JP2019016491A - 透明面状発熱体、透明面状発熱体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱性能の高く、選択周波数によって電磁波透過性と電磁波遮蔽性のいずれかを備える、面状発熱体を提供すること。【解決手段】面状発熱体は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）等の金属酸化物、あるいは銅、銀の金属やＣＮＴの炭素系物質を数Åから数１０ｎｍの膜厚で成膜された電気抵抗の高い透明導電膜面２２に、細線の網目状（メッシュ）にパターン配線された電気抵抗の低い導電層２３を隣接して積層して構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、選択周波数により、電磁波の透過性と遮蔽性のいずれかを有し、かつ発熱性能を向上させた電熱式の透明面状発熱体の構造に関するものである。

冷凍、冷蔵ショーケースの分野において、防曇や霜取りを目的とする面状発熱体がしばしば用いられる。これらは、ショーケース扉面全体の透明性を向上させるため、発熱面を薄膜の透明性導電物質でコーティングし、面全体を均一に発熱させるタイプのものが多い。

また、面が導電物で覆われていることを利用して、電磁波遮蔽体としても機能する透明面状発熱体も提案されている。

特開平９−３０６６４７号公報

近年、画像、光、電波を用いたセンサの屋外利用増加に伴い、センサ前面に防曇や防着雪の目的で、面状発熱体を利用するケースが増えてきている。特に、防着雪を目的とする場合においては、従来以上の発熱性能が求められる。

発熱性能は、発熱面の電気抵抗の値に左右され、発熱温度と発熱面積に応じた所定の電気抵抗値で決められる。通常、導電材のコーティングの厚み、導電材の選択、パターン配線の形状等によって適正な値に調整する。

一方、電気抵抗値を下げると、発熱面の電磁波透過性が悪化して、センサの感度劣化につながる課題がある。特に光学センサや電波レーダにおいては、その強力な電磁波遮蔽性により、対象物が検知できなくなる本質的な課題がある。

また、これらのセンサは、電磁波を発信、発光するための素子と、反射電磁波を受信または受光するための素子を備え、特に受信、受光側の素子は、外来ノイズの影響を受けやすい。よってセンシングに必要な電磁波の透過性を確保して、それ以外の周波数帯の電磁波は、遮蔽できることが望ましい。

そこで、本発明は、発熱面の発熱性能向上と、選択周波数によって、電磁波透過性と電磁波遮蔽性のいずれかを有する面状発熱体の提供を目的とする。

本発明では、電熱式の面状発熱体であって、発熱面が、全面の透明導電膜に、パターン配線された導電層を隣接して積層する構造を有する面状発熱体を提供する。

ここで、「発熱面」とは、面状発熱体の電極間において、通電する程度の電気抵抗を有する面を言う。

また、「全面」とは、発熱面すべての領域に透明導電膜が一様に行き渡っていることを意味する。

また、「透明導電膜」は、電磁波透過性の観点から１０Ω／□以上の表面抵抗率を有し、全光線透過率が７０％以上である。

また、「透明導電膜」は、ＩＴＯ、ＩＺＯ等の金属酸化物、銅、銀等の金属、その他カーボン、導電性高分子材料等、導電性を有する材料の単層、または複層構造を広く意味する。透明性向上、成膜保護、また基材との密着性向上等、他の機能向上を目的とする異材料層が含まれていても良い。

また、「パターン配線された」とは、スクリーン印刷による導電層のパターン配線化を意味するが、透明導電膜に影響を与えずに、導電層のみのパターン配線を可能にする他のパターン配線形成加工も含まれる。

また、「導電層」は、銅、銀、金等の導電性の有する樹脂金属粉複合材料、単一の金属、合金等から構成され、それらの単層、積層のいずれをも含む。

また、「隣接して」とは、透明導電膜と導電層間において、面同士導通が確保されているという意味である。

本発明において、導電層に網目状のパターン配線を含むことができる。

ここで、「網目状」とは、目の形状が、一般的な方形の他、多角形等、いかなる形状であってもよく、また、これらの形状が不規則に羅列するものでもよい。

また、「導電層」は、透明導電膜と共に発熱体として機能する。電磁波透過性の観点から、網目の最大開口幅を、透過させたい電磁波の波長の１／１０長さ以上とする。

本発明において、電極材料を導電層の網目に入りこませ、電極材料は、透明導電膜と直接に接触することができる。

本発明において、透明導電膜に、グランドパターンを含むことができる。「グランドパターン」とは、発熱体電極の外側に形成されたグランド接続用のパターン配線を意味する。

ここで、グランドパターンの形状は任意である。また、透明導電膜自体をグランドパターンとしてもよく、他の導電材料を、透明導電膜に積層させてグランドパターンとしてもよい。

本発明は、電磁波透過性を向上させるため、相対的に電気抵抗の高い透明導電膜に、遮断周波数を考慮してパターン配線された相対的に電気抵抗の低い導電層を隣接して積層することで、特定周波数以上の電磁波透過性を確保と、発熱性能の著しい向上を図ることができる。

本発明は、導電層を網目状のパターン配線にすることで特定周波数以上の電磁波透過性と特定周波数未満の電磁波遮蔽性の両立を図ることができる。

本発明は、電極材料を導電層の網目に入りこませ、電極材料は、網目側面と導電層下の透明導電膜と、直接に接触することで、電極と発熱部間の接触抵抗を下げ、発熱性能の向上を図ることができる。

本発明は、透明導電膜面にグランドパターンを設けることで、電磁波遮蔽性能を向上させることができる。

本発明の面状発熱体の平面図 本発明の面状発熱体の断面図 本発明の面状発熱体変形例の平面図 本発明の面状発熱体変形例の平面図（グランド付） 本発明の面状発熱体変形例の断面図（グランド付） 本発明の面状発熱体製造方法を示すフローチャート 本発明の電極部の詳細断面図

以下、本発明の面状発熱体に係る好適な実施形態について、図１から図７を参照して詳細に説明する。

図１は、面状発熱体１の平面図を示し、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図を示す。
面状発熱体１は、主に、基材１０上の＋電極１１と−電極１２そして両電極間と導通する発熱部１３から構成する。そして、発熱部１３は、透明導電膜２２と導電層２３から構成する（図２参照）。また、透明導電膜２２は、＋電極１１と−電極１２の下層に、発熱部１３から連続する。基材１０は、１辺に浅い凸部を有する略矩形状であって、外形サイズは１００ｍｍ×１００ｍｍ程度である。

基材１０は、矩形を構成する１辺の一部から、その辺の方向と垂直外側の方向に数ｍｍ程度延出する延出部１４が連続する。延出部１４は、電線を結線する部分として用いられるものであり、その形状、部位は任意である。また、基材１０の外形状も特に限定されるものではなく、任意の外形状を選択することができる。

基材１０は、透明なプラスティックフィルムを用いるが、例えばポリエチレンテフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー等、光透過性を有する材料であれば特に制限はない。またプラスティック以外にガラスを用いることも可能である。

透明導電膜２２は、基材１０面に積層する（図２参照）。表面抵抗率は、１０〜５００Ω／□程度である。全光線透過率が、７０％以上である透明性能を満たすため、透明導電膜２２は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）等の金属酸化物、あるいは銅、銀の金属やＣＮＴの炭素系物質を数Åから数１０ｎｍの膜厚で成膜することが好ましい。

透明導電膜２２は、単一の成膜層、または、上述の金属、金属酸化物、炭素系物質の多層膜とすることができ、さらにこれらの膜間に光学調整層等、他の成膜層が設けられていてもよい。

また、透明導電膜２２と基材１０間の密着性向上や、成膜の際の基材１０の送り適正等、導電性や透明性を確保する目的以外の成膜層が設けられていてもよい。例えば、ロール状の基材１０の巻き取りをスムーズにするための有機材料を基材１０面に積層してもよい。

透明導電膜２２は、連続する＋電極１１、発熱部１３、−電極１２と、平面において略同形状を有する。

導電層２３は、発熱部１３を構成する透明導電膜２２の全面と、両電極下層それぞれにおける透明導電膜２２の少なくとも一部分面に、隣接して積層する。導電層２３は、発熱部１３と＋電極１１下層間、発熱部１３と−電極１２下層間のそれぞれにおいて連続する。

導電層２３の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。好ましくは、配線用導電材として一般的な、銀ペーストや銅ペースト等の樹脂金属粉複合材料や、めっき可能な銅、金、スズ等の金属材料である。

導電層２３は、細線の網目状（メッシュ）にパターン配線される。網目の形状は矩形、円形、多角形、いかなる形状も選択でき、また、網目の形状や大きさが不規則であってもよい。また、導電層２３は、一部が網目状を有さないパターン配線であってもよい。導電層２３の厚みについては、任意であり、電気抵抗を考慮して数μｍから数１００μｍの範囲で形成する。

網目を構成する細線の幅は、数μｍから数１０μｍの範囲から選択することが好ましい。また、網目の大きさについては、電磁波透過性を考慮して設定する。例えば、６０ＧＨｚ帯のミリ波を透過させるために、波長の１／１０の長さである０．５ｍｍ以上の開口幅を設けることが好ましい。適切な材料選択と設計により、導電層２３を、入力電圧に適した電気抵抗にすることができる。

＋電極１１と−電極１２は、互いに対向して基材１０の外縁に沿って、透明導電膜２２面及び、導電層２３面の一部に積層する。両電極は、幅が数ｍｍから数１０ｍｍのパターン配線であって、両電極の一端は、延出部１４で対向する。
両電極の厚みは電気抵抗を考慮して、任意の厚みに設計する。

両電極材料は、配線用導電材として一般的な、銀ペーストや銅ペースト等の樹脂金属粉複合材料により形成する。もっとも、導電性を有する材料であれば特に限定はされない。また、導電接着材を用いた銅箔、銀箔や、めっきによる両電極の形成でもよい。更に両電極は、上記材料の単層だけでなく、これらの積層であってもよい。

＋電極１１と−電極１２の一部は、矩形の導電層２３を構成する４辺のうち、対向する２つの辺にそれぞれ沿い接触する。導電層２３の矩形を構成する残りの２つの辺は、端部を除き両電極と接触しない。両電極間の、発熱部１３上の距離を一定にすることで、発熱部１３の発熱温度の均一化を図ることができる。

基材１０の外縁、および＋電極１１と−電極１２間に挟まれた領域のうち発熱部１３を構成しない領域に、絶縁部１５を有する。絶縁部１５は、面状発熱体１を支持する支持体への短絡、電極間の短絡、そして発熱部１３の局所的発熱を防ぐ役割を果たす。

発熱部１３は、＋電極１１と−電極１２間の、透明導電膜２２と導電層２３から構成する。従来から、透明導電膜単体あるいは、網目状の導電層単体の面状発熱体は存在したが、本実施形態においては、透明導電膜２２と導電層２３を隣接して積層することで、選択周波数により、電磁波透過性と電磁波遮蔽性のいずれかを有し、著しく発熱性能を向上させることができるものである。

すなわち、発熱部１３の発熱性能は、透明導電膜２２と導電層２３のそれぞれ有する電気抵抗が、並列的に合成されることと、透明導電膜２２は優れた熱伝導均一性を有することが、相まって著しく向上する。また、透明導電膜２２の電気抵抗は比較的高めであるから、全面成膜の形態であっても光、電波の両側面からの透過性を確保できる。一方、導電層２３においては、遮断周波数を考慮した網目の大きさと、光透過性を考慮した細線幅によって、特定周波数以上の電磁波透過性と特性周波数未満の電磁波遮蔽性の両立を図ることができる。

図３は、面状発熱体１の変形例である。＋電極１１と−電極１２間の発熱部１３を構成する導電層２３の形状変更や、別途電気抵抗の異なる導電層２３ａを設けることで、発熱部１３を任意の電気抵抗とすることができる。

以上、詳細に説明した通り本実施形態によれば、電熱式の面状発熱体１であって、発熱面が、基材１０上の一様な透明導電膜２２に、パターン配線された導電層２３を隣接して積層する構造とすることで、一定の電磁波透過性を確保と、発熱性能の著しい向上を図ることができる。

また、導電層２３に、網目状のパターン配線を含むことで、特定周波数以上の電磁波透過性と特定周波数未満の電磁波遮蔽性の両立を図ることができる。

以下、電磁波遮蔽性能を向上させる第２実施形態について、説明する。図４は、第２実施形態における面状発熱体１の平面図を示し、図５は、図４におけるＢ−Ｂ断面図を示す。

第２実施形態の面状発熱体１においては、＋電極１１および−電極１２と、基材１０の外縁との間に、グランドパターン３１を形成する（図４）。

グランドパターン３１は、基材１０の外縁に沿って形成する。グランドパターン３１は、延出部１４において、＋電極１１と−電極１２の端部と同様、その端部が対向してもよく、また両端部が導通するように、基材１０の外縁全周に沿って、グランドパターン３１を形成してもよい。
また、グランドパターン３１の基材１０の外縁側には、絶縁部１５があってもよく、無くともよい。

グランドパターン３１を形成する導電材は、例えば、両電極と同様、銀ペーストや銅箔等の材料を選択できる。導電性を有する材料であれば特に限定はされない。また、透明導電膜２２をグランドパターン３１としても良い。

グランドパターン３１は、不図示の筐体金属と、例えば、導電ガスケット等を介して、導通をとるためのフレームグランドとしての役割を果たす。
グランドパターン３１と発熱部１３等の導電部間は、電磁波遮蔽の観点で言えば、なるべく導通領域が広い方が望ましい。

しかし、グランドパターン３１と発熱部１３等の導電部間の導通は、適切な部位で行う必要がある。例えば、＋電極１１の近傍とグランドパターン３１を導通させると漏電や異常発熱の懸念がある。

そこで、第２実施形態の面状発熱体１においては、グランドパターン３１と、他導電部間との導通領域を以下の形態とすることで、電磁波遮蔽性の向上を図る。

−電極１２とグランドパターン３１間の、−電極１２に直交する発熱部１３外縁を形成する２辺の延長線間を、透明導電膜２２による導通領域とする。もっとも、透明導電膜２２に限定されず、例えば−電極１２と同じ導電部材等、任意の導電材料で導通をとることができる。

グランドパターン３１は、＋電極１１と直接、導通をしないため、漏電や異常発熱を抑えることができる。また、発熱部１３とグランドパターン３１間も直接、導通をしないため、意図しない電圧降下による発熱部１３の発熱性能低下を抑えることができる。

なお、グランドパターン３１と、その導通領域は、上記に限定されるものではない。外来ノイズの電界強度、周波数帯等を考慮し、領域の広狭を図ることができる。

以上、詳細に説明した通り、第２実施形態によれば、透明導電膜２２面にグランドパターン３１を設けることで、電磁波遮蔽性を向上させることができる。

図６は、本実施形態における面状発熱体製造方法を示すフローチャートである。以下説明する。
透明導電膜２２は、スパッタリングや、蒸着等のドライコーティングによって、
基材１０面に成膜する（Ｓ１）。ただし、成膜方法は、ドライコーティングに限定されるものではなく、例えば、ウェットコーティングによる銀ナノワイヤーやＣＮＴを成膜してもよい。

透明導電膜２２は、エッチングによって、＋電極１１、発熱部１３、−電極１２が連続する形状に加工する（Ｓ２）。第２実施形態においては、加えて、−電極１２と、−電極１２とグランドパターン３１を導通させる領域と、グランドパターン３１が連続する形状に加工する。

導電層２３は、透明導電膜２２面にスクリーン印刷する（Ｓ３）。印刷領域は、発熱部１３全部と、両電極領域の一部である。前述の通り、導電層２３は、発熱部１３と＋電極１１下層間、発熱部１３と−電極１２下層間のそれぞれにおいて連続するようにスクリーン印刷する。
なお、一工程のスクリーン印刷であってもよく、複数工程に分けてもよい。また、第２実施形態におけるグランドパターン３１を、同時工程で印刷してもよいし、別工程で印刷することもできる。もっともこれらの加工は、スクリーン印刷に限定されるものではなく、例えば、プリンタ出力等の他の加工方法も選択できる。

両電極は、発熱部１３を除く導電層２３と、透明導電膜２２上に印刷よりスクリーン印刷により形成する（Ｓ４）。両電極の電気抵抗は、導電層２３よりも相対的に下げる必要がある。

スキージ荷重が小さいと両電極の厚みを厚くでき、両電極自体の電気抵抗を下げることができるが、両電極材料を導電層２３網目部と導電層２３下の透明導電膜２２面に確実に接触させることができず、両電極と発熱部１３間の接触抵抗が不安定になる。

両電極と発熱部１３間の接触抵抗を安定させるため、スキージ荷重を大きく取り、電極材料を導電層２３の網目に入りこませ、網目の側面と、導電層２３下の透明導電膜２２面に隙間なく密着させる（図７参照）。

更に、スキージ荷重を大きくすることで、両電極の厚みが薄くなることを防ぐため、少なくとも２回以上同工程を繰り返し（Ｓ５）、両電極の厚みの確保による両電極の電気抵抗と、両電極と発熱部１３間の接触抵抗の低抵抗化を図る。

本実施形態における面状発熱体製造方法によれば、両電極を透明導電膜２２上と導電層２３上に積層することで、両電極と発熱部１３間の接触抵抗を下げることができる。特に、両電極を形成する材料が、導電層２３の網目を構成する目に入りこみ、網目の側面、および下部の透明導電膜２２表面と直接に接触することで、一層、両電極と発熱部１３間の接触抵抗の安定を図ることができる。

以上、本発明の面状発熱体における実施形態について説明したが、本発明は、説明した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲において各種変形を行うことができる。

１ 面状発熱体
１０ 基材
１１ ＋電極
１２ −電極
１３ 発熱部
１４ 延出部
１５ 絶縁部
２２ 透明導電膜
２３ 導電層
３１ グランドパターン

Claims (5)

1. 電熱式の面状発熱体であって、
   発熱面が、全面の透明導電膜に、パターン配線された導電層を隣接して積層する構造を有する面状発熱体。
2. 前記導電層は、網目状のパターン配線を含むことを特徴とする請求項１に記載の面状発熱体。
3. 前記透明導電膜に、グランドパターンを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面状発熱体。
4. 電熱式の面状発熱体であって、
   発熱面が、全面の透明導電膜に、網目状のパターン配線された導電層を隣接して積層する構造を有する面状発熱体製造方法。
5. 前記面状発熱体の電極を構成する電極材料が、前記網目に入りこみ、該網目側面および前記透明導電膜と接触する請求項４に記載の面状発熱体製造方法。