CN1029655C - 长期工作于高温下的透明导电薄膜电加热器 - Google Patents
长期工作于高温下的透明导电薄膜电加热器 Download PDFInfo
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Abstract
一种以氧化铟-氧化锡，或氧化锑-氧化锡，或氧化锌-氧化铝为主要成分并掺入In、Sn、Sb、Al等掺杂元素的透明导电薄膜电加热器。它可以从室温至400℃以上温度下长期稳定地工作。可广泛用于各种家用电热设备、工业烘烤设置、仪器仪表恒温槽等。
Description
本发明涉及一种透明导电薄膜电加热器及其应用。具体涉及一种利用化学气相沉积或物理气相沉积方法在各种绝缘材料上镀复氧化铟、氧化锡或氧化锌等导电薄膜电加热器。
传统各类电加热器大多采用电热丝作为发热元件，即将电热丝缠绕或嵌入载热体中，因此常存在接触热阻大、加热均匀性差、启动速率受到接触热阻限制、热效率低等种种缺点。此外这类加热器常采用金属或陶瓷材料作为载热体，无法做成透明的，从外观和结构上很难从实用、新型上进一步突破。对金属材料还常存在因载热体与电阻丝之间的绝缘性下降而导致的各种安全问题。
近年来国内外开始发展采用透明导电氧化物薄膜作为电热材料制造电热器件，例如实用新型专利申请CN 85201039U是一种电加热器皿，它是在由玻璃、陶瓷或搪瓷等材料做成的任意形状器皿表面上，涂镀一层具有电热效应的半导体导电膜。在此导电膜上粘贴或镀上电极，且用导线与外用电源连接而构成电加热器皿，又如发明专利申请CN 86100500A是一种涂料型电发热体;发明专利申请CN 87103537A是另一种电发热体;日本专利（昭61-16153）也介绍了一种将均匀透明导电性薄膜用于汽车窗玻璃上;日本专利（昭57-56352）涉及一种用于汽车窗玻璃的电加热薄膜，它既可反射太阳光中红外线，又可以使玻璃具有“去雾功能”。但是目前为止，这类材料和器件一般存在（1）电热薄膜的工作温度均低于150℃，在高温下导电性能退化、使用寿命很短。（2）由于电加热器一般需要在
高温和大负荷的工况下工作，高温条件下的电极往往由于电阻局部升高，接触点易烧坏而断路。从导电薄膜表面引线需要采用专门技术以解决电接触问题，目前这类产品或专利申请没有足够数据可证明这方面技术是过关的。（3）利用氧化物导电薄膜制造大面积高效红外辐射加热器用于取暖、工业烘烤以及医学理疗等方面的应用尚未开发应用。
本发明目的是提供一种可长期工作于高温状态（400℃）下的透明导电性薄膜电热器，并将这种耐高温导电性薄膜电热器广泛应用于各种家用电热设备、工业烘烤设备、红外辐射取暖设备等。
本发明是利用化学气相沉积或磁控溅射工艺制备以电加热为应用目的的氧化铟、氧化锡和氧化锌导电薄膜，通过在CVD气相沉积或溅射靶材中添加5-15%掺杂元素（In、Sn、Sb、Al）制备出薄膜电阻在40Ω/□以下的透明导电薄膜。该涂层的面功率密度可达5W/cm2以上。将本发明导电加热薄膜镀加在透明或不透明基材上并配以电极就形成本发明的电加热器。本发明导电薄膜的基材可以是各种玻璃（如普通玻璃、微晶玻璃、石英玻璃等）或透明塑料薄膜等透明材料，可用来生产各类家用电热烧烤器具或红外反射屏（热镜）;本发明导电薄膜的基材也可以是陶瓷、云母片、云母陶瓷、塑料等不透明材料，可用来生产高效红外辐射加热器，广泛用于取暖、工业烘烤和医学理疗。
本发明采用Cr、Ni、Ni-Cr、Cu、Au等单一或复合电极材料，解决了加热器高温下引线的接触问题。
本发明通过对电热薄膜工作环境的气氛控制来防止薄膜材料导电性能的退化;并在电热薄膜表面加涂透明防老化涂层（聚四氟乙烯与六氟丙烯共聚物或有机硅涂层）防止薄膜导电性能在大气环境中退化。
本发明透明导电薄膜电加热器能够在大气温度乃至超过400℃
长期稳定地工作，工作寿命不低于4000小时。其次，冷热重复冲击对镀层工作无影响，电极与镀层的连接面也处于良好的工作状态。此外，本发明透明导电薄膜加热器的外观均匀透明、可见光透射率90%以上，红外反射率85%至90%以上，从而能够广泛应用于各种家用电热设备（包括各种家用加热、烘烤设备，如电热锅、电烧锅、热垫、电烤箱、烧烤器、烘面包机、三明治机等）工业烘烤设备、暖房、空调系统、仪器仪表恒温槽等。
为了进一步说明本发明的导电薄膜电加热器，现结合附图1和实施例作如下说明：图1为本发明的导电薄膜加热器的基本系统，其中1为电极，2为透明导电发热薄膜，3为基材，4为导线，导线可连接于电源。
实施例1：以下述配方进行化学气相沉积（CVD）在透明微晶玻璃上镀复：
SnCl425g
SbCl30.15g
95%乙醇 5ml
浓HCl 3ml
携源气体：氩气，压力0.1-0.5kg/cm2。
基材温度：450-600℃
将所制得的镀有导电薄膜的微晶玻璃制成如图1所示的导电薄膜电加热器基本系统，其中1为金属复合电极（Cu-Au），电极采用真空蒸镀方法制备，各层厚度为：
Cu层 300nm
Au层 100nm
性能控制：导电涂层厚度500±10nm
外层为氧化硅薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻：40±2Ω/□
实施例2：以下述配方进行化学气相沉积（CVD）在透明石英玻璃（基材）上镀复：
SnCl425g
SbCl30.25g
9.5%乙醇 5ml
浓HCl 3ml
实施方法同实施例1，仅改变下列条件-电极为金属复合电极
Cu层 300nm
Ni层 100nm
性能控制：同实施例1
实施例3：以下述配方进行化学气相沉积（CVD）在基材上镀复：
InCl325g
SnCl40.15g
95%乙醇 5ml
浓HCl 3ml
所有实施方法及性能控制均同实施例1，仅改变下列条件-
基材：普通玻璃
电极：金属复合电极Ni-Cr 500nm
实施例4：以下述配方进行化学气相沉积（CVD）在基材上镀复：
InCl325g
SnCl40.25g
95%乙醇 5ml
浓HCl 3ml
所有实施方法及性能控制均同实施例1，仅改变下列条件-
基材：塑料薄膜
电极：金属Ni电极500nm。
实施例5：以下述配方进行化学气相沉积（CVD）在基材上镀复：
InCl325g
SnCl40.15g
95%乙醇 5ml
浓HCl 3ml
所有实施方法及性能控制均同实施例1，仅改变下列条件-
基材：云母片
电极：金属Cu电极500nm。
实施例6：以下述配方进行化学气相沉积（CVD）在基材上镀复：
InCl325g
SnCl40.25g
95%乙醇 5ml
浓HCl 3ml
所有实施方法及性能控制均同实施例1，仅改变下列条件-
基材：云母陶瓷
电极：金属复合电极Cu 300nm
Au 100nm
实施例7：通过磁控反应溅射薄膜沉积工艺在陶瓷基材表面镀复氧化铟、氧化锡导电薄膜，溅射时采用：
靶材为85%锡掺杂15%铟的合金靶
溅射装置：JT12磁控溅射装置
溅射参数：溅射电压500-700伏
溅射电流25-40A
溅射气体Ar+O2（其中O2的体积%为10%）
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为聚四氟乙烯与六氟丙烯共聚物薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻：40±2Ω/□
将所制得的镀有导电薄膜的陶瓷基材制成如图1所示的导电薄膜电加热器基本系统，其中1为金属复合电极Ni-Cr（500nm），采用磁控溅射法制备，2为透明导电发热薄膜，3为基材，4为导线，
导线可连接于电源。
实施例8：通过磁控反应溅射薄膜沉积工艺在陶瓷基材表面镀复氧化铟、氧化锡导电薄膜，溅射时采用：
靶材为90%（重量）锡掺杂10%（重量）铟的合金靶，
溅射装置及参数同实施例7，
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为氧化硅薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻：40±2Ω/□
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示的导电薄膜电加热器基本系统，但其中电极采用：Cu 300nm
Au 100nm
实施例9：通过磁控反应溅射薄膜沉积工艺在塑料基材表面镀复氧化铟、氧化锡导电薄膜，溅射时采用靶材为95%（重量）锡掺杂5%（重量）铟的合金靶，溅射装置及参数同实施例7。
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为聚四氟乙烯与六氟丙烯共聚物薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻：40±2Ω/□
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示的导电薄膜电加热器基本系统，但其中电极采用Cu 500nm
实施例10：通过磁控反应溅射薄膜沉积工艺在陶瓷基材表面镀复氧化铟、氧化锡导电薄膜，溅射时采用：
靶材为80%（重量）铟掺杂20%（重量）锡的合金靶，
溅射装置及参数同实施例7
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为氧化硅薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻：40±2Ω/□
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示的导
电薄膜电加热器基本系统，其中电极采用金属复合电极：Cu 300
nm
Ni 100
nm
实施例11：通过磁控反应溅射薄膜沉积工艺在微晶玻璃基材表面涂复氧化铟、氧化锡导电薄膜，溅射时采用靶材为90%（重量）铟掺杂10%（重量）锡的合金靶，溅射装置及参数同实施例7。
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为氧化硅薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻：40±2Ω/□
其它实施方法同实施例10。
实施例12：通过磁控反应溅射薄膜沉积工艺在陶瓷基材表面镀复氧化铟、氧化锡导电薄膜，溅射时采用：
靶材为95%（重量）铟掺杂5%（重量）锡的合金靶，
溅射装置及参数同实施例7
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为氧化硅薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻：40±2Ω/□
其它实施方法同实施例10。
实施例13：通过高频溅射薄膜沉积工艺在石英玻璃基材表面镀复氧化锡、氧化铟导电薄膜，溅射时采用：
靶材为95%（mol%）氧化锡，掺合5%（mol%）氧化铟，溅射装置JD-450D，电压1500V，电流0.2A。
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为聚四氟乙烯与六氟丙烯共聚物薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻：40±2Ω/□
同实施例7，将所得镀有导电薄膜基材制成如图1所示电加热
器，电极为Cu 500nm。
实施例14：通过高频溅射薄膜沉积工艺在石英玻璃基材表面镀复氧化锡、氧化铟导电薄膜，溅射时采用装置及参数同实施例13。
靶材为90%（mol%）氧化锡，掺合10%（mol%）氧化铟，
性能控制：导电涂层厚度及薄膜表面电阻同实施例7外层为氧化硅薄膜0.1mm。
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示电加热器，电极为Cu 500nm。
实施例15：通过高频溅射薄膜沉积工艺在石英玻璃基材表面镀复氧化锡、氧化铟导电薄膜，溅射时采用：
靶材为85%（mol%）氧化锡，掺合15%（mol%）氧化铟，溅射装置及参数同实施例13。
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为聚四氟乙烯与六氟丙烯共聚物薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻40±2Ω/□
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示电加热器，电极为Cu 500nm。
实施例16：通过高频溅射薄膜沉积工艺在普通玻璃基材表面镀复氧化铟、氧化锡导电薄膜，溅射时装置及参数同实施例13。
靶材为95%（mol%）氧化铟，掺合5%（mol%）氧化锡，
性能控制：导电涂层厚度及薄膜表面电阻同实施例7，外层为氧化硅薄膜0.1mm。
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示电加热器，电极为Cu 500nm。
实施例17：通过高频溅射薄膜沉积工艺在普通玻璃基材表面镀复氧化铟、氧化锡导电薄膜，溅射时装置及参数同实施例13。
靶材为90%（mol%）氧化铟，掺合10%（mol%）氧化锡，溅
射装置及参数同实施例13。
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为聚四氟乙烯与六氟丙烯共聚物薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻40±2Ω/□
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示电加热器，电极为Cu 500nm。
实施例18：通过高频溅射薄膜沉积工艺在普通玻璃基材表面镀复氧化铟、氧化锡导电薄膜，溅射时采用装置及参数同实施例13。
靶材为85%（mol%）氧化铟，掺合15%（mol%）氧化锡，
性能控制：导电涂层厚度及薄膜表面电阻同实施例7，外层为氧化硅薄膜0.1mm。
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示电加热器，电极为Cu 500nm。
实施例19：通过高频溅射薄膜沉积工艺在石英玻璃基材表面镀复氧化锡、氧化锑导电薄膜，溅射时采用：
靶材为95%（mol%）氧化锡，掺合15%（mol%）氧化锑，溅射装置及参数同实施例13。
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为聚四氟乙烯与六氟丙烯共聚物薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻40±2Ω/□
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示电加热器，电极为Ni-Cr复合电极500nm。
实施例20：通过高频溅射薄膜沉积工艺在石英玻璃基材表面镀复氧化锡、氧化锑导电薄膜，溅射时采用：
靶材为90%（mol%）氧化锡，掺合10%（mol%）氧化锑，溅射装置及参数同实施例13。
性能控制：导电涂层厚度及薄膜表面电阻同实施例7，外层为聚
四氟乙烯与六氟丙烯共聚物薄膜0.1mm。
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示电加热器，电极为Ni-Cr复合电极（500nm）。
实施例21：通过高频溅射薄膜沉积工艺在石英玻璃基材表面镀复氧化锡、氧化锑导电薄膜，溅射时采用：
靶材为85%（mol%）氧化锡，掺合15%（mol%）氧化锑，溅射装置及参数同实施例13。
性能控制：导电涂层厚度为500±10nm
外层为聚四氟乙烯与六氟丙烯共聚物薄膜0.1mm
导电薄膜表面电阻40±2Ω/□
同实施例7，将所得镀有导电薄膜的基材制成如图1所示电加热器，电极为Ni-Cr复合电极500nm。
实施例22：通过磁控反应溅射薄膜沉积工艺在微晶玻璃基材表面镀复氧化锌、氧化铝导电薄膜，溅射时采用：
靶材为85%（重量）锌渗杂15%（重量）铝的合金靶，
其他实施方法完全同实施例7。
实施例23：按实施例22同样方法实施，仅改变靶材为80%（重量）锌渗杂20%（重量）铝的合金靶。
实施例24：按实施例22同样方法实施，仅改变靶材为75%（重量）的锌渗杂25%（重量）铝的合金靶。
本发明透明导电薄膜测试结果
一、光学性能
1.可见光区（400-700nm）的透过特性
透过特性由Cary 2300分光光度计测定，根据太阳质量为2的能量分布计算可见光区的太阳透过率，结果如下：
衬底玻璃 85%
涂有透明导电薄膜的玻璃 80%
经计算，透明导电薄膜的可见光区太阳透明率94%。
2.红外（4000-400cm-1）反射性能
红外反射由NICOLET-7000付立叶红外光谱仪测定，以Au为参考样品，透明导电薄膜的红外反射率大于95%。
二、寿命试验
在通电电压为100V的条件下，对透明导电薄膜进行通电试验。样品尺寸为35×70mm2，电极尺寸为35×10mm2。通电时间大于4000小时，其性能基本稳定不变，具体如下：
时间（hr） 温度（℃） 电流（A）
3 410 0.62
120 400 0.62
4000 420 0.62
Claims (7)
1、一种用化学气相沉积(CVD)或磁控溅射镀膜方法镀复在各种透明或不透明绝缘材料上的透明导电薄膜电加热器，其特征在于：
(1)该导电薄膜镀复材料含有以半导体金属氧化物为主要成份、并掺入5-15%(摩尔%)的掺杂剂，该半导体金属氧化物选自氧化铟，氧化锡或氧化锌，掺杂剂选自金属铟、锡、锑或铝等；
(2)选用Cr、Ni、Ni-Cr、Cu、Au等单一或复合金属薄膜作为高温电极材料。
2、如权利要求1所述的透明导电薄膜电加热器，其特征在于所述的导电薄膜表面还可加镀/涂有透明保护镀层。
3、如权利要求2所述的透明导电薄膜电加热器，其特征在于它的外层透明保护涂层为聚四氟乙烯与六氟丙烯共聚物。
4、如权利要求2所述的透明导电薄膜电加热器，其特征在于它的外层透明保护镀层为氧化硅。
5、如权利要求2所述的透明导电薄膜电加热器，其特征在于它的外层透明保护镀层为透明甲基有机硅树脂。
6、如权利要求1-5所述的任一种导电薄膜电加热器，其特征在于该导电薄膜镀复材料为氧化锌及铝掺杂剂。
7、如权利要求1-5所述的任一种导电薄膜电加热器，其特征在于该导电薄膜镀复材料为氧化铟及金属锡掺杂剂。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN 92109071 CN1029655C (zh) | 1992-07-31 | 1992-07-31 | 长期工作于高温下的透明导电薄膜电加热器 |
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| CN 92109071 CN1029655C (zh) | 1992-07-31 | 1992-07-31 | 长期工作于高温下的透明导电薄膜电加热器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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1992
- 1992-07-31 CN CN 92109071 patent/CN1029655C/zh not_active Expired - Fee Related
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