(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基材上に光半導体薄膜を形成し、該光半導体薄膜の表面形状を凹凸形状又は該光半導体薄膜上に該光半導体より仕事関数の低い分子をアイランド状に形成したことを特徴とするマイナスイオン発生源。
【請求項２】
光半導体薄膜は、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化鉄、硫化カドミウム、シリコンカーバイト及びガリウムヒ素の少なくとも１種類から成り、又は上記アイランド状に成長させた分子は金属、合金、半金属、金属酸化物、セラミック及び半導体の内少なくとも１種類以上から構成していることを特徴とする請求項１記載のマイナスイオン発生源。
【請求項３】
上記導電性基材には負電圧を印加し、かつ光半導体薄膜には励起光を照射することを特徴とする請求項１または２記載のマイナスイオン発生源。
【請求項４】
請求項１または２記載のマイナスイオン発生源に対して、上記導電性基材には負電圧を印加し、かつ光半導体薄膜には励起光を照射し、上記マイナスイオン発生源を加熱することを特徴とするマイナスイオン発生方法。
【請求項５】
上記光半導体薄膜の表面形状をエッチング法、スパッタリング法及び電解研磨法の少なくとも１つ又は複合した手段を用いて凹凸としたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のマイナスイオン発生源。
【請求項６】
上記アイランド状の形成をマスキング加工と複合させて真空蒸着法、スパッタリング法、気相成長法、ゾルゲル法及びプラズマ溶射法の少なくとも１つの手段を用いたことを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項５記載ののマイナスイオン発生源。
【請求項７】
上記励起光の波長領域が３８０ｎｍ以上の近紫外から可視領域であることを特徴とする請求項４記載のマイナスイオン発生方法。
【請求項８】
上記導電性基材の形状が針状、鋸型、線状及び矩型とすることを特徴とする請求項１、２、３、５、６の何れか１つに記載のマイナスイオン発生源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、室内空気中にマイナスイオンを放出するマイナスイオン発生源及び発生方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイナスイオンが人体に対して良い結果をもたらすことは知られており、生理作用の改善や医学療法等に利用されるものである。また、従来例として特公平７−２３７７７の交流高電圧を印加したイオン発生装置、特開平１０−２８８３５２の高電圧パルスを印加したイオン発生器及び特開平７−５７６４３の光電子材に紫外線又は放射線を照射する負イオン発生方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の交流高電圧を印加した場合はマイナスイオンとプラスイオンの両方が発生する為、マイナスイオンとプラスイオンが打ち消し合いマイナスイオンの発生量が十分に得られない。又、高電圧パルスを印加した場合には−８ｋＶの電圧が印加されるので放電や漏電の恐れがあり安全性に問題がある。更に、光電子材に光を照射する場合は使用する光が低波長領域の紫外線や放射線であるため人体に有害であることや高電圧印加の場合に比べマイナスイオンの発生量も少ない問題がある。
【０００４】
従って、本願発明は上記問題を解決し、導電性基材上に光半導体薄膜形成したマイナスイオンの発生源及び該発生源に負電圧を印加かつ光半導体の励起光を照射することにより、マイナスイオン発生量の増大及び印加電圧の低減を目的としたマイナスイオン発生方法である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本願発明は、導電性基材上に光半導体薄膜を形成したマイナスイオン発生源である。この構成では、光半導体の価電子帯の電子が伝導帯に励起される。そして、励起された電子に光を照射すると光エネルギーを吸収して電子が空気中に放出され、電子が空気中の分子と反応してマイナスイオンが生成される。従って、光照射量によりマイナスイオン発生量の制御ができる。特に、光半導体薄膜の表面形状を凹凸にすることにより、凸部で電場の集中が起こるためマイナスイオン発生量の増大とマイナスイオン発生印加電圧の低減ができることを特徴とするものである。
【０００６】
又、導電性基板上に光半導体薄膜を形成し、光半導体薄膜に光半導体より仕事関数の低い分子をアイランド状に形成させたことを特徴とするものである。この構成にすると、光半導体より仕事関数の低い元素を用いることによりマイナスイオン発生印加電圧を低減することができる。
【０００７】
又、光半導体薄膜は、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化鉄、硫化カドミウム、シリコンカーバイト及びガリウムヒ素の少なくとも１種類から成ることを特徴とするものである。
【０００８】
又、アイランド状に成長させた分子は金属、合金、半金属、金属酸化物、セラミック及び半導体の少なくとも１種類以上から成るマイナスイオン発生源である。
【０００９】
又、導電性基板に負電圧を印加し、光半導体薄膜に励起光を照射することを特徴とするマイナスイオン発生方法である。この方法によると、電子を空気中に放出するのに必要な印加負電圧を低下することができ、更に励起された電子に光が照射されると光エネルギーを吸収して電子が放出され、マイナスイオン発生量の増大が得られる。
【００１０】
又、マイナスイオン発生源を加熱しながら負電圧を印加し、光半導体薄膜に励起光を照射するマイナスイオン発生方法である。この方法によると、加熱によるエネルギーにより光半導体薄膜から熱電子が放出されるのでマイナスイオン発生量の増大が得られる。
【００１１】
又、光半導体薄膜の表面形状を凹凸にする手段として、エッチング法、スパッタリング法及び電解研磨法の少なくとも１つ又は複合した手段を用いることを特徴とするものであり、凹凸の制御がμｍ以下のオーダーで可能となる。
【００１２】
又、アイランド状に形成する方法は、マスキング加工と複合させて真空蒸着法、スパッタリング法、気相成長法、ゾルゲル法及びプラズマ溶射法の少なくとも１つの手段を用いたことを特徴とするものである。この方法によると、アイランドの大きさ及び結晶構造の制御が可能となる。
【００１３】
又、光半導体薄膜へ照射する励起光の波長領域が３８０ｎｍ以上の近紫外線領域から可視領域とすることを特徴とするものであります。この波長領域を用いると人体に照射されても無害である。
【００１４】
又、導電性基材の形状が針状、鋸型、線状及び矩型とすることを特徴とするものである。この構成とすると、マイナスイオン発生源の小型化が可能となり、更に凸部で電場の集中が起こるためマイナスイオン発生量が増大が可能となるとともにマイナスイオン発生印加電圧の低減が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本願発明の第１の実施形態を図１，２，４，５，６、及び７に示す。図１は導電性基材２に光半導体薄膜１を形成した直後のマイナスイオン発生源の拡大断面図である。図２は本願発明であるマイナスイオン発生源の拡大断面図である。マイナスイオン発生源は導電性基材２に光半導体薄膜１を形成後、表面形状をエッチング法、スパッタリング法及び電解研磨法の少なくとも一つ又はこれらの複合方法を用いることにより凹凸形状とする。このような形状とすることにより凸部で電場の集中が起こる為マイナスイオン発生量の増大とマイナスイオン発生印加電圧が低下すると考えられる。図４に光半導体のバンドギャップエネルギーと波長の関係を示している。図５は図１におけるマイナスイオン発生源の導電性基板２に負電圧を印加し、光半導体薄膜１に励起光を照射した場合のマイナスイオン発生源からの電子放出過程の原理図である。ここにおいて、縦方向には電子ポテンシャルを、横には領域を示しており、９には光半導体薄膜１内部領域を、１０には光半導体薄膜１表面領域を、１１には光半導体薄膜１の外部領域を示している。又、Ｅfは光半導体薄膜１のフェルミ準位である。光半導体薄膜１内部の電子は何本かのエネルギー帯（図５における点線部）に束縛されており、統計力学的には絶対温度０においては束縛電子は禁止帯の領域に存在するフェルミ準位Ｅfを越えることはない。ここにおいて最もフェルミ準位Ｅfに近いエネルギー帯に束縛されている電子７（位置Ａ）に外部から紫外線等の電子ポテンシャル６に相当するエネルギーを有する励起光５が照射すると半導体薄膜１による固定値である仕事関数８を飛び越えて電子７は電子ポテンシャルのより低い外部領域１１に飛び出ることとなる。ここにおいて、仕事関数８はフェルミ準位Ｅfからの高さである。
【００１６】
次に、導電性基材２に光半導体薄膜１を形成しているので、導電性基材２に負電荷を印加すると、ショットキー効果により光半導体薄膜１の仕事関数８は減少することとなり、エネルギーの低い（＝波長の長い）励起光５においても電子が外部に放出されることとなる。即ち、仕事関数８は負電圧印加により低下し、一旦、励起光５が電子７（位置Ａ）に照射すると電子ポテンシャルの増加により電子７は位置Ｂの電子ポテンシャルまで上昇し、その結果として、低下した仕事関数８より電子７（位置Ｂ）の電子ポテンシャルは上昇するので電子７は位置Cへと横平行移動される。更に、光半導体薄膜１の価電子帯の電子は非常に多く存在しているので、常に伝導帯に励起されることとなり、電子は励起光５を照射し続ける限りは半永久的に上記動作は継続される。
【００１７】
図４には光半導体薄膜１の種類に応じたバンドギャップが表示されており、そのバンドギャップに対応した波長を表示しており、これらの光半導体を用いることにより３８８ｎｍ以上の近紫外から可視領域の励起光を用いることが可能であることが理解できる。
【００１８】
次に試料の構成、実験方法について述べる。導電性基材２には４０×４０ｍｍ四方の白金を、光半導体として（株）光触媒研究所製ＰＳＡ−０１を用いた。光半導体薄膜作製は、白金基材である導電性基材２には酸化チタンゾル液（ＰＳＡ−０１）を刷毛塗りにより膜厚を約１μｍとし、その後、約７００℃で約1時間の焼き付けを行った。
【００１９】
上記試料を絶縁体であるアクリル板に固定し、白金基材に直流負電圧を印加した後に励起光５を照射した時と照射しない時におけるマイナスイオン濃度の測定を行った。このマイナスイオン濃度の測定には（株）ダン科学製空気イオンカウンタ（型式：８３−１００１Ｂ）を用いて移動度が１（ｃｍ2）／（Ｖ・秒）以上のマイナスイオン濃度を２秒間隔で１０分間測定し、これらの平均値を測定値とした。尚、ここにおいてはマイナスイオン発生源から距離１５ｃｍ離れたところのマイナスイオン濃度を測定している。
【００２０】
図６には、マイナスイオン発生印加電圧と酸化チタン薄膜の塗布の関係を示している。ここにおいて、光半導体である酸化チタン薄膜を塗布している場合にはマイナスイオン発生印加電圧は約６ｋＶであるのに対し、酸化チタン薄膜の塗布がない場合にはマイナスイオン発生印加電圧は約８ｋＶであった。これは白金と酸化チタン固有の仕事関数の差に起因している。
【００２１】
図７には、印加電圧を６ｋＶとした場合における波長３６８ｎｍ、強度約３ｍＷ／ｃｍ2の励起光５を照射した場合のマイナスイオン発生濃度について表示している。酸化チタンに励起光５を照射した場合は照射しない場合に比べて約３倍のマイナスイオンの発生量が確認されている。これは励起光５のエネルギーにより価電子帯にある電子が伝導帯に励起される為伝導帯への電子の供給作用が起こっていることに起因している。
【００２２】
（第２の実施形態）
本願発明の第２の実施形態を図３に示す。図３は本願発明であるマイナスイオン発生源の拡大断面図である。マイナスイオン発生源は導電性基材２に光半導体薄膜１を形成後、光半導体より仕事関数の低い元素を光半導体薄膜１表面上にアイランド状に成長させている。このアイランド状部３は金属、合金、半金属、合金、金属酸化物、セラミック及び半導体の少なくとも１種類以上から構成されており、特に仕事関数８が低いアルカリ金属が有効である。アイランド状部３の形成方法として、マスキング加工と複合させて真空蒸着法、スパッタリング法、気相成長法、ゾルゲル法及びプラズマ溶射の少なくとも一つの手段を用いている。仕事関数８の低いアイランド状部３からの電子放出によりマイナス発生印加電圧が低下すると考えられる。
【００２３】
【発明の効果】
本願発明によれば、光半導体に励起光を照射することにより光半導体の電子が伝導帯に励起されるので、光照射の有無によりマイナスイオン発生量の制御とマイナスイオン発生印加電圧の低減が可能となる。更に、光半導体薄膜の表面形状を凹凸形状とすることにより、凸部で電場の集中が起きマイナスイオン発生量の増大とマイナスイオン発生印加電圧の低減が可能となるとともにマイナスイオン発生源を小型化にすることが容易となる。
【００２４】
又、表面に光半導体よりも仕事関数が低い材料をアイランド状に形成することによりマイナスイオン発生印加電圧の低減が可能となる。
【００２５】
又、マイナスイオン発生源を加熱することにより熱電子が放出される為マイナスイオン発生量が増大する。
【００２６】
又、本願発明の製造方法を用いると、μｍ以下のオーダーで凹凸の制御ができ、アイランドの大きさ及び結晶構造の制御をすることが可能となる。
【００２７】
又、励起光として、本願発明の波長領域を用いると人体に無害である。
【図面の簡単な説明】
【図１】導電性基材に光半導体薄膜を形成後の拡大断面図である。
【図２】本願発明のマイナスイオン発生源の拡大断面図である。
【図３】本願発明の他のマイナスイオン発生源の拡大断面図である。
【図４】本願発明の光半導体のバンドギャップエネルギーと波長との関係を表示するテーブルである。
【図５】本願発明の電子放出の原理図である。
【図６】本願発明のマイナスイオン発生量と印加電圧特性を示すグラフである。
【図７】本願発明のマイナスイオン発生量と光照射特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１      光半導体薄膜
２      導電性基板
３      アイランド状部
５      励起光
６      励起光のエネルギー
７      電子
８      仕事関数
９      内部領域
１０    表面領域
１１    外部領域
【図１】
0003660546.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003660546.tif 000007
【図７】
0003660546.tif 000008