フィルムヒーターとは？

フィルムヒーターとは、薄い樹脂フィルムを基材に用いた電気ヒーターで、面状発熱体の一種です。金属箔や導電膜などの発熱体に電流を流して発熱させ、対象物の加熱・保温に利用します。薄型・軽量で柔軟性があり、限られたスペースへの組み込みにも適しています。

フィルムヒーターには、金属箔をエッチングして発熱回路を形成する「エッチングヒーター」や、透明導電膜を利用する「透明ヒーター」、CNT (カーボンナノチューブ) を発熱体に用いる「CNTヒーター」などがあります。使用温度、形状、透明性、電源電圧などの条件に応じて選定・設計することが大切です。

このページでは、フィルムヒーターの原理・構成・種類・メリットとデメリット・用途・使用時の注意点を、図や温度データとともに解説します。ヒートラボでは、アルミ箔フィルムヒーター・SUS箔 (ステンレス箔) フィルムヒーター・透明フィルムヒーター・CNTフィルムヒーターの設計・試作に対応しています。

目次

• フィルムヒーターの原理
• フィルムヒーターの構成
• フィルムヒーターのメリット
• フィルムヒーターのデメリット・注意点
• フィルムヒーターの種類とそれぞれの特徴
• フィルムヒーターの用途・活用事例
• フィルムヒーターの温度特性

フィルムヒーターの原理

フィルムヒーターは面状発熱体の一種で、薄いフィルム状の電気ヒーターです。フィルム基材上に形成した金属箔や導電膜などの発熱体に電流を流し、電気抵抗によって発生するジュール熱を利用して加熱します。

フィルムヒーターの発熱方式は、大きく分けて「電熱線タイプ」と「面発熱タイプ」があります。

• 電熱線タイプ：
  アルミ箔や銅箔、ステンレス箔などの金属箔や導電性ペースト、銅線やニクロム線などの導線をフィルム基材上に配置し、ヒーター線を形成する方式です。
  特に金属箔をエッチングして発熱回路を形成するものは「エッチングヒーター」と呼ばれ、用途に応じて発熱パターンを設計できることが特徴です。
  ヒーター線を1本の回路として形成するものが一般的ですが、複数のヒーター線を並列に接続する構成などもあります。
• 面発熱タイプ：
  フィルム基材上に薄い導電膜を形成し、電極間の面全体を発熱させる方式です。
  導電性インクのコーティングや、蒸着・スパッタリングによる金属膜など、さまざまな方法で発熱層を形成します。
  CNTヒーターでは、CNT(カーボンナノチューブ)をバインダー中に分散させた材料をフィルム基材上にコーティングし、導電性を持つ発熱層を形成します。また、透明導電膜を利用した透明フィルムヒーターなどもあります。

フィルムヒーターの構成

フィルムヒーターの構成は、大まかにはヒーター線またはヒーター層(導電層)をフィルムで挟んで絶縁した積層構成になります。
電熱線タイプと面発熱タイプのヒーターでは積層構成が少し異なる部分があります。
ここではタイプ毎にフィルムヒーターの基本的な構成をご紹介致します。

電熱線タイプのフィルムヒーターの構成

電熱線タイプのフィルムヒーターでは、基本的に金属箔と樹脂フィルムを貼り合わせた複合材料(FCCL、アルミ箔/PETフィルム、SUS箔/ポリイミドフィルムなど)を使用し、金属箔をエッチングして発熱パターンを形成します。

金属箔の発熱パターンは絶縁する必要があるため、PETフィルムやポリイミドフィルムなどのカバーフィルム(絶縁フィルム)を貼り合わせて保護・絶縁します。

発熱体には、アルミ箔、SUS箔(ステンレス箔)、銅箔などの金属箔のほか、用途に応じて導電性ペーストなどが使用されます。

面発熱タイプのフィルムヒーターの構成

面発熱タイプのフィルムヒーターでは、フィルム基材上にコーティングや蒸着、スパッタリングなどの方法で導電層(導電膜)を形成します。

導電層の両側には電流を流すための電極(バスバー)を形成します。面全体をできるだけ均一に発熱させるため、電極は互いに対向して平行に配置することが基本です。

導電層や電極は絶縁・保護する必要があるため、その上からPETフィルムなどのカバーフィルム(絶縁フィルム)を貼り合わせます。

導電層には、Ag(銀)スパッタ膜や導電性ポリマーのコーティング膜などが使用されます。ヒートラボでは、これらのITO代替材料を用いた透明フィルムヒーターに対応しています。
また、CNTヒーターでは、CNT(カーボンナノチューブ)をバインダー中に分散させた材料をフィルム基材上にコーティングして発熱層を形成します。

フィルムヒーターのメリット

極薄

フィルムヒーターは、薄型であることが大きな特長です。構成や使用材料によって異なりますが、ヒーター本体を0.1～0.3mm程度の薄さにすることも可能です。
薄いため、限られたスペースへの組み込みや加熱対象物への貼り付けにも適しています。

熱応答性の良さ

フィルムヒーターは薄く、発熱体自体の熱容量が小さいため、熱応答性に優れています。通電後の温度立ち上がりが速く、短時間で加熱することが可能です。

下記は弊社規格品の参考温度データで、印加電圧(電力)によって到達温度は異なりますが、通電後短時間で温度が立ち上がることが確認できます。

軽量

フィルムヒーターは薄い樹脂フィルムや金属箔などで構成されるため、軽量です。サイズや構成によって異なりますが、機器への組み込み時にも重量増加を抑えやすいことが特長です。

柔軟性(フレキシブル性)の高さ

フィルムヒーターは薄く柔軟性があるため、曲面への取り付けにも適しています。フレキシブルヒーターとして、平面だけでなく円筒面や緩やかな曲面など、さまざまな形状の加熱対象物に取り付けることができます。

面で加熱できる・均一加熱しやすい

フィルムヒーターは、発熱体を面状に配置できるため、広い範囲を加熱することができます。発熱パターンを適切に設計することで、加熱対象物の温度分布を均一化しやすいことも特長です。

発熱パターン・形状の設計自由度 (エッチングヒーター)

エッチングヒーターは、アルミ箔、SUS箔(ステンレス箔)、銅箔などの金属箔をエッチングして発熱パターンを形成するフィルムヒーターです。用途やヒーター形状に合わせて、発熱パターンや発熱エリアを設計できます。
必要な抵抗値や電源電圧、発熱量などの条件に応じてパターンを調整できるため、さまざまな加熱用途に対応できます。

量産時のコストメリット(アルミ箔フィルムヒーター)

アルミ箔フィルムヒーターは、エッチングヒーターの一種です。 アルミ箔をエッチングして発熱パターンを形成します。一部の製造工程をRoll to Roll方式で量産できるため、数量が増えた場合のコストメリットが期待できます。

また、アルミ箔はSUS箔(ステンレス箔)や銅箔と比較して材料コストを抑えやすく、量産用途にも適しています。

フィルムヒーターのデメリット・注意点

1. 電力密度に上限がある

フィルムヒーターは、フィルム基材や接着層、発熱体などの耐熱性、使用温度や放熱条件によって、単位面積当たりに加えられる電力(電力密度)に制約があります。

弊社での設計目安は以下の通りです。
・アルミ箔フィルムヒーター：1.0W/cm²程度まで
・透明フィルムヒーター：0.5W/cm²程度まで
※実際に使用できる電力密度は、ヒーターの構成、使用温度、放熱条件、貼り付ける対象物などによって異なります。

2. 使用温度が構成材料によって制限される

フィルムヒーターの使用温度は、フィルム基材や接着層、粘着材などの耐熱温度によって制限されます。特に粘着層を使用する場合は、フィルム基材だけでなく粘着材の耐熱性も考慮する必要があります。

目安として、PET基材は常時使用温度80～100℃程度まで、ポリイミド基材は180～200℃程度までの使用が可能です。
※実際の使用温度はヒーターの構成材料によって異なります。

3. 試作・少量では初期費用が掛かる

エッチングヒーターや印刷方式のフィルムヒーターでは、パターン設計費や版代などの初期費用が必要となる場合があります。そのため、1枚だけの試作や少量製作では、1枚当たりの価格が高くなりやすい傾向があります。

初期評価向けには、規格品の評価用サンプルもご用意しています。

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4. 曲げ・折り曲げには注意が必要

フィルムヒーターは柔軟性があり、緩やかな曲面への取り付けには対応できます。一方で、鋭角に折り曲げたり、繰り返し屈曲させたりすると、発熱体や導電膜が断線するおそれがあります。

5. 耐用年数は使用条件によって異なる

フィルムヒーターの耐用年数は、使用温度、電力密度、通電時間、使用環境、取り付け状態などによって大きく異なります。そのため、一律に耐用年数を設定することは難しく、実際の使用条件での評価が必要です。

6. 防水対策が必要

フィルムヒーターは、標準仕様のままでは防水構造ではありません。
水分や結露が想定される環境で使用する場合は、端子部やヒーター外周を含めた防水・防湿対策が必要です。
防水対策を行わず、そのまま水中で使用することはできません。

フィルムヒーターの種類とそれぞれの特徴

フィルムヒーターには、金属箔をエッチングして発熱パターンを形成するエッチングヒーターや、透明導電膜を利用する透明フィルムヒーター、CNTを発熱体に用いるCNTヒーターなどがあります。

一般的なフィルムヒーターは、薄型・軽量・フレキシブルで、限られたスペースへの組み込みや曲面への取り付けに適しています。以下では、発熱体や製造方式による主な違いをまとめます。

エッチングヒーター

エッチングヒーターは、アルミ箔、SUS箔(ステンレス箔)、銅箔などの金属箔をエッチングして発熱パターンを形成するフィルムヒーターです。

透明フィルムヒーター

透明フィルムヒーターは、透明なフィルム基材上に透明導電膜を形成し、透明導電膜自体を発熱体として利用するフィルムヒーターです。高い透明性を確保しながら発熱させることができます。

ヒートラボでは、ITO代替の透明導電材料として、Ag系スパッタ膜や導電性ポリマーのコーティング膜を用いた透明フィルムヒーターに対応しています。

CNTヒーター

CNTヒーターは、CNT(カーボンナノチューブ)をバインダー中に分散させた材料をフィルム基材上にコーティングし、導電性を持つ発熱層を形成したフィルムヒーターです。金属箔の発熱パターンを使用せず、発熱層を面状に形成します。

ヒートラボでは、用途に応じて標準仕様・低抵抗仕様・高耐熱仕様の3グレードに対応しています。

その他・開発品

ヒートラボでは、標準的なフィルムヒーターのほか、用途に応じた特殊構造のヒーターや開発品にも取り組んでいます。

フィルムヒーターの用途・活用事例

フィルムヒーターは、機器の保温・加熱、結露防止、凍結・着雪対策、透明部材の加熱など、さまざまな用途に利用されています。用途や使用環境に応じて、発熱体や基材、形状、電源条件などを選定します。

各製品ページでは、用途事例や活用イメージをご紹介しています。

• アルミ箔フィルムヒーター：機器・部品の加熱や保温など
• 透明フィルムヒーター：視認性を確保したまま加熱したい用途など
• CNTフィルムヒーター：面状に広い範囲を均一に加熱したい用途など
• ファブリックヒーター：布材や柔軟な製品への組み込み用途など

フィルムヒーターの温度特性

フィルムヒーターの到達温度や昇温速度は、印加電圧・電力密度、ヒーターサイズ、放熱条件、取り付ける対象物などによって異なります。

一方で、フィルムヒーターは薄く発熱体の熱容量が小さいため、比較的温度応答が速いことが特長です。

ヒートラボでは、規格品(評価用サンプル)を使用し、各電圧条件で測定した参考温度データを掲載しています。実際の使用条件によって温度は変化しますので、ヒーター選定時の目安としてご参照ください。

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