JP2011228308A - 面状発熱体の製造方法およびそれにより製造された面状発熱体 - Google Patents

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Abstract

【課題】安価で、絶縁基板をプリンティングした後にも均一で、完成後に熱伝導に問題点がない面像発熱体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁基板２に積層されたアルミニウムホイル３を所定のパターンでエッチングし、カーボンペーストをプリンティングした後、電流入力端子５を並列に連結する面状発熱体１の製造方法において、該カーボンペーストが、低抵抗カーボンペーストと高抵抗カーボンペーストとの混合物であることを特徴とする面状発熱体の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁基板に積層されたアルミニウムホイルを所定のパターンでエッチングし、カーボンペーストをプリンティングした後、電流入力端子を並列に連結する面状発熱体の製造方法およびそれにより製造された面状発熱体に関するもので、より詳細には電極層である絶縁基板に蒸着されたアルミニウムホイルを段階的にテンパリング(tempering)して熱変形を防止し、電熱性カーボン、黒鉛、樹脂、溶剤および硬化剤を混合して製造されたカーボンペーストを使用して抵抗体を形成することを特徴とする面状発熱体の製造方法およびそれにより製造された面状発熱体に関する。
面状発熱体とは、面状の絶縁輻射体の内部に抵抗発熱体を装着し、発熱体の伝導熱により加熱された輻射体からの遠赤外線輻射を利用する方式のヒーターを意味し、抵抗発熱体としては金属薄板、金属酸化物の表面処理、セラミクッス板タイプ、カーボンブラック、炭素繊維タイプ等が挙げられる。
従来、面状発熱体の中で、PTC抵抗体がないものは、直流で電流を通じ発熱させるものとして抵抗体の抵抗が低く、電流が高くて発熱体の温度制御が容易ではないばかりか、別途の電極なしで発熱体に直接電流を引加することは電気伝導度が均一でない短所があった。また、電極および抵抗体からなるものは、その殆んどが、電極としては銀等の金属粉末を樹脂に配合してこれをプリンティングし、抵抗体としては炭素類を樹脂に配合してこれをプリンティングした後、電極に電流を引加して抵抗体において発熱させるものである。銀そのものは導体として導電性が良好するが、面状発熱体に使用されるものは、銀を粉末状態で合性樹脂に配合したシルバーペーストであるので導電性が劣り、しかも製造工程が複雑で、コストが高い短所があった。
本発明者は、かかる問題点を解決すべく、絶縁基板に積層されたアルミニウムホイル上にエッチングレジスターを所定のパターンで印刷する工程; エッチング剤を噴射して前記エッチングレジスターの印刷部分以外のアルミニウムホイルを腐蝕させる工程; アルカリ水溶液等でエッチングレジスターおよびエッチング剤を洗浄する工程; カーボンペーストを使用して所定の形状でプリンティングする工程; 電流入力端子を前記アルミニウムホイルの電極層に並列に連結する工程からなる面状発熱体の製造方法に係る発明を出願し登録を受けた(特許文献１参照)。
しかしながら、上記方法によっても、絶縁基板として主に使用されるPETフィルムが製造過程において熱変形を起し、プリンティングが均一に行われない問題が発生するとか、完成後にも熱伝導に問題が起こる恐れがあったし、抵抗体で使用するカーボンペーストを製造する際に、電熱性カーボン、樹脂、溶剤、硬化剤等の組成比率によって発熱特性等の物性が良くなくなる問題点もあった。
韓国特許第411401号
従って、本発明の目的は、従来の技術より安価で、絶縁基板をプリンティングした後にも均一で、完成後に熱伝導に問題点がない面像発熱体およびその製造方法を提供することにある。
本発明者は、均一な伝導性、優れた発熱効果を有する面状発熱体の製造において、熱変形により製造過程においてプリンティングが均一でないとか、完成後の熱伝導度の問題点がなく、また抵抗体であるカーボンペーストの発熱特性等の物性を最適化するために研究した結果、絶縁基板に積層されたアルミニウムホイルを段階的にテンパリングすることにより熱変形を防止でき、カーボンペースト製造時、物性を最適化するための組成比率で各成分を混合して製造された抵抗体であるカーボンペーストを使用し面状発熱体を製造することで、均一な熱伝導度、優れた発熱効果を奏することを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、絶縁基板に積層されたアルミニウムホイルを所定のパターンでエッチングし、カーボンペーストをプリンティングした後、電流入力端子を並列に連結した面状発熱体の製造方法において、該カーボンペーストが、低抵抗カーボンペーストと高抵抗カーボンペーストとの混合物であることを特徴とする面状発熱体の製造方法を提供するものである。
更に、本発明は、上記に記載の方法の何れかにより製造された面状発熱体を提供するものである。
本発明の面状発熱体の製造方法によれば、伝導性が均一で、発熱効果に優れ、絶縁基板の熱変形を防止して製造過程を容易にし、熱伝導度を均一に保持し得る面状発熱体が得られる。
また、本発明面状発熱体は、電熱性カーボン、黒鉛、樹脂、溶剤、硬化剤等が抵抗体の物性を最適化する組成比率で含まれたカーボンペーストを抵抗体として取り備えているため、伝導性が良好で、温度の偏差が殆んどない。
さらに、本発明面状発熱体は、所望の抵抗値を得るために上記成分が混合された低抵抗カーボンペーストと、高抵抗カーボンペーストとを混合して抵抗体を形成することにより、多様な発熱特性を自由自在に選ぶことができる。
本発明による面状発熱体の平面図である(接着剤層および離形紙は図示しない)。 本発明による面状発熱体の断面図である。 段階的テンパリングを行わない場合、アルミニウムホイルが蒸着された絶縁基板の乾燥前の薄膜の写真である。 乾燥後、収縮の発生したアルミニウムホイルが蒸着された絶縁基板の薄膜の写真である。 本発明による面状発熱体の電流入力端子の組立て構造を示した斜視図である。
以下、添付の図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図1は本発明による面状発熱体の平面図であり、図2は本発明による面状発熱体の断面図である。これによると、本発明による面状発熱体(1)は、絶縁基板(2)、アルミニウムホイル(3)、カーボンペースト(4)および電流端子(5、5')を含む。
本発明による面状発熱体(1)は、絶縁基板(2)に積層されたアルミニウムホイル(3)を電極層として使用するが、絶縁基板(2)としては抵抗体のカーボンペースト(4)に使用される樹脂との相溶性を有するものであるべきであり、この観点から特にPETシート等が望ましい。
本発明においては、絶縁基板(2)に蒸着されたアルミニウムホイル(3)をテンパリングする過程を経るが、これは、発熱体の製造において、絶縁基板(2)がプリンティングおよび乾燥過程で熱変形が発生して、プリンティングが均一に行われないとか、熱伝導度に問題が発生する恐れがあるため、これを改善するためのものである。かかるテンパリングは、所要時間、エネルギー使用量および熱変形防止の観点から、段階的に行われることが望ましい。すなわち、テンパリングは、段階的に0℃ないし40℃で1.5時間ないし2.5時間、40℃ないし70℃で1.5時間ないし2.5時間、70℃ないし100℃で2.5時間ないし3.5時間、および100℃ないし130℃で14時間ないし18時間実施することが望ましく、特に0℃ないし40℃で2時間、40℃ないし70℃で2時間、70℃ないし100℃で3時間、および100℃ないし130℃で16時間実施することが望ましい。上記テンパリング過程を経た絶縁基板(2)に蒸着されたアルミニウムホイル(3)は、後述のプリンティングおよび乾燥工程においても熱変形が発生されないため、プリンティングが均一に行われ、また面状発熱体(1)の熱伝導度も均一に得られる。
テンパリング後に、プリンティングおよびエッチングを容易にするため洗浄および乾燥過程を経ることが望ましい。洗浄はpH10ないし12の洗浄液を使用して3.3m/min.ないし3.4m/min.の洗浄速度で行い、洗浄後50℃ないし65℃で乾燥させることが望ましい。
洗浄および乾燥した絶縁基板(2)に積層されたアルミニウムホイル(3)上に、エッチングレジスターで一定したパターンでプリンティングした後、乾燥する。エッチングレジスターは特に制限されず、市販の加熱エッチングレジスター、あるいはUVエッチングレジスターが使用される。乾燥は熱乾燥あるいはUV乾燥で行われるが、特にUV乾燥が望ましく、85℃ないし89℃の温度で10秒ないし20秒間乾燥することが望ましい。
その後、エッチングレジスターで保護された部分を除いた残りの部分を腐蝕する過程を経るが、この際、塩化第二鉄(Fe2Cl3)等の酸が使用され、かかる酸類を使用してエッチングレジスターで保護された部分以外のアルミニウムホイル(3)を腐蝕することになる。次いで、水酸化ナトリウム(NaOH)等のアルカリ水溶液を使用してエッチングレジスターを除去する。この過程を経ると、絶縁基板(2)上にアルミニウムホイル(3)からなる電極パターンのみが残るようになる。
本発明では、抵抗体としてカーボンペースト(4)を使用するが、カーボンペースト(4)は、電熱性カーボン、黒鉛、樹脂、溶剤および硬化剤を混合して製造することを特徴とする。
カーボンペースト(4)に使用されるカーボンとしては、電熱性を有するものであれば特に制限されず、電熱性の良い市販の電熱性カーボンと黒鉛とを混合して使用することが望ましい。
カーボンペースト(4)に使用される樹脂としては、熱変性が少く、カーボンと容易に配合されると共に、接着性を有し、水難容性のものであれば特に制限されない。例えば、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリイミド等が挙げられ、これらのうち、ポリエステル樹脂が最も望ましい。前述のとおり、カーボンペースト(4)に使用される樹脂としてポリエステル樹脂が望ましいため、絶縁基板(2)としてはこれと好適した相溶性を有するPETシート等が望ましい。
溶剤としてはブチルセルソルブアセテイトまたはブチルカルビトルアセテイト等が使用され、ブチルカルビトルアセテイトが望ましい。硬化剤は、通常のものであれば特に制限されず、ポリイソシアネート等が望ましい。本発明による面状発熱体(1)は、抵抗体であるカーボンペースト(4)の物性を最適化する比率で上記成分が混合されるので、発熱効果に優れ、温度の偏差が殆んどない等、物性が良好する。
また、カーボンペースト(4)は、低抵抗カーボンペーストと高抵抗カーボンペーストとを混合して所望の抵抗値を得るようにすることで、多様な発熱特性を自由自在に選ぶことができる。
低抵抗カーボンペーストは、電熱性カーボン15ないし25重量部、黒鉛5ないし15重量部、樹脂15ないし25重量部、および溶剤40ないし50重量部を混合して形成する。高抵抗カーボンペーストは、電熱性カーボン10ないし15重量部、黒鉛5ないし10重量部、樹脂25ないし30重量部、硬化剤2ないし5重量部、および溶剤40ないし50重量部を混合して形成する。
上記組成比率で混合した高抵抗カーボンペーストは、一次ローリングして100℃ないし150℃で40時間ないし48時間熟成し、再び二次ローリングして100℃ないし120℃で12時間ないし24時間熟成して使用することが望ましい。
抵抗体として単一カーボンペーストを使用するのは、理論上可能であるが、実際では、所定の抵抗値を得るために低抵抗カーボンペーストと高抵抗カーボンペーストとを混合して使用することが望ましく、その量は所望の抵抗値によって適宜選んで使用するが、望ましくは低抵抗カーボンペースト5ないし20重量部と高抵抗カーボンペースト80ないし95重量部とを混合して使用する。
所定の抵抗値を有するよう混合されたカーボンペースト(4)を、電極パターンが印刷されたアルミニウムホイル(3)にプリンティングし、乾燥する。乾燥は110℃ないし130℃の温度で3分ないし10分間行う。
この後、電流入力端子(5、5')を並接し、その上部をシリコンで塗布することができる。図５を參照すると、電流入力端子(5、5')は、面状発熱体(1)の下部に配置される端子ベース(5b)と結合されるもので、その構成は、該端子ベース(5b)の上部に設けられたポスト(5c)が、面状発熱体(1)上で該ポスト(5c)と対応形性された端子孔(5a)を下部より貫通して上部まで突出させた後、電流入力端子(5)を嵌め込んでパンチング手段でポスト(5c)の上部をパンチングすると、電流入力端子(5)と端子ベース(5b)の間に面状発熱体(1)が介在される。
この際に、図示のとおり、上記端子ベース(5b)の上面に凹凸部(5d)を形性すると、端子ベース(5b)と面状発熱体(1)下段との間に發生するスキド(skid)現象を防ぎ、電流入力端子(5)の組立て失敗率を減少させ得るため、不良率を減少させることができるようになる。
このように製造された面状発熱体(1)はそのまま使用可能であるが、流通や購買者の使用上の便宜を図るためにカーボンペースト(4)の上部に接着剤または両面接着テープを塗布することで接着剤層(6)を形成した後、離形紙(7)を付着することができる。
本発明により製造された面状発熱体(1)は、絶縁基板(2)に蒸着されたアルミニウムホイル(3)を段階的にテンパリングすることにより熱変形が防止され、均一にプリンティングが行われるため、熱伝導度も均一に得られる。しかも、電熱性カーボン、黒鉛、樹脂、硬化剤、溶剤等がカーボンペースト(4)の物性を最適化するよう混合され、抵抗体であるカーボンペースト(4)の発熱特性等の物性が最適化されると共に、発熱効果に優れた面状発熱体(1)を容易に低コストで製造することができる。さらに、所望の抵抗値を得るため低抵抗カーボンペーストと高抵抗カーボンペーストとを混合して使用することにより発熱特性を多様に変化させ得る長所もある。
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1
市販用アルミニウムホイルが積層されたPETシート(組成比 PET:アルミニウム=125:9、厚さ9.0μｍ)を、0℃ないし40℃で2時間、40℃ないし70℃で2時間、70℃ないし100℃で3時間、100℃ないし130℃で16時間段階的にテンパリングした後、pH10の洗浄液で洗浄した後、45℃ないし65℃の温度で乾燥した。エッチングレジスター(韓国太陽インク社、AS-500)を使用して所定のパターンでプリンティングした後、85℃の温度で12秒間UV乾燥した。その後、5%塩酸水溶液で、エッチングレジスタで保護された部分以外のアルミニウムホイルを腐蝕させ、これを水で洗浄した後、2%水酸化ナトリウム水溶液で処理した。
抵抗体であるカーボンペーストを構成する低抵抗カーボンペーストと高抵抗カーボンペーストを形成した。低抵抗カーボンペーストは、電熱性カーボン(日本東海カーボン社、SEAST 3H)20重量部、黒鉛(日本黒鉛工業株式会社製)10重量部、ブチルカルビトルアセテイト45重量部、およびコポリエスター樹脂(SKケミカル株式会社、SKYBON ES-300)25重量部を混合して形成した。なお、高抵抗カーボンペーストは、電熱性カーボン(日本東海カーボン社、SEAST 3H)15重量部、黒鉛(日本黒鉛工業株式会社製)5重量部、ブチルカルビトルアセテイト50重量部、硬化剤(AEKYUNGケミカル株式会社、BURNOCK DN-980S)5重量部、およびコポリエスター樹脂(SKケミカル株式会社、SKYBON ES-300)25重量部を混合した後、ー次ローリングして120℃で40時間熟成し、再び二次ローリングして100℃で24時間熟成して形成した。このように形成された低抵抗カーボンペースト約40gと高抵抗カーボンペースト約400gとを混合して、抵抗値8〜10Ωを有するカーボンペーストを製造し、上記電極パターンが印刷されたアルミニウムホイルに5〜7μｍの厚さでプリンティングした後、120〜125℃の温度で3〜5分間乾燥した。
その上に両面テープや接着剤層を形成し、離形紙を接着した後、電流入力端子を並接し、その表面にシリコンを塗布することで面状発熱体を製造した。
上記のように製造された面状発熱体は、熱伝導度が均一で、発熱効果も優れ、極めて高効率で、霜紋、氷、曇りを短時間で取り除くことができるため、特に自動車サイドミラー等に有用に使用される。
試験例1
本発明による面状発熱体は、アルミニウムホイルが蒸着されたPETフィルム等の絶縁基板を段階的にテンパリングすることにより熱変形を防止し、プリンティングが均一に行われるようにし、熱伝導度も均一に得られることを特徴とする。かかる本願発明の効果を明確にするために、上記実施例同と同様な条件の絶縁基板に積層されたアルミニウムホイルに対し段階的なテンパリングを行わない場合の、乾燥後の収縮程度を測定した。すなわち、テンパリングしないアルミニウムホイルが蒸着された絶縁基板29個をサンプルとし、上記実施例と同様にエッチングレジスターをプリンティングし、UV乾燥した後、乾燥前後の長さを比較することでアルミニウムホイルが蒸着された絶縁基板の収縮程度を測定し、その結果を表1,2に示した。また、乾燥前後のアルミニウムホイルが蒸着された絶縁基板の写真を図３および図４に示した。
表1、２、図３および図４に示したとおり、段階的なテンパリングしないアルミニウムホイルが蒸着された絶縁基板は、乾燥過程において収縮が起るため、変形が発生し、その後抵抗体であるカーボンペーストを旨くプリンティングし難いだけでなく、熱伝導度が均一でない問題点が発生するため、面状発熱体としての機能を十分発揮することができなくなる。よって、本発明ではかかる問題点を解決するため前述のとおり段階的にテンパリングすることにより熱変形を防止してプリンティングが均一に行われ、かつ熱伝導度も均一に得られる。
本発明によると、絶縁基板に積層されたアルミニウムホイルを段階的にテンパリングすることで熱変形を防止し得るため、伝導性が均一で、発熱効果に優れ、製造過程を容易にし、熱伝導度を均一に保持し得る面状発熱体の製造方法およびそれにより製造された面状発熱体が提供される。
また、本発明によると、電熱性カーボン、黒鉛、樹脂、溶剤、硬化剤等が抵抗体の物性を最適化する組成比率で含まれたカーボンペーストを抵抗体で使用し、発熱効果に優れ、温度の偏差が殆んどない面状発熱体の製造方法およびそれにより製造された面状発熱体が提供される。
さらに、本発明によると、所望の抵抗値を得るために、高抵抗カーボンペーストと低抵抗カーボンペーストとを混合して使用することにより、多様な発熱特性を自由自在に選ぶことのできる面状発熱体の製造方法およびそれにより製造された面状発熱体が提供される。
さらに、端子ベース上に形性された溝部で面状発熱体とのスキド(skid)現象を除去することにより、電流入力端子の組立て時發生する不良を減少させ得る面状発熱体が提供される。
１ 面状発熱体
２ 絶縁基板
３ アルミニウムホイル
４ カーボンペースト
５ 電流入力端子
６ 接着剤層
７ 離形紙

Claims (8)

  1. 絶縁基板に積層されたアルミニウムホイルを所定のパターンでエッチングし、カーボンペーストをプリンティングした後、電流入力端子を並列に連結する面状発熱体の製造方法において、該カーボンペーストが、低抵抗カーボンペーストと高抵抗カーボンペーストとの混合物であることを特徴とする面状発熱体の製造方法。
  2. カーボンペーストが、低抵抗カーボンペースト５ないし２０重量部と高抵抗カーボンペースト８０ないし９５重量部との混合物であることを特徴とする請求項１記載の面状発熱体の製造方法。
  3. 低抵抗カーボンペーストが、電熱性カーボン１５ないし２５重量部、黒鉛５ないし１５重量部、樹脂１５ないし２５重量部、および溶剤４０ないし５０重量部を混合して製造されたものであることを特徴とする請求項１記載の面状発熱体の製造方法。
  4. 高抵抗カーボンペーストが、電熱性カーボン１０ないし１５重量部、黒鉛５ないし１０重量部、樹脂２５ないし３０重量部、硬化剤２ないし５重量部、および溶剤４０ないし５０重量部を混合して製造されたものであることを特徴とする請求項１記載の面状発熱体の製造方法。
  5. 樹脂が、ポリエステル、ポリアクリレートおよびポリアミドからなる群より選ばれたものであることを特徴とする請求項３又は４記載の面状発熱体の製造方法。
  6. 混合して形成された上記高抵抗カーボンペーストが、一次ローリングして１００℃ないし１５０℃で４０時間ないし４８時間熟成し、再び二次ローリングして１００℃ないし１２０℃で１２時間ないし２４時間熟成したものであることを特徴とする請求項５記載の面状発熱体の製造方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法により製造された面状発熱体。
  8. 上記面状発熱体の上段に電流入力端子を構成し、その下段に該電流入力端子と固定される端子ベースを構成し、該端子ベースの上面に凹凸部が形成されたことを特徴とする請求項７記載の面状発熱体。
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