JP2006216574A - 光触媒ｌｅｄデバイスおよび光触媒ｌｅｄデバイスモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光触媒を備えた装置の小型化を可能にする。
【解決手段】 回路基板２と、光触媒層３と、この光触媒層２に励起光を照射するＬＥＤ素子５とを備え、前記回路基板２の面上に前記光触媒層３を形成するとともに、前記回路基板２のうち、前記光触媒層３が形成された面内に前記ＬＥＤ素子５を実装する構成とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）と光触媒層とを備えた光触媒ＬＥＤデバイス、および、この光触媒ＬＥＤデバイスを複数備えてなる光触媒ＬＥＤデバイスモジュールに関する。

例えば酸化チタンなどの光触媒は、バンドギャップ（酸化チタンでは３８０ｎｍ）以下の波長の光が照射されると光触媒反応を生じ、大気中の有毒ガスや汚れなどを分解する作用があることが知られている。そこで、従来から、トイレ等の衛生関連器具やビルの壁面処理などに光触媒を応用して、大気中の好ましくないガス成分の分解や除去、有毒物質を含む水の浄化等を行っている。

具体的には、例えばビルの壁面や、トイレに設置されるガラスや陶磁器等の衛生関連器具などに酸化チタンを塗布して光触媒膜を形成し、屋外においては光触媒膜に太陽光を照射し、また、屋内や暗所においては紫外線光源から光を照射して、光触媒膜に光触媒反応を生じさせている。また、この紫外線光源としては、放電ランプを用いるのが一般的であるが、近年では、ＬＥＤ素子を用いる技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０９−９４１号公報

しかしながら、上記従来の技術にあっては、光触媒膜から離れた位置から光を照射する構成としているため、光触媒を備えた装置の小型化が困難である、といった問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、光触媒を備えた装置として、小型化が可能な光触媒ＬＥＤデバイスおよび光触媒ＬＥＤデバイスモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、回路基板と、光触媒層と、この光触媒層に励起光を照射するＬＥＤ素子とを備え、前記回路基板の面上に前記光触媒層を形成するとともに、前記回路基板のうち、前記光触媒層が形成された面内に前記ＬＥＤ素子を実装したことを特徴とする光触媒ＬＥＤデバイスを提供する。

また本発明は、上記発明において、前記回路基板の両面に、前記光触媒層と前記ＬＥＤ素子とを設けたことを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記回路基板の面内に、ガスを通過させるための複数の貫通孔を形成したことを特徴とする。

また上記目的を達成するために、本発明は、回路基板と、前記回路基板の面上に形成された光触媒層と、前記回路基板のうち前記光触媒層が形成された面内に実装され前記光触媒層に励起光を照射するＬＥＤ素子とを有するデバイス片を一対備え、前記デバイス片の各々を光触媒層が対向するように保持したことを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記ＬＥＤ素子は側面から光を照射する素子であることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記回路基板をリング状に形成するとともに、前記リング状の回路基板の内周面に、前記光触媒層と前記ＬＥＤ素子とを設けたことを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記回路基板に、互いに光の中心波長の異なる複数のＬＥＤ素子を実装したことを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記回路基板は、その面内のうち、少なくとも前記光触媒層が形成される領域に凹凸を有することを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記回路基板の面内の凹凸は、この面内に硬質粒子を吹き付けるサンドブラスト処理により形成されていることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、表面に光触媒が塗布された複数の粒状のガラスを前記回路基板の面上に配置して前記光触媒層を形成したことを特徴とする。

また本発明は、上記いずれかに記載の光触媒ＬＥＤデバイスが複数隣接配置されてなることを特徴とする光触媒ＬＥＤデバイスモジュールを提供する。

本発明によれば、小型化が可能な光触媒ＬＥＤデバイスおよび光触媒ＬＥＤデバイスモジュールが提供可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[第１実施の形態]
図１は本実施の形態に係る光触媒ＬＥＤデバイス１の構成を模式的に示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線における断面図である。光触媒ＬＥＤデバイス１は、空気の脱臭や空気に含まれる化合物（例えばＮＯｘなど）の分解を主として行うものであり、図１および図２に示すように、光触媒ＬＥＤデバイス１は、回路基板２と、光触媒層３と、電源回路４と、３つのＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃ（これらを特に区別しないときはＬＥＤ素子５とも言う）とを備え、これらが一体となったデバイスとして構成されている。

回路基板２は平面視略六角形に形成された例えば樹脂製の板材であり、その面内には、表裏に貫通する直径約５ｍｍ以下の通風孔６が多数形成されている。
上記光触媒層３は、光触媒を回路基板２に塗布等することにより形成された層であり、本実施の形態では、光触媒層３が回路基板２の上面（回路パターンが形成される側の面）の略全域にわたり形成されている。光触媒としては、ＬＥＤの照射光（励起光）により励起され光触媒反応を生じる物質であれば任意の物質を用いることが可能であり、本実施の形態では、紫外光領域の光の照射により酸化還元反応をおこし、ガス中の化合物を分解する効果を発揮する酸化チタンを光触媒として用いることとしている。

電源回路４は３つのＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃの各々に電力を供給するものであり、回路基板２の上面に実装される。
ＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃの各々は、光触媒層３に対して光を照射して、光触媒に光触媒反応を生じさせるものであり、表面実装型の例えば３ｍｍ角以内の小型のＬＥＤである。これらのＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、回路基板２の上面、すなわち、上記光触媒層３が形成された面と同一面に実装され、図示せぬ回路パターンを介して電源回路４から電力が供給される。このとき、ＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃの各々は、回路基板２の縁部から中央部Ｏに向けて光を照射し、互いの光により回路基板２の中央部Ｏの略全域が照射されるように実装される。
上記のように、本実施の形態では、光触媒として酸化チタンを用いているため、ＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃとしては、紫外光領域の光を照射可能な素子が用いられている。

ここで、ＬＥＤ素子５Ａ，５Ｂ、５Ｃについて詳述すると、図１および図２に示すように、これらのＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃとして、素子の側壁７から光を照射するいわゆるビューサイド型のＬＥＤ素子を用いることとしている。このようにビューサイド型のＬＥＤ素子を用いることで、光触媒層３に光を照射するためにＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃを立設する必要がなく、光触媒ＬＥＤデバイス１の厚みを薄くすることができる。また、光触媒層３に対して横方向から光を照射するため、広範囲にわたって光を照射することができる。

上記３つのＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃの各々は回路基板２の中央部Ｏを中心とする円Ｃ上に互いに等間隔で配置されており、３つのＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃの各々が正三角形の頂点位置に配置されるようになっている。したがって、図１に示すように、各ＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃの照射角のうち、回路基板２の平面と平行方向の照射角αを少なくとも１２０度よりも大とすることで、３つのＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃにより、円Ｃ内の領域を効率良く照射することが可能となる。

さらに、本実施の形態では、３つのＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃとして、光の中心波長が互いに異なるものを用いることとしている。詳述すると、酸化チタンは、一般には、ＴｉＯ₂の分子構造を有するが、製造の過程で、ＴｉＯ２に加え、ＴｉｍＯｎ（ｍ、ｎは共に１以上の自然数）の分子構造を有する酸化チタンや、その他の不純物が含まれることがある。このように、不純物などが含まれると、酸化チタンに光触媒反応を起こさせるのに最適な光の波長にずれが生じる。
そこで、本実施の形態では、図３に示すように、３つのＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃとして、波長３５０ｎｍ〜４３０ｎｍの波長範囲内の紫外光を照射するものであって、光の中心波長が互いに異なるものを用いることとし、不純物などの混入により光触媒層３に光触媒反応を生じさせるのに最適な光の波長がずれていたとしても、光触媒層３に光触媒反応を効率良く生じさせることを可能としている。

また、本実施の形態では、図４に示すように、回路基板２の上面の表面２Ａに凹凸を設け、その表面２Ａ上に光触媒層３を形成することとしている。これにより、光触媒層３の表面積が増大させることができるため、ガスとの接触面積が大きくなり、ガス中に含まれる化合物の分解量や脱臭効果を高めることが可能となる。

このような回路基板２の凹凸は基板成形時に形成可能であるが、回路基板２として、表面が粗いセラミック基板を用いるようにしても良く、また、セラミックや多孔質構造を有する薄い板材を回路基板２の表面に貼り付け、その板材の上に光触媒層３を形成するようにしても良い。光触媒が塗布された例えばビーズ等のガラス製の微小粒を回路基板２の上面に配置して光触媒層３を形成し、ガスとの接触面積を増大させる構成としても良い。

さらに、回路基板２の表面の凹凸は、その表面をサンドブラスト処理することでも形成可能である。このサンドブラスト処理は、硬質粒子を回路基板２の表面に吹き付ける処理であり、硬質粒子により表面が削られて粗面が形成される。
また発明者は、実験を重ねた結果、回路基板２として、ガラス基材エポキシ（NEMA(米国電気製造業者協会)記号：ＣＥＭ−３、ＪＩＳ記号：CGE材）、或いは、ガラス布エポキシ（NEMA(米国電気製造業者協会)記号：ＦＲ−４、ＪＩＳ記号：GE材）を材質とした基板を用い、その表面に光触媒層３を形成する前に、表面をサンドブラスト処理して、ガラス繊維を露出させておくことが望ましいとの知見を得ている。
すなわち、光触媒として用いる酸化チタン（ＴｉＯ₂）と、回路基板２のガラス成分の１つである酸化珪素（ＳｉＯ₂）とは化学的に結合し易く、さらに、酸化チタン（ＴｉＯ₂）が回路基板２表面の繊維質構造に物理的に結合するため、光触媒と回路基板２との接合強度を高められる。これにより、反応面積の増大により光触媒反応の効率が向上され、かつ、光触媒と回路基板２との接合強度が高められた光触媒ＬＥＤデバイス１が実現可能となる。

さて、図５に示すように、上記の光触媒ＬＥＤデバイス１をガスが通過する配管１０内に１或いは複数配置することで、ガスに含まれる化合物の分解や脱臭が行われ、ガスが清浄化される。このとき、回路基板２には、多数の通風孔６が形成されているため、光触媒ＬＥＤデバイス１によりガスの流れが阻害されることが無く、また、下流に配置された光触媒ＬＥＤデバイス１にガスを導くことができる。

なお、上記の光触媒ＬＥＤデバイス１にあっては、光触媒層３を回路基板２の上面にのみ形成する構成としているため、光触媒ＬＥＤデバイス１の上面から下面に向かって流れるガスの浄化には適しているものの、下面から上面に向かって流れるガスに対しては浄化作用が薄れる。そこで、図６に示すように、回路基板２の上下の両面に、光触媒層３を形成するとともに、ＬＥＤ５Ａ、５Ｂ、５Ｃを配置する構成とし、光触媒ＬＥＤデバイス１の両面にて光触媒反応を生じさせるようにしても良い。

また、光触媒ＬＥＤデバイス１をガスが通過する配管１０内に配置する際には、例えば、図７に示すように、複数の光触媒ＬＥＤデバイス１を平面上に連ねて光触媒ＬＥＤデバイスモジュール３０を構成し、この光触媒ＬＥＤデバイスモジュール３０を配管１０の長さ方向に適宜の間隔で配置するようにしても良い。このとき、光触媒ＬＥＤデバイス１が平面視六角形に形成されているため、光触媒ＬＥＤデバイスモジュール３０は、いわゆるハニカム状に光触媒ＬＥＤデバイス１が連接された構造となり、より効率的にガスの浄化を行うことができる。

また例えば、図８に示すように、配管１０内に光触媒ＬＥＤデバイス１を千鳥状に配置するようにしても良い。この配置において、光触媒ＬＥＤデバイス１を配管１０内に設けてもガスの流路が確保される程度に配管１０の内径が大きい場合、光触媒ＬＥＤデバイス１に上記通風孔６を設ける必要はない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、回路基板２の面上に光触媒層３を形成するとともに、回路基板２のうち、光触媒層３が形成された面内にＬＥＤ素子５を実装する構成としたため、光触媒層３とＬＥＤ素子５とが一体化され、光触媒ＬＥＤデバイス１の小型化が可能となる。例えば、ＬＥＤ素子５として、３ｍｍ角以内のＬＥＤ素子５を用いることで、光触媒ＬＥＤデバイス１が非常にコンパクトになる。これにより、局所的な空間などに配置してガスなどの浄化を行うことができる。

また、ＬＥＤ素子５として、側面７から光を照射する素子を用いる構成とすることで、光触媒ＬＥＤデバイス１の厚みが薄くなり、より小型化することができる。また、光触媒層３の広範囲にわたって光を照射することができ、これにより、広範囲にわたって光触媒反応を生じさせることができる。

また、本実施の形態によれば、光触媒ＬＥＤデバイス１の小型化が可能であるため、径の細い配管内などにも配置することができる。このとき、回路基板２の面内に、ガスを通過させるための複数の貫通孔７を形成する構成としたため、配管内を流れるガスなどの流通を阻害することが無い。
特に、回路基板２の両面に、光触媒層３とＬＥＤ素子５とを設ける構成とすることで、配管内のガスの流通方向にかかわらず、ガスの浄化を行うことができる。
また、光触媒ＬＥＤデバイス１を複数連接させてなる光触媒ＬＥＤデイバスモジュール３０にあっては、設置する空間の広さに合わせて、連接させる光触媒ＬＥＤデバイス１の個数を決定することで、その空間にあった大きさのモジュールを構成することができる。

また、本実施の形態によれば、回路基板２に、互いに光の中心波長の異なる複数（本実施の形態では３つ）のＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃを実装する構成としたため、光触媒層３に光触媒反応を生じさせるのに最適な光の波長がずれていたとしても、光触媒層３に光触媒反応を効率良く生じさせることが可能となる。

また、本実施の形態によれば、光触媒層３が形成される領域に凹凸を設ける構成としたため、光触媒層３の表面積が増大されて、ガスとの接触面積が大きくなり、ガス中に含まれる化合物の分解や脱臭効果を高められる。

[第２実施の形態]
次いで、本発明の第２実施の形態について説明する。
図９は本実施の形態に係る光触媒ＬＥＤデバイス４０の構成を模式的に示す平面図であり、図１０は図９のＢ−Ｂ’線から断面をみた断面図である。なお、これらの図において、第１実施の形態に係る光触媒デバイス１と同じ構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図９および図１０に示すように、光触媒ＬＥＤデバイス４０は、回路基板２と、この回路基板２の回路実装面の全面にわたって光触媒が塗布されてなる光触媒層３と、回路基板２の回路実装面に実装された電源回路４および３つのＬＥＤ素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃとを備えるデバイス片４２を２つ備え、これらのデバイス片４２が、光触媒層３を互いに対向させた姿勢でスペーサ４１により保持されている。

上記デバイス片４２は、通風孔７が形成されていない点を除き第１実施の形態の光触媒ＬＥＤデバイス１と同様の構成を有するものであり、これらのデバイス片４２が、光触媒層３を互いに対向させた状態で離間配置されることで、デバイス片４２の間を通過するガスの清浄化が行われる。

また、図１１に示すように、上記の光触媒ＬＥＤデイバス４０を平面上に多数（図示例では７つ）連接配置して光触媒ＬＥＤデバイスモジュール５０を構成することで、この光触媒ＬＥＤデバイスモジュール５０の横方向から流入してくるガスの浄化を行うことができる。

[第３実施の形態]
次いで本発明の第３実施の形態について説明する。本実施の形態では、本発明をゴミ収容箱に適用した場合を説明する。なお、以下の説明において、第１および第２実施の形態にて説明した構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
図１２は本実施の形態に係るゴミ収容箱６０の全体を示す斜視図である。この図に示すように、ゴミ収容箱６０は、上方が開口した略円筒の容器本体６１と、容器本体６２の開口に設けられるガス浄化リング６２とを備えている。このガス浄化リング６２は、容器本体６２の開口縁に沿ったリング状基体６３を備え、このリング状基体６３の内周面６３Ａには、容器本体６１の開口を通過するガスを浄化するための光触媒ＬＥＤデバイス６４が設けられている。

光触媒ＬＥＤデバイス６４は、図１３および図１４に示すように、リング状基体６３の内周面６３Ａに沿って略全周にわたって配置されるフレキシブル回路基板２’と、このフレキシブル回路基板２’の回路実装面上の略全域に形成された光触媒層３と、フレキシブル回路基板２’の回路実装面に実装された電源回路４および複数のＬＥＤ素子５とを備えている。

ＬＥＤ素子５の各々は、第１および第２実施の形態とは異なり、フレキシブル回路基板２’の回路実装面に対して垂直上側に向けて光を照射するものであり、これらのＬＥＤ素子５が互いに略等間隔で離間配置されている。すなわち、光触媒層３には、対向するＬＥＤ素子５の光が照射されて励起され、光触媒反応を生じ、ガス浄化リング６２を通過するガスを浄化する。

このように、本実施の形態によれば、ガス浄化リング６２が容器本体６１に蓄積されたゴミ等から発生するガスの脱臭や、このガスに含まれる化合物の分解などの浄化を行うため、悪臭が外部に漏れるのが防止される。

[変形例・応用例]
上述した第１乃至第３の各実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
例えば、上述した第１および第２実施の形態では、回路基板２の形状を六角形としたが、これに限らず、矩形や三角形、或いは円形などの任意の形状としても良い。
また例えば、上述した第１および第２実施の形態では、ＬＥＤ素子５の数を３つとしたが、これに限らない。すなわち、ＬＥＤ素子５の数は、ＬＥＤ素子５の照射可能範囲や光触媒層３の面積などに応じて適宜決定することができる。

本発明に係る光触媒ＬＥＤデバイスおよび光触媒ＬＥＤデバイスモジュールは、小型化が可能なことから、主に局所的ガスの浄化や水の浄化に用いて好適なものであり、自動車室内における空気の洗浄化装置に応用することができ、また、小型機器、特に、分析機器等の内蔵浄化デバイスとしても応用することが可能である。また、エチレンガス分解が可能であることから、果物・野菜等の保管庫に鮮度維持機能を持ったデバイスとしても応用することが可能である。
また、光触媒は防菌、防臭および防黴を有するものであるため、浴室等の換気扇カバーや換気口用内壁などのカビが発生し易い箇所にも取り付けて用いることも可能である。

本発明の第１実施の形態に係る光触媒ＬＥＤデバイスの構成を模式的に示す平面図である。 同光触媒ＬＥＤデバイスの断面図である。 ＬＥＤ素子の中心波長を示す図である。 回路基板の表面の凹凸を説明するための図である。 配管内を流れるガスの浄化を説明するための図である。 第１実施の形態に係る光触媒ＬＥＤデバイスの変形例を示す図である。 光触媒ＬＥＤデバイスモジュールを説明するための図である。 光触媒ＬＥＤデバイスの配管内での配置例を示す図である。 本発明の第２実施の形態に係る光触媒ＬＥＤデバイスの構成を模式的に示す平面図である。 同光触媒ＬＥＤデバイスの断面図である。 光触媒ＬＥＤデバイスモジュールの構成を模式的に示す平面図である。 本発明の第３実施の形態に係るゴミ収容箱の構成を示す斜視図である。 ガス浄化リングの構成を示す平面図である。 ガス浄化リングの構成を示す断面図である。

符号の説明

１、２０、４０、６４ 光触媒ＬＥＤデバイス
２ 回路基板
２’ フレキシブル回路基板
３ 光触媒層
５、５Ａ〜５Ｃ ＬＥＤ素子
６ 貫通孔
１０ 配管
３０、５０ 光触媒ＬＥＤデバイスモジュール
４２ デバイス片
６０ ゴミ収容箱
６２ ガス浄化リング

Claims (11)

1. 回路基板と、光触媒層と、この光触媒層に励起光を照射するＬＥＤ素子とを備え、前記回路基板の面上に前記光触媒層を形成するとともに、前記回路基板のうち、前記光触媒層が形成された面内に前記ＬＥＤ素子を実装した
   ことを特徴とする光触媒ＬＥＤデバイス。
2. 前記回路基板の両面に、前記光触媒層と前記ＬＥＤ素子とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の光触媒ＬＥＤデバイス。
3. 前記回路基板の面内に、ガスを通過させるための複数の貫通孔を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の光触媒ＬＥＤデバイス。
4. 回路基板と、前記回路基板の面上に形成された光触媒層と、前記回路基板のうち前記光触媒層が形成された面内に実装され前記光触媒層に励起光を照射するＬＥＤ素子とを有するデバイス片を一対備え、
   前記デバイス片の各々を光触媒層が対向するように保持したことを特徴とする光触媒ＬＥＤデバイス。
5. 前記ＬＥＤ素子は側面から光を照射する素子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光触媒ＬＥＤデバイス。
6. 前記回路基板をリング状に形成するとともに、前記リング状の回路基板の内周面に、前記光触媒層と前記ＬＥＤ素子とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の光触媒ＬＥＤデバイス。
7. 前記回路基板に、互いに光の中心波長の異なる複数のＬＥＤ素子を実装したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光触媒ＬＥＤデバイス。
8. 前記回路基板は、その面内のうち、少なくとも前記光触媒層が形成される領域に凹凸を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光触媒ＬＥＤデバイス。
9. 前記回路基板の面内の凹凸は、この面内に硬質粒子を吹き付けるサンドブラスト処理により形成されていることを特徴とする請求項８に記載の光触媒ＬＥＤデバイス。
10. 表面に光触媒が塗布された複数の粒状のガラスを前記回路基板の面上に配置して前記光触媒層を形成したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光触媒ＬＥＤデバイス。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の光触媒ＬＥＤデバイスが複数隣接配置されてなることを特徴とする光触媒ＬＥＤデバイスモジュール。
    
    

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