| 【発明の名称】 |
汚れ防止機能付き照明ランプ |
| 【発明者】 |
【氏名】石川 敬郎
【氏名】嘉本 大五郎
【氏名】大石 知司
【氏名】高橋 研
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| 【要約】 |
【課題】より優れた汚れ防止機能を有するランプを提供する。
【解決手段】本蛍光ランプ１０のガラス管１１の表面上には、ＳｉＯ2相１２でＴｉＯ2微粒子１３を結合させた光触媒膜１４が形成されている。この光触媒膜１４には、ＴｉＯ2微粒子１３の光触媒反応を促進する助触媒として、原子価１または２以下の元素の内で、イオン半径１.３ｎｍ以下且つ電気陰性度１.６以下である元素(Ｂａを除く）、例えば、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＺｎの内の少なくとも１種類等が添加されている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】ＴｉＯ2微粒子を分散させた光触媒膜で被覆された汚れ防止機能付きランプであって、前記光触媒膜は、原子価１または２の元素であって、Ｂａを除く電気陰性度１.６以下且つイオン半径０.３ｎｍ以下の元素を含むことを特徴とする汚れ防止機能付きランプ。
【請求項２】請求項１記載の汚れ防止機能付きランプであって、前記光触媒膜は、導電性微粒子を含むことを特徴とする汚れ防止機能付きランプ。
【請求項３】請求項１または２記載の汚れ防止機能付きランプであって、導電性微粒子を含む帯電防止膜を、前記光触媒膜の下層として有していることを特徴とする汚れ防止機能付きランプ。
【請求項４】請求項２または３記載の汚れ防止機能付きランプであって、前記導電性微粒子は、ＡＴＯ(Ｓｂ含有ＳｎＯ2)微粒子、ＩＴＯ(Ｓｎ含有Ｉｎ2Ｏ3)微粒子及びＡｇ微粒子の内の１種類以上であることを特徴とする汚れ防止機能付きランプ。
【請求項５】請求項２記載の汚れ防止機能付きランプであって、前記光触媒膜は、前記導電性微粒子として、約５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下のＡＴＯ(Ｓｂ含有ＳｎＯ2)微粒子を含むことを特徴とする汚れ防止機能付きランプ。
【請求項６】請求項１、２、３、４及び５の何れか１項記載の汚れ防止機能付きランプであって、前記元素は、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＺｎの内の少なくとも一種類の元素であることを特徴とする汚れ防止機能付きランプ。
【請求項７】請求項６記載の汚れ防止機能付きランプであって、前記光触媒膜中における前記元素の含有量が、約１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下であることを特徴とする汚れ防止機能付きランプ。
【請求項８】請求項１、２、３、４及び５の内の何れか１項記載の汚れ防止機能付きランプであって、前記ＴｉＯ2微粒子は、ＳｉＯ2相によって結合され、前記ＳｉＯ2相の重量に対する前記ＴｉＯ2微粒子の総重量の比が約５以上９以下であることを特徴とする汚れ防止機能付きランプ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光触媒反応の応用技術に係り、特に、酸化チタン微粒子を含む光触媒膜で被覆された汚れ防止機能付きランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、酸化チタン(ＴｉＯ2)の光触媒反応を利用した抗菌防臭材等が注目を集めている。例えば、ニューセラミックス(1996)No.2,55には、酸化チタン薄膜によって被覆されたセラミックスタイルが報告されている。また、国際公開番号WO94/11092,WO95/15816には、アナターゼ型酸化チタン結晶が、抗菌防臭材として特に有効であることが報告されいる。更に、W.Choi,A.Termin.,M.R.Hoffmann,J.Phys.Chem.,98,13669-13679(1994)には、バナジウム(Ｖ)、鉄(Ｆｅ)等の添加によって、酸化チタンの高性能化を達成し得ることが報告されている。
【０００３】また、国際公開番号WO96/129375には、通常の光触媒では分解することができない無機物等の汚れを、水で簡単に洗い流すことができる超親水性光触媒が開示されている。
【０００４】ところで、酸化物薄膜の成膜法としては、(１)真空装置等を用いて低温下で成膜可能なスパッタリング等の物理的成膜法、(２)スピンコートやスプレー等による塗膜の形成後に、ＴｉＯ2を結晶化させるための高温熱処理(通常、４００℃程度)を必要とするゾルゲル法等の化学的成膜法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の光触媒は、何れも、蛍光灯等のランプの汚れ防止用としては不向きである。即ち、通常の触媒は、有機物の分解速度が遅く、しかも無機物の汚れを防止する機能を有していないため、埃、タバコのヤニ等の様々な汚れが付着するランプの汚れ防止用には不適当である。また、超親水性光触媒は、無機物の汚れを除去するために水洗浄を必要とするため、室内等に設置される電化製品であるランプの汚れ防止には不適当である。
【０００６】一方、上記従来の成膜法は、何れも、ガラスランプ表面の酸化チタン成膜工程への適用に際しての難点を有している。即ち、ゾルゲル法等の化学的成膜法を適用すると、１０分以上にわたる高温熱処理によって蛍光体等が悪影響を受け、ランプ寿命が短くなる可能性があり、スパッタリング等の物理的成膜法を適用すると、真空装置等の大がかりな設備が必要となり、生産コストが増加する。
【０００７】そこで、本発明は、寿命が長く、しかも優れた汚れ防止機能を有するランプを安価に提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、本発明では、事前に基礎実験を繰り返し、その実験結果に基づく試行錯誤によって、電気陰性度１.６以下且つイオン半径０.３ｎｍ以下である原子価１または２の元素(ただし、Ｂａを除く)が、ＴｉＯ2微粒子の光触媒反応を促進させる助触媒として極めて有効であることを見出した。
【０００９】このような元素が優れた助触媒として機能するのは、このような元素は、(１)電子を引き付けやすい性質を有しているため、バンドキャップ以上のエネルギーを有する光(特に、紫外線)照射下においてＴｉＯ2が生成する電子とホールの再結合を抑制し、且つ、(２)イオン半径がＴｉに近いため、光触媒膜表面のＴｉ欠陥に侵入し、再結合点を減少させるからと推定される。尚、光照射下において生成される電子及びホールは、ＴｉＯ2微粒子に付着した水を分解し、Ｈラジカルと、有機物の分解作用を有するＯＨラジカルとを生成する。
【００１０】そこで、この発見を基礎として、本発明は、ＴｉＯ2微粒子を分散させた光触媒膜で被覆された汚れ防止機能付きランプであって、前記光触媒膜は、原子価１または２の元素であって、Ｂａを除く電気陰性度１.６以下且つイオン半径０.３ｎｍ以下の元素を含むことを特徴とする汚れ防止機能付きランプを提供する。
【００１１】このように、光触媒反応の助触媒となるべき元素を光触媒膜に含有させれば、上述の理由から、光照射下においてＴｉＯ2が生成した電子及びホールをより有効に活用することができる。従って、ランプに付着しやすい有機物の汚れの分解除去性能を一層向上させることができる。
【００１２】そして、この光触媒膜には、生産コストを増加させる真空装置等の大がかりな設備を用いることなく、蛍光体等に悪影響を及ぼさない程度の温度下で成膜することができるという利点がある。従って、この光触媒膜の成膜によって、ランプ性能の低下及び生産コストの増加をきたすことはない。
【００１３】また、このような光触媒膜に導電性微粒子を分散させることにより、光触媒膜の抵抗値を減少させれば、有機物の汚れの分解除去のみならず、空気中を浮遊している埃等の無機物の付着を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る実施の一形態について説明する。
【００１５】最初に、図１により、本実施の形態に係る蛍光灯のガラス管表面の膜構造について説明する。
【００１６】本蛍光灯１０のガラス管１１の表面上には、ＳｉＯ2相１２でＴｉＯ2微粒子１３を結合させた光触媒膜１４が形成されている。この光触媒膜１４のＳｉＯ2相１２の重量に対するＴｉＯ2微粒子１３の総重量の比(以下、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2とする)は、約５以上９以下の範囲内に制限されている。尚、本実施の形態において、このような数値制限を設けた理由は、後述の比較実験１の結果から、光触媒膜１４のＴｉＯ2／ＳｉＯ2を約５以上９以下の範囲内に制限することによって、光触媒膜１４の膜強度を低下させることなく、その有機物分解作用を促進しうることが確認されたことにある。
【００１７】また、この光触媒膜１４には、ＴｉＯ2微粒子１３の光触媒反応を促進する助触媒として、イオン半径１.３ｎｍ以下且つ電気陰性度１.６以下である原子価１または２以下の元素(ただし、Ｂａを除く)、例えば、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＺｎの内の少なくとも１種類の元素等が添加されている。特に、光触媒膜中における助触媒含有量が約１ｗｔ％以上５０％以下となるようにすることが望ましい。尚、本実施の形態において、このような元素を選択的に添加することとした理由は、後述の比較実験２の結果から、原子価１または２以下の元素の内、Ｂａを除くイオン半径１.３ｎｍ以下且つ電気陰性度１.６以下の元素が、ＴｉＯ2微粒子１３の光触媒反応を促進する助触媒として極めて有効に機能することが確認されたことにある。
【００１８】ここで、本汚れ防止機能付きランプ１０の光触媒膜１４の優れた汚れ防止機能の立証となる前述の比較実験１,２の結果について説明する。
【００１９】(１)比較実験１互いにＴｉＯ2／ＳｉＯ2の異なる光触媒膜(助触媒:Ｌｉ添加)を有する複数の蛍光灯に、それぞれ、有機色素(赤紫系)をコーティングし、点灯中の色素の経時変化を観察した。
【００２０】その結果、図２に示すように、光触媒膜中へのＬｉ添加量を約１ｗｔ％以上５０％以下とした場合に、特に優れた有機物分解性能が発揮されることが確認された。また、光触媒膜へのＬｉ添加量の多少を問わず、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2を約５以上とした場合に、優れた有機物分解性能が発揮される傾向があることも確認された。但し、現段階においては、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2が約９までの範囲について、このような傾向があることを確認している。
【００２１】また、互いにＴｉＯ2／ＳｉＯ2の異なる光触媒膜(助触媒:Ｌｉ添加)を有する複数の蛍光灯を同一環境下に所定期間だけ放置した後、それぞれの光触媒膜の膜状態を観察した結果、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2が９よりも大きな光触媒膜には剥離が認められたのに対し、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2が約９以下の光触媒膜には、何れも、剥離の発生が認められなかったことから、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2が約９以下の光触媒膜は、通常の使用に耐える十分な膜強度を有していることが確認された。また、Ｌｉの添加量が約５０％を超えると、光触媒膜の膜強度が低下する傾向にあることも確認された。
【００２２】そして、Ｌｉを添加した光触媒膜に限らず、前述した他の元素Ｎａ,Ｌｉ,Ｋ,Ｍｇ,Ｃａ,Ｓｒ,Ｚｎを添加した光触媒膜についても、以上述べたと同様な結果が得られている。
【００２３】そこで、以上の比較実験１の結果に基づき、本実施の形態では、前述したように、適当な膜強度を維持し、且つ、優れた有機物分解性能を発揮することが実証された光触媒膜、即ち、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2を約５以上９以下とした光触媒膜を採用すると共に、光触媒膜中における助触媒添加量を約１ｗｔ％以上５０％以下とすることを推奨したのである。
【００２４】(２)比較実験２互いに異なる硝酸塩が添加された光触媒膜を有する複数の蛍光灯、及び、無添加の光触媒膜を有する蛍光灯に、それぞれ、有機色素(赤紫系)をコーティングし、点灯中の色素の経時変化を観察した。その結果、表１に示すように、無添加の光触媒膜よりも優れた有機物分解性能を発揮する光触媒膜が、１価または２価の陽イオン(Ｎａ+,Ｌｉ+,Ｋ+,Ｍｇ2+,Ｃａ2+,Ｓｒ2+,Ｚｎ2+)が添加されたものに限られることが確認された。尚、Ｆｅ3+,Ａｌ3+,Ｚｒ3+が添加された光触媒膜は、その有機物分解活性を失うことが確認された。
【００２５】
【表１】
【００２６】そして、ここで有機物分解活性の向上作用を有することが確認された元素(Ｎａ,Ｌｉ,Ｋ,Ｍｇ,Ｃａ,Ｓｒ,Ｚｎ)を含む光触媒膜は、タバコのヤニ、アセトアルデキド、尿素、大腸菌等の分解速度が、何も添加されていない光触媒膜の５倍以上であることも確認された。
【００２７】これら有用な元素(Ｎａ,Ｌｉ,Ｋ,Ｍｇ,Ｃａ,Ｓｒ,Ｚｎ)の共通性を検討したところ、図３及び図４に示すように、何れも、電気陰性度が約１.６以下であり、且つ、イオン半径が約０.３ｎｍ以下であることが見出された。
【００２８】そこで、以上の比較実験２の結果に基づき、本実施の形態では、前述したように、光触媒膜の有機物分解性能を高めることができることが実証された元素、即ち、原子価１または２の元素の内で、Ｂａを除く電気陰性度約１.６以下かつイオン半径約０.３ｎｍ以下の元素を助媒膜として採用したのである。
【００２９】次に、図１の光触媒膜１４の成膜方法について説明する。但し、ここでは、光触媒膜１４のＴｉＯ2／ＳｉＯ2を９とし、光触媒膜１４の約１０ｗｔ％に相当する量のＬｉを助触媒として用いることとする。
【００３０】水−エタノール−プロパノール３:２７:７０(体積比)混合液１００ｍｌに、テトラエトキシシラン５ｇを溶解させる。その後、これを、４０℃で約５時間撹伴してから、室温で２週間放置することによって、ＳｉＯ2ゾル原液を調製する。
【００３１】そして、このＳｉＯ2ゾル原液に、その約９倍の重量のＴｉＯ2微粒を添加してから、固形分濃度が４ｗｔ％となるように適量の水を加える。更に、予め定めた量のＬｉＮＯ3を添加してから、ジルコニアボール(５ｍｍφ)を用いて２４ｈｒボールミルで混練する。これにより、蛍光灯１０のガラス管１１の表面に塗布するためのコーティング液が調製される。
【００３２】そして、予め清浄にしておいた蛍光灯１０のガラス管１１の表面に、スピンコート等を用いて、このコーティング液を塗布する。これにより形成された塗膜に、約５分間、１２０℃で低圧水銀ランプ(強度:１５ｍＷ／ｃｍ2)の光を照射し、これを硬化させる。これにより、ガラス管１１上に、図１に示したような光触媒膜１４が成膜される。
【００３３】このように、本光触媒膜１４は、蛍光灯の蛍光体等に悪影響を及ぼさない温度下において短時間内に成膜可能である。従って、成膜工程中に、蛍光灯の寿命が低下することはない。また、本光触媒膜１４は、成膜処理上、真空処理装置等の大がかりな設備を必要としない。従って、本光触媒膜１４を採用すれば、蛍光灯の生産コストを抑制することができる。
【００３４】ところで、以上説明した光触媒膜の表面抵抗値を低下させれば、一旦付着した有機物汚れの分解除去のみならず、空気中を浮遊している埃等の無機物汚れの付着を防止することもできる。具体的には、図５の蛍光灯１０Ｂのように、ガラス管１１上の光触媒膜５４に更に導電性微粒子５５を分散させればよい。あるいは、図６の蛍光灯１０Ｃのように、光触媒膜１４とガラス管１１との間に、導電性微粒子５５を含む帯電防止膜６０を介在させてもよい(以下、光触媒膜１４と帯電防止膜６０とをあわせて積層膜６１と呼ぶ)。但し、何れの場合にも、導電性微粒子５５としては、ＴｉＯ2微粒子の光触媒活性を失わせないもの、例えば、ＡＴＯ(Ｓｂ含有ＳｎＯ2)微粒子、ＩＴＯ(Ｓｎ含有Ｉｎ2Ｏ3)微粒子及びＡｇ微粒子の内の１または複数種類を使用することが望ましい。尚、ＡＴＯとは、約２ｍｏｌ〜１０ｍｏｌのＳｂ2Ｏ5をＳｎＯ2に添加した酸化物半導体であり、ＩＴＯとは、約８ｍｏｌ〜１２ｍｏｌのＳｂＯ2をＩｎ2Ｏ3に添加した酸化物半導体である。
【００３５】図５の蛍光灯１０Ｂ(ＡＴＯ微粒子添加、ＩＴＯ微粒子添加、Ａｇ微粒子添加の各種)と、図１の蛍光灯１０Ａ(導電性微粒子を含まない光触媒膜を有するもの)とを室内に設置し、２０日間後に、それぞれの表面状態を観察した。その結果、表２に示すように、図１の蛍光灯１０Ａ以外の蛍光灯１０Ｂには、何れも、ガラス管に埃等の付着が認められなかったことから、図５の蛍光灯１０Ｂが、静電気を帯びた空中浮遊物の付着を防止する帯電防止機能を有することが確認された。また、これらの蛍光灯１０Ｂに、それぞれ、有機色素(赤紫系)をコーティングし、点灯中の色素の経時変化を観察したところ、約５ｗｔ％以上２０％以下のＡＴＯ微粒子が添加された光触媒膜５４は、その有機物分解性能が特に優れていることが確認された。
【００３６】
【表２】
【００３７】尚、ＩＴＯ微粒子またはＡｇ微粒子が光触媒膜に添加されると、表３に示すように光触媒膜の有機物分解性能が低下する傾向にあるが、その傾向も、表２に示すように、前述の助触媒の添加によって改善されることが確認された。
【００３８】
【表３】
【００３９】一方、図６の蛍光灯１０Ｃ(ＡＴＯ微粒子添加、ＩＴＯ微粒子添加、Ａｇ微粒子添加の各種)を室内照明として設置し、それぞれの２０日間後の表面状態を観察した。その結果、表４に示すように、何れの蛍光灯１０Ｃにも、ガラス管に埃等の付着が認められなかったことから、図６の蛍光灯１０Ｃが、静電気を帯びた空中浮遊物の付着を防止する帯電防止機能を有することが確認された。また、これらの蛍光灯１０Ｂに、それぞれ、有機色素(赤紫系)をコーティングし、点灯中の色素の経時変化を観察したところ、何れも、図５の蛍光灯１０Ｂと同程度の有機物分解性能を発揮することが確認された。
【００４０】
【表４】
【００４１】尚、図５の光触媒膜５４及び図６の積層膜６１も、図１の光触媒膜と同様に、コストのかさむ設備を用いることなく、蛍光灯の蛍光体等に悪影響を及ぼさない温度下において短時間内に成膜可能である。最後に、これらの成膜方法について、それぞれ説明しておく。但し、ここでは、導電性微粒子６５としてＡＴＯ微粒子を用い、光触媒膜６４の約１０ｗｔ％に相当する量のＬｉを助触媒として用いることとする。また、光触媒膜６４のＴｉＯ2／ＳｉＯ2を９とする。
【００４２】図５の光触媒膜５４は、以下のようにして成膜される。
【００４３】エタノール−プロパノール２:１(体積比)混合液に、ＡＴＯ微粒子と非イオン性界面活性剤(１ｗｔ％)とを添加て、ＡＴＯ微粒子分散溶液を調製しておく。また、水−エタノール−プロパノール３:２７:７０(体積比)混合液１００ｍｌとテトラエトキシシラン５ｇとからＳｉＯ2ゾル原液を調製しておく。
【００４４】そして、適量のＳｉＯ2ゾル原液に、その約９倍の重量のＴｉＯ2微粒を投入し、固形分濃度が４ｗｔ％となるように適量の水を加える。その後、このＳｉＯ2ゾルに、ＬｉＮＯ3及びＡＴＯ微粒子分散溶液をそれぞれ既定量添加してから、これを、ジルコニアボール(５ｍｍφ)を用いて２４ｈｒボールミルで混練する。このようにして調製されたコーティング液を、予め清浄にしておいた蛍光灯のガラス管１１の表面に塗布する。そして、形成された塗膜に、約５分間、１２０℃で低圧水銀ランプ(強度:１５ｍＷ／ｃｍ2)の光を照射し、これを硬化させる。これにより、ガラス管１１上に、図５に示したような帯電防止機能付きの光触媒膜５４が形成される。
【００４５】一方、図６の積層膜６０は、以下のようにして成膜される。
【００４６】エタノール−プロパノール２:１(体積比)混合液に、ＡＴＯ微粒子と非イオン性界面活性剤(１ｗｔ％)とを添加し、ＡＴＯ微粒子分散液を調製する。そして、このＡＴＯ微粒子分散液を、予め清浄にしておいた蛍光灯のガラス管１１の表面に塗布する。これにより形成された塗膜に、約２分間、８０℃で低圧水銀ランプ(強度:１５ｍＷ／ｃｍ2)の光を照射して、これを硬化させる。これにより、ガラス管１１上に帯電防止膜６１が成膜される。その後、更に、図１の光触媒膜の成膜方法に従って、その上に光触媒膜を成膜すれば、ガラス管１１上に、図６に示したような積層膜６１を形成することができる。尚、以上の処理を繰り返し、積層膜６１を更に多層化しても構わない。
【００４７】以上、蛍光灯を例に挙げて説明したが、本実施の形態に係る光触媒膜は、蛍光灯以外のランプ、例えば、白熱ランプ、水銀灯等の汚れ防止用としても、蛍光灯の場合と同様な優れた性能を発揮することは言うまでもない。
【００４８】
【発明の効果】本発明によれば、寿命が長く、しかも、より優れた汚れ防止機能を有する汚れ防止機能付きランプを提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）３月２４日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】富田 和子
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２７３４２７ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月８日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−７５６５３ |
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