JP2018113413A - 可変断熱素子とその駆動方法及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スピンペルチェ効果、スピンゼーベック効果を用いた可変断熱素子を提供すること。【解決手段】本発明は、少なくとも一方向の内部磁化を有する磁性膜を有し、前記磁性膜の一方の面に前記磁性膜と磁気的に結合した第一の伝導膜と、前記磁性膜のもう一方の面に前記磁性膜と磁気的に結合した第二の伝導膜とを備え、前記第一、第二の伝導膜はいずれも、少なくとも一部にスピン軌道相互作用を有する材料を含み、スピン軌道相互作用の大きさに関係するスピンホール角を有し、当該スピンホール角が互い異なる符号であり、前記第一の伝導膜、前記第二の伝導膜、電気的コンダクタンスを変化させることができる制御機構と、が閉回路を構成可能であることを特徴とする可変断熱素子である。【選択図】 図１

Description

本発明は、スピンゼーベック効果及びスピンペルチェ効果を用いた可変断熱素子とその駆動方法及びその形成方法に関する。

電気伝導性を持つ固体材料に電流を流すことで、材料中の一定の方向に熱流を発生するペルチェ効果は、熱を移動する技術、ヒートポンプ技術として広く用いられている。

一方、同じ材料に熱流を流す、すなわち材料の両端に温度差を発生させることで、材料中の一定の方向に電流を発生するゼーベック効果が起きることも広く知られている。

特許文献１では、これらの効果を組み合わせることで、温度差のある環境で、材料に発生するゼーベック効果から電流を取り出し、その電流によってペルチェ効果を起こすことで、材料の見かけの熱抵抗が変化するエネルギー再利用型の熱制御システムが開示されている。

具体的には、特許文献１は、モータと制動を行うブレーキとを備え、少なくともモータの冷却を行う可変熱抵抗を利用した冷却システムである。モータとブレーキとの間で熱の伝達を媒介する熱伝達経路に、通電状態に従って熱抵抗が変化するペルチェ素子が配置されている。ブレーキがモータより高温の場合は、ペルチェ素子の熱抵抗を大きくして、ブレーキからモータに対する熱伝達を遮断してモータの過熱や性能の低下を回避している。逆にモータがブレーキより高温の場合は、ペルチェ素子の熱抵抗を小さくして、モータからブレーキへの熱伝達を促進してモータを冷却し、また、ブレーキの温度をモータの熱で速やかに上昇させてブレーキ性能を確保している。ペルチェ素子はＮ型半導体とＰ型半導体を電極によってπ型に接続したものである。

また近年では、固体中の電子スピンを利用した熱電効果であるスピンゼーベック効果と、その逆効果であるスピンペルチェ効果が、非特許文献１、非特許文献２でそれぞれ開示されている。非特許文献１には、磁性絶縁体ＬａＹ_２Ｆｅ_５Ｏ_１２に温度勾配を加えると、スピンゼーベック効果によって熱流がスピン圧に変換され、磁性絶縁体上に形成したＰｔがスピン圧を電圧に変換することが記載されている。また非特許文献２には、フェリ磁性絶縁体ＹＩＧ（Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２）とＰｔの界面を通して流れるスピン流によって熱流が発生する、スピンペルチェ効果が生じることが記載されている。

特開２０１０−１７８４６６号公報

Ｕｃｈｉｄａ ｅｔ ａｌ．， "Ｓｐｉｎ Ｓｅｅｂｅｃｋ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ"， Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２０１０，ｖｏｌ．９，ｐ．８９４． Ｆｌｉｐｓｅ ｅｔ ａｌ．， "Ｏｂｓｅｒｖａｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｐｉｎ Ｐｅｌｔｉｅｒ Ｅｆｆｅｃｔ ｆｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ"， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２０１４， ｖｏｌ．１１３， ｐ．０２７６０１．

特許文献１ではペルチェ素子を用いているため、Ｎ型半導体とＰ型半導体を電極によってπ型に接続する必要があり構造が複雑になる。スピンペルチェ効果を利用するスピンペルチェ素子は、ペルチェ素子と比較して、簡易な構造を持ち、壊れにくく、より安価に作製できるメリットが期待されている。しかし熱電変換の実効効率の点で大きく劣っている。またスピンペルチェ効果の逆効果であるスピンゼーベック効果を発現するスピンゼーベック素子は、ゼーベック効果を発現するゼーベック素子よりも、簡易な構造を持ち、壊れにくく、より安価に作製できるメリットが期待されている。しかし、これも熱電変換の実効効率の点で大きく劣っている。

そのためスピンペルチェ効果、スピンゼーベック効果を用いた可変断熱素子は実用化に至っていない。本発明の目的は、この問題を解決し、スピンペルチェ効果、スピンゼーベック効果を用いた可変断熱素子を提供することである。

本発明は、少なくとも一方向の内部磁化を有する磁性膜を有し、前記磁性膜の一方の面に前記磁性膜と磁気的に結合した第一の伝導膜と、前記磁性膜のもう一方の面に前記磁性膜と磁気的に結合した第二の伝導膜とを備え、
前記第一、第二の伝導膜はいずれも、少なくとも一部にスピン軌道相互作用を有する材料を含み、スピン軌道相互作用の大きさに関係するスピンホール角を有し、前記スピンホール角が互い異なる符号であり、前記第一の伝導膜、前記第二の伝導膜、電気的コンダクタンスを変化させることができる制御機構と、が閉回路を構成可能であることを特徴とする可変断熱素子である。

また本発明は、このような可変断熱素子の制御機構を短絡状態とすることで前記可変断熱素子の熱抵抗が高い状態にするか、または前記制御機構を開放状態とすることで前記の熱抵抗が前記短絡状態よりも低い状態にすることを特徴とする可変断熱素子の駆動方法である。

また本発明は、支持体上に、少なくとも一部にスピン軌道相互作用を有する材料を含み、スピン軌道相互作用の大きさに関係する第１のスピンホール角を有する第一の伝導膜を形成し、前記第一の伝導膜上に、少なくとも一方向の内部磁化を有し、前記第一の伝導膜と磁気的に結合した磁性膜を形成し、前記磁性膜上に少なくとも一部にスピン軌道相互作用を有する材料を含み、スピン軌道相互作用の大きさに関係し、前記第１のスピンホール角とは異なる符号の第２のスピンホール角を有し、前記磁性膜と磁気的に結合した第二の伝導膜を形成し、
前記第一の伝導膜及び前記第二の伝導膜に接続することを特徴とする可変断熱素子の形成方法、である。

本発明によれば、スピンペルチェ効果、スピンゼーベック効果を用いた可変断熱素子を得ることができる。

また本発明の可変断熱素子の形成方法では、素子の一部もしくは全てについて、簡便な塗布プロセス等を適用すれば一括生産を行うことが可能で、製作コストを大きく低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係る可変断熱素子の構造を概略的に示す断面図である。 本発明の実施例１に係る可変断熱素子の製造手順を概略的に示す上面図である。 本発明の実施例１に係る可変断熱素子の製造手順を概略的に示す上面図である。 本発明の実施例１に係る可変断熱素子の製造手順を概略的に示す上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る可変断熱素子の構造を概略的に示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る可変断熱素子の構造を概略的に示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る可変断熱素子の構造を概略的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る可変断熱素子とその製造方法について、図を参照しながら詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
（第１の実施形態）
＜可変断熱素子の構造＞
まず、第１の実施形態の可変断熱素子の構造を、図１を参照して説明する。

図１は、本実施形態の可変断熱素子の構造を概略的に示す断面図である。本実施形態の可変断熱素子は、一定の保持力と内部磁化を有する磁性膜１０１を有する。磁性膜１０１の一方の面（図では上面）には第一の伝導膜１０２を形成する。また磁性膜１０１の他方の面（図では下面）には第二の伝導膜１０３を形成する。第一の伝導膜１０２、第２の伝導膜１０３とも平面形状は矩形状である。

第一の伝導膜１０２と第二の伝導膜１０３の両端には、コンタクト用のパッド１０４、１０５、１０６が、スクリーン印刷などのパターニング手法を用いて形成してある。また、パッド１０５によって、第一の伝導膜１０２と第二の伝導膜１０３は電気的に接続している。さらに、パッド１０４、１０６はそれぞれ制御機構１０７に接続している。
＜各要素を構成する材料と機能＞
磁性膜１０１は、スピンゼーベック効果を発現する材料で形成される。すなわち、磁性膜１０１は、熱流Q_０の入力に比例して、内部にスピン流J_S０、J_S１を生じる。

磁性膜１０１は、強磁性やフェリ磁性、反強磁性などの磁性を有し、磁性材料固有のネール温度や、キュリー温度以上となる温度域などの特定の条件を除けば少なくとも一方向の磁化を有する。本実施形態では図１の紙面に垂直な方向に磁化されている。材質は、絶縁体、もしくは絶縁性の高い材料であることが好ましい。

例えば、磁性絶縁体であれば、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ，Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２）、ビスマス（Ｂｉ）をドープしたＢｉＹ_２Ｆｅ_５Ｏ_１２、ランタン（Ｌａ）を添加したＬａＹ_２Ｆｅ_５Ｏ_１２、その他ｆ電子を有する元素ＲでＹの一部を置換したＲ_ｘＹ_３−ｘＦｅ_５Ｏ_１２、また遷移金属元素ＭでＦｅの一部を置換したＭ_ｘＹ_３Ｆｅ_５−ｘＯ_１２が挙げられる。また、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）や、組成ＭＦｅ_２Ｏ_４（Ｍは金属元素で、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｏのいずれか一つ以上を含む）からなるスピネルフェライト材料が挙げられる。

また、磁性半導体であれば、組成ＣｕＭＯ_２やＳｒＭＯ_３（Ｍは金属元素で、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅのいずれかを含む）、Ｆｅ_３Ｏ_４などの、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも一つを含む半導体的性質を持つ磁性酸化物（磁性酸化物半導体）が挙げられる。尚、電子による熱伝導を抑えるという観点から言えば、絶縁体や半導体を用いることが望ましい。

第一の伝導膜１０２には、逆スピンホール効果、もしくはスピン軌道相互作用を発現する導電体を用いることが好ましい。逆スピンホール効果の大きさは、スピンホール伝導度／電気伝導度で規定され、実効的には−１〜＋１の間を取るスピンホール角と呼ばれる材料固有の値で表すことができる。

本実施形態の可変断熱素子では、磁性膜１０１中の温度勾配に沿って、温度の高い方から低い方へ流れる熱スピン流が発生し、さらにスピン注入と呼ばれる過程を経て、最終的に伝導膜へのスピン角運動量の流入が生じる。

スピン注入とは、磁性膜１０１において伝導膜１０２の界面近傍で磁化方向を中心に歳差運動するスピンが、伝導膜１０２中の伝導電子と相互作用し、スピン角運動量を受け渡したり、受け取ったりする現象である。

その結果、伝導膜１０２中のスピン注入界面付近には、スピンを持った伝導電子が移動し純スピン流が生成する。この純スピン流は、アップスピンとダウンスピンを持った伝導電子が互いに逆方向に同量流れる。その結果、電荷移動は存在しないが、両スピンは符号と移動する向きの両方が互いに異なるために加算された結果として、スピン角運動量だけが流れる現象である。

そして、この純スピン流が逆スピンホール効果により電流に変換される。

本明細書では、このスピン注入現象が起こりうる状態を磁気的に結合していると表現する。このスピン注入現象は、磁性膜１０１と伝導膜１０２が直接接触している場合、もしくは直接接触はしていなくても、スピン角運動量が伝達しうる程度に接近している場合に生じるものである。すなわち、磁性膜１０１と伝導膜１０２の間に空隙が存在する場合や、中間層が挿入されている場合であっても、スピン注入現象が起こり得る場合は、磁気的な結合があると考える。

すなわち、第一の伝導膜１０２は、磁性膜１０１に磁気的に結合しており、スピンゼーベック効果により発生したスピン流Ｊ_Ｓ０が界面を超えて伝導体側へ流れ込み、逆スピンホール効果による起電力に相当する熱起電力Ｅ_０を発生する。

スピン流から電流への変換効率は、大きな逆スピンホール効果を持つ材料でより大きくなる。例えば、逆スピンホール効果の比較的大きなＡｕやＰｔ、Ｐｄ、Ｂｉなどの遷移金属、ｄ軌道やｆ軌道を有する遷移金属、またはそれらを含有する合金材料を用いる。また、Ｃｕなどの一般的な金属膜材料に、Ｆｅや、Ｉｒなどの材料を０．５〜１０ｍｏｌ％程度ドープするだけでも、同様の効果を得ることができる。

また、伝導膜１０２として磁性を持つ材料を用いることも効果的である。この場合、異常ネルンスト効果と呼ばれる磁性起因の熱電効果を生じる。異常ネルンスト効果による起電力の向きは、異常ネルンスト係数の符号によって逆スピンホール効果と同一、もしくは反並行となる。

通常は両効果の起電力の向きが同一方向となる材料を用いることが好ましい。ただし、両効果の符号が異なっても、結果的に重なり合って現れる熱起電力Ｅ_０が大きくなる材料を用いることが適切である。

さらに伝導膜１０２は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide＝酸化インジウムスズ）などの酸化物伝導体や、組成ＣｕＭＯ_２やＳｒＭＯ_３（Ｍは金属元素で、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅのいずれかを含む）などの磁性酸化物半導体であってもよい。

第二伝導膜１０３にも、上記の伝導膜１０２に用いる材料と同様に逆スピンホール効果、もしくはスピン軌道相互作用を発現する導電体を用いることができる。ただし、第一の伝導膜１０２が持つスピンホール角と異なる符号のスピンホール角を有する導電体材料を用いることが好ましい。第二伝導膜１０３では、磁性膜１０１でスピンゼーベック効果により発生するスピン流Ｊ_Ｓ１を補償するように、第二伝導膜１０３から界面を超えて磁性膜１０１側へスピン流が流れ出し、結果として逆スピンホール効果による熱起電力Ｅ_１を発生するためである。

例えば、第一の伝導膜１０２にＰｔやＰｄ、Ｎｉなどの金属を主に含む材料を用いた場合、第二の伝導膜１０３には、遷移金属の中でもＷ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉを用いると、第一の伝導膜１０２に用いたＰｔや、Ｐｄ、Ｎｉ、これらを含有する合金とは逆符号の電圧を得ることが出来る。すなわち、逆スピンホール効果によって発生する電流の向きが反対になる。

また、第一の伝導膜１０２と同様に、第二の伝導膜１０３にも母材の金属に不純物を添加した合金材料や、磁性を持つ材料を用いることができる。

パッド１０４、１０５，１０６には、電気伝導性が高い材料を用いることができる。さらに、パッド１０４、１０５，１０６は単一の材料で構成しても良いし、複合材料を用いることも可能である。さらに、第一の伝導膜１０２や、第二の伝導膜１０３の一部が、パッド１０４，１０５、１０６の機能の一部若しくは全てを担うように設計することも可能である。

例えば磁性膜１０１、第一の伝導膜１０２、第二の伝導膜１０３との密着性を高めるため、それぞれの材料との界面には密着性の高い材料を用い、その他は伝導性の高い材料を用いることができる。また、表面の保護のために表面全体を化学的に安定な材料や、耐摩耗性に優れた材料で覆うことができる。

制御機構１０７は、パッド１０４と１０６とに接続し、何らかの外部要因を反映して、パッド１０４と１０６の間を流れる電流量を制御する機構を有する。

例えば、外部からの制御により短絡と開放の切り替えができるスイッチを用いることができる。

また、制御機構１０７として、バイモルフスイッチなどの、環境温度に依存して、開放、短絡を自発的に変化させられる素子を用いることができる。この場合、外部制御無しで閾値として設定する温度付近で解放、短絡が切り替わる素子を実現できる。

また、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタやＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタ等などの、環境温度に依存して電気的コンダクタンスを自発的に変化させられる素子を用いることができる。この場合、外部制御無しで基準となる温度付近で温度に依存して断熱の効果が変化する素子を実現できる。

また、温度だけでなく、外部の光や音、湿度などの環境条件を計測するセンサを用いることで、外部環境情報を反映して動作する素子を実現することができる。

また、電流の整流機能を持つダイオードなどを用いた場合、熱流がある一方向に流れたときのみ可変断熱の効果が得られる素子を実現できる。

さらに、制御機構１０７には、素子全体の状態を把握するための温度センサや電流センサ、電圧センサ、磁気センサなどの計測素子を備え、制御機構の動作にその情報を反映させることができる。また、素子全体の状態に応じて、外部の電流源から電流を取り込む形で、素子を動作させることも可能である。

以上の要素から、制御機構１０７を介して、第一の伝導膜１０２と、第二の伝導膜１０３とが直列に接続する閉回路が構成される。

制御機構１０７が短絡した状態を仮定すると、熱流入力Ｑ_０に比例する熱起電力Ｅ_０＋Ｅ_１が発生する。さらに、制御機構１０７を含む閉回路全体のインピーダンスＺにより決まる電流Ｉが閉回路に流れる。

電流Ｉは、スピンゼーベック効果の逆効果に当たるスピンペルチェ効果による熱電変換により熱流を発生させる。

すなわち、電流Ｉに起因して第一の伝導膜１０２ではスピンホール効果によるスピン流が生成し、磁性膜１０１に流れ込む成分Ｊ_ｓＡを発生する。さらにＪ_ｓＡは、スピンペルチェ効果によって熱流Ｑ_Ａを生む。また、第二の伝導膜１０３では、磁性膜１０１から流れ出すスピン流成分Ｊ_ｓＢを発生し、Ｊ_ｓＢによる熱流Ｑ_Ｂを生む。
すなわち、制御機構１０７の持つインピーダンスがほぼゼロに等しい時、熱流Ｑ_Ａ、Ｑ_Ｂはともに最大となり素子の実効的な熱抵抗が大きくなる。逆に制御機構１０７を開放した状態にするなどしてインピーダンスが無限大に大きい時、Ｑ_Ａ、Ｑ_Ｂは消失し、素子は材料本来の熱抵抗を持つ状態となる。素子に加わる温度差を利用した熱電効果によって、素子の熱抵抗を、素子を構成する材料自体の熱抵抗よりも大きくすることができ、断熱性能を高めることができる。断熱性能を抑え放熱を行いたい場合には、熱抵抗の増加を抑制することができる。また、熱抵抗の増減を適切に制御することができる。

以上述べたように、本実施形態による可変断熱素子では、既存のスピンゼーベック、スピンペルチェ効果を用いた素子と比較して、伝導膜が磁性膜の両面を覆っているため、片面だけを覆っている場合と比較して、単純計算では約２倍の熱起電力が得られる。従ってスピンペルチェ効果、スピンゼーベック効果を用いた可変断熱素子を提供することができる。また伝導膜が磁性膜の両側を覆うだけであるので構造も簡単である。

さらに、本実施形態では符号の異なる熱起電力を発生する二種類の伝導膜を利用するため、それぞれの伝導膜が電気的に接続した素子構造をより簡便に実現でき、製造コストの低減を実現できる。

＜可変断熱素の形成方法＞
次に、本実施形態の可変断熱素子の形成方法を、図２乃至図４を参照して説明する。

本実施形態の可変断熱素子は、支持体２００上に成膜される。

まず、支持体２００上に第一の伝導膜２０２を図２に示すような、矩形の一部が飛び出た平面形状となるように成膜する。この飛び出た部分がパッド２０６になる。その成膜方法は、スパッタ法、蒸着法、メッキ法、スクリーン印刷法、インクジェット法、スプレー法及びスピンコート法などのいずれかの方法で成膜する方法が挙げられる。また、ナノコロイド溶液の塗布・焼結などを用いることができる。

図２に示す形状を形成する方法には、工業的に用いるパターニング方法を適用することが可能である。例として、ステンシル法、直接描画法、リソグラフィ法、マスクエッチング法などが挙げられる。

続いて、上記パターニング方法を用いるなどして、図３に示す平面形状の通り磁性膜２０１を成膜する。磁性膜２０１は平面視では第一の伝導膜２０２と大部分重なるが、第一の伝導膜２０２の前述の飛び出た部分とその反対側の端の部分は重なっていない。この反対側の端の部分がもう一つのパッドになる。

磁性膜２０１の形成方法としては、スパッタ法、有機金属分解法（ＭＯＤ（Metal Organic Decomposition）法）、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法（ＡＤ（Aerosol Deposition）法）、フェライトめっき法、液相エピタキシー法、固相エピタキシー法、気相エピタキシー法、ディップ法、スプレー法、スピンコート法及び印刷法などのいずれかの方法を用いて成膜する方法が挙げられる。

さらに、第二の伝導膜２０３を、磁性膜２０１と同様の手法を用いるなどして、図４に示す形状つまり第一の伝導膜２０２を左右反転した平面形状に成膜する。

最後に、伝導膜２０２と伝導膜２０３に制御機構２０７を接続することで可変断熱素子が得られる。

本実施形態の方法では、素子の一部もしくは全てについて、簡便な塗布プロセス等を適用すれば一括生産を行うことが可能で、製作コストを大きく低減することができる。また、薄膜シート型の素子を広い面積に渡って適用することも可能で、形状の自由度を持ち合わせている。支持体２００を薄くすれば、平面だけなく曲がった面や複雑な形状を持つ面にも実装可能となる。

図１で説明したパッド１０４の部分は、伝導膜２０２の中で磁性膜２０１にも伝導膜２０３にも重ならない部分（図４のパッド２０４）が担っている。また図１のパッド１０５の部分は、伝導膜２０２と伝導膜２０３が直接重なる部分（図４のパッド２０５）が担っている。さらにパッド１０６の部分は、伝導膜２０３の中で磁性膜２０１にも伝導膜２０２にも重ならない部分（図４のパッド２０６）が担っている。

以下、第１の実施形態について、実施例を用いてさらに具体的に説明する。
（実施例１）
本実施形態の具体的な例として実施例１を、図２乃至図４を参照して説明する。

まず、支持体２００として大きさ１０ｃｍ×１０ｃｍ、厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを準備した。

続いて、マグネトロンスパッタ法を用いて、支持体２００上に第一の伝導膜２０２としてＷを、ステンシルマスクを用いて凡そ幅８ｃｍ×長さ８ｃｍの大きさで、厚さ５ｎｍ分を蒸着した。

次に、既知のフェライト薄膜製造法を用いて、図２の可変断熱素子に用いる磁性膜１０１として、Ｎｉ_０．１Ｚｎ_０．１Ｆｅ_１．８Ｏ_４膜を作製した。磁性膜のサイズは凡そ幅９ｃｍ×長さ６ｃｍ、膜厚は１ｕｍとした。

さらに、マグネトロンスパッタ法を用いて、第二の伝導膜２０３としてＰｔを、ステンシルマスクを用いて凡そ幅８ｃｍ×長さ８ｃｍの大きさで、厚さ５ｎｍ分を蒸着した。

最後に、制御機構２０７として外部からオンとオフの制御ができるリレーを接続し、本実施形態の可変断熱素子を作製した。

この可変断熱素子を、温度が摂氏２３度の環境温度にある基準熱浴と、摂氏５３度の高温側の熱浴の間に挟んだとき、素子と各熱浴との界面熱抵抗、支持体の熱抵抗などを考慮し、可変断熱素子自身には約１［ｍＫ］の温度差が安定的に生じる状況を考える。

制御機構２０７が開放状態の時、素子の厚さの大部分を占める磁性膜２０１には、約１０［ｋＷ／ｍ^２］の熱流束密度で熱流が流れ、熱抵抗θ_０は約０．１［μＫ／（Ｗ／ｍ^２）］となる。

制御機構２０７が短絡状態となった場合、実効的な熱抵抗θ_１は、フーリエの関係式にスピンペルチェ熱流成分を加えた式 θ_１＝１［ｍＫ］／（１０［ＭＷ／ｍ^２］＋Ｑ_Ａ＋Ｑ_Ｂ）で表すことができる。この時、Ｑ_Ａ、Ｑ_Ｂ共にＱ_０と逆符号となるためθ_１はθ_０よりも大きくなる。

すなわちリレーで構成されるスイッチを操作することによって、可変断熱素子の熱抵抗が高い状態、もしくは低い状態に設定することができる。
（第２の実施形態）
図５の断面図を用いて第２の実施形態を説明する。

本実施形態の可変断熱素子は、実施例１に記載の支持体が電気伝導性を持つ材料である場合や、可変断熱素子の伝導膜が表面に露出しないように、絶縁性の保護膜で被覆する必要がある場合に対応することを目的としている。

すなわち、実施例１の可変断熱素子に加えて、絶縁や保護のための被覆層を設けている物であり、さらに被覆層に磁性絶縁体を用いることで、付加的なスピンペルチェ効果によるより大きな断熱可変効果が得られることを特徴としている。

本実施形態の可変断熱素子は、図５に示すように電気伝導性を持つ支持体５００、それぞれ実施例１と同様の磁性膜５０１、第一の伝導膜５０２、第二の伝導膜５０３、制御機構５０７として、外部からのＯＮ／ＯＦＦ制御が可能なスイッチを備えている。

さらに、可変断熱素子と支持体５００との間に保護用磁性膜５０８を、可変断熱素子の表面に保護用磁性膜５０９を備えている。二つの保護用磁性膜は、材料として磁性膜５０１と同じフェライト膜を用いている。

その結果、スピンゼーベック効果によって生じた電流は、第一、第二の伝導膜から素子の外部に散逸することなく、効果的にスピンペルチェ効果による熱流束の発生に寄与することができるため効果的である。

また保護用磁性膜に、磁性膜５０１と同様に磁性を持ち熱スピン流の伝搬を実現する材料を用いた場合、両方の保護用磁性膜からのスピン流による熱起電の電流成分が加わるためより効果的である。
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第１、第２の実施形態、実施例１で述べた可変断熱素子をシールド材に用いた例を説明する。

例えば、人工衛星や宇宙探査機の内部温度を一定に保つ目的で機体を覆うシールド材は、太陽からの輻射熱流入や、太陽の陰になっている部分からの輻射熱流出を最小限にするために、材料の熱抵抗を高くすることが一般的に好ましい。逆にシールドの内部で発熱の大きな機器を動作させる場合には、逆に熱抵抗を低減して放熱を促すことが好ましい。熱抵抗を高くしたい場合には可変断熱素子を短絡し、逆に熱抵抗を低減したい場合には開放する。そのためには制御機構として、例えば前述のバイモルフスイッチ、ＰＴＣサーミスタ、ＮＴＣサーミスタ等を用いることで、環境温度に依存して自動的に開放、短絡を切り替えるようにすればよい。

可変断熱素子は、そのような場合に通常の材料では実現が困難な、固体素子による熱抵抗変化機能を提供することが可能で、特にスピンゼーベック、スピンペルチェ効果を用いると薄膜やシート状の素子形状を持つ特徴を生かして、シールド材へ容易に実装することが可能である。

さらに、第２の実施形態で説明した可変断熱素子は磁性膜と導電性の膜からなる多層構造を有している。

図６に示すように支持体６００の上に、それぞれ実施例１と同様の材料で形成される第一の磁性膜６０１、第二の磁性膜６０２、第三の磁性膜６０３、さらに実施例１と同様の第一の伝導材料６０４、第一の磁性材料と異なる符号のスピンホール角を有する第二の伝導材料６０５が図６に示すように積層構造を形成している。

この時、各々の磁性膜の上面と下面には異なる伝導材料からなる膜が存在する。すなわち、積層方向へ第一の伝導材料６０４と第二の伝導材料６０５は交互に存在し、また交互に接続している。交互に接続する箇所は、素子上方から見て互い違いにしており、重ならないようにしている。

さらに、伝導材料は外部の制御機構６０７と閉回路を形成している。また、素子全体は保護用磁性膜６０６で覆われ、絶縁が保たれている。

複数の磁性材料、伝導材料で形成される積層構造は、その周期、材料の組み合わせ等に対応して、光の反射膜、反射防止膜としても機能する。反射膜は、膜を突き抜ける光に対して、透過防止膜として機能する。

すなわち、人工衛星や宇宙探査機に用いるシールド材としては、波長が約５００ｎｍ付近にピークを持つ太陽光スペクトルによる熱流入を抑えるために、可変断熱素子に用いる各材料の屈折率と膜厚を最適化して、反射効率が高くなるように設計するとよい。
（第４の実施形態）
図７の断面図を用いて本実施形態を説明する。本実施形態は、第３の実施形態で述べた、複数の磁性材料、伝導材料で形成される積層構造を持つ可変断熱素子の制御機構７０７に、直列に外部電源７１０を接続している。

第２の実施形態２で説明した人工衛星や宇宙探査機の機体を覆うシールド材は、シールドの内部で発熱の大きな機器を動作させる場合には、放熱効率を最大にすることが好ましい。

この場合、スピンゼーベック効果により素子内部で発生したエネルギーによる断熱性能変化分だけでなく、図７に示すように、多層型可変断熱素子７０１に外部電源７１０を接続して、外部エネルギーによる積極的な放熱を行うことができる。

外部電源７１０によって多層型可変断熱素子７０１に電流を流す。外部電源７１０の制御機構のある側を＋、その反対側を−とすると、電流は上層の伝導膜からその下層の伝導膜、・・・と流れ、最下層の伝導膜から外部電源７１０に戻る。制御機構は短絡しておく。保護抵抗を入れてもよい。

電流を流すとスピンホール効果によって、伝導膜に挟まれた磁性膜にスピン流が生じ、その結果熱流（温度勾配）が発生する。つまり図１で述べたのと逆工程によって多層型可変断熱素子７０１の膜厚方向に温度勾配が発生する。温度勾配の高温側を放熱したい箇所、例えば電子機器の表面に接触させると、電子機器から放熱させることが可能となる。外部電源７１０から流す電流を調整することによってスピン流の大きさつまり温度勾配の大きさを調整することができるので、断熱性能の調整が可能になる。

なお可変断熱素子は多層型に限らず、図１に示したような単層型可変断熱素子を用いてもかまわない。 上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
少なくとも一方向の内部磁化を有する磁性膜を有し、前記磁性膜の一方の面に前記磁性膜と磁気的に結合した第一の伝導膜と、前記磁性膜のもう一方の面に前記磁性膜と磁気的に結合した第二の伝導膜とを備え、
前記第一、第二の伝導膜はいずれも、少なくとも一部にスピン軌道相互作用を有する材料を含み、スピン軌道相互作用の大きさに関係するスピンホール角を有し、前記スピンホール角が互い異なる符号であり、前記第一の伝導膜、前記第二の伝導膜、電気的コンダクタンスを変化させることができる制御機構と、が閉回路を構成可能であることを特徴とする可変断熱素子。
（付記２）
前記第一の伝導膜、前記第二の伝導膜及び前記制御機構が直列の閉回路を構成する付記１に記載の可変断熱素子。
（付記３）
前記第一、第二の伝導膜が一端で電気的に接続されている付記１または２に記載の可変断熱素子。
（付記４）
前記磁性膜は絶縁体または半導体である付記１から３のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
（付記５）
前記第一、第二の伝導膜が磁性膜である付記１から４のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
（付記６）
前記第一の伝導膜、前記第二の伝導膜、前記制御機構、及び電源が直列の閉回路を構成する付記１から５のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
（付記７）
前記第一の伝導体、及び第二の伝導体を覆う絶縁性の保護膜を有する付記1から６のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
（付記８）
前記絶縁性の保護膜は、少なくとも一方向の内部磁化を有する磁性膜で前記第一の伝導体、及び第二の伝導体に磁気的に結合している付記７に記載の可変断熱素子。
（付記９）
前記第一伝導膜、前記磁性膜、前記第二の伝導膜が複数積層している付記１から８のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
（付記１０）
前記磁性膜、前記第一伝導膜、前記第二の伝導膜、前記保護膜の少なくともいずれか一つが、膜を突き抜ける光に対して、透過防止膜として機能する付記７から９のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
（付記１１）
前記可変断熱素子はシート状の支持体に形成されている付記１から１０のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
（付記１２）
前記制御機構は開放と短絡の切り替えができるスイッチである付記１から１１のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
（付記１３）
前記スイッチとして、温度に応じて開放と短絡が切り替わるスイッチを用いる付記１２に記載の可変断熱素子。
（付記１４）
前記制御機構として整流素子を設け、熱流がある一方向に流れたとき前記可変断熱素子の熱抵抗を高い状態にする付記１から１１のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
（付記１５）
付記１から１４のいずれか一項に記載の可変断熱素子の制御機構を短絡状態とすることで前記可変断熱素子の熱抵抗が高い状態にするか、または前記制御機構を開放状態とすることで前記の熱抵抗が前記短絡状態よりも低い状態にすることを特徴とする可変断熱素子の駆動方法。
（付記１６）
前記可変断熱素子の熱抵抗が高い状態とは、前記熱抵抗が前記可変断熱素子を構成する材料の熱抵抗よりも高い状態である付記１５に記載の可変断熱素子の駆動方法。
（付記１７）
付記６から１６のいずれか一項に記載の可変断熱素子の駆動方法であって、前記電源から前記直列の閉回路に流す電流によって生じた温度勾配の高温側を、放熱したい箇所に接触させる可変断熱素子の駆動方法。
（付記１８）
支持体上に、少なくとも一部にスピン軌道相互作用を有する材料を含み、スピン軌道相互作用の大きさに関係する第１のスピンホール角を有する第一の伝導膜を形成し、前記第一の伝導膜上に、少なくとも一方向の内部磁化を有し、前記第一の伝導膜と磁気的に結合した磁性膜を形成し、前記磁性膜上に少なくとも一部にスピン軌道相互作用を有する材料を含み、スピン軌道相互作用の大きさに関係し、前記第１のスピンホール角とは異なる符号の第２のスピンホール角を有し、前記磁性膜と磁気的に結合した第二の伝導膜を形成し、
前記第一の伝導膜及び前記第二の伝導膜に接続することを特徴とする可変断熱素子の形成方法。

１０１、２０１、５０１ 磁性膜
１０２、２０２、５０２ 第一の伝導膜
１０３、２０３、５０３ 第二の伝導膜
１０４、１０５、１０６、２０５ パッド
１０７、２０７、５０７、６０７、７０７ 制御機構
２００、５００、６００ 支持体
５０８、５０９、６０６ 保護用磁性膜
６０１ 第一の磁性膜
６０２ 第二の磁性膜
６０３ 第三の磁性膜
６０４ 第一の伝導材料
６０５ 第二の伝導材料
７０１ 多層型可変断熱素子
７１０ 外部電源

Claims (10)

1. 少なくとも一方向の内部磁化を有する磁性膜を有し、前記磁性膜の一方の面に前記磁性膜と磁気的に結合した第一の伝導膜と、前記磁性膜のもう一方の面に前記磁性膜と磁気的に結合した第二の伝導膜とを備え、
   前記第一、第二の伝導膜はいずれも、少なくとも一部にスピン軌道相互作用を有する材料を含み、スピン軌道相互作用の大きさに関係するスピンホール角を有し、前記スピンホール角が互い異なる符号であり、前記第一の伝導膜、前記第二の伝導膜、電気的コンダクタンスを変化させることができる制御機構と、が閉回路を構成可能であることを特徴とする可変断熱素子。
2. 前記第一の伝導膜、前記第二の伝導膜及び前記制御機構が直列の閉回路を構成する請求項１に記載の可変断熱素子。
3. 前記第一、第二の伝導膜が一端で電気的に接続されている請求項１または２に記載の可変断熱素子。
4. 前記第一の伝導膜、前記第二の伝導膜、前記制御機構、及び電源が直列の閉回路を構成する請求項１から３のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
5. 前記第一の伝導体、及び第二の伝導体を覆う絶縁性の保護膜を有する請求項1から４のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
6. 前記絶縁性の保護膜は、少なくとも一方向の内部磁化を有する磁性膜で前記第一の伝導体、及び第二の伝導体に磁気的に結合している請求項５に記載の可変断熱素子。
7. 前記第一伝導膜、前記磁性膜、前記第二の伝導膜が複数積層している請求項１から６のいずれか一項に記載の可変断熱素子。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の可変断熱素子の制御機構を短絡状態とすることで前記可変断熱素子の熱抵抗が高い状態にするか、または前記制御機構を開放状態とすることで前記の熱抵抗が前記短絡状態よりも低い状態にすることを特徴とする可変断熱素子の駆動方法。
9. 請求項４から７のいずれか一項に記載の可変断熱素子の駆動方法であって、前記電源から前記直列の閉回路に流す電流によって生じた温度勾配の高温側を、放熱したい箇所に接触させる可変断熱素子の駆動方法。
10. 支持体上に、少なくとも一部にスピン軌道相互作用を有する材料を含み、スピン軌道相互作用の大きさに関係する第１のスピンホール角を有する第一の伝導膜を形成し、前記第一の伝導膜上に、少なくとも一方向の内部磁化を有し、前記第一の伝導膜と磁気的に結合した磁性膜を形成し、前記磁性膜上に少なくとも一部にスピン軌道相互作用を有する材料を含み、スピン軌道相互作用の大きさに関係し、前記第１のスピンホール角とは異なる符号の第２のスピンホール角を有し、前記磁性膜と磁気的に結合した第二の伝導膜を形成し、
    前記第一の伝導膜及び前記第二の伝導膜に接続することを特徴とする可変断熱素子の形成方法。

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