TWI642328B

TWI642328B - Microwave heating device and microwave heating method

Info

Publication number: TWI642328B
Application number: TW101138676A
Authority: TW
Inventors: 內田博; 篠崎研二; 仙田和章
Original assignee: 日商昭和電工股份有限公司
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2018-11-21
Also published as: WO2013058379A1; JPWO2013058379A1; TW201338633A; JP6121333B2

Abstract

提供可將導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜適當加熱的微波加熱裝置及微波加熱方法。

一面對導波管(16a)供給波長範圍1m~ 1mm的微波，一面在該導波管(16a)之中，將形成有導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的基板(24)，以上述膜的形成面與微波的電力線方向呈大致平行地進行配置、或使其移動。

Description

微波加熱裝置及微波加熱方法

本發明係關於微波加熱裝置及微波加熱方法。

自以往以來，已知一種使用微波來將金屬等材料、或該等之薄膜進行加熱處理的技術。若使用微波時，可藉由電場或磁場的作用，使加熱對象物內部發熱而選擇性加熱。

以微波加熱之例而言，在下述專利文獻1(尤其段落0073等)中揭示一種對由成為金屬氧化物半導體之前驅物的無機金屬鹽材料所形成的薄膜，在大氣壓下(存在氧之下)照射微波而轉換成半導體的技術。

此外，在下述專利文獻2(尤其段落0024等)中係揭示一種一面使超硬合金、金屬陶瓷或陶瓷製切斷板等加工材通過等間隔配設有微波源(磁控管)的管道內一面進行加熱的技術。

此外，在下述專利文獻3(尤其段落0019等)中係揭示一種在駐波(入射波與反射波的合成)的電場最大或磁場最大的位置設置砥石材料，效率佳地進行加熱的微波加熱裝置。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2009-177149號公報

[專利文獻2]日本特開2006-300509號公報

[專利文獻3]日本特開2010-274383號公報

一般而言，若將導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜藉由微波進行加熱時，會有因發生火花而使該等膜或形成有膜的基板破損，而不易適當加熱的問題。在上述習知技術中並未揭示解決該問題的構成。

本發明之目的在提供可將導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜適當加熱的微波加熱裝置及微波加熱方法。

為達成上述目的，本發明之一實施形態係一種微波加熱裝置，其特徵為具備有：導波管；對前述導波管供給波長範圍1m~1mm的微波的微波供給手段；及在前述導波管內，將形成有導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的基板，以前述膜的形成面與前述微波的電力線方向呈大致平行地進行配置、或使其移動的基板供給手段。

此外，上述微波加熱裝置係與前述微波的行進方向呈平行，而且以與微波的行進方向呈正交的方向，將複數的前述導波管鄰接排列，維持成將複數的前述導波管內的微波的相位彼此偏移90度的狀態，前述基板供給手段係使前述基板連續通過前述複數導波管，為其特徵。

此外，前述膜的厚度較適為10nm~1mm。

此外，前述基板係由含有聚醯亞胺、聚酯、聚碳酸酯、酚醛紙、玻璃環氧、氧化鋁、氧化矽、氧化鋯、氧化鈦、矽或碳化矽的基材所構成，為其特徵。

此外，前述導體或半導體為金、銀、銅、鋁、鎳、石墨、石墨烯、奈米碳管、氧化鋅、氧化錫、氧化銦錫，為其特徵。

此外，本發明之一實施形態係一種微波加熱方法，其特徵為：對導波管中供給波長範圍1m~1mm的微波，在前述導波管內，將形成有導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的基板，以前述膜的形成面與前述微波的電力線方向呈大致平行地進行配置、或使其移動。

藉由本發明，藉由將形成有膜的基板的面形成為與微波的電力線方向呈大致平行，來抑制火花發生，而可適當加熱。

以下按照圖示，說明用以實施本發明的形態(以下稱為實施形態)。

在圖1中顯示本實施形態之微波加熱裝置之構成例。在圖1中，微波加熱裝置係構成為包含有：微波發生部10、監視器部12、調諧器部14、加熱部16、被加熱對象物供給部18、及可動短路部20。

微波發生部10係發生供給至構成加熱部16之導波管的微波。在此，微波係指波長範圍為1m~1mm(頻率為300MHz~300GHz)的電磁波。

監視器部12係監視微波發生部10所發生的微波的入射電力、及來自加熱部16的反射電力的裝置。

調諧器部14係發生與上述微波進入至構成加熱部16的導波管時所發生的反射波呈相反相位的電磁波，而消除反射波，以防止反射波返回至微波發生部10。

加熱部16係如上所述，藉由導波管所構成，藉由微波，將被加熱對象物進行加熱。如後所述，在本實施形態中，在微波的能量之中使用電場的能量，來將被加熱對象物加熱。

被加熱對象物供給部18係具備有微波的漏洩防止機構，對構成加熱部16的導波管供給被加熱對象物。該被加熱對象物供給部18亦可為例如形成在導波管的被加熱對象物的供給用開口。此時，係藉由人的手由上述開口將被加熱對象物插入至導波管內。此外，亦可形成為藉由輥對輥(roll to roll)等適當的供給裝置，將被加熱對象物供給至導波管內的構成。其中，在本實施形態中，被加熱對象物係形成在基板面上的導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜。

此外，在本案中，半導體係指電阻率為10^-3 Ω cm~10⁶ Ω cm的範圍的物質，導體係指電阻率小於半導體(未達10^-3 Ω cm)的物質。

可動短路部20係依被加熱對象物的材質而在構成加熱部16的導波管內的微波的波長產生短縮，當駐波改變時，用以在導波管內維持駐波的構件，監視監視器部12的反射電力，而在用以維持駐波的最適位置配置前端部20a。

在圖2中係顯示構成加熱部16之導波管之構成例(TE10模式的空洞共振器)。在圖2中，在導波管係在接受微波之側設有上述調諧器部14。此外，在微波的入口係形成有光圈部22，微波係由該光圈部22的開口進入至導波管16a。圖2中的微波Mw的波係表示電場強度的曲線(波(振幅)的最高點(曲線的最上點)為電場最大點、最下點(曲線的最下限)為電場最小點)。

在導波管16a之與光圈部22為相反側的端部附近設有上述可動短路部20，藉由存在於光圈部22與可動短路部20之前端部20a之間的微波Mw的電場，將由被加熱對象物供給部18所被供給的被加熱對象物，亦即被形成在基板24上的上述膜進行加熱。其中，為了使微波Mw的駐波發生在光圈部22與前端部20a之間，使光圈部22與前端部20a的距離L成為： L=(2n-1)λ g/2 λ g係微波Mw的導波管內的波長，n若設為自然數即可。但是，在導波管16a中所發生的微波並非限定於駐波，亦可為行進波。

在圖3(a)、(b)、(c)係顯示在導波管16a中所發生的微波的電磁場分布的說明圖。

圖3(a)係導波管16a的斜視圖，導波管16a以與圖的x-y平面呈正交的方向(z軸向)延伸。若對導波管16a供給微波，以y軸方向(與x-z平面呈正交的方向)發生電場。此時表示電場的方向及強度的電力線以實線的箭號表示。此外，磁場係以與電場呈正交的x軸方向發生，表示磁場的方向及強度的磁力線以虛線的箭號表示。

圖3(b)係在導波管16a之與x-z平面呈平行的面的剖面圖。在圖3(b)中，微波的電力線以白圈(○)及黑圈(●)表示，白圈為由紙面的跟前側朝向裏側的方向，黑圈表示由紙面的裏側朝向跟前側的方向的電力線。其中，磁力線係以虛線表示。

如圖3(b)所示，基板24係在將形成有導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的面維持成與微波的電力線方向(電場的方向)呈大致平行的狀態下配置在導波管16a中，或在導波管16a中移動。在此，大致平行係指基板24的面與微波的電力線方向為平行或相對於電力線方向維持30度以內的角度的狀態。其中，上述30度以內的角度係指在基板24的面立起的法線及電力線方向呈60度以上的角度的狀態。在基板24的面係形成有被加熱對象物，亦即導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜。因此，藉由因電場所致之焦耳損失及/或介電損失，可進行形成在基板24的面的被加熱對象物亦即上述膜的加熱。其中，若上述膜的電阻率未達1M Ω cm時，焦耳損失成為主要，若為1M Ω cm以上時，則介電損失成為主要。藉此，上述膜的電阻由絕緣體的狀態至導體的狀態，可進行加熱及燒結。結果，在使導體或半導體分散的分散物的膜中，亦可降低該電阻率。

如上所述，作為被加熱對象物所被形成的導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的面係與微波的電力線方向呈平行或以30度以內的角度相交(大致平行)，因此貫穿上述膜的電力線的個數受到限制，可抑制火花的發生。此外，在微波的電場中，係可藉由內部發熱，來將包含上述導體或半導體的膜選擇性進行加熱。因此，並不需要藉由烘箱等來按每個基板24進行加熱。其中，若使用矽或碳化矽等半導體基板時，以微波加熱時，基板本身亦發熱，但是膜的燒結在短時間內即完成。基於該等情形，可使基板24及形成在其表面的導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜不會破損而適當地加熱。

圖3(c)係導波管16a之與y-z平面呈平行的面的剖面圖。在圖3(c)中亦以實線的箭號來表示微波的電力線。其中，在圖2、圖3(b)及圖3(c)中，係例示形成在基板表面的導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的面與y-z平面呈平行的情形，但是亦可進行與微波的電力線方向呈大致平行的其他配置，例如配置成與x-y平面呈平行。

基板24通過電力線的密度高(電場強度高)的區域，可在更短時間內加熱，較為適合。此時，如上所述，基板24的面配置成與微波的電力線方向呈大致平行。在圖2及圖3中係例示在y軸方向(與x-z平面呈正交的方向)發生電場，在x軸方向(與y-z平面呈正交的方向)發生磁場的情形，但是亦可形成為在x軸方向(與y-z平面呈正交的方向)發生電場，在y軸方向(與x-z平面呈正交的方向)發生磁場的構成。

在圖4係顯示形成有導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的基板24的剖面圖。在圖4中，在基板24的至少一面係形成有導體或半導體的膜26、或使導體或半導體分散的分散物的膜26。上述基板的厚度較適為0.01~10mm的範圍。此外，上述膜的厚度係設為10nm~1mm的範圍，較佳為100nm~100μm的範圍。其係基於不易形成比10nm為更薄的膜，比1mm為更厚的膜由於所貫穿的電力線數量會增加，而容易發生火花之故。

以導體或半導體之例而言，可列舉金、銀、銅、鋁、鎳、石墨、石墨烯、奈米碳管、氧化鋅、氧化錫、氧化銦錫等。此外，以使上述導體或半導體分散的分散媒而言，係可使用周知的樹脂。以該等樹脂之例而言，係可列舉纖維素、聚乙烯吡咯啶酮、聚乙二醇、聚丙二醇、環氧樹脂等。此外，以上述基板24之材料之例而言，係可列舉含有聚醯亞胺、聚酯、聚碳酸酯、酚醛紙、玻璃環氧、氧化鋁、氧化矽、氧化鋯、氧化鈦、矽或碳化矽的基材。上述基板24亦可由被設在導波管的被加熱對象物供給部18被插入至導波管16a中，藉由未圖示的基板保持、移動手段，使上述膜的形成面與導波管中的微波的電力線方向呈大致平行而配置在導波管中或在導波管中移動。

在圖5中顯示本實施形態之微波加熱裝置之其他構成例。在圖5中，具特徵之處為：二個導波管16a與微波的行進方向(圖的箭號A1、A2的方向)呈平行，而且以與微波的行進方向呈正交的方向鄰接排列，被維持為二個導波管16a中的微波的相位彼此偏移90度的狀態。其中，在上述說明中，係使用「微波的行進方向」的文句，但是此並非否定微波為駐波。駐波係藉由彼此朝相反方向行進的行進波的合成所產生之故。此外，在本實施形態中，二個導波管16a呈平行排列，但是導波管16a的數量並非侷限於二個。可依形成有被加熱對象物亦即上述膜的基板24等的形狀、被加熱面積等情形，來使用適當數量的導波管16a。

在圖5所示之實施形態中，亦設有被加熱對象物供給部18，使基板24，在維持形成有導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的面與各導波管16a中的微波的電力線方向為大致平行的狀態下，藉由未圖示的基板保持、移動手段，連續通過導波管16a中。在此，所謂連續通過係指基板24通過一個導波管16a後，繼續通過與此相鄰接的微波的相位偏移90度的導波管16a。在圖5之例中，基板24朝圖由上而下的方向(箭號B方向)移動。其中，本實施形態中的被加熱對象物供給部18亦可為形成在導波管的被加熱對象物的供給用開口。

[實施例]

以下具體說明本發明之實施例。其中，以下之實施例及比較例係供更容易理解本發明之用者，本發明並非受到該等實施例限制。

實施例1

使用東麗杜邦公司製聚醯亞胺薄膜；Kapton 150EN(薄膜厚37.5μm)作為基板，在該基板的表面塗佈銀(Ag)漿(DOTITE FA-353N，藤倉化成股份有限公司製)。

上述銀漿的塗佈係藉由網版印刷而將2cm×2cm的正方圖案印刷在上述基板來進行。所印刷的圖案(銀漿層)的厚度在乾燥後為15μm(3點平均值)。

將如以上所示塗佈銀漿而形成有銀漿層的基板，藉由圖2所示之裝置進行微波加熱。此時，基板24係包含微波的電場的最大點，而且如上所述，朝向塗佈有銀漿的面與微波的電力線方向呈大致平行的方向進行配置。所使用的微波的頻率為2.45GHz，此時的電場的最大點在理論上成為離光圈部22為λ g/4的位置(使用2.45GHz的微波時，λ g為148mm)，但是若安置基板時，在基板之中前進的微波會波長短縮，共振位置會偏移。因此，在離光圈部22為λ g/4的電場的最大點配置微波檢測器，將柱塞的位置作微調整為與微波檢測器相連接的導波管內電壓計的電壓表示最大值的位置。加熱時間為30秒~60秒。藉此，銀漿層的表面溫度上升至200℃左右，銀粒子進行燒結而生成銀膜。此時，在基板24並未產生熱變形等損傷。此外，在微波加熱中不會發生火花，使基板24不會破損，而在該表面上形成有銀膜。所形成的銀膜的膜厚為16μm。將加熱處理前後的銀漿層及銀膜的電阻率，使用Mitsubishi Chemical Analytech股份有限公司製Loresta GP，以3點平均值來進行測定。測定結果顯示於表1。

實施例2

藉由以下順序，製作出使鋁粒子分散的油墨。

將鋁粉(RD10-3560，東洋鋁股份有限公司製，D50=13μm)4.0g、苯氧基型環氧樹脂(jER1256，三菱化學股份有限公司製)的35% γ-丁內酯溶液4.0g、γ-丁內酯4.0g混合均勻，形成為均一的分散劑。其中，上述鋁粉的粒徑係使用日機裝股份有限公司製Microtrac粒度分布測定裝置MT3000II系列USVR來測定。

將上述分散劑，與實施例1同樣地，藉由網版印刷，以2cm×2cm的正方圖案印刷在東麗杜邦公司製Kapton 150EN(薄膜厚37.5μm)的基板表面，形成使鋁分散的膜(鋁分散層)。乾燥後的膜厚為83μm(3點平均值)。之後，與實施例1同樣地，進行微波加熱。在微波加熱中使基板不作熱變形，而且亦不會發生火花，使基板不會損傷，而在該表面上形成有鋁膜。所形成的鋁膜的膜厚為102μm。與實施例1同樣地測定出加熱處理前後的鋁分散層及鋁膜的電阻率。測定結果顯示於表1。

實施例3

藉由以下順序，製作使銅粒子分散的油墨。

將銅粉(1100Y，三井金屬鑛業股份有限公司製，D50=1.1μm)4.0g、苯氧基型環氧樹脂(jER1256，三菱化學股份有限公司製)的20% γ-丁內酯溶液2.0g、甘油1.0g混合均勻，形成為均一的分散劑。其中，上述銅粉的粒徑係使用日機裝股份有限公司製奈米粒度分布測定裝置UPA-UT151來測定。

將上述分散劑，與實施例1同樣地，藉由網版印刷，以2cm×2cm的正方圖案印刷在東麗杜邦公司製Kapton 150EN(薄膜厚37.5μm)的基板表面，形成使銅分散的膜(銅分散層)。乾燥後的膜厚為14μm(3點平均值)。之後，與實施例1同樣地，進行微波加熱。在微波加熱中，使基板未作熱變形，而且亦未發生火花，不會損傷基板地在其表面上形成銅膜。所形成的銅膜的膜厚為17μm。與實施例1同樣地測定加熱處理前後的銅分散層及銅膜的電阻率。測定結果顯示於表1。

如表1所示，實施例1的加熱處理前的銀漿層係電阻率為2.12E-04(2.12×10^-4)Ω cm者，但是在微波加熱處理後的銀膜中，電阻率降低至6.81×10^-6 Ω cm。此外，在以使實施例2的鋁粒子分散的油墨所形成的鋁分散層中，係無法測定出電阻率(為高於上述測定裝置的測定上限的電阻率)，但是在微波加熱處理後的鋁膜中，電阻率降低至4.39×10^-5 Ω cm。此外，在以使實施例3的銅粒子分散的油墨所形成的銅分散層中，並無法測定電阻率(為高於上述測定裝置的測定上限的電阻率)，但是在微波加熱處理後的銅膜中，電阻率降低至3.42×10^-3 Ω cm。

如以上所示，在基板上形成銀、鋁、銅的分散物的膜且進行微波加熱，藉此可形成電阻率低的金屬膜。藉由本實施例，不會使因微波所致的火花發生而可將各金屬粒子內部發熱，可效率佳地降低金屬膜的電阻率。

比較例1

與實施例1同樣地，將銀漿，藉由網版印刷，以2cm×2cm的正方圖案印刷在東麗杜邦公司製Kapton 150EN(薄膜厚37.5μm)的基板表面。所印刷的圖案(銀漿層)的厚度在乾燥後為15μm(3點平均值)。

將以上所示塗佈銀漿而形成有銀漿層的基板24，如圖7、圖8(b)、(c)所示配置在圖2、圖3(b)、(c)所示之導波管內，來進行微波加熱。在本比較例1的基板24的配置中，係如圖7、圖8(b)、圖8(c)所示，基板24之塗佈銀漿的面係成為與微波的電力線方向呈大致正交的方向。因此，在上述銀漿的塗佈面接受微波的電力線的大部分，發生火花而使基板24及銀漿層破損。由結果可知，如實施例1~3所示，必須將基板面的方向配置成與微波的電力線方向呈大致平行的方向。

比較例2~4

取代實施例1~3中的微波，而藉由電氣烘箱(恆溫槽)以200℃進行1小時外部加熱，測定出加熱處理前後的各金屬的分散層及各金屬膜的電阻率。測定結果顯示於表2。

如表2所示，關於使用使鋁粒子分散的油墨所形成的鋁分散層、及使用使銅粒子分散的油墨所形成的銅分散層，並無法測定出電阻率(為高於上述測定裝置的測定上限的電阻率)。此外，關於使用Ag漿所形成的膜(銀漿層)，亦可知電阻率比微波加熱處理(實施例1)的情形為高。

比較例5

在2.6×7.6cm的載玻片(厚度2mm)重複黏貼2枚Kapton膠帶，如圖6所示，製作1×6cm的框。在該框內，以玻璃棒均勻塗佈在實施例2、3中所製作的各油墨之後，在恆溫槽中以100℃乾燥1小時，形成為預備乾燥試樣。

接著，將上述預備乾燥試樣以500℃加熱，在加熱處理後，測定出電阻率。在使用使銅粒子分散的油墨所形成的膜中，並無法測定出電阻率(為高於上述測定裝置的測定上限的電阻率)。另一方面，關於使用使鋁粒子分散的油墨所形成的膜，雖然電阻率下降至1.76E-4(1.76×10^-4 )Ω cm，但是比實施例2高出一位數的電阻率。

10‧‧‧微波發生部

12‧‧‧監視器部

14‧‧‧調諧器部

16‧‧‧加熱部

16a‧‧‧導波管

18‧‧‧被加熱對象物供給部

20‧‧‧可動短路部

20a‧‧‧前端部

22‧‧‧光圈部

22a‧‧‧柱塞

24‧‧‧基板

26‧‧‧膜

Mw‧‧‧微波

圖1係顯示實施形態之微波加熱裝置之構成例圖。

圖2係顯示構成加熱部之導波管之構成例圖。

圖3係在導波管中所發生的微波的電磁場分布的說明圖。

圖4係形成有導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的基板的剖面圖。

圖5係顯示實施形態之微波加熱裝置之其他構成例圖。

圖6係形成在載玻片的油墨塗佈區域的說明圖。

圖7係比較例1中的導波管內的基板配置說明圖。

圖8係比較例1中的導波管內的基板配置說明圖。

Claims

一種微波加熱裝置，其特徵為具備有：導波管；對前述導波管供給波長範圍1m~1mm的微波的微波供給手段；及在前述導波管內，將形成有導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的基板，以前述膜的形成面與前述微波的電力線方向呈大致平行地進行配置、或使其移動的基板供給手段。
如申請專利範圍第1項之微波加熱裝置，其中，將與前述微波的行進方向呈平行的複數的前述導波管，在與前述微波的行進方向呈正交的方向上作鄰接排列，並維持成將複數的前述導波管內的微波的相位彼此偏移90度的狀態，前述基板供給手段係使前述基板連續通過前述複數導波管。
如申請專利範圍第1項或第2項之任一項的微波加熱裝置，其中，前述膜的厚度為10nm~1mm。
如申請專利範圍第1項或第2項之任一項的微波加熱裝置，其中，前述基板係由含有聚醯亞胺、聚酯、聚碳酸酯、酚醛紙、玻璃環氧、氧化鋁、氧化矽、氧化鋯、氧化鈦、矽或碳化矽之一者的基材所構成。
如申請專利範圍第3項之微波加熱裝置，其中，前述基板係由含有聚醯亞胺、聚酯、聚碳酸酯、酚醛紙、玻璃環氧、氧化鋁、氧化矽、氧化鋯、氧化鈦、矽或碳化矽之一者的基材所構成。
如申請專利範圍第1項或第2項之微波加熱裝置，其中，前述導體或半導體為金、銀、銅、鋁、鎳、石墨、石墨烯、奈米碳管、氧化鋅、氧化錫、氧化銦錫之一者。
如申請專利範圍第3項之微波加熱裝置，其中，前述導體或半導體為金、銀、銅、鋁、鎳、石墨、石墨烯、奈米碳管、氧化鋅、氧化錫、氧化銦錫之一者。
如申請專利範圍第4項之微波加熱裝置，其中，前述導體或半導體為金、銀、銅、鋁、鎳、石墨、石墨烯、奈米碳管、氧化鋅、氧化錫、氧化銦錫之一者。
一種微波加熱方法，其特徵為：對導波管中供給波長範圍1m~1mm的微波，在前述導波管內，將形成有導體或半導體的膜、或使導體或半導體分散的分散物的膜的基板，以前述膜的形成面與前述微波的電力線方向呈大致平行地進行配置、或使其移動。