JP5217023B2 - 光触媒多層金属化合物薄膜及びその作成方法 - Google Patents

光触媒多層金属化合物薄膜及びその作成方法 Download PDF

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Description

本発明は、光触媒金属化合物薄膜に関し、特に高速且つ低温条件で成膜し形成される結晶構造を有する光触媒多層金属化合物薄膜及びその作成方法に関する。
酸化チタン膜は、光触媒機能を有しており、抗菌、防臭、防汚、親水性などの優れた機能を発揮するものであり、とくに親水性薄膜は自動車用のサイドミラーや道路に設置されるミラー、ビルの外壁建材などに広く利用されている。
この酸化チタンを光触媒材料として適用する場合、通常は何らかの基材の表面に薄膜状に固定化して使用する必要から、あらゆる基材の表面に強力に密着するスパッタリング技術が採用されている。従来のスパッタリング技術ではチタン金属ターゲットを用いて、アルゴンガスと酸素ガスを導入して、酸化チタン薄膜を形成させる反応性スパッタリングが主に採用されていたが、この成膜方法では成膜速度が１０ｎｍ／ｍｉｎ程度と低速であり、しかも光触媒機能を発現するためには基材に対して前処理、後処理等の加熱処理を必要とするものであった。また、低温で光触媒機能を発現する酸化チタン薄膜を形成させることも可能であるが、極めて低速であり、工業的に使用できるものではなかった。
そこで、真空容器内の成膜プロセス領域内で、基体に少なくとも１種類の金属からなるターゲットをスパッタして基体の表面に前記金属からなる膜原料物質を付着させるスパッタ工程と、前記真空容器内で前記成膜プロセス領域とは離間した位置に形成された反応プロセス領域内に前記基体を搬送する基体搬送工程と、前記反応プロセス領域内にすくなくとも１種類の反応性ガスを導入した状態で該反応性ガスのプラズマを発生させて前記反応性ガスと前記膜原料物質とを反応させ、前記反応性ガスと前記膜原料物質の化合物又は不完全化合物を生成させる親水性薄膜の製造技術が提案されている（特許文献１参照。）。
特開２００７−３１４８３５号公報 望月翔平、境 哲也、石原太樹、佐藤紀幸、小林幸治、前田剛志、星 陽一、「酸素イオンアシスト反応性蒸着法により作製したＴｉＯ２膜の膜厚依存性」第６９回応用物理学会学術講演会、３ａ−Ｊ−８（２００８年９月）
しかしながら、上記特許文献に記載の親水性薄膜の製造技術では、少なくとも基体の表面に親水性薄膜を形成する前、若しくは後に反応性ガスのプラズマによるプラズマ処理を行なう必要があり、基体がプラズマエネルギーによって長時間加熱され、低温（１００℃以下）での光触媒膜の形成ができないという問題があった。また、親水性薄膜の厚みは少なくとも２４０ｎｍ以上必要とするものであり、高価となるものであった。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、基体の表面に対して行なうプラズマ処理などの前処理や、親水性薄膜を形成後の後処理、さらには加熱処理を行なわず、低温（１００℃以下）、且つ高速、そして安価に高い光触媒特性を有する光触媒多層金属化合物薄膜及びその作成方法を提供するものである。
基体の表面にスパッタ法によって金属化合物の極薄膜を堆積し、さらに希ガスと反応性ガスの活性種を照射する工程を繰り返して基体の表面に形成された非晶質金属化合物薄膜からなるシード層と、該シード層上にスパッタ法によって金属及び金属不完全反応物からなる極薄膜を堆積し、さらにシード層とは異なる条件で希ガスと反応性ガスの活性種を照射する工程を繰り返し、前記シード層上に柱状に成長して形成された結晶質金属化合物薄膜と、からなることを第１の特徴とする。
また、前記基体の表面に形成された非晶質金属化合物薄膜からなるシード層と、該シード層との界面から最表面まで柱状に成長して形成された結晶質金属化合物薄膜の合計膜厚は少なくとも１００ｎｍ以上であることを第２の特徴とする。
そして、前記基体と前記シード層の間に、酸化シリコン薄膜をさらに設けたことを第３の特徴とする。
さらに、光触媒多層金属化合物薄膜の作成方法は、基体の表面にスパッタ法によって金属化合物の極薄膜を堆積し、さらに希ガスと反応性ガスの活性種を照射する工程を繰り返して非晶質金属化合物薄膜からなるシード層を形成し、該シード層上にスパッタ法によって金属及び金属不完全反応物からなる極薄膜を堆積し、さらにシード層とは異なる条件で希ガスと反応性ガスの活性種を照射する工程を繰り返し、前記シード層上に結晶質金属化合物薄膜を柱状に成長させて形成することを第４の特徴とする。
しかも、前記非晶質金属化合物薄膜及び結晶質金属化合物薄膜は酸化チタンで形成されることを第５の特徴とする。尚、前記基体としては、ガラス基材やセラミック基材、プラスチック基材が有効に使用される。
本発明に係る光触媒多層金属化合物薄膜及びその作成方法によれば、基体を反応性ガスによるプラズマ処理や加熱処理を行うことがないため、低温による高い光触媒特性を有する光触媒薄膜が形成できるという優れた効果を有する。
また前記基体の表面に形成された非晶質金属化合物薄膜シード層と、該シード層上に形成された結晶質金属化合物薄膜の合計膜厚は１００ｎｍ以上であり、従来の光触媒薄膜と比較し半分以下の膜厚で、親水性、油分解性を短時間に達成可能であり、しかも高速で成膜することができることから、安価であるという優れた効果を有する。
本発明の光触媒多層金属化合物薄膜を形成する装置を示す説明図である。 本発明の光触媒多層金属化合物薄膜の実施形態を示す断面説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る光触媒多層金属化合物薄膜の作成工程を示すフロー図である。 本発明の第二の実施形態に係る光触媒多層金属化合物薄膜の作成工程を示すフロー図である。 本実施例のＴｉＯ２薄膜を示す写真である。 比較例１のＴｉＯ２薄膜を示す写真である。 本発明に係る光触媒多層金属化合物薄膜の結晶構造の違いを示す写真である。 本発明に係る光触媒多層金属化合物薄膜の光触媒特性を示すグラフである。 本発明に係る光触媒多層金属化合物薄膜の光触媒特性を示すグラフである。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に示す実施例に基づいて説明するが、本実施例に限定されないことは言うまでもない。図１は本発明の光触媒多層金属化合物薄膜を形成する装置を上方から見た説明図、図２は本発明の光触媒多層金属化合物薄膜の実施形態を示す断面説明図、図３は本発明の第一の実施形態に係る光触媒多層金属化合物薄膜の作成工程を示すフロー図、図４は本発明の第二の実施形態に係る光触媒多層金属化合物薄膜の作成工程を示すフロー図である。
本実施例においては、スパッタ装置として２種の金属ターゲットを用いたマグネトロンスパッタ装置を使用した例によって説明するが、他の装置であってもかまわない。また、光触媒多層金属化合物薄膜に使用する金属として金属チタンを使用した。
図１は、本発明の光触媒多層金属化合物薄膜を形成するスパッタ装置１を示している。図において、真空容器２の中央には、回転ドラム３が回転可能に設けられ、この回転ドラム３の周囲には後述する基体が複数取り付けられている。また、回転ドラム３の周囲には２組のスパッタ手段４a、４bと、活性種発生装置５とが配置され、夫々仕切り壁６ａ、６ｂ、６ｃによって所定の間隔を隔てた状態で隔離されている。
スパッタ手段４ａ、４ｂと対向する回転ドラム３との間が成膜プロセス領域７ａ、７ｂを構成し、活性種発生装置５と回転ドラム３との間が反応プロセス領域８を構成しており、各領域にはスパッタガス供給手段９ａ、９ｂと反応性ガス供給手段１０が設けられている。
回転ドラム３の外周面には、複数のガラスやプラスチック等からなる基体が取り付けられモータ(図示せず）によって回転し、上記成膜プロセス領域７ａ、７ｂと反応プロセス領域８の間を繰り返し移動し、成膜プロセス領域７ａ、７ｂにおけるスパッタ処理と、反応プロセス領域８における反応処理とが繰り返し行なわれ、基体の表面に薄膜が形成される。
また、上記スパッタガス供給手段９ａ、９ｂ及び反応性ガス供給手段１０には、それぞれスパッタ用ガスのＡｒガスボンベ１１ａ、１１ｂと、反応性ガスの酸素ガスボンベ１２とＡｒガスボンベ１３とが設けられ、ガス流量調節器１４によって供給量が調節される。
上記の構成からなる本実施形態のスパッタ装置１は、成膜プロセス領域７ａ、７ｂと、反応プロセス領域８が同じ真空容器２内で離間した位置にありながら、ガス流量調節器１４によるガス供給量調節によって、ガス流通が可能に形成されている点に特徴を有しており、とくに反応プロセス領域８に供給される酸素ガスとＡｒガスの供給量を成膜プロセス領域７ａ、７ｂに供給されるＡｒガス供給量より多く設定することで、仕切り壁６ａ、６ｂ、６ｃを介して酸素ガスの供給を可能とし、反応スパッタを伴なうスパッタを行なうことが可能となる。
次に、図２乃至図４に基づいて本発明の光触媒多層金属化合物薄膜の形成方法について説明する。
図２ａは、本発明の光触媒多層金属化合物薄膜の形成方法によって２層の酸化チタン薄膜２１，２２からなる光触媒薄膜をガラス基材２０上に形成した実施形態を示し、図２ｂは、ガラス基材２０と２層の光触媒薄膜２１、２２との間に酸化シリコン薄膜２３を形成した実施形態を示している。尚、酸化チタン薄膜２１は非晶質酸化チタン薄膜であり、酸化チタン薄膜２２は結晶質酸化チタン薄膜であり、合計膜厚は１００ｎｍ以上である。以下、図３、図４に従って上記各実施形態の工程を説明する。
（第一の実施形態）
まず、真空容器２内の回転ドラム３にガラス基材２０をセットして、真空ポンプ（図示せず）によって真空容器２内を高真空状態にする（ステップＳ１）。
次に、成膜プロセス領域７ａ、７ｂにスパッタガス供給手段９ａ、９ｂからＡｒガスを導入し、反応プロセス領域８には反応性ガス供給手段１０からＡｒガスと酸素ガスを導入した状態で、成膜プロセス領域７ａ内のスパッタ電極には交流電源１５から電力を供給し、活性種発生装置５には高周波電源１６から交流電圧を印加して、回転ドラム３を反時計回りに回転させる。この際、成膜プロセス領域７ａ、７ｂに導入されるＡｒガスの流量は何れも反応プロセス領域８に導入されるＡｒガス及び酸素ガスの流量より少なく設定され、反応プロセス領域８から成膜プロセス領域７ａ、７ｂへの酸素ガスの移動が可能となる。尚、この設定はいずれもガス流量調節器１４によって調節される。
この工程において、成膜プロセス領域７ａではターゲット１７aとして金属チタンが取付けられており、回転ドラム３にセットされたガラス基材２０は成膜プロセス領域７ａ内においてその表面に、金属チタン化合物からなる極薄膜が形成される（ステップＳ２）。
そして、回転ドラム３にセットされたガラス基材２０は反応プロセス領域８に移動すると、活性種発生装置５と酸素ガス及びＡｒガスによって、上記金属チタン化合物からなる極薄膜が非晶質酸化チタン薄膜２２に形成される（ステップＳ３）。
上記ステップＳ２、及びＳ３は回転ドラム３の回転によって繰り返し行なわれ、所望の厚さの非晶質酸化チタン薄膜が形成される。尚、非晶質酸化チタン薄膜の膜厚は少なくとも５ｎｍ以上であればよい。
次に、成膜プロセス領域７ａ、７ｂに導入されるＡｒガスの流量と、反応プロセス領域８に導入されるＡｒガス及び酸素ガスの流量をガス流量調節器１４によって調節し、反応プロセス領域８から成膜プロセス領域７ａ、７ｂへ酸素ガスの移動が阻害される状態とされ、成膜プロセス領域７ａ内のスパッタ電極には交流電源１５から電力を供給し、活性種発生装置５には高周波電源１６から交流電圧を印加する。
この工程において、回転ドラム３にセットされたガラス基材２０は成膜プロセス領域７ａ内において、その表面の非晶質金属チタン化合物薄膜上に、金属チタン及び金属チタン不完全反応物からなる極薄膜が形成される（ステップＳ４）。
そして、回転ドラム３にセットされたガラス基材２０が反応プロセス領域８に移動すると、活性種発生装置５によって酸素ガス及びＡｒガスが供給されると共に、上記金属チタン及び金属チタン不完全反応物からなる極薄膜が結晶質酸化チタン薄膜に形成される（ステップＳ５）。
上記ステップＳ４、及びＳ５は回転ドラム３の回転によって繰り返し行なわれ、所望の厚さの薄膜が形成され、本発明の光触媒多層金属化合物薄膜である光触媒酸化チタン薄膜が形成される。
（第二の実施形態）
次に、図４を参照して第二の実施形態を説明する。尚、図においてステップＳ４１〜Ｓ７１は上述したステップＳ２〜Ｓ５と同等であり省略する。
まず、第一の実施形態と同様に、真空容器２内の回転ドラム３にガラス基材２０をセットして、真空ポンプ（図示せず）によって真空容器２内を高真空状態にする（ステップＳ１１）。
次に、成膜プロセス領域７ａ、７ｂにスパッタガス供給手段９ａ、９ｂからＡｒガスを導入し、反応プロセス領域８には反応性ガス供給手段１０から酸素ガスを導入した状態で、成膜プロセス領域７ａ内のスパッタ電極には交流電源１５から電力を供給し、活性種発生装置５には高周波電源１６から交流電圧を印加して、回転ドラム３を回転させる。この際、成膜プロセス領域７ａ、７ｂに導入されるＡｒガスの流量は何れも反応プロセス領域８に導入される酸素ガスの流量より多く設定され、反応プロセス領域８から成膜プロセス領域７ａ、７ｂへの酸素ガスの移動が不可となる。
この工程において、成膜プロセス領域７ｂではターゲット１７ｂとしてＳｉが取付けられており、回転ドラム３にセットされたガラス基材２０は成膜プロセス領域７ｂ内においてその表面に、Ｓｉ薄膜が形成される（ステップＳ２１）。
そして、回転ドラム３にセットされたガラス基材２０が反応プロセス領域８に移動すると、活性種発生装置５によって酸素ガスが供給されると共に、上記Ｓｉ薄膜がＳｉＯ２薄膜に形成される（ステップＳ３１）。
上記ステップＳ２１、及びＳ３１が回転ドラム３の回転によって繰り返し行なわれ、所望の厚さ（例えば１００ｎｍ）のＳｉＯ２薄膜が形成される。さらに、ステップＳ４１〜Ｓ７１によってＳｉＯ２薄膜上に所望の光触媒酸化チタン薄膜が形成され、本発明の多層金属化合物薄膜である光触媒酸化チタン薄膜が形成される。尚、この光触媒酸化チタン薄膜の上にさらに親水性を有し、暗所維持効果を持つ保護膜としてＳｉＯ２薄膜を形成してもよいことは無論である。
次に、本発明の光触媒多層金属化合物薄膜の作成方法によって、実際に光触媒多層金属化合物薄膜を形成した実施例について説明する。尚、本実施例は上記の第二の実施形態に対応するものである。
図１に示すスパッタ装置を用いて、ガラス基材２０の表面に酸化シリコン及び酸化チタンからなる多層金属化合物薄膜を形成した。作業工程は図４によって行なった。尚、それぞれの工程における各種条件は以下のとおりである。
（ＳｉＯ２成膜条件）
ターゲット側への印加電力：６．５ＫＷ
活性種発生装置５への印加電力：３．５ＫＷ
スパッタ装置内の全圧力：０．３４Ｐａ
回転ドラム３の回転数：１００ｒｐｍ
成膜時間：２４９．７秒間
（シード層ＴｉＯ２成膜条件）
ターゲット側への印加電力：３．８ＫＷ
活性種発生装置５への印加電力：３．０ＫＷ
スパッタ装置内の全圧力：０．７４Ｐａ
回転ドラム３の回転数：１００ｒｐｍ
成膜時間：３７０．３秒間
（光触媒層ＴｉＯ２成膜条件）
ターゲット側への印加電力：３．０ＫＷ
活性種発生装置５への印加電力：３．０ＫＷ
スパッタ装置内の全圧力：０．５７Ｐａ
回転ドラム３の回転数：１００ｒｐｍ
成膜時間：４０６．２秒間
（比較例１）
図１に示すスパッタ装置を用いて、ガラス基材２０の表面に、酸化シリコン及び酸化チタンからなる金属化合物薄膜を形成した。作業工程は上記実施例の内シード層ＴｉＯ２成膜を除いて行ない、金属化合物薄膜の膜厚は実施例と同等とした。
（比較例２）
図１に示すスパッタ装置を用いて、ガラス基材２０の表面に酸化チタンからなる金属化合物薄膜を形成した。作業工程は、上記特許文献１に示す従来法によって行ない、酸化チタン薄膜の上にはＳｉＯ２薄膜を形成した。その結果金属化合物薄膜の膜厚は２４０ｎｍとなった。尚、この酸化チタン薄膜の光触媒活性化のためにプラズマ処理を行なった。
（酸化チタン膜の比較）
ガラス基材に形成されたＳｉＯ２／ＴｉＯ２層を断面方向から透過電子顕微鏡（ＪＥＭ−４０００ＥＭ日本電子製）にて観察を行った結果を図５及び図６に示す。実施例の層はＳｉＯ２との界面に５〜７ｎｍのアモルファスのＴｉＯ２層が確認され、その直上から最表面まで柱状に結晶化したＴｉＯ２層の２層構造が確認された。また、比較例１の層はＳｉＯ２との界面から２５ｎｍほどまでアモルファス層で、最表面まではアモルファスと微結晶の中に結晶化した領域が部分的に存在することが確認された。尚、実施例の２層のＴｉＯ２薄膜の合計膜厚は１２５ｎｍであった。尚、図５は本実施例のＴｉＯ２薄膜を示し、図６は比較例１のＴｉＯ２薄膜を示す。
（結晶構造の比較）
実施例のＴｉＯ２層及び比較例１のＴｉＯ２層の電子回折像から求めたｄ値と、Ｘ線回折でのｄ値を比較すると、いずれもアナターゼ型の結晶構造が見られることが確認された。また、図７は、断面ＴＥＭによるＴｉＯ２明視野と同じ観察位置での暗視野像を示しており、本実施例と比較例１から明らかなように、シード層を形成させる本発明の光触媒多層金属化合物薄膜は、アモルファスのＴｉＯ２層との界面から柱状的に結晶化したＴｉＯ２薄膜が形成され、比較例１と比較し結晶性に優れることが確認された。尚、図７のＴ０９０３３０ｃは本実施例のＴｉＯ２薄膜を示し、Ｔ０９０５１０ｄは比較例１のＴｉＯ２薄膜を示しており、図中の暗視野１及び２は同じ撮影部位を測定した。
（光触媒特性の比較１）
上記の３種類の光触媒薄膜に対して、油分解評価法によって光触媒特性を比較した。この油分解評価法は、光触媒薄膜を形成した基材に、紫外線（ピーク波長：３５０ｎｍ）を２４ｈ照射し、純水を定量滴下して接触角測定装置によって接触角を測定し、さらに純水が乾燥した基材に油を滴下して前面に塗り伸ばしたのち、紫外線（ピーク波長：３５０ｎｍ）を１０ｈ照射して、純水を滴下してさらに接触角測定装置によって接触角度を測定した。図８に、上記油滴下後の光触媒特性比較結果を示す。
図８に示すように、実施例であるシードＴｉＯ２層を形成した光触媒薄膜は、紫外線照射時間１０時間で接触角が１０°以下となり、比較例１、２と比較して極めて高い光触媒特性を速く示すことが判った。また、比較例１は低温（１００℃以下）での光触媒膜の形成条件にて光触媒特性は示すが、高い光触媒特性は示していないことが判明した。
（光触媒特性の比較２）
本発明の光触媒薄膜に関して、ＴｉＯ２膜厚を４０ｎｍ〜１２０ｎｍまで段階的に変化させた、基材を準備し、上記の油分解評価法によって評価を行なった。その結果を図９に示す。
図９に示すように、紫外線照射１０時間後の接触角を比較したところ、１００ｎｍ以上で優れた光触媒特性を示すことが判った。光触媒特性はＴｉＯ２膜厚依存性が確認でき、一般的に膜厚が厚いほど光触媒特性が向上し、膜厚が薄いと光触媒特性が低下するとされており（非特許文献１参照）、比較例１は膜厚１２５ｎｍで光触媒特性は示すが、１００ｎｍ程度の膜厚で高い光触媒特性を示すことは無いと考えられる。
以上のように本発明の光触媒多層金属化合物薄膜及びその作成方法は、基体を反応性ガスによるプラズマ処理や、加熱法などを行うことがないため、低温による高い光触媒特性を有する光触媒薄膜が形成できる。よって、基体が樹脂材でも成膜が可能となる。しかも、基体の表面に形成された非晶質金属化合物薄膜シード層と、該シード層上に形成された結晶質金属化合物薄膜の合計膜厚は少なくとも１００ｎｍ以上であればよく、従来の光触媒薄膜と比較し半分以下の膜厚で、親水性、油分解性を短時間に達成可能であり、高速且つ安価に成膜を行なうことができる。
１ スパッタ装置
２ 真空容器
３ 回転ドラム
４ａ、４ｂ スパッタ手段
５ 活性種発生装置
６ａ、６ｂ、６ｃ 仕切り壁
７ａ、７ｂ 成膜プロセス領域
８ 反応プロセス領域
９ａ、９ｂ スパッタガス供給手段
１０ 反応性ガス供給手段
１１ａ、１１ｂ Ａｒガスボンベ
１２ 酸素ガスボンベ
１３ Ａｒガスボンベ
１４ ガス流量調節器
１５ 交流電源
１６ 高周波電源
１７ａ、１７ｂ ターゲット
２０ ガラス基材
２１ 酸化チタン薄膜
２２ 酸化チタン薄膜
２３ 酸化シリコン薄膜

Claims (6)

  1. 基体の表面にスパッタ法によって金属化合物の極薄膜を堆積し、さらに希ガスと反応性ガスの活性種を照射する工程を繰り返して基体の表面に形成された非晶質金属化合物薄膜からなるシード層と、該シード層上にスパッタ法によって金属及び金属不完全反応物からなる極薄膜を堆積し、さらにシード層とは異なる条件で希ガスと反応性ガスの活性種を照射する工程を繰り返し、前記シード層上に柱状に成長して形成された結晶質金属化合物薄膜と、からなることを特徴とする光触媒多層金属化合物薄膜。
  2. 前記基体の表面に形成されたシード層と、該シード層上に柱状に成長して形成された金属化合物薄膜の合計膜厚は少なくとも１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の光触媒多層金属化合物薄膜。
  3. 前記基体と前記シード層の間に、酸化シリコン薄膜をさらに設けたことを特徴とする請求項１乃至２に記載の光触媒多層金属化合物薄膜。
  4. 前記非晶質金属化合物薄膜及び結晶質金属化合物薄膜は、酸化チタンで形成されたことを特徴とする請求項１乃至３に記載の光触媒多層金属化合物薄膜。
  5. 光触媒多層金属化合物薄膜の作成方法であって、基体の表面にスパッタ法によって金属化合物の極薄膜を堆積し、さらに希ガスと反応性ガスの活性種を照射する工程を繰り返して非晶質金属化合物薄膜からなるシード層を形成し、該シード層上にスパッタ法によって金属及び金属不完全反応物からなる極薄膜を堆積し、さらにシード層とは異なる条件で希ガスと反応性ガスの活性種を照射する工程を繰り返し、前記シード層上に柱状に成長した結晶質金属化合物薄膜を形成することを特徴とする光触媒多層金属化合物薄膜の作成方法。
  6. 前記非晶質金属化合物薄膜及び結晶質金属化合物薄膜は、酸化チタンであることを特徴とする請求項５に記載の光触媒多層金属化合物薄膜の作成方法。
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