特許 6174223 面状発熱体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6174223

(24)【登録日】2017年7月14日

(45)【発行日】2017年8月2日

(54)【発明の名称】面状発熱体

(51)【国際特許分類】

   H05B 3/14 20060101AFI20170724BHJP

   G03G 21/00 20060101ALI20170724BHJP

   H05B 3/03 20060101ALI20170724BHJP

   H05B 3/20 20060101ALI20170724BHJP

【ＦＩ】

   H05B3/14 F

   G03G21/00 530

   H05B3/03

   H05B3/20 384

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-208058(P2016-208058)

(22)【出願日】2016年10月24日

【審査請求日】2016年11月28日

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】500232651

【氏名又は名称】イシイ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 四郎

(72)【発明者】

【氏名】木村 重男

(72)【発明者】

【氏名】清水 達夫

(72)【発明者】

【氏名】土屋 啓司

【審査官】 宮崎 賢司

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１６−５０７８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５８６６０７３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／００５３６６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特許第５８８７４５１（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２００５−１９０８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１６４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１８１１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５７５２８２１（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１３３０２９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−１２３７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０１９２０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３１７９０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｂ ３／１４

Ｇ０３Ｇ ２１／００

Ｈ０５Ｂ ３／０３

Ｈ０５Ｂ ３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１基材と、
前記第１基材の表面に形成された、導電材料を含む発熱層と、
互いに離間し、かつ前記発熱層に接触するように前記第１基材に設けられた２つの電極と、
を備え、前記導電材料は、平均粒子径が１０ｎｍ〜１００ｎｍのカーボンブラックと平均粒子径が１μｍ〜１０μｍのグラフェンとからなり、
前記発熱層におけるカーボンブラックとグラフェンとの質量比が７０：３０〜４０：６０である
ことを特徴とする面状発熱体。

【請求項2】

前記グラフェンは剥離グラフェンであることを特徴とする請求項１に記載の面状発熱体。

【請求項3】

前記発熱層は接着剤成分としてポリフッ化ビニリデン樹脂を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の面状発熱体。

【請求項4】

前記２つの電極間に７．５Ｖ以上１９．５Ｖ以下の電圧を印加したときに、前記第１基材が５℃以上３０℃以下だけ昇温し、消費電力が１００Ｗ／ｍ^２以上１０００Ｗ／ｍ^２以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面状発熱体。

【請求項5】

前記発熱層上に形成された第２基材をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面状発熱体。

【請求項6】

前記第２基材は、前記第１基材に接着剤で接合されていることを特徴とする請求項５に記載の面状発熱体。

【請求項7】

前記発熱層の厚みと第１基材の厚みと前記第２基材の厚みとの合計が３００μｍ以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の面状発熱体。

【請求項8】

前記第１基材の厚みと前記発熱層の厚みとの合計が２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の面状発熱体。

【請求項9】

前記第１基材はポリイミドからなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の面状発熱体。

【請求項10】

前記第１基材はポリフェニレンサルファイドからなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の面状発熱体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、面状発熱体に関する。

【背景技術】

【0002】

面状発熱体は、シート状の発熱面から全体的に熱を放射するものであり、例えば、凍結防止、除霜、防湿、保温、加温などの各種用途において利用されている。このような面状発熱体としては、繊維構造体を発熱部として有する面状発熱体や、導電性粒子が分散された導電性シートからなる発熱層を有する面状発熱体が知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−１９０８４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

発熱層を有する面状発熱体としては、導電材料としてカーボン材料を含む導電性接着剤を基材に塗布し、これを硬化させた構成のものがある。このような構成の面状発熱体において、発熱量を多くするには、発熱層を厚くしてその抵抗値を低減する方法がある。しかし、発熱層を厚くすると、発熱層と基材との間の熱収縮の差が大きくなってしまい、発熱層が基材から剥離してしまう虞がある。また、柔軟性を持つ材質や厚みで基材を構成し、面状発熱体をその使用用途に応じて曲げるなど変形させる場合には、発熱層が厚いとより剥離しやすくなるとともに、面状発熱体の変形が制限される場合がある。

【0005】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、所望の発熱量を実現しながら、発熱層が基材から剥離してしまうことを防止又は抑制できる面状発熱体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る面状発熱体は、第１基材と、前記第１基材の表面に形成された、導電材料を含む発熱層と、互いに離間し、かつ前記発熱層に接触するように前記１基材に設けられた２つの電極と、を備え、前記導電材料は、カーボン材料とグラフェンとからなる、又は、剥離グラフェンからなることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、所望の発熱量を実現しながら、発熱層が基材から剥離してしまうことを防止又は抑制できる面状発熱体を実現できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態１に係る面状発熱体の模式図である。

【図2】図２は、実施形態２に係る面状発熱体の模式図である。

【図3】図３は、雰囲気温度と抵抗値との関係を示す図である。

【図4】図４は、グラフェン比率と抵抗値との関係を示す図である。

【図5】図５は、電圧−電流特性を示す図である。

【図6】図６は、電圧−温度特性を示す図である。

【図7】図７は、実施形態１に係る面状発熱体をヒータベストに適用した図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。

【0010】

従来のカーボン材料を含む発熱層を有する面状発熱体は、所望の発熱量を実現する低い抵抗値を確保するために発熱層を薄くするのは困難であった。本発明者らは、鋭意検討した結果、グラフェンとカーボン材料とからなる導電材料を発熱層に用いることにより、これらの問題を解決可能であることを見出し、本発明を完成させた。

【0011】

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る面状発熱体の模式図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１に示すように、面状発熱体１０は、第１基材１と、発熱層２と、２つの電極３と、を備えている。

【0012】

発熱層２は、第１基材１の表面に形成されており、導電材料を含むものである。本実施形態１では、発熱層２は、導電材料を含む導電性接着剤を第１基材１の表面に塗布し、硬化させたものである。導電材料は、カーボン材料とグラフェンとからなる。２つの電極３は、互いに離間し、かつ発熱層２を介して第１基材１に設けられている。したがって、２つの電極３は発熱層２に接触している。本実施形態１では、２つの電極３はそれぞれ第１基材１の端部に設けられているが、電極３を設ける位置は特には限定されるものではない。また、各電極３は、金属線、金属板、銀ペーストや銅ペースト等の金属ペースト、またはこれらを組み合わせたものなど、電極として機能する構成であれば特に限定されない。

【0013】

２つの電極３間に電圧を印加し、発熱層２に電流を供給すると、発熱層２は所定の抵抗値を有するので抵抗発熱体として機能する。その結果、発熱層２が全体的に発熱する。

【0014】

本実施形態１では、発熱層２に含まれる導電材料が、カーボン材料とグラフェンとからなるので、発熱層に含まれる導電材料がカーボン材料のみである場合と比較して、同じ発熱量であれば厚みを薄くできる。その結果、発熱層２と第１基材１との間の熱収縮の差が大きくなることが抑制され、所望の発熱量を実現しつつ、発熱層２が第１基材１から剥離してしまうことが抑制又は防止される。

【0015】

また、発熱層２の厚みを薄くできるので、面状発熱体１０を変形させ易くなる。したがって、面状発熱体１０を、使用対象の形状に合わせて変形させ易くなり、使用対象の形状の変形に追従して変形し易くなる。

【0016】

なお、発熱層２が、発熱層に含まれる導電材料がカーボン材料のみである場合と比較して、同じ厚みであっても低抵抗となる理由は必ずしも明らかではないが、グラフェンがカーボン材料の粒子の間でブリッジとして機能し、発熱層２の抵抗を低下させていると考えられる。

【0017】

発熱層２は、均一な厚みで第１基材１に形成されることが好ましい。発熱層２の厚みが均一であれば、面状発熱体１０の発熱面全体での温度分布の均一性を得易い。発熱層２の厚みは、例えば、１μｍ以上１００μｍであり、好ましくは、５μｍ以上５０μｍ以下である。厚みが１μｍより薄いと、十分な発熱量を得ることが困難である可能性がある。また、厚みが１００μｍより厚いと、発熱層２の剥離や面状発熱体１０の変形の制限が起こりやすくなる可能性がある。

【0018】

また、発熱層２に含まれるカーボン材料とグラフェンとの質量比率を変えることで、発熱層２の抵抗値を変えることができる。この場合、発熱層２におけるカーボン材料の含有量は一定として、グラフェンの含有量を変えることで、発熱層２の抵抗値を変えてもよい。このように抵抗値を変えることができる理由は必ずしも明らかではないが、カーボン材料とグラフェンとの質量比率又はグラフェンの含有量を変えることで、グラフェンのブリッジ効果の程度が変わるからであると考えられる。

【0019】

例えば、この面状発熱体１０は、２つの電極３間に７．５Ｖ以上１９．５Ｖ以下の電圧を印加し、所定値の電流を供給したときに、第１基材１は５℃以上３０℃以下だけ昇温するように構成できる。すなわち、第１基材１の表面温度が３０℃の場合、電圧印加、電流供給により表面温度が３５℃から６０℃の範囲で上昇する。また、このときの面状発熱体１０の消費電力は、例えば、１００Ｗ／ｍ^２以上１０００Ｗ／ｍ^２以下である。

【0020】

以下、各構成材料の例についてより具体的に説明する。
（第１基材）
第１基材１の構成材料としては、例えば、ガラス、シリコン、サファイア、ナノ結晶ダイヤモンド薄膜、フェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、メラミン樹脂（ＭＦ）、尿素樹脂（ユリア樹脂、ＵＦ）、不飽和ポリエステル樹脂（ＵＰ）、アルキド樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、熱硬化性ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、中密度ポリエチレン（ＭＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ）、テフロン（登録商標）（ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥ）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂）、ＡＳ樹脂、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ナイロン、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ、変性ＰＰＥ、ＰＰＯ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、グラスファイバー強化ポリエチレンテレフタレート（ＧＦ−ＰＥＴ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の有機材料を用いることができるが、これらに限定されるものではない。耐熱温度の観点から熱硬化性ポリイミド（ＰＩ）又はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）がよい。

【0021】

面状発熱体１０に用いることから、第１基材１は、熱伝導性が高い材料で構成されることが好ましい。また、上述したような樹脂を用いた場合には、第１基材１は、面状発熱体１０を適用する使用対象に要求される所定の熱伝導性を実現可能な厚みで形成されることができる。ここで、第１基材１の厚みは、これに用いる材料と要求される熱伝導性とに応じて、任意に設定可能である。また、第１基材１の表面に形成された発熱層２を他の部材に貼り付けて用いる場合、発熱層２を保護するのに必要な強度を確保可能な範囲で第１基材１を薄くすることもできる。実施形態１に係る面状発熱体１０においては、第１基材１の厚みと発熱層２の厚みとの合計が２００μｍ以下であることが好ましい。

【0022】

（導電材料）
発熱層２に含まれる導電材料のうち、カーボン材料は、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、人造黒鉛、膨張黒鉛、天然黒鉛、カーボンナノチューブ、フラーレンなどが挙げられる。これらの導電材料は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。

【0023】

カーボン材料の形状としては、例えば、粒子状（粉末状）、板状（又は鱗片状）、繊維状、不定形状などが挙げられる。これらの形状のうち、略球状や多角体状などの粒子状、繊維状などが汎用されるが、発熱層２の面（塗布面）の不均一性を抑制できる点から、粒子状が好ましい。

【0024】

カーボン材料の平均粒子径（カーボンナノチューブなどの異方形状の場合、長径と短径との平均径）は、発熱層２の機械的特性や導電性などの点から、例えば、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。また、互いに平均粒子径の異なるカーボン材料を組み合わせてもよい。

【0025】

発熱層２に含まれる導電材料のうち、グラフェンの平均粒子径は、発熱層２の低抵抗化などの点から、例えば、１μｍ〜１０μｍ程度である。また、互いに平均粒子径の異なるグラフェンを組み合わせてもよい。また、グラフェンが剥離グラフェンであれば、安価であり好ましい。剥離グラフェンとは、剥離法により製造されたグラフェンのことである。

【0026】

発熱層２におけるカーボン材料とグラフェンとの質量比率は、発熱層２の低抵抗化などの点から、例えば、９５：５またはこれ以上のグラフェン比率であり、より好ましくは７０：３０〜１０：９０程度である。

【0027】

（接着剤成分）
発熱層２の接着剤成分としては、慣用の接着剤や粘着剤が利用できるが、発熱層２を第１基材１に強固に固定できる点から、接着剤が好ましい。接着剤には、慣用の接着剤、熱可塑性樹脂（ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、熱可塑性ポリウレタン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂など）、硬化性樹脂（硬化性アクリル系樹脂、硬化性ポリエステル系樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン系樹脂、尿素樹脂、フェノール系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ウレタン系樹脂など）、ゴム又は熱可塑性エラストマーなどが挙げられる。これらの接着剤は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。耐熱温度の観点からはポリフッ化ビニリデン樹脂がよい。

【0028】

硬化性ポリエステル系樹脂には、不飽和ポリエステル、共重合ポリエステルが含まれる。不飽和ポリエステルは、柔軟性及び耐屈曲性に優れる点から、ジカルボン酸成分として、重合性ジカルボン酸成分（無水マレイン酸、マレイン酸、フマル酸など）に加えて、アジピン酸やセバシン酸などのＣ_６−１６脂肪族ジカルボン酸を含む不飽和ポリエステル；ジオール成分として、長鎖アルカンジオール（ブタンジオールなどのＣ_４−１０アルカンジオールなど）やポリアルキレングリコール（ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコールなど）などの長鎖ジオール成分を含む不飽和ポリエステル；脂肪族ジカルボン酸成分及び長鎖ジオール成分を含む不飽和ポリエステルなどでもよい。共重合ポリエステルも、エチレンテレフタレートやブチレンテレフタレートなどのＣ_２−４アルキレンＣ_６−１４アリレート単位に加えて、脂肪族ジカルボン酸成分、長鎖ジオール成分の単位を含んでいてもよく、さらに硬化剤に対する反応性基（例えば、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基など）を有する単量体の単位を含んでいてもよい。硬化剤は、例えば、イソシアネート系硬化剤、アミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤、イミダゾール系硬化剤（特にポリイソシアネートなどのイソシアネート系硬化剤）などでもよい。

【0029】

接着剤成分の割合は、導電材料１００質量部に対して１〜１００質量部程度の範囲から選択でき、例えば、３〜８０質量部、好ましくは５〜６０質量部、さらに好ましくは１０〜５０質量部（特に１０〜４０質量部）程度である。接着剤成分の割合が多すぎると、導電性が低下し、逆に少なすぎると接着性が低下する。導電材料は、このような割合（濃度）で接着剤成分中に均一に分散していることが好ましい。

【0030】

また、発熱層２を形成する場合には、例えば、導電材料を含む導電性接着剤のペースト（以下、導電性ペーストと記載する場合がある）を第１基材１の表面に塗布する。導電性ペーストは、発熱層２を構成する導電材料及び接着剤成分を含んでいればよいが、塗工性を向上させる点から、溶媒に溶解又は分散された状態のものが好ましい。

【0031】

溶媒は、接着剤成分の種類に応じて選択でき、例えば、アルコール類（エタノール、イソプロパノールなど）、ケトン類（アセトン、メチルエチルケトンなど）、エーテル類（テトラヒドロフランなど）、脂肪族炭化水素類（ヘキサンなど）、脂環式炭化水素類（シクロヘキサンなど）、芳香族炭化水素類（トルエン、キシレンなど）、ハロゲン化炭素類（ジクロロメタンなど）、エステル類（酢酸メチルなど）、水、セロソルブ類（メチルセロソルブ、エチルセロソルブなど）、セロソルブアセテート類（ブチルセロソルブアセテートなど）、スルホキシド類（ジメチルスルホキシドなど）、アミド類（ジメチルホルムアミドなど）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）などが例示できる。これらの溶媒は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。

【0032】

溶媒の割合は、導電材料１００質量部に対して０〜２００質量部程度の範囲から選択できる。ペーストの固形分濃度は、例えば、１５〜９０質量％である。

【0033】

導電性ペーストの塗布方法としては、例えば、スクリーン印刷法、ディスペンス塗布法、グラビア印刷法、グラビアオフセット印刷法、オフセット印刷法、インクジェット印刷法などが利用できる。

【0034】

（実施形態２）
図２は、実施形態２に係る面状発熱体の模式図である。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図２に示すように、面状発熱体２０は、第１基材１と、発熱層２と、２つの電極３と、第２基材４とを備えている。

【0035】

面状発熱体２０は、実施形態１に係る面状発熱体１０の構成において、２つの電極３の間の発熱層２上に形成された第２基材４をさらに備えるものである。したがって、以下では主に第２基材４について説明し、その他の構成要素の詳細な説明は省略する。

【0036】

第２基材４は、発熱層２を構成する導電性接着剤にて、第１基材１に接合されている。第２基材４は、発熱層２に対する保護層としての機能を有するものである。第２基材４の構成材料としては、第１基材１の構成材料として例示した何れの材料を使用することができるが、耐熱温度の観点から熱硬化性ＰＩ又はＰＰＳがよい。

【0037】

第２基材４は、発熱層２を保護するのに必要な強度を確保可能な範囲で薄くすることができる。また、面状発熱体２０においては、第１基材１を保護層として、発熱層２を保護するのに必要な強度を確保可能な範囲で第１基材１を薄くすることもできる。面状発熱体２０においては、第１基材１の厚みと発熱層２の厚みとの合計が２００μｍ以下であることが好ましい。さらには、発熱層２の厚みと第１基材１の厚みと第２基材４の厚みとの合計が３００μｍ以下であることが好ましい。

【0038】

以下、実施例により、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

【0039】

（実施例１〜６、比較例）
実施例１として、実施形態１に係る面状発熱体１０の構成を有する面状発熱体を作製した。まず、次の構成材料を使用して導電性ペーストを作製した。
導電材料：
カーボンブラック：東海カーボン社製トーカブラック＃４３００
グラフェン ：グラフェンプラットホーム社製ＧＮＨ−ＸＣ
接着剤成分 ：クレハ化学社製ＰＶＤＦ Ｗ１３００
溶剤 ：三菱化学社製ＮＭＰ
なお、トーカブラック＃４３００は平均粒子径が５５ｎｍである。また、ＧＮＨ−ＸＣは平均粒子径が３μｍの剥離グラフェンである。
導電材料としてのカーボンブラックとグラフェンとの質量比率は８０％、２０％とした。また、接着剤成分と導電材料との質量比率は２０％、８０％とした。また、溶剤の量は、ペーストの固形分濃度が２０質量％となるように調整した。
これらの材料を容器に投入し、ミキサー（シンキ―社製「練り太郎」）にて５分間混合し、導電性ペーストを作製した。

【0040】

次に、厚み５０μｍのポリイミドからなる基材（第１基材）を準備し、この表面に、スクリーン印刷法を用いて導電性ペーストを塗布し、乾燥、硬化させ、発熱層を形成した。導電性ペーストは乾燥後に形成される発熱層の厚みが１０μｍとなるような塗布厚とした。さらに、電極として銀ペースト（藤倉化成社製ドータイト）を塗布し、乾燥、硬化させた。これにより、実施例１の面状発熱体を完成させた。なお、実施例１の面状発熱体において、２つの電極間の距離は８０ｍｍとし、電極の長さが５５ｍｍとした。さらに、各電極に銀ペーストを介して電線を取り付けた。

【0041】

（実施例２）
実施例２として、実施形態１に係る面状発熱体１０の構成を有する面状発熱体を作製した。まず、実施例１の場合と同じ構成材料を使用して導電性ペーストを作製した。ただし、導電材料としてのカーボンブラックとグラフェンとの質量比率は９５％、５％とした。また、接着剤成分と導電材料との質量比率は２０％、８０％とした。また、溶剤の量は、ペーストの固形分濃度が２０質量％となるように調整した。
これらの材料から、実施例１と同様の方法にて導電性ペーストを作製した。

【0042】

次に、実施例１と同様の条件で、厚み５０μｍのポリイミドからなる基材に、導電性ペーストを用いて厚みが１０μｍの発熱層を形成した。その後、電極を形成し、実施例２の面状発熱体を完成させた。なお、実施例２の面状発熱体においても、２つの電極間の距離は８０ｍｍとし、電極の長さが５５ｍｍとした。さらに、各電極に銀ペーストを介して電線を取り付けた。

【0043】

（実施例３〜６）
実施例３〜５として、実施例１，２と同様に面状発熱体を作製した。ただし、導電材料としてのカーボンブラックとグラフェンとの質量比率は、実施例３では６０％、４０％、実施例４では４０％、６０％、実施例５では２０％、８０％とした。さらに、実施例６として、実施例１〜５と同様に面状発熱体を作製した。ただし、導電材料はグラフェン１００％とした。

【0044】

（比較例）
実施例として、実施形態１に係る面状発熱体１０の構成を有するが、発熱層にグラフェンを含まない面状発熱体を作製した。まず、導電性ペーストを作製した。このとき、導電材料はカーボンブラック１００％とした。また、接着剤成分と導電材料（カーボンブラック）との質量比率は２０％、８０％とした。また、溶剤の量は、ペーストの固形分濃度が２０質量％となるように調整した。
これらの材料から、実施例１と同様の方法にて導電性ペーストを作製した。

【0045】

次に、実施例１と同様の条件で、厚み５０μｍのポリイミドからなる基材に、導電性ペーストを用いて厚みが１０μｍの発熱層を形成した。その後、電極を形成し、比較例の面状発熱体を完成させた。なお、比較例の面状発熱体においても、２つの電極間の距離は８０ｍｍとし、電極の長さが５５ｍｍとした。さらに、各電極に銀ペーストを介して電線を取り付けた。

【0046】

（各種特性の測定）
次に、実施例１〜６、比較例の面状発熱体の抵抗値をテスターにより測定した。なお、抵抗値の測定は、雰囲気温度−２０℃〜１２０℃の範囲で行った。

【0047】

図３は、雰囲気温度と抵抗値との関係を示す図である。図４は、グラフェン比率と抵抗値との関係を示す図である。図４において、グラフェン比率が０％、５％、２０％、４０％、６０％、８０％、１００％のデータがそれぞれ比較例、実施例２、実施例１、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６のデータである。図３、４に示すように、実施例１、２では、グラフェン比率が高くなるにつれて抵抗値が低下し、かつ抵抗値は雰囲気温度に依らず略一定であることが確認された。ただし、雰囲気温度が１００℃以上ではやや抵抗値が上昇していた。また、図４に示すように、グラフェン比率が５％程度以上であれば、抵抗値はカーボン比率１００％の場合の４／５倍程度以下となり、さらにグラフェン比率が３０％〜９０％程度であれば、抵抗値はカーボン比率１００％の場合の１／２程度以下となることが確認された。

【0048】

次に、直流電源装置を使用して、実施例１，２、比較例の面状発熱体に電線を介して電圧を印加し、電極間に流れる電流の値を測定した。また、各面状発熱体にデジタルサーモラベルを取り付け、雰囲気温度３０℃からの昇温温度を測定した。なお、電圧は７．５Ｖ、１２．５Ｖ、１９．５Ｖとした。

【0049】

図５は、電圧−電流特性を示す図である。図６は、電圧−温度特性を示す図である。実施例１においては、電圧が７．５Ｖ、１２．５Ｖ、１９．５Ｖの場合の電流値は、それぞれ８０ｍＡ、１３０ｍＡ、２１５ｍＡであった。また、電圧が１２．５Ｖの場合のデジタルサーモラベルの表示温度は４５℃であり、昇温温度が１５℃であることを確認した。また、得られた測定結果から面状発熱体の消費電力を計算したところ、約３６０Ｗ／ｍ^２であった。

【0050】

また、実施例２においては、電圧が７．５Ｖ、１２．５Ｖ、１９．５Ｖの場合の電流値は、それぞれ６４ｍＡ、１０５ｍＡ、１６６ｍＡであった。また、電圧が１２．５Ｖの場合のデジタルサーモラベルの表示温度は４３℃であり、昇温温度が１３℃であることを確認した。また、得られた測定結果から面状発熱体の消費電力を計算したところ、約２９０Ｗ／ｍ^２であった。

【0051】

また、比較例においては、電圧が７．５Ｖ、１２．５Ｖ、１９．５Ｖの場合の電流値は、それぞれ５０ｍＡ、８５ｍＡ、１３０ｍＡであった。また、電圧が１２．５Ｖの場合のデジタルサーモラベルの表示温度は３８℃であり、昇温温度が８℃であることを確認した。また、得られた測定結果から面状発熱体の消費電力を計算したところ、約２４０Ｗ／ｍ^２であった。

【0052】

以上の結果から、発熱層にカーボン材料とグラフェンとを導電材料として含む実施例１、２の面状発熱体では、抵抗値が低下し、同一の厚みの発熱層を有する比較例よりも発熱量が多いことが確認された。また、実施例１、２の面状発熱体は、比較例の面状発熱体よりも、低電圧で同程度の発熱量を実現できることも確認された。なお、比較例の場合、発熱層の厚みをさらに厚くすると実施例１、２と同程度の発熱量を実現できると予想されるが、厚みが増すことで剥離しやすくなると考えられる。

【0053】

本発明に係る面状発熱体は、薄くし易く、且つ、使用対象に要求される形状に追従するように変形し易いので、以下のような用途に適用することができる。ヒータとしての利用において、例えば、曇り止め・結露防止・融雪用のヒータ、洗面台の曇り止め・結露防止用のヒータ、融雪用のヒータ、建物の屋根、アーケード等の融雪用のヒータ、食品加熱シート、フレキシブルなポータブルヒータ、電気毛布、電気カーペット、ウォームベンチ（便座や野球・サッカー等の屋外観戦用ベンチ）、ホットプレート、ポット、電気炊飯器等の調理器具、複写機、ＦＡＸ、プリンター等のＯＡ機器の予熱・乾燥用ヒータ、シーラ等の加熱・保温デバイスに用いることができる。

【0054】

また、本発明に係る面状発熱体は、表示装置や電子機器等の製造、半導体製造の先端産業用電熱装置、ホットカラー、パーマ機器等の美容関連機器、ペレット製造、金型、接着効果の加熱・乾燥等のプラスチック製造機器、マッサージ機、医療検査器、岩盤浴等の医療・美容関連機器、食品加工機器、食品トレイの加熱・保温等の食品関連機器、２４時間風呂、電気温水器、パネルヒーター等の住宅設備、ゴム製タンク用保温・結露防止ヒータ、食品保温用ヒータ、鉄道信号機・ポイント用融雪・着雪防止ヒータ、バックミラー用ヒータ、火災報知器内の結露防止ヒータ、釣銭機用内の結露防止ヒータ、プラモデル乾燥器用ヒータ、ペット用手術台保温用ヒータ、電気温鍼器、全身指圧マッサージ機、 家庭用温熱治療器、アイマスク用ヒータ、アーケード融雪ヒータ、踏切用障害物検知機融雪ヒータ、パラボラアンテナ融雪ヒータ、大型パラボラアンテナ融雪ヒータ、パイプ用凍結防止ヒータ、ペット用ヒーターマット、理美容品（ネックウォーマー）、遠赤外線ビームシャワとして用いることができる。

【0055】

また、本発明に係る面状発熱体をリボンヒータとして用いることもできる。例えば、ＥＴＣ装置着雪防止用ヒータ、コインパーキング用融雪ヒータ、新幹線プラットホーム屋根融雪ヒータ、軽油固形化防止用ヒータ（軽油タンク保温用）、パイプ、配管の凍結防止ヒータ、移動展示車ステップ部凍結防止ヒータ、清掃車凍結防止用ヒータ、野外競技場ベンチシートの暖房（ベンチヒーター）、熱源シート、岩盤浴ベッド用ヒータ、手術台への搬送用ストレッチャーの保温用ヒータ、爬虫類ペット用ヒータ、バッテリーウォーマー、弁当保温用ヒータ、シュラフ（寝袋）用ヒータ、ウエストウォーマ、立体駐車場融雪ヒータ、屋根融雪ヒータ、高所足場凍結防止ヒータ、浄水器凍結防止ヒータ、コンクリート養生シート、風力発電用ブレード（例えばＦＲＰ製）補修用ヒータ、ヒータ入りチェア、美容用痩身機器、ウォーターベッド用ヒータ、理容用トリートメントキャップ、温熱治療器、遠赤外線温熱治療パッド、美容用レッグウォーマ、美容用ハンドウォーマ、宇宙用途に開発したシートヒータ等に適用することができる。

【0056】

例えば、図７は、実施形態１に係る面状発熱体１０を防寒用衣類であるヒータベストに適用した図である。図７（ａ）は正面図であり、図７（ｂ）は背面図である。ヒータベスト１００は、前身頃１０１、１０２、後身頃１０３にそれぞれ面状発熱体１０を内蔵したものである。また、これらの４枚の面状発熱体１０は電線により並列接続されており、コネクタ１０４を介して携帯用電源などの直流電源に接続される。各面状発熱体１０は電流を供給されることにより発熱する。また、面状発熱体１０は、薄くて変形しやすいので、着用者にフィットし、着心地が良好である。

【0057】

なお、上記実施形態では、導電材料がカーボン材料とグラフェンとからなるが、実施例６のように導電材料が剥離グラフェンからなるものでもよい。

【0058】

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0059】

１ 第１基材
２ 発熱層
３ 電極
４ 第２基材
１０、２０ 面状発熱体
１００ ヒータベスト
１０１、１０２ 前身頃
１０３ 後身頃
１０４ コネクタ

【要約】

【課題】所望の発熱量を実現しながら、発熱層が基材から剥離してしまうことを防止又は抑制できる面状発熱体を提供すること。
【解決手段】面状発熱体は、第１基材と、前記第１基材の表面に形成された、導電材料を含む発熱層と、互いに離間し、かつ前記発熱層に接触するように前記１基材に設けられた２つの電極と、を備え、前記導電材料は、カーボン材料とグラフェンとからなる、又は、剥離グラフェンからなる。好ましくは、前記グラフェンは剥離グラフェンである。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】