JP2007291361A - 紫外線カット材料、紫外線カットフィルタ、管球および照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】
耐久性、耐熱性に優れ、紫外線および青色の光吸収特性を容易に制御することが可能な紫外線カット材料および紫外線カットフィルタ等を提供する。
【解決手段】
紫外線カット材料は、インジウムをドープした酸化亜鉛微粒子１を主成分とし、この微粒子がウルツァイトの結晶構造を有する固溶体からなり、Ｘ線回析による（１１０）面の回折角２θの回折ピーク半値幅が０．４〜０．１°の範囲内であることを特徴とする。インジウムがドープされた酸化亜鉛微粒子１のウルツァイト結晶構造をＸ線回析で特定される所定範囲内に規定したので、カット波長の温度依存性が高くなり、特に高温状態における紫外線および青色の光吸収特性を改善した紫外線カット材料および紫外線カットフィルタＦ等を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、少なくとも紫外線をカットする紫外線カットフィルタを形成する紫外線カット材料またはこの紫外線カット材料を使用した紫外線カットフィルタ、管球および照明器具に関する。

紫外線を遮断（カット）する光カットフィルタを設け可視光を放射するようにした照明用光源および照明器具が知られている。これら光源および照明器具は、紫外線低誘虫用またはクリーンルーム用照明に主として利用されるものである。

従来の低誘虫用のランプまたは照明器具として、透光性材料の表面に酸化チタン（ＴｉＯ_２）や酸化セシウム（ＣｅＯ_２）等の紫外線吸収剤を添加したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やアクリル（ＰＭＭＡ）等の樹脂製フィルタを被着した構成が知られている（例えば特許文献１、２参照）。

また、紫外線の放射を抑制したランプとして、耐久性およびコスト面に優れた酸化亜鉛（ＺｎＯ）微粒子を主成分とする紫外線吸収被膜をバルブ外表面に形成した紫外線カットフィルタ付ランプが知られている（例えば特許文献３参照）。

紫外線をＺｎＯよりより長波長側までカットし、かつ赤外線の両者をカットする膜材料としては、特許文献４に透明基板１（またはガラスバルブ３あるいは制光体９、Ｓ３）の表面に酸化亜鉛を主成分としこれにインジウムを添加した材料で形成された紫外線遮断（カット）被膜２を備えた紫外線カットフィルタおよび照明装置が開示されている。また、同種の機能を有する膜材料として、例えば（ＺｎＯ）_ｋ・Ｉｎ_２Ｏ_３（ｋ＝２〜２０）の六方晶複合酸化物が提案されている（特許文献５）。

さらに、紫外線カット特性を改善するために、ＺｎＯにＩｎ，Ｂｉ，Ｆｅをドープし、ドープ金属濃度が表面から中心に変化した紫外線カットフィルタと管球が特許文献６として提案されている。

さらにまた、IIIB族金属元素またはIVB族金属元素からなる群のうちの少なくとも一種、例えばインジウムなどを湿式合成によってドープした粒径１００ｎｍ以下の酸化亜鉛微粒子からなる紫外線カットかつ赤外線の両者をカットする膜材料が知られている（例えば特許文献７参照）。この紫外線カット材料をコーティング液に分散し、このコーティング液を基体表面に塗布した後、熱処理を施すことによって紫外線カットフィルタが形成される。
特開平１０−２１７１４号公報 特開２００４−２４７１５６号公報 特開２００１−１４３６５７号公報 特開平０９−０４９９２２号公報 特開２００３−３３６０３４号公報 特開２００６−２９８７４９号公報 特開２００３−５４９４７号公報

特許文献１および２の紫外線カットフィルタは、波長約３６０ｎｍ前後以下の光をカットすることが可能であるが、樹脂製フィルタであるため耐熱温度は約１００℃以下であり、また耐久性にも問題がある。

また、特許文献３のような紫外線カットフィルタは、無機酸化物である酸化亜鉛（ＺｎＯ）微粒子を主成分としているので耐熱性、耐久性に優れているが、カット波長は約３８０ｎｍ以下であり、より長波長側の光をカットすることが困難である。

さらに、特許文献４、６の膜材料は、一回のコーティングで形成される膜厚が薄いので、必要膜厚を得るのに複数回コーティングを行う必要があり、また、膜厚制御、工程が複雑である。

特許文献５のような複合酸化物は、紫外線カット特性は良好であるが１２００℃以上の高温で固相合成して得られた合成材料をサブミクロン以下、例えば２００ｎｍ以下に粉砕した微粉末材料を用いて製膜しなければ可視光透過性の高い紫外線カットフィルタにすることはできない。このような合成材料の粉砕加工は煩雑であることから、フィルタの製造コストが高くなってしまう。

また、特許文献７の紫外線カット材料は、赤外線カットの効果が高いが、紫外線のカット特性は従来のＺｎＯと同等以下である。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、耐久性、耐熱性に優れ、紫外線および青色の光吸収特性を容易に制御することが可能な紫外線カット材料および紫外線カットフィルタ等を提供することを目的とする。

本発明の紫外線カット材料は、インジウムをドープした酸化亜鉛微粒子を主成分とし、この微粒子がウルツァイトの結晶構造を有する固溶体からなり、Ｘ線回析による（１１０）面の回折角２θの回折ピーク半値幅が０．４〜０．１°の範囲内であることを特徴とする。

酸化亜鉛（ＺｎＯ）微粒子にインジウム（Ｉｎ）をドープすると導電性半導体微粒子となり、その導電性の付与によって本来約３８０ｎｍ以下であったカット波長が長波長側にシフトし、例えば短波長吸収端側の透過率５０％波長を４００〜４３０ｎｍとすることも可能となる。

インジウムがドープされた酸化亜鉛微粒子は、その結晶構造により常温でのカット波長（光吸収特性）が決まる。ところが、その結晶性が高いほどカット波長の温度依存性が高くなり、波長３８０ｎｍ以下の紫外線カット率が高くなるように変化することが分かった。本発明者がこの温度依存性を考慮して結晶構造を検討したところ、Ｘ線回析による（１１０）面の回折角２θの回折ピーク半値幅が０．４〜０．１°の範囲となるようなウルツァイトの結晶構造を有する上記微粒子が、紫外線および青色の光吸収特性上有利であり、紫外線カット材料として最適であることが判明した。

なお、ドープされるインジウムの微粒子全体に対する濃度は質量比率で２〜３０質量％である。このドープ量が２質量％未満であると、４１０ｎｍの前後の光をほとんどカットできなくなるため不可である。ドープ量が３０質量％を超えても４１０ｎｍの前後の光をカットする効果がほとんど変わらず、返って３８０ｎｍ以下の光のカット率が低下するため、好ましくない。ドープ量の最適範囲は５〜２０質量％である。

上記紫外線カット材料には、酸化セリウム微粒子が混合されていても良い。
酸化セリウム（ＣｅＯ_２）は波長３５０ｎｍの紫外線の吸収特性に優れており、化学的に安定であり、かつ紫外線の吸収によって光触媒等の活性反応を発揮しないため、紫外線カット率を高めつつ耐久性が損なわれることのない添加剤として最適である。なお、酸化セリウム微粒子は、インジウムドープ酸化亜鉛微粒子の粒径と同等かそれ以下の粒径のものを使用することが好ましい。酸化セリウム微粒子の添加量は、カット波長などにあわせて適宜調整すればよい。

本発明の紫外線カットフィルタは、透光性基体表面に上記紫外線カット材料を用いて形成されていることを特徴とする。

基体は可視光を透過する光学特性を備えたものであり、材質としてはガラス、樹脂などが挙げられる。

紫外線カットフィルタは、所定の紫外線カット機能を備えていれば、その構成は特に制約されないが、所望の光をカットしつつカットする波長以外の光を良好に透過させるため、その膜厚は０．５〜２．０μｍの範囲内とするのが好ましい。

また、紫外線カットフィルタは、１８０℃以上の温度になる条件で使用され、かつ短波長吸収端側の透過率５０％波長が４００ｎｍ以上となるように構成されていることが好ましい。

本発明の紫外線カット材料は、フィルタ自体が高温になったときに紫外線カット率が高くなるように変化する温度依存性を有しており、１８０℃以上の温度になったときでもその効果を発揮するものである。したがって、紫外線カットフィルタ自体が１８０℃以上の温度となる条件で使用される場合に好適である。

「短波長側吸収ピークの透過率」は、フィルタが形成される基体の透過率を考慮しないフィルタだけの透過率であって、可視光線の短波長側の領域である波長４００〜６５０ｎｍの範囲内の所定の波長が短波長側に近づくに従って透過率が減少するように変化しているときの透過率を意味する。短波長吸収端側の透過率５０％波長が４００ｎｍ以上であると、紫外線および青色光を有効にカットしていることになり、特に昆虫飛来を抑制する効果を発揮することもできる。

本発明の管球は、発光手段を内包する透光性バルブと、上記紫外線カット材料によって上記バルブ表面に形成された紫外線カットフィルタとを具備していることを特徴とする。

管球とは、白熱電球、ハロゲン電球またはＨＩＤランプや蛍光ランプなどの放電ランプを意味する。発光手段とは、白熱電球およびハロゲン電球の場合にはフィラメントを指し、放電ランプの場合には放電空間（蛍光体層を含む）を指す。

本発明の照明器具は、器具本体と、この器具本体に配設された光源と、この光源を覆うように前記器具本体に配設された透光性カバーと、上記紫外線カット材料によって上記カバー表面に形成された紫外線カットフィルタとを具備していることを特徴とする。

照明器具は、天井直付け器具、ダウンライトや透光器等を含み、カバーには板状のカバーの他、グローブを含むものである。

本発明によれば、インジウムがドープされた酸化亜鉛微粒子のウルツァイト結晶構造をＸ線回析で特定される所定範囲内に規定したので、カット波長の温度依存性が高くなり、特に高温状態における紫外線光吸収特性を改善した紫外線カット材料および紫外線カットフィルタ等を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示し、紫外線カット材料を使用して形成された紫外線カットフィルタの概略断面図である。

紫外線カットフィルタＦは硬質ガラス製の透光性基体Ｍおよびこの基体Ｍの表面上に紫外線カット材料であるＩｎドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ）微粒子１および酸化セリウム（ＣｅＯ_２）微粒子２を分散して製膜されたフィルタ被膜により構成されている。このフィルタ被膜は膜厚１．０〜５．０μｍであり、酸化亜鉛微粒子１および酸化セリウム微粒子２が約５０：５０のmol比で分散されている。

酸化亜鉛微粒子１はウルツァイトの結晶構造を有しており、インジウム（Ｉｎ）が１０質量％ドープされた固溶体からなる。酸化亜鉛微粒子１の平均粒径は５０〜１５０ｎｍであり、酸化セリウム微粒子２の平均粒径は約２０ｎｍである。これら微粒子１、２は、所定の無機または有機のバインダー溶液に所定量分散され、この分散液を塗布することで製膜されており、上記バインダー成分３によって結着されている。本実施形態では、無機バインダーとしてジルコニア（Ｚｒ）化合物を分散液に２０〜４０質量％添加して基体Ｍの表面上に塗布形成している。

図２は、上記製造方法で製作された図１の紫外線カットフィルタの透過率分光分布を示すグラフである。このグラフで示す透過率（transmission（％））は、基体の透過率を除いた値で示しているため、実質的に紫外線カットフィルタの透過率分光分布を示している。この分光分布によれば、波長３９０ｎｍまでの光（紫外線）はほぼ１００％カットし、４０５ｎｍの透過率は３０％以下となっている。短波長吸収端側の透過率５０％波長は波長約４３５ｎｍである。なお、波長４８０〜７８０ｎｍの平均透過率は９０％以上である。

図２で示す透過率分光分布からも理解できるように、本実施形態の紫外線カットフィルタは可視光線の短波長側の光を効果的に遮断（カット）する機能を有している。

次に、紫外線カット材料の製造方法について説明する。まず、酸化亜鉛微粒子１は、硝酸亜鉛（Ｚｎ(ＮＯ_３)_２）と硝酸インジウム（Ｉｎ(ＮＯ_３)_３）をアルコール系溶媒に所定量添加し、微量のアンモニア存在下で約２時間１００℃の温度で反応させた後、この溶液を耐熱耐圧性の容器内に密封して１５０℃〜２５０℃の温度で加熱する。この加熱処理によって、インジウムがドープされたウルツァイト結晶構造を有する酸化亜鉛微粒子１の固溶体を得ることができる。なお、酸化セリウム微粒子は一般に紫外線カット材料として市販されているものを使用することが可能である。

このようにして得られた紫外線カット材料を測定したところ、紫外線および青色の光吸収特性の改善効果が高いことが分かった。特に、上記酸化亜鉛微粒子１は、結晶性が高いほどカット波長の温度依存性が高くなり、波長３８０ｎｍ以下の紫外線カット率が高くなるように変化することが分かった。この結晶性との相関を検証するために、上記酸化亜鉛微粒子１の結晶構造をＸ線回析で調べたところ、（１１０）面の回折角２θの回折ピーク半値幅が０．４〜０．１°の範囲内であれば、特に高温状態におけるした紫外線カット材料として最適であることが判明した。

図３は、上記酸化亜鉛微粒子１のＸ線回折パターンを示すグラフ、図４は図３のグラフの（１１０）面のＸ線回折パターンを拡大して示すグラフである。Ｘ線回折パターンの測定は、Ｘ線としてＣｕＫα線（λ＝0.15418nm）を用いて入射Ｘ線に対して試料をθ回転させると同時に、比例計数管からなる検出部を２θ回転させるゴニオメーターによって回折角度（２θ）毎のＸ線強度（ＣＰＳ Intensity）を測定した。この測定結果の一例を図３に示す。図３の「１」および「２」は、それぞれ異なる紫外線カット材料の酸化亜鉛微粒子のＸ線回折パターンを示し、最下段の「ＺｎＯ」は一般的な酸化亜鉛結晶のＸ線回折パターンを示す。図３から分かるように、酸化亜鉛微粒子１の基本構造はウルツァイト結晶構造のＺｎＯである。詳細を検討した結果、図４に示すように上記酸化亜鉛微粒子１の（１１０）面の回折ピークの２θはいずれも５６．６°でありこの半値巾が０．４〜０．１°の範囲内であれば、特に高温状態におけるした紫外線カット材料として最適であることが判明した。なお、（１１０）面の回折ピークの２θはほとんどずれないが、±１°程度のずれであれば本実施形態の上記酸化亜鉛微粒子１の紫外線カット材料の特性と遜色ないことが確認された。

特に（１１０）面の回折ピークの強度をＡとし、２θが約34.5°の（００２）面の回折ピーク強度をＢとしたとき、Ａ／Ｂ＞１．０（Ａ＞Ｂ）の範囲内の結晶状態を示す酸化亜鉛微粒子を使用した紫外線カット材料の方が紫外線および青色の光吸収特性上有利であり高温状態におけるした紫外線カット材料として最適であることが判明した。

（００２）面はｃ軸方向であり、（１１０）面はａｂ軸方向に由来するため、それらの強度比は配向性度合いを示し、その強度比Ａ／Ｂが１．０よりも大きいことは、ｃ軸方向の配向性が小さくなること意味する。このことは、ＩｎがＺｎＯ結晶内に適切にドープされているため、紫外線および青色の光吸収特性が向上したものと思われる。

図５は、本発明の第２の実施形態である管球を示す概略正面図である。Ｌ２は管球としてのＨＩＤランプであり、このＨＩＤランプＬ２には発光管４０を保護する外管バルブ１１が設けられている。外管バルブ１１には発光管４０と導通する給電手段としてのＥ形口金３が取付けられている。

この外管バルブ１１の外表面には、第１の実施形態の紫外線カットフィルタＦが形成されている。ＨＩＤランプＬ２の発光管４０が点灯すると、外管バルブ１１の外表面に形成された紫外線カットフィルタＦは１８０℃以上の高温になるが、紫外線カット材料の温度依存性によって紫外線カット効果が改善される。したがって、紫外線カットフィルタＦにより、ＨＩＤランプＬ２の発光管４０から放射される光のうち紫外線および波長４００〜４３０ｎｍの光が吸収され、効果的にカットされる。

なお、紫外線カットフィルタＦが形成されるのは、ＨＩＤランプＬ２以外に蛍光ランプのバルブ内面またはバルブ外面であってもよい。蛍光ランプのバルブ内面に形成する場合には、蛍光体膜が形成される前のガラスバルブ内面に紫外線カットフィルタＦを上記方法で形成し、その後蛍光体膜を形成すればよい。

本発明の第１の実施形態における光カットフィルタの概略断面図。 図１の紫外線カットフィルタの透過率分光分布を示すグラフ。 本発明の紫外線カット材料のＸ線回折パターンを示すグラフ。 図３のグラフの（１１０）面のＸ線回折パターンを拡大して示すグラフ。 本発明の第２の実施形態である管球を示す概略正面図。

符号の説明

１…紫外線カット材料としての酸化亜鉛微粒子、２…酸化セリウム微粒子、３…バインダー成、Ｆ・・・紫外線カットフィルタ、Ｍ・・・透光性基体、Ｌ２…管球としてのＨＩＤランプ。

Claims (6)

1. インジウムをドープした酸化亜鉛微粒子を主成分とし、この微粒子がウルツァイトの結晶構造を有する固溶体からなり、Ｘ線回析による（１１０）面の回折角２θの回折ピーク半値幅が０．４〜０．１°の範囲内であることを特徴とする紫外線カット材料。
2. 酸化セリウム微粒子が混合されていることを特徴とする請求項１記載の紫外線カット材料。
3. 透光性基体表面に請求項１または２記載の紫外線カット材料を用いて膜形成されていることを特徴とする紫外線カットフィルタ。
4. １８０℃以上の温度になる条件で使用され、かつ短波長吸収端側の透過率５０％波長が４００ｎｍ以上となるように構成されていることを特徴とする請求項３記載の紫外線カットフィルタ。
5. 発光手段を内包する透光性バルブと；
   請求項１または２記載の紫外線カット材料によって上記バルブ表面に形成された紫外線カットフィルタと；
   を具備していることを特徴とする管球。
6. 器具本体と；
   この器具本体に配設された光源と；
   この光源を覆うように前記器具本体に配設された透光性カバーと；
   請求項１または２記載の紫外線カット材料によって上記カバー表面に形成された紫外線カットフィルタと；
   を具備していることを特徴とする照明器具。

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