JP2005181401A - 光触媒担持用ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバが破断しない程度の曲げ半径においても光触媒層へ十分な光が結合するようにし、同時にそれよりも大きな曲げ半径では光の光触媒層への結合が少なくする
【解決手段】光触媒担持用ファイバ１として、光触媒層２に導かれる光が、光ファイバ１に伝搬するエバネッセント光であるものを用いる。具体的にはコア／クラッド構造を有し、ファイバ外径６０〜３００μｍ、クラッドの厚さ０．５〜１．５μｍ、コア／クラッド間の比屈折率差が０．２〜２．５％である光ファイバが挙げられる。コアが、中心の低屈折率のセンターコアと、このセンターコアの外側の高屈折率のリングコアとから構成されたものでもよい。光触媒担持ファイバは、この光触媒担持用ファイバ１上に光触媒層２を設けたもので、その厚さが０．３〜１．３μｍが好ましい。
【選択図】図１

Description

この発明は、酸化チタンなどからなる光触媒層を有する光触媒担持ファイバに用いられる光触媒担持用ファイバおよびこのファイバを用いた光触媒担持ファイバならびにこの光触媒担持ファイバを用いた光触媒装置に関する。

光触媒の利用形態の一種として、光ファイバ（光ファイバ裸線を言う。以下、本発明において同様とする）上に、酸化チタンなどからなる光触媒層を被覆してなる光触媒担持ファイバがある。
この種の光触媒担持ファイバとして、コア／クラッド構造を有し、コア径を大きくした光ファイバを用い、これに紫外光を入射し、光ファイバに曲げを与えることで、光ファイバから放射される放射光を光触媒層に導いて、光触媒層に光触媒機能を発揮させるようにしたものが、本願出願人から先に特許出願されている（特願２００２−３７７９２１号参照）。
ここでの放射光とは、光ファイバのコアを伝搬するコア伝搬モードおよびクラッドを伝搬するクラッド伝搬モードが、曲げを与えられることで、コアおよびクラッドからファイバ外に放射される光を言う。

そして、この光触媒担持ファイバに高い光触媒機能を発揮させるため、この光触媒担持ファイバに大きな曲げを与えて放射光の光触媒層への放射量を増加させる手法がある。しかし、この手法では、放射光量を増加させるために、曲げ半径を小さくすると、光ファイバ自体が破断する可能性がある。
そこで、光ファイバのコアとクラッドとの屈折率差を小さくし、コアからクラッドへの光の浸みだし量を増加させ、放射光量を増加させる手法が考えられる。 この手法では、大きな曲げ半径を光ファイバに与えた場合でも、光触媒層への放射光量を大きくすることができるが、逆に直線状態に近い微かな曲げ状態においても、放射光が漏洩してしまい、取扱が難しくなる。また、光ファイバの開口数（Ｎ．Ａ．）が小さくなり、光ファイバに光を入射する際の入射効率が大きく低下する問題があった。
特開平９−２２５２６２号公報

よって、本発明における課題は、光ファイバが破断しない程度の曲げ半径においても光触媒層へ十分な光が結合するようにし、同時にそれよりも大きな曲げ半径では光の光触媒層への結合が少なくするようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、光ファイバと、この光ファイバ上に被覆された光触媒層を有し、光ファイバからの光を光触媒層に導くことで光触媒能を発揮させるようにした光触媒担持ファイバに用いられる光ファイバであって、
光触媒層に導かれる光が、光ファイバに伝搬するエバネッセント光であることを特徴とする光触媒担持用ファイバである。
請求項２にかかる発明は、コア／クラッド構造を有し、ファイバ外径６０〜３００μｍ、クラッドの厚さ０．５〜１．５μｍ、コア／クラッド間の比屈折率差が０．２〜２．５％であること特徴とする請求項１に記載の光触媒用担持ファイバである。

請求項３にかかる発明は、コアが、中心の低屈折率のセンターコアと、このセンターコアの外側の高屈折率のリングコアとから構成されたものであることを特徴とする請求項２記載の光触媒担持用ファイバである。
請求項４にかかる発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の光触媒担持用ファイバ上に光触媒層を設けたことを特徴とする光触媒担持ファイバである。

請求項５にかかる発明は、光触媒層の厚さが０．３〜１．３μｍであることを特徴とする請求項４記載の光触媒担持ファイバである。
請求項６にかかる発明は、請求項４または５記載の光触媒担持ファイバを巻き回してなるコイル部を有することを特徴とする光触媒装置である。
請求項７にかかる発明は、コイル部の曲げ半径が３０〜１２０ｍｍであることを特徴とする請求項６記載の光触媒装置である。
本発明でのエバネッセント光とは、光ファイバに導波される光の内、クラッドに浸み出してクラッド内を伝搬する光、すなわちクラッド伝搬モードを言う。

本発明の光触媒担持ファイバでは、光ファイバが破断しない程度の実用的な曲げ半径の曲げを付与した場合には、光触媒層へのエバネッセント光が十分大きなものとなり、その部分では高い光触媒機能を発揮する。また、ほぼ直線状の大きな曲げ半径の曲げを付与した場合には、光触媒層へのエバネッセント光が十分小さいものとなり、この部分では光の損失が小さいものとなる。
このため、本発明の光触媒装置では、そのコイル部のみが高い光触媒能を発揮するものとなる。

図１は、本発明の光触媒担持用ファイバの一例を示すものであるが、光ファイバ１の上に光触媒層２を被覆した光触媒担持ファイバの状態で描いてある。この光ファイバ１は、図１（ａ）に示すように、高屈折率のコア３と、このコア３よりも低屈折率のクラッド４とからなるコア／クラッド構造を有し、石英ガラスからなるものである。
この光ファイバ１の外径は、６０〜３００μｍ、好ましくは８０〜２００μｍとなっており、外径が６０μｍ未満のファイバは実質的に製造困難であり、３００μｍを超えると、後述する使用形態での曲げを与えた際に光ファイバ自体が破断しやすくなる。

また、クラッド４の厚さは、０．５〜１．５μｍ、好ましくは０．８〜１．２μｍとされ、０．５μｍ未満のクラッド４を設けることは製造上困難であり、１．５μｍを超えると、エバネッセント光の光触媒層２への結合量が不十分となる。
さらに、コア３とクラッド４との間の比屈折率差は、０．２〜２．５％、好ましくは０．４〜１．２％とされ、０．２％未満では開口数が小さくなり、コア３への光の入射効率が低下し、２．５％を超える比屈折率差をつけることは実質的に困難であり、エバネッセント光が減少する。
また、この光ファイバ１では、クラッド４の厚さが極めて薄く、このためコア３の径が大きくなって、マルチモードの伝搬が行われるマルチモードファイバとなる。

図１（ａ）は、この例の光ファイバ１の断面を示し、図１（ｂ）は、これの屈折率分布を示し、図１（ｃ）はこの光ファイバに導波される光パワーの電界分布を示すものである。
これらの図から明らかなように、この光ファイバ１では、クラッド４の厚さが、光通信用ファイバに比べて極端に薄いため、光通信用ファイバではクラッド内にとどまって伝搬するエバネッセント光の一部がクラッド４外に漏れ出し、クラッド４上の光触媒層２（正確には光触媒層を伝搬する伝搬モード）に結合する。光触媒層２はこの漏れ出したエバネッセント光によって光触媒機能を発揮する。
また、この光ファイバ１では、これに曲げを与えた場合には、電界分布が変化し、これに伴って、エバネッセント光が増加し、曲げ半径が小さくなるにしたがって、エバネッセント光が増大する傾向があり、結局曲げ半径が小さくなると光触媒層２に結合するエバネッセント光が増加する。

そして、本発明では、ファイバ１の外径を６０〜３００μｍに、クラッド４の厚さを０．５〜１．５μｍに、コア２とクラッド４との間の比屈折率差を０．２〜２．５％とすることで、光ファイバ１の曲げ半径が十分大きな状態、すなわちほぼ直線状態にあるときは、光触媒層２に結合するエバネッセント光が少なく、曲げ半径が十分小さい状態、すなわちコイル状に巻き回した状態では結合光量が大きくなるようになっている。
このため、上述のように、光ファイバ１が破断せず、実用的な曲げ半径の範囲においては、結合光量が十分大きくなり、ほぼ直線状になる曲げ半径では結合光量が十分小さくなる。
これを図２に模式的に示すと、実線で示した曲線になる。

このような構成とすることで、光触媒担持ファイバとしたときに、例えば、図３に示すように、これの一部を巻回してコイル部Ａとし、残部を直線状のリードワイヤ部Ｂとし、コイル部Ａにのみ高い光触媒能を発現せしめ、リードワイヤ部Ｂには光触媒能ができるだけ発現しないように、入射光がロスなくコイル部Ａに伝送されるようにすることができる。このため、必要な部位に必要な光触媒能を発現することができ、極めて自由度の高い設計が可能となる。

また、光ファイバ１の曲げ半径の大きさに応じて、クラッド４の厚さおよび比屈折率差を最適化することで、光触媒層２へのエバネッセント光の結合量をさらに大きくすることができる。
図４は、この曲げ半径に対するクラッド４の厚さと比屈折率差の最適値を図示したものである。図４において、Ｄは曲げ半径を意味し、曲げ半径１５０ｍｍ以上、１２０ｍｍ、６０ｍｍ、３０ｍｍ、２０ｍｍ、１０ｍｍの場合での最適なクラッド４の厚さと比屈折率差との組み合わせを読み取ることができる。
なお、図４のグラフの破線で囲まれた部分が、上述の数値限定の範囲であり、この範囲外では上述の理由により実用性を欠く。
このように、本発明の光触媒担持用ファイバ１では、曲げ半径の小さい部分では、光触媒層２への結合光量が大きくなり、直線に近い部分では、結合光量がほとんどないものとなる。

図５は、本発明の光触媒担持用ファイバの他の例を示すもので、この例でも光ファイバ１上に光触媒層２を設けた状態で描いてある。
この例の光ファイバ１は、コア３が二層構造となっており、中心の低屈折率のセンターコア３ａとこのセンターコア３ａの外側の高屈折率のリングコア３ｂとから構成されている。
この例のファイバ１においても、ファイバ外径は６０〜３００μｍであり、クラッド４の厚さは、０．５〜１．５μｍとなっている、また、センターコア３ａの外径は４０〜２００μｍであり、リングコア３ｂの外径は５７〜２９７μｍとなっている。さらに、センターコア３ａとリングコア３ｂとの間の比屈折率差は０．１〜２．０％とされ、リングコア３ｂとクラッド４との間の比屈折率差は０．２〜２．５％となっており、センターコア３ａとクラッド４との間の比屈折率差は０〜１．０％となっている。

この構造の光ファイバ１にあっても、クラッド４に伝搬するエバネッセント光が光触媒層２に結合し、先の例の光ファイバと同様の作用効果を発揮する。
さらに、この例では、二重コア構造を採用したことにより、ファイバ１に導波される多数のモードの電界分布が図５に示すように低次モード（図５（ｃ））でも、高次モード（図５（ｄ））でも、クラッド４側の裾野の部分での変化がほとんどない。このため、このファイバに導波される多くのモードにおけるクラッド４側の裾野部分での電界強度が低くなることがない。換言すれば、ファイバに伝搬される多くのモードのうちのかなりのモードでは、その裾野部分での電界強度が高いものとなる。そして、このファイバには多数のモードが同時に伝搬されることにより、裾野部分での電界強度の積算値が、図１に示した構造のファイバに比べて高いものとなる。したがって、光触媒層２に結合されるエバネッセント光量は、先の例の光触媒担持用ファイバに比べて高いものとなる。

本発明の光触媒担持ファイバは、図１あるいは図５に示したように、上述の光ファイバ１表面に光触媒層２を形成したものである。この光触媒層２は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステンなどの光触媒機能を有する金属酸化物粉末をバインダーで固着した薄膜やＣＶＤ法により光ファイバ１上に酸化チタン薄膜を成膜したものなどからなるものである。
この光触媒層２の厚さは、０．３〜１．３μｍ、好ましくは０．５〜１．１μｍの範囲とされ、この範囲外では光触媒機能が低下する。

この光触媒層２の厚さは、光触媒層２内に伝搬する光のモード数に影響を与え、クラッド４からのエバネッセント光の結合効率にも影響を与えると同時に光触媒層２の光触媒の活性にも影響を与える。本発明では、種々の検討の結果、上記範囲が、なかでも１μｍ前後とすることで活性が高くなることが判明した。

本発明の光触媒装置は、上述の光触媒担持ファイバを用いたもので、具体的な形態としては、先に挙げた図３に示したコイル部Ａとリードワイヤ部Ｂを有するものがある。そして、コイル部Ａにおける光触媒担持ファイバの曲げ半径が３０〜１２０ｍｍとされ、この光触媒装置の用途等に応じて、この範囲から適切な曲げ半径を選ぶことができる。この形態の装置では、コイル部Ａにおいては高い光触媒機能が発揮され、リードワイヤ部Ｂでは光触媒機能が発現せず、光源からの入射光を損失なくコイル部Ａに送り込むものとなる。
また、他の実施形態としては、コイル部Ａのみを上記光触媒担持ファイバから構成し、リードワイヤ部Ｂには通常の開口数の大きなマルチモードファイバを用い、これらを融着接続したものが挙げられるが、この形態では接続部分での損失が大きくなってあまり好ましいものではない。

以下、具体例を示す。
（例１）
図１に示す構造の光触媒担持用ファイバであって、外径２００μｍ、クラッドの厚さ１．０μｍ、コアとクラッドの比屈折率差が０．６％であるものを作製し、このファイバの表面に酸化チタンからなる厚さ１．０μｍの光触媒層を設けて光触媒担持ファイバＡとした。
この光触媒担持ファイバＡを、種々の曲げ半径で曲げ、その時の光触媒層へのエバネッセント光のファイバ１ｍ当たりの結合量（ｄＢ／ｍ）を求めた。
その結果を図６のグラフに示す。
このグラフから、この例の光触媒担持ファイバでは、曲げ半径を５０〜６０ｍｍとすることで、十分なエバネッセント光が光触媒層に結合し、曲げ半径が１００ｍｍ以上では、光触媒層へエバネッセント光がほとんど結合しないことがわかる。

（例２）
図５に示した構造の光触媒担持用ファイバであって、外径１２５μｍ、クラッドの厚さ１．０μｍ、センターコアの外径８０μｍ、リングコアの外径１２３μｍ、センターコアとクラッドの比屈折率差０．２％、リングコアとクラッドの比屈折率差０．６％、センターコアとリングコアの比屈折率差０．４％であるものを作製し、このファイバの表面に酸化チタンからなる厚さ１．０μｍの光触媒層を設けて光触媒担持ファイバＢとした。
例１での光触媒担持ファイバＡとこの光触媒担持ファイバＢとを、種々の曲げ半径で曲げ、その時の光触媒層へのエバネッセント光の結合量（ｄＢ）と光触媒担持ファイバの長さとの関係を求めた。
その結果を図７に示す。
このグラフから、光触媒担持ファイバＢ（二重コアタイプ）では、光触媒担持ファイバＡ（一重コアタイプ）に比べて結合量が高い傾向にあり、両ファイバともに曲げ半径が小さくなると、短いファイバ長で結合量が飽和し、ほとんどのエバネッセント光が光触媒層に結合することがわかる。

この発明の光触媒装置は、例えば排水の浄化、排ガスの浄化などの用途に使用することができる。

本発明の光触媒担持用ファイバの一例を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は屈折率分布を示し、（ｃ）は電界分布を示す。 光触媒担持用ファイバに曲げを付与した際の曲げ半径とエバネッセント光の光触媒層への結合量との関係を模式的に示したグラフである。 本発明の光触媒装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の光触媒担持用ファイバにおける曲げ半径に対するクラッドの厚さと比屈折率差の最適値を図示したグラフである。 本発明の光触媒担持用ファイバの他の例を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は屈折率分布を示し、（ｃ）は電界分布を示す。 具体例１の結果を示すグラフである。 具体例２の結果を示すグラフである。

符号の説明

１・・・光触媒担持用ファイバ、２・・・光触媒層、３・・・コア、３ａ・・・センターコア、３ｂ・・・リングコア、４・・・クラッド、Ａ・・・コイル部

Claims (7)

1. 光ファイバと、この光ファイバ上に被覆された光触媒層を有し、光ファイバからの光を光触媒層に導くことで光触媒能を発揮させるようにした光触媒担持ファイバに用いられる光ファイバであって、
   光触媒層に導かれる光が、光ファイバに伝搬するエバネッセント光であることを特徴とする光触媒担持用ファイバ。
2. コア／クラッド構造を有し、ファイバ外径６０〜３００μｍ、クラッドの厚さ０．５〜１．５μｍ、コア／クラッド間の比屈折率差が０．２〜２．５％であること特徴とする請求項１に記載の光触媒用担持ファイバ。
3. コアが、中心の低屈折率のセンターコアと、このセンターコアの外側の高屈折率のリングコアとから構成されたものであることを特徴とする請求項２記載の光触媒担持用ファイバ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の光触媒用担持ファイバ上に光触媒層を設けたことを特徴とする光触媒担持ファイバ。
5. 光触媒層の厚さが０．３〜１．３μｍであることを特徴とする請求項４記載の光触媒担持ファイバ。
6. 請求項４または５記載の光触媒担持ファイバを巻き回してなるコイル部を有することを特徴とする光触媒装置。
7. コイル部の曲げ半径が３０〜１２０ｍｍであることを特徴とする請求項６記載の光触媒装置。
   

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