2023.03.10

導電性フィルムのシート抵抗(表面抵抗率)/抵抗/面ヒーターのパワー/温まりやすさの関係：META社NANOWEB®透明ヒーターのご設計に

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導電性フィルムのシート抵抗(表面抵抗率)/抵抗/面ヒーターのパワー/温まりやすさの関係：META社NANOWEB®透明ヒーターのご設計に

この記事の監修者
コーンズテクノロジー編集部: コーンズテクノロジーでは先進的な製品・技術を日本産業界へ紹介する技術専門商社として、通信計測・自動車・防衛セキュリティ・電子機器装置・航空宇宙・産業機械といった技術分野のお役立ち情報を紹介しています。

電熱線のヒーターは昔より多く使われてきましたが、導電性フィルムを使い、面全体を均一に加熱する、「面ヒーター」と呼ばれるヒーターがあります(参考記事:「NANOWEB®透明導電性フィルムで融雪・曇り止めヒーターを透明に」)。

本記事では、どのような導電性フィルムを、どういう形でヒーターにすれば、よりパワフルな面ヒーターを作ることができるのか。これを検討するるうえで重要になる「シート抵抗(表面抵抗)」という物性値と、そこからどのようにヒーターの性能が計算されるのか見てみたいと思います。

シートの抵抗値設計

導電性フィルムの電気の通しやすさは、シート抵抗(表面抵抗)という値で確認できます。
同じシート抵抗 & 同じ長さ/幅比なら、面積の大小によらず、ヒーターの抵抗値は等しくなります。
長さに対して幅が大きくなるほど、ヒーターの抵抗値は小さく、逆に小さくなるほどヒーターの抵抗値は大きくなります。

導電性フィルムの電気の通しやすさは、シート抵抗(表面抵抗)という値で表される事が多いようです。

シート抵抗は正方形のシートの両辺間あたりの抵抗値(Ω/sq)で表されます。

例として、導電性フィルムシートの2 つの対辺のそれぞれに銅製の電極(バスバー材)を接着したとします。

この場合、2つの電極に抵抗測定器のプローブを当て、2辺の間の抵抗を測定すると予想される抵抗の測定値は次のようになります。

(シート抵抗と抵抗値の式)

※各文字は次を意味しています。

R_M：抵抗測定値(Ω)

Rs：シート抵抗公称値(Ω/sq)

L：シートの電気導通部長さ、W：シートの電気導通部幅

具体的な例を見て見ましょう。

5cm ×5cmの正方形シートサンプルにて、材料のシート抵抗が3.5 Ω/sq.だった場合には、両辺間の抵抗値は 3.5Ωを示します。

次に、シートのサイズが 10cm×10cmの場合も、同じように抵抗値は同じ3.5Ωとなります。大きさが違っても、どちらも長さと幅が同じ正方形なため、抵抗値は等しくなります。

あるいは、下図に示すように、長さは 8cm、幅は 4cmの長方形のシートサンプルで考えて見ましょう。

このサンプルにて、上記の式を使用すると、予想される測定抵抗は 7.0Ωになります。

(式a)

同じシート抵抗なら、長さが長く、幅が細いほど抵抗値は大きく、反対に長さが短く、幅が太いほど抵抗値は小さくなります。

ヒーターのパワーと抵抗値

同じ電圧Vを使うのであれば、抵抗値Rが小さいほど、ヒーターのパワーは反比例して大きくなります。
ヒーターの温まりやすさは、面積あたりのワット数＝パワー密度(W/m2)で決まります。

次に、このフィルムシートの抵抗を利用してフィルムをヒーターに使うことを考えてみましょう。

学校の授業などでも習われるように、電圧の大きさをＶとして、大きさＩの電流が流れる抵抗(抵抗値R)があったとすると、ここで生じる抵抗熱の大きさPは次のようになります。

※P：ヒーターの抵抗から生じる1秒あたりの抵抗熱の大きさ(W :ワット = J/s)

V:ヒーターの抵抗に加わる電圧 (V: ボルト)

I:ヒーターに流れる電流(A: アンペア)

また、オームの法則という関係により電圧Vと電流値I、抵抗値Rの関係は次のようになります

(オームの法則)

そのため、抵抗値Rのヒーターに電圧Vを加えた時のヒーターのパワー(1秒あたりの抵抗熱の大きさ、ワット数)は次のようになります。

これをご覧頂くと、同じ電圧Vを使うのであれば、抵抗値が小さいほど、ヒーターのパワーは反比例して大きくなることが分かります。

ヒーターを安全電圧と呼ばれるような低電圧で使いたいような場合は、低抵抗のヒーターが必要となります。

そして、ヒーターの温まりやすさは、面積あたりのワット数＝パワー密度(W/m2)で決まります。ヒーターを設計される際は、ご利用の環境での、面積当たり放熱量(熱伝達係数)、あるいは加熱したい材料の熱容量、ご要求の加熱時間…などといった条件と、加熱したい温度上昇量に対し、このパワー密度がどれだけあればよいか、検証するような形となります。