JP2007231092A

JP2007231092A - 紫外線および赤外線遮断材料、可視選択透過フィルタ、管球および照明器具

Info

Publication number: JP2007231092A
Application number: JP2006052692A
Authority: JP
Inventors: Akira Kawakatsu; 晃川勝
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】紫外線および赤外線のカット能力に優れ、耐久性が改善されたＺｎＯ系の紫外線および赤外線遮断材料、この材料を使用した可視選択透過フィルタ、管球および照明器具を提供する。
【解決手段】紫外線および赤外線遮断材料１は、一般式：（ＺｎＯ）_ｋＩｎ_２Ｏ_ｋ＋３（ｋは整数）で表される亜鉛複合酸化物微粒子１ａの表面に酸化セリウム（ＣｅＯ２）を主成分とする保護層２が形成されている。この材料１を酸化亜鉛（ＺｎＯ）が主成分である被膜に混合すれば、波長４００ｎｍ以下の紫外線カット率を高くすることが可能となり、紫外線カット率を高めるために不必要に膜厚を大きくする必要が無いので製造コストを抑えることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも所定の紫外線および赤外線をカットし、所定の可視光を透過する紫外線および赤外線遮断材料またはこの材料を使用した可視選択透過フィルタ、管球および照明器具に関する。

家屋もしくはビルディング等の建造物、各種車両もしくは航空機等の輸送機または冷蔵もしくは冷凍ショーケース等の窓に用いられるガラスの表面には、赤外線による温度上昇を軽減し、または紫外線による各種構造物や食品その他の物品等の劣化を防止するために赤外線および紫外線を反射または吸収する機能を有する可視選択透過フィルタとして樹脂製フィルムが貼着されることがある。

こうした機能を有する可視選択透過フィルタとしての一種である紫外線をカットする膜材料としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料が主に使用されている。ＺｎＯ系の紫外線カット膜は、一般的にカット波長が約３８０ｎｍ以下であるが、より長波長側の光をカットするのが望ましいので、例えばビスマス（Ｂｉ）またはインジウム（Ｉｎ）を酸化亜鉛（ＺｎＯ）にドープした材料が提案されている。

一方、熱線である赤外線をカットする膜材料には、例えば錫ドープ酸化インジウム粉末（ＩＴＯ粉末）が使用されているが、同時に３００〜４００ｎｍの紫外線をカットする材料はほとんど知られていない。

紫外線と赤外線の両者をカットする膜材料としては、例えばＺｎＯ：Ａｌや、（ＺｎＯ）_ｋ・Ｉｎ_２Ｏ_３（ｋ＝２〜２０）の六方晶複合酸化物が提案されている（特許文献１）。また、本発明者は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする被膜に（ＺｎＯ）_ｋ・Ｉｎ_２Ｏ_３（ｋ＝奇数）の三方晶複合酸化物を混合した紫外線と赤外線の両者をカットする可視選択透過フィルタを提案している（特許文献２）。
特開２００３−３３６０３４号公報特願２００５−３４７１８３号

しかしながら、特許文献１および２のようなＺｎＯ系の膜材料では、酸化物結晶のバンド構造が影響しているためか、カットされた紫外線の吸収率自体がＴｉＯ_２またはＣｅＯ_２等の紫外線吸収力に優れた金属酸化物よりも低くなる傾向がある。したがって、特許文献１および２のようなＺｎＯ系の膜材料を使用して紫外線カット能力を高めた可視選択透過フィルタを形成する場合には、ＴｉＯ_２またはＣｅＯ_２かならなる材料を使用した被膜よりも例えば２倍近く膜厚を厚くする必要があり、使用材料が多くなって製造コストが高くなるという不都合がある。

また、特許文献１および２のようなＺｎＯ系の膜材料は、紫外線等の吸収によって正孔とホールが発生し、結晶表面の有機物質を酸化および還元反応させるいわゆる光触媒作用を発揮する性質を有する。この膜材料の製膜用に有機バインダーを使用した場合や、膜材料の被着対象である透光性基体が樹脂製である場合には、膜材料の光触媒反応によってバインダーまたは基体が分解されてしまい、可視選択透過フィルタが劣化するという可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、紫外線および赤外線のカット能力に優れ、耐久性が改善されたＺｎＯ系の紫外線および赤外線遮断材料、この材料を使用した可視選択透過フィルタ、管球および照明器具を提供することを目的とする。

本発明の紫外線および赤外線遮断材料は、一般式：（ＺｎＯ）_ｋＩｎ_２Ｏ_ｋ＋３（ｋは整数）で表される亜鉛複合酸化物微粒子の表面に酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を主成分とする保護層が形成されていることを特徴とする。

本発明者は、波長４００ｎｍまでの紫外線カット率が比較的高く、波長４００〜５００ｎｍの光のカット率を制御する可視選択機能に優れており、かつ熱線である赤外線のカット特性も良好な膜材料として、一般式：（ＺｎＯ）_ｋＩｎ_２Ｏ_ｋ＋３（ｋは整数）の結晶構造を有する亜鉛複合酸化物を選定し、この材料の紫外線カット率を高めるとともに、耐久性を向上させることが可能な構造をについて種々研究を重ねた。その結果、上記亜鉛複合酸化物の微粒子表面に酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を主成分とする保護層を形成することが最適であることを見出した。ＣｅＯ_２は波長３５０ｎｍの紫外線の吸収特性に優れており、化学的に安定であり、かつ紫外線の吸収によって光触媒等の活性反応を発揮しないため、紫外線カット率を高めつつ耐久性も向上させるための保護層の材料としては最適である。

本発明の紫外線および赤外線遮断材料の他の形態は、紫外線および赤外線遮断材料の保護層が、前記亜鉛複合酸化物微粒子に対して３０〜７０質量％の範囲内で前記亜鉛複合酸化物微粒子の表面に形成されていることを特徴とする。

保護層の被覆量が３０質量％未満であると紫外線の吸収率の向上および耐久性の改善効果が十分に得られず、７０質量％を超えると亜鉛複合酸化物微粒子の可視選択機能が損なわれるので好ましくない。

本発明の紫外線および赤外線遮断材料の他の形態は、前記亜鉛複合酸化物微粒子の粒径が０．０３〜０．２μｍであることを特徴とする。

亜鉛複合酸化物微粒子の粒径が０．０３μｍ未満であると、亜鉛複合酸化物微粒子の可視選択機能が十分に発揮されず、０．２μｍを超えるとフィルタ用に被膜形成したときの可視光透過特性が低下するため好ましくない。

本発明の可視選択透過フィルタは、透光性基材表面に形成されている酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする被膜に上記紫外線および赤外線遮断材料が混合されていることを特徴とする。

この場合の上記紫外線および赤外線遮断材料の混合比率は、可視光線の透過率を損なわないようするため、被膜全体の質量に対して５〜３０質量％の範囲、好ましくは１５〜２５質量％の範囲とするのがよい。

基材は可視光を透過する光学特性を備えたものであり、材質としてはガラス、樹脂などが挙げられる。

可視選択透過フィルタは、所定の赤外線および紫外線カット機能を備えていれば、その構成は特に制約されないが、カットする波長以外の光を良好に透過させるため、その膜厚は０．０５〜１．０μｍの範囲内とするのが好ましい。また、可視選択透過フィルタは短波長吸収端側の透過率５０％波長が４００〜４３０ｎｍとなるように構成されているのが好ましい。この「短波長側の透過率」は、フィルタが形成される基体の透過率を考慮しないフィルタ被膜だけの透過率であって、可視光線の短波長側の領域である波長４００〜６５０ｎｍの範囲内の所定の波長が短波長側に近づくに従って透過率が減少するように変化しているときの透過率を意味する。

本発明の可視選択透過フィルタの他の形態は、フッ素またはアンチモンがドープされた酸化錫微粒子がさらに混合されていることを特徴とする。

フッ素がドープされた酸化錫（ＦＴＯ）微粒子またはアンチモンがドープされた酸化錫（ＡＴＯ）微粒子は、可視光線を透過し、赤外線をカットする特性を有するので、可視選択透過フィルタの透過波長を制御するために有効な添加材料である。

この場合のＦＴＯ微粒子またはＡＴＯ微粒子の混合比率は、可視光線の透過率を高く維持し、紫外線または赤外線のカット機能を損なわないようするため、被膜全体の質量に対して５〜３０質量％の範囲、好ましくは１５〜２５質量％の範囲とするのがよい。

本発明の管球は、発光手段を内包する透光性バルブと；上記バルブ表面に形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする被膜に上記紫外線および赤外線遮断材料が混合された可視選択透過フィルタと；を具備していることを特徴とする。

管球とは、白熱電球、ハロゲン電球またはＨＩＤランプや蛍光ランプなどの放電ランプを意味する。発光手段とは、白熱電球およびハロゲン電球の場合にはフィラメントを指し、放電ランプの場合には放電空間（蛍光体層を含む）を指す。

本発明の照明器具は、器具本体と；この器具本体に配設された光源と；この光源を覆うように前記器具本体に配設された透光性カバーと；上記カバー表面に形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする被膜に上記紫外線および赤外線遮断材料が混合された可視選択透過フィルタと；を具備していることを特徴とする。

照明器具は、天井直付け器具、ダウンライトや透光器等を含み、カバーには板状のカバーの他、グローブを含むものである。

本発明の紫外線および赤外線遮断材料は、一般式：（ＺｎＯ）_ｋＩｎ_２Ｏ_ｋ＋３（ｋは整数）の結晶構造を有する亜鉛複合酸化物微粒の表面に酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を主成分とする保護層を形成して構成されているので、波長４００ｎｍ以下の紫外線カット率を高くすることが可能となり、紫外線カット率を高めるために不必要に膜厚を大きくする必要が無いので製造コストを抑えることが可能である。また、また酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を主成分とする保護層は化学的安定性に優れているので膜材料の耐久性を向上させることができる。例えば製膜用に有機バインダーを使用した場合や、膜材料の被着対象である透光性基体が樹脂製である場合であっても、膜材料の光触媒反応が保護層によって抑制されるので、バインダーまたは基体が光触媒反応によって分解されず、この膜材料によって形成された可視選択透過フィルタが劣化しにくくなる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示し、図１（ａ）は紫外線および赤外線遮断材料の概略断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の材料を使用して形成された可視選択透過フィルタの概略断面図である。

紫外線および赤外線遮断材料である膜材料１は、亜鉛複合酸化物（一般式：（ＺｎＯ）_ｋＩｎ_２Ｏ_ｋ＋３（ｋは整数））微粒子１ａを主体とするものであり、この微粒子１ａは図１に示すように略球形状であって平均粒径が１０〜２００ｎｍ、例えば約７０ｎｍである。微粒子１ａの表面には、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を主成分とする保護層２が亜鉛複合酸化物微粒子１に対して３０〜７０質量％の範囲内で形成されている。なお、被覆層２は、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化ビスマスまたは酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）等の副成分を１０質量％以下含有していてもよい。

次に、膜材料１の製造方法について説明する。まず、粒径約１μｍの酸化亜鉛（ＺｎＯ）微粉末に粒径約５０ｎｍの酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）微粒子を酸化亜鉛微粉末に対してインジウム（Ｉｎ）換算で１０質量％添加して混合する。そして、この混合物をルツボ内で大気中９００℃以上、例えば１３００℃で５時間加熱して熱処理し、これら混合酸化物を固相反応させる。この熱処理によって得られた亜鉛−インジウムの複合酸化物を所望の粒径に粉砕する。亜鉛複合酸化物微粒子１ａの平均粒径は、３０〜１００ｎｍとするのが好ましい。１００ｎｍを超えるとフィルタ用に被膜形成したときの可視光透過特性が低下するため好ましくない。

粉砕して得られた微粒子は、Ｘ線回析による測定の結果、主成分は（ＺｎＯ）_５Ｉｎ_２Ｏ_８の亜鉛複合酸化物が主成分であった。また、硫酸バリウム等の標準試料と比較した反射特性を測定した結果、上記微粒子は紫外線および赤外線カット機能を有し、かつ短波長側吸の透過率５０％の波長が４００〜４３０ｎｍの範囲内である可視選択機能に優れた膜材料であることを確認した。

この亜鉛複合酸化物微粒子を溶媒に分散した溶液に硝酸セリウム（Ｃｅ(ＮＯ_３)_３）を所望量添加し、加水分解させてこの微粒子の表面に酸化セリウム（ＣｅＯ_２）の保護層２を形成する。保護層２の被覆量は、亜鉛複合酸化物微粒子１ａの質量に対して３０〜７０質量％の範囲内が好ましい。保護層２の被覆量が３０質量％未満であると紫外線カット機能が十分改善されず、また耐久性も向上しない。保護層２の被覆量が７０質量％を超えると、亜鉛複合酸化物微粒子１ａの可視選択機能が損なわれるので好ましくない。

可視選択透過フィルタＦは、図１（ｂ）に示されるように透明基体Ｍの表面に酸化亜鉛（ＺｎＯ）溶液に膜材料１を分散させて塗布、乾燥させ、必要に応じて焼成処理を行なって形成する。このとき、膜材料１は塗布溶液である酢酸亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂）などの亜鉛化合物溶液に被膜全体の質量に対して２０質量％となるように混合され、結晶化した酸化亜鉛層３中に分散されて固定されている。なお、可視選択透過フィルタＦのフィルタ被膜の膜厚は０．０５〜１．０μｍの範囲内である。

本実施形態の膜材料１によれば、酸化亜鉛を主体とする層３に混合される膜材料１の微粒子１ａが一般式：ＺｎＯ_ｋＩｎ_２Ｏ_ｋ＋３（ｋは整数）で表される亜鉛複合酸化物微粒子１ａであり、この微粒子１ａの外表面に紫外線吸収率が高い酸化セリウム（ＣｅＯ_２）が積層形成されているので、波長３５０ｎｍ付近の紫外線吸収特性が向上し、紫外線カット特性が向上する。したがって、この膜材料１を使用した酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする被膜を有する可視選択透過フィルタを形成する場合には、膜厚を大きくしなくても十分な紫外線カット特性が発揮され、例えば膜厚を０．０５〜１．０μｍの範囲内にすることができ、可視光透過特性を損なわずに低コストのフィルタを構成することができる。

また、保護層２を構成する酸化セリウムは化学的安定性に優れているので膜材料１の耐久性が向上するとともに、可視選択透過フィルタの形成に有機バインダーを使用した場合や、膜材料１の被着対象である透光性基体が樹脂製である場合であっても、膜材料１の光触媒反応が保護層２によって抑制される。このため、バインダーまたは基体が光触媒反応によって分解されず、この膜材料１によって形成された可視選択透過フィルタが劣化しにくくなる。

なお、上記酸化亜鉛を主体とする層３は、酢酸亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂）などの亜鉛化合物溶液によって製膜されているが、酸化亜鉛微粒子を有機または無機のバインダー成分を含む溶媒に分散させた溶液を塗布して製膜されたものであってもよい。

また、上記酸化亜鉛を主体とする層３にフッ素がドープされた酸化錫（ＦＴＯ）微粒子またはアンチモンがドープされた酸化錫（ＡＴＯ）微粒子を膜材料１と同量またはそれ以下となるように混合してもよい。ＦＴＯ微粒子またはＡＴＯ微粒子は、可視光線を透過し、赤外線をカットする特性を有するので、可視選択透過フィルタの透過波長を制御するために添加すると光学特性が容易に調整できる。この場合のＦＴＯ微粒子またはＡＴＯ微粒子の混合比率は、可視選択透過フィルタの可視光線の透過率を高く維持し、紫外線または赤外線のカット機能を損なわないようするため、被膜全体の質量に対して５〜３０質量％の範囲、好ましくは１５〜２５質量％の範囲とするのがよい。

図２は、本発明の第２の実施形態である管球を示す概略正面図である。Ｌ２は管球としてのＨＩＤランプであり、このＨＩＤランプＬ２には発光管４０を保護する外管バルブ１１が設けられている。外管バルブ１１には発光管４０と導通する給電手段としてのＥ形口金３が取付けられている。

この外管バルブ１１の外表面には、第１の実施形態の膜材料１が分散して混合された亜鉛化合物溶液を塗布、乾燥させて製膜された可視選択透過フィルタＦが形成されている。この可視選択透過フィルタＦにより、ＨＩＤランプＬ２の発光管４０から放射される光のうち紫外線および波長４００〜４３０ｎｍの光が吸収され、効果的にカットされる。

なお、可視選択透過フィルタＦが形成されるのは、ＨＩＤランプＬ２以外に蛍光ランプのバルブ内面またはバルブ外面であってもよい。蛍光ランプのバルブ内面に形成する場合には、蛍光体膜が形成される前のガラスバルブ内面に可視選択透過フィルタＦを上記方法で形成し、その後蛍光体膜を形成すればよい。

（ａ）は本発明の実施形態である紫外線および赤外線遮断材料の概略断面図、（ｂ）は、の材料を使用して形成された可視選択透過フィルタの概略断面図。本発明の第２の実施形態である管球を示す概略正面図。

符号の説明

１…紫外線および赤外線遮断材料（膜材料）、１ａ…亜鉛複合酸化物微粒子、２…保護層、３・・・酸化亜鉛被膜、Ｆ・・・可視選択透過フィルタ、Ｌ２…管球としてのＨＩＤランプ。

Claims

一般式：（ＺｎＯ）_ｋＩｎ_２Ｏ_ｋ＋３（ｋは整数）で表される亜鉛複合酸化物微粒子の表面に酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を主成分とする保護層が形成されていることを特徴とする紫外線および赤外線遮断材料。
前記保護層は、前記亜鉛複合酸化物微粒子に対して３０〜７０質量％の範囲内で前記亜鉛複合酸化物微粒子の表面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の紫外線および赤外線遮断材料。
前記亜鉛複合酸化物微粒子の粒径が０．０３〜０．２μｍであることを特徴とする請求項１または２記載の紫外線および赤外線遮断材料。
透光性基材表面に形成されている酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする被膜に請求項１ないし３いずれか一記載の紫外線および赤外線遮断材料が混合されていることを特徴とする可視選択透過フィルタ。
フッ素またはアンチモンがドープされた酸化錫微粒子が混合されていることを特徴とする請求項４記載の可視選択透過フィルタ。
発光手段を内包する透光性バルブと；
上記バルブ表面に形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする被膜に請求項１ないし３いずれか一記載の紫外線および赤外線遮断材料が混合されている可視選択透過フィルタと；
を具備していることを特徴とする管球。
器具本体と；
この器具本体に配設された光源と；
この光源を覆うように前記器具本体に配設された透光性カバーと；
上記カバー表面に形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする被膜に請求項１ないし３いずれか一記載の紫外線および赤外線遮断材料が混合されている可視選択透過フィルタと；
を具備していることを特徴とする照明器具。