, die auf einer äußeren Oberfläche angeordnet ist, wobei das Licht durch Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zwischen den Elektroden ausgesandt wird. Bei der EL-Faser sind Fluoreszenz verursachende Teilchen, welche die Lichtemitterschicht bilden, als ein Material ausgebildet, das Ultraviolettlicht aussendet. Bakterien und Viren können direkt durch das Ultraviolettlicht zersetzt oder sterilisiert werden. Insbesondere wurde Ultraviolettlicht mit 254 nm in weitem Ausmaß für Keim-Abtötende Lampen eingesetzt, da die DNAs von Bakterien und Viren direkt zerstört werden. Daher kann die EL-Faser, die Ultraviolettlicht mit 254 nm aussendet, direkt eine Alternative für Keim-Abtötende Lampen bilden.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine EL-Faser, welche die Aufgabe hat, Ultraviolettlicht oder sichtbares Licht auszusenden. Die EL-Faser hat die Aufgabe, Ultraviolettlicht oder sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 550 nm oder weniger auszusenden, wobei die Querschnittskonstruktion der Faser eine innere Elektrode aufweist, die im Zentrum in Radialrichtung angeordnet ist, eine innere Isolierschicht, die um die innere Elektrode herum angeordnet ist, eine Lichtemitterschicht, eine äußere Elektrode, eine Schutzschicht, und eine Teilchenschicht oder einen Dünnfilm, die bzw. der auf einer äußeren Oberfläche angeordnet ist und eine Photokatalysefunktion aufweist, wobei das Licht durch Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zwischen den Elektroden ausgesandt wird. Die EL-Faser und der Photokatalysator sind daher vereinigt.
Bei dem zweiten Aspekt wird das ausgesandte sichtbare Licht oder Ultraviolettlicht auf den Photokatalysator aufgebracht, und werden organische Materialien, Bakterien, Viren und dergleichen durch die Photokatalysatorwirkung zersetzt oder sterilisiert. Daher ist der Anwendungsbereich größer als bei dem ersten Aspekt, bei welchem nur Ultraviolettlicht ausgesandt wird.
Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen einen Photokatalysereaktor, der die voranstehend geschilderte EL-Faser aufweist, sowie einen Photokatalysereaktor, der einen Aufbau aufweist, bei welchem die EL-Faser und eine Photokatalysefaser an abwechselnden Positionen angeordnet sind.
1 zeigt eine EL-Faser, bei welcher ein Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Die innere Elektrode 1 kann aus einem üblichen Metall bestehen, und es wird ein Kupferdraht eingesetzt. Die innere Isolierschicht 2 wird dazu eingesetzt, gleichmäßig ein elektrisches Wechselfeld auf die Lichtemitterschicht 3 einwirken zu lassen. Normalerweise wird ein dielektrisches Harz, beispielsweise ein Cyanharz, allein eingesetzt, oder eine Mischung aus dem dielektrischen Harz und einem Keramikpulver, beispielsweise BaTiO₃, das eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Die Dicke beträgt einige weniger Mikrometer. Als externe Elektrode 5 wird ein lichtdurchlässiger, elektrisch leitfähiger Film eingesetzt, der aus einem Oxid auf Indium/Zinn-Grundlage (ITO) oder dergleichen besteht, oder eine NiCr-Legierung oder dergleichen, die eine Dicke von 0,1 μm oder weniger aufweist, da das Ultraviolettlicht oder das sichtbare Licht, das von der Lichtemissionsschicht 3 abgestrahlt wird, übertragen werden muss.
Die Schutzschicht 6 wird zum Schutz der Lichtemitterschicht 3 und der externen Elektrode 5 gegenüber Außenumgebungseinflüssen verwendet, beispielsweise Feuchtigkeit, und darüber hinaus muss das von innen abgestrahlte Licht ebenfalls übertragen werden. In jenem Fall, in welchem das Licht sichtbares Licht ist, kann ein normales, lichtdurchlässiges Harz eingesetzt werden. Für Ultraviolettlicht muss allerdings ein Harz eingesetzt werden, welches dazu geeignet ist, das Ultraviolettlicht durchzulassen. Beispiele hierfür umfassen ACRYLITE, hergestellt von MITSUBISHI RAYON CO., LTD. Die Schutzschicht selbst kann aus einem Material bestehen, das eine Photokatalysatorwirkung aufweist. So kann man beispielsweise überlegen, eine dichte Beschichtung aus TiO₂ durch Sputtern einzusetzen.
In der Lichtemitterschicht 3 einer üblichen EL-Faser sind Fluoreszenz verursachende Teilchen in einem dielektrischen Harz verteilt, und beträgt die Dicke der Lichtemitterschicht 3 einige wenige zehn Mikrometer. Auch bei dem vorliegenden Aspekt der Erfindung kann die Lichtemitterschicht 3, die sichtbares Licht mit einer Wellenlänge oberhalb von 400 nm aussendet, die gleiche sein wie jene, die in der üblichen EL-Faser eingesetzt wird. Allerdings kann bei kleineren Wellenlängen ein Harz infolge eines verlängerten Benutzungszeitraums beeinträchtigt werden, wenn das dielektrische Harz verwendet wird. Daher ist es vorzuziehen, dass die dielektrische Keramik anstatt des Harzes eingesetzt wird. Verschiedene Materialien, beispielsweise BaTiO₃, SrTiO₃ und PbTiO₃, die eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, können als derartige dielektrische Keramiken angesehen werden. Eine Schicht, die vom Typ einer Kernschalenstruktur ist, ergibt sich daher, bei welcher Fluoreszenz verursachende Teilchen in der dielektrischen Keramik verteilt sind.
Das Fluoreszenz hervorrufende Material ist am wesentlichsten. Materialien auf Grundlage von ZnS sind am weitesten bekannt als Fluoreszenz verursachende Materialien, die Licht mit einem hohen Wirkungsgrad aussenden, mittels Elektrolumineszenz, da sie mit dem dielektrischen Harz gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung verbunden sind, und wurden auch als Fluoreszenz verursachende Materialien für allgemeine EL-Fasern eingesetzt. (Vergleiche Plastics, Rubber and Composites Progressing and Applications 1998, Bd. 27, Nr. 3, Seiten 160–165.)
Wie in 2 gezeigt, ist ZnS mit Cl oder Al als zweitem Zusatzelement dotiert. Diese zusätzlichen Elemente bilden einen Donor-Pegel unter einem Leiterband von ZnS aus. Andererseits wird Cu, Ag oder dergleichen als ein erstes Zusatzelement zum Dotieren eingesetzt. Diese Elemente bilden einen Akzeptor-Pegel auf einem Valenzband von ZnS. Wenn ZnS mit Energie bestrahlt wird, also einem Elektronenstrahl oder Ultraviolettlicht, wird ein Elektron in dem Valenzband einmal in das Leitungsband erregt, und wird dann von dem Donator-Pegel eingefangen. Andererseits wird ein neues Loch, das in dem Valenzband erzeugt wird, durch den Akzeptor-Pegel eingefangen. Die Lumineszenz tritt durch Rekombination des Elektrons, das sich auf dem Donator-Pegel befindet, und des Lochs auf, das sich auf dem Akzeptor-Pegel befindet. Dies stellt eine Lumineszenz einer Art dar, die als Donator-Akzeptor-Lumineszenz (DA-Lumineszenz) bezeichnet wird, und stellt einen Lumineszenzmechanismus dar, der eine extrem hohe Lichtausbeute zeigen kann. Wie aus Formel (1) hervorgeht, wird grundsätzlich die Nachleuchtwellenlänge durch die Energiedifferenz zwischen dem Donator-Pegel und dem Akzeptor-Pegel bestimmt, und wird, wenn diese zunimmt, die Wellenlänge der Lumineszenz verringert. Daher wird die Energie hν der Lumineszenz repräsentiert durch hν = Eg – (ED + EA) – e2/(4πε0εrr) (1)wobei E_g die Bandlückenenergie von ZnS angibt, E_D die Bindungsenergie des Donators bezeichnet, E_A die Bindungsenergie des Akzeptors angibt, e eine Elementarladung bezeichnet, ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuum angibt, ε_r die relative elektrostatische Dielektrizitätskonstante angibt, und r die Entfernung zwischen dem Donator und dem Akzeptor angibt.
In Bezug auf Fluoreszenz verursachende Materialien auf Grundlage von ZnS, welche den voranstehend geschilderten Lumineszenzmechanismus aufweisen, sind ZnS:Ag, Cl und ZnS:Cu, Al im Handel als blauer Leuchtstoff bzw. grüner Leuchtstoff verfügbar geworden. Daher ist es möglich, diese Fluoreszenz verursachenden Substanzen einzusetzen, um es zu ermöglichen, dass sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von etwa 450 bis 550 nm ausgesandt wird.
Wie aus Formel (1) hervorgeht, wird die Lumineszenzwellenlänge hauptsächlich auf Grundlage der Bandlücke und der Donator- und Akzeptor-Pegel des Halbleitermaterials festgelegt. Um die Lumineszenzwellenlänge zu verringern, ist es daher erforderlich, dass (1) E_g erhöht wird, (2) E_D verringert wird, und (3) E_A verringert wird. Hierbei beträgt E_D etwa 0,1 eV und wird nicht signifikant durch die zum Dotieren verwendeten Elemente geändert. Weiterhin beträgt E_A 0,7 eV, wenn Ag zum Dotieren verwendet wird. Daher ist es wesentlich am bedeutsamsten, E_g zu vergrößern, um die Lumineszenzwellenlänge zu verringern. Beispiele für Zusatzelemente zur Ausbildung des Akzeptor-Pegels umfassen Cu, Ag, Au, Li, Na, N, As, P und Sb. Beispiele für Zusatzelemente zur Ausbildung des Donator-Pegels umfassen Cl, Al, I, F und Br.
Es wird angenommen, dass hauptsächlich zwei Verfahren als Verfahren zur Erhöhung der Bandlückenenergie (E_g) verwendet werden. Ein Verfahren besteht darin, dass der Matrixhalbleiter ein Mischkristall aus dem Halbleiter des zweiten Bestandteils ist, der eine Bandlücke aufweist, die größer ist als jene von ZnS (E_g = 3,7 eV), und aus ZnS. Beispiele für die Halbleiter der zweiten Komponente umfassen Verbundhalbleiter der Gruppe II-IV, wobei ZnS zur selben Gruppe gehört. Selenide, beispielsweise MgSe (E_g = 4,0 eV) und BeSe (E_g = 4,7 eV) können ebenfalls eingesetzt werden, jedoch ist es vorzuziehen, Sulfide ähnlich ZnS unter dem Gesichtspunkt ihrer Herstellung zu verwenden. So beträgt beispielsweise E_g 5,1 eV für MgS, 4,4 eV für CaS und 4,3 eV für SrS, so dass diese Substanzen vorzuziehen sind. Darüber hinaus sind auch BaS und BeS Kandidaten. Allerdings ist MgS besonders vorzuziehen.
Das andere Verfahren zur Verringerung der Bandlücke besteht darin, die Abmessungen der ZnS-Teilchen auf eine Abmessung in der Größenordnung von Nanometern zu verringern. Der Quantengrößeneffekt tritt infolge einer Verringerung des Teilchendurchmessers auf, so dass die Bandlücke vergrößert wird. Selbstverständlich kann der Teilchendurchmesser des voranstehend geschilderten Mischkristalls verringert werden. In diesem Fall kann der Teilchendurchmesser größer werden als in jenem Fall, in welchem eine einfache Substanz aus ZnS verwendet wird. Der Teilchendurchmesser, der zur Ausbildung des Quantengrößeneffekts geeignet ist, ändert sich in Abhängigkeit von E_g und E_A.
Die Lumineszenzwellenlänge von ZnS mit 20 Mol-% von MgS beträgt 400 nm oder weniger, unabhängig vom Teilchendurchmesser. Wie voranstehend geschildert, neigt, wenn die Menge an MgS vergrößert wird, die Grenze für den Teilchendurchmesser dazu, dass sie verkleinert wird. Im Gegensatz hierzu kann die Lichtausbeute verringert werden, wenn die Menge an MgS erhöht wird. Dies gilt auch für die anderen Halbleiter der zweiten Komponente. In diesem Fall beträgt die Vorgabe für den Teilchendurchmesser 10 nm oder weniger.
Beispiele für Kandidaten für Materialien, welche Ultraviolettlicht aussenden, umfassen auch Materialien, die mit Gd-Ionen dotiert sind, also Y₂O₃:Gd, Si-Y-O-N:Gd und ZnF₂:Gd:GaN und ZnO mit Ausnahme dieser Fluoreszenz verursachenden Materialien auf Grundlage von ZnS.
Falls das Ultraviolettlicht oder das sichtbare Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm oder weniger eingesetzt wird, kann das photokatalytische Material TiO₂ vom Anatasas-Typ, vom Rutil-Typ oder vom Brookit-Typs sein, wie dies normalerweise eingesetzt wird. Für sichtbares Licht mit einer Wellenlänge oberhalb von 400 nm kann TiO₂, dotiert mit zumindest einem Element von N, S, Mn, Fe, Co, Zn und Cu als für sichtbares Licht empfindlicher Photokatalysator eingesetzt werden. Das mit S dotierte Material ist am ehesten vorzuziehen, und dann zeigt sich die höchste Photokatalysatoraktivität.
Die voranstehend geschilderten Erzeugnisse gemäß der vorliegenden Erfindung dienen als kompakte Lichtquellen, welche direkt Ultraviolettlicht abstrahlen können, oder eine Photokatalysewirkung ausüben können. Daher kann eine wirksame Zersetzungs-Sterilisiereinrichtung zur Verfügung gestellt werden, wenn sie in einem zu behandelnden Gegenstand angeordnet wird, beispielsweise einem Fluid in einem begrenzten Bereich, der nicht von Außenlicht erreicht wird, oder in einem Fluid, das stark dickflüssig ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer EL-Faser, bei welcher die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann;
2 erläutert einen Lumineszenzmechanismus als Leuchtstoff auf Grundlage von ZnS;
3 ist eine erläuternde Darstellung eines Photokatalysator-Reaktionsversuchs;
4 ist eine erläuternde Darstellung eines Beispiels, bei welchem im Handel erhältliche LEDs, die Ultraviolettlicht abstrahlen, in Abständen von 60 Grad angeordnet sind;
5 ist eine Erläuterung eines Beispiels, bei welchem Quecksilberlampen in Abständen von 60 Grad angeordnet sind;
6A und 6B sind eine Aufsicht bzw. eine Schnittansicht eines Woven-Erzeugnisses, das aus EL-Fasern gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde;
7 ist eine erläuternde Darstellung des Beispiels 3;
8 ist eine erläuternde Darstellung eines Vergleichbeispiels in Bezug auf Beispiel 3;
9 ist eine erläuternde Darstellung eines anderen Vergleichbeispiels in Bezug auf das voranstehend geschilderte Beispiel 3.
Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird im Einzelnen nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben.
BEISPIEL 1
Ein Cu-Draht mit einem Durchmesser von 0,1 mm und einer Länge von 1 m wurde als eine Kernelektrode verwendet.
Die folgenden Pulver wurden erzeugt.
(Isolierschichtausbildung)

BaTiO₃: mittlerer Teilchendurchmesser 0,5 μm
Harz: hergestellt von Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. (Handelsbezeichnung Cyanoresin)

(Fluoreszenz verursachender Stoff)

ZnS:Cu, Cl-Pulver mit mittlerem Teilchendurchmesser von 0,5 μm (Handelserzeugnis)
ZnS:Ag, Cl-Pulver mit mittlerem Teilchendurchmesser von 0,5 μm (Handelserzeugnis)
ZnS:Ag, Cl-Pulver mit mittlerem Teilchendurchmesser von 3 bis 15 nm.

Die Pulver wurden durch Mahlen eines im Handel erhältlichen Pulvers aus ZnS:Ag, Cl (mittlerer Teilchendurchmesser 0,5 μm) unter Argon bei einer Beschleunigung von 150 G über verschiedene Zeiten unter Verwendung einer Planetenkugel-Mahleinrichtung hergestellt (der Kugeldurchmesser betrug 50 μm).
(Photokatalysator)

TiO₂ des Anatasas-Typs mit mittlerem Teilchendurchmesser von 0,05 μm (Handelserzeugnis)
TiO₂:S mit mittlerem Teilchendurchmesser von 0,05 μm.

Ein Pulver aus Thioharnstoff (CH₄N₂S) und Ti(OC₃H₇)₄ wurden in Ethanol gemischt, und es wurde eine Erhöhung der Vakuumkonzentration durchgeführt, bis sich ein Zustand einer weißen Aufschlämmung ergab. Dann wurde ein Hartbrennen bei 600 °C über 2 Stunden in Luft durchgeführt, so dass ein Pulver erzeugt wurde. Das Ausmaß der Dotierung mit S war so festgelegt, dass es sich um 2 Atom-% relativ zu Sauerstoff handelte.
(a) Ausbildung einer Isolierschicht
Das Harz wurde in Cyclohexanon verteilt und aufgelöst, so dass es 30 Vol.-% einnahm. Ein Pulver aus BaTiO₃ wurde in dieser Lösung dispergiert (30 Vol.-%). Die sich ergebende Lösung wurde auf den Cu-Draht aufgebracht, die Dicke wurde auf 30 μm durch eine Umdrehungsrolle gesteuert, und es wurde ein Trocknungsvorgang bei 120 °C über 1 Stunde durchgeführt, so dass eine Isolierschicht ausgebildet wurde.
(b) Ausbildung der Lichtemitterschicht
Es wurde eine Lösung hergestellt, in welcher das Harz in Cyclohexanon verteilt und aufgelöst war, mit 30 Vol.-%. Ein Fluoreszenz verursachendes Pulver wurde einer Dispersionsbehandlung (30 Vol.-%) in dieser Lösung unter einem Ar-Gas unterzogen. Die sich ergebende Lösung wurde auf die Oberfläche der Isolierschicht gemäß Posten (a) aufgebracht, die Dicke wurde auf 40 μm mit einer Umdrehungsrolle gesteuert, und das Trocknen wurde bei 120 °C über 10 Stunden durchgeführt, so dass eine Lichtemitterschicht ausgebildet wurde.
(c) Ausbildung der externen Elektrode
Das sich ergebende Erzeugnis wurde in einer Sputter-Vorrichtung eingesetzt, und die Lichtemitterschichtoberfläche wurde mit einer ITO-Elektrode mit einer Dicke von 0,2 μm bei 130 °C beschichtet.
(d) Ausbildung einer Schutzschicht
Eine Schmelze aus ACRYLITE, das ein Ultraviolett-strahlungsdurchlässiges Harz darstellt, wird aufgebracht, und die Be schichtungsdicke wurde auf 100 μm mit einer Umdrehungsrolle eingestellt.
(e) Ausbildung der Photokatalyseschicht
Es wurde eine Flüssigkeit vorbereitet, in welcher Photokatalyseteilchen in Alkohol dispergiert sind. Eine El-Faser wurde in diese eingetaucht und wurde herausgezogen, so dass die EL-Faseroberfläche mit TiO₂-Teilchen beschichtet war.
(f) Bewertung
(1) Lichtausbeute
Ein elektrisches Wechselfeld bei 150 V und 400 Hz wurde zwischen der Kernelektrode und der ITO-Elektrode der EL-Faser angelegt, vor einer Beschichtung mit der Photokatalyseschicht. Die Leuchtdichte des Nachleuchtens wurde mit einem Leuchtdichtemessgerät oder einem Ultraviolett-Leuchtdichtemessgerät gemessen, und der Leuchtdichtewirkungsgrad wurde auf Grundlage der zugeführten elektrischen Energie berechnet.
(2) Photokatalyse-Reaktionsexperiment
500 El-Fasern, die mit TiO₂ beschichtet waren, mit einer Länge von 1 m, wurden in einem Bündel zusammengebündelt, und in einen Reaktor mit einem Durchmesser von 50 cm und einer Länge von 1 m eingebracht. Wie aus 3 hervorgeht, wurde Wasser, das Trichlorethylen bei einer Konzentration von 100 ppm enthielt, von einem Einlass des Reaktors hinzugegeben, und wurde umgewälzt, und von einem getrennten Auslass abgegeben. Das Wasser wurde absichtlich vorher durch Zufügung von 5 % einer Ausziehtuschelösung in Bezug auf das Wasser gefärbt, so dass die Flüssigkeit stark dickflüssig sein konnte. Hierbei wurde ein elektrisches Wechselfeld von 150 V und 400 Hz zwischen sämtlichen Kernelektroden und den ITO-Elektroden angelegt.
Es wurde der Zeitraum gemessen, bis das Trichlorethylen vollständig zersetzt war.
Zu Vergleichszwecken wurden eine Vorrichtung, bei welcher im Handel erhältliche, Ultraviolettlicht aussende LEDs (Lurnineszenzwellenlänge 360 nm, Ausgangsleistung 50 mW) in Intervallen von 60 Grad angeordnet waren (4), und eine Vorrichtung, bei welcher Quecksilberlampen (Lumineszenzwellenlänge 254 nm, Ausgangsleistung 100 mW) in Abständen von 60 Grad und einem Teilungsabstand von 90 mm (5) angeordnet waren, vorbereitet, und wurden 100 g der voranstehend geschilderten TiO₂-Teilchen des Anatasas-Typs in der Flüssigkeit dispergiert, die in dem Reaktor enthalten war. Das Ultraviolettlicht wurde von außerhalb des Reaktors eingestrahlt, und es wurde die Zeit gemessen, bis eine vollständige Zersetzung erfolgt war.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
Für das System mit einer externen Lichtquelle wurde der Versuch bis maximal 100 Stunden lang durchgeführt. Allerdings konnte Trichlorethylen nicht vollständig zersetzt werden. Es wird angenommen, dass der Grund hierfür darin besteht, dass die Lichtdurchlässigkeit der Flüssigkeit gering ist, da Ultraviolettlicht nicht ausreichend in das Innere des Reaktors hineingelangt, und daher der Photokatalysator seine Aufgabe nicht erfüllen kann.
Andererseits trat, wenn das Erzeugnis gemäß dem vorliegenden Aspekt der Erfindung eingesetzt wurde, eine Zersetzung auf. Die Zersetzung kann selbst durch sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von oberhalb von 400 nm durchgeführt werden, wenn TiO₂:S als Photokatalysator eingesetzt wird. Die Zersetzungsfähigkeit war hoch, wenn Ultraviolettlicht eingesetzt wurde, und darüber hinaus wurde die Fähigkeit erhöht, wenn die Wellenlänge des Ultraviolettlichts verringert wurde. Der Grund hierfür besteht anscheinend darin, dass der Photokatalysator ausreichend angeregt werden kann, wenn die Wellenlänge verringert wird.
BEISPIEL 2
Ein Cu-Draht mit einem Durchmesser von 0,1 mm und einer Länge von 1 m wurde als eine Kernelektrode eingesetzt.
Es wurden die folgenden Pulver hergestellt.
(Isolierschichtausbildung)

Ba(OCH₃)₂
Ti(OC₂H₅)₄

(Fluoreszenz erzeugendes Mittel)

Pulver aus ZnS-MgS:Ag, Cl mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 3 bis 15 nm.

Die Pulver wurden so hergestellt, dass ein im Handel erhältliches Pulver aus ZnS:Ag, Cl (mittlerer Teilchendurchmesser 0,5 μm) mit einer vorbestimmten Menge an MgS-Pulver (mittlerer Teilchendurchmesser 0,5 μm) gemischt wurde, und dann ein Schleifvorgang unter Ar bei einer Beschleunigung von 144 G über unterschiedliche Zeiten unter Verwendung einer Planetenkugel-Mühleneinrichtung durchgeführt wurde (der Kugeldurchmesser betrug 40 μm).
(a) Ausbildung der Isolierschicht
Alkohollösungen aus Ba(OCH₃)₂ und Ti(OC₂H₅)₄ wurden einzeln verdampft und in einen CVD-Reaktor eingegeben. Andererseits wurde Sauerstoff über einen anderen Weg zugeführt. Eine Reaktion wurde auf einer Temperatur von 900 °C und 2 Stunden lang bei einem Druck von 0,04 MPa durchgeführt, so dass die Oberfläche der Cu-Kernelektrode mit BaTiO₃ mit einer Dicke von 20 μm beschichtet wurde.
(b) Ausbildung der Lichtemitterschicht
Unter Ar-Gas wurde eine Lösung hergestellt, bei welcher das Fluoreszenzerzeugungspulver in einer Alkohollösung (Konzentration 0,2 Mol/l) dispergiert wurde, die mit gleichen Molanteilen an Ba(OCH₃)₂ und Ti(OC₂H₅)₄ gemischt wurde, die Probe nach der Ausbildung der Isolierschicht in die sich ergebende Lösung eingetaucht und herausgezogen wurde. Hartbrennen wurde unter Luft 30 Minuten lang bei 900 °C durchgeführt. Dies wur de 30-mal wiederholt, so dass eine Lichtemitterschicht mit einer Dicke von 20 μm ausgebildet wurde, in welcher die Fluoreszenzerzeugungsteilchen in BaTiO₃ dispergiert waren.
(c) Ausbildung der externen Elektrode Das sich ergebende Erzeugnis wurde in eine Sputter-Vorrichtung eingesetzt, und die Oberfläche der Lichtemitterschicht wurde mit einer ITO-Elektrode mit einer Dicke von 0,2 μm bei 530 °C beschichtet.
(d) Herstellung einer Schutzschicht, die auch als Photokatalysator dient
TiO₂ des Anatasas-Typs mit einer Dicke von 5 μm und TiO₂:S, wobei TiO₂ mit S mit 2 Atom-% in Bezug auf Sauerstoff dotiert war, mit einer Dicke von 5 μm, wurde bei 600 °C durch ein Sputter-Verfahren ausgebildet, um so als eine Schutzschicht zu dienen.
(f) Bewertung
(1) Leuchtwirkungsgrad
Ein elektrisches Wechselstromfeld mit 200 V und 300 Hz wurde zwischen der Kernelektrode und der ITO-Elektrode der EL-Faser angelegt, vor der Beschichtung mit der Photokatalysatorschicht. Die Leuchtdichte der Lumineszenz wurde mit einem Leuchtdichtemessgerät oder einem Ultraviolett-Leuchtdichtemessgerät gemessen, und der Leuchtwirkungsgrad wurde anhand der zugeführten elektrischen Energie berechnet.
(2) Photokatalysereaktions-Experiment
500 EL-Fasern mit einer Länge von 1 m wurden in einem Bündel zusammengefasst und in einem Reaktor mit einem Durchmesser von 50 cm und einer Länge von 1 m angeordnet. Wie in 3 gezeigt, wurde Wasser, das Acetaldehyd mit einer Konzentration von 180 ppm enthielt, von einem Einlass des Reaktors zugeführt, und wurde umgewälzt, und von einem getrennten Auslass abgegeben. Das Wasser wurde absichtlich vorher durch Hinzufügen von 10 % einer Ausziehtuschelösung relativ zum Wasser gefärbt, so dass die Flüssigkeit eine hohe Dickflüssigkeit aufweisen konnte. Hierbei wurde ein elektrisches Wechselstromfeld von 200 V und 300 Hz zwischen sämtlichen Kernelektroden und den ITO-Elektroden angelegt. Es wurde der Ablauf der Zeit gemessen, bis Acetaldehyd vollständig zersetzt war.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Da das Fluoreszenz erzeugende Mittel als ein Mischkristallsystem aus ZnS:MgS ausgebildet war, wurde die Lumineszenzwellenlänge weiter verringert, und wurde die Zersetzungsrate erhöht. Da die Dielektrika in der Isolierschicht und der Lichtemitterschicht aus BaTiO₃ bestanden, das eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, wurde ein hoher Leuchtwirkungsgrad erzielt.
Die Photokatalysewirkung konnte selbst dann erreicht werden, wenn TiO₂ als die Schutzschicht eingesetzt wurde.
BEISPIEL 3
Mit der EL-Faser des Beispiels 1 wurde eine zweidimensionale Satinbindung mit einem Abstand von 3 mm vorgenommen, so dass ein Webstoff mit Abmessungen von 500 mm × 500 mm erzeugt wurde. 6A ist eine Aufsicht, und 6B ist eine Schnittansicht.
Ein Webstoff (hergestellt von UBE INDUSTRIES, LTD.), der aus einer Photokatalysefaser hergestellt wurde, und auf Abmessungen von 500 mm × 500 mm geschnitten wurde, wurde hergestellt.
Der EL-Faser-Webstoff und der Photokatalysator-Webstoff wurden abwechselnd aufeinander gestapelt, und es wurden jeweils 50 Schichten aus diesen zusammenlaminiert, so dass eine Photokatalysatorvorrichtung hergestellt wurde.
Die Vorrichtung wurde in einen Behälter eingebracht (einen Reaktor mit einer Dicke von 70 mm und einer Querschnittsfläche von 500 mm × 500 mm), der in 7 gezeigt ist. Eine Art von Dioxinen, nämlich 2,3',4,4',5-Pc-CB, wurde in Wasser aufgelöst, wodurch 30 l einer Lösung mit einer Konzentration von 100 pg/l hergestellt wurden. Hierbei wurde das Wasser absichtlich vorher dadurch gefärbt, dass 10 % einer Ausziehtuschelösung in Bezug auf das Wasser hinzugefügt wurde, so dass eine Flüssigkeit mit hoher Dickflüssigkeit erzeugt wurde.
Ein elektrisches Wechselstromfeld mit 200 V und 500 Hz wurde zwischen den Elektroden angelegt, während die sich ergebende Flüssigkeit bei einer Flussrate von 2,5 l/min umgewälzt wurde. Der Ablauf der Zeit, bis Dioxin vollständig zersetzt war, wurde bis maximal 100 Stunden lang gemessen.
Zu Vergleichszwecken wurde eine Vorrichtung, die durch Zusammenlaminieren von 50 Schichten aus dem Photokatalysator-Webstoff allein hergestellt wurden, in denselben Behälter eingebracht, und es wurden eine Lichtquelle, bei welcher im Handel erhältliche, Ultraviolettstrahlung aussendende LEDs (Lumineszenzwellenlänge 360 nm, Ausgangsleistung 50 mW) in einem Abstand von 35 mm (9) angeordnet waren, und eine Lichtquelle, bei welcher Quecksilberlampen (Lumineszenzwellenlänge 254 nm, Ausgangsleistung 100 mW) in einem Abstand von 35 mm angeordnet waren (8) einzeln hergestellt, und außerhalb des Behälters angeordnet. Die Bestrahlung erfolgte von außerhalb des Behälters, und der Zeitablauf bis zur vollständigen Zersetzung wurde gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 3
Bei dem Erzeugnis gemäß dem vorliegenden Aspekt der Erfindung war die Zersetzungszeit kürzer als bei dem System mit einer externen Lichtquelle. Insbesondere erhöhte sich der Unterschied, wenn eine sehr dickflüssige Flüssigkeit behandelt wurde. Als Grund hierfür wird angenommen, dass das abgestrahlte Licht von der dickflüssigen Ausgangssubstanz absorbiert wird. Selbst wenn die Dickflüssigkeit gering ist, ist die Zersetzungszeit bei dem Erzeugnis gemäß dem vorliegenden Aspekt der Erfindung kurz. Als Grund hierfür wird angenommen, dass dann, wenn die Photokatalysator-Webstoffe zusammenlaminiert werden, das Licht nicht gleichmäßig den Innenraum des Webstoffs erreicht. Andererseits wird in Bezug auf das Erzeugnis gemäß dem vorliegenden Aspekt der Erfindung angenommen, dass alle Photokatalysator-Webstoffe gleichmäßig ihre Funktionsweise ausführen, unabhängig von der Anzahl an Laminatschichten, da sich die Lichtquelle in der Nähe des Photokatalysator-Webstoffs befindet.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das Erzeugnis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Faser, die Ultraviolettlicht aussenden kann, beispielsweise durch Anlegen einer Wechselspannung. Wenn das Erzeugnis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung in einer dickflüssigen Flüssigkeit angeordnet wird, und seine Funktion ausführen kann, kann eine Photokatalysatorreaktion wirksam durchgeführt werden, ohne eine externe Ultraviolettlichtquelle einzusetzen, beispielsweise eine Ultraviolettlampe oder eine Ultraviolett-LED. Selbst in jenem Fall, in welchem ein dickflüssiges Fluid signifikant Ultraviolettlicht absorbiert, und die externe Lichtquelle hiermit nicht fertig werden kann, wird jedoch ermöglicht, wirksam eine Photokatalysatorreaktion durchzuführen.
Ein Photokatalysereaktor, der das Erzeugnis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält, kann organische Materialien zersetzen, und Bakterien und dergleichen sterilisieren, und daher in verschiedenen Gebieten eingesetzt werden, beispielsweise bei der Zersetzung und dem Entfernen von NO_x, SO_x, CO-Gas, Dieselfeinstäuben, Pollen, Stäuben, Akarid und dergleichen, welche eine Luftverschmutzung hervorrufen, kann eine Zersetzung und das Entfernen von organischen Bestandteilen bewirken, die im Abwasser enthalten sind, und kann bei Lichtquellen zum Sterilisieren normaler Bakterien, Viren und dergleichen eingesetzt werden, bei der Zersetzung schädlicher Gase, die in Chemiefabriken erzeugt werden, bei der Zersetzung schlecht riechender Bestandteile, und bei einer Sterilisierungslichtquelle in Wasseranlagen mit äußerst reinem Wasser.
Es ist möglich, eine Kombination mit einem Keramikfilter vorzusehen, einer Photokatalysatorplatte, einem photokatalytischen Webstoff und dergleichen. Wenn beispielsweise das Erzeugnis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung in einer Zelle eines bienenwabenförmigen Keramikfilters angeordnet ist, das vorher einen Photokatalysator transportieren kann, können sowohl die Trennfunktion eines Keramikfilters als auch die Photokatalysefunktion zur Verfügung gestellt werden. Es gibt beispielsweise ein Verfahren, bei dem das Erzeugnis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung so vorgesehen ist, dass es in einen photokatalytischen Webstoff eingebunden ist. Auf diese Weise wird ebenfalls ermöglicht, einen Einsatz bei Bienenwabenbestandteilen zu ermöglichen, die bei Kraftfahrzeug-Abgasbehandlungen eingesetzt werden, bei Luftfiltern, Abwasserfiltern, verschiedenen Wasseraufbereitungseinrichtungen, bei der Sterilisierung heißer Quellen und bei Insektiziden.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine photokatalytische Reaktion ist eine Reaktion, die nur auf den Oberflächen von Teilchen auftritt, und daher müssen die Teilchenoberflächen gleichmäßig mit Ultraviolettlicht bestrahlt werden. Allerdings wird eine spezielle Einrichtung benötigt, und sind die Wiederherstellungskosten hoch beim Austausch photokatalytischer Teilchen. Weiterhin ist es schwierig, einen Einsatz bei einem großen Reaktor vorzunehmen, und ist es insbesondere schwierig, ein externes Lichtquellensystem einzusetzen. Diese Probleme werden überwunden.
Eine EL-Faser, welche die Aufgabe hat, Ultraviolettlicht oder sichtbares Licht auszusenden, mit einer Wellenlänge von 400 nm oder weniger, zeichnet sich dadurch aus, dass die Querschnittsstruktur der Faser eine interne Elektrode enthält, die im Zentrum in Radialrichtung angeordnet ist, eine innere Isolierschicht, die um die innere Elektrode herum angeordnet ist, eine Lichtemitterschicht, eine äußere Elektrode, und eine Schutzschicht, die auf einer äußersten Oberfläche angeordnet ist, und das Licht durch Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zwischen den Elektroden ausgesandt wird.

Claims

Eine EL-Faser, welche die Funktionsweise aufweist, Ultraviolettlicht oder sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm oder weniger auszusenden, wobei die EL-Faser dadurch gekennzeichnet ist, dass die Querschnittsanordnung der Faser eine innere Elektrode aufweist, die im Zentrum in Radialrichtung angeordnet ist, eine interne, isolierende Schicht, die um die interne Elektrode herum angeordnet ist, eine Lichtemitterschicht, eine externe Elektrode, und eine Schutzschicht, die auf einer äußersten Oberfläche angeordnet ist, wobei das Licht durch Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zwischen den Elektroden ausgesandt wird.
EL-Faser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine äußere, isolierende Schicht zwischen der Lichtemitterschicht und der externen Elektrode.
EL-Faser, welche Ultraviolettlicht oder sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 550 nm oder weniger aussenden kann, wobei die EL-Faser dadurch gekennzeichnet ist, dass die Querschnittsanordnung der Faser zumindest eine innere Elektrode aufweist, die am Zentrum in Radialrichtung angeordnet ist, eine innere, isolierende Schicht, die um die innere Elektrode herum vorgesehen ist, eine Lichtemitterschicht, eine externe Elektrode, eine Schutzschicht, und eine Teilchenschicht oder einen dünnen Film, der bzw. die auf einer äußeren Oberfläche angeordnet ist, und aus einem Material besteht, das eine Photokatalysewirkung zeigt, wobei das Licht durch Einsatz eines elektrischen Wechselfelds zwischen den Elektroden ausgesandt wird.
EL-Faser nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine äußere, isolierende Schicht zwischen der Lichtemitterschicht und der externen Elektrode.
EL-Faser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Schutzschicht selbst aus einem Material besteht, das photokatalytische Eigenschaften aufweist.
EL-Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, das eine Photokatalysewirkung aufweist, TiO₂ und/oder TiO₂ ist, das mit zumindest einer Art eines Elements von N, S, Mn, Fe, Co, Zn und Cu dotiert ist.
EL-Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemitterschicht einen Aufbau aufweist, bei welchem Fluoreszenz erzeugende Teilchen, die dazu dienen, sichtbares Licht oder Ultraviolettlicht auszusenden, in einer Matrix verteilt sind, die zumindest eine Art eines dielektrischen Harzes oder einer dielektrischen Keramik enthält.
EL-Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenz erzeugende Substanz, welche die Lichtemitterschicht bildet, ZnS als ersten, primären Bestandteil und, als zweite Bestandteile, ein erstes, zusätzliches Element aufweist, das ein Akzeptor-Niveau bildet, und ein zweites, zusätzliches Element, das ein Donator-Niveau bildet, in einem Halbleiter, der teilweise oder gar nicht einen Verbundhalbleiter der Gruppe II-IV enthält.
EL-Faser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zusätzliche Element zumindest eines aus der Gruppe Cu, Ag, Au, Li, Na, N, As, P und Sb ist, und das zweite, zusätzliche Element zumindest eines aus der Gruppe Cl, Al, I, F und Br ist.
EL-Faser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zusätzliche Element Ag ist.
EL-Faser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter des zweiten Bestandteils zumindest ein Mitglied aus der Gruppe MgS, CaS, SrS, BeS und BaS enthält.
EL-Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Teilchendurchmesser der Fluoreszenzerzeugungssubstanz, welche die Lichtemitterschicht bildet, 10 nm oder weniger beträgt.
Photokatalytischer Reaktor, der die EL-Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält.
Photokatalytischer Reaktor, der einen Aufbau aufweist, bei welchem die EL-Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und eine photokatalytische Faser in abwechselnden Positionen vereinigt sind.