JP2003133600A - 熱電変換部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工が容易で、利用範囲が広い等の利点を有
する熱電変換部材及びその製造方法を提供すること。 【解決手段】 熱電変換部材１は、柔軟性を有する基板
３の表面上に、スパッタリングにより、ｐ型熱電素子層
５とｎ型熱電素子層７とを形成したものであり、熱電変
換部材１自体、柔軟性を有している。基板３は、厚さ１
７５μｍのポリイミド製の樹脂フィルムからなり、この
樹脂フィルム単層で構成されたフレキシブルな樹脂層で
ある。ｐ型熱電素子層５は薄膜層であり、Ｂｉ−Ｔｅに
Ｓｂを添加することによりｐ型半導体としたものであ
る。一方、ｎ型熱電素子層は薄膜層であり、Ｂｉ−Ｔｅ
にＳｅを添加することによりｎ型半導体としたものであ
る。ｐ型熱電素子層５は、熱電変換部材１の中央側の端
部（熱電変換部材１の中央部）にて、ｎ型熱電素子層７
と重ね合わされて接合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度差を利用して
熱を電気に変換することができる熱電変換部材及びその
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、熱を電気に変換する熱電変換
素子（熱電モジュール）として、例えばＢｉ−Ｔｅ系の
半導体を利用したものが知られている。この半導体を利
用した熱電変換素子とは、例えば図６に示す様に、ｐ型
半導体とｎ型半導体を接合して電気的に接続し、接合側
を高温にさらすとともに分岐側を低温側にさらすことに
より、その温度差（ΔＴ）を利用して発電することがで
きるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来より時
計等に実際に用いられている熱電変換素子の形状として
は、ｐ型半導体やｎ型半導体である溶製材又は焼結材を
ブロック状に切り出し、セラミックス等の基板上に配列
したものが知られているが、下記〜の様な問題があ
り、一層の改善が求められていた。

【０００４】溶製材又は焼結材の加工性が悪い。例え
ば、実用化されている材料の強度が低く、劈開性を有す
るため加工性が悪い。従って、組立の自動化には不向き
である。 基板に高強度のもの使用するため、使用箇所が制限さ
れる。

【０００５】基板が高強度であること等により、複雑
形状に加工することが難しい。 溶製材又は焼結材をブロック状に切り出すため、歩留
まりが悪く、高コストである。 本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、
その目的は、加工が容易で、利用範囲が広い等の利点を
有する熱電変換部材及びその製造方法を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】（１）請
求項１の発明では、温度差を利用して熱を電気に変換す
る熱電変換部材において、柔軟性を有する基板上に、ｐ
型半導体からなる薄膜のｐ型熱電素子層とｎ型半導体か
らなる薄膜のｎ型熱電素子層とを、蒸着により形成した
ことを特徴としている。

【０００７】本発明では、柔軟性を有する基板上に、蒸
着によって、ｐ型熱電素子層とｎ型熱電素子層とを形成
するので、ｐ型熱電素子層とｎ型熱電素子層とを非常に
薄膜とすることができる。従って、熱電変換部材自体も
柔軟なものとすることができるので、加工性に優れてお
り、複雑形状に加工することも容易である。そのため、
使用箇所の制限が少なく、多くの用途に使用することが
できる。

【０００８】また、その製造が容易であるばかりでな
く、（熱電変換部材を利用した機器の組立の）自動化に
も対応が容易である。更に、基板自体も薄膜にすること
により、熱電変換部材全体を薄膜にできるので、省スペ
ース化を実現することができる。

【０００９】その上、従来の溶製材又は焼結材をブロッ
ク状に切り出すものに比べて、歩留まりが高く、低コス
トである。しかも、ｐ型熱電素子層とｎ型熱電素子層と
を薄膜にすることにより、両熱電素子層を介する熱伝導
を低減できるので、高い効率の熱電変換部材を得ること
ができる。

【００１０】（２）請求項２の発明では、温度差を利用
して熱を電気に変換する熱電変換部材において、少なく
とも樹脂層を備えた基板上に、ｐ型半導体からなる薄膜
のｐ型熱電素子層とｎ型半導体からなる薄膜のｎ型熱電
素子層とを、蒸着により形成したことを特徴としてい
る。

【００１１】本発明では、少なくとも樹脂層を備えた基
板上に、蒸着によって、ｐ型熱電素子層とｎ型熱電素子
層とを形成するので、ｐ型熱電素子層とｎ型熱電素子層
とを非常に薄膜とすることができる。従って、従来のブ
ロック状の半導体を配列するものに比べて、その製造が
容易であり、歩留まりが高く、低コストである。

【００１２】また、加工性にも優れており、機器の組立
の自動化にも対応が容易である。更に、基板に（熱伝導
性が低い）樹脂層を含むことにより、基板を介する熱伝
導を低減できるので、高い効率の熱電変換部材を得るこ
とができる。 （３）請求項３の発明では、温度差を利用して熱を電気
に変換する熱電変換部材において、少なくとも樹脂層を
備えるとともに柔軟性を有する基板上に、ｐ型半導体か
らなる薄膜のｐ型熱電素子層とｎ型半導体からなる薄膜
のｎ型熱電素子層とを、蒸着により形成したことを特徴
としている。

【００１３】本発明は、前記請求項１及び請求項２の発
明の構成を備えているので、両発明の効果を発揮するこ
とができ、極めて優れたものである。 （４）請求項４では、前記基板は、１層の樹脂層からな
るもの又は複数の樹脂層を積層したものであることを特
徴としている。

【００１４】本発明は、基板の構成を例示したものであ
る。本発明では、樹脂層単体から基板を構成する場合に
は、基板の構成が簡易化でき、その製造が容易である。
また、複数の樹脂層を積層して基板を構成する場合に
は、基板の特性として、例えば破損しにくい強度が大き
なもの等各種の性質を有する基板を得ることができる。

【００１５】前記樹脂層としては、例えば柔軟性を有す
る樹脂フィルムなどを採用できる。また、前記樹脂層の
材料としては、例えばＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＴ（ポ
リエチレンテレフタレート）、ＰＥＳ（ポリサルフォ
ン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥ
（ポリエチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイ
ト）等を採用することができる。

【００１６】尚、基板の表面が樹脂層である場合には、
樹脂層の表面上に、ｐ型熱電素子層及びｎ型熱電素子層
が形成されている。 （５）請求項５の発明では、前記基板は、前記樹脂層に
加え、前記樹脂とは異なる材料からなる１又は複数の異
種層を積層したものであることを特徴としている。

【００１７】本発明は、基板の構成を例示したものであ
る。本発明では、樹脂層と樹脂と異なる異種層から基板
を構成するので、樹脂層のみの場合に比べて、基板の特
性として、例えば強度が増加したもの等各種のものを得
ることができる。

【００１８】前記異種層としては、例えばアルミニウ
ム、銅などの金属層、不織布からなる層、紙からなる
層、炭素、セラミックからなる層が挙げられる。 （６）請求項６の発明では、前記基板上に、前記ｐ型熱
電素子層とｎ型熱電素子層とを並列に配置するととも
に、互いの熱電素子層の一部を直接に接触させて導通を
確保し、前記基板の平面方向の温度差を利用して電気を
発生させる構成を有することを特徴としている。

【００１９】本発明は、熱電変換部材の構成を例示した
ものである。本発明は、図１に例示する様に、ｐ型熱電
素子層とｎ型熱電素子層とを平面方向に接合し、基板の
平面方向の温度差（ΔＴ）を利用して、発電を行うこと
ができる。 （７）請求項７の発明では、前記基板上に、前記ｐ型熱
電素子層とｎ型熱電素子層とを並列に配置するととも
に、互いの熱電素子層の一部を導電層を介して接触させ
て導通を確保し、前記基板の平面方向の温度差を利用し
て電気を発生させる構成を有することを特徴としてい
る。

【００２０】本発明は、熱電変換部材の構成を例示した
ものである。本発明は、図４に例示する様に、ｐ型熱電
素子層とｎ型熱電素子層とを導電層を介して平面方向に
接合し、基板の平面方向の温度差（ΔＴ）を利用して、
発電を行うことができる。 （８）請求項８の発明では、表面に導電層を配置した前
記基板上に、前記ｐ型熱電素子層とｎ型熱電素子層とを
前記導電層を介して直列に接続し、前記基板の厚み平面
方向の温度差を利用して電気を発生させる構成を有する
ことを特徴としている。

【００２１】本発明は、熱電変換部材の構成を例示した
ものである。本発明は、図５に例示する様に、ｐ型熱電
素子層とｎ型熱電素子層とを（予め形成した）導電層を
介して直列に接続し、基板の厚み平面方向の温度差（Δ
Ｔ）を利用して発電を行うことができる。

【００２２】（９）請求項９の発明は、上述した熱電変
換部材の製造方法であって、蒸着を行う技術として、ス
パッタリング法を用いることを特徴としている。本発明
は、蒸着する方法を例示したものであり、スパッタリン
グにより、薄膜のｐ型熱電素子層及びｎ型熱電素子層を
容易に形成することができる。

【００２３】尚、スパッタリング以外に、各種の薄膜の
半導体層を形成する方法を採用できる。例えば、周知の
物理蒸着や化学蒸着を採用でき、特に物理蒸着のうち、
真空蒸着、イオンプレーティングなどを採用することが
できる。 （１０）請求項１０の発明は、上述した熱電変換部材の
製造方法であって、蒸着により、ｐ型熱電素子層及びｎ
型熱電素子層を形成した後に、それらを備えた基板に対
して加熱する熱処理を施すことを特徴としている。

【００２４】この熱処理を行うことにより、薄膜素子層
であるｐ型熱電素子層及びｎ型熱電素子層を安定化さ
せ、電気抵抗を下げることで、その性能を上げることが
できる。 （１１）請求項１１の発明では、熱処理は、大気圧より
低圧にした状態で加熱する処理であることを特徴として
いる。

【００２５】本発明は、熱処理を例示したものであり、
大気圧より低圧の状態（１Ｐａ以上、大気圧未満であれ
ばよく、特にいわゆる真空中が好ましい）で加熱するこ
とにより、薄膜素子層の酸化を防止することができる。 （１２）請求項１２の発明では、熱処理は、圧力を加え
た状態で加熱する処理であることを特徴としている。

【００２６】本発明は、熱処理を例示したものであり、
例えばプレス等で機械的に圧力を加えた状態（好ましく
は１ＭＰａ以上、５００ＭＰ以下）で熱処理を施すこと
により、薄膜素子層が基板から剥離することを防止する
ことができる。 （１３）請求項１３の発明では、熱処理は、周囲雰囲気
を大気圧より低圧（特に真空）にし且つ機械的に圧力を
加えた状態にして、加熱する処理であることを特徴とし
ている。

【００２７】本発明は、前記請求項１１及び１２の構成
を備えているので、例えば真空中でプレスした状態で加
熱することにより、両構成による効果が得られ、最も好
ましい例である。尚、上述した各構成としては、下記の
範囲や材料等を採用することができる。

【００２８】・前記基板の柔軟性の程度としては、曲率
Ｒ：０．１ｍｍ以上５００ｍｍ以下の範囲であれば、加
工性が良く、使用範囲も広いので好適である。 ・前記基板の厚みとしては、５〜８００μｍ（好ましく
は５〜７０μｍ）の薄膜であると、柔軟性、加工性、省
スペース化などの上で好適である。

【００２９】・前記ｐ型熱電素子層及びｎ型熱電素子層
の厚みとしては、１〜１００μｍ（好ましくは１０〜５
０μｍ）の薄膜であると、柔軟性、加工性、省スペース
化などの上で好適である。 ・前記ｐ型半導体及びｎ型半導体の材料（熱電素子材
料）としては、Ｂｉ−Ｔｅ、Ｍｇ−Ｓｉ、Ｍｎ−Ｓｉ、
Ｆｅ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｐｂ−Ｔｅ等の半導体金属間
化合物からなる熱電素子材料、カルコゲナイト系、スク
ッテルダイト系、フィルドスクッテルダイト系、炭化ホ
ウ素等の熱電素子材料が挙げられる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の熱電変換部材及び
その製造方法の実施の形態の例（実施例）を説明する。 （実施例１） ａ）まず、本実施例の熱電変換部材の構成について説明
する。

【００３１】図１の断面図に示す様に、本実施例の熱電
変換部材１は、柔軟性を有する基板３の表面上に、スパ
ッタリングにより、ｐ型熱電素子層５とｎ型熱電素子層
７とを形成したものであり、熱電変換部材１自体、柔軟
性を有している（フレキシブルである）。

【００３２】前記基板３は、厚さ１７５μｍのポリイミ
ド製のフィルム（樹脂フィルム）からなり、この樹脂フ
ィルム単層で構成されたフレキシブルな樹脂層である。
前記ｐ型熱電素子層５は、厚さ約２５μｍの薄膜層であ
り、Ｂｉ−Ｔｅにアンチモン（Ｓｂ）を添加することに
よりｐ型半導体としたもの、即ち、（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）_0.25
（Ｓｂ₂Ｔｅ₃）_0.75からなる層である。一方、ｎ型熱電
素子層は、厚さ約２５μｍの薄膜層であり、Ｂｉ−Ｔｅ
にセレン（Ｓｅ）を添加することによりｎ型半導体とし
たもの、即ち、Ｂｉ₂Ｔｅ_2.7Ｓｅ_0.3からなる層であ
る。

【００３３】前記ｐ型熱電素子層５は、熱電変換部材１
の中央側の端部（熱素変換部材１の同図の左右方向の中
央部）にて、ｎ型熱電素子層７と重ね合わされて接合さ
れている。また、ｐ型熱電素子層５は、その外側の端部
（同図の左方）にて、半田等のリード線接合部材９によ
り、リード線１１に接合されている。一方、ｎ型熱電素
子層７は、その外側の端部（同図の右方）にて、同様な
リード線接合部材１３により、リード線１５に接合され
ている。

【００３４】尚、熱電変換部材１の表面は、厚さ１７５
μｍのポリイミドからなる樹脂フィルム１７で覆われて
いる。 ｂ）次に、本実施例の熱電変換部材１の製造方法を、図
２に基づいて説明する。

【００３５】まず、樹脂フィルムからなる基板３を、
第１マスキング治具１９で覆い、１回めのマスキングを
行う。具体的には、ｐ型熱電素子層５の形成部分が開け
られた開口部１９ａを有する第１マスキング部材１９
を、基板３上に載置する。

【００３６】次に、そのマスキングした基板３を、周
知のスパッタリングを行う装置に入れて、１回めのスパ
ッタリングを実施し、ｐ型熱電素子層５を形成する。具
体的には、ｐ型熱電素子層５を形成する薄膜作製装置と
して、ＲＦスパッタ装置を使用し、ｐ型熱電素子層５の
材料として、上述した（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）_0.25（Ｓｂ₂Ｔ
ｅ₃）_0.75を用い、スパッタガスとして、Ａｒガスを使
用した。スパッタ条件は、出力：４０Ｗ、Ａｒガス圧：
１．５×１０^-1Ｐａとした。

【００３７】次に、ｐ型熱電素子層５の形成後、第１
マスキング治具１９を取り除く。 次に、ｐ型熱電素子層５が形成された基板３を、第２
マスキング部材２１で覆う。具体的には、ｎ型熱電素子
層７の形成部分が開けられた開口部２１ａを有する第２
マスキング治具部材２１を、基板３上に載置する。この
とき、ｐ型熱電素子層５の端部に重ねてｎ型熱電素子層
７を形成するために、第２マスキング治具２１部材の開
口部２１ａからｐ型熱電素子層５の端部が露出するよう
にする。

【００３８】次に、そのマスキングした基板３を、同
様なスパッタリングを行う装置に入れて、２回めのスパ
ッタリングを実施し、ｎ型熱電素子層７を形成する。具
体的には、ｎ型熱電素子層７を形成する薄膜作製装置と
して、ＲＦスパッタ装置を使用し、ｎ型熱電素子層７の
材料として、上述したＢｉ₂Ｔｅ_2.7Ｓｅ_0.3を用い、ス
パッタガスとして、Ａｒガスを使用した。スパッタ条件
は、出力：４０Ｗ、Ａｒガス圧：１．５×１０^-1Ｐａと
した。

【００３９】次に、第２マスキング治具２１を取り除
く。 次に、ｐ型熱電素子層５及びｎ型熱電素子層７を形成
した基板３（即ち薄膜素子４）に対して、パルス通電焼
結法（ＰＣＳ法）によって加熱する熱処理を行う。

【００４０】具体的には、図３に示す様に、成形型２３
のキャビティ内にグラファイト粉末２５を充填するとと
もに、グラファイト粉末２５中に薄膜素子４を入れる。
そして、周囲を真空（例えば１Ｐａ）の状態にしてか
ら、上下のパンチ２７にて図３の上下方向に圧力（例え
ば１．５ＭＰａ）を加えるとともに、成形型２３（従っ
てグラファイト粉末２５にも）電流を印加して、２５０
℃にて約１０分間保持する熱処理を行う。

【００４１】熱処理の後に、薄膜素子４を成形型２３
から取り出し、ｐ型熱電素子層５の外側の端部にリード
線１１を半田付けする。同様に、ｎ型熱電素子層７の外
側の端部にリード線１５を半田付けする。 最後に、ｐ型熱電素子層５及びｎ型熱電素子層７を覆
う様に、樹脂フィルム１７を配置して、エポキシ樹脂に
よって接合し、熱電変換部材１を完成する。

【００４２】ｃ）次に、熱電変換部材１の使用方法を説
明する。上述した方法で製造された熱電変換部材１は、
図１に示す様に、その平面方向（図１の左右方向）の温
度差ΔＴにより、発電することができる。つまり、ｐ型
熱電素子層５とｎ型熱電素子層７の接合側（熱電変換部
材１の中央部）と、ｐ型熱電素子層５及びｎ型熱電素子
層７のリード線１１、１５との接合側（熱電変換部材１
の左右端部）とに温度差がある場合には、両リード線１
１、１５から温度差に応じた電力を取り出すことができ
る。

【００４３】ｄ）この様に、本実施例では、柔軟性のあ
る（フレキシブルな）薄膜の樹脂フィルム製の基板３上
に、スパッタリングによって薄膜のｐ型熱電素子層５及
びｎ型熱電素子層７を形成することにより、フレキシブ
ルで非常に薄い厚さ（約４００μｍ）の熱電変換部材１
を得ることができる。

【００４４】従って、従来と比べて、加工性に優れてお
り、複雑形状に加工することも容易である。そのため、
使用箇所の制限が少なく、多くの用途に使用することが
できる。また、その製造が容易であるばかりでなく、
（熱電変換部材１を利用した機器の組立の）自動化にも
対応が容易である。

【００４５】更に、基板３自体も薄膜にすることによ
り、熱電変換部材１全体を薄膜にできるので、省スペー
ス化を実現することができる。その上、従来の溶製材又
は焼結材をブロック状に切り出すものに比べて、歩留ま
りが高く、低コストである。

【００４６】しかも、ｐ型熱電素子層５とｎ型熱電素子
層７とを薄膜にすることにより、両熱電素子層５、７を
介する熱伝導を低減できるので、高い効率の熱電変換部
材１を得ることができる。更に、基板３として（熱伝導
性が低い）樹脂フィルムを用いることにより、基板３を
介する熱伝導をも低減でき、その点からも、高い効率の
熱電変換部材１を得ることができる。

【００４７】また、本実施例では、スパッタリングの後
に、真空中にて加圧して加熱する真空加圧熱処理を施す
ので、ｐ型熱電素子層及びｎ型熱電素子層を安定化さ
せ、電気抵抗を下げることで、その性能を上げることが
できる。しかも、ｐ型熱電素子層５やｎ型熱電素子層７
の酸化を防止することができるとともに、基板３からの
剥離を防止できる。 （実施例２）次に、実施例２について説明するが、前記
と同様な箇所の説明は省略する。

【００４８】本実施例の熱電変換部材は、ｐ型熱電素子
層とｎ型熱電素子層とが、導電層を介して電気的に接続
されたものである。 ａ）まず、本実施例の構成について説明する。図４の断
面図に示す様に、本実施例の熱電変換部材３１は、柔軟
性を有する樹脂製の基板３３の表面上に、スパッタリン
グにより、ｐ型熱電素子層３５とｎ型熱電素子層３７と
を形成するとともに、ｐ型熱電素子層３５とｎ型熱電素
子層３７とを導電層３８により電気的に接続したもので
あり、熱電変換部材３１自体、柔軟性を有している（フ
レキシブルである）。

【００４９】前記基板３３は、厚さ１７５μｍのポリイ
ミド製の単層のフィルム（樹脂フィルム）からなる。前
記ｐ型熱電素子層３５は、厚さ約２５μｍのｐ型半導体
の層、即ち、（Ｂｉ ₂Ｔｅ₃）_0.25（Ｓｂ₂Ｔｅ₃）_0.75か
らなる層である。一方、ｎ型熱電素子層３７は、厚さ約
２５μｍのｎ型半導体の層、即ち、Ｂｉ₂Ｔｅ_2.7Ｓｅ
_0.3からなる層である。

【００５０】前記ｐ型熱電素子層３５とｎ型熱電素子層
３７とは、熱電変換部材１の中央側の端部（熱素変換部
材１の中央部）にて、アルミニウム、銅、半田からなる
厚さ約２５μｍの導電層３８により接合されている。ま
た、ｐ型熱電素子層５は、その外側の端部（同図の左
方）にて、半田等のリード線接合部材３９により、リー
ド線４１に接合されている。一方、ｎ型熱電素子層３７
は、その外側の端部（同図の右方）にて、同様なリード
線接合部材４３により、リード線４５に接合されてい
る。

【００５１】尚、熱電変換部材３１の表面は、厚さ１７
５μｍのポリイミドからなる樹脂フィルム４７で覆われ
ている。 ｂ）次に、本実施例の熱電変換部材３１の製造方法を、
簡単に説明する。 まず、基板３３の表面に、ｐ型熱電素子層３５形成用
の１回めのマスキングを行って、１回めのスパッタリン
グを実施し、ｐ型熱電素子層３５を形成する。スパッタ
条件等は、前記実施例１と同様である。

【００５２】次に、ｎ型熱電素子層３７形成用の２回
めのマスキングを行って、２回めのスパッタリングを実
施し、ｎ型熱電素子層３７を形成する。スパッタ条件等
は、前記実施例１と同様である。このとき、ｐ型熱電素
子層３５とｎ型熱電素子層３７とが直接に接触しないよ
うに、僅かに間隔をあけて形成する。

【００５３】次に、ｐ型熱電素子層３５とｎ型熱電素
子層３７との間に、例えば同様なスパッタリングによっ
て（但し、導電層３８を形成しない部分はマスキング
し）、導電層３８を形成して、ｐ型熱電素子層３５とｎ
型熱電素子層３７とを電気的に接続する。

【００５４】尚、スパッタ条件としては、ＲＦスパッタ
装置を用い、出力：４０Ｗ、Ａｒガス圧：１．５×１０
^-1Ｐａの条件が挙げられる。 次に、前記実施例１と同様に、ＰＣＳ法による真空加
圧熱処理を行う。 次に、ｐ型熱電素子層３５の外側の端部にリード線４
１を半田付けする。同様に、ｎ型熱電素子層３７の外側
の端部にリード線４５を半田付けする。

【００５５】最後に、ｐ型熱電素子層３５及びｎ型熱
電素子層３７を覆う様に、樹脂フィルム４７を配置して
接合し、熱電変換部材３１を完成する。 ｃ）本実施例の熱電変換部材３１も、前記実施例１と同
様に、平面方向の温度差を利用して発電を行うことがで
き、実施例１と同様な効果を奏する。

【００５６】特に、本実施例では、ｐ型熱電素子層３５
とｎ型熱電素子層３７とを直接に接触させて形成する必
要がないので、設計の多様性に優れている。 （実施例３）次に、実施例３について説明するが、前記
と同様な箇所の説明は省略する。

【００５７】本実施例の熱電変換部材は、多数のｐ型熱
電素子層とｎ型熱電素子層とが、直列に接続され、その
厚み方向の温度差により発電を行うものである。 ａ）まず、本実施例の構成について説明する。図５の断
面図に示す様に、本実施例の熱電変換部材５１は、柔軟
性を有する樹脂製の第１基板５３と第２の基板５５との
間に、スパッタリングにより形成されたそれぞれ複数の
第１導電層５７と第２導電層５９とｐ型熱電素子層６１
とｎ型熱電素子層６３とが設けられ、それらが直列に接
続されたものであり、熱電変換部材５１自体、柔軟性を
有している（フレキシブルである）。

【００５８】前記第１基板５３及び第２基板５５は、厚
さ１７５μｍのポリイミド製の単層のフィルム（樹脂フ
ィルム）からなる。前記第１導電層５７及び第２導電層
５９は、厚さ１０μｍの銅からなる層である。

【００５９】前記ｐ型熱電素子層６１は、厚さ約２５μ
ｍのｐ型半導体の層、即ち、（Ｂｉ ₂Ｔｅ₃）_0.25（Ｓｂ
₂Ｔｅ₃）_0.75からなる層である。一方、ｎ型熱電素子層
６３は、厚さ約２５μｍのｎ型半導体の層、即ち、Ｂｉ
₂Ｔｅ_2.7Ｓｅ_0.3からなる層である。

【００６０】前記ｐ型熱電素子層６１とｎ型熱電素子層
６３とは、第１基板５３側にて第１導電層５７上に形成
されて接続されるとともに、第２基板５５側にて第２導
電層５９により接続されており、全てのｐ型熱電素子層
６１とｎ型熱電素子層６３とは、第１導電層５７及び第
２導電層５９により、ｐ型−ｎ型−ｐ型−ｎ型−ｐ型−
ｎ型となるように直列に接続されている。

【００６１】また、同図の左端のｐ型熱電素子層６１
は、その左端にて、半田等のリード線接合部材６５によ
り、リード線６７に接合されている。一方、同図の右端
のｎ型熱電素子層６３は、その右端にて、同様なリード
線接合部材６９により、リード線７１に接合されてい
る。

【００６２】ｂ）次に、本実施例の熱電変換部材５１の
製造方法を、簡単に説明する。 まず、第１基板５３の表面に、第１導電層５７形成用
の１回めのマスキングを行って、１回めのスパッタリン
グを実施し、第１導電層５７を形成する。尚、スパッタ
条件としては、ＲＦスパッタ装置を用い、出力：４０
Ｗ、Ａｒガス圧：１．５×１０^-1Ｐａの条件が挙げられ
る。

【００６３】次に、ｐ型熱電素子層６１形成用の２回
めのマスキングを行って、２回めのスパッタリングを実
施し、前記第１導電層５７上の所定位置に、ｐ型熱電素
子層６１を形成する。スパッタ条件等は、前記実施例１
と同様である。 次に、ｎ型熱電素子層６３形成用の３回めのマスキン
グを行って、３回めのスパッタリングを実施し、前記第
１導電層５７上の（ｐ型熱電素子層６１と接しない）所
定位置に、ｎ型熱電素子層６３を形成する。スパッタ条
件等は、前記実施例１と同様である。

【００６４】これにより、１箇所の第１導電層５７上
に、ｐ型熱電素子層６１とｎ型熱電素子層６３とが並列
に形成されることになる。 これは別に、第２基板５５の表面に、第２導電層５９
形成用の４回めのマスキングを行って、４回めのスパッ
タリングを実施し、第２導電層５９を形成する。尚、ス
パッタ条件は、前記第１導電層５７と同様である。

【００６５】このとき、第２導電層６９は、図５に示す
様に、異なる第１導電層５７上に形成されたｐ型熱電素
子層６１とｎ型熱電素子層６３とを接続するように形成
する。 次に、前記実施例１と同様に、ＰＣＳ法による真空加
圧熱処理を行う。

【００６６】次に、同図の左端のｐ型熱電素子層６１
の外側の端部にリード線６７を半田付けする。同様に、
同図の右端のｎ型熱電素子層６３の外側の端部にリード
線７１を半田付けする。 最後に、第２導電層６９によって、異なる第１導電層
５７上に形成されたｐ型熱電素子層６１とｎ型熱電素子
層６３とを接続するようにして、第１基板５３上に第２
基板５５を重ね合わせて接合し、熱電変換部材５１を完
成する。

【００６７】このとき、第２導電層６９とｐ型熱電素子
層６１及びｎ型熱電素子層６３とは、例えば導電性接着
剤やろう付けなどにより、導電性を確保して接合する。
その他の部分は、例えば半田、電気伝導性接着剤等の通
常の接着剤を用いて接合する。

【００６８】ｃ）本実施例の熱電変換部材５１では、複
数のｐ型熱電素子層６１及びｎ型熱電素子層６３が、直
列に接続されているので、熱電変換部材５１の厚み方向
の温度差（ΔＴ）を利用して発電を行うことができる。
本実施例の熱電変換素子５１は、前記実施例１、２と
は、温度差の方向は異なるものの、加工性や利便性等に
おいて、前記実施例１、２と同様な効果を奏する。

【００６９】特に本実施例では、複数のｐ型熱電素子層
６１及びｎ型熱電素子層６３が、直列に接続されている
ので、高い電圧が得られるという利点がある。尚、本発
明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発
明の範囲を逸脱しない範囲において種々の態様で実施し
うることはいうまでもない。

【００７０】（１）例えば前記実施例１〜３では、基板
として樹脂層単層のものを用いたが、例えば異なる種類
の樹脂層を複数積層したものを採用することができる。
また、樹脂層だけではなく、樹脂とは異なる例えばアル
ミニウムなどの金属層、不織布や紙等の様な各種の材料
からなる層を適宜組み合わせて積層して、破壊強度の増
加等、各種の性能の改善等を図ってもよい。

【００７１】（２）また、例えば前記実施例１〜３で
は、柔軟性のある基板を用いて、柔軟性のある熱電変換
部材を得たが、柔軟である必要がない場合には、例えば
硬質の樹脂などを用いて、曲げにくい性質の熱電変換部
材としてもよい。この場合も、１種類の樹脂単層ではな
く、複数種類の樹脂複層としてもよく、あるいは各種の
異種材料の層を適宜組み合わせたものを採用してもよ
い。

【００７２】（３）更に、前記実施例１〜３では、真空
加圧熱処理を行ったが、単に加熱するだけの熱処理、加
圧しない真空熱処理、真空状態にしない加圧熱処理など
によっても、それぞれ処理による効果がある。また、例
えば真空熱処理としては、真空雰囲気で加熱することが
できる電気炉等を使用でき、加圧熱処理としては、治具
にて薄膜素子を挟み、電気炉等で加熱する方法を採用で
きる。尚、真空状態ではなく、窒素等の不活性ガス中で
熱処理を行ってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の熱電変換部材を破断して示す断面
図である。

【図２】 実施例１の熱電変換部材の製造方法のスパッ
タリングを示す説明図である。

【図３】 実施例１の熱電変換部材の製造方法の熱処理
を示す説明図である。

【図４】 実施例２の熱電変換部材を破断して示す断面
図である。

【図５】 実施例３の熱電変換部材を破断して示す断面
図である。

【図６】 従来技術を示す説明図である。

【符号の説明】

１、３１、５１…熱電変換部材 ３、３３…基板 ５、３５、６１…ｐ型熱電素子層 ７、３７、６３…ｎ型熱電素子層 ３８…導電層 ５３…第１基板 ５５…第２基板 ５７…第１導電層 ５９…第２導電層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 日下部 竜太 愛知県名古屋市中区千代田２丁目24番15号 北川工業株式会社内 (72)発明者 小林 慶三 愛知県名古屋市守山区大字下志段味字穴ヶ 洞2266−98 独立行政法人産業技術総合研 究所中部センター内 Ｆターム(参考） 4K029 AA11 AA24 BA41 BD00 CA05 DC05 DC35

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度差を利用して熱を電気に変換する熱
   電変換部材において、柔軟性を有する基板上に、ｐ型半
   導体からなる薄膜のｐ型熱電素子層とｎ型半導体からな
   る薄膜のｎ型熱電素子層とを、蒸着により形成したこと
   を特徴とする熱電変換部材。
2. 【請求項２】 温度差を利用して熱を電気に変換する熱
   電変換部材において、少なくとも樹脂層を備えた基板上
   に、ｐ型半導体からなる薄膜のｐ型熱電素子層とｎ型半
   導体からなる薄膜のｎ型熱電素子層とを、蒸着により形
   成したことを特徴とする熱電変換部材。
3. 【請求項３】 温度差を利用して熱を電気に変換する熱
   電変換部材において、少なくとも樹脂層を備えるととも
   に柔軟性を有する基板上に、ｐ型半導体からなる薄膜の
   ｐ型熱電素子層とｎ型半導体からなる薄膜のｎ型熱電素
   子層とを、蒸着により形成したことを特徴とする熱電変
   換部材。
4. 【請求項４】 前記基板は、１層の樹脂層からなるもの
   又は複数の樹脂層を積層したものであることを特徴とす
   る前記請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換部材。
5. 【請求項５】 前記基板は、前記樹脂層に加え、前記樹
   脂とは異なる種類の材料からなる１又は複数の異種層を
   積層したものであることを特徴とする前記請求項４に記
   載の熱電変換部材。
6. 【請求項６】 前記基板上に、前記ｐ型熱電素子層とｎ
   型熱電素子層とを並列に配置するとともに、互いの熱電
   素子層の一部を直接に接触させて導通を確保し、前記基
   板の平面方向の温度差を利用して電気を発生させる構成
   を有することを特徴とする前記請求項１〜５のいずれか
   に記載の熱電変換部材。
7. 【請求項７】 前記基板上に、前記ｐ型熱電素子層とｎ
   型熱電素子層とを並列に配置するとともに、互いの熱電
   素子層の一部を導電層を介して接触させて導通を確保
   し、前記基板の平面方向の温度差を利用して電気を発生
   させる構成を有することを特徴とする前記請求項１〜５
   のいずれかに記載の熱電変換部材。
8. 【請求項８】 導電層を配置した前記基板上に、前記ｐ
   型熱電素子層とｎ型熱電素子層とを前記導電層を介して
   直列に接続し、前記基板の厚み平面方向の温度差を利用
   して電気を発生させる構成を有することを特徴とする前
   記請求項１〜５のいずれかに記載の熱電変換部材。
9. 【請求項９】 前記請求項１〜８のいずれかに記載した
   熱電変換部材の製造方法であって、 前記蒸着を行う技術として、スパッタリング法を用いる
   ことを特徴とする熱電変換部材の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記請求項１〜８のいずれかに記載し
    た熱電変換部材の製造方法であって、 前記蒸着の後に、前記ｐ型熱電素子層及びｎ型熱電素子
    層を形成した基板に対して加熱する熱処理を施すことを
    特徴とする熱電変換部材の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記熱処理は、大気圧より低圧にした
    状態で加熱する処理であることを特徴とする前記請求項
    １０に記載の熱電変換部材の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記熱処理は、圧力を加えた状態で加
    熱する処理であることを特徴とする前記請求項１０に記
    載の熱電変換部材の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記熱処理は、周囲雰囲気を大気圧よ
    り低圧にし且つ機械的に圧力を加えた状態にして、加熱
    する処理であることを特徴とする前記請求項１０に記載
    の熱電変換部材の製造方法。