JP2003053195A

JP2003053195A - 面状発光素子を光源とする光触媒装置

Info

Publication number: JP2003053195A
Application number: JP2001280719A
Authority: JP
Inventors: Tasuke Iwashita; 太輔岩下
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-13
Filing date: 2001-08-13
Publication date: 2003-02-25

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の光触媒装置と比較して薄型軽量化され、
また、設置場所の選択が広がるフレキシブルな光触媒装
置を提供する。【解決手段】紫外線または青色光や緑色光などの可視光
にも光触媒機能を有する光触媒を用い、光触媒装置の光
源として青色または緑色などの可視光を発光する有機Ｅ
Ｌ発光素子や無機ＥＬ発光素子または有機ＥＬ素子と似
た素子構造を有し発光層がポリシランなどで近紫外・紫
外波長帯を発する極薄面状発光素子を利用した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は超薄型大面積発光が可
能である電界発光素子ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃ
ｅｎｃｅ（以後ＥＬと略す）、同じく超薄型大面積発光
が可能である発光層がポリシランなど近紫外・紫外波長
帯を発する発光素子（ここでは、紫外線を発するものも
発光素子のひとつとして扱う）を光源として、紫外線ま
たは青色光や緑色光などの可視光によっても光触媒機能
を有する酸化チタンなどを使用した薄型軽量光触媒装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】酸化チタンはＴｉＯ_２で表される物質で
あるが、チタンに対して酸素が不足したｎ型半導体であ
る。酸化チタンのバンドギャップはアナタース形で３．
２ｅＶであり、エネルギー的には約３８０ｎｍの紫外線
に相当する。酸化チタンにバンドギャップ以上のエネル
ギーが与えられた場合、すなわち３８０ｎｍよりも短い
紫外線が照射された場合、酸化チタンの価電子帯にある
電子が伝導帯に励起され、酸化チタン内部に電子と正孔
が生成する。これが酸化チタン表面に拡散し、粒子表面
に存在する水や酸素と反応することで・ＯＨや・ＨＯ_２
を生成し、有機物を酸化分解する。これら酸化チタンの
光触媒反応機構を下式に示す。ＴｉＯ_２＋ｈ_ν→ｈ^＋＋ｅ⁻ ｈ^＋＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ^＋＋・ＯＨ（酸化）ｅ⁻＋Ｏ_２＋Ｈ^＋→・ＨＯ_２（酸化）酸化チタン光触媒作用の最大の特徴はこの反応において
酸化チタンは変化せず、光、水、酸素というクリーンな
エネルギーが供給される限り酸化分解作用は永久的に発
現することである。しかし、その機能を十分に発揮させ
るためには、光触媒反応の発現には光（紫外線）が必要
であり、光触媒反応は酸化チタン粒子表面でのみ起こる
ため、分解対象物との接触が必要である。また対象とす
る有機物には選択性はないが高濃度の対象物には、その
機能を発揮しにくい面もある。光触媒物質としてＴｉＯ
_２、Ｖ_２Ｏ_５、ＺｎＯ、ＷＯ_３などの酸化物粒子は、４
１０ｎｍ以下の紫外線を含む光を照射すると有機物質を
分解するが、特に結晶構造がアナターゼ型のＴｉＯ_２粒
子はこのような光触媒機能に優れている。光触媒を用い
て脱臭や殺菌を行うことは種々検討され、実用化されて
いるものもある。例えば、ＷＯ９４／１１０９２号には
室内照明下における光触媒による空気処理方法が開示さ
れている。また特開平７−１０２６７８号には、光触媒
を用いた院内感染の防止方法が開示れている。また、光
触媒を用いて、空気中に含まれる窒素酸化物を除去する
方法も知られている（例えば、特開平７−３３１１２０
号、特開平８−１０５７６号、特開平８−９９０２０
号）。また、光触媒を用いた水の浄化装置も提案されて
いる（例えば特開平８−４７６８７）。また、光触媒を
用いて排ガス中のダイオキシン類などの大気汚染物質の
分解にも利用されている（日刊工業新聞社、工業材料酸
化チタン光触媒の実用技術最前線７月号、６９〜７１ｐ
（２００１））しかるに、いずれの方法も、酸化チタン
等の、励起光として４１０ｎｍ以下の紫外線を必要とす
る光触媒を使用している。ところが、励起光源となる太
陽光や人工光には、紫外線以外に紫外線より長波長側の
可視光線等も含まれている。しかし、通常の酸化チタン
等からなる光触媒では、可視光線は利用されておらず、
エネルギー変換効率という観点からは、非常に非効率的
であった。ここで、エネルギー変換効率をあげるため青
色光や緑色光といった可視光でも有用な光触媒機能を持
つ酸化チタン系光触媒が開発されている。（特開２００
０−１５７８４１号または日刊工業新聞社、工業材料酸
化チタン光触媒の実用技術最前線７月号、４２〜４４ｐ
（２００１））。しかし、いずれにせよ、太陽光などが
利用できない場合、光源として、比較的スペースが必要
で重量のある円柱状のガラス管などを用いた紫外線ラン
プや可視光ランプまたはＬＥＤなどを利用しなければな
らなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これにはつぎのような
欠点があった。（イ）太陽光を用いない場合、光触媒装
置の光源として比較的スペースが必要で重量のある円柱
状のガラス管を用いた紫外線ランプや可視光ランプまた
はＬＥＤなどを用いなければならなかったが光源の形状
により光触媒装置を薄型軽量化するという面では限界が
あった。本発明は、これらの欠点を除くためになされた
ものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】青色または緑色などの可
視光を発光する有機ＥＬ発光素子や無機ＥＬ発光素子ま
たは有機ＥＬ素子と似た素子構造を有し発光層がポリシ
ランなどで近紫外・紫外波長帯を発する発光素子は超薄
型大面積発光が可能であり、これらの発光素子を光源と
することで光触媒装置の薄型軽量化が可能なようにし
た。本発明は、以上のような構成をとる超薄型軽量化を
ねらった光触媒装置である。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明する。（イ）有機ＥＬ発光素子を光源とする場合、すでに実用
的な青色発光素子や緑色発光素子が開発されディスプレ
イなどに応用されているため、これを、光触媒装置の光
源として利用すればよい。有機ＥＬ発光素子は、蛍光性
有機化合物を含む薄膜を、陰極と陽極とで挟んだ構成を
有し、前記薄膜に電子および正孔（ホール）を注入して
再結合させることにより励起子（エキシトン）を生成さ
せ、このエキシトンが失活する際の光の放出（蛍光・燐
光）を利用して発光させる素子である。この有機ＥＬ素
子の特徴は、１０Ｖ以下の低電圧で１００〜１００００
０ｃｄ／ｍ^２程度の高輝度の面発光が可能であり、また
蛍光物質の種類を選択することにより青色から赤色まで
の発光が可能なことである。また発光層自身は１μｍ以
下にすることも可能であり、透明基板を含めても全体の
厚さで２ｍｍ以下にすることが可能である。ここで透明
基板に水分やガスを透過しにくい特殊なプラスチックフ
ィルムなどを用いれば紙のように丸められ割れる心配の
ないフレキシブルな有機ＥＬ発光素子の作製も可能であ
る（例えば特開２０００−２６８９５４、特開２０００
−２６０５６０日本経済新聞、２００１年６月２２日な
ど）。有機ＥＬ発光素子の成膜方法には真空蒸着法を用
いたもの（例えば、青色発光有機ＥＬ素子の真空蒸着法
を利用した作製方法として特開平５−１７７６５、特開
平９−５３０６８などがある。）スピンコート法を用い
たもの（例えば、青色発光有機ＥＬ素子のスピンコート
法を利用した作製方法として特開平９−１１１２３３、
特開平１０−３２４８７０などがある。）と、印刷技術
を応用しハンコにあたる原版に有機ＥＬを塗布し原版と
基板を密着させる方法を用いたもの（日経産業新聞、２
００１年５月１７日など）とインクジェット法を用いた
もの（特開平１０−１５３９６７などがある。）と他に
はキャスティング法、ディッピング法、バーコート法、
ロールコート法などがある。特に、スピンコート法を利
用した作製方法は均一で大面積単色発光が必要な本光触
媒装置の光源に適している。なお、ここで例示した公開
特許以外にも高効率青色発光または高効率緑色発光有機
ＥＬ素子が開発されているので、そちらを光源として用
いてもよい。（ロ）発光層が近紫外・紫外波長帯を発する発光素子を
光源とする場合、少なくとも正孔注入電極、電子注入電
極、及びこれらの電極間に形成された発光層から構成さ
れる発光素子において、発光層がポリシランで形成され
ていることを特徴とする。また、更に上記発光層が、下
記一般式（化１）：

【化１】（ただし、式中ｎは１以上の整数であり、Ｒ１、Ｒ２は
独立に、アルキル基、アリール基、シクロアルキル基、
又は置換アリール基を示す）で表されるポリシランで形
成されていることを特徴とする。作製方法は有機ＥＬ素
子とほぼ同じ方法で作成できる（たとえば特開平９−２
０２８７８など）ので透明基板を含めても全体の厚さで
２ｍｍ以下にすることが可能である。ここで透明基板に
水分やガスを透過しにくい特殊なプラスチックフィルム
などを用いれば紙のように丸められ割れる心配のないフ
レキシブルな近紫外・紫外波長帯を発する素子の作製も
可能である。Ｒ_１、Ｒ_２などを変化させることにより４
１５〜３３５ｎｍの近紫外・紫外波長帯を発することが
可能であり、光触媒の光源として利用する場合、可視光
でも光触媒機能を有する特殊な酸化チタンを使用しなく
ても、従来から使用されている安価な光触媒用酸化チタ
ンを利用できる。もちろん発光層がポリシラン以外でも
近紫外・紫外波長帯を発することができるものがあれ
ば、そちらを利用してもよい。（ハ）無機ＥＬ発光素子を光源とする場合、基本構成は
正孔注入電極、絶縁層、無機ＥＬ発光層、絶縁層、電子
注入電極を積層した発光素子である。絶縁層と発光層の
界面から発光層に注入された電子は、高電界によって発
光層の中で加速され発光中心に衝突する。このとき発光
中心が励起し発光するのである。発光層には例えば青色
発光を得る場合、ＺｎＳにＴｍ（ツリウム）を添加した
もの。また、緑色発光を得る場合、ＺｎＳにＴｂ（テル
ビウム）を添加したものがある。最近、青色発光材料と
してストロンチウムサルファイドに銅を入れたＳｒＳ：
Ｃｕで特性の向上が報告された（日刊工業新聞社、ＴＲ
ＩＧＧＥＲ、３月号、２１〜２３ｐ（１９９９年））。
青色発光無機ＥＬ素子の具体的作製方法として、特開２
０００−１０４０５９、特開２０００−１０４０６０な
どに開示されている。無機ＥＬ素子は透明基板を含めて
も全体の厚さで２ｍｍ以下にすることが可能である。無
機ＥＬ素子は特に青色、緑色発光に関して発光効率とい
う点で有機ＥＬ素子に劣るが、発光寿命、耐熱性という
点で有機ＥＬ素子を超える能力を持っている。もちろ
ん、今後の研究の進展によっては発光効率でも有機ＥＬ
素子を超える可能性もあり、その場合は、そちらを光触
媒の光源としてもよい。（ニ）酸化チタンなどの光触媒を基材に担持する方法と
して、形態別に以下の方法が一般的に行われている。粉
体を利用する場合、無機系の基材に分散し固定化させ
る。または粉体をパルプとともに混合し、抄紙する。ゾ
ルを利用する場合、例えば酸化チタンのとき、すべてア
ナタース形の酸化チタン粒子が解膠・懸濁したゾルであ
り、ゾル自体に造膜性がないため、多孔質な基材に直接
塗布・焼成する、あるいは無機系樹脂と混合し塗布する
ことで酸化チタンなどを基材に均一に固定化させる。ス
ラリーを利用する場合、粉体を希望媒体に分散したもの
である。非常に強力な分散工程を経たことを特徴にして
いる。使用方法はゾルと同様である。コーティング剤を
利用する場合、ほとんど造膜性を有しその膜が透明であ
ることから下地の意匠性を損なうことなく、塗布するだ
けで酸化チタンなどを固定化できる。基材がガラス、金
属などの無機材料の場合、光触媒による基材の劣化が起
こらないことから光触媒コーティング剤の直接塗布が可
能である。さらに耐熱性を有する基材の場合は焼成が可
能である。基材が有機材料の場合、光触媒による基材自
身の劣化が起こるため、アンダーコートが必要である。
基本的には有機材料には耐熱性がなく焼成を行うことが
できないため常温硬化型のコーティング剤が適してい
る。一般的に常温硬化させるより焼成したほうが膜硬度
は強くなる。アンダーコートとしては、無機のコーティ
ング剤が望ましい。コーティング法としてはスプレーコ
ーティング法、ディップコーティング法、スピンコート
法、刷毛塗り法などがある。具体的にはガラスなどへの
担持方法としては特開平１０−５３４３９、特開平１０
−２３１１４６などが示されている。有機高分子などへ
の担持方法として特開平１０−１６１２１などが示され
ている。また有機高分子製、ガラス製、金属製のフィル
ム状、板状、管状、繊維状、網状等どのような複雑な形
状にでも担持する方法として特開平９−３１００３９な
どが示されている。また紙に担持する方法として特開平
１０−１２８１２５などが示されている。なお担持基
材、担持方法は上記にあげた方法だけに限定されるもの
ではない。また、ガラスに対する担持方法として「スパ
ッター」と呼ばれる半導体薄膜製造装置を使い大面積の
ガラスに酸化チタンなどの薄膜を生成することができる
（日刊工業新聞社、工業材料、酸化チタン光触媒の実用
技術最前線７月号、４９〜５３ｐ（２００１）または毎
日新聞２００１年７月２日月曜日）。スパッター法は真
空装置の中でイオンを照射することで物質表面に酸化チ
タンの薄膜を形成する手法である。この手法で作った酸
化チタン薄膜には今まで光触媒機能はなかったが、イオ
ン照射の電圧を下げたうえで磁場の強度を上げ、さらに
真空装置の中にガスを注入することで薄膜形成と光触媒
活性を両立させることができる。数メートル四方のガラ
スでも形成は可能である。ガラス表面への付着力も高い
ため、耐久性も高い。以上の方法を用い、（イ）、
（ロ）、（ハ）の発光素子透明基板表面と反射板その他
光触媒を担持させたい基材に紫外線または青色光や緑色
光などの可視光にも光触媒能力を持つ酸化チタンなどの
光触媒物質を担持させる。（ホ）光触媒装置の組み立てを行う。（イ）、（ロ）、
（ハ）の発光素子の透明基板表面か反射板表面の片方ど
ちらか、または両方に酸化チタンなどの光触媒を担持さ
せる。そして発光素子の透明基板表面と反射板の反射面
を向かい合わせる（図４）。反射板は光触媒を担持でき
れば、とくに基材は問わないが、効率的に光触媒に紫外
線や光を照射するために、反射板は表面が鏡面状の基材
が望ましい。光触媒によって処理したい気体や液体の入
り口と出口を除き、周囲をふさぐ。周囲をふさぐ基材も
光触媒を担持した発光素子または表面が鏡面状の基材が
望ましい（図１）。また、発光素子表面と対面側の反射
板が触れないよう間にスペーサーを入れるか、あらかじ
め発光素子基板表面または反射板表面にスペーサー代わ
りの突起を形成しておいても良い。さらに、光触媒処理
能力向上のためにスペーサー自身にも光触媒を担持させ
るのが望ましい。また、光触媒による処理能力向上のた
めに、反射板を用いず、光触媒を担持した発光素子の発
光面どうしを向かい合わせて、より効率的に光触媒に光
を照射できるようにしてもよい（図３）。さらに、向か
い合った発光素子と反射板の間に、または向かい合った
発光素子どうしの間に、光触媒を担持した基材を単層ま
たは複数層挿入してもよい（図５）（図６）。さらに光
触媒の単位空間あたりの暴露面積増大のために発光素子
表面または反射板表面または間に挿入した基材表面の凹
凸化を行ってもよい（図７）（図８）。劣化することな
く光触媒を担持できれば挿入する基材の材質は問わない
が、光触媒の暴露面積増大のため基材の表面には微細な
凹凸があるもの、または繊維状や網状のものが望まし
い。ただし、反射板を用いる場合、挿入する基材が不透
明だと発光素子からの紫外線や光が反射板まで届かない
ので、この場合、ガラスやプラスチックなどの透明な基
材がよい。同様に、挿入した基材が複数層の場合、基材
が不透明だと基材間に紫外線または可視光が届かないた
め、透明のほうが望ましい。また、短時間で大量の気体
や液体を処理したい場合、今までに述べた、発光素子と
反射板または発光素子どうしを向かい合わせた構造を１
つのユニットとして、このユニットを複数層重ねること
によって大量処理が可能になる（図９）。もともと
（イ）、（ロ）、（ハ）で取り上げた発光素子は通常の
紫外線ランプや可視光ランプと比べ断面が極めて薄いた
め１つのユニット自体も薄い。よって複数層重ねても全
体として、それほど厚くはならない。ここで、光触媒を
担持する発光素子の透明基板に水分やガスを透過しにく
い特殊なプラスチックフィルムなどを用いれば紙のよう
に丸められ割れる心配のないフレキシブルな発光素子が
可能であり前述したように有機ＥＬ素子では実際に作製
されている。同様に他の光触媒を担持する基材にも紙の
ように丸められ割れる心配のないプラスチックや金属や
繊維状基材などフレキシブルな基材を使用すれば全体と
して紙のように丸められ割れる心配のないフレキシブル
な光触媒装置が作製可能である。前述したように有機基
材に関しては基材自身が光触媒によって劣化しないよう
アンダーコートなどが必要である。これを用いれば設置
場所の形状にあわせて、光触媒装置を変形させることが
でき設置が容易になる。ここで、発光素子は装置の内側
を向いているので、外部からでは発光素子がきちんと発
光しているのか、または寿命が来て発光していないのか
分からない。また、ポリシランなどを使用した、紫外線
を発する素子などは、はじめから紫外線が発せられてい
るのか分からない。そこで、光触媒装置の一部に中が見
えるよう透明な窓を設け、中の発光状況を外部から視認
できるようにする。または、透明窓部分に蛍光物質を塗
布し、中で発生している紫外線を照射させることによっ
て発光させ、紫外線が発せられているかどうか外部から
視認できるようにする。本発明は以上のような構造で、
使用方法は大気の脱臭、殺菌用または水などの殺菌用な
どの光触媒装置として使用する。

【０００６】

【発明の効果】これには次のような効果がある。（イ）本光触媒装置に用いる光源は超薄型大面積発光が
可能であり、これにより光触媒装置自体を薄型軽量化す
ること可能である。よって本光触媒装置は従来の光触媒
装置に比べスペースを取らず、設置場所を選ばず、ま
た、持ち運び、設置などが容易である。（ロ）有機ＥＬ発光素子および類似の素子構造を有する
発光層がポリシランなど近紫外・紫外波長帯を発する発
光素子において、透明基板に水分やガスを透過しにくい
特殊なプラスチックフィルムなどを用いれば紙のように
丸められ割れる心配のないフレキシブルな光触媒装置の
作製が可能である。（ハ）本光触媒装置は検出窓からの発光状態を視認する
ことにより発光素子の寿命がきたことが一目で分かるの
で交換時期を知ることが容易である。本発明は、これらの効果をもたらすものである。本出願
にかかる発明の思想に沿うものであれば、実施形態は本
明細書の実施例やその他の具体的形状に限定されるもの
ではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構造の斜視図である。

【図２】本発明の処理気体または処理液体などの入り口
側から見た断面図である。

【図３】本発明において発光素子を向かい合わせにした
場合の側面から見た断面図である。

【図４】本発明において発光素子と反射板を向かい合わ
せにした場合の側面から見た断面図である。

【図５】本発明において発光素子を向かい合わせにし
て、間に光触媒を担持した基材を挿入した場合の側面か
ら見た断面図である。

【図６】本発明において発光素子と反射板を向かい合わ
せにして、間に光触媒を担持した基材を挿入した場合の
側面から見た断面図である。

【図７】本発明において表面を凹凸にした発光素子を向
かい合わせにして、間に表面を凹凸にして光触媒を担持
した基材を挿入した場合の側面から見た断面図である。

【図８】本発明において表面を凹凸にした発光素子と反
射板を向かい合わせにして、間に表面を凹凸にして光触
媒を担持した基材を挿入した場合の側面から見た断面図
である。

【図９】本発明において図３、図４、図５、図６、図
７、図８で示したような光触媒装置を複数個積層して処
理能力を高めた場合の側面から見た断面図である。

【符号の説明】

１光触媒２スペーサー３透明基板も含んだ可視光または紫外線を発する面状
素子で一部は反射板のときもある４透明基板５可視光または紫外線を発する面状素子６反射板７光触媒支持基材８可視光または紫外線を発する面状素子の寿命確認用
窓

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有機ＥＬ発光素子または無機ＥＬ発光素子
を光源とする酸化チタンなどを使用した光触媒装置。
【請求項２】発光層がポリシランなど近紫外・紫外波長
帯を発する発光素子を光源とする酸化チタンなどを使用
した光触媒装置。
【請求項３】有機ＥＬ発光素子または無機ＥＬ発光素子
または発光層がポリシランなど近紫外・紫外波長帯を発
する発光素子の発光面と反射板の反射面を向かい合わ
せ、（図４）発光素子表面か反射板表面の片方どちら
か、または両方に酸化チタンなどの光触媒を担持した光
触媒装置。
【請求項４】有機ＥＬ発光素子または無機ＥＬ発光素子
または発光層がポリシランなど近紫外・紫外波長帯を発
する発光素子において２つの発光素子の発光面を互いに
向かい合わせ、（図３）発光素子表面の片方または両方
に酸化チタンなどの光触媒を担持した光触媒装置。
【請求項５】請求項３または請求項４の構造を有する光
触媒において向かい合った発光素子と反射板の間、また
は向かい合った発光素子どうしの間に、酸化チタンなど
の光触媒を担持した透明ガラスまたはガラス繊維または
金属または無機物または基材自身が光触媒によって劣化
しないようアンダーコートして光触媒を担持した樹脂ま
たは樹脂繊維を単層または複数層、挿入した光触媒装置
（図５）（図６）。
【請求項６】請求項１、請求項２、請求項３、請求項
４、請求５の構造を有する光触媒装置において、これを
１つのユニットとして、そのユニットを複数個重ね合わ
せ触媒処理能力を高めた光触媒装置（図９）。
【請求項７】請求項１、請求項２、請求項３、請求項
４、請求項５、請求項６の構造を有する光触媒装置にお
いて発光素子の基板、または光触媒を担持する基材に折
り曲げ可能なフレキシブルな樹脂やガラスや金属や無機
物などを用いることによって設置場所に合わせて、また
は設置者の好みに応じて自由に形状を変化させることの
できる光触媒装置。
【請求項８】請求項１、請求項２、請求項３、請求項
４、請求項５、請求項６、請求項７の構造を有する光触
媒装置において、さまざまな基材に対して、基材表面を
凹凸化させてから光触媒を担持し光触媒機能を持つ表面
面積密度を増加させ光触媒処理能力を向上させた光触媒
装置（図７）（図８）。
【請求項９】有機ＥＬ発光素子または無機ＥＬ発光素子
または発光層がポリシランなど近紫外・紫外波長帯を発
する発光素子を光源とする酸化チタンなどを使用した光
触媒装置において発光面の一部が外部から視認できるよ
うにするか、近紫外・紫外線の一部を外部に取りだしこ
れを蛍光体にあてることによって発光素子の寿命がきた
ことが一目で分かるようにした光触媒装置（図１の
８）。
【請求項１０】請求項１、請求項２、請求項３、請求項
４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８の構造を
有する光触媒装置において酸化チタンなど光触媒を担持
した基材どうしが触れ合わず、隙間を処理物が通過でき
るよう、スペーサーを入れた光触媒装置またはスペーサ
ー自身にも光触媒機能を持たせ、処理能力を高めた光触
媒装置。