TWI649003B

TWI649003B - Heating element and method of manufacturing same

Info

Publication number: TWI649003B
Application number: TW106144553A
Authority: TW
Inventors: 梁一帆
Original assignee: 紘茂股份有限公司
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-01-21
Also published as: TW201929598A; CN109951900A; CN109951900B

Abstract

本發明提供一種發熱元件，其包括至少一載膜、一發熱膜、兩電極，及兩保護膜。該發熱膜形成於該載膜上，並含有複數矽烯與複數緊密地結合於兩相鄰矽烯間的石墨烯。該等電極彼此間隔地連接於該發熱膜。該等保護膜覆蓋形成有該發熱膜與該等電極的該載膜以封裝該形成有該發熱膜的該載膜並局部地裸露出該等電極。此外，本發明亦提供一種前述發熱元件的製造方法。

Description

發熱元件及其製造方法

本發明是有關於一種發熱元件，特別是指一種阻抗小且發射效率高的發熱元件及其製造方法。

傳統的發熱元件是對一阻值高的材料提供一電源，令電流因流經阻值高的材料而發熱，此發熱方式即是所謂的熱阻式發熱。常見的發熱元件的後端應用則可見有醫療用的熱敷墊，甚或是冬季保暖用的電毯。雖然前述傳統的發熱元件可透過供應有電源的高阻值材料以提供發熱的效果；然而，其通常是透過大電流、大電壓來驅動，所需消耗的功率高且阻抗也高。因此，對於講求節能與環保的現階段而言，此等透過熱阻式發熱原理供熱的手段，對於解決節能與環保的貢獻度相當有限。

經上述說明可知，改良發熱元件的結構與製法以在節能與環保的前提下，提供阻抗小發熱效能高的發熱元件，是所屬技術領域的相關技術人員所待突破的課題。

<發明概念>

根據漢弗里戴維(Humphry Davy)於1808年以電弧現象發明第一盞電弧燈(arc lamp)的原理來看，一旦流經兩彼此由空氣所間隔開之導體的一電流是大於空氣的阻抗(electrical impedance)時，電流便可自其中一導體穿過空氣至其中另一導體以於空氣中產生電弧放電(arc discharge)並發熱。因此，申請人是以電弧放電的概念來改良發熱元件的結構。進一步地來說，申請人是在電阻率極低且厚度極薄之每兩相鄰導體間各夾置一厚度極薄的半導體介質以取代上述電氣絕緣的空氣，令流經彼此由各半導體介質所間隔開之每兩相鄰導體的電流可在電場小的前提下穿過各半導體介質以於各半導體介質中產生電弧放電並發熱，從而形成低阻抗且發熱效能高的發熱元件。

就上述電阻率極低且厚度極薄的導體來說，石墨烯(graphene)是由碳原子以sp²混成軌域所構成之晶格呈蜂巢狀形排列的平面薄膜，其電阻率極低(僅約10⁶Ω．cm)且厚度極薄。雖然石墨烯電阻率極低且電子遷移率極高，但其缺乏能隙(energy gap)。相反地，就上述厚度極薄的半導體介質來說，基於矽烯(silicene)結構是相似於石墨烯，其是由呈蜂巢狀排列的矽原子所構成之矽的二維同素異構物(two-dimensional allotrope)的薄膜；矽烯略不同於石墨烯之處是在於，石墨烯層與層間為平面，矽烯層與層間則因呈曲面而可透過外加電場以具有可調節的能隙。因此，具體地來說，申請人是以電弧放電的概念為發想，令複數厚度極薄且電阻率極低的石墨烯結合複數厚度極薄並具有能隙的矽烯以作為一發熱元件的一發熱膜，使該發熱膜經輸入一電源後其電流可在阻抗小的前提下穿越兩相鄰石墨烯間的各矽烯，以在各矽烯中產生電弧放電並發熱，且電弧放電產生的同時令石墨烯內的碳原子產生震盪以生成遠紅外線波段的熱輻射。

因此，本發明的目的，即在提供一種阻抗小發熱效能高的發熱元件。

本發明的另一目的即在提供一種阻抗小發熱效能高的發熱元件的製造方法。

於是，本發明發熱元件，包括至少一載膜、一發熱膜、兩電極，及兩保護膜。該發熱膜形成於該載膜上，並含有複數矽烯與複數緊密地結合於兩相鄰矽烯間的石墨烯。該等電極彼此間隔地連接於該發熱膜。該等保護膜覆蓋形成有該發熱膜與該等電極的該載膜以封裝該形成有該發熱膜的該載膜並局部地裸露出該等電極。

此外，本發明發熱元件的製造方法，包括一第一混合步驟、一第二混合步驟、一塗佈步驟、一電極形成步驟、一壓合步驟、一乾燥步驟，及一保護膜封裝步驟。該第一混合步驟是於一溶劑中混入複數矽烯以成一矽烯溶液。該第二混合步驟是於該矽烯溶液中混入複數石墨烯以形成一含有矽烯與石墨烯的溶液。該塗佈步驟是於一載膜上塗佈該含有矽烯與石墨烯的溶液，以於該載膜上形成一含有矽烯與石墨烯的溶液層。該電極形成步驟是於該含有矽烯與石墨烯的溶液層上形成兩彼此間隔設置的電極。該壓合步驟是壓合該含有矽烯與石墨烯的溶液層，以令該溶液層內的部分溶劑被排除，且令該溶液層內的該等石墨烯緊密地結合於兩相鄰矽烯間並形成一預形層。該乾燥步驟是乾燥經實施該壓合步驟後的該預形層以移除殘留在該預形層中的溶劑，並構成一形成於該載膜上且連接有該等電極的發熱膜。該保護膜封裝步驟是於該乾燥步驟後，令兩保護膜覆蓋形成有該發熱膜與該等電極的該載膜以封裝該形成有該發熱膜的該載膜，並局部地裸露出該等電極。

本發明的功效在於：使經該等電極輸入一電源後其電流可在阻抗小的前提下穿越兩相鄰石墨烯間的各矽烯，以在各矽烯中產生電弧放電並發熱，且電弧放電產生的同時令石墨烯內的碳原子產生震盪以生成遠紅外線波段的熱輻射。

21‧‧‧下載膜

22‧‧‧上載膜

3‧‧‧發熱膜

300‧‧‧溶劑

301‧‧‧矽烯溶液

302‧‧‧含有矽烯與石墨烯的溶液

61‧‧‧冷壓石墨烯熱擴散膜

62‧‧‧熱擴散膠帶

7‧‧‧加熱爐管

S1‧‧‧第一混合步驟

S2‧‧‧第二混合步驟

S3‧‧‧塗佈步驟

3021‧‧‧溶液層

3022‧‧‧預形層

31‧‧‧矽烯

32‧‧‧石墨烯

4‧‧‧電極

5‧‧‧保護膜

6‧‧‧熱擴散膜層結構

S4‧‧‧電極形成步驟

S5‧‧‧覆蓋步驟

S6‧‧‧壓合步驟

S7‧‧‧乾燥步驟

S8‧‧‧熱擴散膜層結構貼合步驟

S9‧‧‧保護膜封裝步驟

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一俯視示意圖，說明本發明發熱元件的一實施例；圖2是本發明該實施例之一正視示意圖；圖3是圖2的一局部放大圖，說明本發明該實施例之一發熱膜的細部結構；圖4是一流程圖，說明本發明該實施例之發熱元件的製造方法；圖5是一正視示意圖，說明本發明該實施例之製造方法的一第一混合步驟；圖6是一正視示意圖，說明本發明該實施例之製造方法的一第二混合步驟；圖7是一正視示意圖，說明本發明該實施例之製造方法的一塗佈步驟；圖8是一正視示意圖，說明本發明該實施例之製造方法的一電極形成步驟；圖9是一正視示意圖，說明本發明該實施例之製造方法的一覆蓋步驟；圖10是一正視示意圖，說明本發明該實施例之製造方法的一壓合步驟；圖11是一正視示意圖，說明本發明該實施例之製造方法的一乾燥步驟圖12是一正視示意圖，說明本發明該實施例之製造方法的一熱擴散膜層結構貼合步驟；及圖13是一正視示意圖，說明本發明該實施例之製造方法的一保護膜封裝步驟。

在本發明被詳細描述的前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1、圖2與圖3，本發明發熱元件的一實施例，包括一下載膜21、一上載膜22、一發熱膜3、兩電連接至一外部電源供應器(圖未示)的電極4，及兩保護膜5。

該發熱膜2形成於該下載膜21上，並含有複數矽烯31與複數緊密地結合於兩相鄰矽烯31間的石墨烯32。該等電極4彼此間隔地連接於該發熱膜3，且該上載膜22覆蓋連接有該等電極4的該發熱膜3(也就是，該等載膜21、22夾置連接有該等電極5的該發熱膜3)。該等保護膜5覆蓋形成有該發熱膜3與該等電極4的該等載膜21、22，以封裝該形成有該發熱膜3的該等載膜21、22並局部地裸露出該等電極4。

在本發明該實施例中，該上、下載膜21、22是由強度高的牛皮紙所構成；該等保護膜5是由護貝用的護貝膠膜所構成。此處需補充說明的是，該等保護膜5的目的是在於避免外界的二氧化碳與水氣穿透至該發熱膜3。就二氧化碳來說，一旦二氧化碳不慎穿透至該發熱膜3時，容易使該發熱膜3中的矽烯31快速地反應成碳化矽以致於發熱膜3粉末化難以成膜，並影響發熱元件的阻抗與發熱效能。就水氣來說，一旦水氣不慎穿透至該發熱膜3時，該發熱膜3中的石墨烯32則容易在該實施例之發熱元件運作發熱時吸收水氣，以致於影響該發熱元件的阻抗並影響發熱效能。

在本發明該實施例中，還包含兩熱擴散膜層結構6，各熱擴散膜層結構6包括一冷壓石墨烯熱擴散膜61，及一形成於各自所對應之冷壓石墨烯熱擴散膜61上的熱擴散膠帶62。各熱擴散膜層結構6是被夾置於各自所對應之載膜21、22與保護膜5間，以令各熱擴散膜層結構6之熱擴散膠帶62是附著於各自所對應的載膜21、22。

此處需進一步補充說明的是，當本發明該實施例僅需運用於單點加熱的條件時(如，針灸時的發熱源；熱灸貼)，是無須該等熱擴散膜層結構6以令該發熱膜3所產生的溫度橫向擴散；當本發明該實施例是運用於面加熱的環境時(如，暖暖包)，則須透過該等熱擴散膜層結構6以令該發熱膜3所產生的溫度橫向擴散。因此，該等熱擴散膜層結構6並非本發明之必要元件，全然是視運用的環境來決定。

參閱圖4，本發明該實施例之製造方法，包括一第一混合步驟S1、一第二混合步驟S2、一塗佈步驟S3、一電極形成步驟S4、一覆蓋步驟S5、一壓合步驟S6、一乾燥步驟S7、一熱擴散膜層結構貼合步驟S8，及一保護膜封裝步驟S9。

參閱圖5與圖6，該第一混合步驟S1是於一溶劑300中混入該等矽烯31以成一矽烯溶液301；該第二混合步驟S2是於該矽烯溶液301中混入該等石墨烯32以形成一含有矽烯31與石墨烯32的溶液302。適用於本發明該實施例之製造方法中的溶劑300，可以是極性溶劑，亦可以是非極性溶劑。

此處需補充說明的是，矽烯31的目的是在於取代前述發明概念中所提到之電氣絕緣的空氣，以在外部電源供應器對該等導體供電時，令電流穿過空氣以產生電弧放電並發熱。換句話說，該等矽烯31是造成阻抗生熱的主要來源。雖然該等矽烯31是造成阻抗生熱的主要來源。然而，一旦該含有矽烯31與石墨烯32的溶液302中的矽烯31含量大於50wt%時，該發熱膜3的導電性將以指數型的趨勢下降(即，該發熱膜3的電阻率是以指數型的趨勢成長)，導致該外部電源供應器難以驅動該發熱膜3；相反地，一旦該溶液302內缺乏矽烯31時，亦難以透過電弧放電提供阻抗生熱的來源。因此，較佳地，以該含有矽烯31與石墨烯32的溶液302的重量百分比計，矽烯31於該含有矽烯31與石墨烯32的溶液302中的含量是介於1wt%至50wt%間。

參閱圖7、圖8與圖9，該塗佈步驟S3是於該下載膜21上塗佈該含有矽烯31與石墨烯32的溶液302，以於該下載膜21上形成一含有矽烯31與石墨烯32的溶液層3021；該電極形成步驟S4是於該含有矽烯31與石墨烯32的溶液層3021上形成該等彼此間隔設置的電極4；該覆蓋步驟S5是於形成有該等電極4之該含有矽烯31與石墨烯32的溶液層3021上覆蓋該上載膜22。適用於本發明該實施例之製造方法的該塗佈步驟S3的手段，是可選自旋轉塗佈、滾輪印刷，或網版印刷。

參閱圖10，該壓合步驟S6是壓合該含有矽烯31與石墨烯32的溶液層3021，以令該溶液層3021內的部分溶劑300(圖未示)經該壓合步驟S6所實施的壓力被排除，且令該溶液層3021內的該等石墨烯32能如圖3所示般緊密地結合於兩相鄰矽烯31間以形成一預形層3022，並令經壓合後的該預形層3022被夾置於該下載膜21與該上載膜22間。在本發明該實施例製造方法中，該發熱膜3的面積是以2cm×2cm為例做說明，但不限於此。

參閱圖11，該乾燥步驟S7是乾燥經實施該壓合步驟S6後的該預形層3022以移除殘留在該預形層3022中的溶劑，並構成該形成於該下載膜21上並位於該上載膜22下且連接有該等電極4的發熱膜3。適用於本發明該乾燥步驟S7的手段可以是透過自然乾燥，亦可以是透過一如圖11所示之加熱爐管7予以烘乾。本發明該實施例之製造方法於實施該乾燥步驟S7後所構成之該發熱膜3的厚度是趨近5μm。然而，此處需進一步補充說明的是，該發熱膜3之厚度範圍主要是取決於所使用的設備。具體地來說，當實施該塗佈步驟S3與該壓合步驟S6時的設備，是使用較為精密的設備時，則經該乾燥步驟S7後所構成之發熱膜3的厚度是可再進一步地下修。因此，適用於本發明該發熱膜3之厚度是介於2nm至5μm間。

參閱圖12，該熱擴散膜層結構貼合步驟S8是將該等熱擴散膜層結構6分別貼附於各自所對應的載膜21、22上。各熱擴散膜層結構6包括該冷壓石墨烯熱擴散膜61，及形成於各自所對應之冷壓石墨烯熱擴散膜61上的該熱擴散膠帶62，經實施該熱擴散膜層結構貼合步驟S8後，各熱擴散膜層結構6之熱擴散膠帶62是附著於各自所對應的載膜21、22。詳細地來說，該熱擴散膜層結構貼合步驟S8的具體作法，是在兩片半熔狀態的膠帶的其中一面上分別噴覆上冷壓石墨烯(圖未示)後，並透過熱風令冷壓石墨烯躺平在各半熔狀態的膠帶上以成為各冷壓石墨烯熱擴散膜61，之後使各半熔狀態的膠帶冷卻成各熱擴散膠帶62，並將經冷卻所形成的各熱擴散膠帶62的其中另一面貼附在各自所對應的載膜21、22上。在本發明該實施例之製造方法中，該熱擴散膜層結構6的面積是以4cm×4cm為例做說明，但不限於此。

參閱圖13，該保護膜封裝步驟S9是於該乾燥步驟後，令該等保護膜分別覆蓋形成有該發熱膜3與該等電極4的該等載膜 21、22以封裝該形成有該發熱膜3的該等載膜21、22，並局部地裸露出該等電極4。換句話說，該保護膜封裝步驟S9是將夾置有該發熱膜3與該等電極4的該等載膜21、22夾置於該等保護膜6間，以局部地裸露出該等電極4。

<分析數據>

申請人是以本發明該實施例所製得的一整批發熱元件為樣品，提供該等樣品之分析測試結果如下列表1.與表2.。在表1.與表2.的分析測試結果中，表1.所顯示的測試結果是以兩片樣品彼此相互並聯的方式在室溫(25℃±0.5℃)的環境下進行測試10分鐘，而表2.所顯示的測試結果則是以兩片樣品彼此串聯的方式在室溫的環境下進行測試10分鐘。

根據上面表1.與表2.的測試結果顯示可知，本發明在1.075W至1.70W間的輸出功率下便可在10分鐘左右的時間令該等樣品發熱升溫達40℃至49.9℃間，該等樣品的阻抗值小(僅6.3Ω至19.7Ω間)，且發熱效能高。詳細地來說，顯示於表1.內的各樣品的阻抗值(最高約19.7Ω)是相對高於表2.內所顯示之各樣品的阻抗值(最高約9.8Ω)；因此，在表1.內的每兩片樣品可透過彼此並聯的方式讓其輸出功率(最大值僅為1.392W)趨近於表2.內的輸出功率(最小值約1.15W)，以藉此節省所需的輸出功率。換句話說，在節省耗電量的前提下，阻抗值較高的樣品是適合以並聯的方式來彼此導通；相反地，阻抗值較低的樣品則是適合以串聯的方式來彼此導通。

經上述發明概念與實施例的整體詳細說明可知，本發明以電弧放電的概念為發想，令兩導體間所夾置之電氣絕緣的空氣改由半導體材質的矽烯31來取代，使厚度極薄的該等矽烯31緊密地結合於厚度極薄且電阻率極低的兩相鄰石墨烯32間，令流經兩相鄰石墨烯32間的電流可在低阻抗的前提下穿越厚度極薄的矽烯31，以在各矽烯31中產生電弧放電；此外，產生電弧放電的同時令該等石墨烯32內的碳原子產生震盪以生成遠紅外線波段的熱輻射並提升發熱效能。

綜上所述，本發明發熱元件及其製造方法，經該等電極4所輸入之電流可在阻抗小的前提下穿越兩相鄰石墨烯32間的各矽烯31，以在各矽烯31中產生電弧放電並發熱，且電弧放電產生的同時令石墨烯32內的碳原子產生震盪以生成遠紅外線波段的熱輻射從而提升發熱效能，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

Claims

一種發熱元件，包含：至少一載膜；一發熱膜，形成於該載膜上，並含有複數矽烯與複數緊密地結合於兩相鄰矽烯間的石墨烯；兩電極，彼此間隔地連接於該發熱膜；及兩保護膜，覆蓋形成有該發熱膜與該等電極的該載膜以封裝該形成有該發熱膜的該載膜並局部地裸露出該等電極。
如請求項1所述的發熱元件，其中，該載膜的數量是兩個，且該等載膜夾置連接有該等電極的該發熱膜。
如請求項2所述的發熱元件，還包含兩熱擴散膜層結構，各熱擴散膜層結構包括一冷壓石墨烯熱擴散膜，及一形成於各自所對應之冷壓石墨烯熱擴散膜上的熱擴散膠帶，各熱擴散膜層結構是被夾置於各自所對應之載膜與保護膜間，以令各熱擴散膜層結構之熱擴散膠帶是附著於各自所對應的載膜。
一種發熱元件的製造方法，包含：一第一混合步驟，是於一溶劑中混入複數矽烯以成一矽烯溶液；一第二混合步驟，是於該矽烯溶液中混入複數石墨烯以形成一含有矽烯與石墨烯的溶液；一塗佈步驟，是於一載膜上塗佈該含有矽烯與石墨烯的溶液以於該載膜上形成一含有矽烯與石墨烯的溶液層；一電極形成步驟，是於該含有矽烯與石墨烯的溶液層上形成兩彼此間隔設置的電極；一壓合步驟，是壓合該含有矽烯與石墨烯的溶液層以令該溶液層內的部分溶劑被排除，且令該溶液層內的該等石墨烯緊密地結合於兩相鄰矽烯間並形成一預形層；一乾燥步驟，是乾燥經實施該壓合步驟後的該預形層以移除殘留在該預形層中的溶劑，並構成一形成於該載膜上且連接有該等電極的發熱膜；及一保護膜封裝步驟，是於該乾燥步驟後令兩保護膜覆蓋形成有該發熱膜與該等電極的該載膜以封裝該形成有該發熱膜的該載膜並局部地裸露出該等電極。
如請求項4所述的發熱元件的製造方法，其中，以該含有矽烯與石墨烯的溶液的重量百分比計，矽烯於該含有矽烯與石墨烯的溶液中的含量是介於1wt%至50wt%間。
如請求項4所述的發熱元件的製造方法，於該壓合步驟前還包含一覆蓋步驟，該覆蓋步驟是於形成有該等電極之該含有矽烯與石墨烯的溶液層上覆蓋另一載膜。
如請求項6所述的發熱元件的製造方法，於該乾燥步驟與該保護膜封裝步驟間還包含一熱擴散膜層結構貼合步驟，該熱擴散膜層結構貼合步驟是將兩熱擴散膜層結構分別貼附於該等載膜上，各熱擴散膜層結構包括一冷壓石墨烯熱擴散膜，及一形成於各自所對應之冷壓石墨烯熱擴散膜上的熱擴散膠帶，經實施該熱擴散膜層結構貼合步驟後，各熱擴散膜層結構之熱擴散膠帶是附著於各自所對應的載膜。
如請求項4所述的發熱元件的製造方法，其中，該發熱膜的厚度是介於2nm至5μm間。