JP3791167B2

JP3791167B2 - 光触媒体、ランプおよび照明器具

Info

Publication number: JP3791167B2
Application number: JP35965197A
Authority: JP
Inventors: 晃川勝
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2017-12-26
Also published as: JPH11188268A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光触媒体、これを用いたランプおよび照明器具に関する。
【従来の技術】
消臭、防汚およびまたは抗菌を行うために、光触媒膜を用いること知られている。
【０００２】
光触媒膜は、紫外線照射を受けて、その光エネルギーを吸収すると、光触媒膜を構成して光触媒作用を呈する半導体が電離して電子とホールが生成する。電子とホールは、膜表面にある酸素や水と反応して活性酸素を生じ、有機物からなる汚れや臭いの成分を酸化還元する。
【０００３】
光触媒作用のある物質のうち、現在最も有望視されているのは酸化チタンである。酸化チタンは、光触媒作用が顕著であるとともに、工業的に合理的な価格で、しかも必要量を入手できる物質であるからである。
【０００４】
酸化チタンには、ルチル形とアナターゼ形の結晶構造があり、アナターゼ形の方が光触媒作用に優れている。
【０００５】
近時、光触媒膜の有用性に注目して、建材、照明器具およびランプなど幅広い物品に光触媒膜を形成しようとする動きが活発である。
【０００６】
光触媒膜の製造方法には種々あり、その一つとして基体にチタンアルコキシドを含む塗布液を塗布し、４００〜５００℃の温度で焼成して光触媒膜を形成する方法がある。この製造方法により得られた光触媒膜は、膜強度に優れるために耐久性がある。
【０００７】
ところが、ソーダライムガラスなどのガラスを基体として、上記製造方法により光触媒膜を形成すると、ガラスの屈折率に比べて酸化チタンを主体とする光触媒膜の屈折率が大きいために、両者の屈折率差によって生じる光干渉作用によって、可視光透過率が低下するという問題がある。
【０００８】
出願人は、これらの問題を解決するために、先に光触媒膜中にシリカなどの金属酸化物を添加して光触媒膜の屈折率を小さくして基体のガラスとほぼ同等にすることを特願平９−１４０３７２号出願において提案した。
【発明が解決しようとする課題】
上記した出願においては、金属酸化物の添加により光触媒膜の屈折率を低下させることにより、光透過率の低下を防止するとともに、干渉色が生じないようにすることができたが、これに伴い光触媒作用もいくらか低下するという問題のあることが分かった。
【０００９】
一方、チタンアルコキシドなどの有機チタン化合物を含む塗布液に基体をディップして、塗布液を基体に被着させるいわゆるディップ法により光触媒膜を形成する場合に、チタンアルコキシドおよび高沸点有機化合物は、引き上げ時に空気中の水分と加水分解するが、空気中の水分は基体側には到達しにくく、基体側の部分では加水分解が不十分で、焼成時の昇温過程で完全に蒸発しないで、熱分解して炭化水素などの中間物を経て飛散する。このため、光触媒膜中に炭素などの不純物が多くなって光触媒膜が還元気味となり、光触媒膜の酸化チタンが部分的に光触媒作用の劣るルチル形結晶になりやすい、要するに得られた光触媒膜の光触媒作用が低下しやすいという問題のあることが分かった。
【００１０】
本発明は、光触媒膜の光触媒作用が大きいとともに、光透過率が良好で、干渉色が生じにくい光触媒体、これを用いたランプおよび照明器具を提供することを主な目的とする。
【課題を達成するための手段】
請求項１の発明の光触媒体は、基体と；酸化チタンを主成分とする光触媒物質に酸化チタンよりも屈折率が小さい金属酸化物が添加されて基体に被着され、基体側の金属酸化物の含有量が表面側のそれより多くなるように膜厚方向における酸化チタンおよび金属酸化物の含有量が変化して形成されている光触媒膜と；を具備していることを特徴としている。
【００１１】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【００１２】
光触媒物質は、酸化チタンを主成分とするが、その他の物質を添加してもよい。その他の光触媒物質としては、以下のものがある。ＷＯ₃、ＬａＲｈＰ₃、ＦｅＴｉＯ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＣｄＦｅ₂Ｏ₄、ＳｒＴｉＯ₃、ＣｄＳｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＲｕＯ₂、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＭｏＳ₃、ＬａＲｈＯ₃、ＣｄＦｅＯ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＭｏＳ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＣｄＯ、ＳｎＯ₂などである。これらの物質を１種または複数種を混合して用いることができる。
【００１３】
なお、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃、ＳｒＴｉＯ₂、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＣｄＳ、ＭｏＳ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＭｏＳ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＣｄＯなどは等価電子帯のレドックス・ポテンシャルの絶対値が伝導帯のレドックス・ポテンシャルの絶対値よりも大きいため、酸化力の方が還元力よりも大きく、有機化合物の分解による消臭作用、防汚作用または抗菌作用に優れている。
【００１４】
また、原料コストの面においては、ＴｉＯ₂、Ｆｅ₂Ｏ₃およびＺｎＯが優れている。
【００１５】
次に、基体は、光触媒膜を担持するもので、元来光触媒と異なる他の機能のために形成されるものであることを許容する。すなわち、基体は機能材であることを許容する。
【００１６】
機能材としては、たとえばタイル、窓ガラス、天井パネルなどの建築材や、厨房用および衛生用の器材、家電機器、照明用器材、消臭用または集塵用フィルターなどさまざまな任意所望の部材を基体とすることができる。
【００１７】
基体の材料としては、金属、ガラス、セラミックス（磁器を含む。）、陶器、石材、合成樹脂および木材などであることを許容する。
【００１８】
前述したように、酸化チタンを主体とする光触媒膜を、チタンアルコキシドを含む塗布液を基体に塗布し焼成して焼結により形成することができるが、このように焼成工程を経る製造方法によるときには、基体は焼成温度に耐える物質である必要がある。
【００１９】
さて、本発明においては、光触媒膜中に酸化チタンよりも屈折率が小さい金属酸化物を添加していて、さらに基体側の光触媒膜中の金属酸化物の含有量が表面側のそれより多いという構成を備えていることを要件とするものであるが、この構成を実現する方法はいろいろある。
【００２０】
また、光触媒膜が１層で形成される場合であっても、当該層中の上記金属酸化物の含有量の膜厚方向の分布を上記のように変化させて本発明の光触媒体を構成することができる。この場合の好適な製造方法としては、以下に説明する方法がある。
【００２１】
すなわち、チタンアルコキシドを含む塗布液に添加しようとする金属の化合物を添加して、塗布し、焼成して空気中の水分により塗布液中のチタン化合物および金属化合物を加水分解させて酸化チタンおよび酸化チタンよりも屈折率が小さい金属酸化物を生成する方法を用いる。そして、膜厚方向に上記金属酸化物の含有量を変化させるには、当該金属化合物の分解性をチタン化合物の分解性より速くするとともに、ゲル状態のチタン加水分解物および金属加水分解物の溶剤への溶解性を少なくする。なお、金属酸化物の添加量は、添加形態と溶剤などによって多少変化するが、光触媒膜中の酸化チタンに対して１０〜５０重量％が適当である。添加量が１０重量％未満であると、ナトリウムの浸出防止作用が十分でないし、５０重量％を超えると、可視光透過率が低下する。
【００２２】
また、酸化チタンは、チタンアルコキシドに代えて溶剤に対する分散性の良好な酸化チタン超微粒子を用いて、これを直接溶剤中に分散させて塗布液を得ることもできる。
【００２３】
そうして、本発明の光触媒体は、光触媒膜の表面側の前記金属酸化物、たとえばシリカの含有量が少ないので、光触媒物質による光触媒作用が金属酸化物、たとえばシリカによって低減してしまうことがなく、したがって所望の光触媒作用を得ることができる。これに対して、基体側はシリカの含有量が相対的に多いので、基体がナトリウムを含有するガラスのように屈折率が相対的に小さいものであったとしても、基体側の光触媒膜の屈折率を基体であるガラスの屈折率に近付けることができるので、基体と光触媒膜との界面における反射が低減し、光透過率の減少が少なくなるし、干渉色も少なくなる。これとともに、界面側の金属酸化物、たとえばシリカが多いことにより、ナトリウムの浸出を抑制するから、酸化チタンの結晶構造が侵されるようなことがない。
【００２４】
請求項２の発明の光触媒体は、請求項１記載の光触媒体において、金属酸化物は、シリコンＳｉおよびアルミニウムＡｌの少なくとも一種の酸化物であることを特徴としている。
【００２５】
本発明は、光触媒膜中に添加する金属酸化物の金属を具体的に規定している。要すれば、シリコンおよびアルミニウムの酸化物の両方を添加することができる。
【００２６】
請求項３の発明のランプは、発光部をガラスバルブが包囲していて波長４００ｎｍ以下を含む発光を行うランプ本体と；ガラスバルブを基体としてその少なくとも外面に被着された請求項１または２記載の光触媒体と；を具備していることを特徴としている。
【００２７】
本発明のランプは、発光原理は問わない。たとえば、白熱電球、放電ランプなどであることを許容する。
【００２８】
白熱電球の場合、色温度が高いハロゲン電球の方が一般照明用電球より、波長４００ｎｍ以下の発光割合が高い。
【００２９】
放電ランプの場合、低圧放電ランプおよび高圧放電ランプのいずれでもよい。
【００３０】
低圧放電ランプとしては、たとえば蛍光ランプがある。蛍光ランプに用いる蛍光体を選択して４００ｎｍ以下の発光を適当に増加させることができる。このような蛍光ランプは、比較的可視光の低下が少なくて、しかも光触媒体の活性化作用が一般照明用の蛍光ランプに比較して良好なので、光触媒体活性化用のランプとして好適である。しかし、本発明は一般照明用として従来から多用されている３波長形発光の蛍光体やカルシウムハロリン酸塩蛍光体を用いた蛍光ランプであることを許容するものである。
【００３１】
また、主として４００ｎｍ以下の発光を利用する目的の殺菌ランプやブラックライト、ケミカルランプなどをも許容する。
【００３２】
一方、高圧放電ランプとしては、たとえば水銀ランプ、メタルハライドランプおよび高圧ナトリウムランプなどであるを許容する。
【００３３】
なお、ガラスバルブは、放電媒体を包囲している態様であってもよいし、発光部を内包している発光管をさらに包囲する外管であってもよい。
【００３４】
本発明においては、ランプのガラスバルブを基体として光触媒膜を形成しているので、たとえランプが発生する４００ｎｍ以下の発光量が少なくても光触媒膜を十分に活性化することができる。
【００３５】
請求項４の発明の照明器具は、制光手段を備えた照明器具本体と；照明器具本体の制光手段の少なくとも一部を基体として形成された請求項１または２記載の光触媒体と；を具備していることを特徴としている。
【００３６】
本発明において、照明器具は、屋外用および屋内用のいずれでもよい。
【００３７】
制光手段は、反射体、グローブ、セード、透光性カバーおよびルーバなどの一部または任意の組み合わせであることを許容する。
【００３８】
制光手段は、使用によりばい煙やたばこの脂などの有機物からなる汚れがそこに付着すると、照明器具としての光学性能が低下するが、光触媒膜を形成しておくことにより、汚れが分解されるので、光学性能の低下を抑制することができる。
【００３９】
また、制光手段に接触した空気中の臭い物質を分解することにより、室内の脱臭を行うこともできる。
【００４０】
さらに、照明器具をたとえば冷蔵庫、エアコンディショナー、空気清浄装置などに収納できる大きさおよび構造にして、これらの機器に配設することにより、脱臭または殺菌手段とすることもできる。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４１】
図１は、
図において、１は基体、２は光触媒膜である。
【００４２】
基体１は、石英ガラスから構成されている。
【００４３】
光触媒膜２は、酸化チタンを主成分とする光触媒物質に、金属酸化物としてシリカが添加されて構成されている。
【００４４】
次に、光触媒膜の製造方法について説明する。
【００４５】
チタンアルコキシドおよびアセチルアセトンなどのキレート剤の反応液と、ポリシロキサンなどのシリコン化合物をエタノールなどの有機溶剤で希釈した液体とを重量比で９：１〜５：５の割合に混合して塗布液を調整する。ただし、塗布液は、シリコン化合物の加水分解速度がチタンアルコキシドの加水分解速度より早いとともに、シリコン化合物のゲル状態における溶剤への溶解性が低いという条件を満足するものとする。
【００４６】
次に、塗布液中に基体をディップしてから引き上げる。引き上げ後基体を４００〜６００℃の温度で焼成する。
【００４７】
以上の工程の結果、基体の表面に得られる光触媒膜は、基体側の領域がシリカの含有量が多くなり、表面側の領域がシリカの含有量が少なくなる。
【００４８】
図２は、本発明の光触媒体の第１の実施形態における膜厚方向の屈折率の変化を概念的に示すグラフである。
【００４９】
図において、横軸は屈折率を、縦軸は膜厚を、それぞれ示す。そして、膜厚がｔ₀の位置は基体との界面を、ｔ₁の位置は光触媒膜の表面を、それぞれ示す。また、屈折率ｎ₁は界面位置の光触媒膜の屈折率を、ｎ₂は表面の屈折率を、それぞれ示し、屈折率ｎ₂はｎ₁より大きい。
【００５０】
この図２は、上記製造方法により得られた光触媒膜の屈折率の膜厚方向における変化を概念的に説明するもので、屈折率は連続的に変化している。
【００５１】
図３は、本発明の光触媒体の第１の実施形態における光触媒膜の分光透過率特性を従来例のそれとともに示すグラフである。
【００５２】
図において、横軸は波長（ｎｍ）を、縦軸は透過率（％）を、それぞれ示す。
【００５３】
曲線Ａは、本実施形態による光触媒膜の分光透過率特性を示す。曲線Ｂは、従来例の同様の特性を示す。
【００５４】
両曲線Ａ、Ｂを比較して明かなように、本実施形態によれば、可視光および紫外域において透過率が向上している。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５６】
本実施形態において、光触媒膜は、チタンアルコキシドを含む塗布液を石英ガラスからなる基体に塗布し、焼成して形成した光触媒膜中にアルミニウムＡｌ、スズＳｎおよびタンタルＴａのグループから選択した金属の酸化物を添加して構成されている。そして、光触媒膜を形成するには、チタンアルコキシドをアセチルアセトンおよびエタノールの混合溶剤中に重量比で３〜１０％溶解し、さらに金属化合物としてスズイソプロキシドを重量比で２％添加して塗布液を調整する。
【００５７】
次に、基体に塗布液を塗布し、５００〜６００℃前後の温度で焼成して、膜厚約１５０ｎｍの光触媒膜を形成する。
【００５８】
得られた光触媒体の波長５５０ｎｍにおける屈折率を測定した結果、約１．９５であった。なお、従来の光触媒膜は約２．２である。
【００５９】
次に、得られた光触媒体のインク分解性を測定した結果を図４に示す。
【００６０】
図４は、本発明の光触媒体の第２の実施形態におけるインクの分解性についての測定結果を従来例のそれとともに示すグラフである。
【００６１】
図において、横軸は経過時間（分）を、縦軸は分解性を、それぞれ示す。
【００６２】
曲線Ｃは、本実施形態の分解特性を示す。曲線Ｄは、従来例の分解特性を示す。なお、従来例は、金属酸化物を含まない以外は本実施形態と同一条件により製造した。
【００６３】
両曲線ＣおよびＤの比較により明かなように、本実施形態によれば、光触媒作用が極めて優れていることが分かる。
【００６４】
図５は、本発明の光触媒体の第２の実施形態における光触媒膜の分光透過率特性を従来例のそれとともに示すグラフである。
【００６５】
図において、横軸は波長（ｎｍ）を、縦軸は透過率（％）を、それぞれ示す。
【００６６】
曲線Ｅは、本実施形態による光触媒膜の分光透過率特性を示す。曲線Ｆは、従来例の同様の特性を示す。
【００６７】
両曲線Ｅ、Ｆを比較して明かなように、本実施形態によれば、主として紫外域および短波長可視光域において透過率が向上している。
【００６８】
図６は、本発明の光触媒体の第３の実施形態を示す概念的要部拡大断面図である。
【００６９】
図において、１は基体、２は光触媒膜、３は下地層である。
【００７０】
基体１および光触媒膜２については第１の実施形態と類似の仕様である。
【００７１】
下地層３は、シリカを主成分として、シリカに対してＯＨを含有してなる。下地層３を以下の方法で製造した。
【００７２】
すなわち、シリコンエトキシドをエタノールに３重量％溶解した溶液に水を添加して塗布液を得る。基体に塗布液を約２００ｎｍ塗布し、その後スズの酸化物に代えてタンタルの酸化物を２重量％添加した第２の実施形態のと類似の塗布液をさらに塗布し、５００〜６００℃前後で焼成して、約１５０ｎｍの膜厚を備えた光触媒膜を形成した。
【００７３】
また、比較例として下地層の塗布液を塗布後約１０００℃で焼成してから同じ光触媒膜の塗布液を塗布し、同一条件で焼成して得た光触媒体を製作した。
【００７４】
図７は、本発明の光触媒体の第３の実施形態におけるインク分解性を比較例のそれとともに示すグラフである。
【００７５】
図において、横軸は経過時間（分）を、縦軸は分解性を、それぞれ示す。
【００７６】
曲線Ｇは、本実施形態の分解性を示す。曲線Ｈは比較例の分解性を示す。
【００７７】
両曲線を比較して明かなように、本実施形態によれば、優れた光触媒性を示す。
【００７８】
図８は、本発明のランプの一実施形態における蛍光ランプを示す要部断面正面図である。
【００７９】
図において、１１はガラスバルブ、１２は光触媒膜、１３は蛍光体層、１４はフィラメント電極、１５は口金である。
【００８０】
ガラスバルブ１１は、光触媒膜１２に対して基体として機能するとともに、内部に蛍光ランプとしての機能部分を気密に収納する。すなわち、ガラスバルブ１１の内部に放電媒体としての水銀およびアルゴンを主体とする希ガスを数ｔｏｒｒ封入し、内面に蛍光体層１３を支持し、さらに両端に一対のフィラメント電極１４を封装している。
【００８１】
口金１５は、アルミニウム製のキャップ状の口金本体１５ａおよび口金本体１５ａに絶縁して取り付けられた一対の口金ピン１５ｂから構成され、ガラスバルブ１１の両端部に接着されている。フィラメント電極１４の両端はそれぞれ口金ピン１５ｂに接続されている。
【００８２】
そうして、本実施形態の蛍光ランプを用いて照明すると、光触媒膜１２の光触媒作用により、蛍光ランプの表面に付着した有機の汚れ物質が分解され、接触した空気中の臭い物質が分解されて周囲の消臭が行われる。
【００８３】
図９は、本発明の照明器具の一実施形態におけるトンネル用照明器具を示す斜視図である。
【００８４】
図において、２１は照明器具本体、２２は前面枠、２３は透光性ガラスカバー、２４はランプソケット、２５は高圧放電ランプ、２６は反射板である。
【００８５】
照明器具本体２１は、ステンレス板を前面に開口部を備えた箱状に成形してなり、背面に取付金具２１ａを備えている。
【００８６】
前面枠２２は、ステンレス板を成形してなり、中央に投光開口２２ａ、一側にヒンジ２２ｂ、他側にラッチ（図示しない。）を備えている。そして、ヒンジ２ａにより、照明器具本体２１の前面側の一側部に開閉自在に枢着され、ラッチにより閉止位置に固定されるように構成されている。
【００８７】
透光性ガラスカバー２３は、前面枠２２にシリコーンゴム製のパッキング２ａを介して防水的に装着されている。この透光性ガラスカバー２３は、可視光を透過するとともに、波長４００ｎｍ以下の紫外領域の少なくとも一部に比較的高い透過率特性を有している。また、透光性ガラスカバー２３の前面に図１に示す光触媒膜が形成されている。
【００８８】
ランプソケット２４は、照明器具本体２１内に配設されている。
【００８９】
高圧放電ランプ２５は、３４０〜４００ｎｍの波長範囲内において、可視光の光束１０００ｌｍ当たり０．０５Ｗ以上の強度の紫外線を放射する。
【００９０】
反射板２６は、照明器具本体２１内に配設されて、上記高圧放電ランプ２５から放射された光が反射板２６で反射されて所要の配光特性を示すように構成され、かつ配置されている。
【００９１】
照明器具本体２１の反射板２６の背面側には、安定器、端子台などが配設されている。
【００９２】
そうして、本実施形態の照明器具は、取付金具２１ａを介してトンネル内に設置されて使用に供され、トンネル内を照明する。
【００９３】
また、照明と同時に高圧放電ランプ２５から放射される主として３４０〜４００ｎｍの波長範囲内の紫外線も可視光と一緒に透光性ガラスカバー２３を通過して光触媒膜に入射するから、光触媒膜は紫外線により活性化され、付着するばい煙などの有機物の汚れを分解してセルフクリーニングを行う。
【発明の効果】
請求項１および２の発明によれば、酸化チタンを主成分とする光触媒物質に酸化チタンより屈折率が小さい金属酸化物が添加されているとともに、基体側の当該金属酸化物の含有量が表面側のそれより多くなっていることにより、光透過率が良好で干渉色が生じにくいとともに光触媒作用に優れた光触媒体を提供することができる。
【００９４】
請求項２の発明によれば、加えて光触媒膜に添加する金属酸化物を規定した光触媒体を提供することができる。
【００９５】
請求項３の発明によれば、請求項１または２の効果を有するランプを提供することができる。
【００９６】
請求項４の発明によれば、請求項１または２の効果を有する照明器具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光触媒体の第１の実施形態を示す概念的要部拡大断面図
【図２】本発明の光触媒体の第１の実施形態における膜厚方向の屈折率の変化を概念的に示すグラフ
【図３】本発明の光触媒体の第１の実施形態における光触媒膜の分光透過率特性を従来のそれととともに示すグラフ
【図４】本発明の光触媒体の第２の実施形態におけるインクの分解性についての測定結果を従来例のそれとともに示すグラフ
【図５】本発明の光触媒体の第２の実施形態における光触媒膜の分光透過率特性を従来例のそれととともに示すグラフ
【図６】本発明の光触媒体の第３の実施形態を示す概念的要部拡大断面図
【図７】本発明の光触媒体の第３の実施形態におけるインク分解性を比較例のそれととともに示すグラフ
【図８】本発明のランプの一実施形態における蛍光ランプを示す要部断面正面図
【図９】本発明の照明器具の一実施形態におけるトンネル用照明器具を示す斜視図
【符号の説明】
１１…ガラスバルブ
１２…光触媒膜
１３…蛍光体層
１４…フィラメント電極
１５…口金
１５ａ…口金本体
１５ｂ…口金ピン

Claims

基体と；
酸化チタンを主成分とする光触媒物質に酸化チタンよりも屈折率が小さい金属酸化物が添加されて基体に被着され、基体側の金属酸化物の含有量が表面側のそれより多くなるように膜厚方向における酸化チタンおよび金属酸化物の含有量が変化して形成されている光触媒膜と；
を具備していることを特徴とする光触媒体。
金属酸化物は、シリコンＳｉおよびアルミニウムＡｌの少なくとも一種の酸化物であることを特徴とする請求項１記載の光触媒体。
発光部をガラスバルブが包囲していて波長４００ｎｍ以下を含む発光を行うランプ本体と；
ガラスバルブを基体としてその少なくとも外面に被着された請求項１または２記載の光触媒体と；
を具備していることを特徴とするランプ。
制光手段を備えた照明器具本体と；
照明器具本体の制光手段の少なくとも一部を基体として形成された請求項１または２記載の光触媒体と；
を具備していることを特徴とする照明器具。