DE112013003804T5

DE112013003804T5 - Shirasu-Struktur und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE112013003804T5
Application number: DE201311003804
Authority: DE
Inventors: c/o Miyakonojo National College Noguchi Daisuke
Original assignee: Takachiho Corp
Current assignee: TAKACHIHO SHIRASU CORP., MIYAKONOJYOSHI, JP
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-04-23
Also published as: JP6103642B2; WO2014021371A1; CN107056082B; CN104684847B; CN104684847A; DE112013003804T8; JP2014043644A; CN107056082A

Abstract

Eine Shirasu-Struktur (1) umfasst ein Substrat (3) und einen dünnen Shirasu-Film (5), gebildet durch physikalischen Dampfniederschlag auf einer Oberfläche des Substrates (3).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft eine Shirasu-Struktur und ein Herstellungsverfahren der Shirasu-Struktur und insbesondere ein Produkt mit einem Substrat, das beispielsweise aus Glas und einem dünnen Shirasu-Film erzeugt ist, der auf dem Substrat gebildet ist.
HINTERGRUND
In den letzten Jahren erregen vulkanische Shirasu-Produkte Aufmerksamkeit als neues Material mit 100%iger Natürlichkeit und mit einer Vielzahl von Funktionen wie desodorierende Funktion, Feuchtigkeits-Steuerfunktion, negative Ionenwirkungswirkung und Sickhouse-Syndrom-Verhinderungsfunktion.
Als ein Anwendungsprodukt eines vulkanischen Shirasu-Produktes ist eine Shirasu-Struktur 201 (siehe 9) als ein hausinternes Material (Innenausbaumaterial), externes Material (Außenausbaumaterial) oder Pflastermaterial für den Erhalt von spezifischen Wirkungen in der praktischen Verwendung.
Die Shirasu-Struktur 2001 hat granulares oder Massen-Shirasu 203, gebildet zu einem Massenzustand auf einem Substrat 207 unter Verwendung eines Bindemittels wie eines Adhäsivs 205.
Technische Dokumente bezüglich des Standes der Technik umfassen beispielsweise Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2.
LISTE DER DRUCKSCHRIFTEN
Patentliteratur

Patentliteratur 1: ungeprüfte japanische Patentanmelde-Veröffentlichung 2004-339712
Patentliteratur 2: ungeprüfte japanische Patentanmelde-Veröffentlichung 2008-101436 .

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Die konventionelle Shirasu-Struktur 201 hat Funktionen wie eine Desodorierfunktion und Feuchtigkeitsabsorptionsfunktion. Es ist wichtig, diese Funktionen für lange Zeit zu halten. Die konventionelle Shirasu-Struktur 201 umfasst das massenförmige Shirasu 203 und hat daher eine geringe Lichttransmission und geringe optische Eigenschaften. Wenn das Substrat 207 eine Sichtbarkeit ergeben soll, ist die Beschichtung des Shirasu 203 beim Substrat 207 begrenzt.
Anwendungsprodukte von Shirasu sind hauptsächlich Konstruktionsmaterialien, und es gibt Bedürfnisse, neue Funktionalität von Shirasu im Zusammenhang mit mechanischen, thermischen, elektrischen, biofunktionellen, Segregations- und chemischen Eigenschaften festzustellen und Shirasu-Anwendungsprodukte zu entwickeln, die eine solche Funktionalität entwickeln. Angesichts der oben erwähnten Bedürfnisse ist ein Ziel dieser Erfindung, eine Shirasu-Struktur anzugeben, das zusätzlich zu den Desodorier- und Feuchtigkeitsabsorptionsfunktionen ausgezeichnete optische und elektrische Eigenschaften aufweist und in der Lage ist, diese Eigenschaften für eine lange Zeit gegenüber Alterung aufrecht zu erhalten. Ein anderes Ziel dieser Erfindung liegt darin, ein Herstellungsverfahren einer solchen Shirasu-Struktur anzugeben.
Mittel zur Lösung der Probleme
Ein erster Aspekt dieser Erfindung ist eine Shirasu-Struktur, die ein Substrat und einen dünnen Shirasu-Film enthält, gebildet durch Dampfniederschlag auf dem Substrat.
Im Zusammenhang mit der Shirasu-Struktur des ersten Aspekts bildet ein zweiter Aspekt dieser Erfindung den dünnen Shirasu-Film durch direktes Niederschlagen von Metalloxiden, die Shirasu bilden, auf dem Substrat.
Im Zusammenhang mit der Shirasu-Struktur des ersten oder zweiten Aspektes macht ein dritter Aspekt dieser Erfindung das Substrat aus einem transparenten oder semi-transparenten Material.
Ein vierter Aspekt dieser Erfindung konfiguriert die Shirasu-Struktur des ersten Aspektes, so dass die Shirasu-Struktur ein Lichtsteuerelement ist, das Substrat ein erster leitender Film ist, der dünne Shirasu-Film auf einer Oberfläche eines chromogenen Reduktionsfilmes gebildet ist, der auf einer Oberfläche des Substrats gebildet ist, ein chromogener Oxidationsfilm auf einer Oberfläche des dünnen Shirasu-Filmes gebildet ist, ein zweiter leitender Film auf einer Oberfläche des chromogenen Oxidationsfilmes gebildet ist und jeder der leitenden Filme aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper erzeugt ist, oder einer der leitenden Filme aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper und der andere aus einem reflektiven Film gebildet ist.
Ein fünfter Aspekt dieser Erfindung konfiguriert die Shirasu-Struktur des ersten Aspektes, so dass die Shirasu-Struktur ein Lichtsteuerelement ist, das Substrat ein erster leitender Film ist, der dünne Shirasu-Film auf einer Oberfläche eines chromogenen Oxidationsfilmes gebildet ist, der auf einer Oberfläche des Substrates gebildet ist, ein chromogener Reduktionsfilm auf einer Oberfläche des dünnen Shirasu-Filmes gebildet ist, ein zweiter leitender Film auf einer Oberfläche des chromogenen Reduktionsfilmes gebildet ist und jeder der leitenden Filme aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper erzeugt ist, oder einer der leitenden Filme aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper und ein anderer aus einem reflektiven Film gebildet ist.
Ein sechster Aspekt dieser Erfindung konfiguriert die Shirasu-Struktur des ersten Aspektes, so dass die Shirasu-Struktur ein Antireflexionsmaterial ist, das Substrat aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper erzeugt ist und der dünne Shirasu-Film und ein dünner Film mit hohem Refraktionsindex, dessen Refraktionsindex höher ist als der des dünnen Shirasu-Filmes, alternierend aufeinander in einer Vielzahl von Schichten auf einer Oberfläche des Substrates gebildet werden.
Ein siebter Aspekt dieser Erfindung ist ein Herstellungsverfahren der Shirasu-Struktur nach einem der ersten bis sechsten Aspekte. Das Verfahren verwendet als Material, das einen dünnen Film bildet, das für den physikalischen Dampfniederschlag verwendet wird, körniges oder Massen-Shirasu oder einen gesinterten Körper mit einer bestimmten Größe, gebildet durch Sintern von körnigem oder Massen-Shirasu.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Diese Erfindung ist in der Lage, eine Shirasu-Struktur anzugeben, die Desodorier- und feuchtigkeitsabsorbierende Funktionen, optische und elektrische Eigenschaften und einen Abschälwiderstand aufweist, so dass ein dünner Shirasu-Film kaum von einem Substrat für lange Zeit sich abschält, ebenso wie ein Herstellungsverfahren für eine solche Shirasu-Struktur.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 erläutert eine schematische Konfiguration einer Shirasu-Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
Die 2(a) und 2(b) sind vergrößerte Ansichten, die einen dünnen Shirasu-Film der Shirasu-Struktur gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung erläutern, worin 2(a) eine Oberfläche des dünnen Shirasu-Films erläutert, und 2(b) eine Oberflächenrauigkeit des dünnen Shirasu-Films entlang einer geraden Linie L von 2(a) erläutert.
3 erläutert Mikrostrukturen (mikrostrukturelle Änderungen in Abhängigkeit von den Formgebungsbedingungen) des dünnen Shirasu-Filmes der Shirasu-Struktur gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
4 erläutert Schnitt-Mikrostrukturen des dünnen Shirasu-Filmes der Shirasu-Struktur gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
5 erläutert eine schematische Konfiguration einer Sputteranlage.
6 erläutert ein Lichtsteuerelement gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
7 erläutert ein Lichtsteuerelement gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
8 erläutert ein Lichtsteuerelement gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
9 erläutert eine schematische Konfiguration einer Shirasu-Struktur gemäß dem Stand der Technik.
ART ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Eine Shirasu-Struktur 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung umfasst, wie in 1 erläutert, ein Substrat 3, das beispielsweise zu einer flachen Platte gebildet ist, und einen dünnen Shirasu-Film 5.
Der dünne Shirasu-Film ist gebildet durch physikalischen Dampfniederschlag (PVD) wie Sputtern, um vollständig oder integral eine Oberfläche (eine Fläche in einer Dickenrichtung des flachen Substrates 3) des Substrates 3 zu bedecken.
Der dünne Shirasu-Film 5 kann gebildet werden, um zumindest einen Teil der Oberfläche des Substrates 3 zu bedecken. Er kann gebildet werden, um alle oder einen Teil von beiden Flächen in einer Dickenrichtung des flachen Substrates 3 zu bedecken. Das Substrat 3 kann eine andere Form als die Plattenform haben.
Die Shirasu-Struktur 1 kann ein Haus-Innenausbaumaterial, ein Außen-Ausbaumaterial oder ein Pflastermaterial sein.
Vulkanisches Shirasu-Produkt, das als Ausgangsmaterial des dünnen Shirasu-Filmes 5 dient, wird erläutert.
Das vulkanische Shirasu-Produkt macht ein Shirasu-Plateau aus. Das Shirasu-Plateau verteilt sich von der Kagoshima Präfektur zu einem südlichen Teil der Miyagi Präfektur in Japan und hat eine Dicke von maximal 150 Metern.
Das vulkanische Shirasu-Produkt wurde erzeugt, wenn ein enormer pyroklastischer Fluss in einer Masse ohne Vermischung mit anderen Arten des Bodens akkumuliert, zur Bildung eines dicken Stratums aus dem Shirasu-Plateau. Ein allgemeiner Typ des Bodens besteht aus pulverförmigem Stein, gemischt mit verschiedenen organischen Stoffen, die durch Aktionen von Pflanzen und Mikroorganismen kreiert sind.
Auf der anderen Seite ist ein vulkanisches Shirasu-Produkt ein Pulver aus Magma, bevor es zu Steinen gebildet ist, und enthält im Wesentlichen keine Nährstoffe (organischen Stoffe). Ein vulkanisches Shirasu-Produkt ist ein anorganischer Keramikstoff mit hoher Reinheit, gesintert aus Magna bei sehr hohen Temperaturen. Das vulkanische Shirasu-Produkt ist porös und enthält vulkanisches Glas als Hauptkomponente und 60% bis 80% Kieselsäurekomponenten.
Shirasu, d. h. vulkanisches Shirasu-Produkt (z. B. Takachiho-Shirasu, das in den Takachiho-Bergen von Kyushu, Japan existiert), wird detailliert erläutert. Ein analytisches Ergebnis als Gewichtsprozent von Takachiho-Shirasu wird unten erwähnt:
2,7% Verbrennungsverlust, 67,8% SiO₂, 15,1% Al₂O₃, 3,7% Na₂O, 2,2% CaO, 2,5% Fe₂O₃, 2,2% K₂O, 0,27% TiO₂, 0,06% MnO, 0,58% MgO, 0,03% P₂O₅, 0,20% SO₃ und weniger als 0,001% Cl^–.
Der Verbrennungsverlust erfolgt aufgrund von Schwefeltrioxid (SO₃) und ist gemessen gemäß JIS R5202. Siliziumoxid (IV) (SiO₂) wird entsprechend einem Aggregationsgewicht-Absorptions-Kombinationsverfahren gemessen. Aluminiumoxid (Al₂O₃), Eisenoxid (III) (Fe₂O₃), Titanoxid (IV) (TiO₂), Calciumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO), Natriumoxid (Na₂O), Kaliumoxid (K₂O), Manganoxid (MnO) und Phosphorpentoxid (P₂O₅) werden entsprechend einer Fluorwassersäure-Salpetersäure-, Perchlorsäure-Zersetzungs-ICP-Emissionsspektrometrie gemessen. Chloridionen (Cl^–) werden durch Elution entsprechend der Bemerkung 13 des Umweltministeriums und durch Messen einer Testlösung entsprechend einer Ionenchromatographie gemessen.
Andere Shirasu als Takachiho-Shirasu (z. B. Kagoshima-Shirasu) oder Shirasu mit der gleichen Zusammensetzung wie Takachiho-Shirasu kann anstelle von Takachiho-Shirasu verwendet werden.
Hauptkomponenten von Shirasu sind Kieselsäure und Aluminiumoxid. Shirasu enthält ebenfalls Plagioclase, Quartz, Titanoxid und dergleichen. Unter Shirasu-Körnern gibt es viele kleine Luftblasen.
Glattes und trockenes pulverartiges Shirasu behält kaum Wasser und ist daher nicht für Reispflanzen angemessen. Bei sintflutartigem Regen verursacht Shirasu leicht Erdrutsche und wird daher als Problemverursacher angesehen.
Die Shirasu-Struktur 1 wird detailliert erläutert. Das Substrat 3 der Shirasu-Struktur 1 ist ein transparentes oder semi-transparentes Material (beispielsweise eine Glasplatte).
Im Gegensatz zum Stand der Technik verwendet der dünne Shirasu-Film 5 kein Bindemittel wie Adhäsiv und wird gebildet durch direktes Niederschlagen von Metalloxiden und dergleichen, die Shirasu ausmachen, auf dem Substrat 3. Beispielsweise ist der dünne Shirasu-Film 5 nur aus Shirasu-Komponenten erzeugt. Die Dicke des dünnen Shirasu-Films 5 ist etwa 5 nm bis 100 μm. Der dünne Shirasu-Film 5 kann in einem Bereich der Dicke von 1 nm bis 1 mm oder 1 nm bis 10 mm gebildet werden.
Der dünne Film ist ein Film, der dünn ist und Eigenschaften demonstriert, die sich von jenen einer großen Masse unterscheiden.
Der dünne Shirasu-Film 5 auf dem Substrat 3 sieht mit bloßem Auge flach aus. Bei Vergrößerung, wie in 2 erläutert ist, hat er feine Irregularitäten. In einer Scanfläche von beispielsweise 1 × 1 μm auf dem dünnen Shirasu-Film 5 werden feine Löcher bestätigt.
Der dünne Shirasu-Film 5, gebildet durch physikalischen Dampfniederschlag wie Sputtern, ändert seine Mikrostruktur in Abhängigkeit von den Bildungsbedingungen.
Wie in 3 erläutert, führt eine Änderung einer Temperatur Ts (Grad auf der Kelvinskala) des Substrates (Basisplatte) 3 und eines Druckes des Inertgases (z. B. Argongas Ar) zur Änderung der Mikrostruktur des dünnen Shirasu-Filmes 5. Tm ist der Schmelzpunkt eines dünnen Film-Bildungsmaterials (Target 11 in 5).
Eine Zone 1 (ZONE-1), erläutert in 3, ist eine Mikrostrukturzone, die kreiert wird, wenn der Argongasdruck hoch und die Temperatur des Substrates 3 niedrig ist. Ein Querschnitt davon ist in 4(a) modelliert. Der dünne Shirasu-Film 5, gebildet entsprechend den Bedingungen der Zone 1 involviert feine Säulen und viele Hohlräume oder Löcher, unter Verminderung der Dichte.
Eine Zone T (ZONE-T), erläutert in 3, ist eine Mikrostrukturzone, die kreiert wird, wenn der Argongasdruck niedrig und die Temperatur des Substrates 3 niedrig ist. Ein Querschnitt davon ist in 4(b) modelliert. Der dünne Shirasu-Film 5, gebildet entsprechend den Bedingungen der Zone T beinhaltet feine Säulen und weniger Hohlräume unter Bildung eines dichten Filmes.
Eine Zone 2 (ZONE-2), erläutert in 3, ist eine Mikrostrukturzone, die kreiert wird, wenn die Temperatur des Substrates 3 hoch ist. Ein Querschnitt davon wird in 4(c) modelliert. Der dünne Shirasu-Film 5, gebildet entsprechend den Bedingungen der Zone 2, involviert feine Säulen und Körner, die größer sind als jene der Zone T.
Eine Zone 3 (ZONE-3), erläutert in 3, ist eine Mikrostrukturzone, die kreiert wird, wenn die Temperatur des Substrates 3 weiterhin hoch ist. Ein Querschnitt davon ist in 4(d) modelliert. Der dünne Shirasu-Film 5, gebildet entsprechend den Bedingungen der Zone 3, ist isotrop und nahezu in einem Massenzustand.
Der dünne Shirasu-Film 5 der Shirasu-Struktur 1 kann in irgendeiner der oben erwähnten Zonen gebildet werden. Es ist bevorzugt, dass die Bildung davon angemessen entsprechend der Verwendung ausgewählt wird.
Ein Herstellungsverfahren (Beschichtungsverfahren für den dünnen Shirasu-Film) der Shirasu-Struktur 1 wird erläutert. Das Verfahren verwendet eine Sputteranlage 7, die in 5 erläutert ist und integral den dünnen Shirasu-Film 5 durch Sputtern auf einer Oberfläche des Substrates 3 bildet.
Zum Durchführen des Sputterns wird ein Target 11, das als Material (Bildungsmaterial für den Film) zur Bildung des dünnen Shirasu-Filmes 5 auf dem Substrat 3 dient, in einer Vakuumkammer 9 angeordnet. Eine hohe Spannung wird auferlegt, so dass ein ionisiertes Inertgas (Argongas in der Vakuumkammer 9) auf das Target 11 aufschlägt.
Dies führt zur Entfernung von Atomen aus der Oberfläche des Targets 11. Die Atome erreichen das Substrat 3, das im Inneren der Vakuumkammer 9 angeordnet ist, und bilden den dünnen Shirasu-Film 5.
Das Target 11 wird erzeugt durch Sintern von granularem oder massigem (pulverförmigem oder pulverigem) Shirasu in einem Sinterkörper (integrierter Körper mit einer großen Anzahl von Shirasu-Körnern oder -Massen) mit einer bestimmten Größe. Granulares oder massiges Shirasu kann so wie es ist als Target 11 verwendet werden.
Bei der obigen Erläuterung wird nur ein Inertgas in die Vakuumkammer 9 eingeführt. Zusätzlich zu dem Inertgas kann ein aktives Gas (beispielsweise Sauerstoff O₂) in diese eingeführt werden. Wenn das aktive Gas eingeführt wird, reagieren die weggeschnellten Atome (der Metalloxide, die Shirasu ausmachen) von Shirasu (Material zur Bildung des dünnen Filmes) mit dem aktiven Gas und die reagierten Verbindungen schlagen sich als dünner Shirasu-Film 5 auf dem Substrat 3 nieder.
Auf diese Weise wird die Shirasu-Struktur 1 durch physikalischen Dampfniederschlag gebildet, der den dünnen Shirasu-Film 5 auf der Oberfläche des Substrates 3 niederschlägt. Die Shirasu-Struktur 1 hat ursprüngliche Shirasu-Funktionen wie Desodorier- und feuchtigkeitsabsorbierende Wirkungen. Weil die Shirasu-Struktur 1 kein Bindemittel enthält, halten diese Funktionen für lange Zeit an.
Die Desodorierfunktion der Shirasu-Struktur 1 wird realisiert, wenn Titanoxid, das in dem dünnen Shirasu-Film 5 enthalten ist, als Photokatalysator dient, unter Zersetzung von Geruchskomponenten. Die Shirasu-Struktur 1 ist porös, so dass Mikroporen und Mesoporen eine Adsorptionswirkung erzielen, zum Demonstrieren der Feuchtigkeit absorbierenden Funktion.
Entsprechend dem Stand der Technik, der in 9 erläutert ist, enthält die Shirasu-Struktur 201 das granulare oder massive Shirasu 203 und daher ist das Adhäsiv 205 wie ein Bindemittel erforderlich, zum Auftragen des Shirasus 203 auf das Substrat 207. Zeit und Arbeit sind nämlich erforderlich zur Bildung eines dünnen Filmes des Shirasu 203 auf dem Substrat 207. Auf der anderen Seite wird der dünne Shirasu-Film 5 auf der Shirasu-Struktur 1 durch physikalischen Dampfniederschlag gebildet. Ohne dass Zeit und Arbeit durch den Stand der Technik erforderlich sind, ist die Shirasu-Struktur durch einfache Verfahren herstellbar.
In der Shirasu-Struktur 1 ist das Substrat 3 eine Glasplatte, auf der der dünne Shirasu-Film 5 gebildet wird. Diese Konfiguration verbessert optische Eigenschaften (beispielsweise eine Transmission von sichtbarem Licht).
Diese Erfindung fokussiert einen dünnen Film anstelle von Körnern oder Masse und verwendet Sputtern als Technik zur Bildung eines dünnen Filmes, zur Bildung des dünnen Shirasu-Filmes 5 (in der Größenordnung von Nanometer). Das Sputtern ist eine vorteilhafte Wirkung zur Bildung eines dünnen Filmes, der Mikrostrukturen hält, die zum Atomniveau gesteuert sind, eine gute Qualität und gute Adhäsivität aufweist und herstellbar ist zu einer großen gleichmäßigen Fläche. Durch Anwendung der Vorteile des Sputtern wird der dünne Shirasu-Film 5 auf dem Substrat 3 ohne ein Bindemittel niedergeschlagen.
Diese Erfindung verwendet positiv die physikalischen Eigenschaften des dünnen Shirasu-Films, hält die ausgezeichneten Funktionen wie Desodorier- und Feuchtigkeit absorbierende Funktionen des dünnen Shirasu-Films aufrecht und realisiert eine hohe Transmissionsfähigkeit, wenn Shirasu auf das Substrat (Glasplatte) 3 aufgetragen wird, was für den Erhalt einer Sichtbarkeit erforderlich ist.
Dies wird detailliert erläutert. Der dünne Shirasu-Film 5, gebildet durch Sputtern auf einer Oberfläche des Substrates (Glasplatte) 3 hat feine Irregularitäten. Stufen (Höhen in einigen Fällen) der feinen Irregularitäten sind kleiner als die Wellenlänge von sichtbarem Licht, und daher transmittiert das sichtbare Licht durch die Shirasu-Struktur 1 ohne Unterbrechung durch den dünnen Shirasu-Film 5 (als ob der dünne Shirasu-Film 5 nicht existieren würde).
Gemäß der Shirasu-Struktur 1 wird die Oberfläche der Glasplatte 3 mit dem dünnen Shirasu-Film 5, der eine Hydrophilizität aufweist, bedeckt und daher bildet sich aus der Shirasu-Struktur kaum ein Schleier, wenn die Shirasu-Struktur 1 mit dem Substrat 3 aus einer Glasplatte als Fensterglas oder als Spiegel verwendet wird.
Wenn die Shirasu-Struktur 1 als Innenausbaumaterial verwendet wird, beweist sie Desodorier-, Feuchtigkeitssteuer-, Sterilisier- und negative Ionen erzeugende Funktionen, unter Realisierung einer komfortablen Lebensumgebung.
Ein modernes Haus ist sehr zugfrei, und selbst wenn eine Ventilation in einem gewissen Ausmaß durchgeführt wird, kann das tägliche Leben eine Vielzahl von Stoffen akkumulieren, unter Erzeugung von Geruch und Feuchtigkeit im Haus. Um diesem zu begegnen, absorbiert die Shirasu-Struktur überschüssige Feuchtigkeit, wenn Feuchtigkeit sich erhöht, und entlädt Feuchtigkeit, wenn Feuchtigkeit sich erniedrigt, wodurch automatisch die Raumfeuchtigkeit gesteuert wird. Ebenso desodoriert die Shirasu-Struktur 1 schnell die Gerüche einer Zigarette und von Haustieren und adsorbiert sicher chemische Substanzen wie Formaldehyd, die von den Möbeln und dergleichen im Haus freigesetzt werden.
Wenn die Shirasu-Struktur 1 als Außenmaterial verwendet wird, demonstriert sie eine Wasserresistenzeigenschaft und Feuchtigkeitspermeabilität und ergibt ein externes Aussehen, das schön, warm und vorteilhaft ist. Die Shirasu-Struktur 1 widersteht Ultraviolettstrahlen und demonstriert im Wesentlichen keine Farbverblassung oder -zerstörung.
Bei Erzeugung der Shirasu-Struktur 1 wird ein Sinterkörper aus granularem oder Massen-Shirasu als Target verwendet. Ein solches Shirasu-Target ist leicht zu handhaben.
In der oben Erläuterung bildet ein physikalischer Dampfniederschlag direkt den dünnen Shirasu-Film 5 auf einer Oberfläche des Substrates. Anstelle dessen kann eine andere Schicht zwischengelagert werden, um indirekt den dünnen Shirasu-Film 5 auf dem Substrat 3 zu bilden.
Ein Produkt, das durch indirektes Bilden des dünnen Shirasu-Filmes 5 auf dem Substrat 3 gebildet wird, wird erläutert.
Die Shirasu-Struktur 1, gebildet durch indirektes Bilden des dünnen Shirasu-Films 5 auf dem Substrat 3 ist ein Lichtsteuerelement (Steuerelement für sichtbares Licht) 21, erläutert in den 6 und 7(a). Das Lichtsteuerelement 21 wird beispielsweise zu einer rechteckigen flachen Platte gebildet (siehe 7(a)).
Das Lichtsteuerelement 21 ist ein Element, das ein EC-Phänomen verwendet, dass die Farbe des Stoffes sich aufgrund einer Oxidations-Reduktionsreaktion ändert und umfasst ein Substrat 3, einen chromogenen Reduktionsfilm 3, einen dünnen Shirasu-Film 5, einen chromogenen Oxidationsfilm 25 und einen zweiten leitenden Film 27.
Das Substrat 3 bildet einen ersten leitenden Film (dünnen Film). Auf einer Oberfläche des ersten leitenden Filmes 3 wird ein physikalischer Dampfniederschlag wie Sputtern durchgeführt, zum direkten Bilden des chromogenen Reduktionsfilmes (dünner Film) 23 im Kontakt mit dem ersten leitenden Film 3. Der chromogene Reduktionsfilm 23 ist beispielsweise aus Wolframoxid (VI) (WO₃) erzeugt.
Der dünne Shirasu-Film 5 ist transparent oder semi-transparent und wird durch physikalischen Dampfniederschlag wie Sputtern direkt auf und im Kontakt mit einer Oberfläche des chromogenen Reduktionsfilmes 23 gebildet.
Auf einer Oberfläche des dünnen Shirasu-Filmes 5 wird ein physikalischer Dampfniederschlag wie Sputtern durchgeführt, zur Bildung des chromogenen Oxidationsfilmes (dünnen Filmes) 25 direkt auf und im Kontakt mit dem dünnen Shirasu-Film 5. Der chromogene Oxidationsfilm 25 ist beispielsweise aus Iridiumoxid und Zinnoxid (IV) (IrO_x + SnO₂) gebildet. Direkt auf und im Kontakt mit einer Oberfläche des chromogenen Oxidationsfilms 25 ist der zweite leitende Film 27 gebildet.
Jeder der leitenden Filme 3 und 27 ist transparent oder semi-transparent und beispielsweise aus einem transparenten leitenden Film (I. T. O. (Indiumzinnoxid); Indiumoxid-Zinn; zinndotiertes Indiumoxid) gebildet.
Es ist bevorzugt, dass der dünne Shirasu-Film 5 von der Zone 1 (ZONE-1), erläutert in 3, oder von der Zone T (ZONE-T), erläutert in 3, ist.
Der Betrieb des Lichtsteuerelementes 21 wird erläutert.
Der dünne Shirasu-Film 5 hat feine Irregularitäten wie oben erwähnt und im Inneren des dünnen Shirasu-Filmes 5 gibt es feine Löcher zum Enthalten von Wasser (H₂O).
Wenn eine Spannung zwischen dem ersten leitenden Film 3 und dem zweiten leitenden Film 27 wie in 6 erläutert ist, auferlegt ist, betreten monovalente Kationen (beispielsweise Wasserstoffionen H⁺) den chromogenen Reduktionsfilm 23, unter Kreierung von Verbindungen (H_xWO₃), zum Färben des chromogenen Reduktionsfilmes 23. Dies führt zur Erniedrigung der Transmission von sichtbarem Licht des chromogenen Reduktionsfilmes 23. Die Spannung, die zwischen dem ersten leitenden Film 3 und dem zweiten leitenden Film 27 auferlegt wird, verursacht ebenfalls, dass monovalente Anionen (z. B. Hydroxidionen OH^–) den chromogenen Oxidationsfilm 25 betreten, unter Erzeugung von Verbindungen (Ir(OH)_n+x). Als Ergebnis wird der chromogene Oxidationsfilm 25 gefärbt, unter Erniedrigung der Transmission für sichtbares Licht des chromogenen Oxidationsfilmes 25. Der gefärbte Zustand hält selbst dann an, wenn die Spannungsauferlegung terminiert wird.
Wenn eine Spannung entgegen dem Fall von 6 auferlegt wird, wird der chromogene Reduktionsfilm 23 und der chromogene Oxidationsfilm 25 farblos und transparent oder semi-transparent, unter Erhöhung der Transmission für sichtbares Licht davon. Der farblose und transparente oder semi-transparente Zustand hält an, selbst wenn die Spannungsauferlegung beendet ist.
ECD (Elektrochromanzeige) gemäß einem Stand der Technik verwendet das EC-Phänomen, dass die Farbe des Stoffes sich in Abhängigkeit von einer Oxidations-Reduktionsreaktion ändert und als Elektrolytfilm einen flüssigen oder fluiden (oder Gel-)Körper anstelle des dünnen Shirasu-Filmes 5 verwendet.
Die konventionelle ECD, die einen flüssigen Elektrolytfilm verwendet, muss einen Flüssig- oder Fluid-Handhabungsvorgang bei Herstellungsverfahren beinhalten, wodurch die Herstellung der ECD kompliziert wird. Zusätzlich hat die konventionelle ECD ein Risiko, dass ein Leck der Flüssigkeit aufgrund des Alterns oder in Abhängigkeit der Verwendungsumgebung auftritt. Um diesem zu begegnen, verwendet eine ECD gemäß einem anderen Stand der Technik einen festen Elektrolytfilm, der ein Seltenerdmetall enthält.
Die ECD, die den festen Elektrolytfilm verwendet, ist teuer, weil sie ein Seltenerdmetall verwendet. Auf der anderen Seite basiert das Lichtsteuerelement 21 auf der Feststellung, dass Shirasu als Elektrolytfilm verwendbar ist, und verwendet den dünnen Shirasu-Film 5 als festen Elektrolytfilm des Lichtsteuerelementes 21. Weil das Lichtsteuerelement 21 kein Seltenerdmetall verwendet, ist es kostengünstig, und im Vergleich mit dem konventionellen festen Elektrolytfilm beweist dies eine höhere Ionenleitfähigkeit.
Im Vergleich zu der konventionellen ECD, die einen flüssigen Elektrolytfilm verwendet, beinhaltet das Lichtsteuerelement 21 einfachere Herstellungsverfahren und verursacht kein Flüssigkeitsleck aufgrund des Alterns oder in Abhängigkeit von Verwendungsumgebungen.
Das Lichtsteuerelement 21 kann als Lichtblockierteil verwendet werden, das leicht zwischen der Transmission und dem Blockieren von sichtbarem Licht hin- und herschalten kann. Das Lichtblockierteil ist für Gebäude- oder Flugzeugfenster verwendbar.
Der dünne Shirasu-Film 5 kann entsprechend einem Kombinationssputtern, insbesondere RAS (radikal unterstütztes Sputtern) gebildet werden, das als Technik zur Bildung eines optischen dünnen Filmes mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Temperatur verwendet wird. Diese Technik ist in der Lage, schnell den dünnen Shirasu-Film 5 zu bilden und eine Temperaturerhöhung des Substrates 3 und dergleichen zu unterdrücken.
Die RAS-Technik ist beispielsweise in den japanischen ungeprüften Patentanmeldungen 2001-234338 , H11-279757 und H11-256327 beschrieben.
Der dünne Shirasu-Film 5 kann zu einem einzelnen kontinuierlichen Produkt gebildet werden, wie in 7(a) erläutert ist. In diesem Fall ist das Lichtsteuerelement 21 als Lichtblockierteil wie oben erwähnt verwendbar. Wie in 7(b) erläutert ist, können der erste leitende Film 3, der chromogene Reduktionsfilm 23, der dünne Shirasu-Film 5, der chromogene Oxidationsfilm 25 und der zweite leitende Film 27 unterteilt und in viele feine Segmente 31 geteilt werden, so dass eine individuelle Spannung auf jedes Segment 31 auferlegt wird. In diesem Fall ist das Lichtsteuerelement 21 als Bildanzeigeeinheit anstelle einer LCD verwendbar.
In 6 können der chromogene Reduktionsfilm 23 und der chromogene Oxidationsfilm 25 miteinander ausgetauscht werden.
Die Shirasu-Struktur 1 wird als Lichtsteuerelement 21 verwendet, das Substrat 3 wird als erster leitender Film verwendet, der dünne Shirasu-Film 5 wird auf einer Oberfläche des chromogenen Oxidationsfilmes 25 gebildet, der auf einer Oberfläche des Substrates gebildet ist, der chromogene Reduktionsfilm 23 wird auf einer Oberfläche des dünnen Shirasu-Filmes 5 gebildet, und der zweite leitende Film 27 wird auf einer Oberfläche des chromogenen Reduktionsfilmes 23 gebildet.
Einer der leitenden Filme 3 und 27 kann aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper erzeugt sein und der andere (z. B. der erste leitende Film 3) kann aus einem reflektiven Film gebildet werden, zum Reflektieren von sichtbarem Licht.
In diesem Fall ist der erste leitende Film 3 aus Al (Aluminium) erzeugt, unter Bildung eines reflektiven Elektrodenfilmes. Mit dem ersten leitenden Film 3, der als reflektiver Elektrodenfilm dient, kann das Lichtsteuerelement 21 als blendfreier Spiegel verwendet werden.
Das Lichtsteuerelement 21 kann als Antireflexionsmaterial (Antireflexionsplatte) verwendet werden.
In diesem Fall ist das Substrat 3 aus dem Antireflexionsmaterial 21 aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper erzeugt. Im Antireflexionsmaterial 21 ist eine Oberfläche des Substrates 3 mit einem Antireflexionsfilm (AR-Beschichtung) versehen.
Ein Beispiel davon wird detailliert erläutert. Wie in 8 erläutert, ist ein dünner Shirasu-Film 5 (5A) transparent oder semi-transparent und direkt auf und im Kontakt mit einer Oberfläche des Substrates 3 gebildet. Direkt auf und im Kontakt mit einer Oberfläche des dünnen Shirasu-Filmes 5 (5A), ist ein dünner Film 29 (29A) gebildet (z. B. Titanoxid (IV) (TiO₂), dessen Refraktionsindex höher ist als der des dünnen Shirasu-Films 5 (5A). Der dünne Film 29 mit hohem Refraktionsindex ist ebenfalls transparent oder semi-transparent.
Direkt auf und im Kontakt mit einer Oberfläche des dünnen Filmes 29 (29A) mit hohem Refraktionsindex, ist ein dünner Shirasu-Film 5 (5B) gebildet, der von dem dünnen Shirasu-Film 5 (5A) verschieden ist. Direkt auf und im Kontakt mit einer Oberfläche des dünnen Shirasu-Filmes 5 (5B) ist ein dünner Film 29 (29B) mit hohem Refraktionsindex gebildet (z. B. Titanoxid (IV) (TiO₂)), der von dem dünnen Film 29 (29A) mit hohem Refraktionsindex verschieden ist.
Der Refraktionsindex des dünnen Shirasu-Filmes 5 ist niedrig und etwa 1,4 bis 1,5. Der dünne Film 29 mit hohem Refraktionsindex hat einen hohen Refraktionsindex von etwa 2,0 bis 3,0. Aufgrund der AR-Beschichtung ist ein Gesamtreflexionsvermögen etwa 5%.
In der oben Erläuterung werden vier Schichten aus dünnen Filmen alternierend auf dem Substrat 3 gebildet, d. h. der dünne Shirasu-Film 5A, der dünne Film 29A mit hohem Refraktionsindex, der dünne Shirasu-Film 5B und der dünne Film 29B mit hohem Refraktionsindex. Diese Konfiguration beschränkt diese Erfindung nicht. Der dünne Shirasu-Film 5 und der dünne Film 29 mit hohem Refraktionsindex können übereinander in einer Vielzahl von Schichten auf dem Substrat 3 angeordnet werden.
In der obigen Erläuterung wird der dünne Shirasu-Film 5 auf einer Oberfläche des Substrates 3 gebildet, und auf einer Oberfläche des dünnen Shirasu-Filmes 5 wird der dünne Film 29 mit hohem Refraktionsindex gebildet. Der dünne Shirasu-Film 5 und der dünne Film 29 mit hohen Refraktionsindex können gegenseitig ausgetauscht werden. Denn auf einer Oberfläche des Substrates 3 kann der dünne Film 29 mit hohem Refraktionsindex gebildet werden, und auf einer Oberfläche des dünnen Filmes 29 mit hohem Refraktionsindex kann der dünne Shirasu-Film 5 gebildet werden.
Wie oben erwähnt ist die AR-Beschichtung in der Lage, einen optischen Verlust aufgrund von Reflexion zu minimieren, und daher ist dies zur Beschichtung einer Solarzelle anwendbar. Das Vorsehen einer Oberfläche der Zelle mit dem „Antireflexionsfilm” führt dazu, dass Sonnenlicht sicher in die Zelle genommen wird.
Der Refraktionsindex des dünnen Shirasu-Filmes ist niedrig und etwa 1,4 bis 1,5, und daher ist der dünne Shirasu-Film ein optimales Material zur Beschichtung einer Solarzelle (insbesondere einer Lichtkondensationslinse einer Lichtkondensationssolarzelle). Zusätzlich realisiert die photokatalytische Eigenschaft von Titanoxid TiO₂, das in dem dünnen Shirasu-Film enthalten ist, eine anwuchsverhindernde Wirkung auf der Solarzelle.
Wenn auf der anderen Seite die anwuchsverhindernde Wirkung realisiert wird durch Bildung eines dünnen Filmes aus Titanoxid TiO₂, das ein photokatalytisches Material ist, anstelle des dünnen Shirasu-Filmes auf der Solarzelle, ändert der hohe Refraktionsindex von Titanoxid TiO₂ einen optischen Weg eines Moduls oder einer Kondensationslinse, wenn der dünne Film aus Titanoxid TiO₂ angeordnet ist. Dann wird Sonnenlicht nicht sicher in die Solarzelle aufgenommen.
Innerhalb des Umfangs der Erfindung ist diese Erfindung nicht auf die oben erwähnten Ausführungsbeispiele beschränkt.
Bezugszeichenliste

1: Shirasu-Struktur
3: Substrat
5, 5A, 5B: dünner Shirasu-Film
11: Target
21: Lichtsteuerelement
23: chromogener Reduktionsfilm
25: chromogener Oxidationsfilm
27: zweiter leitender film
29, 29A, 29B: dünner Film mit hohem Reflexionsindex

Claims

Shirasu-Struktur, umfassend: ein Substrat, und einen dünnen Shirasu-Film, gebildet durch physikalischen Dampfniederschlag auf dem Substrat.
Shirasu-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Shirasu-Film durch direktes Niederschlagen von Metalloxiden auf dem Substrat gebildet ist, worin die Metalloxide Hauptkomponenten von vulkanischer Shirasu-Asche sind.
Shirasu-Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein transparentes oder semi-transparentes Material ist.
Shirasu-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, dass: die Shirasu-Struktur ein Lichtsteuerelement ist, das Substrat ein erster leitender Film ist und der dünne Shirasu-Film auf einer Oberfläche eines chromogenen Reduktionsfilmes gebildet ist, der auf einer Oberfläche des Substrates gebildet ist; ein chromogener Oxidationsfilm auf einer Oberfläche des dünnen Shirasu-Films gebildet ist, ein zweiter leitender Film auf einer Oberfläche des chromogenen Oxidationsfilmes gebildet ist; und jeder der leitenden Filme aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper erzeugt ist oder einer der leitenden Filme aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper und der andere aus einem reflektiven Film gebildet sind.
Shirasu-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Shirasu-Struktur ein Lichtsteuerelement ist, wobei das Substrat ein erster leitender Film ist und der dünne Shirasu-Film auf einer Oberfläche eines chromogenen Oxidationsfilmes gebildet ist, der auf einer Oberfläche des Substrates gebildet ist; ein chromogener Reduktionsfilm auf einer Oberfläche des dünnen Shirasu-Filmes gebildet ist; ein zweiter leitender Film auf einer Oberfläche des chromogenen Reduktionsfilmes gebildet ist; und jeder der leitenden Filme aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper erzeugt ist oder einer der leitenden Filme aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper und der andere aus einem reflektiven Film gebildet ist.
Shirasu-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Shirasu-Struktur ein Antireflexionsmaterial ist; das Substrat aus einem transparenten oder semi-transparenten Körper erzeugt ist; und der dünne Shirasu-Film und ein dünner Film mit hohem Refraktionsindex, dessen Refraktionsindex höher ist als der des dünnen Shirasu-Filmes, alternierend übereinander in einer Vielzahl von Schichten auf einer Oberfläche des Substrates gebildet sind.
Herstellungsverfahren für die Shirasu-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material zur Bildung eines dünnen Filmes, das für den physikalischen Dampfniederschlag verwendet wird, granulares oder massiges Shirasu ist oder ein Sinterkörper mit einer bestimmten Gründe ist, erzeugt durch Sintern von granularem oder massigem Shirasu.