DE69921915T2

DE69921915T2 - Photokatalytische Anregungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69921915T2
Application number: DE69921915T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Mizuno
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2019-08-28
Also published as: EP0982071A1; DE69921915D1; EP0982071B1; JP2000077752A; US6324329B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf photokatalytische Anregungsvorrichtungen.
2. Beschreibung des betreffenden Standes der Technik
Herkömmliche photokatalytische Materialien, die katalytische Funktionen durch Lichtbestrahlung zeigen, umfassen Titandioxid, Wolframoxid, Vanadiumoxid, Zirkonoxid, Zinkoxid, Zinksulfid und Zinnoxid. Jüngst hat Titandioxid (TiO₂) aufgrund seiner hohen oxidativen Zersetzungsfähigkeit, Antischmutzeigenschaften und Hydrophobizität die Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Photokatalytische Anregungsvorrichtungen unter Verwendung derartiger Photokatalysatoren haben abhängig von der Verwendung verschiedene Strukturen. Im allgemeinen, wie in 6 gezeigt, wird eine photokatalytische TiO₂-Schicht 82 auf einem Substrat 80 gebildet, das aus einer Fliese, Glas oder Kunststoff zusammengesetzt ist, und mit Anregungslicht 84 für den Photokatalysator, wie ultraviolettem Licht, von der oberen Seite bestrahlt wird.
Wenn die photokatalytische TiO₂-Schicht 82 mit dem Anregungslicht 84 bestrahlt wird, werden Elektronen durch den photoelektrischen Effekt angeregt, so dass Elektronen und Löcher erzeugt werden und zur Oberfläche der photokatalytischen TiO₂-Schicht 82 wandern. Elektronen reduzieren Sauerstoff in der Luft, um Superoxid-Ionen (O₂ ^–) zu bilden, wohingegen Löcher an der Oberfläche adsorbiertes Wasser zersetzen, um Hydroxyl-Radikale (·OH) zu bilden. Die Superoxid-Ionen und Hydroxyl-Radikale werden als aktivierte Sauerstoffspezies bezeichnet und zeigen starke Oxidationseffekte.
Wenn organische Fremdstoffe an der photokatalytischen TiO₂-Schicht 82 anhaften, entziehen die Superoxid-Ionen der organischen Verbindung den Kohlenstoff, wohingegen die Hydroxyl-Radikale der organischen Verbindung Wasserstoff entziehen, um die organische Verbindung zu zersetzen. Der zersetzte Kohlenstoff und Wasserstoff wird oxidiert, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden. Hiermit werden oxidative Zersetzung und Antischmutzeigenschaften gegenüber organischen Substanzen gezeigt.
In der obigen herkömmlichen photokatalytischen Anregungsvorrichtung wird UV-Licht enthaltendes Sonnenlicht oder von einer künstlichen Lichtquelle ausgestrahltes ultraviolettes Licht als Anregungslicht 84 verwendet, das auf die photokatalytische Schicht 82 auftrifft.
Da eine getrennt außerhalb der photokatalytischen Anregungsvorrichtung angeordnete Lichtquelle in einem derartigen Fall verwendet wird, kann das Anregungslicht 84 in Medien, wie Luft und Feuchtigkeit, die zwischen der Lichtquelle und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 82 vorliegen, absorbiert oder zerstreut werden. Somit kann das Anregungslicht 84 für den Photokatalysator abgeschwächt sein, wenn es die photokatalytische TiO₂-Schicht 82 erreicht. Demgemäß wird die optische Leistung von der Lichtquelle nicht effektiv verwendet.
Wenn Sonnenlicht als Anregungslicht 84 verwendet wird, hängt die Lichtstärke des Sonnenlichts beträchtlich vom Wetter im Freien ab, und das Sonnenlicht wird innen beschattet oder vermindert. Somit arbeitet die photokatalytische TiO₂-Schicht 82 nicht stabil als Photokatalysator.
Wenn eine nicht gerichtete Lichtquelle, wie eine Fluoreszenzlampe als Lichtquelle des Anregungslichts 84 verwendet wird, wird ein Teil des Lichts zerstreut und fällt nicht auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 82. Somit wird die optische Leistung der Lichtquelle nicht effektiv verwendet. Wenn eine hochgradig gerichtete Lichtquelle, wie ein Halbleiterlaser, oder eine Licht emittierende Diode (LED) verwendet werden, bewirkt eine Fehleinstellung der Bestrahlungszone der Lichtquelle und der Position der photokatalytischen TiO₂-Schicht 82 eine Abgabe des Lichts aus der Lichtquelle zu anderen Bereichen als der photokatalytischen TiO₂-Schicht 82. Somit kann die optische Leistung der Lichtquelle ebenfalls nicht effektiv verwendet werden.
Wenn eine Ultraviolett-Lichtquelle als Lichtquelle für das Anregungslicht verwendet wird, die in andere Bereiche als die photokatalytische TiO₂-Schicht 82 abstrahlt, können die Augen und die Haut erreicht werden. Somit gibt es Effekte auf den menschlichen Körper, insbesondere die Möglichkeit von karzinogenen Melanomen. Wenn die photokatalytische Anregungsvorrichtung in Produkten verwendet wird, in die Leute für lange Zeit sehen, wie die Braun'sche Röhre eines Fernsehers oder die Windschutzscheibe eines Automobils, sind die obigen Risiken schwerwiegende Probleme.
Wenn eine künstliche Lichtquelle als Lichtquelle für das Anregungslicht verwendet wird, wird ein Raum zum unabhängigen Anordnen der Lichtquelle benötigt. Somit ist die Möglichkeit der Verwendung der photokatalytischen Anregungsvorrichtung beschränkt, und deren Ästhetik kann beeinträchtigt sein.
Im allgemeinen erhöht sich die Aktivität des Katalysators mit zunehmender Dicke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 82. Wenn Licht mit einer Wellenlänge, die eine große Absorption in der photokatalytischen TiO₂-Schicht 82 aufweist, als Anregungslicht 84 verwendet wird, wird das Licht in einem flachen Bereich nahe der Oberfläche der photokatalytischen TiO₂-Schicht 82 absorbiert, und somit wird eine gleichmäßige Anregung im Tiefenbereich nicht erreicht. Wenn Licht mit einer Wellenlänge, die eine geringe Absorption in der photokatalytischen TiO₂-Schicht 82 aufweist, als Anregungslicht 84 verwendet wird, wird die photokatalytische TiO₂-Schicht 82 von der Oberfläche bis zum Tiefenbereich gleichmäßig angeregt, aber die Anregungseffizienz ist aufgrund der niedrigen Lichtabsorption nicht hoch. Selbst wenn demgemäß die Dicke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 82 ausreichend vergrößert wird, um die Aktivität zu verstärken, wird die vergrößerte Dicke in jedem Falle nicht effektiv verwendet.
Zusätzlich bezieht sich das Dokument JP-A-10202110 auf einen flexiblen photokatalytischen Körper mit einer Fluoreszenzlampe als nicht-gerichtete Lichtquelle, die an einer Endfläche eines Photoleiters in longitudinaler Richtung vorgesehen ist. Wenn, wie in dieser Anordnung, eine nicht-gerichtete Lichtquelle, wie eine Fluoreszenzlampe, als Lichtquelle des Anregungslichts verwendet wird, entweicht ein Teil des Lichts und/oder wird zerstreut und fällt somit nicht auf die photokatalytische Schicht, so dass die optische Leistung der Lichtquelle nicht effektiv eingesetzt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine photokatalytische Anregungsvorrichtung bereitzustellen, die effektiv die optische Leistung einer Lichtquelle verwenden kann, stabile photokatalytische Effekte mit hoher Effizienz zeigt, keinen davon unabhängigen Raum für die Anbringung erfordert, was Beschränkungen bei der Verwendung bewirken würde und kann nachteilige Effekte von ultraviolettem Licht auf den menschlichen Körper verhindern.
Nach der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel erreicht durch eine photokatalytische Anregungsvorrichtung, wie definiert in Anspruch 1. Vorteilhafte weitere Entwicklungen sind Gegenstand der begleitenden abhängigen Ansprüche.
Es ist zu bemerken, dass nachfolgend verschiedene Aspekte, Beispiele und Ausführungsformen erwähnt und beschrieben werden. Die Erfindung soll jedoch in dem Gegenstand, wie dieser in den angefügten Ansprüchen definiert ist, verstanden werden.
Ein erster Aspekt ist eine photokatalytische Anregungsvorrichtung, umfassend ein Substrat, eine auf dem Substrat gebildete Lichtleiterschicht, eine Lichtquelle zum Emittieren von Anregungslicht für einen Photokatalysator in Richtung der Lichtleiterschicht und eine auf der Lichtleiterschicht gebildete photokatalytische Schicht, wobei das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht durch die Lichtleiterschicht tritt und das Entweichungslicht aus der Lichtleiterschicht die photokatalytische Schicht aktiviert, worin die Lichtquelle mit der Endfläche der Lichtleiterschicht in engen Kontakt kommt.
Im ersten Aspekt wird die Lichtleiterschicht auf dem Substrat gebildet und die photokatalytische Schicht auf der Lichtleiterschicht. Wenn das eingesetzte Substrat das Anregungslicht übermittelt und eine glatte Oberfläche, verglichen mit der Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator aufweist, kann die Schichtkonfiguration des Substrats, die Lichtleiterschicht, der photokatalytischen Schicht und der photokatalytischen Schicht sowie einer mit der photokatalytischen Schicht in Kontakt befindlichen Luftschicht als ein multimodaler vierschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen werden. Somit tritt das Anregungslicht, das auf die Lichtleiterschicht auftrifft, durch die Lichtleiterschicht und entweicht von der Lichtleiterschicht, um die gesamte rückwärtige Fläche der photokatalytischen Schicht anzustrahlen. Da das Anstrahlungslicht eine weite Entfernung in der photokatalytischen Schicht zurücklegt, wird die gesamte photokatalytische Schicht mit hoher Effizienz aktiviert.
Da die Lichtquelle mit der Endfläche der Lichtleiterschicht in engen Kontakt kommt, trifft das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht effektiv auf die Lichtleiterschicht auf. Da es kein Medium, wie Luft oder Feuchtigkeit, zwischen der Lichtquelle und der photokatalytischen Schicht gibt, gibt es keinen Verlust der Lichtstärke aufgrund von Lichtabsorption und -streuung im Medium. Somit kann die Vorrichtung beträchtlich effektiv die optische Leistung der Lichtquelle nutzen. Wenn ein Material, das weniger vom Anregungslicht absorbiert, für die Lichtleiterschicht verwendet wird, wird der Verlust der Lichtstärke aufgrund von Lichtabsorption in der Lichtleiterschicht verringert.
Da die äußere Umgebung diese Vorrichtung nicht beeinflusst, anders als die Verwendung von Sonnenlicht als Anregungslicht, zeigt die photokatalytische Schicht stabile photokatalytische Effekte.
Wenn Ultraviolettlicht als Anregungslicht verwendet wird, hat diese Vorrichtung eine Struktur, die das Anregungslicht von der Lichtquelle in Richtung der photokatalytischen Schicht eindämmen kann. Somit entweicht das Anregungslicht nicht nach außen, außer bei Licht, das durch Staub, der an der Oberfläche der photokatalytischen Schicht anhaftet, zerstreut wird. Wenn die photokatalytische Anregungsvorrichtung in Produkten verwendet wird, in die Leute für lange Zeit sehen, wie die Braun'sche Röhre eines Fernsehers und die Windschutzscheibe eines Automobils, werden die Effekte auf den menschlichen Körper und insbesondere die Möglichkeit eines karzinogenen Melanoms vernachlässigbar.
Da die Lichtquelle mit der Endfläche der Lichtleiterschicht in engen Kontakt kommt und mit dem Substrat und der photokatalytischen Schicht in der Vorrichtung integriert ist, ist kein Raum für eine unabhängige Anordnung der Lichtquelle erforderlich. Die gesamte Vorrichtung kann kompakt hergestellt werden, der übliche Bereich der photokatalytischen Anregungsvorrichtung wird vergrößert und deren Ästhetik wird im wesentlichen beibehalten.
Ein Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine photokatalytische Anregungsvorrichtung, einschließlich eines Substrats, einer auf dem Substrat gebildeten Lichtleiterschicht, einer Lichtquelle zum Emittieren von Anregungslicht für einen Photokatalysator in Richtung der Lichtleiterschicht und eine auf der Lichtleiterschicht gebildete photokatalytische Schicht, wobei das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht durch die Lichtführungschicht durchtritt, und das Entweichungslicht von der Lichtleiterschicht die photokatalytische Schicht aktiviert, worin die Lichtquelle auf der photokatalytischen Schicht angebracht ist, und das Anregungslicht von der Lichtquelle auf die Lichtleiterschicht durch ein in unmittelbarer Nachbarschaft zur Lichtquelle auf dem Photokatalysator angebrachtes Prisma auftrifft.
In diesem Aspekt werden die Lichtleiterschicht und die photokatalytische Schicht auf dem Substrat in dieser Reihenfolge aufgebracht. Wenn das Substrat das Anregungslicht übermittelt und eine glatte Oberfläche, verglichen mit der Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator aufweist, wie in der photokatalytischen Anregungsvorrichtung des ersten Aspekts, tritt das auf die Lichtleiterschicht von der Lichtquelle auftreffende Anregungslicht durch die Lichtleiterschicht und entweicht von der Lichtleiterschicht, um die gesamte rückwärtige Fläche der photokatalytischen Schicht anzustrahlen. Demgemäß legt das Bestrahlungslicht eine weite Entfernung in der photokatalytischen Schicht zurück, um die gesamte photokatalytische Schicht mit hoher Effizienz zu aktivieren.
Da die Lichtquelle auf der Lichtleiterschicht angebracht ist, trifft das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht für den Photokatalysator effektiv auf der Lichtleiterschicht durch das in unmittelbarer Nähe zur Lichtquelle auf dem Photokatalysator angebrachte Prisma auf, wie in der photokatalytischen Anregungsvorrichtung entsprechend dem ersten Aspekt.
Es gibt kein Medium, wie Luft oder Feuchtigkeit, zwischen der Lichtquelle und der photokatalytischen Schicht, und ein Material, das weniger vom Anregungslicht für den Photokatalysator absorbiert, kann für die Lichtleiterschicht ausgewählt werden. Somit kann die optische Leistung der Lichtquelle bedeutend effektiver genutzt werden. Da die äußere Umgebung diese Vorrichtung nicht beeinflusst, anders als bei der Verwendung von Sonnenlicht als Anregungslicht, zeigt die photokatalytische Schicht stabile photokatalytische Effekte. Da das Anregungslicht, wie ultraviolettes Licht, im wesentlichen nicht nach außen entweicht, sind die Effekte auf den menschlichen Körper vernachlässigbar. Da kein Raum für die unabhängige Anordnung der Lichtquelle benötigt wird, wird der verwendbare Bereich der photokatalytischen Anregungsvorrichtung vergrößert, und deren Ästhetik wird im wesentlichen beibehalten.
Ein nächster Aspekt entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine photokatalytische Anregungsvorrichtung, einschließlich eines Substrats, einer auf dem Substrat gebildeten Lichtleiterschicht, einer Lichtquelle zum Emittieren von Anregungslicht für den Photokatalysator in Richtung der Lichtleiterschicht und einer auf der Lichtleiterschicht gebildeten photokatalytischen Schicht, wobei das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht durch die Lichtleiterschicht durchtritt, und das Entweichungslicht von der Lichtleiterschicht die photokatalytische Schicht aktiviert, worin die Lichtquelle mit der Endfläche des Substrats mit einem dazwischen vorgesehenen Prisma in engen Kontakt kommt, und das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht auf der Lichtleiterschicht durch das Prisma auftrifft.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung dieses Aspekts werden die Lichtleiterschicht und die photokatalytische Schicht auf dem Substrat in dieser Reihenfolge aufgebracht.
Wenn das Substrat das Anregungslicht für den Photokatalysator übermittelt, und eine glatte Oberfläche, verglichen mit der Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator aufweist, wie in der photokatalytischen Anregungsvorrichtung des ersten Aspekts, tritt das auf der Lichtleiterschicht auftreffende Anregungslicht durch die Lichtleiterschicht und entweicht aus der Lichtleiterschicht, um die gesamte rückwärtige Fläche der photokatalytischen Schicht anzustrahlen. Das Anstrahlungslicht legt eine weite Entfernung in der photokatalytischen Schicht zurück, um die gesamte photokatalytische Schicht mit hoher Effizienz zu aktivieren.
Da die Lichtquelle mit der Endfläche des Substrats mit einem dazwischen vorgesehenen Prisma in engen Kontakt kommt, trifft das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht effektiv auf die Lichtleiterschicht durch das Prisma auf, wie in der photokatalytischen Anregungsvorrichtung des ersten Aspekts. Es gibt kein Medium, wie Luft oder Feuchtigkeit, zwischen der Lichtquelle und der photokatalytischen Schicht, und ein Material, das weniger vom Anregungslicht absorbiert, kann für die Lichtleiterschicht ausgewählt werden. Somit kann die optische Leistung der Lichtquelle bedeutend effektiver genutzt werden. Da die äußere Umgebung diese Vorrichtung nicht beeinflusst, anders als bei Verwendung von Sonnenlicht als Anregungslicht, zeigt die photokatalytische Schicht stabile photokatalytische Effekte. Da das Anregungslicht, wie ultraviolettes Licht, im wesentlichen nicht nach außen entweicht, sind die Effekte auf den menschlichen Körper vernachlässigbar. Da kein Raum für ein unabhängiges Anordnen der Lichtquelle erforderlich ist, wird der verwendbare Bereich der photokatalytischen Anregungsvorrichtung vergrößert, und deren Ästhetik wird im wesentlichen beibehalten.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung nach entweder dem ersten oder den letzten beiden Aspekten wird entweder das Substrat, die Lichtleiterschicht oder die photokatalytische Schicht mit einem Gitter versehen, und das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht wird durch das Gitter gebeugt und fällt auf die Lichtleiterschicht. Wenn das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht durch die photokatalytische Schicht auf die Lichtleiterschicht auftrifft oder wenn das Anregungslicht auf die Endfläche des Substrats auftrifft und dann durch das Substrat auf die Lichtleiterschicht, wird das Anregungslicht von der Lichtquelle ohne weiteres und stabil in die Lichtleiterschicht geleitet.
Hier umfasst die Formulierung "eines von dem Substrat, der Lichtleiterschicht und der photokatalytischen Schicht ist mit einem Gitter versehen" einen Fall, in dem die Schicht an sich das Gitter aufweist, und einen Fall, in dem das Gitter an der Grenzschicht zwischen irgendwelchen zwei Schichten gebildet wird.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß irgendeiner der oben Erwähnten wird die Lichtquelle bevorzugt ausgewählt aus einem Halbleiterlaser und einer lichtemittierenden Diode. Hochgradig gerichtetes Licht wird aus dem Halbleiterlaser oder der lichtemittierenden Diode abgestrahlt, und die Position und die Richtung der Lichtquelle können mit hoher Genauigkeit bezüglich der photokatalytischen Schicht zur Aufnahme des Lichts ausgerichtet werden.
Somit kann das Anregungslicht ohne weiteres und stabil auf die Lichtleiterschicht mit hoher Effizienz auftreffen, und die optische Leistung wird effektiv genutzt. Da das Anregungslicht durch die Lichtleiterschicht kohärent durchgeht und das entweichende Licht die photokatalytische Schicht bestrahlt, wird die Leuchtdichte hoch, verglichen mit direkter Beleuchtung der Oberfläche der photokatalytischen Schicht, wie in herkömmlichen Verfahren. Demgemäß wird die photokatalytische Schicht mit hoher Effizienz aktiviert, selbst wenn eine Lichtquelle mit niedriger optischer Leistung, wie ein Halbleiterlaser oder eine lichtemittierende Diode, verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt ist eine photokatalytische Anregungsvorrichtung, umfassend ein Substrat, eine auf dem Substrat gebildete Lichtleiterschicht, eine Lichtquelle zum Emittieren von Anregungslicht für einen Photokatalysator in Richtung der Lichtleiterschicht, eine auf der Lichtleiterschicht gebildete photokatalytische Schicht, wobei das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht durch die Lichtleiterschicht durchtritt, und das Entweichungslicht aus der Lichtleiterschicht die photokatalytische Schicht aktiviert, worin eine erste Pufferschicht, die das Anregungslicht übermittelt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der der Lichtleiterschicht, zwischen dem Substrat und der Lichtleiterschicht angeordnet sein kann.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung entsprechend dieses Aspekts wird eine erste Pufferschicht, die das Anregungslicht überträgt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der der Lichtleiterschicht, zwischen dem Substrat und der Lichtleiterschicht angeordnet. Wenn das verwendete Substrat opak ist und das Anregungslicht nicht übermittelt, oder keine glatte Oberfläche, verglichen mit der Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator, aufweist, kann die Schichtkonfiguration der ersten Schicht, der Lichtleiterschicht und der photokatalytischen Schicht sowie einer Luftschicht, die sich mit der photokatalytischen Schicht in Kontakt befindet, als multimodaler vierschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen werden. Somit tritt das auf die Lichtleiterschicht auftreffende Anregungslicht durch die Lichtleiterschicht und entweicht von der Lichtleiterschicht, um die gesamte rückwärtige Fläche der photokatalytischen Schicht anzustrahlen. Da das Anstrahlungslicht eine weite Entfernung in der photokatalytischen Schicht zurücklegt, wird die gesamte photokatalytische Schicht mit hoher Effizienz aktiviert.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung nach diesem Aspekt, wird entweder das Substrat, die erste Pufferschicht, die Lichtleiterschicht oder die photokatalytische Schicht mit einem Gitter versehen, und das aus der Lichtquelle emittierte Anregungslicht wird durch das Gitter gebeugt und fällt auf die Lichtleiterschicht. Somit wird das Anregungslicht ohne weiteres und stabil in die Lichtleiterschicht eingeführt, wenn das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht auf die Lichtleiterschicht durch die photokatalytische Schicht fällt oder auf das Seitenende des Substrats und dann durch das Substrat auf die Lichtleiterschicht fällt.
Hier umfasst die Formulierung "entweder das Substrat, die erste Pufferschicht, die Lichtleiterschicht oder die photokatalytische Schicht ist mit einem Gitter versehen" einen Fall, in dem die Schicht an sich das Gitter aufweist, und einen Fall, in dem das Gitter an der Grenzfläche zwischen irgendwelchen zwei Schichten gebildet wird.
Ein weiterer Aspekt ist eine photokatalytische Anregungsvorrichtung, umfassend ein Substrat, eine auf dem Substrat gebildete Lichtleiterschicht, eine Lichtquelle zum Emittieren von Anregungslicht für einen Photokatalysator in Richtung der Lichtleiterschicht sowie eine auf der Lichtleiterschicht gebildete photokatalytische Schicht, wobei das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht durch die Lichtleiterschicht tritt und das Entweichungslicht aus der Lichtleiterschicht die photokatalytische Schicht aktiviert, worin eine zweite Pufferschicht, die das Anregungslicht für den Photokatalysator übermittelt, und ein nicht-oxidierendes Material umfasst, zwischen der Lichtleiterschicht und der photokatalytischen Schicht angeordnet ist.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung entsprechend diesem Aspekt ist eine zweite Pufferschicht, die das Anregungslicht übermittelt und ein nicht-oxidierendes Material umfasst, zwischen der Lichtleiterschicht und der photokatalytischen Schicht angeordnet. Wenn eine hochgradig oxidative photokatalytische Schicht, wie eine photokatalytische TiO₂-Schicht verwendet wird, ist die Lichtleiterschicht durch die photokatalytische Schicht vor Oxidation geschützt. Somit wird eine Beeinträchtigung der photokatalytischen Anregungsvorrichtung verhindert und die Vorrichtung hat eine verlängerte Haltbarkeit.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung nach diesem Aspekt kann entweder das Substrat, die Lichtleiterschicht, die zweite Pufferschicht oder die photokatalytische Schicht mit einem Gitter versehen sein, und das von der Lichtquelle emitierte Anregungslicht wird durch das Gitter gebeugt und fällt auf die Lichtleiterschicht. Somit wird das Anregungslicht ohne weiteres und stabil in die Lichtleiterschicht eingeführt, wenn das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht auf die Lichtleiterschicht durch die photokatalytische Schicht fällt oder auf das Seitenende des Substrats und dann auf die Lichtleiterschicht durch das Substrat fällt.
Hier umfasst die Formulierung "entweder das Substrat, die Lichtleiterschicht, die zweite Pufferschicht oder die photokatalytische Schicht ist mit einem Gitter versehen" einen Fall, in dem die Schicht an sich das Gitter aufweist, und einen Fall, in dem das Gitter an der Grenzfläche zwischen irgendwelchen zwei Schichten gebildet wird.
Ein weitere Aspekt ist eine photokatalytische Anregungsvorrichtung, einschließlich eines Substrats, einer auf dem Substrat gebildeten Lichtleiterschicht, einer Lichtquelle zum Emittieren von Anregungslicht für einen Photokatalysator in Richtung der Lichtleiterschicht und eine auf der Lichtleiterschicht gebildete photokatalytische Schicht, wobei das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht durch die Lichtleiterschicht durchtritt und das Entweichungslicht aus der Lichtleiterschicht die photokatalytische Schicht aktiviert, worin eine dritte Pufferschicht, die das Anregungslicht übermittelt, mit einer Dicke, die kleiner oder gleich der Wellenlänge des Anregungslichts ist, zwischen der Lichtleiterschicht und der photokatalytischen Schicht angeordnet ist.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung entsprechend dieses Aspekts wird eine dritte Pufferschicht, die das Anregungslicht übermittelt und eine Dicke aufweist, die kleiner oder gleich der Wellenlänge des Anregungslichts ist, zwischen der Lichtleiterschicht und der photokatalytischen Schicht angeordnet. Wenn der Brechungsindex der dritten Pufferschicht kleiner ist als der der Lichtleiterschicht, fällt das durch die Lichtleiterschicht tretende Anregungslicht durch die dritte Pufferschicht ohne Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der Lichtleiterschicht und der dritten Pufferschicht auf die photokatalytische Schicht. Da die Lichtstärke des Anregungslichts in diesem Verfahren herabgesetzt wird, wird die Lichtabsorption in der photokatalytischen Schicht herabgesetzt. Somit wird die gesamte photokatalytische Schicht gleichmäßig aktiviert, selbst wenn die photokatalytische Schicht einen großen Bereich und eine große Dicke aufweist.
Da der Brechungsindex der dritten Pufferschicht kleiner ist als der Brechungsindex der Lichtleiterschicht, kann die Lichtstärke des von der dritten Pufferschicht auf die photokatalytische Schicht auftreffenden Anregungslichts ohne weiteres durch die Dicke der dritten Pufferschicht gesteuert werden. Somit kann eine optimale Dicke für eine gleichmäßige Aktivierung der gesamten photokatalytischen Schicht mit einem großen Bereich und einer großen Dicke ausgewählt werden.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung entsprechend dieses Aspekts, kann entweder das Substrat, die Lichtleiterschicht, die dritte Pufferschicht oder die photokatalytische Schicht mit einem Gitter versehen werden, und das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht wird durch das Gitter gebeugt und fällt auf die Lichtleiterschicht. Somit wird das Anregungslicht ohne weiteres und stabil in die Lichtleiterschicht eingeführt, wenn das von der Lichtquelle emittierte Anregungslicht durch die photokatalytische Schicht auf die Lichtleiterschicht auftrifft oder auf das Seitenende des Substrats und dann auf die Lichtleiterschicht durch das Substrat trifft.
Hier umfasst die Formulierung "entweder das Substrat, die Lichtleiterschicht, die dritte Pufferschicht oder die photokatalytische Schicht ist mit einem Gitter versehen" einen Fall, in dem die Schicht an sich das Gitter aufweist, und einen Fall, in dem das Gitter an der Grenzfläche zwischen irgendwelche zwei Schichten gebildet wird.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung entsprechend irgendeinem der zuvor erwähnten Aspekte kann die Länge der Lichtleiterschicht größer sein als die Dicke der photokatalytischen Schicht. Die Lichtstärke des Anregungslichts, das durch die Lichtleiterschicht mit einer relativ großen Dicke hindurchgeführt wird, nimmt zu, wohingegen die Lichtstärke des Anregungslichts, das durch die photokatalytische Schicht mit einer relativ kleinen Dicke hindurchgeführt wird, abnimmt. Somit wird die Lichtabsorption in der photokatalytischen Schicht reduziert, und die gesamte photokatalytische Schicht wird gleichmäßig aktiviert, selbst wenn die photokatalytische Schicht einen großen Bereich und eine große Dicke aufweist.
In der photokatalytischen Anregungsvorrichtung nach irgendeinem der zuvor erwähnten Aspekte ist die Wellenlänge des durch die Lichtquelle emittierten Anregungslichts bevorzugt eine Wellenlänge nahe der Absorptionsgrenze, entsprechend der Bandlücke der photokatalytischen Schicht. Da die Absorption des auf die photokatalytische Schicht auffallenden Anregungslichts in der photokatalytischen Schicht reduziert wird, wird die gesamte photokatalytische Schicht gleichmäßig aktiviert, selbst wenn die photokatalytische Schicht einen großen Bereich und eine große Dicke aufweist.
KURZE BEZSCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß einem grundlegenden Beispiel;
2 ist eine Querschnittsansicht einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Querschnittsansicht einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Querschnittsansicht einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Querschnittsansicht einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
6 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen photokatalytischen Anregungsvorrichtung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Grundlegendes Beispiel
1 ist eine Querschnittsansicht einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß eines grundlegenden Beispiels in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung. In einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung 10 wird auf einem transparenten synthetischen Quarzsubstrat 12 eine Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 gebildet und eine photokatalytische Anatas TiO₂-Schicht 16 wird auf der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 gebildet. Ein GaN-Halbleiterlaser 18 als Lichtquelle wird so angeordnet, dass seine Abstrahlungsöffnung mit der Endfläche der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 in engen Kontakt kommt.
Hier beträgt der Brechungsindex des synthetischen Quarzsubstrats 12 1,5, der Brechungsindex der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 1,9 bis 2,2 und der Brechungsindex der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 2,5. Somit kann eine Schicht-Struktur, einschließlich des synthetischen Quarzsubstrats 12, der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 sowie einer Luftschicht, die mit der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 in Kontakt ist, als ein vierschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen werden.
Da die Aktivität der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 mit abnehmender Dicke abnimmt, ist die Dicke bevorzugt groß. Da die photokatalytische TiO₂-Schicht 16, die durch ein Sol-Gel-Verfahren gebildet wird, einen Niederschlag von ultrafeinen Teilchen darstellt, bewirkt eine besonders große Dicke einen hohen optischen Verlust aufgrund der anwachsenden Lichtzerstreuung. Somit wird die Dicke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 vergrößert, bis Lichtzerstreuung bemerkbar wird.
Die Dicke der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 wird höher eingestellt als die Dicke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16. Somit wird die Lichtstärke in der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 relativ hoch, wohingegen die Lichtstärke des auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 16 auftreffenden Anregungslichts relativ niedrig ist, wenn das Anregungslicht durch die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 hindurchtritt. Die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 12 wird durch ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren (CVD) oder ein Zerstäubungsverfahren gebildet. Die photokatalytische TiO₂-Schicht 16 wird durch ein Sol-Gel-Filmbildungsverfahren gebildet.
Die Arbeitsweise der in 1 gezeigten photokatalytischen Anregungsvorrichtung wird nun beschrieben. Aus dem GaN-Halbleiterlaser 18, der mit der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 in engem Kontakt ist, wird Licht mit einer Wellenlänge nahe dem Absorptionsende entsprechend der Bandlücke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm, als Anregungslicht für den Photokatalysator emittiert, fällt auf die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 in engem Kontakt mit der Abstrahlungsöffnung. Das auf die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 auftreffende Anregungslicht tritt in Richtung des Pfeils in 1 durch die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 hindurch, die als ganzes als ein vierschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen wird.
Die Ausbreitung des Anregungslichts, das auf die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 auftrifft, wird nachfolgend in näheren Einzelheiten beschrieben. Das Anregungslicht tritt durch die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 mit sich wiederholender Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen der photokatalytischen TiO₂-Schicht und der Luftschicht und zwischen der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht und dem synthetischen Quarzsubstrat. Das durch die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 durchtretende Anregungslicht schwächt sich im Prinzip nicht ab, außer der Abschwächung aufgrund von Lichtabsorption und legt daher eine ausreichend weite Entfernung zurück.
Das Entweichungslicht aus der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 trifft auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 16 auf. Das heißt, die gesamte rückwärtige Fläche der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16, die sich mit der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 in Kontakt befindet, wird mit dem Anregungslicht mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm angestrahlt. Die photokatalytische TiO₂-Schicht 16 absorbiert das Anregungslicht und wird aktiviert. Somit weist diese eine oxidative Zersetzungsfähigkeit sowie Antischmutzeigenschaften gegenüber organischen Verbindungen aufgrund von photokatalytischen Effekten auf.
Wie oben beschrieben, wird die gesamte rückwärtige Fläche der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 mit dem Anregungslicht bestrahlt, das aus der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 entweicht. Somit legt das Anregungslicht eine weite Entfernung in der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 zurück. Demgemäß kann die photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 überall mit hoher Effizienz aktiviert werden.
Die Entfernung des durch die photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 zurückgelegten Anregungslichts ist außerordentlich groß, verglichen mit einem herkömmlichen Fall, in dem das Anregungslicht senkrecht auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 16 auftrifft. Weiterhin ist die Lichtabsorption in der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 groß. Daher kann Anregungslicht mit einer herkömmlichen Wellenlänge die photokatalytische TiO₂-Schicht 16 mit einem großen Bereich aufgrund von beträchtlich hoher Lichtabsorption nicht ausreichend aktivieren. In diesem Beispiel wird dieses Problem durch die nachfolgenden zwei Gegenmaßnahmen gelöst.
Zuerst ist die Dicke der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 größer als die Dicke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16, so dass die Lichtstärke des auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 16 auftreffenden Anregungslichts relativ gering ist. Somit wird die Lichtabsorption in der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 verringert. Die gesamte photokatalytische TiO₂-Schicht 16 kann daher gleichmäßig mit hoher Effizienz aktiviert werden, selbst wenn diese einen großen Bereich und eine große Dicke aufweist. Zweitens wird die vom GaN-Halbleiterlaser 18 emittierte Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator auf etwa 400 nm eingestellt, d.h. eine Wellenlänge nahe dem Absorptionsende, entsprechend der Bandlücke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16. Somit wird die Lichtabsorption in der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 verringert. Die gesamte photokatalytische TiO₂-Schicht 16 kann daher gleichmäßig mit hoher Effizienz aktiviert werden, selbst wenn diese einen großen Bereich und eine große Dicke aufweist.
Die Intensität des durch die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 hindurchtretenden Lichts wächst umgekehrt proportional zu deren Dicke; daher ist die Intensität des Anregungslichts auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 von der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 höher als diejenige des Lichts, das senkrecht auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 16 in einer herkömmlichen Vorrichtung mit derselben Lichtstärke auftrifft. Demgemäß kann eine Lichtquelle mit niedriger Ausgabeleistung, wie der GaN-Halbleiterlaser 18 die photokatalytische TiO₂-Schicht 16 mit einem großen Bereich und einer großen Dicke ausreichend aktivieren.
Da der GaN-Halbleiterlaser 18 mit der Endfläche der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 in engen Kontakt kommt, trifft die hochgradig gerichtete Anregungsstrahlung, die vom GaN-Halbleilterlaser 18 emittiert wird, auf die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 ohne Verlust auf. Da es kein Medium zwischen dem GaN-Halbleiterlaser 18 und der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 gibt, das Lichtabsorption oder -streuung verursacht, wie Luft oder Feuchtigkeit, kann die optische Leistung des GaN-Halbleiterlasers 18 mit bedeutend hoher Effizienz ohne Verlust der Leuchtintensität aufgrund von Lichtabsorption und -streuung genutzt werden.
Da durch diese Vorrichtung die äußere Umgebung nicht beeinträchtigt wird, anders als bei der Verwendung von Sonnenlicht als Anregungslicht für den Photokatalysator, zeigt die photokatalytische TiO₂-Schicht 16 stabile photokatalytische Effekte. Diese Vorrichtung hat eine Struktur, die das Anregungslicht vom GaN-Halbleiterlaser 18 in Richtung der photokatalytischen Tio₂-Schicht 16 über die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 abschwächen kann. Somit entweicht das Anregungslicht nicht nach außen, außer bei Licht, das durch an die Oberfläche der photokatalytischen TiO₂-Schicht 16 anhaftenden Staub zerstreut wird. Wenn die photokatalytische Anregungsvorrichtung 10 in Produkten verwendet wird, in die Leute für eine lange Zeit sehen, wie die Braun'sche Röhre eines Fernsehers und der Windschutzscheibe eines Automobils, werden die Effekte auf den menschlichen Körper, insbesondere die Möglichkeit eines karzinogenen Melanoms, vernachlässigbar.
Da der GaN-Halbleiterlaser 18 als Lichtquelle mit der Endfläche der Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14 in engen Kontakt kommt, kann dieser beispielsweise in die Braun'sche Röhre eines Fernsehers oder den Rahmen einer Windschutzscheibe eines Automobils eingebettet werden. Die photokatalytische Anregungsvorrichtung 10 erfordert daher keinen davon unabhängigen Raum für die Lichtquelle. Die photokatalytische Anregungsvorrichtung 10 kann kompakt ausgelegt werden, wobei der verwendbare Bereich der photokatalytischen Anregungsvorrichtung vergrößert wird, und deren Ästhetik wird im wesentlichen beibehalten.
Erste Ausführungsform
2 ist eine Querschnittsansicht einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß einer in 2 gezeigten photokatalytischen Anregungsvorrichtung 20 wird eine Pufferschicht 24, die zusammengesetzt ist aus einer Perfluorverbindung, die das Anregungslicht für den Photokatalysator übermittelt, beispielsweise einem Copolymer ("Teflon AF", hergestellt von DuPont) von Tetrafluorethylen und Perfluor-2,2-dimethyl-l,3-dioxol (PDD), auf einem opaken keramischen Substrat 22 gebildet, das größere Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist als die Wellenlänge des Anregungslichts für den. Photokatalysator, und die Dicke der Pufferschicht 24 ist beträchtlich größer als die Wellenlänge des Anregungslichts. Obwohl das opake Keramiksubstrat 22 keine glatte Oberfläche aufweist, wird eine glatte Oberfläche durch eine hierauf beschichtete transparente Pufferschicht 24 gebildet.
Eine Polymethylmethacrylat(PMMA)-Lichtleiterschicht 26, zusammengesetzt aus PMMA, wird auf der Pufferschicht 24 gebildet, und eine Pufferschicht 28, die zusammengesetzt ist aus einem nicht-oxidierenden Harz und die das Anregungslicht übermittelt, wird auf der PMMA-Lichtleiterschicht 26 so gebildet, dass die Dicke der Pufferschicht 28 ausreichend kleiner ist als die Wellenlänge des Anregungslichts. Eine photokatalytische Anatas-TiO₂-Schicht 30 wird auf der Pufferschicht 28 gebildet.
Beispiele des nicht-oxidierenden Harzes als Material für die Pufferschicht 28 umfassen Fluorharze und Siliconharze. Ein Beispiel des Fluorharzes ist ein für die Pufferschicht 24 verwendetes Copolymer aus Tetrafluorethylen und PDD. Beispiele des Siliconharzes sind Organosilan-Harze (enthaltend Tetraalkoxysilan oder Trialkoxysilan als Hauptkomponente).
Ein GaN-Halbleiterlaser 32 als Lichtquelle wird auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angeordnet. Eine Einstelllinse 34 wird auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 so angeordnet, dass sie mit der Abstrahlungsöffnung des GaN-Halbleiterlasers 32 in engen Kontakt kommt. Ein Prisma 36, zusammengesetzt aus beispielsweise einem Rutil-TiO₂-Kristall oder einem GaN-Kristall, wird in unmittelbarer Nachbarschaft zur Einstelllinse 34 auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angeordnet.
Der Brechungsindex der Pufferschicht 24 ist niedriger als der Brechungsindex der PMMA-Lichtleiterschicht 26 mit 1,6 und der Brechungsindex der Pufferschicht 28 ist niedriger als der Brechungsindex der PMMA-Lichtleiterschicht 26. Weiterhin beträgt der Brechungsindex der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 2,5. Somit kann eine Schicht-Struktur, umfassend die Pufferschicht 24, die PMMA-Lichtleiterschicht 26, die Pufferschicht 28 und die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 sowie eine Luftschicht, die sich mit der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 in Kontakt befindet, als multimodaler fünfschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen werden.
Die Dicke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 wird verringert, bis Lichtzerstreuung bemerkbar wird, wie im grundlegenden Beispiel. Die Dicke der PMMA-Lichtleiterschicht 26 wird größer eingestellt als die Dicke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30.
Die Pufferschicht 24 kann durch Beschichten einer Schmelze oder einer Lösung einer Perfluorverbindung, gefolgt von Lufttrocknen und einer Härtebehandlung beschichtet werden. Die Pufferschicht 28 kann durch Beschichten mit einem Organosilan-Harz, gefolgt von thermischem Härten bei einer Temperatur von 70 bis 80°C gebildet werden. Die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 kann durch Beschichten mit einem Siliconharz als Bindemittel zum Binden der TiO₂-Teilchen, gefolgt von thermischem Härten bei einer Temperatur von 70 bis 80°C, wie in der Pufferschicht 28, gebildet werden. Die Beschichtung mit diesen Schichten wird mit einem Tauchbeschichtungsverfahren, einem Spin-Coating-Verfahren, einem Gießverfahren oder Laminationsverfahren durchgeführt.
Die Arbeitsweise der in 2 gezeigten photokatalytischen Anregungsvorrichtung 20 wird nun beschrieben.
Licht mit einer Wellenlänge nahe des Absorptionsendes entsprechend der Bandlücke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm, wird als Anregungslicht für den Photokatalysator aus der Abstrahlungsöffnung des auf der photokatalyti schen TiO₂-Schicht 30 angebrachten GaN-Halbleiterlasers 32 emittiert. Das Licht wird durch die Einstelllinse 34 eingestellt und trifft auf das Prisma 36 auf. Da das Prisma 36 aus einem Rutil-TiO₂-Kristall oder einem GaN-Kristall aufgebaut ist, und einen Brechungsindex von 2,7 aufweist, wird das auf das Prisma 36 auftreffende Anregungslicht, wie in 2 mit dem Pfeil gezeigt, gebrochen und trifft dann über die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 und die Pufferschicht 28 auf die PMMA-Lichtleiterschicht 26 auf.
Das 400 nm-Anregungslicht tritt durch die PMMA-Lichtleiterschicht 26, die als fünfschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen wird. Das heißt, das Anregungslicht tritt durch die PMMA-Lichtleiterschicht 26 hindurch, während sich eine Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und der externen Luftschicht sowie zwischen der PMMA-Lichtleiterschicht 26 und der Pufferschicht 24 wiederholt. Da die zwischen dem keramischen Substrat 22 und der PMMA-Lichtleiterschicht 26 vorgesehene Pufferschicht 24 eine Dicke aufweist, die ausreichend größer ist als die Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator, und eine glatte Oberfläche aufweist, wird das Anregungslicht durch die Grenzfläche mit der PMMA-Lichtleiterschicht 26 totalreflektiert. Da die zwischen der PMMA-Lichtleiterschicht 26 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angeordnete Pufferschicht 28 eine Dicke aufweist, die ausreichend kleiner ist als die Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator, kann die Pufferschicht 28 das Anregungslicht für den Photokatalysator ohne Totalreflexion des Anregungslichts an der Grenzfläche mit der PMMA-Lichtleiterschicht 26 übermitteln, selbst wenn der Brechungsindex der Pufferschicht 28 kleiner ist als der Brechungsindex der PMMA-Lichtleiterschicht 26.
Das Entweichungslicht des Anregungslichts trifft auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 auf, wenn das Anregungslicht durch die PMMA-Lichtleiterschicht 26 durchtritt. Das heißt, die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 wird mit dem 400 nm-Anregungslicht von der gesamten rückwärtigen Fläche, die sich mit der PMMA-Lichtleiterschicht 26 mit der dazwischen liegenden Pufferschicht 28 in Kontakt befindet, bestrahlt. Das auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 auftreffende Anregungslicht tritt durch die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 hindurch, während sich die Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und der externen Luftschicht wiederholt.
Die von der gesamten rückwärtigen Fläche angestrahlte photokatalytische TiO₂-Schicht 30 absorbiert das Anregungslicht und wird aktiviert. Somit hat diese oxidative Zersetzungsfähigkeit und Antischmutzeigenschaften gegenüber organischen Verbindungen aufgrund von photokatalytischen Effekten.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 mit dem Anregungslicht von der gesamten rückwärtigen Fläche bestrahlt, wenn das Anregungslicht durch die PMMA-Lichtleiterschicht 26 hindurchtritt. Da das Anregungslicht eine weite Entfernung in der PMMA-Lichtleiterschicht 26 zurücklegt, kann die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 überall mit hoher Effizienz aktiviert werden.
Die Intensität des auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 aus der PMMA-Lichtleiterschicht 26 auftreffende Anregungslicht ist höher als diejenige des Lichts, das dieselbe Lichtstärke aufweist und senkrecht auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 auftrifft, wie in einer herkömmlichen Vorrichtung. Daher kann die photokatalytische TiO₂-Schicht 30, die einen großen Bereich und eine große Dicke aufweist, ausreichend aktiviert werden, selbst wenn eine kompakte Lichtquelle, wie der GaN-Halbleiterlaser 32, verwendet wird.
Die Pufferschicht 24, die das Anregungslicht übermittelt und einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als die PMMA-Lichtleiterschicht 26, wird zwischen dem keramischen Substrat 22 und der PMMA-Lichtleiterschicht 26 so gebildet, dass die Dicke ausreichend größer ist als die Wellenlänge des Anregungslichts, und eine glatte Grenzfläche wird zwischen der Pufferschicht 24 und der PMMA-Lichtleiterschicht 26 gebildet. Da die Schicht-Struktur, umfassend die Pufferschicht 24 und die PMMA-Lichtleiterschicht 26, daher als ein Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen wird, tritt das Anregungslicht durch die PMMA-Lichtleiterschicht 26 hindurch. Ein opakes Substrat, das das Anregungslicht nicht übermittelt, wie ein keramisches Substrat 22 oder ein Substrat mit nicht glatter Oberfläche, verglichen zur Wellenlänge des Anregungslichts, kann nicht als Substrat verwendet werden.
Da die aus einem nicht-oxidierenden Harz zusammengesetzte Pufferschicht 28 zwischen der PMMA-Lichtleiterschicht 26 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angeordnet ist, wird die PMMA-Lichtleiterschicht 26 durch die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 mit einer hohen Oxidationskraft vor Oxidation geschützt. Somit wird eine Beschädigung der photokatalytischen Anregungsvorrichtung 20 verhindert, und die Vorrichtung hat eine verlängerte Haltbarkeit.
Da der Brechungsindex der Pufferschicht 28 niedriger als der Brechungsindex der PMMA-Lichtleiterschicht 26 ist, kann die Intensität des auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 von der PMMA-Lichtleiterschicht 26 durch die Pufferschicht 28 auftreffenden Anregungslichts, d.h. die Bestrahlungsintensität ohne weiteres durch Einstellen der Dicke gesteuert werden. Beispielsweise nimmt die Intensität des auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 auftreffenden Anregungslichts mit zunehmender Dicke der Pufferschicht 28 ab. Da die Lichtabsorption in der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 abnimmt, kann die gesamte photokatalytische TiO₂-Schicht 30 mit einem großen Bereich und einer großen Dicke gleichmäßig aktiviert werden. Somit können durch Steuern der Dicke der Pufferschicht 28 in einen Bereich, der kleiner ist als die Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator, optimale Bedingungen für eine gleichmäßige Aktivierung der gesamten photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 mit einem großen Bereich und einer großen Dicke ausgewählt werden.
Die Dicke der PMMA-Lichtleiterschicht 26 ist größer als die Dicke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30, und die Wellenlänge des vom GaN-Halbleiterlaser 32 emittierten Anregungs lichts beträgt etwa 400 nm, d.h. nahe des Absorptionsendes, entsprechend der Bandlücke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30. Daher kann die Lichtabsorption in der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 verringert werden. Somit kann die gesamte photokatalytische TiO₂-Schicht 30 mit einem großen Bereich und einer großen Dicke mit hoher Effizienz gleichmäßig aktiviert werden.
Da der GaN-Halbleiterlaser 32, die Einstelllinse 34 und das Prisma 36 in unmittelbarer Nachbarschaft miteinander auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angebracht sind, wird das hochgradig gerichtete Anregungslicht vom GaN-Halbleiterlaser 32 emittiert und trifft auf die PMMA-Lichtleiterschicht 26 ohne Verlust auf. Da es dazwischen kein Medium gibt, das Lichtabsorption oder -Streuung bewirkt, wie Luft oder Feuchtigkeit, kann die optische Leistung des GaN-Halbleiterlasers 32 mit beträchtlich hoher Effizienz ohne Verlust der Lichtintensität aufgrund von Lichtabsorption und -streuung genutzt werden.
Da diese Vorrichtung durch die äußere Umgebung in der ersten Ausführungsform nicht beeinträchtigt wird, anders als bei Verwendung von Sonnenlicht als Anregungslicht für den Photokatalysator, zeigt die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 stabile photokatalytische Effekte. Das Anregungslicht wird nicht in Richtung nach außen der Vorrichtung abgestrahlt, wenn das Licht durch den GaN-Halbleiterlaser 32, die PMMA-Lichtleiterschicht 26 und die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 hindurchtritt. Wenn die photokatalytische Anregungsvorrichtung 20 in Produkten verwendet wird, in die Leute für lange Zeit sehen, wie die Braun'sche Röhre eines Fernsehers und die Windschutzscheibe eines Automobils, sind die Effekte auf den menschlichen Körper und insbesondere die Möglichkeit eines karzinogenen Melanoms vernachlässigbar: Da der GaN-Halbleiterlaser 32 auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angebracht ist, erfordert die photokatalytische Anregungsvorrichtung 20 keinen davon unabhängigen Raum für die Lichtquelle. Somit kann die photokatalytische Anregungsvorrichtung 20 kompakt ausgelegt werden, der verwendbare Bereich der photokatalytischen Anregungsvorrichtung wird vergrößert, und deren Ästhetik wird im wesentlichen beibehalten.
Zweite Ausführungsform
3 ist eine Querschnittsansicht einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Bauteile, welche dieselben sind, wie jene der in 2 gezeigten photokatalytischen Anregungsvorrichtung 20, werden ohne Beschreibung mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Wie in 3 gezeigt, wird in einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung 40 gemäß dieser Ausführungsform eine Polyimid-Lichtleiterschicht, aufgebaut aus einem fluorierten Polyimid, anstelle der PMMA-Lichtleiterschicht 26 in der photokatalytischen Anregungsvorrichtung 20 in der zweiten Ausführungsform, gebildet, und die Pufferschicht 28 wird entfernt.
Das heißt, eine Pufferschicht 24, aufgebaut aus einer Perfluorverbindung, die das Anregungslicht übermittelt, wird auf einem opaken keramischen Substrat 22 gebildet, das Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist, die größer sind als die Wellenlänge des Anregungslichts, um eine glatte Oberfläche derart zu bilden, dass die Dicke der Pufferschicht 24 ausreichend größer ist als die Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator.
Eine Polyimid-Lichtleiterschicht 42 wird auf der Pufferschicht 24 gebildet, und eine Pufferschicht 28, die aus einem nicht-oxidierenden Harz zusammengesetzt ist und das Anregungslicht übermittelt, wird auf der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 so gebildet, dass die Dicke der Pufferschicht 28 ausreichend kleiner ist als die Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator. Eine photokatalytische Anatas-TiO₂-Schicht 30 wird auf der Pufferschicht 24 gebildet.
Ein GaN-Halbleiterlaser 32 als Lichtquelle wird auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angeordnet, eine Einstelllinse 34 wird auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 so angebracht, dass sie mit der Abstrahlungsöffnung des GaN-Halbleiterlasers 32 in engen Kontakt kommt, und ein Prisma 36 wird in unmittelbarer Nachbarschaft zur Einstelllinse 34 auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angebracht.
Der Brechungsindex der Pufferschicht 24 ist kleiner als der Brechungsindex der PMMA-Lichtleiterschicht 26, der Brechungsindex der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 beträgt 1,7 und der Brechungsindex der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 beträgt 2,5. Somit kann eine Schicht-Struktur, umfassend die Pufferschicht 24, die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 und die photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 sowie eine Luftschicht, die sich mit der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 in Kontakt befindet, als ein multimodaler vierschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen werden.
Die Betriebsweise der in 3 gezeigten photokatalytischen Anregungsvorrichtung 40 wird nun beschrieben.
Licht mit einer Wellenlänge nahe des Absorptionsendes, entsprechend der Bandlücke der photokatalytischen TiO₂-Schicht, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm, wird als Anregungslicht für den Photokatalysator aus der Abstrahlungsöffnung des auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angeordneten GaN-Halbleiterlasers 32 emittiert. Das Anregungslicht wird durch die Einstelllinse 34 eingestellt und trifft auf das Prisma 36 auf. Das auf das Prisma 36 auftreffende Anregungslicht wird, wie durch den Pfeil in 3 gezeigt, gebrochen und trifft über die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 auf die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 auf.
Das 400 nm-Anregungslicht wandert durch die Polyimid-Lichtleiterschicht 42, die als ein vierschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen wird. Das heißt, das Anregungslicht tritt durch die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14, während sich eine Totalreflexion an den Grenzflächen mit der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und der Pufferschicht 24, die die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 einschließen, wiederholt.
Das Entweichungslicht aus der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 trifft auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 auf. Das heißt, die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 wird mit dem Anregungslicht von der gesamten rückwärtigen Fläche, die sich mit der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 in Kontakt befindet, angestrahlt. Das auf die photokatalytische TiO₂-Schicht auftreffende Anregungslicht wandert durch die photokatalytische TiO₂-Schicht 30, während sich eine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und der externen Luftschicht wiederholt.
Die mit dem Anregungslicht von der gesamten rückwärtigen Fläche angestrahlte photokatalytische TiO₂-Schicht 30 absorbiert das Anregungslicht aus dem Photokatalysator und wird aktiviert. Somit weist diese oxidative Zersetzungsfähigkeit und Antischmutzeigenschaften gegenüber organischen Verbindungen aufgrund von photokatalytischen Effekten auf.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 anstelle der PMMA-Lichtleiterschicht 26 in der ersten Ausführungsform gebildet, und die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 wird von der gesamten rückwärtigen Fläche mit dem Entweichungslicht bestrahlt, wenn das Anregungslicht, das vom GaN-Halbleiterlaser 32 emittiert wird, der auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angeordnet ist, durch die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 wandert. Daher werden die Vorzüge, wie in der ersten Ausführungsform, erreicht.
Die PMMA-Lichtleiterschicht 26 in der ersten Ausführungsform hat eine niedrige Wärmebeständigkeitstemperatur von etwa 80°C und ist bei einer Hochtemperaturbehandlung nicht beständig, wohingegen die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 eine hohe Wärmebeständigkeitstemperatur von etwa 300°C aufweist, in einer Hochtemperaturbehandlungen beständig ist und durch die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 aufgrund seiner Nicht-Entzündbarkeit nicht oxidiert wird. Somit kann die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 direkt auf der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 ohne Vorsehen der Pufferschicht 28 in der ersten Ausführungsform gebildet werden. Demgemäß kann der Aufbau und das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen photokatalytischen Anregungsvorrichtung 40 vereinfacht werden. Da die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 auf der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 mit einem Hochtemperaturverfahren gebildet werden kann, wird die Adhäsion der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 vergrößert und somit wird die Verlässlichkeit der photokatalytischen Anregungsvorrichtung 40 verbessert.
Dritte Ausführungsform
4 ist eine Querschnittsansicht einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Bauelemente, die dieselben sind wie jene in der in 2 gezeigten photokatalytischen Anregungsvorrichtung 20, werden ohne Beschreibung mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Wie in 4 gezeigt, wird in einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung 50 entsprechend dieser Ausführungsform eine PMMA-Lichtleiterschicht 26 auf einem transparenten syn thetischen Quarzsubstrat 52 gebildet, und eine Pufferschicht 28, zusammengesetzt aus einem nicht-oxidierenden Harz wird auf der PMMA-Lichtleiterschicht 26 so gebildet, dass die Dicke der Pufferschicht 28 ausreichend kleiner ist als die Wellenlänge des Anregungslichts. Eine photokatalytische Anatas-TiO₂-Schicht 30 wird auf der Pufferschicht 28 gebildet. Ein Reflexionsgitter 54 („blazed grating") wird an einem Teil der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht 28 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebildet.
Eine LED 56 als Lichtquelle wird so angebracht, dass die Abstrahlungsöffnung hiervon mit einer Einstelllinse 58 in engen Kontakt kommt. Die Einstelllinse 48 kommt mit einem Prisma 60 in engen Kontakt, und das Prisma 60 kommt mit der Endfläche des synthetischen Quarzsubstrats 52 in engen Kontakt.
Der Brechungsindex des synthetischen Quarzsubstrats 52 beträgt 1,5, der Brechungsindex der PMMA-Lichtleiterschicht 26 beträgt 1,5, der Brechungsindex der Pufferschicht 28 ist niedriger als der Brechungsindex der PMMA-Lichtleiterschicht 26 und der Brechungsindex der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 beträgt 2,5. Somit kann eine Schicht-Struktur, umfassend das synthetische Quarzsubstrat 52, die PMMA-Lichtleiterschicht 26, die Pufferschicht 28 und die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 sowie eine Luftschicht, die sich mit der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 in Kontakt befindet, als ein multimodaler fünfschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen werden.
Der Abstand im Reflexionsgitter 54 genügt den folgenden zwei Bedingungen. Wenn das von der LED 56 emittierte Anregungslicht auf die PMMA-Lichtleiterschicht 26 auftrifft, wird das auftreffende Licht durch das Reflexionsgitter 54 in Richtung der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebeugt und durch die Grenzfläche der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und der Luftschicht vollständig reflektiert. Das gesamte reflektierte Anregungslicht trifft wieder auf das Reflexionsgitter 54, wird in Richtung der PMMA-Lichtleiterschicht 26 gebeugt und wird durch die Grenzfläche der PMMA-Lichtleiterschicht 26 und des synthetischen Quarzsubstrats 52 vollständig reflektiert.
Das Reflexionsgitter 54 wird gebildet durch Pressen einer Form mit einem Gittermuster eines vorgegebenen Abstands auf die Oberfläche der Pufferschicht 28 vor Härten der PMMA-Lichtleiterschicht 26.
Die Arbeitsweise der in 4 gezeigten photokatalytischen Anregungsvorrichtung 50 wird nun beschrieben.
Licht mit einer Wellenlänge nahe des Absorptionsendes entsprechend der Bandlücke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm, wird als Anregungslicht für den Photokatalysator aus der Abstrahlungsöffnung der LED 56, der auf der Endfläche des synthetischen Quarzsubstrats 52, mit einer Einstelllinse 58 und dem Prisma 60 dazwischen angeordnet ist, emittiert. Das Licht wird durch die Einstelllinse 58 eingestellt, tritt durch das Prisma 60, das synthetische Quarzsubstrat 52, die PMMA-Lichtleiterschicht 26 sowie die Pufferschicht 28 hindurch und fällt auf das an einem Teil der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht 28 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebildete Reflexionsgitter 54.
Das auf das Reflexionsgitter 54 auftreffende Anregungslicht wird durch das Reflexionsgitter 54 in Richtung der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebeugt und wird durch die Grenzfläche der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und der Luftschicht vollständig reflektiert. Das vollständig reflektierte Anregungslicht fällt wieder auf das Reflexionsgitter 54, wird in Richtung der PMMA-Lichtleiterschicht 26 gebeugt und tritt durch die PMMA-Lichtleiterschicht 26 hindurch, die als ein multimodaler fünfschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ als ganzes angesehen wird. Das heißt, das Anregungslicht wandert durch die Ta₂O₅-Lichtleiterschicht 14, während sich eine Totalreflexion an den zwei Grenzflächen mit der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und dem synthetischen Quarzsubstrat 52, die die PMMA-Lichtleiterschicht 26 umschließen, wiederholt.
Da die Dicke der zwischen der PMMA-Lichtleiterschicht 26 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angeordnete Pufferschicht 28 ausreichend kleiner ist als die Wellenlänge des Anregungslichts, kann die Pufferschicht 28 das Anregungslicht für den Photokatalysator ohne Totalreflexion an der Grenzfläche mit der PMMA-Lichtleiterschicht 26 übermitteln, selbst wenn der Brechungsindex hiervon kleiner ist als der Brechungsindex der PMMA-Lichtleiterschicht 26.
Das Entweichungslicht aus der PMMA-Lichtleiterschicht 26 trifft auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 auf. Das heißt, die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 wird mit dem Anregungslicht mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm von der gesamten rückwärtigen Fläche, die sich mit der PMMA-Lichtleiterschicht 26 mit der dazwischen liegenden Pufferschicht 28 in Kontakt befindet, bestrahlt. Das auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 auftreffende Anregungslicht wandert durch die photokatalytische TiO₂-Schicht 30, während sich die Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und der externen Luftschicht wiederholt.
Die mit dem Anregungslicht aus der gesamten rückwärtigen Fläche angestrahlte photokatalytische TiO₂-Schicht 30 absorbiert das Anregungslicht für den Photokatalysator und wird aktiviert. Somit weist diese aufgrund von photokatalytischen Effekten oxidative Zersetzungsfähigkeit und Antischmutzeigenschaften gegenüber organischen Verbindungen auf.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 mit dem Anregungslicht von der gesamten rückwärtigen Fläche bestrahlt, wenn das Anregungslicht durch die PMMA-Lichtleiterschicht 26, wie in der zweiten Ausführungsform, wandert. Daher hat diese Ausführungsform dieselben Vorteile wie diejenige der ersten Ausführungsform.
Da das Reflexionsgitter 54 an einem Teil der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht 28 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebildet wird, tritt das Anregungslicht, emittiert von der LED 56, die auf der Endfläche des synthetischen Quarzsubstrats 52 mit dem Prisma 60 angeordnet ist, durch das Prisma 60 und das synthetische Quarzsubstrat 52 hindurch, fällt auf das Refle xionsgitter 54 und wird durch das Gitter 54 in Richtung der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebeugt. Das Anregungslicht kann ohne weiteres und stabil in die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 und durch diese hindurchgeführt werden.
In dieser Ausführungsform wird das Reflexionsgitter 54 an einem Teil der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht 28 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebildet. Alternativ kann das Reflexionsgitter an einem Teil der Grenzfläche zwischen der PMMA-Lichtleiterschicht 26 und der Pufferschicht 28 oder an einem Teil der Grenzfläche zwischen dem synthetischen Quarzsubstrat 52 und der PMMA-Lichtleiterschicht 26 gebildet werden. Ein Bragg-Gitter kann anstelle des Reflexionsgitters 62 verwendet werden. Das Bragg-Gitter kann an irgendeinem, entweder dem synthetischen Quarzsubstrat 52, der PMMA-Lichtleiterschicht 26, der Pufferschicht 2 oder der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebildet werden.
In dieser Ausführungsform wird das Anregungslicht von der LED 56, angeordnet an der Endfläche des synthetischen Quarzsubstrats 52, mit der Einstelllinse 58 und dem Prisma 60, emittiert und fällt über das synthetische Quarzsubstrat 52 auf das Reflexionsgitter 54 etc. Alternativ kann die LED mit der Einstelllinse und dem Prisma wie in der zweiten und dritten Ausführungsform auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 angeordnet sein, so dass das von der LED emittierte Anregungslicht auf die obere Fläche der photokatalytischen TiO₂-Schicht in Richtung des Reflexionsgitters 54 auftrifft.
Vierte Ausführungsform
5 ist eine Querschnittsansicht einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Die Bauelemente, die die gleichen sind, wie diejenigen der in den 3 und 4 gezeigten photokatalytischen Anregungsvorrichtungen 30 und 40, werden ohne Beschreibung mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Wie in 5 gezeigt, wird in einer photokatalytischen Anregungsvorrichtung 70 gemäß dieser Ausführung eine Polyimid-Lichtleiterschicht, aufgebaut aus einem fluorierten Polyimid, anstelle der PMMA-Lichtleiterschicht 26 in der photokatalytischen Anregungsvorrichtung 40 in der dritten Ausführungsform gebildet und somit wird die Pufferschicht 28 nicht vorgesehen.
Eine Polyimid-Lichtleiterschicht 42 wird auf einem transparenten synthetischen Quarzsubstrat 52 gebildet, und eine photokatalytische Anatas-TiO₂-Schicht 30 wird auf der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 gebildet. Ein Reflexionsgitter 72 wird an einem Teil der Grenzfläche zwischen der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebildet.
Eine LED 56 als Lichtquelle wird so angebracht, dass die Abstrahlungsöffnung hiervon mit einer Einstelllinse 58 in engen Kontakt kommt. Die Einstelllinse 58 kommt mit einem Prisma 60 in engen Kontakt, und das Prisma 60 kommt mit der Endfläche des synthetischen Quarzsubstrats 52 in engen Kontakt.
Der Brechungsindex des synthetischen Quarzsubstrats 52 beträgt 1,5, der Brechungsindex der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 beträgt 1,7 und der Brechungsindex der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 beträgt 2,5. Somit kann eine Schicht-Struktur, umfassend das synthetische Quarzsubstrat 52, die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 und die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 sowie eine Luftschicht, die sich mit der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 in Kontakt befindet, als ein multimodaler vierschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen werden.
Der Abstand im Reflexionsgitter 72 genügt den nachfolgenden zwei Bedingungen. Wenn das Anregungslicht auf die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 auftrifft, wird das auftreffende Licht durch das Reflexionsgitter 72 in Richtung der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebeugt und wird vollständig durch die Grenzfläche der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und der Luftschicht reflektiert. Das vollständig reflektierte Anregungslicht trifft wieder auf das Reflexionsgitter 42, wird in Richtung der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 gebeugt und durch die Grenzfläche der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 und des synthetischen Quarzsubstrats 52 vollständig reflektiert.
Das Reflexionsgitter 72 wird durch Pressen der Form mit einem Gittermuster mit einem vorgegebenen Abstand auf die Oberfläche der ungehärteten Polymid-Lichtleiterschicht 42 gebildet.
Die Arbeitsweise der in 5 gezeigten photokatalytischen Anregungsvorrichtung 70 wird nun beschrieben.
Licht mit einer Wellenlänge nahe des Absorptionsendes entsprechend der Bandlücke der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30, d.h. Licht mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm, wird als Anregungslicht für den Photokatalysator aus der Abstrahlungsöffnung der LED 56, platziert an der Endfläche des synthetischen Quarzsubstrats 52, mit der Einstelllinse 58 und dem Prisma 60 dazwischen liegend, emittiert. Das Licht wird durch die Einstelllinse 58 eingestellt, tritt durch das Prisma 60, das synthetische Quarzsubstrat 52 sowie die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 hindurch und trifft auf das an einem Teil der Grenzfläche zwischen der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebildete Reflexionsgitter 72.
Das Anregungslicht wird durch das Reflexionsgitter 72 gebrochen, trifft auf die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 auf und tritt durch die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 hindurch, die als ein multimodaler vierschichtiger Plattenlichtleiter vom Stufen-Typ angesehen wird. Das heißt, das Anregungslicht wandert durch die Polyimid-Lichtleiterschicht 42, während sich eine Totalreflexion an den zwei Grenzflächen mit der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und dem synthetischen Quarzsubstrat 52, die die Polyimid-Lichtleiterschicht 42 einschließen, wiederholt.
Das Entweichungslicht aus der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 trifft auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30. Das heißt, die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 wird mit dem 400 nm-Anregungslicht aus der gesamten rückwärtigen Fläche, die sich mit der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 in Kontakt befindet, bestrahlt. Das auftreffende Anregungslicht wandert durch die photokatalytische TiO₂-Schicht 30, während sich eine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 und der externen Luftschicht wiederholt.
Die mit dem Anregungslicht aus der gesamten rückwärtigen Fläche angestrahlte photokatalytische TiO₂-Schicht 30 absorbiert das Anregungslicht und wird aktiviert. Somit weist diese aufgrund von photokatalytischen Effekten oxidative Zersetzungsfähigkeit und Antischmutzeigenschaften gegenüber organischen Verbindungen auf.
Die Polyimid-Lichtleiterschicht 42, die eine höhere Wärmebeständigkeitstemperatur aufweist, ist in einer Hochtemperaturbehandlung beständig und ist nicht entflammbar und wird anstelle der PMMA-Lichtleiterschicht 26 in der dritten Ausführungsform gebildet. Die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 wird mit dem Anregungslicht von der gesamten rückwärtigen Fläche bestrahlt, das entweicht, wenn dieses durch die Polyimid-Lichtleiterschicht 22 wandert. Daher zeigt diese Ausführungsform dieselben Vorteile wie jene der zweiten Ausführungsform.
Da das Reflexionsgitter 72 an einem Teil der Grenzfläche zwischen der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 und der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebildet wird, trifft das Anregungslicht ohne weiteres und stabil wie in der dritten Ausführungsform auf die photokatalytische TiO₂-Schicht 30 auf und wandert durch diese hindurch.
In dieser Ausführungsform wird das Reflexionsgitter 72 an einem Teil der Grenzfläche zwischen der Polyimid-Lichtleiterschicht 72 und der photokatalytische TiO₂-Schicht 30 gebildet. Alternativ kann das Reflexionsgitter an einem Teil der Grenzfläche zwischen dem synthetischen Quarzsubstrat 52 und der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 gebildet werden. Ein Bragg-Gitter kann ebenfalls anstelle des Reflexionsgitters 72 verwendet werden. Das Bragg-Gitter kann an irgendeinem, entweder dem synthetischen Quarzsubstrat 52, der Polyimid-Lichtleiterschicht 42 oder der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 gebildet werden.
In dieser Ausführungsform wird das Anregungslicht für den Photokatalysator von der LED 56, angeordnet an der Endfläche des synthetischen Quarzsubstrats 52, mit der Einstelllinse 58 und dem Prisma 60, emittiert und fällt auf das Reflexionsgitter 72 über das synthetische Quarzsubstrat 52 etc. Alternativ kann die LED mit der Einstelllinse und dem Prisma auf der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 wie in der ersten und zweiten Ausführungsform so angeordnet sein, dass das von der LED emittierte Anregungslicht auf die obere Fläche der photokatalytischen TiO₂-Schicht 30 in Richtung des Reflexionsgitters 72 auftrifft.

Claims

Photokatalytische Anregungsvorrichtung, umfassend: ein Substrat (22, 52), eine auf dem Substrat (22, 52) gebildete Lichtleiterschicht (26; 42), eine Lichtquelle (32, 34; 56, 58) zum Emittieren von Anregungslicht für einen Photokatalysator in Richtung der Lichtleiterschicht (26; 42) und eine auf der Lichtleiterschicht (26; 42) gebildete photokatalytische Schicht (30), wobei das von der Lichtquelle (32, 34; 56, 58) emittierte Anregungslicht durch die Lichtleiterschicht (26; 42) hindurchtritt und das Entweichungslicht aus der Lichtleiterschicht (26; 42) die photokatalytische Schicht (30) aktiviert, worin die Lichtquelle (32, 34; 56, 58) derart angeordnet ist, dass das Anregungslicht für den Photokatalysator, das von der Lichtquelle (32, 34; 56, 58) emittiert wird, auf die Lichtleiterschicht (26; 42) durch ein Prisma (36; 60), das zwischen der Lichtquelle (32, 34; 56, 58) und einem Oberflächeneintrittsbereich des Anregungslichts in der Vorrichtung vorgesehen ist, auftrifft.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Lichtquelle (32, 34) auf der photokatalytischen Schicht (30) angeordnet ist, und das Anregungslicht für den Photokatalysator, das von der Lichtquelle (32, 34) emittiert wird, auf die Lichtleiterschicht (26; 42) durch das Prisma (36), das in unmittelbarer Nachbarschaft zur Lichtquelle (32, 34) auf dem Photokatalysator angeordnet ist, auftrifft.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Lichtquelle (56, 58) angeordnet ist, um mit der Endfläche des Substrats (52) mit einem dazwischen vorgesehenen Prisma (60) in engen Kontakt zu kommen, und das von der Lichtquelle (56, 58) emittierte Anregungslicht auf die Lichtleiterschicht (26; 42) durch das Prisma (60) auftrifft.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin entweder das Substrat (22; 52), die Lichtleiterschicht (26; 42) oder die photokatalytische Schicht (30) mit einem Gitter (54; 72) versehen ist, und das von der Lichtquelle (32, 34; 56, 58) emittierte Anregungslicht durch das Gitter (54; 72) gebeugt wird und auf die Lichtleiterschicht (26; 42) auftrifft.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Lichtquelle (32, 34; 56, 58) ausgewählt ist aus einem Halbleiterlaser und einer lichtemittierenden Diode.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin eine erste Pufferschicht (24), die das Anregungslicht übermittelt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als derjenige der Lichtleiterschicht (26; 42), zwischen dem Substrat (22) und der Lichtleiterschicht (26; 42) angeordnet ist.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach Anspruch 6, worin entweder das Substrat (22; 52), die erste Pufferschicht (24), die Lichtleiterschicht (26; 42) oder die photokatalytische Schicht (30) mit einem Gitter (54; 72) versehen ist, und das von der Lichtquelle (32, 34; 56, 58) emittierte Anregungslicht durch das Gitter (54; 72) gebeugt wird und auf die Lichtleiterschicht (26; 42) auftrifft.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, worin eine zweite Pufferschicht (28), die das Anregungslicht übermittelt und ein nichtoxidierendes Material umfasst, zwischen der Lichtleiterschicht (26) und der photokatalytischen Schicht (30) angeordnet ist.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach Anspruch 8, worin entweder das Substrat (22; 52), die Lichtleiterschicht (26), die zweite Pufferschicht (28) oder die photokatalytische Schicht (30) mit einem Gitter (54) versehen ist, und das von der Lichtquelle (32, 34; 56,58) emittierte Anregungslicht durch das Gitter (54) gebeugt wird und auf die Lichtleiterschicht (26) auftrifft.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, 6 oder 8, worin eine dritte Pufferschicht (28), die das Anregungslicht übermittelt, mit einer Dicke, die kleiner oder gleich der Wellenlänge des Anregungslichts für den Photokatalysator ist, und mit einem Brechungsindex, der kleiner ist als derjenige der Lichtleiterschicht (26), zwischen der Lichtleiterschicht (26) und der photokatalytischen Schicht (30) angeordnet ist.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach Anspruch 10, worin entweder das Substrat (22; 52), die Lichtleiterschicht (26), die dritte Pufferschicht (28) oder die photokatalytische Schicht (30) mit einem Gitter (54) versehen ist, und das von der Lichtquelle (32, 34; 56, 58) emittierte Anregungslicht durch das Gitter (54) gebeugt wird und auf die Lichtleiterschicht (26) auftrifft.
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, worin die Länge der Lichtleiterschicht (26, 42) größer ist als die Dicke der photokatalytischen Schicht (30).
Photokatalytische Anregungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, worin die Wellenlänge des durch die Lichtquelle (32, 34; 56, 58) emittierten Anregungslichts eine Wellenlänge nahe der Absorptionsgrenze entsprechend der Bandlücke der photokatalytischen Schicht (30) darstellt.