JP2015016418A - 光触媒光源及び光触媒光源の製造方法、光触媒光源を用いた光触媒機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光触媒効率を改善し、可視光のみでも光触媒効果が得られ、長期の信頼性に優れた光触媒光源を提供する。【解決手段】 本発明の光触媒光源は、可視光を出射するＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを封止する透光性封止体とを備え、透光性封止体の表層側に可視光反応型の光触媒材料が混在していることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、光触媒機能を有する光触媒光源及び光触媒光源の製造方法、光触媒光源を用いた光触媒機器に関する。

光触媒機能とは、光触媒が光を吸収して光子１個に対し１対の電子と正孔が励起され、励起された電子と正孔が表面にある水酸基や酸素を酸化還元により活性化し、活性化により発生した活性酸素種が有機ガス等を酸化分解することである。

光触媒には、紫外光に反応する紫外光反応型光触媒と、可視光に反応する可視光反応型光触媒に分類される。紫外光反応型光触媒は、光触媒材料の中でも材料開発が進んでおり、容易に入手しやすく、従来から光源等と組み合わされて、汚れの分解、消臭・脱臭、抗菌・殺菌等の用途に用いられている。

例えば、図８に示す特許文献１には、光触媒により空気や水を浄化するための光触媒付発光ダイオードが記載されている。

特許文献１の光触媒付発光ダイオード４０は、第１のリードフレーム４１の先端部に形成されたリフレクタ４２の凹部内面に、紫外線光を放射するＬＥＤチップ４３が設置され、ＬＥＤチップ４３底面の一方の電極が、第１のリードフレーム４１に電気的に接続されている。また、ＬＥＤチップ４３上面の他方の電極が、ボンディングワイヤ４５を介して第２のリードフレーム４４の先端部に電気的に接続されている。

さらに、ＬＥＤチップ４３は、先端に凸レンズ部４６を有するエポキシ樹脂等の透光性の外囲器４７によって被覆・封止され、外囲器４７の外表面には、酸化チタン（ＴｉＯ_２）等より成る光触媒を保持した多数の透光性の多孔質吸着材４８が、透光性の接着剤４９を介して固着配置されることにより構成されている。このため、特許文献１の光触媒付発光ダイオード４０は、外囲器４７の外表面に配置される光触媒の表面積を大きく確保することができる。

図９に示す特許文献２には、植物に光を照射して光合成、殺菌、殺虫を行う植物栽培用光源が記載されている。

特許文献２の植物栽培用光源５０は、基台としての絶縁基板５１と、絶縁基板５１上に形成された凹部５２と、凹部５２に搭載された赤色、青色および紫色のＬＥＤ５３と、ＬＥＤ５３と凹部５２内を埋めるように充填された透光性の封止樹脂部５４とを備えている。さらに、封止樹脂部５４を覆うようにして、二酸化チタンのコロイドを塗布、あるいは、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の気相成長法を用いて形成し、光触媒用薄膜５５を構成している。

特許文献２の植物栽培用光源５０は、植物に光を照射することにより、赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤにより光合成が行われ、紫色ＬＥＤと光触媒用薄膜により、殺菌、殺虫、脱臭などを行うことができる。

特許文献１や特許文献２の光源に用いられる紫外光反応型光触媒に対して、可視光反応型光触媒は、二酸化チタンに特殊な処理を施す等して、可視光でも光触媒効果を得られるように開発が進められているものであり、人体への影響が懸念される紫外光を必要としないため、家庭内の照明器具や、病院の医療機器等への適用が期待されている。

特開２００５−２３６１６８号公報 特開２００６−５０９８８号公報

しかしながら、可視光反応型光触媒は、未だ光触媒効率が低いため、上記の特許文献１や特許文献２の光源の構成に可視光反応型光触媒を適用しても、充分な光触媒効果を得ることができないという問題があった。

また、特許文献１の光触媒付発光ダイオードでは、外囲器４７の外表面と光触媒を含む多孔質吸着材４８との間で、接着材４９が劣化して剥離が生じる虞があり、特許文献２の植物栽培用光源のように、接着剤を用いずに、光触媒用薄膜５５を真空プロセスで形成すると製造コストが高くなる課題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、可視光のみでも光触媒効果が得られ、長期の信頼性に優れた光触媒光源を提供することを目的とする。

本発明の光触媒光源は、可視光を出射するＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを封止する透光性封止体とを備え、透光性封止体の表層側に可視光反応型の光触媒材料が混在していることを特徴とする。

また、本発明の光触媒機器は、光触媒光源を備えた光触媒機器であって、光触媒光源において可視光反応型の光触媒材料が混在した透光性封止体の表層側を被処理体に接触または近接させて用いることを特徴とする。

また、本発明の光触媒光源の製造方法は、可視光を出射するＬＥＤチップの上に第１の透光性封止体を塗布する工程と、第１の透光性封止体の上に、可視光反応型の光触媒材料が混在した第２の透光性封止体を塗布する工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明の光触媒光源の製造方法は、金型に透光性封止体と可視光反応型の光触媒材料を導入する工程と、透光性封止体中に光触媒材料を沈降させる工程と、光触媒材料が沈降した透光性封止体の上方に、可視光を出射するＬＥＤチップを配置してモールド成形する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の光触媒光源によれば、可視光のみでも光触媒効果が得られ、長期の信頼性に優れた光触媒光源を提供することができる。

実施例１の光触媒光源の概略構成図である。 実施例２の光触媒光源の概略構成図である。 実施例３の光触媒光源の概略構成図である。 実施例４の光触媒光源の概略構成図である。 実施例４の光触媒光源の変形例である。 本発明の光触媒光源の製造方法を示す図である。 本発明の光触媒光源を用いた光触媒機器の模式図である。 従来技術である特許文献１の光触媒付発光ダイオードである。 従来技術である特許文献２の植物栽培用光源である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。

図１は、本発明に係る光触媒光源の断面図である。本発明の実施形態１の光触媒光源１は、図１に示すように、基板２を有し、該基板２上にＬＥＤチップ３及び電極４が配置され、ＬＥＤチップ３と電極４がワイヤボンド５で電気的に接続されている。また、基板２には、ＬＥＤチップ３を取り囲むようにリング状のパッケージ６が設けられており、パッケージ６で囲まれた領域に透光性封止体７が充填され、透光性封止体７によりＬＥＤチップ３が封止されている。

基板２とパッケージ６は、絶縁性、耐熱性、耐光性に優れ、可視光を反射させる材質、例えば、セラミック等の材料で構成されている。ＬＥＤチップ３は、波長が380nmから750nm程度の可視光を出射するＬＥＤチップである。

透光性封止体７は、基板２側に配置される下部透光性封止体７ａと、下部透光性封止体７ａの上部（発光面側）に配置される上部透光性封止体７ｂから構成されている。透光性封止体７の材料としては、例えば、ＬＥＤチップ３から出射される可視光によって劣化しない、シリコーン樹脂等が用いられている。

光触媒光源１の発光面１０側に配置される上部透光性封止体７ｂには、可視光を照射することにより光触媒機能を生じる可視光反応型の光触媒材料８が混在している。この光触媒材料８の具体例については、後述する。

透光性封止体７の下部透光性封止体７ａと上部透光性封止体７ｂは、界面９の密着性を確保するとともに、ＬＥＤチップ３から出射される可視光の透過性を低下させないために、透光性封止体７が上下で同じ材料により構成されるか、少なくとも同じ屈折率の材料であることが望ましい。

（実施例１）
次に、実施例１として光触媒光源１の製造方法を説明する。まず、光触媒光源１の基材となる白色セラミックの基板２を用意し、基板２上に白色セラミックの材料を用いて内径が４〜８ｍｍのリング状のパッケージ６を形成する。パッケージ６で囲まれた内側に、電極４と、可視光の４６０ｎｍの発光波長を有する青色のＬＥＤチップ３を配置し、ワイヤボンド５によって電気的に接続する。

次に、パッケージ６で囲まれたＬＥＤチップ３上に、ジメチルシリコーン樹脂を単体で６ｍｇポッティング・硬化することにより、下部透光性封止体７ａを形成する。続いて、ジメチルシリコーン樹脂と可視光反応型の光触媒材料８を重量比で１００：１０の比率で混合し、十分に撹拌・脱泡して混合樹脂を作製した。これらの混合樹脂を下部透光性封止体７ａの上に適量ポッティング・硬化して、ジメチルシリコーン樹脂中に可視光反応型の光触媒材料８が混在した上部透光性封止体７ｂを所定の厚さで形成した。

上記により製造した光触媒光源１の光触媒効果を検証するため、メチレンブルー（濃度：０．０５ｍｏｌ／Ｌ）で着色した写真光沢紙に対して、光触媒光源１の光触媒機能によりメチレンブルーを分解して白色化（ホワイトニング）する実験を行った。ここでは、光触媒光源１として、パッケージ６の内径が４ｍｍで、上部透光性封止体７ｂの厚みが、０．３５、０．６ｍｍの２種類で形成されたものと、パッケージ６の内径が８ｍｍで、上部透光性封止体７ｂの厚みが、０．２２、０．７、１．１ｍｍの３種類で形成されたものを用いた。また、光触媒光源１の光量を比較するため、それぞれのパッケージの大きさで上部透光性封止体７ｂを形成していないものをリファレンスとして用いた。

下記に示す表１は、パッケージ６の内径が４ｍｍの光触媒光源１の実験結果であり、表２は、パッケージ６の内径が８ｍｍの光触媒光源１の実験結果である。表１および表２において、光触媒光源１の光量は、上部透光性封止体７ｂを形成していないとき（厚み０ｍｍ）の光量を１００％としている。また、ホワイトニング効果は、光触媒光源１に電力０．３５Ｗを投入し、着色済みの写真光沢紙に接触させた状態で１０分間の光照射を行い、写真光沢紙の白色化を目視により判定した。

表１および表２に示すように、光触媒光源１の上部透光性封止体７ｂが厚くなると、内部に混在する光触媒材料８の量が増加し、上部透光性封止体７ｂを透過する光量が低下するため、発光面１０で一定の光量が維持されるように上部透光性封止体７ｂの厚みを設定する必要がある。パッケージ６の内径が４ｍｍの場合、上部透光性封止体７ｂの厚みを０．３５ｍｍに設定することにより、一定の光量が確保されるとともに光触媒機能によって良好なホワイトニング効果が得られた。また、パッケージ６の内径が８ｍｍの場合、上部透光性封止体７ｂの厚みを０．２２ｍｍに設定することにより、一定の光量が確保されるとともに光触媒機能によって良好なホワイトニング効果が得られた。

また、本発明の光触媒光源１は、従来から行われているように、透光性封止体７に蛍光体を混合して、青色のＬＥＤチップ３と組合せることにより、白色光を出射する光源とすることも可能である。この場合、光触媒材料８を蛍光体と同時に撹拌・脱泡して、成形することが可能であり、新たにプロセスを追加せずに光触媒機能を付加することができるため、光触媒機能を付けることによる生産上のコストアップを回避することが可能になる。

以上、実施例１で説明したとおり、本発明の光触媒光源によれば、透光性封止体の表層側に可視光反応型の光触媒材料が混在していることにより、光触媒効率が改善され、可視光のみでも光触媒効果が得られ、長期の信頼性に優れた光触媒光源を提供することができる。

（実施例２）
図２は、実施例２の光触媒光源１ａの構成を示したものである。実施例２の光触媒光源１ａは、ＬＥＤチップ３がフリップチップ型で構成されており、基板２上に配置された電極４とＬＥＤチップ３の下面に配置された電極が半田接続された構成である。この構成によれば、透光性封止体７の内部にワイヤボンド５を設けなくてもよく、その分だけ発光面１０の光量が低下しないため、光触媒機能を向上させることができる。

（実施例３）
図３は、実施例３の光触媒光源１ｂの構成を示したものである。実施例３の光触媒光源１ｂは、パッケージ６を用いずに、金型を用いて透光性封止体７を成形したものであり、光触媒光源１ｂに平坦な発光面１０を形成することができ、また、材料コストを削減することができる。

（実施例４）
図４は、実施例４の光触媒光源１ｃの構成を示したものである。実施例３の光触媒光源１ｃは、基板２に凹部を形成して反射壁２ａを形成したものである。凹部の底面にＬＥＤチップ３を配置し、凹部に透光性封止体７を埋設することにより、ＬＥＤチップ３から出射される可視光を反射壁２ａによって、効率よく可視光反応型の光触媒材料８に照射することができ、光触媒機能を向上させることができる。なお、図５に示す変形例の光触媒光源１ｄのように、凹部の深さ以上に透光性封止体７を形成し、光触媒光源１ｄの発光面１０を広く形成した構成としてもよい。

（実施例５）
図６は、実施例３で示した金型を用いた光触媒光源１ｂの製造方法を説明する図である。金型を用いて光触媒光源１ｂを製造する場合も、発光面１０で光触媒機能が効率よく生じるように、透光性封止体７の表面側に光触媒材料８が配置された構成が必要である。ここでは、トランスファーモールドや、コンプレッションモールド等の金型を用いた成型時に、光触媒材料８が混合した透光性封止体７を下部の金型２１に充填し、上部の金型２２には、ＬＥＤチップ３を搭載した基板２を設置する。

下部の金型２１にて、光触媒材料８の自重による沈降効果で透光性封止体７中に光触媒材料８の濃度勾配が形成された後、上部の金型２２を押し下げて、ＬＥＤチップ３を搭載した基板２上に光触媒材料８が混合した透光性封止体７を成形することにより、透光性封止体７の表面側に配置される光触媒材料８の混在比を高めることができる。

上記の光触媒光源１ｂの製造方法によれば、光触媒材料８の混在比が高められて光触媒効率が改善され、可視光であっても光触媒効果が得られる光触媒光源を提供することができ、透光性封止体７に下部透光性封止体７ａと上部透光性封止体７ｂの界面９が生成されないため、長期に亘り優れた信頼性を確保することができる。

（実施例６）
上記の実施例１から実施例４で示した光触媒光源１は、脱臭、消臭、除菌、漂白等を目的とする光触媒機器に適用することにより、有害な紫外線光を出射しないため、光触媒光源１を処理対象物に近接もしくは接触させて用いることができ、より効率的に処理対象物の脱臭、消臭、除菌、漂白等を行うことができる。

例えば、有機物系の異物や菌が付着している布地等に対し、本発明の光触媒光源１の透光性封止体７の表面を近接もしくは接触させて光触媒機能を生じさせることにより、有機物系異物が分解され、脱色、脱臭、除菌効果等が得られる。また、歯の表面に光触媒光源１の透光性封止体７の表面を近接もしくは接触させて光触媒機能を生じさせることにより、歯の表面の汚れ成分である有機系異物を分解し、過酸化水素系の薬剤を使用せずに、歯の表面の漂白効果を得ることができる。

図７は、本発明の光触媒光源１を用いた光触媒機器の一例であり、歯の表面の汚れを分解し白色化するためのホワイトニング装置である。本発明の光触媒光源１は、コンパクトで且つ、少ない消費電力で光触媒機能を発揮できるため、例えば、バッテリー電源３０等で駆動可能なポータブルの光触媒機器を構成することができる。なお、本発明の光触媒光源１は、上記以外の光触媒機器にも適用することが可能であり、有機物から構成される物質に対して光触媒機能を生じさせることができる。

本発明の光触媒光源１は、ＬＥＤチップ３を封止する透光性封止体７の表層側に可視光に反応する光触媒材料８を入れることにより、ＬＥＤチップ３から光触媒材料８までの距離が近く、かつ、発光面で光量を低下させないので、光触媒効率が改善され、可視光のみでも少ない消費電力で高い光触媒効果を得ることができる。また、従来と同様の製造プロセスで本発明の光触媒光源１を製造することができるため、光源に光触媒機能を付加することによる生産上のコストアップを回避することができる。また、光触媒機能を付加するための接着剤を用いない構成であるため、長期の信頼性に優れた光触媒光源を提供することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組合せて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 光触媒光源
２ 基板
２ａ 反射壁
３ ＬＥＤチップ
４ 電極
５ ワイヤボンド
６ パッケージ
７ 透光性封止体
７ａ 下部透光性封止体
７ｂ 上部透光性封止体
８ 光触媒材料
９ 界面
１０ 発光面
２１ 下部の金型
２２ 上部の金型
３０ バッテリー電源

Claims (4)

1. 可視光を出射するＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップを封止する透光性封止体とを備え、
   前記透光性封止体の表層側に可視光反応型の光触媒材料が混在していることを特徴とする光触媒光源。
2. 請求項１に記載の光触媒光源を備えた光触媒機器であって、
   前記光触媒光源において可視光反応型の光触媒材料が混在した透光性封止体の表層側を被処理体に接触または近接させて用いることを特徴とする光触媒機器。
3. 可視光を出射するＬＥＤチップの上に第１の透光性封止体を塗布する工程と、
   前記第１の透光性封止体の上に、可視光反応型の光触媒材料が混在した第２の透光性封止体を塗布する工程と
   を含むことを特徴とする光触媒光源の製造方法。
4. 金型に透光性封止体と可視光反応型の光触媒材料を導入する工程と、
   前記透光性封止体中に前記光触媒材料を沈降させる工程と、
   前記光触媒材料が沈降した前記透光性封止体の上方に、可視光を出射するＬＥＤチップを配置してモールド成形する工程と、
   を含むことを特徴とする光触媒光源の製造方法。