JP3689939B2

JP3689939B2 - 光触媒装置

Info

Publication number: JP3689939B2
Application number: JP19281995A
Authority: JP
Inventors: 修山中; 忠信岩佐; 真人田牧; 和宏酒井; 寿夫山口
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2015-07-28
Also published as: JPH0938503A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二酸化チタンの薄膜からなる光触媒反応による光触媒反応を利用した光触媒装置及に関するもので、具体的には、脱臭、殺菌（抗菌）、防汚、飲料水等の水の浄化等に応用可能な光触媒装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、二酸化チタンＴｉＯ₂に代表される光半導体の微粒子による光触媒作用、特にその強い酸化触媒作用に高い注目が集められている。
即ち、二酸化チタン等の光半導性を有する粒子状物質をそのバンドキャップエネルギ以上の光（二酸化チタンの場合は４００ｎｍ以下の光、即ち、紫外線）で照射すると、価電子帯の電子が光励起されて伝導帯に移り、伝導帯には自由電子が生成すると共に、価電子帯には正の電荷を帯びた粒子（正孔）が生成する。これらの正孔と電子とは半導体粒子内部を運動し、時間の経過と共に再結合して消滅する。しかしその粒子表面に空気または水、或いはそれらの正孔や電子よりもエネルギの低い空順位を有する化合物やイオンが存在すると、その粒子表面を通してそれらの正孔と電子が化合物やイオンに移動し、その結果、正孔は粒子表面に接触する化合物やイオンを直接酸化し、或いは活性酸素の１つである水酸基ラジカルを生成する。
【０００３】
また、電子による還元反応は主に酸素の還元であり、電子が付加された酸化性のある酸素種が生成される。こうして、光半導体微粒子は光が照射されることによって酸化性の活性表面を形成し、有機化合物の分解等に触媒として作用する（「季刊化学総説『光が関わる触媒化学』Ｎｏ．２３，１９９４）。
このような光半導体微粒子による酸化触媒作用は、光半導体の中でも二酸化チタンが特に高い。また、二酸化チタンは安定性や安全性にも優れている。そして、この二酸化チタンの微粉末を薄膜として基体表面に担持して光触媒を形成し、紫外線照射時のその高い酸化力を有機化合物等の分解に利用した種々の応用が既に知られている。
【０００４】
例えば、二酸化チタンの薄膜からなる光触媒をコーティングした中空のガラスビーズは海上に流出した原油の分解剤として知られている。すなわち、ガラスビーズ表面に付着した原油は太陽光中の紫外線によって活性化された二酸化チタンの強い酸化触媒作用によって分解される。
また最近では、室内空気の脱臭または消臭、殺菌（抗菌）、タバコのヤニや油膜等の汚れの分解にもその応用が試みられ、自然光または蛍光灯の光に含まれる紫外線を利用してその光触媒を活性化させ、それの酸触媒反応によって接触するメルカブタン等の臭気化合物、或いはタバコのヤニ等の有機物を分解し、または、細菌等の微生物を死滅させ、またはその繁殖を抑えるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）の薄膜を活性化させる紫外線源として、太陽光や蛍光灯に頼っていた。このため、太陽で照射されていない所では利用できないとか、大きな蛍光灯を必要とした。
本発明はかかる不都合を解消するもので、手軽に利用できかつ効率的に紫外線を二酸化チタン（ＴｉＯ₂）の薄膜に照射できる光触媒装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光触媒装置は、透明ガラスまたは透明樹脂で形成された導光体と、該導光体の表面に形成された光触媒となる二酸化チタンの薄膜と、導光体に近接して設けられ該導光体に波長３６０〜４００ｎｍの紫外線を十分に含む光とともに青い光を放射するｐｎ接合された窒化ガリウム（ＧａＮ）系光半導体の結晶体からなる発光ダイオ−ドと、を具備することを特徴とする。すなわち、本発明の光触媒装置は、光を通す導光体を用い、導光体内部を通る紫外線がその導光体表面に形成された光触媒を直接活性化するとともに青い光が導光体を青く発光させる。また、紫外線源として発光ダイオ−ドを用いている。これら導光体および発光ダイオ−ドを用いることにより、紫外線を有効に利用できるとともに、コンパクト化でき、手軽な利用を可能としている。
【０００７】
本発明の導光体は、通常光を導くものとして利用されているもので、具体的には、紫外線が通過する透明ガラスまたは透明樹脂で形成されている。導光体の形状は、棒状、繊維状、板状あるいはバルク状とすることができる。なお、導光体は、単に光を透過させるものではなく、光を導くもので、光は表面とほぼ平行に導かれる。例えば、窓ガラスは光がガラス表面を横断する方向に通過する。このため窓ガラスは導光体ではない。しかし側端面に光源を配置し、側端面より光を導入してガラス板の伸びる方向、すなわち、ガラス面とほぼ平行にガラス内を光を通過させる場合、このガラス板は導光体となる。
【０００８】
光触媒となる二酸化チタンの薄膜は、空気あるいは水等の触媒作用を受ける流体と接触する導光体の表面に形成されている。この二酸化チタンの薄膜を形成する二酸化チタンの粒子径は、十分に小さいほど「量子サイズ効果」等によって光触媒作用が高い。そのため、その薄膜は、二酸化チタンのコロイドを基体表面に塗布し焼成する等の方法によって、一般に０．３μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以下の膜厚の透明な薄膜として、またはそのような薄膜を多層化した薄膜として形成するのが好ましい。また、物理的蒸着法（ＰＶＤ）や化学的蒸着法（ＣＶＤ）等の方法によって形成することもできる。
【０００９】
本発明の発光ダイオ−ドは、紫外線を放出できるもので、具体的にはｐｎ接合された窒化ガリウム（ＧａＮ）系光半導体の結晶体で構成することができる。このｐｎ接合された窒化ガリウム（ＧａＮ）系光半導体の結晶体は、波長３６０〜４００ｎｍの光（電磁波）、即ち、紫外線とともに青い光を放射する。
本発明の光触媒装置は、導光体に近接して発光ダイオ−ドが設けられている。導光体の端面に発光ダイオ−ドを固着してもよい。また、導光体の端部にケースを固定し、このケース内に発光ダイオ−ドを収納してもよい。また、ケース内には発光ダイオ−ドに電流を供給する電池、電池のオンオフスイッチ等を設けてもよい。
【００１０】
本発明の光触媒装置として。下記の実施例に示すように、導光体を棒状のガラスで形成し、この棒状のガラスの一端にこのガラスより太いケースを設け、このケース内に発光ダイオードおよび発光ダイオードに電流を供給する電池を収納したものとすることができる。このものはマドラーとして使用することができる。また、この装置は、空気あるいは水が通過する流体中に配置し、空気または水の脱臭または消臭、殺菌（抗菌）、有機物の分解等に使用できる。
【００１１】
また、導光体を繊維状とし、その一端を基部に固定し、かつ基部中に発光ダイオードを収納し、紫外線を繊維状の導光体に導き、導光体を発光させる光装飾体として使用することができる。この場合には、発光ダイオードは紫外線以外に可視光線を放射するものであることが必要となる。
【００１２】
【作用】
本発明の光触媒装置は、波長３６０〜４００ｎｍの光（紫外線）を主に放射する発光ダイオ−ドを備えるので、太陽光が当たらない場所であっても使用できる。
また、発光ダイオ−ドは非常に小さな発光素子であると共に、作動電圧が小さいため、乾電池等によっても発光させることができる。そのため、発光ダイオ−ドは設置のための空間を多く必要としないので、狭い場所を含むあらゆる場所に容易に適用することができ、また、光触媒を担持した基体と合わせた光触媒装置全体を、コンパクトな構造に形成することができる。
【００１３】
更に、本発明の光触媒装置は、発光ダイオ−ドによって放射された紫外線が導光体を通して導光体の表面に担持された二酸化チタンの薄膜に送られる。このため紫外線が外部に漏れることが少なく、効率的に二酸化チタンの薄膜を照射できる。そのため、消費電力の少ない光触媒装置を形成することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
（第一実施例）
図１は本発明の第一実施例の光触媒装置を示す。この光触媒装置はマドラー（攪拌器）として構成したもので図１は一部を断面で示している。このマドラーは、本発明の導光体を構成する棒状ガラス１とこの棒状ガラス１の一端に固定されたケース２とこのケース２内に棒状ガラス１の一端と対向して配置固定された発光ダイオード３と発光ダイオード３と同軸的にケース２内に収納される電池（図示せず）とからなる。ケース２には発光ダイオード３に送る電流を断続するスイッチ３１が設けられ、棒状ガラス１の外周面には光触媒を形成する二酸化チタンの薄膜４が形成されている。この薄膜はＰＶＤで蒸着したもので、半透明の薄い黄色をしている。
【００１５】
発光ダイオード３はｐｎ接合された窒化ガリウム（ＧａＮ）系光半導体の結晶体からなる光を放射するチップと、このチップを封止すると共に放射された光に指向性を与えるモ−ルドレンズとを主要部として備える小さな発光素子である。この発光ダイオ−ド３は、波長３６０〜４００ｎｍの光（電磁波）、即ち、紫外線とともに強い青い光を放射する。
【００１６】
なお、発光ダイオ−ド３は、波長３６０〜４００ｎｍのスペクトル範囲の光のみ放射するものであることが、発光効率及び電力消費の点で好ましい。しかし、実際には、発光ダイオ−ドの放射する光は、半導体レーザの場合とは異なり、一般に少なくとも５０ｎｍのスペクトル範囲を有するため、波長３６０〜４００ｎｍのみの光を放射する発光ダイオ−ドを得ることは困難である。そのため、ここで使用する発光ダイオ−ド３としては、波長３６０〜４００ｎｍの紫外線を十分に含む光（電磁波）を放射するものであれば、どのような発光ダイオ−ドでも使用することができる。
【００１７】
しかし、この発光ダイオ−ド３としては、好ましくは、人体に有害な紫外線、即ち、３２０ｎｍ以下の波長の遠紫外線（ＵＶ−Ｂ、ＵＶ−Ｃ）を放射しないものが好ましい。そして、このような発光ダイオ−ド３によれば、人体に無害な光触媒装置を形成することができ、日常生活における用途にも安全に使用することができる。
【００１８】
これに対して、可視光である４００ｎｍ以上の波長の光は人体に無害であるため、このような可視光を含む光を放射する発光ダイオ−ドは、何等問題なく使用することができる。また、そのような発光ダイオ−ド３を使用することによって、その発光ダイオ−ド３が作動していることを容易に確認することができ、更に、その可視光が明彩色である場合には照明や表示としての効果を得ることができる。ただし、４００ｎｍ以下の波長の光（紫外線）であっても、３８０ｎｍ程度までの光はぼんやりとした背景（暗い紫色）を呈するため、発光ダイオ−ド３が４００ｎｍ以下の波長の光のみ放射する場合でも、その光は完全なブラック光ではなく、一般に視認可能なものである。
【００１９】
本実施例のマドラーは、ケース２内に電池を収納し、スイッチをオンにすることにより発光ダイオ−ド３が発光し、波長３６０〜４００ｎｍの紫外線とともに強い青い光を照射する。この紫外線は棒状ガラス１の一端の端面より棒状ガラス１に入り、棒状ガラス１内を直進する。そして棒状ガラス１の側面、端面で一部が外部に放出され、一部は屈折されて、反射され、最終的には側面および端面から放出される。この側面および端面から放出される紫外線は二酸化チタンの薄膜４に入り、紫外線により二酸化チタンの薄膜４には酸化性の活性表面が形成される。
【００２０】
なお、棒状ガラス１の側面、端面からは薄く淡い青色の可視光も放出され、暗所ではその光が確認できる。
この活性化された表面をもつマドラーを用いて、水を攪拌することにより、水中の有機物が分解され、水が浄化される。
なお、第一実施例の光触媒装置をマドラーとしたが、同じ構成の光触媒装置を脱臭、殺菌（抗菌）、防汚、飲料水等の空気および水の浄化等に応用可能な光触媒装置として使用することもできる。
（第二実施例）
図２は本発明の第二実施例の光触媒装置を示す。この光触媒装置は光装飾体ととして構成したもので図２は一部を断面で示している。この光装飾体は、多数のガラス繊維１１、基部２１と基部２１内に収納された複数の発光ダイオード３とからなる。基部２１は箱状のケース２２とこのケースの蓋を形成する透明上部２３とからなる。この透明上部２３には全てのガラス繊維１１の一端が埋設固定されている。また、発光ダイオード３の下方には図示しない電池が収納されている。
【００２１】
ガラス繊維１１はその一部断面拡大図を図３に示すように、その表面全体に光触媒を形成する二酸化チタンの薄膜４１が形成されている。この薄膜はＰＶＤで蒸着したもので、半透明の薄い黄色をしている。
発光ダイオード３はｐｎ接合された窒化ガリウム（ＧａＮ）系光半導体の結晶体からなる光を放射するチップと、このチップを封止すると共に放射された光に指向性を与えるモ−ルドレンズとを主要部として備える小さな発光素子である。この発光ダイオ−ド３は、波長３６０〜４００ｎｍの光（電磁波）、即ち、紫外線とともに強い青い光を放射する。
【００２２】
強い青い光は透明上部２３からガラス繊維１１に入り、ガラス繊維１１の中心部を進んで他端に送られる。この途中で一部の光が二酸化チタンの薄膜４１に入り、そこから外部に放出される。このためガラス繊維１１全体が青く光り、装飾機能を奏する。なお、紫外線も青い光と同様に進み、一部の紫外線が二酸化チタンの薄膜４１に入る。このため二酸化チタンの薄膜４１が活性化され、回りの空気中に含まれる煙草の煙の成分等の有機物を分解し、空気を浄化する。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の光触媒装置は、光を通す導光体を用い、導光体内部を通る紫外線がその導光体表面に形成された光触媒を直接活性化する。また、紫外線源として発光ダイオ−ドを用いている。これら導光体および発光ダイオ−ドを用いることにより、紫外線を有効に利用できるとともに、コンパクト化でき、手軽な利用を可能としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第一実施例の光触媒装置でマドラーとして形成したものの一部を断面とした全体図である。
【図２】図２は本発明の第二実施例の光触媒装置で光装飾体として形成したものの一部を断面とした全体図である。
【図３】図３は図２のの第二実施例のガラス繊維の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１：棒状ガラス２：ケース３：発光ダイオード
４：二酸化チタンの薄膜１１：ガラス繊維２１：基部
２２：ケース２３：透明上部２３４１：二酸化チタンの薄膜

Claims

透明ガラスまたは透明樹脂で形成された導光体と、
該導光体の表面に形成された光触媒となる二酸化チタンの薄膜と、
該導光体に近接して設けられ該導光体に波長３６０〜４００ｎｍの紫外線を十分に含む光とともに青い光を放射するｐｎ接合された窒化ガリウム（ＧａＮ）系光半導体の結晶体からなる発光ダイオ−ドと、
を具備することを特徴とする光触媒装置。
前記二酸化チタンの薄膜は、０．３μｍ以下の膜厚の透明な薄膜として、またはその膜厚の薄膜を多層化して形成されている請求項１に記載の光触媒装置。
前記二酸化チタンの薄膜は、０．２μｍ以下の膜厚の透明な薄膜として、またはその膜厚の薄膜を多層化して形成されている請求項１に記載の光触媒装置。
前記導光体は棒状のガラスで形成され、該棒状のガラスの一端に該棒状のガラスより太いケースが設けられ、該ケース内に前記発光ダイオ−ドおよび該発光ダイオ−ドに電流を供給する電池が収納され、マドラーとして使用される請求項１、２および３のいずれかに記載の光触媒装置。
基部を有し前記導光体は繊維状でその一端が該基部に固定されかつ該基部に前記発光ダイオードが収納され、光装飾体として使用される請求項１、２および３のいずれかに記載の光触媒装置。