JP2000325799A

JP2000325799A - 光触媒装置

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Publication number: JP2000325799A
Application number: JP11139512A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Mizuno; 真一水野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2000-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】光源からの光パワーを有効に利用して、光触
媒作用を安定かつ高効率に発揮させる光触媒装置を提供
すること。【解決手段】透明な合成石英（又はガラス）基板１上
に、Ｔａ₂Ｏ₅からなる光導波路２が形成されており、
この光導波路２上に、ＴｉＯ₂からなる光触媒層３が形
成されている。この光触媒層３は、厚さ１００ｎｍ以
下、例えば２０ｎｍに形成されている。また、光源とし
てのＧａＮからなる半導体レーザ４の光出射側は、光フ
ァイバー束５に結合され、この光ファイバー束５が一列
状のシート６に配列され、光導波路２の光入射端面に密
着されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光励起によって触
媒作用を呈する光触媒層を有する光触媒装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】光の照射によって励起され、触媒作用を
発揮する光触媒材料として、二酸化チタン、酸化タング
ステン、酸化バナジウム、酸化ジルコニウム、酸化亜
鉛、硫化亜鉛、酸化錫が知られているが、その優れた酸
化分解機能、防汚機能、親水機能などから、特に二酸化
チタン（ＴｉＯ₂）が注目されている。

【０００３】このような光触媒材料を用いた光触媒装置
は、その用途に応じて種々の構造を有しているが、通
常、図９に示すように、例えばガラス、プラスチック等
からなる基板８１上に、ＴｉＯ₂光触媒層８３を形成
し、その上方から紫外線等の光触媒の励起光８７が照射
されるように構成されている。

【０００４】ＴｉＯ₂光触媒層８３に光触媒の励起光８
７が照射されると、光触媒層８３内で光電効果によって
電子が励起されて電子と正孔（ホール）が発生し、Ｔｉ
Ｏ₂光触媒層７３表面に移動する。電子は空気中の酸素
を還元してスーパーオキサイドイオン（Ｏ₂ ^-）に変
え、正孔は表面の水分（吸着水）を分解して水酸基ラジ
カル（・ＯＨ）に変える。これらのスーパーオキサイド
イオンと水酸基ラジカルは活性酸素種と呼ばれ、強力な
酸化作用を示す。

【０００５】この結果、ＴｉＯ₂光触媒層８３に有機系
の汚れが付着すると、スーパーオキサイドイオンが有機
化合物の炭素と反応し、水酸基ラジカルが有機化合物の
水素と反応して、有機化合物を分解する。このような分
解過程で上記の炭素と水素はそれぞれ酸化され、二酸化
炭素と水に変化する。こうして、有機物の酸化分解機
能、防汚機能（浄化作用）が発揮される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の光触媒
装置においては、ＴｉＯ₂光触媒層８３を照射する光触
媒の励起光７０として、例えば紫外線を含む太陽光や室
内光、又は専用の人工光源から出射された紫外線等が使
用される。

【０００７】しかしながら、このような構造では、光触
媒装置の外部に光源が配置されて、励起光７０を垂直方
向から入射させているため、光源とＴｉＯ₂光触媒層８
３との間に存在する空気や水などの媒質に光触媒の励起
光７０が光吸収されたり、光散乱されたりして、ＴｉＯ
₂光触媒層８３に到達するまでに光触媒の励起光８７が
減衰してしまうことがある。従って、光源からの光パワ
ーを有効に利用することができない。

【０００８】また、光触媒の励起光８７として太陽光を
利用する場合、屋外においては天候によって太陽光の照
射強度が大きく左右され、屋内においては太陽光が遮蔽
されるか又は減少することから、ＴｉＯ₂光触媒層８３
の光触媒作用が安定して発揮されない。

【０００９】また、例えば光触媒の励起光８７の光源と
して蛍光ランプの如き指向性のない光源を使用する場合
には、ＴｉＯ₂光触媒層８３を照射しないで散逸してし
まう光があるため、光源からの光パワーを有効に利用す
ることができない。

【００１０】更に、光触媒の効率を高めるためには光触
媒層８３の厚さを厚くして光吸収率を高くする必要があ
る。光触媒層８３が厚いとき、その表面下の深い位置で
酸化チタンが励起されて生成した電子と正孔は、光触媒
の活性に寄与するためには表面まで移動して表面に活性
な酸素や水酸基を生成する必要があるが、この移動過程
で電子と正孔が再結合して消滅する確率が高くなるの
で、光触媒としての活性化率が低下し易い。

【００１１】他方、上記の問題点を解消できる光触媒装
置として、光導波路上に光触媒をコーティングして、光
導波路内で導かれる導波光の漏れ光で光触媒を励起する
構造も報告されている。しかしながら、光触媒層中での
電子、正孔の再結合による効率の低下については何ら考
慮されていない。

【００１２】しかも、光触媒層が厚くなると、光触媒層
の不均一性、表面の凹凸が大きくなるので、大きな光散
乱が発生する。このため、光導波路上に光触媒をコート
した場合、光散乱による導波光の減衰が大きいため、光
エネルギーの損失が大きい。

【００１３】そこで、本発明の目的は、上記した従来の
問題点を克服し、光源からの光パワーを有効に利用し、
光触媒作用を安定かつ高効率に発揮させることができる
光触媒装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、光導波
路と、前記光導波路上に形成された光触媒層とを有し、
前記光触媒層が１００ｎｍ以下の厚みに形成されている
光触媒装置、及び、前記光導波路内に光触媒の励起光を
入射させる光源を更に有する光触媒装置に係るものであ
る。

【００１５】本発明の光触媒装置によれば、光導波路上
に光触媒層が形成されているので、基板として、光触媒
の励起光を透過しかつ表面が光触媒の励起光の波長のオ
ーダーで平滑なものを用いれば、基板、光導波路及び光
触媒層からなる積層構造と、更に光触媒層に接する空気
層とによって多モードの４層構造のステップ型スラブ光
導波路装置とみなされる。従って、光源から光導波路に
入射した光触媒の励起光は光導波路内を伝搬すると共
に、その伝搬中に光導波路から漏洩して光触媒層を裏面
全体から照射し、更にその照射光は光触媒層内を十分に
透過するため、光触媒層はその全体において高効率に活
性化される。

【００１６】また、光源から出射された光触媒の励起光
は無駄なく光導波路内に入射されると共に、光源と光触
媒層との間に空気や水などの媒質が存在せず、こうした
媒質による光吸収や光散乱のために生じる光量ロスもな
くせるために、光源からの光パワーが極めて有効に利用
される。また、光触媒の励起光が伝搬する光導波路の材
料として、光触媒の励起光の光吸収の小さなものを選択
すれば、この光導波路における光吸収による光量ロスも
低減される。

【００１７】また、光触媒の励起光として太陽光を利用
する場合のように外部環境によって左右されることはな
く、光触媒層における光触媒作用が安定して発揮され
る。

【００１８】また、光触媒の励起光として紫外光を使用
する場合であっても、光源から光導波路を経て光触媒層
に至る過程は光触媒の励起光が装置内に閉じ込められる
構造となっており、光触媒層の表面に付着した塵などに
よる散乱光以外には励起光が外部に漏れることはなくな
るため、たとえテレビジョン受像機のブラウン管面や自
動車のフロントガラスのように、人が見たり、近くに居
る時間が長いものに光触媒装置を用いても、人体に悪影
響を及ぼし、特に皮膚癌の発生原因となるという心配は
なくなる。

【００１９】本発明の光触媒装置は更に、光触媒層の厚
さが、従来とは異なって１００ｎｍ以下（好ましくは、
例えば１０ｎｍ）と非常に薄くしているので、光触媒層
内で、光による励起で生じた電子と正孔が光触媒層の表
面まで移動する距離が短くなり、再結合によって消滅す
る確率が小さくなる。従って、光エネルギーのロスが小
さく、このため、パワーの小さい半導体レーザやＬＥＤ
（発光ダイオード）などの光源を用いても触媒作用を発
揮でき、省エネルギーにもなる。そして、光触媒層の厚
さが薄い方が光散乱の小さい薄膜を作りやすいので、光
エネルギーのロスが更に小さくなる。

【００２０】これに加えて、光触媒層を厚さ１００ｎｍ
以下と薄膜化することによって、可視光で励起される光
触媒を使用しても、全体として光学的に透明な光触媒コ
ート基板を得ることができる。これまで、紫外光で励起
され、可視光に対しては透明な酸化チタンしか使用でき
なかった自動車のバックミラー等の如く透明性が要求さ
れる用途にも、酸化鉄やフラーレンを使用できるように
なる。

【００２１】また、光触媒としての酸化チタン等の光触
媒層を上記のように薄くすることによって、量子サイズ
効果によって光触媒活性が高くなる。そして光導波路上
に光触媒をコートした場合、光触媒膜の均一性、表面の
平坦化が十分となるので、光散乱による導波光の減衰が
小さくなり、光エネルギーの損失が小さくなる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の光触媒装置において、酸
化チタン等の光触媒を単分子層にすれば、例えば光触媒
活性が粉末酸化チタン触媒（ルチル）と比較して数１０
０倍も高くなる。従って、光触媒層が上記したように薄
くしたことによる光吸収及び光励起の低下の問題は、光
触媒活性の著しい向上によって完全に解消され、触媒作
用がむしろ向上する。

【００２３】酸化チタン光触媒に関しては、単分子層化
することにより光触媒活性が著しく向上することが知ら
れている。固定化担持光触媒材料、例えば固定化担持酸
化チタンは配位不飽和な状態にある分子状の酸化チタン
種である。特に、高分散な状態にあるこのような固定化
担持酸化チタンは吸収光エネルギーの失活が小さく、ま
た、光励起による活性種の反応性が特異的で高いという
特徴がある。このように高分散な固定化担持酸化チタン
は反応性が特異的で高いが、一般的に、酸化チタン以外
の高分散な分子状酸化物光触媒でも、従来のバルク触媒
では見られない特異な光触媒活性を示す。これらの例と
しては、例えば文献１：安保正一及び野村幸生「表面」
３０（１９９１）２５３の表１、及び、文献２：安保正
一「触媒」３３（１９９１）２２１のＴａｂｌｅ１に示
された光触媒反応がある。

【００２４】本発明の光触媒装置では、単分子層の光吸
収が小さいために励起効率が低く、結果としてその高い
活性を生かせなかった従来技術の状況において、そのよ
うな単分子層でもその高い光触媒活性を効果的に生かす
ことにより、その問題点の影響を弱め、実用可能な光触
媒装置を実現できたのである。

【００２５】また、上記光触媒層の下層として高屈折率
の薄膜を形成することによって、光導波路から光触媒層
に励起光を強力に集光することができる。

【００２６】また、光触媒層又は／及び光導波路に３次
元、２次元又は１次元のグレーティングを形成すれば、
フォトニックバンドを形成し、光導波路に励起光を閉じ
込めることによって、光触媒層を強力に励起できる。こ
れと同様の効果は、光入射面以外を光反射膜で覆い、光
反射によって励起光を光導波路内に閉じ込めることによ
っても、得ることができる。

【００２７】また、光導波路内の導波光のモードを表す
光線が光源側から光導波路との界面へ入射する入射角を
大きくすることによって、光触媒層から基板の外方への
エバネセント波のしみ出しを小さくし、外部の空気や溶
液による励起光の散乱や吸収（エネルギーの損失）を小
さくすることができる。このように界面への入射角を大
きくするためには、光導波路端面への入射光束の開口数
ＮＡを小さくする等の方法がある。

【００２８】光源は光導波路の端面に密着して設ける
か、或いは光源の出射光が光ファイバー又はそのシート
状集合体を介して光導波路に導くことにより、光源から
の出射光は一層無駄なく光導波路内に入射する。また、
光源が基板や光触媒層と一体化されると、光源を独立し
て設置するスペースが不要となり、装置全体としても小
型化されるため、光触媒装置の使用範囲が拡大されると
共に、美感を損なうおそれも殆どなくなる。

【００２９】以下、本発明の好ましい実施の形態の具体
例を図面について説明する。

【００３０】第１の実施の形態図１及び図２は、本発明の第１の実施形態による光触媒
装置を示すものである。

【００３１】本実施の形態による光触媒装置１０におい
ては、透明な合成石英（又はガラス）基板１上に、Ｔａ
₂Ｏ₅からなる光導波路２が形成されており、この光導
波路２上に、アナターゼ型のＴｉＯ₂からなる光触媒層
３が形成されている。この光触媒層３は、本発明に基づ
いて厚さ１００ｎｍ以下、例えば２０ｎｍに形成されて
いる。また、光源としてのＧａＮからなる半導体レーザ
４の光出射側は、光ファイバー束５に結合され、この光
ファイバー束５が一列状のシート６に配列され、光導波
路２の光入射端面に密着されている。

【００３２】ここで、合成石英基板１の屈折率は１．
５、Ｔａ₂Ｏ₅光導波路２の屈折率は１．９〜２．２、
ＴｉＯ₂光触媒層３の屈折率は２．５である。このた
め、基板１と光導波路２と光触媒層３とからなる積層構
造と、更にこの光触媒層３に接する空気層とによって４
層構造のステップ型スラブ光導波路とみなすことができ
る。

【００３３】また、ＴｉＯ₂光触媒層３は、その厚さが
１００ｎｍ以下と非常に薄いが、触媒活性が高く、また
ゾルゲル法により成膜したＴｉＯ₂光触媒層３は超微粒
子が堆積されたものであるが、厚さが小さいために光散
乱が小さく、光損失が小さい。

【００３４】また、光導波路２の厚さは、光触媒層３の
厚さよりも厚くする。このことにより、光導波路２内に
光触媒の励起光７を伝搬させる場合に、光導波路２にお
ける光量が相対的に大きくなると共に、光触媒層３に入
射する光触媒の励起光の光量が相対的に小さくなる。

【００３５】なお、光導波路２は、ＣＶＰ（Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やスパ
ッタ法によって成膜してよい。また、光触媒層３は、ゾ
ルゲル法等によって成膜してよい。

【００３６】次に、本実施の形態による光触媒装置１０
の動作を説明すると、光導波路２の端面には、半導体レ
ーザ４からレンズ、光ファイバー束５及び光ファイバー
シート６を介して、光触媒層３のバンドギャップに相当
する波長の光（即ち、波長約４００ｎｍの光）を光触媒
の励起光７として入射させる。半導体レーザ４と光導波
路２は光ファイバーで結合するが、光ファイバーは光源
側部分が円柱状５に束ねられ、光導波路側部分がシート
状６に並べられる。射出側の光ファイバーシート６は光
導波路２の端面に接着固定され、光ファイバーシート６
の射出光は直接に光導波路２に入射するが、この光ファ
イバーシート６の端面が線状であるため、導波光７の強
度は基板面内で均一になる。

【００３７】この導波光（励起光）７は、全体が４層構
造のステップ型スラブ光導波路とみなされる光導波路２
内を矢印の方向に伝搬する。

【００３８】光導波路２に入射された励起光７の伝搬を
より具体的に説明すると、この励起光は、光触媒層３と
外部の空気層との境界面、及び光導波路２と基板１との
境界面において全反射を繰り返しながら、光導波路２内
を進行する。また、この光導波路２内を伝搬する励起光
７は、光吸収等による減衰が無視できる程度であって十
分な距離に亘って透過することが可能である。

【００３９】そして、その際の光導波路２からの漏洩光
が光触媒層３に入射する。即ち、光触媒層３は、光導波
路２に接する裏面全体から波長約４００ｎｍの励起光に
よって照射され、この励起光を吸収して活性化される。
これによって、光触媒層３の光触媒作用により、有機物
の酸化分解機能や防汚機能を発揮する。

【００４０】この光触媒層３の活性化とその触媒作用を
詳しく説明すると、酸化チタン（ＴｉＯ₂）光触媒で
は、波長が４００ｎｍ以下の励起光を照射することによ
って電子と正孔が生成する。このうち、電子は格子のＴ
ｉ⁴⁺に捕獲されてＴｉ³⁺になり、このＴｉ³⁺は酸素Ｏ₂
と反応してＯ₂ ^-を生成する。また正孔は、格子酸素イ
オンＯ^2-で捕獲されて、反応性の高いＯ^-種を生成し、
さらに、表面に吸着水が存在すると、ＯＨ^-イオンと反
応してＯＨラジカルを生成する。これらのＯ₂ ^-やＯ^-
種、ＯＨラジカルを活性種として光触媒反応が誘起され
る。

【００４１】このように光触媒を励起するため、図１及
び図２のように光導波路２の表面に光触媒層３をコート
し、その導波光７で光触媒を励起するが、光導波路２を
使用することによって、励起光７が光源から光触媒まで
到達する間に途中の媒質、特に光触媒で浄化しようとし
ている液体や気体によって吸収されることがなくなり、
光量ロスが減少する。また、太陽光を用いる場合のよう
に外部環境に左右されることなく、安定した動作が可能
となる。また、光触媒の励起光が外部に漏れることが少
なくなるため、テレビジョン受像機のブラウン管面や自
動車のフロントガラスに用いても、人体に悪影響を及ぼ
し、特に皮膚癌の発生原因となることはなく、ブラウン
管などに埋め込むことが可能になり、光触媒装置が小型
化され、美感を損なうこともない。

【００４２】一般に、光導波路を使用する場合であって
も使用しない場合であっても、光触媒の活性度を高くす
るためには光触媒層の膜厚を厚くすることで励起光の吸
収率を大きくし、吸収光量を大きくして電子と正孔を大
量に発生させている。このとき、光触媒層の表面より下
層の部分で発生する電子と正孔は、光触媒の活性に寄与
するために表面まで移動して、表面に活性な酸素や水酸
基を生成するものと考えられている。しかしこの表面ま
で移動する過程で、電子と正孔が再結合して消滅する確
率が高くなるので、光触媒としての活性化率が低下する
ものと考えられる。

【００４３】しかし、光導波路の層厚を薄くするなら
ば、強い光強度で励起光を光触媒に照射でき、光散乱が
減少する。従って、光触媒を強力に励起できるので、本
実施の形態のように薄い光触媒層３であっても、励起電
子と正孔を大量に生成でき、さらに、薄い光触媒層３の
中では表面まで電子と正孔が移動する距離が短いので、
移動過程で再結合して消滅する確率は小さい。従って、
光エネルギーの損失を小さくできるので、光触媒の活性
化率が低下しない。光導波路を使用しない場合に比べ
て、更には光触媒層３を厚くした場合に比べて、低パワ
ーの光源で同等な光触媒能力を得ることができる。

【００４４】こうした効果を得る上で、光触媒層３を構
成するＴｉＯ₂膜はゾルゲル法等によってＴｉＯ₂超微
粒子をコーティングして成膜されるに際し、ＴｉＯ₂膜
は超微粒子の粒径（特に１〜２０ｎｍ：これは表面積大
にして量子サイズ効果に優れる。）よりも十分に厚けれ
ばよいが、約１００ｎｍの厚さまでは光散乱が小さく、
導波光が減衰せずに長い距離を伝搬できるので、散乱に
よる光エネルギーの損失を小さくするためにも、これ以
下の膜厚が望ましい。なお、使用可能な光触媒は、酸化
チタンに限らず、フラーレンや酸化鉄も使用できる。

【００４５】これに加えて、光触媒層３を厚さ１００ｎ
ｍ以下と薄膜化することによって、可視光で励起される
光触媒を使用しても、全体として光学的に透明な光触媒
コート基板を得ることができる。これまで、紫外光で励
起され、可視光に対しては透明な酸化チタンしか使用で
きなかった自動車のバックミラー等の如く透明性が要求
される用途にも、酸化鉄やフラーレンを使用できるよう
になる。

【００４６】また、光触媒としての酸化チタン等の光触
媒層３を上記のように薄くすることにより、量子サイズ
効果で光触媒活性が高くなる。そして、光導波路２上に
光触媒をコートした場合、光触媒層３の均一性、表面の
平坦化が十分となるので、光散乱による導波光の減衰が
小さくなり、光エネルギーの損失が小さくなる。

【００４７】第２の実施の形態図３は、本発明の第２の実施の形態による光触媒装置を
示すものである。

【００４８】本実施の形態による光触媒装置２０は、上
述の第１の実施の形態において上述と同様の光導波路２
２上に、分子サイズの固定化担持酸化チタンからなる光
触媒層２３を形成したものである。この光触媒層２３を
構成する酸化チタン（ＴｉＯ₂）は、その配位状態が一
定のものである。

【００４９】この固定化担持酸化チタンは、合成石英や
ＰｏｒｏｕｓＶｙｃｏｒＧｌａｓｓ（ＰＶＧ）上
で、次式のように水酸基と塩化チタンＴｉＣｌ₄を反応
させて生成され、酸化チタンを固定化担持した単分子膜
として知られている〔文献３：M.Anpo,N.Aikawa,Y.kubo
kawa,C.Louis,E.Giamello,M.Che:J.Phys.Chem.89(1985)
5017〕。ｍ（Ｓｉ−ＯＨ）＋ＴｉＣｌ₄（ｇ）→（Ｓｉ−Ｏ−）
_mＴｉＣｌ_4-m＋ｍＨＣｌ（Ｓｉ−Ｏ−）_mＴｉＣｌ_4-m＋（４−ｍ）Ｈ₂Ｏ
（ｇ）→（Ｓｉ−Ｏ−）_mＴｉ（ＯＨ）_4-m なお、固定化担持する分子サイズの光触媒は、ＴｉＯ₂
ばかりではなく、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｖ₂Ｏ₅、ＭｏＯ₃、Ｎ
ｂ₂Ｏ₅、ＣｕＭｏＯ₄、Ｍｏ（ＣＯ）₆、Ｗ（ＣＯ）
₆、ＺｎＳ−ＣｄＳ、ＮｉＳ−ＷＳ₂、ＣｏＯ、Ｃｒ₂
Ｏ₃、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＣｒＯ₃、ＷＯ₃、ＮｉＯ、Ｃ
ｒ（ＣＯ）₆、Ｆｅ（ＣＯ）₅、Ｒｕ₃（ＣＯ）₁₂、Ｃ
ｄＳ等であってもよい。

【００５０】このような、固定化担持酸化チタンは、実
際には、光導波路２２上に固定化担持されるが、光導波
路２２を構成するＴａ₂Ｏ₅も上記と同様に表面に吸着
基（ＯＨ）を有しているため、同様にして光導波路２２
上に固定化担持され、光触媒層２３を形成する。

【００５１】このような固定化担持酸化チタンを光触媒
層２３に用いることによって、その高触媒活性により、
上述した第１の実施の形態で述べた効果に加えて、触媒
性能を大きく向上させることができる。このことは、メ
チルアセチレンの水素化分解反応について、固定化担持
酸化チタンの光触媒活性を通常の粉末酸化チタンと比較
すると、Ｔｉ原子当たりの光触媒活性は数１００倍も高
いという報告（上記した文献３参照）で裏付けられる。
また、二酸化炭素と水の存在下において、固定化担持酸
化チタンの光触媒作用によって高い選択率でメタン、メ
タノール、一酸化炭素を生成することができる。〔文献
４：H.Yamashita,H.Nishiguchi,N.Kamada,M.Anpo:Res.C
hem.Intermedi.20(1994)815 、及び文献５：M.Anpo,K.C
hiba:J.Mol.Catal.74(1992)207参照〕。

【００５２】固定化担持酸化チタンは、配位不飽和な状
態にある分子状の酸化チタン種である。特に高分散な
（例えば１０ｎｍ角当りＴｉ原子が１００個分布した）
状態にあり、均一な膜を形成するこのような固定化担持
酸化チタンは吸収光エネルギーの失活が小さく、また、
光励起による活性種の反応性が特異的で高いという特徴
がある。一般的に、酸化チタン以外の高分散な分子状酸
化物光触媒でも、従来のバルク触媒では見られない特異
な光触媒活性を示す。これらの例としては、例えば、上
述の文献１の表１や文献２のＴａｂｌｅ１に示されたよ
うな光触媒反応がある。

【００５３】また、このように光触媒が単分子膜化する
ことによって、単位面積当たりの光吸収が小さくなり、
透明に近くなる（但し、表面へ電子及び正孔へ移動し易
くなり、また量子サイズ効果による活性触媒能が向上
し、光散乱によるロスも小さくなる）。このため、これ
までは酸化チタンのように紫外光で励起できるもの以外
には透明なウインドウガラスの清浄化などの用途に使用
できなかったが、酸化鉄のように可視光で励起されるも
のでも、透明な用途に使用できるようになる。また、可
視光で励起できることによって、光源の選択の幅が広が
るばかりではなく、太陽光によっても励起することがで
きるようになる。従って、自然の太陽エネルギーが利用
できるばかりではなく、紫外光源よりも発光効率が高い
可視の半導体レーザ（ＬＤ）やＬＥＤを使用できるの
で、省資源、省エネルギーになる。

【００５４】第３の実施の形態図４は、本発明の第３の実施の形態を示すものである。

【００５５】本実施の形態による光触媒装置３０は、上
述の第２の実施の形態での固定化担持ＴｉＯ₂膜２３以
外の光触媒として、合成石英基板３１上に酸化鉄（Ｆｅ
₂Ｏ₃）３３を固定化担持したものである。

【００５６】酸化鉄は可視光域に吸収を持ち、価電子帯
の準位が深いために、大きな酸化力を有する。しかし、
可視光域に吸収を持つため、これまで、透明なテレビジ
ョン受像機のブラウン管面や自動車のウインドウガラス
等には使用できなかったが、本実施の形態によれば、酸
化鉄を固定化担持して単分子層膜とすることによって、
可視域の吸収も極めて小さくなるので、透明であること
が要求される用途にも使用できるようになる。また、可
視光で励起が可能となるため、光源の選択の幅が広が
り、応用範囲が拡大すること等が見込まれる。しかも、
紫外光源よりも発光効率が高い可視光の半導体レーザや
ＬＥＤが使用できるので、エネルギーロスが小さくな
り、省資源、省エネルギーになる。

【００５７】この酸化鉄の単分子膜は、ピリジン中で塩
化鉄（ＦｅＣｌ₃）を加水分解することによって作成可
能である〔文献６：K.Leland,J.Bard:J.Phys.Chem..91
(1987)5076 参照〕。

【００５８】そして、屈折率が２．０以下程度と低い光
導波路３２上に高屈折率の薄膜３４を作成し、その上に
固定化担持Ｆｅ₂Ｏ₃の光触媒層３３を単分子層膜とし
て形成する。これによって、上述した第２の実施の形態
で述べた効果に加えて、光導波路３２の光触媒側と光触
媒層３３に励起光をより強く集中することができ、効率
的に光触媒を励起できる。この高屈折率薄膜３４の厚さ
は数１０ｎｍ以下であってもよい。

【００５９】具体的な構造としては、合成石英基板３１
上にポリイミド光導波路３２をコートし、その上に高屈
折率の薄膜３４としてＴａ₂Ｏ₅又はＮｂ₂Ｏ₅をスパ
ッタによってコートし、その上に光触媒層３３として酸
化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）を固定化担持する。各々の屈折率
は、合成石英が１．５、ポリイミドが１．７、Ｔａ₂Ｏ
₅が２．１〜２．３、Ｎｂ₂Ｏ₅が１．９〜２．２であ
る。このような構造は、上述した第２又は第１の実施の
形態においても同様に採用できる。

【００６０】第４の実施の形態図５は、本発明の第４の実施の形態を示すものである。

【００６１】本実施の形態による光触媒装置４０は、上
述の第１又は第２の実施の形態において、ポリメチルメ
タクリレートからなる光導波路４２の下層として、光触
媒の励起光を透過するパーフルオロ化合物（例えばテト
ラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル
−１，３−ジオキソールとの共重合体：デュポン社製商
品名「テフロンＡＦ」）からなるバッファ層４５が、光
触媒の励起光の波長よりも十分に厚く形成されている。
こうして、基板４１の表面が平滑でなくとも、その上に
塗布された透明なバッファ層４５によって平滑な表面が
形成されている。

【００６２】また、光導波路４２上には、光触媒の励起
光を透過する非酸化性樹脂からなるバッファ層４４が光
触媒の励起光の波長よりも十分に薄く形成されている。
また、このバッファ層４４上には、アナターゼ型又は固
定化担持のＴｉＯ₂光触媒層４３が形成されている。

【００６３】このバッファ層４４の材料となる非酸化性
樹脂としては、フッ素系樹脂やシリコーン系樹脂があ
る。フッ素系樹脂の例としてはバッファ層４５と同じ
「テフロンＡＦ」がある。シリコーン系樹脂としては、
例えばオルガノシラン系（テトラアルコキシシラン、ト
リアルコキシシランを主成分とする）樹脂がある。

【００６４】ここで、バッファ層４５の屈折率は光導波
路４２の屈折率より小さく、光導波路４２の屈折率は
１．５であり、バッファ層４５の屈折率も光導波路４２
の屈折率より小さく、光触媒層４３の屈折率は２．５で
ある。このため、これらバッファ層４５と光導波路４２
とバッファ層４４と光触媒層４３とからなる積層構造
と、更にこの光触媒層４３に接する空気層とによって、
多モードの５層構造のステップ型スラブ光導波路とみな
すことができる。

【００６５】また、上述の実施形態の場合と同様に、光
触媒層４３の厚さは、１００ｎｍ以下と非常に薄くして
おく。また、光導波路４２の厚さは、光触媒層４３の厚
さよりも厚くする。

【００６６】この光触媒装置４０によれば、光導波路４
２内に入射した励起光は、光触媒層４３と外部の空気層
との境界面及び光導波路４２バッファ層４５、４４との
境界面において全反射を繰り返しながら、光導波路４２
内を進行する。ここで、基板４１と光導波路４２との間
に介在するバッファ層４５は、その厚さが光触媒の励起
光の波長よりも十分に厚く、平滑な表面を有しているた
め、光導波路４２との境界面において光触媒の励起光を
全反射する。また、光導波路４２と光触媒層４３との間
に介在するバッファ層４４は、その厚さが光触媒の励起
光の波長よりも十分に薄いため、その屈折率が光導波路
４２の屈折率より小さくても、光導波路４２との境界面
において光触媒の励起光を全反射することなく、光触媒
の励起光を通過させる。

【００６７】こうして、裏面全体から光触媒の励起光に
よって照射された光触媒層４３は、この光触媒の励起光
を吸収して活性化され、その厚さが１００ｎｍ以下と非
常に薄いために、優れた光触媒作用により有機物の酸化
分解機能や防汚機能等を発揮する。

【００６８】第５の実施の形態図６は、本発明の第５の実施の形態を示すものである。

【００６９】本実施の形態の光触媒装置５０は、上述し
た酸化チタンや酸化鉄等の単分子層膜からなる光触媒層
５３の下に、３次元グレーティング構造５５を作成して
フォトニックバンドを形成し、空間伝搬モードと導波光
の結合を無くし、励起光を基板表面に閉じ込めるように
する。これによって、光触媒を効率的に励起でき、光吸
収が小さい単分子層膜であっても、効率的に励起でき
る。ここで、３次元グレーティングの特殊な場合とし
て、２次元又は１次元グレーティングも含まれる。この
ようなグレーティングは、光導波路に形成してよいが、
光触媒層に形成してもよい。また、このグレーティング
は上述した実施の形態にも同様に採用可能である。

【００７０】具体的には、ポリメチルメタクリレートか
らなる光導波路５２上に２次元の平面グレーティング５
５を作成したものであり、合成石英基板５１上にポリメ
チルメタクリレートの光導波路５２を作成し、この表面
にグレーティング５５をプレスする。その上にポリイミ
ドのバッファ層５４をコートし、表面を平滑化し、さら
に、その上に厚さ１００ｎｍ以下の酸化物光触媒５３を
固定化担持する。屈折率は、合成石英基板５１が１．４
５、ポリメチルメタクリレート光導波路５２が１．４
９、ポリイミドバッファ層５４が１．７である。上述の
第４の実施の形態で述べたと同様に、上述した他の実施
の形態で述べた効果に加えて、バッファ層５４の作用に
よって励起光の光触媒への集中効果が良好となる。

【００７１】第６の実施の形態図７は、本発明の第６の実施の形態を示すものである。

【００７２】本実施の形態の光触媒装置６０では、上述
した酸化チタンや酸化鉄、フラーレン等の光触媒を合成
石英基板上の光導波路上にコートした構造の光触媒基板
において、光源６４からの励起光が入射する領域以外の
光導波路、光触媒膜、基板の端面がアルミニウム等の金
属薄膜のミラー６６でコートされていることによって、
外部へ放出されようとする励起光７を反射し、光導波路
中に励起光７を閉じ込める。これによって、上述した実
施の形態で述べた効果に加えて、光触媒を効率的に励起
でき、光吸収が小さい薄膜の光触媒層であっても効率的
に励起できる。ここで、ミラーの代わりに、ミラーと同
等な機能を有するグレーティングを基板の端部分の光触
媒層、又は光触媒と接する基板又は光導波路に形成し
て、導波光を基板の内側に閉じ込めることも可能であ
る。

【００７３】また、光源としての半導体レーザ６４が光
導波路の端面に密着して設置されることにより、例えば
テレビジョン受像機のブラウン管面や自動車のフロント
ガラスの枠に埋め込むことが可能になり、独立して光源
を設置するためのスペースが不必要となって目立たなく
なるため、光触媒装置６０が小型化されてその使用範囲
を拡大することが可能になると共に、美感を損なうこと
も殆どない。このようなミラー６６を設ける構造や光源
密着型の構造は、上述した各実施の形態においても同様
に採用可能である。

【００７４】具体的には、光触媒基板としては、合成石
英基板にポリイミド光導波路をコートし、さらにその上
に酸化チタン光触媒をコートしたものを使用する。励起
光源の半導体レーザ６４は基板の４隅の角部に取り付け
られ、それぞれから光導波路に励起光７が入射する。光
触媒基板の端面は、半導体レーザ６４が取り付けられて
いる部分を除いてアルミニウムのミラー６６がコートさ
れている。

【００７５】第７の実施の形態図８は、本発明の第７の実施の形態を示すものである。

【００７６】本実施の形態の光触媒装置７０は、上述し
た酸化チタンや酸化鉄、フラーレン等の光触媒７３を光
導波路７２上にコートした構造の光触媒基板において、
光導波路７２の導波光のモードを表す光線７が光導波路
との界面へ入射する入射角を大きくすることによって、
光触媒膜７３から基板の外側へのエバネセント波の染み
出しを小さくする。これによって、上述した実施の形態
で述べた効果に加えて、外部の空気や溶液による励起光
の散乱や吸収が小さくなる。界面への入射角を大きくす
るためには、例えば光導波路７２の端面への入射光束７
の開口数（ＮＡ）を小さくする。

【００７７】本実施の形態においては、光触媒７３とし
て酸化チタンを使用し、光導波路７２への入射光束のＮ
Ａを０．１とする。酸化チタンの励起は４００ｎｍ以下
の波長で生じるので、励起光７の波長を４００ｎｍとす
る。このとき、光導波路７２の端面における入射光スポ
ットの径は約５μｍとなる。このため、光導波路７２の
膜厚を５μｍ以上とすることにより、入射光をロスなく
光導波路７２に入射させることができる。このような構
造は、上述した他の実施の形態においても同様に採用可
能である。

【００７８】具体的には、合成石英基板７１上に作成さ
れたポリイミド光導波路７２に酸化チタン光触媒７３が
コートされ、基板端面に光源ユニット７７が直接固定さ
れている。光源ユニット７７は、半導体レーザ７４を光
源としてレンズ７８によりＮＡ＝０．１で光導波路端面
に光束が集光されるようになっている。ここで、膜厚は
ポリイミド光導波路７２が５μｍ、光触媒層７３が０．
１μｍであり、屈折率は合成石英基板７１が１．５、ポ
リイミド光導波路７２が１．７、酸化チタン光触媒層７
３が２．５である。

【００７９】以上に説明した実施の形態は、本発明の技
術的思想に基づいて更に変形可能である。

【００８０】例えば、光触媒層の膜厚や材質、その形成
方法などは様々に変更してよい。光触媒層は、上述した
固定化担持ＴｉＯ₂のように、１層の単分子層からなる
ものに限らず、複数層が積み重なっていてもよい。ま
た、光触媒層は、ＴｉＯ₂膜などで形成する場合、超微
粒子ではなく、スパッタ等によって連続的な薄膜として
成膜したものであってもよい。

【００８１】また、光触媒装置の構造や形状なども、上
述した例に限られるものではなく、矩形や円柱形など、
用途に応じて変形してよい。光源の種類や取付け方法、
配置なども様々であってよく、上述の光ファイバー束又
は光ファイバーシートを介して取付けたり、光導波路端
面に直接固定してもよい。光導波路も、上述したいわゆ
る平面型をはじめ、ストリップ型、埋込み型など様々で
あってよい。

【００８２】

【発明の作用効果】本発明は、上述したように、光導波
路と、前記光導波路上に形成された光触媒層とを有し、
前記光触媒層が１００ｎｍ以下の厚みに形成されている
ので、光源から光導波路に入射した光触媒の励起光は光
導波路内を伝搬すると共に、その伝搬中に光導波路から
漏洩して光触媒層を裏面全体から照射し、更にその照射
光は光触媒層内を十分に透過するため、光触媒層はその
全体において高効率に活性化される。

【００８３】また、光源から出射された光触媒の励起光
は無駄なく光導波路内に入射されると共に、光源と光触
媒層との間に空気や水などの媒質が存在せず、こうした
媒質による光吸収や光散乱のために生じる光量ロスもな
くせるために、光源からの光パワーが極めて有効に利用
される。また、光触媒の励起光が伝搬する光導波路の材
料として、光触媒の励起光の光吸収の小さなものを選択
すれば、この光導波路における光吸収による光量ロスも
低減される。

【００８４】また、光触媒の励起光として太陽光を利用
する場合のように外部環境によって左右されることはな
く、光触媒層における光触媒作用が安定して発揮され
る。

【００８５】また、光触媒の励起光として紫外光を使用
する場合であっても、光源から光導波路を経て光触媒層
に至る過程は光触媒の励起光が装置内に閉じ込められる
構造となっており、光触媒層の表面に付着した塵などに
よる散乱光以外には励起光が外部に漏れることはなくな
るため、たとえテレビジョン受像機のブラウン管面や自
動車のフロントガラスのように、人が見たり、近くに居
る時間が長いものに光触媒装置を用いても、人体に悪影
響を及ぼし、特に皮膚癌の発生原因となるという心配は
なくなる。

【００８６】更に、光導波路上に形成された光触媒層が
１００ｎｍ以下と非常に薄いので、光触媒層内で光によ
る励起で生じた電子と正孔が光触媒層の表面まで移動す
る距離が短くなり、再結合によって消滅する確率が小さ
くなる。従って、光エネルギーのロスが小さく、このた
めパワーの小さい半導体レーザやＬＥＤ（発光ダイオー
ド）などの光源を用いても触媒作用を発揮でき、省エネ
ルギーにもなる。そして、光触媒層の厚さが薄い方が光
散乱の小さい薄膜を作りやすいので、光エネルギーのロ
スが更に小さくなる。

【００８７】これに加えて、光触媒層を厚さ１００ｎｍ
以下と薄膜化することによって、可視光で励起される光
触媒を使用しても、全体として光学的に透明な光触媒コ
ート基板を得ることができる。これまで、紫外光で励起
され、可視光に対しては透明な酸化チタンしか使用でき
なかった自動車のバックミラー等の如く透明性が要求さ
れる用途にも、酸化鉄やフラーレンを使用できるように
なる。

【００８８】また、光触媒としての酸化チタン等の光触
媒層を上記のように薄くすることによって、量子サイズ
効果によって光触媒活性が高くなる。そして、光導波路
上に光触媒をコートした場合、光触媒膜の均一性、表面
の平坦化が十分となるので、光散乱による導波光の減衰
が小さくなり、光エネルギーの損失が小さくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による光触媒装置の
概略斜視図である。

【図２】同、光触媒装置の概略断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態による光触媒装置の
要部の概略断面図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態による光触媒装置の
概略断面図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態による光触媒装置の
概略断面図である。

【図６】本発明の第５の実施の形態による光触媒装置の
概略断面図である。

【図７】本発明の第６の実施の形態による光触媒装置の
概略平面図である。

【図８】本発明の第７の実施の形態による光触媒装置の
概略断面図である。

【図９】従来の光触媒装置の概略断面図である。

【符号の説明】

１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０…光触媒装
置、１、３１、４１、５１、７１…基板、２、２２、３
２、４２、５２、７２…光導波路、３、２３、３３、４
３、５３、７３…光触媒層、４、６４、７４…半導体レ
ーザ、５…光ファイバー束、６…光ファイバーシート、
７…励起光、３４…高屈折率膜、４４、４５、５４…バ
ッファ層、５５…グレーティング、６６…ミラー、７７
…光源ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路と、前記光導波路上に形成され
た光触媒層とを有し、前記光触媒層が１００ｎｍ以下の
厚みに形成されている光触媒装置。
【請求項２】前記光触媒層が光触媒の単分子層からな
っている、請求項１に記載した光触媒装置。
【請求項３】前記触媒層が固定化担持光触媒材料で形
成されている、請求項２に記載した光触媒装置。
【請求項４】光学的に透明な基板上に前記光導波路及
び前記光触媒層がこの順に形成され、全体として光学的
に透明となっている、請求項１に記載した光触媒装置。
【請求項５】前記光触媒層の下層として高屈折率の薄
膜が形成されている、請求項１に記載した光触媒装置。
【請求項６】前記光触媒層又は／及び前記光導波路
に、３次元、２次元又は１次元のグレーティングが形成
されている、請求項１に記載した光触媒装置。
【請求項７】光入射面以外が光反射膜で覆われてい
る、請求項１に記載した光触媒装置。
【請求項８】前記光触媒層の励起光として低パワーの
半導体レーザ又は発光ダイオードの出射光が使用され
る、請求項１に記載した光触媒装置。
【請求項９】前記光触媒層の励起光が、前記光導波路
に対し大きな入射角で入射する、請求項１に記載した光
触媒装置。
【請求項１０】光導波路と、前記光導波路内に光触媒
の励起光を入射させる光源と、前記光導波路上に形成さ
れた光触媒層とを有し、前記光触媒層が１００ｎｍ以下
の厚みに形成されている光触媒装置。
【請求項１１】前記光触媒層が光触媒の単分子層から
なっている、請求項１０に記載した光触媒装置。
【請求項１２】前記触媒層が固定化担持光触媒材料で
形成されている、請求項１１に記載した光触媒装置。
【請求項１３】光学的に透明な基板上に前記光導波路
及び前記光触媒層がこの順に形成され、全体として光学
的に透明となっている、請求項１０に記載した光触媒装
置。
【請求項１４】前記光触媒層の下層として高屈折率の
薄膜が形成されている、請求項１０に記載した光触媒装
置。
【請求項１５】前記光触媒層又は／及び前記光導波路
に、３次元、２次元又は１次元のグレーティングが形成
されている、請求項１０に記載した光触媒装置。
【請求項１６】光入射面以外が光反射膜で覆われてい
る、請求項１０に記載した光触媒装置。
【請求項１７】前記光源が低パワーの半導体レーザ又
は発光ダイオードからなっている、請求項１０に記載し
た光触媒装置。
【請求項１８】前記光触媒層の励起光が、前記光導波
路に対し大きな入射角で入射する、請求項１０に記載し
た光触媒装置。
【請求項１９】前記光源が前記光導波路の端面に密着
して設けられている、請求項１０に記載した光触媒装
置。
【請求項２０】前記光源の出射光が光ファイバー又は
そのシート状集合体を介して前記光導波路に導かれる、
請求項１０に記載した光触媒装置。