銀ナノ電子インクを発熱させる、厚さ1mmのUSBヒーター

USBヒーター

韓国の温熱機器メーカー、PARU社とZIVON社は、発熱可能な銀ナノインクを印刷した発熱体を薄型温熱治療器とする発明について、共同での特許出願(PCT条約に基づく国際特許出願)を韓国特許庁を受理官庁として行い、2017年10月20日に日本でも特許が認められた(特許番号:6228348号)。

この特許技術を用いて、『INKO Heating Mat HEAL(インコ ヒーティングマット ヒール)』という商品名で厚さ1mmのUSBヒーターを上梓し、すでに日本国内でも販売が開始されている。非常に薄く軽いため、くるくると丸めて収納することができ、外出時でも気軽に持ち運ぶことが可能であり、また、銀ナノインク自体が発熱するという性質上、有害なガスや電磁波などが発生することがなく、極めて安全かつ安心な暖房グッズとなっている。

銀ナノインクを用いることの革新的効果

従来から、薄型かつ軽量の暖房器具を製造するために、いわゆる暖房フィルムと呼ばれる製品が存在しており、その製造工程はスクリーン印刷とエッチング工程を基盤としたものであった。 しかし、これらの工程はどれも複雑で製造コストが高価である。例えば一つの基盤に発熱回路を精密印刷技術で印刷し、その上に絶縁薄膜を印刷して絶縁させ、絶縁薄膜上にさらにセンサー回路を印刷して基盤の厚さを最小化させ、その上にカバー基盤を結合させる、といった、多工程かつ複雑な高コスト工程となっていた。 そこで、このような問題を解決するために、本発明では銀ナノインク発熱体を採用し、(1)2つ以上の銀ナノインク印刷発熱体をグラビア印刷技術を用いて一つの基板上に形成する工程、(2)銀ナノインクが構成された基盤の裏面に断熱材及び外皮を積層する工程、(3)銀ナノインク印刷発熱体の上に遮蔽生地を接着する工程、(4)遮蔽生地上に外皮を積層する工程によって、工程の単純化を図り、製造コストを低減させるとともにヒーター自体の薄さを実現させた。 このようにして得られた薄型ヒーターは、銀ナノインクにが持つ高い電気的電流変化特性により、低温領域では瞬間発熱温度が高く、高温領域では低い電流を維持するようにでき、火災の危険性を低減することができるうえ、低電力で高い熱効率を持つことができるという。

銀ナノインクとはどのようなものか

本発明の最大の特徴は銀ナノインクを発熱体として用いることにあるが、この銀ナノインクとは、具体的にどのようなものであろうか。簡単に説明すると、以下のような工程で製造される銀ナノゲルが、従来のグラビア印刷機で使用可能なインクとして用いられている。 まず、ナノ粒子サイズに粉砕された銀粒子(Ag)を硝酸塩(NO3)とすることにより、硝酸銀(AgNO3)を合成し、この硝酸銀0.3gを蒸留水10mlに溶かして銀イオン水溶液を製造する。この銀イオン水溶液に数平均分子量5万の高分子ピロリドン0.02gを添加し、均一に分散するようにホモジナイザーで撹拌する。ここに10%ヒドラジン水溶液0.5gを添加し、3時間撹拌して暗緑色の溶液を製造する。ここにアセトン20mlを加えて1分間撹拌し、遠心分離機を用いて6000rpmで30分間分離して得た銀沈殿物に0.1gのジエタノール2,2アゾビスを添加して、導電性ペーストである銀ナノゲル0.2gが製造される。 こうして得られた銀ナノゲルに、エチレングリコールを溶媒としてエポキシと銀粒子、硬化剤が添加されて、最終的に銀ナノゲルの含まれた導電性インクである銀ナノインクが完成する。 ただし、この段階では単に電気を通すだけのインクであり、発熱体として使用することはできない。銀ナノインクと併せて、発熱抵抗として高分子、カーボン及び黒鉛を含む導電性PTCカーボンインクを、適宜の配合比で併用することで、温度調整が可能な発熱体として使用することができるようになるのである。

得られたインクをグラビア印刷することで安定生産が可能

銀ナノインクと導電性PTCカーボンインクを、製版ローラーと圧胴ローラー間にフィルムを通す従来のグラビア印刷装置で印刷することにより、Roll to Rollで安定して大量に面状発熱体を製造することができることとなった。面状発熱体のインクによる抵抗は、銀ナノインクと導電性PTCカーボンインクのライン数で調整することができる。また、グラビア印刷機による製版深度でも、深度が深くなるとインクの転移量が多くなって同じパターンでの抵抗が低くなり、深度が浅くなると抵抗が高くなるという調整が容易にできる。こうして、同一面内でも自由に発熱抵抗を変えた設計ができ、得られる製品の自由度が高まる効果が得られた。

このようにして得られた薄型の発熱体を得る技術は、電気マット、電気毛布、電気座布団、温水マット、電気カーペットなど、一体型発熱部を2つ以上の部分に分割して使用することができる温熱マットに広く利用が可能であり、今般発売が開始された『INKO Heating Mat HEAL(インコ ヒーティングマット ヒール)』のみならず、多くの温熱製品に応用が可能な技術といえるだろう。