JP2020064946A - 熱電素子、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電効率が変動しにくい熱電素子を提供すること。【解決手段】熱電素子1は、第1電極部11aと、第1電極部とは異なった仕事関数を有する第2電極部12aと、第1、第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1Y方向支持部13aと、第1、第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2Y方向支持部13bと、第1、第2電極部のそれぞれと面−面接触する第3Y方向支持部13cと、第1、第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1X方向支持部131と、第1、第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2X方向支持部132と、第1、第3Y方向支持部、第1、第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられた、ナノ粒子を含む第1中間部14aと、第2、第3Y方向支持部、第1、第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられた、ナノ粒子を含む第2中間部14bと、を備える。【選択図】図1
Description
この発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法に関する。
近年、熱エネルギーを利用して電気エネルギーを生成する熱電素子の開発が盛んに行われている。特許文献1には、仕事関数差を有する電極間に発生する、絶対温度による電子放出現象を利用した熱電素子が開示されている。このような熱電素子は、電極間の温度差(ゼーベック効果)を利用した熱電素子に比較して、電極間の温度差が小さい場合であっても発電可能である。このため、より様々な用途への利用が期待されている。
特許文献1には、エミッタ電極層と、コレクタ電極層と、エミッタ電極層及びコレクタ電極層の表面に分散して配置され、エミッタ電極層とコレクタ電極層とをサブミクロン間隔で離間する電気絶縁性の球状ナノビーズとを備え、エミッタ電極層の仕事関数はコレクタ電極層の仕事関数よりも小さく、球状ナノビーズの粒子径は100nm以下である熱電素子が開示されている。
特許文献1では、電気絶縁性の球状ナノビーズによって、エミッタ電極層とコレクタ電極層とをサブミクロン間隔で離間する。
しかし、球状ナノビーズは、エミッタ電極層及びコレクタ電極層のそれぞれと点−面接触する。このため、例えば、エミッタ電極層とコレクタ電極層との熱膨張率差に起因して、熱電素子が反ったり、撓んだりする可能性がある。熱電素子が反ったり、撓んだりすると、発電効率が変動しやすくなる。このような事情は、例えば、熱電素子を高温環境下で製造したとき、及び熱電素子を高温環境下で使用したときに顕著に現れる。
この発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、その目的は、発電効率が変動しにくい熱電素子、そのような熱電素子を備えた発電装置、そのような熱電素子を含む電子機器、及びそのような熱電素子の製造方法を提供することにある。
第1発明に係る熱電素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、第1電極部と、前記第1電極部と第1方向に離間して対向し、前記第1電極部とは異なった仕事関数を有する第2電極部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1Y方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第1方向と交差する第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2Y方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部及び前記第2Y方向支持部のそれぞれと前記第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する少なくとも1つの第3Y方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの一端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1X方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2X方向支持部と前記第1方向及び前記第2方向のそれぞれと交差する第3方向に離間して設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの他端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2X方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第1中間部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第2中間部と、を備えることを特徴とする。
第2発明に係る熱電素子は、第1発明において、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれは、同じ絶縁性材料を含み、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれは、第1梯子型枠体を構成していることを特徴とする。
第3発明に係る熱電素子は、第1発明又は第2発明において、前記第3Y方向支持部は、前記第2方向に沿って前記第3Y方向支持部を貫通する貫通部を含み、前記第2電極部は、前記第1方向に沿って前記第2電極部を貫通し、前記貫通部とオーバーラップする貫通孔を含み、前記第1中間部と前記第2中間部とは、少なくとも前記貫通部を通じて一体化されていることを特徴とする。
第4発明に係る熱電素子は、第1発明又は第2発明において、前記第2電極部と第1方向に離間して対向し、前記第2電極部とは異なった仕事関数を有し、前記第1電極部と電気的に接続された第3電極部と、前記第2電極部と前記第3電極部との間に設けられた、前記第2電極部及び前記第3電極部のそれぞれと面−面接触する第4Y方向支持部と、前記第2電極部と前記第3電極部との間に、前記第4Y方向支持部と前記第2方向に離間して設けられた、前記第2電極部及び前記第3電極部のそれぞれと面−面接触する第5Y方向支持部と、前記第2電極部と前記第3電極部との間に、前記第4Y方向支持部及び前記第5Y方向支持部のそれぞれと前記第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第6Y方向支持部と、前記第2電極部と前記第3電極部との間に設けられ、前記第2方向に延びて前記第4Y方向支持部、前記第5Y方向支持部、及び前記第6Y方向支持部のそれぞれの一端と接し、前記第2電極部及び前記第3電極部のそれぞれと面−面接触する第3X方向支持部と、前記第2電極部と前記第3電極部との間に、前記第3X方向支持部と前記第1方向及び前記第2方向のそれぞれと交差する第3方向に離間して設けられ、前記第2方向に延びて前記第4Y方向支持部、前記第5Y方向支持部、及び前記第6Y方向支持部のそれぞれの他端と接し、前記第2電極部及び前記第3電極部のそれぞれと面−面接触する第4X方向支持部と、前記第2電極部と前記第3電極部との間に、前記第4Y方向支持部と前記第6Y方向支持部、並びに前記第3X方向支持部と前記第4X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第2電極部の仕事関数と前記第3電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第3中間部と、前記第2電極部と前記第3電極部との間に、前記第5Y方向支持部と前記第6Y方向支持部、並びに前記第3X方向支持部と前記第4X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第2電極部の仕事関数と前記第3電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第4中間部と、を、さらに備えることを特徴とする。
第5発明に係る熱電素子は、第4発明において、前記第1電極部及び前記第3電極部のそれぞれと電気的に接続された、第1配線と、前記第2電極部と電気的に接続された第2配線と、を、さらに備え、前記第2電極部は、前記第1電極部及び前記第3電極部のそれぞれで、共通した1つの電極であることを特徴とする。
第6発明に係る熱電素子は、第4発明又は第5発明において、前記第1電極部と前記第3電極部とは、前記第2電極部を対称中心として線対称に位置することを特徴とする。
第7発明に係る熱電素子は、第4発明〜第6発明のいずれか1つにおいて、前記第4Y方向支持部、前記第5Y方向支持部、前記第6Y方向支持部、前記第3X方向支持部、及び前記第4X方向支持部のそれぞれは、同じ絶縁性材料を含み、前記第4Y方向支持部、前記第5Y方向支持部、前記第6Y方向支持部、前記第3X方向支持部、及び前記第4X方向支持部のそれぞれは、第2梯子型枠体を構成していることを特徴とする。
第8発明に係る熱電素子は、第4発明〜第7発明のいずれか1つにおいて、前記第3Y方向支持部は、前記第2方向に沿って前記第3Y方向支持部を貫通する第1貫通部を含み、前記第6Y方向支持部は、前記第2方向に沿って前記第6Y方向支持部を貫通する第2貫通部を含み、前記第2電極部は、前記第1方向に沿って前記第2電極部を貫通し、前記第1貫通部とオーバーラップする第1貫通孔を含み、前記第3電極部は、前記第1方向に沿って前記第3電極部を貫通し、前記第2貫通部とオーバーラップする第2貫通孔を含み、前記第1中間部、前記第2中間部、前記第3中間部、及び前記第4中間部は、少なくとも前記第1貫通部、前記第2貫通部、及び前記第1貫通孔を通じて一体化されていることを特徴とする。
第9発明に係る発電装置は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を備えた発電装置であって、前記熱電素子は、第1電極部と、前記第1電極部と第1方向に離間して対向し、前記第1電極部とは異なった仕事関数を有する第2電極部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1Y方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第1方向と交差する第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2Y方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部及び前記第2Y方向支持部のそれぞれと前記第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する少なくとも1つの第3Y方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの一端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1X方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2X方向支持部と前記第1方向及び前記第2方向のそれぞれと交差する第3方向に離間して設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの他端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2X方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第1中間部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第2中間部と、を備えることを特徴とする。
第10発明に係る電子機器は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、前記熱電素子を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、前記熱電素子は、第1電極部と、前記第1電極部と第1方向に離間して対向し、前記第1電極部とは異なった仕事関数を有する第2電極部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1Y方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第1方向と交差する第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2Y方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部及び前記第2Y方向支持部のそれぞれと前記第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する少なくとも1つの第3Y方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの一端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1X方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2X方向支持部と前記第1方向及び前記第2方向のそれぞれと交差する第3方向に離間して設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの他端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2X方向支持部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第1中間部と、前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第2中間部と、を備えることを特徴とする。
第11発明に係る熱電素子の製造方法は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、第1電極部上に、前記第1電極部と面−面接触する第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜をエッチングし、第1Y方向支持部と、前記第1Y方向支持部と離間した第2Y方向支持部と、前記第1Y方向支持部と前記第2Y方向支持部との間に、前記第1Y方向支持部及び前記第2Y方向支持部のそれぞれと離間した少なくとも1つの第3Y方向支持部と、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの一端と接した第1X方向支持部と、前記第1X方向支持部と離間し、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの他端と接した第2X方向支持部と、を形成する工程と、前記第1電極部上に、前記第1Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた第1中間部と、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた第2中間部と、を形成する工程と、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれの上に、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれと面−面接触する第2電極部を形成する工程と、を備え、前記第1中間部及び前記第2中間部のそれぞれは、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含むことを特徴とする。
第12発明に係る熱電素子の製造方法は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、第1電極部上に、前記第1電極部と面−面接触する第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜をエッチングし、第1Y方向支持部と、前記第1Y方向支持部と離間した第2Y方向支持部と、前記第1Y方向支持部と前記第2Y方向支持部との間に、前記第1Y方向支持部及び前記第2Y方向支持部のそれぞれと離間した少なくとも1つの第3Y方向支持部と、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの一端と接した第1X方向支持部と、前記第1X方向支持部と離間し、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの他端と接した第2X方向支持部と、を形成する工程と、前記第3Y方向支持部に、前記第3Y方向支持部を、前記第1Y方向支持部から前記第2Y方向支持部へ向かう方向に貫通する貫通部を形成する工程と、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれの上に、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれと面−面接触する第2電極部を形成する工程と、前記第2電極部に、前記第2電極部を、前記第2電極部から前記第3Y方向支持部へ向かう方向に貫通し、前記貫通部とオーバーラップする貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔からナノ粒子を含む溶媒を、前記第1Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた領域、並びに前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた領域のそれぞれに導入し、前記第1Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第1中間部と、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第2中間部と、を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
第1発明に係る熱電素子によれば、第1Y方向支持部、第2Y方向支持部、第3Y方向支持部、第1X方向支持部、及び第2X方向支持部のそれぞれが、第1電極部及び第2電極部のそれぞれと面−面接触する。このため、第1〜第3Y方向支持部、並びに第1、第2X方向支持部のそれぞれに対応する支持部材が、第1電極部及び第2電極部のそれぞれと点−面接触する場合と比較して、第1電極部と第2電極部との熱膨張率差に起因した、熱電素子の反りや撓みを抑制することができる。熱電素子の反りや撓みを抑制できることで、発電効率が変動しにくい熱電素子を得ることができる。
第2発明に係る熱電素子によれば、第1Y方向支持部、第2Y方向支持部、第3Y方向支持部、第1X方向支持部、及び第2X方向支持部のそれぞれが、同じ絶縁性材料を含む。このため、第1〜第3Y方向支持部、並びに第1、第2X方向支持部は、1層の絶縁膜、あるいは1枚の絶縁性プレートを加工して得ることができる。このような第1〜第3Y方向支持部、並びに第1、第2X方向支持部は、これらを独立した部材で得る場合に比較して、第1方向に沿った厚さのばらつきを小さくできる。さらに、第1〜第3Y方向支持部、並びに第1、第2X方向支持部のそれぞれは、第1梯子型枠体を構成している。第1梯子型枠体は、第2方向に延びた軸材、及び第3方向に延びた軸材のそれぞれを持つ。このような第1梯子型枠体は、例えば、第1電極部と第2電極部との熱膨張率差によって、熱電素子自身が第2方向に反ろうとする力、及び熱電素子自身が第3方向に反ろうとする力のそれぞれに抵抗できる。さらに、第1梯子型枠体は、熱電素子を外から第2方向に撓ませようとする力、及び熱電素子を外から第3方向に撓ませようとする力のそれぞれにも抵抗できる。
第3発明に係る熱電素子によれば、第3Y方向支持部が第3Y方向支持部を貫通する貫通部を含み、第2電極部が第2電極部を貫通し、貫通部とオーバーラップする貫通孔を含む。このため、第1中間部及び第2中間部を、例えば、貫通部及び貫通孔を利用して得ることができる。
第4発明に係る熱電素子によれば、第3電極部、第3中間部、及び第4中間部のそれぞれが、第1方向にスタックされる。このため、単位平面面積当たりの、アノード電極(例えば第1電極部及び第3電極部)とカソード電極(例えば第2電極部)との対向面積を増加させることができる。したがって、電極部及び中間部のそれぞれを第1方向にスタックさせない場合と比較して、単位平面面積当たりの発電量が向上する。さらに、第4Y方向支持部〜第6Y方向支持部のそれぞれが、第2電極部及び第3電極部のそれぞれと面−面接触する。このため、第3電極部、第3中間部、及び第4中間部のそれぞれを、第1方向にスタックさせた場合であっても、第1電極部及び第3電極部と、第2電極との熱膨張率差に起因した、熱電素子1の反りや撓みを抑制できる。
第5発明に係る熱電素子によれば、第1配線が、第1電極部及び第3電極部のそれぞれと電気的に接続され、第2配線が、第2電極部と電気的に接続されている。第2電極部は、第1電極部及び第3電極部のそれぞれで、共通した1つの電極となる。第2電極部を共通電極とすることで、第3電極部、第3中間部、及び第4中間部のそれぞれを、第1方向にスタックさせたとき、熱電素子の、第1方向の厚みの増加を抑制できる。
第6発明に係る熱電素子によれば、第1電極部と第3電極部とが、第2電極部を対称中心として線対称に位置する。このように配置すると、第1電極部と第2電極部との熱膨張率差による変形が、第3電極部によって相殺される。
第7発明に係る熱電素子によれば、第4Y方向支持部〜第6Y方向支持部のそれぞれが、同じ絶縁性材料を含む。このため、第3電極部、第3中間部、及び第4中間部のそれぞれを、第1方向にスタックさせた場合であっても、微小な電極間ギャップを、設計値からのずれが少なく、かつ、製造ばらつきも小さいままに、安定して得ることができる。
第8発明に係る熱電素子によれば、第3Y方向支持部が第3Y方向支持部を貫通する第1貫通部を含み、第6Y方向支持部が第6Y方向支持部を貫通する第2貫通部を含み、第2電極部が第2電極部を貫通し、第1貫通部とオーバーラップする第1貫通孔を含み、第3電極部が第3電極部を貫通し、第2貫通部とオーバーラップする第2貫通孔を含む。このため、第1中間部〜第4中間部を、例えば、第1貫通部、第2貫通部、第1貫通孔、及び第2貫通孔を利用して得ることができる。
第9発明によれば、発電効率が変動しにくい熱電素子を備えた発電装置を提供できる。
第10発明によれば、発電効率が変動しにくい熱電素子を含む電子機器を提供できる。
第11発明によれば、発電効率が変動しにくい熱電素子の製造方法を提供できる。
第12発明によれば、発電効率が変動しにくい熱電素子の、別の製造方法を提供できる。
以下、この発明の実施形態のいくつかを、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、高さ方向を第1方向Zとし、第1方向Zと交差、例えば直交する1つの平面方向を第2方向Xとし、第1方向Z及び第2方向Xのそれぞれと交差、例えば直交する別の平面方向を第3方向Yとする。また、各図において、共通する部分については、共通する参照符号を付し、重複する説明は省略する。
(第1実施形態)
<発電装置100>
図1(a)は、第1実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。
<発電装置100>
図1(a)は、第1実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。
図1(a)に示すように、発電装置100は、第1実施形態に係る熱電素子1と、第1外部端子101と、第2外部端子102と、を含む。熱電素子1は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。熱電素子1を備えた発電装置100は、例えば、図示せぬ熱源に搭載又は設置され、熱源の熱エネルギーを元として、熱電素子1が発生させた電気エネルギーを、第1外部端子101及び第2外部端子102を介して負荷Rへ出力する。負荷Rの一端は第1外部配線111を介して第1外部端子101と電気的に接続され、他端は第2外部配線112を介して第2外部端子102と電気的に接続される。負荷Rは、例えば電気的な機器を示している。負荷Rは、発電装置100を主電源又は補助電源に用いて駆動される。
熱電素子1の熱源としては、例えば、CPU(Central Processing Unit)等の電子デバイス又は電子部品、LED(Light Emitting Diode)等の発光素子、自動車等のエンジン、工場の生産設備、人体、太陽光、及び環境温度等を利用することができる。例えば、電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン、及び生産設備等は人工熱源である。人体、太陽光、及び環境温度等は自然熱源である。熱電素子1を備えた発電装置100は、例えばIoT(Internet of Things)デバイス及びウェアラブル機器等のモバイル機器や自立型センサ端末の内部に設けることができ、電池の代替又は補助として用いることができる。さらに、発電装置100は、太陽光発電等のような、より大型の発電装置への応用も可能である。
<熱電素子1>
図1(b)〜図2(b)は、第1実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図1(a)に示す模式断面は、図1(b)中のIA−IA線に沿う。図1(b)に示す模式断面は、図1(a)中のIB−IB線に沿う。図2(a)に示す模式断面は、図1(b)中のIIA−IIA線に沿う。図2(b)に示す模式断面は、図1(b)中のIIB−IIB線に沿う。
図1(b)〜図2(b)は、第1実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図1(a)に示す模式断面は、図1(b)中のIA−IA線に沿う。図1(b)に示す模式断面は、図1(a)中のIB−IB線に沿う。図2(a)に示す模式断面は、図1(b)中のIIA−IIA線に沿う。図2(b)に示す模式断面は、図1(b)中のIIB−IIB線に沿う。
熱電素子1は、例えば、上記人工熱源が発した熱エネルギー、又は上記自然熱源が持つ熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、電流を生成する。熱電素子1は、発電装置100内に設けるだけでなく、熱電素子1自体を、上記モバイル機器や上記自立型センサ端末等の内部に設けることもできる。この場合、熱電素子1自体が、上記モバイル機器又は上記自立型センサ端末等の、電池の代替部品又は補助部品となる。
図1(a)〜図2(b)に示すように、熱電素子1は、第1電極部11aと、第2電極部12aと、第3電極部11bと、第1Y方向支持部13a〜第6Y方向支持部13fと、第1中間部14a〜第4中間部14dと、を含む。なお、第3Y方向支持部13c及び第6Y方向支持部13fのそれぞれは、少なくとも1つあればよい。
第2電極部12aは、第1電極部11aと第1方向Zに離間して対向し、第1電極部11aとは異なった仕事関数を有する。第3電極部11bは、第2電極部12aと第1方向Zに離間して対向する。熱電素子1では、第3電極部11bと第1電極部11aとは、第2電極部12aを対称中心として線対称に位置する。第3電極部11bは、第2電極部12aとは異なった仕事関数を有する。第3電極部11bは、例えば、第1電極部11aと同じ材料を含む。熱電素子1では、第1電極部11a及び第3電極部11bのそれぞれは、例えば白金(仕事関数:約5.65eV)を含む。第2電極部12aは、例えばタングステン(仕事関数:約4.55eV)を含む。仕事関数が大きい電極部はアノード電極A(コレクタ電極)として機能し、仕事関数が小さい電極部はカソード電極K(エミッタ電極)として機能する。熱電素子1では、第1電極部11a及び第3電極部11bがアノード電極Aであり、第2電極部12aがカソード電極Kである。なお、第1電極部11a及び第3電極部11bをカソード電極Kとし、第2電極部12aをアノード電極Aとしてもよい。このような熱電素子1では、仕事関数差を有する第1電極部11aと第2電極部12aとの間、及び第2電極部12aと第3電極部11bとの間のそれぞれに発生する、絶対温度による電子放出現象が利用される。このため、熱電素子1は、第1電極部11と第2電極部12との温度差が小さい場合であっても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換できる。さらに、熱電素子1は、第1電極部11と第2電極部12との間に温度差がない場合であっても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
なお、第1電極部11aの仕事関数と、第3電極部11bの仕事関数とは、理想的には同じであることが望ましい。しかし、実際には、電極表面上に形成される酸化膜や硫化膜、電極表面上に堆積されるポリマー、及び電極の表面モフォロジー等によって、第1電極部11aと第3電極部11bとには、微小な仕事関数差が生じ、正確に同じ仕事関数にすることは難しい。第1電極部11aと第3電極部11bとの間に生じた微小な仕事関数差は、出力ロスの一因となり得る。このような出力ロスを、極力小さく抑えるためには、第1、第3電極部11a及び11bの仕事関数と、第2電極部12aの仕事関数との差を大きく異ならせるとよい。熱電素子1では、第1、第3電極部11a及び11bの仕事関数は約5.65eVであり、第2電極部12aは約4.55eVであり、その差は約1eV以上ある。このように第1、第3電極部11a及び11bの仕事関数と、第2電極部12aの仕事関数との差を、例えば、約1eV以上とすることで、第1電極部11aと第3電極部11bとの間に生じた微小な仕事関数差に起因した出力ロスを、極力小さく抑えることができる。
熱電素子1は、例えば、第1基板21と、第2基板22と、第1配線15と、第2配線16と、を、さらに含む。第1電極部11aは、例えば、第1基板21上に設けられている。第3電極部11bは、例えば、第2基板22上に設けられている。第1基板21及び第2基板22のそれぞれは、絶縁性である。第1基板21及び第2基板22のそれぞれは、例えば、板状の石英を含む。第1配線15は、第1電極部11a及び第3電極部11bのそれぞれと電気的に接続される。第2配線は、第2電極部12aと電気的に接続される。第1配線15は、例えば、発電装置100の第1外部端子101と電気的に接続可能であり、第2配線16は、例えば、発電装置100の第2外部端子102と電気的に接続可能である。
第1Y方向支持部13aは、第1電極部11aと第2電極部12aとの間に設けられている。第2Y方向支持部13bは、第1電極部11aと第2電極部12aとの間に、第1Y方向支持部13aと第2方向Xに離間して設けられている。第3Y方向支持部13cは、第1電極部11aと第2電極部12aとの間に、第1Y方向支持部13a及び第2Y方向支持部13bのそれぞれと第2方向Xに離間して設けられている。第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cのそれぞれは、例えば、絶縁性である。第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cのそれぞれは、例えば、同じ絶縁性材料を含む。第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cのそれぞれは、第1電極部11a及び第2電極部12aのそれぞれと面−面接触する。なお、図1(a)、図2(a)、及び図2(b)中に、面−面接触した箇所を参照符号“SC”で示す。
第4Y方向支持部13dは、第2電極部12aと第3電極部11bとの間に設けられている。第5Y方向支持部13eは、第2電極部12aと第3電極部11bとの間に、第4Y方向支持部11dと第2方向Xに離間して設けられている。第6Y方向支持部13fは、第2電極部12aと第3電極部11bとの間に、第4Y方向支持部11d及び第5Y方向支持部11eのそれぞれと第2方向Xに離間して設けられている。第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fのそれぞれは、例えば、絶縁性である。第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fのそれぞれは、例えば、同じ絶縁性材料を含む。第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fのそれぞれは、第2電極部12a及び第3電極部11bのそれぞれと面−面接触する。
第1Y方向支持部13a〜第6Y方向支持部13fのそれぞれは、第3方向Yに延びる。熱電素子1の平面形状は、例えば、長軸及び短軸を有した矩形である。第2方向Xは短軸方向であり、第3方向Yは長軸方向である。長軸方向の両端間に加わる力は、短軸方向の両端間に加わる力に比較して、熱電素子1を変形させやすい。このため、第1Y方向支持部13a〜第6Y方向支持部13fのそれぞれが、例えば、長軸方向に延びていると、熱電素子1は、より変形しにくくなる、という利点が得られる。
熱電素子1は、第1X方向支持部131と、第2X方向支持部132と、第3X方向支持部133と、第4X方向支持部134と、を、さらに含む。
第1X方向支持部131は、第2方向Xに延びる。第1X方向支持部131は、第1電極部11a及び第2電極部12aのそれぞれと面−面接触する。第1X方向支持部131は、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cのそれぞれの第3方向Yと交差した一端と接続されている。第2X方向支持部132は、第2方向Xに延びる。第2X方向支持部132は、第1電極部11a及び第2電極部12aのそれぞれと面−面接触する。第2X方向支持部132は、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cのそれぞれの第3方向Yと交差した他端と接続されている。第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13c、第1X方向支持部131、及び第2X方向支持部132は一体となっている。これにより、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13c、第1X方向支持部131、及び第2X方向支持部132は、それぞれ第1梯子型枠体20aを構成している。
第3X方向支持部133は、第2方向Yに延びる。第3X方向支持部133は、第2電極部12a及び第3電極部11bのそれぞれと面−面接触する。第3X方向支持部133は、第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fのそれぞれの第3方向Yと交差した一端と接続されている。第4X方向支持部134は、第2方向Yに延びる。第4X方向支持部134は、第2電極部12a及び第3電極部11bのそれぞれと面−面接触する。第4X方向支持部134は、第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fのそれぞれの第3方向Yと交差した他端と接続されている。第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13f、第3X方向支持部133、及び第4X方向支持部134は一体となっている。これにより、第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13f、第3X方向支持部133、及び第4X方向支持部134は、それぞれ第2梯子型枠体20bを構成している。
第1中間部14aは、第2方向Xにおいて、第1電極部11aと第2電極部12aとの間に、第1Y方向支持部13aと第3Y方向支持部13cとに挟まれて設けられている。第2中間部14bは、第2方向Xにおいて、第1電極部11aと第2電極部12aとの間に、第2Y方向支持部13bと第3Y方向支持部13cとに挟まれて設けられている。第3中間部14cは、第2方向Xにおいて、第2電極部12aと第3電極部11bとの間に、第4Y方向支持部13dと第6Y方向支持部13fとに挟まれて設けられている。第4中間部14dは、第2方向Xにおいて、第2電極部12aと第3電極部11bとの間に、第5Y方向支持部13eと前記第6Y方向支持部13fとに挟まれて設けられている。
また、第1中間部14a及び第2中間部14bのそれぞれは、第3方向Yにおいて、第1電極部11aと第2電極部12aとの間に、第1X方向支持部131と第2X方向支持部132とに挟まれて設けられている。また、第3中間部14c及び第4中間部14dのそれぞれは、第3方向Yにおいて、第2電極部12aと第3電極部11bとの間に、第3X方向支持部133と第4X方向支持部134とに挟まれて設けられている。
第1中間部14a及び第2中間部14bのそれぞれは、例えば、第2電極部(カソード電極K)12aから放出された電子を、第1電極部(アノード電極A)11aへと移動させる部分である。同様に、第3中間部14c及び第4中間部14dのそれぞれは、例えば、第2電極部(カソード電極K)12aから放出された電子を、第3電極部(アノード電極A)11bへと移動させる部分である。第1中間部14a及び第2中間部14bのそれぞれは、ナノ粒子を含む。同様に、第3中間部14c及び第4中間部14dのそれぞれは、ナノ粒子を含む。
図3(a)は、中間部の一例を示す模式断面図である。図3(a)には、第1中間部14aの一例が示されている。なお、ここでは、第1中間部14aのみを説明するが、第2中間部14b〜第4中間部14dのそれぞれについても、第1中間部14aと同様の構成である。
図3(a)に示すように、熱電素子1は、第1電極部11a、第2電極部12a、第1Y方向支持部13a、及び第3Y方向支持部13cのそれぞれによって囲まれたギャップ部140を含む。第1電極部11aと第2電極部12aとの間には、第1方向Zに沿って電極間ギャップGが設定される。熱電素子1では、電極間ギャップGは、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13c、第1X方向支持部131、及び第2X方向支持部132のそれぞれの第1方向Zに沿った厚さによって設定される。電極間ギャップGの幅の一例は、例えば、10μm以下の有限値である。電極間ギャップGの幅は狭いほど、電子eを第2電極部(カソード電極K)12aから効率よく放出させることができ、かつ、第2電極部12aから第1電極部(アノード電極A)11aへ、効率よく移動させることができる。このため、熱電素子1の発電効率が向上する。また、電極間ギャップGの幅は狭いほど、熱電素子1の第1方向Zに沿った厚さを薄くできる。このため、例えば、電極間ギャップGの幅は狭い方がよい。電極間ギャップGの幅は、例えば、10nm以上100nm以下であることがより好ましい。なお、電極間ギャップGの幅と、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cの、第1方向Zに沿った厚さとは、ほぼ等価である。
図3(a)に示すように、第1中間部14aは、例えば、複数のナノ粒子141と、溶媒142と、を含む。複数のナノ粒子141は、溶媒142内に分散されている。第1中間部14aは、例えば、ナノ粒子141が分散された溶媒142を、ギャップ部140内に充填することで得られる。ナノ粒子141の粒子径は、電極間ギャップGよりも小さい。ナノ粒子141の粒子径は、例えば、電極間ギャップGの1/10以下の有限値とされる。ナノ粒子141の粒子径を、電極間ギャップGの1/10以下とすると、ギャップ部140内に、ナノ粒子141を含む中間部を形成しやすくなる。これにより、熱電素子1の生産に際し、作業性を向上させることもできる。
ナノ粒子141は、例えば導電物を含む。ナノ粒子141の仕事関数の値は、例えば、第1電極部11aの仕事関数の値と、第2電極部12aの仕事関数の値との間にある。例えば、ナノ粒子141の仕事関数の値は、3.0eV以上5.5eV以下の範囲とされる。これにより、第1中間部14aに放出された電子eを、ナノ粒子141を介して、例えば、第2電極部(カソード電極K)12aから第1電極部(アノード電極A)11aへと移動させることができる。これにより、第1中間部14a内にナノ粒子141がない場合に比較して、電気エネルギーの発生量をさらに増加させることが可能となる。
図3(b)は、中間部の他の例を示す模式断面図である。図3(b)には、図3(a)同様に、第1中間部14aの一例が示されている。
図3(b)に示すように、第1中間部14aは、溶媒142を含まず、ナノ粒子141のみを含むようにしてもよい。第1中間部14aが、ナノ粒子141のみを含むことで、例えば、熱電素子1を、高温環境下で用いる場合であっても、溶媒142の気化を考慮する必要が無い。これにより、高温環境下における熱電素子1の劣化を抑制することが可能となる。
このような熱電素子1によれば、第1Y方向支持部13a、第2Y方向支持部13b、第3Y方向支持部13c、第1X方向支持部131、及び第2X方向支持部132のそれぞれが、第1電極部11a及び第2電極部12aのそれぞれと面−面接触する。このため、第1〜第3Y方向支持部13a〜13c、並びに第1、第2X方向支持部131及び132のそれぞれに対応する支持部材が、第1電極部11a及び第2電極部12aのそれぞれと点−面接触する場合と比較して、第1電極部11aと第2電極部12aとの熱膨張率差に起因した、熱電素子1の反りや撓みを抑制することができる。熱電素子1の反りや撓みを抑制できることで、第1実施形態によれば、発電効率が変動しにくい熱電素子1を得ることができる。
さらに、熱電素子1によれば、以下のような利点を、さらに得ることができる。
(1) 熱電素子1では、第1電極部11aと第2電極部12aとの熱膨張率差に起因した反りや撓みを抑制できる。このため、熱電素子1は、高温環境下での製造に耐えることができる。また、熱電素子1は、高温環境下においても使用可能である。
(2) 熱電素子1では、第1Y方向支持部13a、第2Y方向支持部13b、第3Y方向支持部13c、第1X方向支持部131、及び第2X方向支持部132のそれぞれが、同じ絶縁性材料を含む。このような第1〜第3Y方向支持部13a〜13c、並びに第1、第2X方向支持部131及び132は、1層の絶縁膜、あるいは1枚の絶縁性プレートを加工して得ることができる。1層の絶縁膜、あるいは1枚の絶縁性プレートから得られた第1〜第3Y方向支持部13a〜13c、並びに第1、第2X方向支持部131及び132によれば、これらを独立した部材で得る場合に比較して、第1方向Zに沿った厚さのばらつきを小さくできる。このため、熱電素子1は、微小な電極間ギャップGを、設計値からのずれが少なく、かつ、製造ばらつきも小さいままに、安定して得ることができる。
(3) 熱電素子1では、第1〜第3Y方向支持部13a〜13c、並びに第1、第2X方向支持部131及び132が、それぞれ第1梯子型枠体20aを構成している。第1梯子型枠体20aは、第2方向Xに延びた軸材、及び第3方向Yに延びた軸材のそれぞれを持つ。このような第1梯子型枠体20aは、例えば、第1電極部11aと第2電極部12aとの熱膨張率差によって、熱電素子1自身が第2方向Xに反ろうとする力、及び熱電素子1自身が第3方向Yに反ろうとする力のそれぞれに抵抗できる。さらに、第1梯子型枠体20aは、熱電素子1を外から第2方向Xに撓ませようとする力、及び熱電素子1を外から第3方向Yに撓ませようとする力のそれぞれにも抵抗できる。したがって、熱電素子1の反りや撓みを、さらに強力に抑制できる。
(4) 熱電素子1では、第1電極部11aと電気的に接続された第3電極部11b、第3中間部14c、及び第4中間部14dのそれぞれを、第1方向Zにスタックさせている。このため、単位平面面積(単位XY平面面積)当たりの、アノード電極A(実施形態では、第1電極部11a及び第3電極部11b)とカソード電極K(実施形態では、第2電極部12a)との対向面積を増加させることができる。したがって、電極部及び中間部のそれぞれを第1方向Zにスタックさせない場合と比較して、単位平面面積当たりの発電量が向上する。
(5) 熱電素子1では、第4Y方向支持部13d、第5Y方向支持部13e、第6Y方向支持部13f、第3X方向支持部133、及び第4X方向支持部134のそれぞれを、さらに含む。第4〜第6Y方向支持部13d〜13f、並びに第3、第4X方向支持部133及び134のそれぞれが、第2電極部12a及び第3電極部11aのそれぞれと面−面接触する。このため、第3電極部11b、第3中間部14c、及び第4中間部14dのそれぞれを、第1方向Zにスタックさせた場合であっても、第1電極部11a及び第3電極部11bと第2電極部12aとの熱膨張率差に起因した、熱電素子1の反りや撓みを抑制できる。
(6) 熱電素子1では、第1配線15及び第2配線16を、さらに含む。第1配線15は、第1電極部11a及び第3電極部11bのそれぞれと電気的に接続され、第2配線16は、第2電極部12aと電気的に接続されている。第2電極部12aは、第1電極部11a及び第3電極部11bのそれぞれで、共通した1つの電極となる。第2電極部12aを共通電極とすることで、第3電極部11b、第3中間部14c、及び第4中間部14dのそれぞれを、第1方向Zにスタックさせたとき、熱電素子1の、第1方向Zの厚みの増加を抑制できる。
(7) 熱電素子1では、第3電極部11bは、第2電極部12aと第1方向Zに離間して対向する。熱電素子1では、例えば、第1電極部11aと第3電極部11bとは、第2電極部12aを対称中心として線対称に位置する。第1電極部11aと第3電極部11bとを、第2電極部12aを対称中心として線対称に配置すると、第1電極部11aと第2電極部12aとの熱膨張率差による変形を、第3電極部11bによって相殺することも可能である。したがって、熱電素子1は、より反りにくくなる。
(8) 熱電素子1では、第4〜第6Y方向支持部13d〜13f、並びに第3、第4X方向支持部133及び134のそれぞれが、同じ絶縁性材料を含む。このため、第3電極部11b、第3中間部14c、及び第4中間部14dのそれぞれを、第1方向Zにスタックさせた場合であっても、微小な電極間ギャップGを、設計値からのずれが少なく、かつ、製造ばらつきも小さいままに、安定して得ることができる。
(9) 熱電素子1では、第4〜第6Y方向支持部13d〜13f、並びに第3、第4X方向支持部133及び134が、それぞれ第2梯子型枠体20bを構成している。第2梯子型枠体20bも、第1梯子型枠体20aと同様に、第2方向Xに延びた軸材、及び第3方向Yに延びた軸材のそれぞれを持つ。したがって、第3電極部11b、第3中間部14c、及び第4中間部14dのそれぞれを、第1方向Zにスタックさせた場合であっても、熱電素子1の反りや撓みを、さらに強力に抑制できる。また、この場合、第1Y方向支持部13aと第4Y方向支持部13d、第2Y方向支持部13bと第5Y方向支持部13e、及び第3Y方向支持部13cと第6Y方向支持部13fは、第1方向Zにおいて、それぞれオーバーラップさせることが好ましい。これにより、第4Y方向支持部13dは第1Y方向支持部13aによって支えられ、第5Y方向支持部13eは第2Y方向支持部13bによって支えられ、第6Y方向支持部13fは第3Y方向支持部13cによって支えられる。したがって、第1中間部14a〜第4中間部14dのそれぞれは、例えば、潰れにくくなる。
以下、第1実施形態に係る熱電素子1の構成を、さらに詳細に説明する。
<<第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11b>>
第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11bのそれぞれの第1方向Zに沿った厚さは、例えば1nm以上1μm以下である。より好ましくは、1nm以上50nm以下である。
第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11bのそれぞれの第1方向Zに沿った厚さは、例えば1nm以上1μm以下である。より好ましくは、1nm以上50nm以下である。
第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11bのそれぞれの材料は、例えば、以下に示す金属から選ぶことができる。
白金(Pt)
タングステン(W)
アルミニウム(Al)
チタン(Ti)
ニオブ(Nb)
モリブデン(Mo)
タンタル(Ta)
レニウム(Re)
熱電素子1では、第1電極部11aと第2電極部12aとの間、及び第2電極部12aと第3電極部11bとの間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11bの材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。また、第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11bの材料には、上記金属の他、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。金属化合物の例としては、例えば六ホウ化ランタン(LaB6)を挙げることができる。
白金(Pt)
タングステン(W)
アルミニウム(Al)
チタン(Ti)
ニオブ(Nb)
モリブデン(Mo)
タンタル(Ta)
レニウム(Re)
熱電素子1では、第1電極部11aと第2電極部12aとの間、及び第2電極部12aと第3電極部11bとの間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11bの材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。また、第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11bの材料には、上記金属の他、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。金属化合物の例としては、例えば六ホウ化ランタン(LaB6)を挙げることができる。
第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11bの材料として、非金属導電物を選ぶことも可能である。非金属導電物の例としては、シリコン(Si:例えばp型Si、あるいはn型Si)、及びグラフェン等のカーボン系材料等を挙げることができる。
第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11bの材料として、高融点金属(refractory metal)以外の材料を選ぶと、以下に説明される利点を、さらに得ることができる。本明細書において、高融点金属は、例えば、W、Nb、Mo、Ta、及びReとする。第1電極部(アノード電極A)11a及び第3電極部(アノード電極A)11bに、例えばPtを用いた場合、第2電極部(カソード電極K)12aには、Al、Si、Ti、及びLaB6の少なくとも1つを用いることが好ましい。
例えば、Al及びTiの融点は、上記高融点金属より低い。したがって、Al及びTiのそれぞれからは、上記高融点金属に比較して、加工しやすい、という利点を得ることができる。
例えば、Siは、上記高融点金属に比較して、その形成が、さらに容易である。したがって、Siからは、上記加工のしやすさに加え、熱電素子1の生産性がより向上する、という利点を、さらに得ることができる。
例えば、LaB6の融点は、Ti及びNbより高い。しかし、LaB6の融点は、W、Mo、Ta、及びReより低い。LaB6は、W、Mo、Ta、及びReに比較して加工しやすい。しかも、LaB6の仕事関数は、約2.5〜2.7eVである。LaB6は、上記高融点金属に比較して電子を放出させやすい。したがって、LaB6からは、熱電素子1の発電効率の更なる向上が可能、という利点を、さらに得ることができる。
なお、第1電極部11a、第2電極部12a、及び第3電極部11bのそれぞれの構造は、上記材料を含む単層構造の他、上記材料を含む積層構造とされてもよい。
<<第1中間部14a〜第4中間部14d>>
ナノ粒子141の材料の例としては、金及び銀の少なくとも1つを選ぶことができる。なお、ナノ粒子141の仕事関数の値は、第1電極部11a及び第3電極部11bそれぞれの仕事関数の値と、第2電極部12aの仕事関数の値との間にあればよい。したがって、ナノ粒子141の材料には、金及び銀以外の導電性材料を選ぶことも可能である。
ナノ粒子141の材料の例としては、金及び銀の少なくとも1つを選ぶことができる。なお、ナノ粒子141の仕事関数の値は、第1電極部11a及び第3電極部11bそれぞれの仕事関数の値と、第2電極部12aの仕事関数の値との間にあればよい。したがって、ナノ粒子141の材料には、金及び銀以外の導電性材料を選ぶことも可能である。
ナノ粒子141の粒子径は、例えば、電極間ギャップGの1/10以下の有限値とされる。具体的には、ナノ粒子141の粒子径は、2nm以上10nm以下である。また、ナノ粒子141は、例えば、平均粒径(例えばD50)3nm以上8nm以下の粒子径を有してもよい。平均粒径は、例えば粒度分布計測器を用いることで、測定することができる。粒度分布計測器としては、例えば、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布計測器(例えばMicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150等)を用いればよい。
ナノ粒子141は、その表面に、例えば絶縁膜141aを有する。絶縁膜141aの材料の例としては、絶縁性金属化合物及び絶縁性有機化合物の少なくとも1つを選ぶことができる。絶縁性金属化合物の例としては、例えば、シリコン酸化物及びアルミナ等を挙げることができる。絶縁性有機化合物の例としては、アルカンチオール(例えばドデカンチオール)等を挙げることができる。絶縁膜141aの厚さは、例えば20nm以下の有限値である。このような絶縁膜141aをナノ粒子141の表面に設けておくと、電子eは、例えば、第2電極部(カソード電極K)12aとナノ粒子141との間、ナノ粒子141と第1電極部(アノード電極A)11aとの間、並びにナノ粒子141と第3電極部(アノード電極A)11bとの間を、トンネル効果を利用して移動できる。このため、例えば、熱電素子1の発電効率の向上が期待できる。
溶媒142には、例えば、沸点が60℃以上の液体を用いることができる。このため、室温(例えば15℃〜35℃)以上の環境下において、熱電素子1を用いた場合であっても、溶媒142の気化を抑制することができる。これにより、溶媒142の気化に伴う熱電素子1の劣化を抑制することができる。液体の例としては、有機溶媒及び水の少なくとも1つを選ぶことができる。有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、トルエン、キシレン、テトラデカン、及びアルカンチオール等を挙げることができる。なお、溶媒142は、電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体がよい。
<<第1Y方向支持部13a〜第6Y方向支持部13f>>
<<第1X方向支持部131〜第4X方向支持部134>>
第1〜第6Y方向支持部13a〜13f、並びに第1〜第4X方向支持部131〜134の材料は、絶縁性材料である。絶縁性材料の例としては、シリコン酸化物、絶縁性樹脂等を挙げることができる。絶縁性樹脂の例としては、フッ素系絶縁性樹脂を挙げることができる。なお、第1〜第6Y方向支持部13a〜13f、並びに第1〜第4X方向支持部131〜134の絶縁性材料としては、エッチング加工しやすいもの、が選ばれることが好ましい。
<<第1X方向支持部131〜第4X方向支持部134>>
第1〜第6Y方向支持部13a〜13f、並びに第1〜第4X方向支持部131〜134の材料は、絶縁性材料である。絶縁性材料の例としては、シリコン酸化物、絶縁性樹脂等を挙げることができる。絶縁性樹脂の例としては、フッ素系絶縁性樹脂を挙げることができる。なお、第1〜第6Y方向支持部13a〜13f、並びに第1〜第4X方向支持部131〜134の絶縁性材料としては、エッチング加工しやすいもの、が選ばれることが好ましい。
<<第1基板21及び第2基板22>>
第1基板21及び第2基板22のそれぞれの第1方向Zに沿った厚さは、例えば10μm以上2mm以下である。第1基板21及び第2基板22のそれぞれの材料としては、絶縁性の材料を選ぶことができる。絶縁性の材料の例としては、シリコン、石英、ガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。
第1基板21及び第2基板22のそれぞれの第1方向Zに沿った厚さは、例えば10μm以上2mm以下である。第1基板21及び第2基板22のそれぞれの材料としては、絶縁性の材料を選ぶことができる。絶縁性の材料の例としては、シリコン、石英、ガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。
第1基板21及び第2基板22のそれぞれは、薄板状であっても、フレキシブルなフィルム状であってもよい。例えば、第1基板21又は第2基板22を、フレキシブルなフィルム状とする場合には、例えばPET(polyethylene terephthalate)、PC(polycarbonate)、及びポリイミド等を用いることができる。
第1基板21と第2基板22との間には、第1電極部11a、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13c、第1中間部14a、第2中間部14b、第2電極部12a、第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13f、第3中間部14c、第4中間部14d、及び第3電極部11cのそれぞれが挟まれる。このため、第1基板21及び第2基板22を備えることで、上記各部材の、外力や環境変化に伴った劣化や変形が抑制される。したがって、熱電素子1の耐久性を高めるためには、第1基板21及び第2基板22がないよりは、第1基板21及び第2基板22を備えている方が有利である。
第1、第2基板21及び22のそれぞれを構成する基板は、絶縁性でなくてもよい。半導体基板や金属基板の表面を、例えば、絶縁膜によって被覆してもよい。このような絶縁被膜付き基板としては、例えば、シリコン(Si)基板の表面に、シリコン酸化物(例えば、SiO2)膜を形成したものを挙げることができる。第1電極部11aや第3電極部11bは、SiO2膜上に設けられる。
また、第1、第2基板21及び22のそれぞれを構成する基板は、第1電極部11aや第3電極部11b等の電極と同じであってもよい。例えば、基板にアルミニウム(Al)を用いると、電極形成の手間を省くことができる。例えば、第1、第2基板21及び22のそれぞれに、Alを用いると、第1基板21は第1電極部11aと兼用でき、第2基板22は第3電極部11bと兼用できる。また、第2基板22を第2電極部12aと兼用する場合には、第2基板22は、第1基板21と仕事関数差をつけるために、例えば、Ptを用いればよい。基板兼用電極の材料としては、Al、Ptの他、グラフェン等の導電性炭素系材料等を挙げることができる。
<<第1外部配線111及び第2外部配線112>>
第1外部配線111及び第2外部配線112のそれぞれには、導電性を有する材料が用いられる。第1外部配線111及び第2外部配線112のそれぞれの材料の例としては、ニッケル、銅、銀、金、タングステン、及びチタンを挙げることができる。第1外部配線111及び第2外部配線112のそれぞれの構造は、熱電素子1において生成された電流を負荷Rへ供給できる構造であれば、任意に設計することができる。
第1外部配線111及び第2外部配線112のそれぞれには、導電性を有する材料が用いられる。第1外部配線111及び第2外部配線112のそれぞれの材料の例としては、ニッケル、銅、銀、金、タングステン、及びチタンを挙げることができる。第1外部配線111及び第2外部配線112のそれぞれの構造は、熱電素子1において生成された電流を負荷Rへ供給できる構造であれば、任意に設計することができる。
<熱電素子1の動作>
熱エネルギーが熱電素子1に与えられると、例えば、第2電極部(カソード電極K)12aから第1中間部14a〜第4中間部14dに向けて電子eが放出される。放出された電子eは、第1中間部14a〜第4中間部14dから第1電極部(アノード電極A)11a、又は第3電極部(アノード電極A)11bへと移動する。電流は、第1電極部11a及び第3電極部11bから第2電極部12aに向かって流れる。このようにして、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
熱エネルギーが熱電素子1に与えられると、例えば、第2電極部(カソード電極K)12aから第1中間部14a〜第4中間部14dに向けて電子eが放出される。放出された電子eは、第1中間部14a〜第4中間部14dから第1電極部(アノード電極A)11a、又は第3電極部(アノード電極A)11bへと移動する。電流は、第1電極部11a及び第3電極部11bから第2電極部12aに向かって流れる。このようにして、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
放出される電子eの量は、熱エネルギーに依存する他、第1電極部11a及び第3電極部11bのそれぞれの仕事関数と、第2電極部12aの仕事関数との差に依存する。また、放出される電子eの量は、第2電極部(カソード電極K)12aの仕事関数が小さい材料ほど、多くなる傾向がある。
移動する電子eの量は、例えば、アノード電極Aとカソード電極Kとの仕事関数差を大きくすること、及び電極間ギャップGを狭くすることで、増やすことができる。したがって、例えば、熱電素子1が発生させる電気エネルギーの量は、仕事関数差を大きくすること、及び電極間ギャップGを狭くすること、の少なくともいずれか1つを考慮することで増加させることができる。
<熱電素子1の製造方法>
次に、熱電素子1の製造方法の一例を、説明する。
図4(a)〜図5(d)は、第1実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。図4(a)〜図5(d)に示す模式断面は、図1(a)に示した模式断面に対応する。
次に、熱電素子1の製造方法の一例を、説明する。
図4(a)〜図5(d)は、第1実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。図4(a)〜図5(d)に示す模式断面は、図1(a)に示した模式断面に対応する。
まず、図4(a)に示すように、第1基板21上に、第1電極部11aを形成する。第1電極部11aは、例えば、スパッタリング法又は蒸着法等を用いて、Pt等の導電物を第1基板21上に堆積することで形成される。次に、第1電極部11a上に、第1絶縁物層130aを形成する。第1絶縁物層130aは、例えば、シリコン酸化物を含む。第1絶縁物層130aは、例えば、CVD法を用いて、シリコン酸化物を第1電極部11a上に堆積することで形成される。これにより、第1絶縁物層130aは、第1電極部11aと面−面接触する。
次に、図4(b)に示すように、第1電極部11a上に、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cを形成する。第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cは、例えば、エッチング法等を用いて、第1絶縁物層130aを第1電極部11aが露出するまでエッチングすることで形成される。
次に、図4(c)に示すように、第1Y方向支持部13aと第3Y方向支持部13cとに挟まれた第1電極部11a上、及び第2Y方向支持部13bと第3Y方向支持部13cとに挟まれた第1電極部11a上に、それぞれ、第1中間部14a及び第2中間部14bを形成する。第1中間部14a及び第2中間部14bのそれぞれは、例えば、ナノ粒子が分散された溶媒142を、第1Y方向支持部13aと第3Y方向支持部13cとに挟まれて露出した第1電極部11aの露出面上、及び第2Y方向支持部13bと第3Y方向支持部13cとに挟まれて露出した第1電極部11aの露出面上のそれぞれに流し込むことで形成される。
次に、図4(d)及び図4(e)に示すように、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cのそれぞれの上に、第2電極部12aを形成する。第2電極部12aは、例えば、第2絶縁物層130b上に形成しておく。次いで、第2電極部12aを、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cのそれぞれと相対させて、第2電極部12aが形成された第2絶縁物層130bを、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cのそれぞれに接合することで形成される。第2絶縁物層130bは、例えば、シリコン酸化物を含む。例えば、第2絶縁物層130bは、板状の石英である。第2電極部12aは、例えば、スパッタリング法又は蒸着法等を用いて、W等の導電物を第2絶縁物層130b上に堆積することで形成される。
次に、図5(a)に示すように、第2電極部12a上に、第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fを形成する。第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fは、例えば、エッチング法等を用いて、第2絶縁物層130bを第2電極部12aが露出するまでエッチングすることで形成される。
次に、図5(b)に示すように、第4Y方向支持部13dと第6Y方向支持部13fとに挟まれた第2電極部12a上、及び第5Y方向支持部13eと第6Y方向支持部13fとに挟まれた第2電極部12a上に、それぞれ、第3中間部14c及び第4中間部14dを形成する。第3中間部14c及び第4中間部14dのそれぞれは、例えば、ナノ粒子が分散された溶媒142を、第4Y方向支持部13dと第6Y方向支持部13fとに挟まれて露出した第2電極部12aの露出面上、及び第5Y方向支持部13eと第6Y方向支持部13fとに挟まれて露出した第2電極部12aの露出面上のそれぞれに流し込むことで形成される。
次に、図5(c)及び図5(d)に示すように、第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fのそれぞれの上に、第3電極部11bを形成する。第3電極部11bは、例えば、第2基板22上に形成しておく。次いで、第3電極部11bを、第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fのそれぞれと相対させて、第2電極部12aが形成された第2基板22を、第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fのそれぞれに接合することで形成される。第3電極部11bは、例えば、スパッタリング法又は蒸着法等を用いて、Pt等の導電物を第2基板22上に堆積することで形成される。
第1実施形態に係る熱電素子1は、例えば、このような製造方法によって製造することができる。
(第2実施形態)
<熱電素子1b>
図6(a)は、第2実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図6(b)及び図6(c)は、第2実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図6(d)は、第2実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式平面図である。図7(a)及び図7(b)は、第2実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図6(a)に示す模式断面は、図6(d)中のVIA−VIA線に沿う。図6(b)に示す模式断面は、図6(d)中のVIB−VIB線に沿う。図6(c)に示す模式断面は、図6(a)中のVIC−VIC線に沿う。図7(a)に示す模式断面は、図6(d)中のVIIA−VIIA線に沿う。図7(b)に示す模式断面は、図6(d)中のVIIB−VIIB線に沿う。
<熱電素子1b>
図6(a)は、第2実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図6(b)及び図6(c)は、第2実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図6(d)は、第2実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式平面図である。図7(a)及び図7(b)は、第2実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図6(a)に示す模式断面は、図6(d)中のVIA−VIA線に沿う。図6(b)に示す模式断面は、図6(d)中のVIB−VIB線に沿う。図6(c)に示す模式断面は、図6(a)中のVIC−VIC線に沿う。図7(a)に示す模式断面は、図6(d)中のVIIA−VIIA線に沿う。図7(b)に示す模式断面は、図6(d)中のVIIB−VIIB線に沿う。
図6(a)〜図6(d)に示すように、第2実施形態に係る熱電素子1bが、第1実施形態に係る熱電素子1と異なるところは、第3Y方向支持部13cが、第2方向Xに沿って第3Y方向支持部13cを貫通する第1貫通部51を含み、第6Y方向支持部13fが、第2方向Xに沿って第6Y方向支持部13fを貫通する第2貫通部52を含み、第2電極部12aが、第1方向Zに沿って第2電極部12aを貫通し、第1貫通部51とオーバーラップする第1貫通孔61を含み、第3電極部11bが、第1方向Zに沿って第3電極部11bを貫通し、第2貫通部52とオーバーラップする第2貫通孔62を含み、第2基板22が、第1方向Zに沿って第2基板22を貫通し、第2貫通孔62とオーバーラップする充填孔71を含むこと、である。第2基板22上には、封止部材33が設けられている。封止部材33は、充填孔71を塞ぐ。
熱電素子1bでは、第1貫通部51、第2貫通部52、第1貫通孔61、第2貫通孔62、第2充填孔71、及び封止部材33のそれぞれは、例えば、2つずつある。図中では、第1貫通部51a、51b、第2貫通部52a、52b、第1貫通孔61a、61b、第2貫通孔62a、62b、充填孔71a、71b、封止部材33a、33bとして示されている。なお、第1貫通部51、第2貫通部52、第1貫通孔61、第2貫通孔62、充填孔71、及び封止部材33のそれぞれは、少なくとも1つあればよい。
第1中間部14a〜第4中間部14dは、少なくとも第1貫通部51a、51b、第2貫通部52a、52b、第1貫通孔61a、61bを通じて一体化されている。
充填孔71a及び71b上には、それぞれ封止部材33a及び33bが設けられている。充填孔71a及び71bは、それぞれ封止部材33a及び33bによって封止され、一体化された中間部は、熱電素子1c内に密閉される。封止部材33a及び33bのそれぞれには、例えば、絶縁性樹脂が用いることができる。絶縁性樹脂の例としては、フッ素系樹脂を挙げることができる。
第1貫通部51a、51b、第2貫通部52a、52b、第1貫通孔61a、61b、第2貫通孔62a、62b、充填孔71a、71bのそれぞれは、例えば、ナノ粒子141が分散された溶媒142を、第1電極部11aと第3電極部11bとの間に得られているギャップ部140内に充填するとき、又はナノ粒子141をギャップ部140内に充填するときに使用される。
熱電素子1bのように、例えば、ナノ粒子141が分散された溶媒142、又はナノ粒子141を、ギャップ部140内に充填するときに使用可能な、第1貫通部51a、51b、第2貫通部52a、52b、第1貫通孔61a、61b、第2貫通孔62a、62b、充填孔71a、71bが設けられていてもよい。
<熱電素子1bの製造方法>
次に、熱電素子1bの製造方法の一例を、説明する。
図8(a)〜図10(d)は、第2実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。図8(a)〜図10(d)に示す模式断面は、図6(b)に示した模式断面に対応する。
次に、熱電素子1bの製造方法の一例を、説明する。
図8(a)〜図10(d)は、第2実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。図8(a)〜図10(d)に示す模式断面は、図6(b)に示した模式断面に対応する。
まず、図8(a)及び図8(b)に示すように、例えば、図4(a)及び図4(b)を参照して説明した製造方法に従って、第1電極部11aを第1基板21上に形成し、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cを第1電極部11a上に形成する。
次に、図8(c)に示すように、第3Y方向支持部13cの一部をエッチングし、第1貫通部51a及び51bを形成する。図8(c)においては、第1貫通部51bが示されている。なお、以降の図においては、第3Y方向支持部13cは示されない。しかし、例えば、図6(a)、図6(c)及び図7(a)に示したように、第3Y方向支持部13cは、第1電極部11a上に残っている。
次に、図8(d)及び図8(e)に示すように、例えば、図4(d)及び図4(e)を参照して説明した製造方法に従って、第2電極部12aを第2絶縁物層130b上に形成し、第2電極部12aを、第1Y方向支持部13a〜第3Y方向支持部13cのそれぞれに接合する。
次に、図9(a)に示すように、図5(a)を参照して説明した製造方法に従って、第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fを第2電極部12b上に形成する。
次に、図9(b)に示すように、第6Y方向支持部13fの一部をエッチングし、第2貫通部52a及び52bを形成し、さらに、第2電極部12aの一部をエッチングし、第1貫通孔61a及び61bを形成する。図9(b)においては、第2貫通部52b及び第1貫通孔61bのそれぞれが示されている。なお、以降の図においては、第6Y方向支持部13fは示されない。しかし、例えば、図6(a)及び図7(a)に示したように、第6Y方向支持部13fは、第2電極部12a上に残っている。
次に、図9(c)及び図9(d)に示すように、例えば、図5(c)及び図5(d)を参照して説明した製造方法に従って、第3電極部11bを第2基板22上に形成し、第3電極部11bを、第4Y方向支持部13d〜第6Y方向支持部13fのそれぞれに接合する。
次に、図10(a)に示すように、第2基板22の一部をエッチングし、充填孔71a及び71bを形成し、さらに、第3電極部11bの一部をエッチングし、第2貫通孔62a及び62bを形成する。図10(a)においては、充填孔71b及び第2貫通孔62bのそれぞれが示されている。
次に、図10(b)及び図10(c)に示すように、ナノ粒子141(図示せず)が分散された溶媒142を、充填孔71b及び第2貫通孔62bを介して、ギャップ部140内に注入する。このとき、もう1つの充填孔71a(図示せず)及びもう1つの第2貫通孔62aは、例えば、ギャップ部140内のエアを抜く孔として使用される。ギャップ部140内が、溶媒142によって充填されることによって、ギャップ部140内には、第1中間部14a〜第4中間部14dが形成される。そして、第3実施形態では、第1中間部14a〜第4中間部14dは、少なくとも第1貫通部51a、51b、第2貫通部52a、52b、第1貫通孔61a、61bを通じて一体化される。図15(b)及び図15(c)においては、第1貫通部51b、第2貫通部52b、及び第1貫通孔61bのそれぞれが示されている。
次に、図10(d)に示すように、封止部材33a及び33bを、第2基板22上に形成し、充填孔71a及び71bのそれぞれを塞ぐ。図10(d)においては、充填孔71b及び封止部材33bのそれぞれが示されている。
第2実施形態に係る熱電素子1bは、例えば、このような製造方法によって製造することができる。
(第2実施形態:第1変形例)
図11は、第2実施形態の第1変形例に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。
図11に示す模式断面は、図6(b)に示した模式断面に相当する。
図11は、第2実施形態の第1変形例に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。
図11に示す模式断面は、図6(b)に示した模式断面に相当する。
図11に示すように、第1貫通部51a及び第2貫通部52のそれぞれには、例えば、第3Y方向支持部13cの一部が残っていてもよい。このように、熱電素子1cでは、第1貫通部51a及び第2貫通部52において、第3Y方向支持部13cを完全に除去する必要はない。
(第3実施形態)
図12(a)は、第3実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図12(b)は、第3実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式平面図である。図13(a)〜図13(c)は、第3実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図12(a)に示す模式断面は、図12(b)中のXIIA−XIIA線に沿う。図13(a)〜図13(c)に示す模式断面は、それぞれ図12(a)中のXIIIA−XIIIA線〜XIIIC−XIIIC線に沿う。
図12(a)は、第3実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図12(b)は、第3実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式平面図である。図13(a)〜図13(c)は、第3実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図12(a)に示す模式断面は、図12(b)中のXIIA−XIIA線に沿う。図13(a)〜図13(c)に示す模式断面は、それぞれ図12(a)中のXIIIA−XIIIA線〜XIIIC−XIIIC線に沿う。
図12(a)〜図13(c)に示すように、第3実施形態に係る熱電素子1cが、第2実施形態に係る熱電素子1bと異なるところは、第1引出内部配線75と、第2引出内部配線76とを、さらに含むことである。
第1引出内部配線75は、第1電極部11a及び第3電極部11bのそれぞれと電気的に接続されている。第1引出内部配線75は、例えば、柱状である。第1引出内部配線75は、例えば、第2基板22の上面を介して、熱電素子1dの内から外へと露出する。第1引出内部配線75は、露出した箇所において、第1配線15と電気的に接続されている。第2引出内部配線76は、第2電極部12aと電気的に接続されている。第2引出内部配線76は、例えば、柱状である。第2引出内部配線76は、例えば、第2基板22の上面を介して、熱電素子1dの内から外へと露出する。第2引出内部配線76は、露出した箇所において、第2配線16と電気的に接続されている。
第1引出内部配線75は、例えば、第2基板22、第3電極部11b、第4Y方向支持部13d、第2電極部12aと同じ導電物を含む層、及び第1Y方向支持部13aのそれぞれを貫通して、第1電極部11aと接する。第1引出内部配線75は、第2電極部12aと同じ導電物を含む層を貫通する。この層は、第2電極部12aと、第2スリット82によって電気的に絶縁されている。第2スリット82は、例えば、エアギャップである。なお、第2スリット82は、電気的絶縁物によって埋め込まれていてもよい。
第2引出内部配線76は、例えば、第2基板22、第3電極部11bと同じ導電物を含む層、第5Y方向支持部13e、第2電極部12a、及び第2Y方向支持部13bのそれぞれを貫通して、第1電極部11aと同じ導電物を含む層と接する。第2引出内部配線76は、第3電極部11bと同じ導電物を含む層を貫通する。この層は、第3電極部11bと、第3スリット83によって電気的に絶縁されている。第3スリット83は、第2スリット82と同様に、エアギャップであるか、もしくは電気的絶縁物が埋め込まれる。また、第2引出内部配線76は、第1電極部11aと同じ導電物を含む層と接する。この層は、第1電極部11aと、第1スリット81によって電気的に絶縁されている。第1スリット81は、例えば、第2Y方向支持部13bによって埋め込まれている。
熱電素子は、熱電素子1cのように、例えば、第1引出内部配線75及び第2引出内部配線76のそれぞれを、含んでいてもよい。このような熱電素子1cによれば、例えば、第1配線15と、第1電極部11a及び第3電極部11cのそれぞれとの電気的な接続、並びに第2配線16と、第2電極部12aとの電気的な接続を可能とする、1つの態様が具現化される。
なお、第3実施形態は、第2実施形態に基づいて説明したが、第3実施形態は、第1実施形態と組み合わせることも可能である。
(第4実施形態)
図14(a)は、第4実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図14(b)は、第4実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式平面図である。図15(a)〜図15(c)は、第4実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図14(a)に示す模式断面は、図14(b)中のXIVA−XIVA線に沿う。図15(a)〜図15(c)に示す模式断面は、それぞれ図14(a)中のXVA−XVA線〜XVC−XVC線に沿う。
図14(a)は、第4実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図14(b)は、第4実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式平面図である。図15(a)〜図15(c)は、第4実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図14(a)に示す模式断面は、図14(b)中のXIVA−XIVA線に沿う。図15(a)〜図15(c)に示す模式断面は、それぞれ図14(a)中のXVA−XVA線〜XVC−XVC線に沿う。
図14(a)〜図15(c)に示すように、第4実施形態に係る熱電素子1dが、第2実施形態に係る熱電素子1bと異なるところは、第1引出外部配線75bと、第2引出外部配線76bとを、さらに含むことである。また、熱電素子1dが、第3実施形態に係る熱電素子1cと異なるところは、熱電素子1cでは、第1、第2引出内部配線75及び76のそれぞれが熱電素子1cの中にあるところ、熱電素子1dでは、第1、第2引出外部配線75b及び76bのそれぞれが熱電素子1dの外にあることである。
第1引出外部配線75bは、第1電極部11a及び第3電極部11bのそれぞれと電気的に接続されている。第1引出外部配線75bは、例えば、プレート状である。第1引出外部配線75bは、例えば、熱電素子1dの1つの側面上に設けられ、熱電素子1dの外へ露出している。第1引出外部配線75bは、第1配線15と電気的に接続されている。第2引出外部配線76bは、第2電極部12aと電気的に接続されている。第2引出外部配線76bは、例えば、プレート状である。第2引出外部配線76bは、例えば、熱電素子1dの別の側面上に設けられ、熱電素子1dの外へ露出している。第2引出外部配線76bは、第2配線16と電気的に接続されている。
第1引出外部配線75bは、例えば、1つの側面において、第2基板22、第3電極部11b、第4Y方向支持部13d、第1Y方向支持部13a、及び第1電極部11aのそれぞれと接する。第2電極部12aには、例えば、1つの側面に達しないように第2切欠部分82bが設けられている。第1引出外部配線75bは、第2切欠部分82bによって第2電極部12aと電気的に絶縁されている。第2切欠部分82bは、例えば、エアギャップである。なお、第2切欠部分82bは、電気的絶縁物によって埋め込まれていてもよい。
第2引出外部配線76bは、例えば、別の側面において、第2基板22、第5Y方向支持部13e、第2電極部12a、及び第2Y方向支持部13bのそれぞれと接する。第3電極部11bには、例えば、別の側面に達しないように第3切欠部分83bが設けられている。第1電極部11aにも同様に、例えば、別の側面に達しないように第1切欠部分81bが設けられている。第2引出外部配線76bは、第1切欠部分81b及び第3切欠部分83bによって、それぞれ、第1電極部11a及び第3電極部11bと電気的に絶縁されている。第3切欠部分83bは、例えば、エアギャップであるが、電気的絶縁物によって埋め込まれていてもよい。第1切欠部分81bは、例えば、第2Y方向支持部13bによって埋め込まれている。
熱電素子は、熱電素子1dのように、例えば、第1引出外部配線75b及び第2引出外部配線76bのそれぞれを、含んでいてもよい。このような熱電素子1eによれば、例えば、第1配線15と、第1電極部11a及び第3電極部11bのそれぞれとの電気的な接続、並びに第2配線16と、第2電極部12aとの電気的な接続を可能とする、別の態様が具現化される。
なお、第4実施形態は、第2実施形態に基づいて説明したが、第4実施形態は、第1実施形態と組み合わせることも可能である。
(第5実施形態)
図16は、第5実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図16に示す模式断面は、図1(a)に示した模式断面に対応する。
図16は、第5実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図16に示す模式断面は、図1(a)に示した模式断面に対応する。
図16に示すように、第5実施形態に係る熱電素子1eが、熱電素子1と異なるところは、第7Y方向支持部13g〜第12Y方向支持部13lと、第4電極部12bと、第5電極部11cと、第5中間部14e〜第8中間部14hと、を含むことである。そして、第1配線15は、第1電極部11a、第3電極部11b、及び第5電極部11cのそれぞれと、電気的に接続されている。第2配線16は、第2電極部12a及び第4電極部12bのそれぞれと、電気的に接続されている。
第7Y方向支持部13gは、第3電極部11bと、第4電極部12bとの間に設けられている。第8Y方向支持部13hは、第3電極部11bと第4電極部12bとの間に、第7Y方向支持部13gと第2方向Xに離間して設けられている。第9Y方向支持部13iは、第3電極部11bと第4電極部12bとの間に、第7Y方向支持部13g及び第8Y方向支持部13hのそれぞれと第2方向Xに離間して設けられている。第7Y方向支持部13g〜第9Y方向支持部13hのそれぞれは、例えば、絶縁性である。第7Y方向支持部13g〜第9Y方向支持部13hのそれぞれは、第3電極部11b及び第4電極部12bのそれぞれと面−面接触する。
第10Y方向支持部13jは、第4電極部12bと、第5電極部11cとの間に設けられている。第11Y方向支持部13kは、第4電極部12bと第5電極部11cとの間に、第10Y方向支持部13jと第2方向Xに離間して設けられている。第12Y方向支持部13lは、第4電極部12bと第5電極部11cとの間に、第10Y方向支持部13j及び第11Y方向支持部13kのそれぞれと第2方向Xに離間して設けられている。第10Y方向支持部13j〜第12Y方向支持部13lのそれぞれは、例えば、絶縁性である。第10Y方向支持部13j〜第12Y方向支持部13lのそれぞれは、第4電極部12b及び第5電極部11bのそれぞれと面−面接触する。
第5中間部14eは、第2方向Xにおいて、第3電極部11bと第4電極部12bとの間に、第7Y方向支持部13gと第9Y方向支持部13iとに挟まれて設けられている。第6中間部14fは、第2方向Xにおいて、第3電極部11bと第4電極部12bとの間に、第8Y方向支持部13hと第9Y方向支持部13iとに挟まれて設けられている。第7中間部14gは、第2方向Xにおいて、第4電極部12bと第5電極部11cとの間に、第10Y方向支持部13jと第12Y方向支持部13lとに挟まれて設けられている。第8中間部14hは、第2方向Xにおいて、第4電極部12bと第5電極部11cとの間に、第11Y方向支持部13kと第12Y方向支持部13lとに挟まれて設けられている。
熱電素子は、熱電素子1eのように、4層以上の電極部、及び3層以上の中間部のそれぞれを第1方向Zにスタックさせることも可能である。このような熱電素子1fによれば、単位平面面積当たりの発電量を、さらに向上させることができる。
なお、第5実施形態は、第2実施形態〜第4実施形態のそれぞれと組み合わせることも可能である。
(第6実施形態)
図17(a)は、第6実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図17(b)は、第6実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図17(a)に示す模式断面は、図17(b)中のXVIIA−XVIIA線に沿う。図17(b)に示す模式断面は、図17(a)中のXVIIB−XVIIB線に沿う。
図17(a)は、第6実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図17(b)は、第6実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図17(a)に示す模式断面は、図17(b)中のXVIIA−XVIIA線に沿う。図17(b)に示す模式断面は、図17(a)中のXVIIB−XVIIB線に沿う。
図17(a)及び図17(b)に示すように、第6実施形態に係る熱電素子1fが、熱電素子1と異なるところは、第3Y方向支持部13c及び第6Y方向支持部13fに代えて、第13Y方向支持部13caと、第14Y方向支持部13cbと、第15Y方向支持部13faと、第16Y方向支持部13fbと、を含むことである。第13Y方向支持部13ca及び第14Y方向支持部13cbのそれぞれは、第1電極部11a及び第2電極部12aのそれぞれと面-面接触する。第15Y方向支持部13fa及び第16Y方向支持部13fbのそれぞれは、第2電極部12a及び第3電極部11baのそれぞれと面-面接触する。さらに、熱電素子1gは、第9中間部14iと、第10中間部14jと、を含む。第9中間部14iは、第2方向Xにおいて、第1電極部11aと第2電極部12aとの間に、第13Y方向支持部13caと第14Y方向支持部13cbとに挟まれて設けられている。第10中間部14jは、第2方向Xにおいて、第2電極部12aと第3電極部11bとの間に、第15Y方向支持部13faと第16Y方向支持部13fbとに挟まれて設けられている。
熱電素子1gは、第3Y方向支持部13cが、第13Y方向支持部13ca及び第14Y方向支持部13cbの2つとなり、第6Y方向支持部13fが、第15Y方向支持部13fa及び第16Y方向支持部13fbの2つとなった例である。このように、第3Y方向支持部13c及び第6Y方向支持部13fのそれぞれは、2つ以上設けることも可能である。
なお、第6実施形態は、第2実施形態〜第5実施形態のそれぞれと組み合わせることも可能である。
(第7実施形態)
<電子機器>
実施形態のそれぞれにおいて説明した熱電素子及び発電装置は、例えば電子機器に搭載することが可能である。以下、電子機器の実施形態のいくつかを説明する。
<電子機器>
実施形態のそれぞれにおいて説明した熱電素子及び発電装置は、例えば電子機器に搭載することが可能である。以下、電子機器の実施形態のいくつかを説明する。
図18(a)〜図18(d)は、熱電素子を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。図18(e)〜図18(h)は、熱電素子を含む発電装置を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。
図18(a)に示すように、電子機器(エレクトリックプロダクト)500は、電子部品(エレクトロニックコンポーネント)501と、主電源502と、補助電源503と、を備えている。電子機器500及び電子部品501のそれぞれは、電気的な機器(エレクトリカルデバイス)である。
電子部品501は、主電源502を電源に用いて駆動される。電子部品501の例としては、例えば、CPU、モーター、センサ端末、及び照明等を挙げることができる。電子部品501が、例えばCPUである場合、電子機器500には、内蔵されたマスター(CPU)によって制御可能な電子機器が含まれる。電子部品501が、例えば、モーター、センサ端末、及び照明等の少なくとも1つを含む場合、電子機器500には、外部にあるマスター、あるいは人によって制御可能な電子機器が含まれる。
主電源502は、例えば電池である。電池には、充電可能な電池も含まれる。主電源502のプラス端子(+)は、電子部品501のVcc端子(Vcc)と電気的に接続される。主電源502のマイナス端子(−)は、電子部品501のGND端子(GND)と電気的に接続される。
補助電源503は、熱電素子である。熱電素子は、実施形態のそれぞれにおいて説明した熱電素子1〜1dの少なくとも1つを含む。以下、熱電素子1〜1dを総称して、熱電素子1という。熱電素子1のアノード(例えば第1電極部11)は、電子部品501のGND端子(GND)、又は主電源502のマイナス端子(−)、又はGND端子(GND)とマイナス端子(−)とを接続する配線と、電気的に接続される。熱電素子1のカソード(例えば第2電極部12)は、電子部品501のVcc端子(Vcc)、又は主電源502のプラス端子(+)、又はVcc端子(Vcc)とプラス端子(+)とを接続する配線と、電気的に接続される。電子機器500において、補助電源503は、例えば主電源502と併用され、主電源502をアシストするための電源や、主電源502の容量が切れた場合、主電源502をバックアップするための電源として使うことができる。主電源502が充電可能な電池である場合には、補助電源503は、さらに、電池を充電するための電源としても使うことができる。
図18(b)に示すように、主電源502は、熱電素子1とされてもよい。熱電素子1のアノードは、電子部品501のGND端子(GND)と電気的に接続される。熱電素子1のカソードは、電子部品501のVcc端子(Vcc)と電気的に接続される。図18(b)に示す電子機器500は、主電源502として使用される熱電素子1と、熱電素子1を用いて駆動されることが可能な電子部品501と、を備えている。熱電素子1は、独立した電源(例えばオフグリッド電源)である。このため、電子機器500は、例えば自立型(スタンドアローン型)にできる。しかも、熱電素子1は、環境発電型(エナジーハーベスト型)である。図18(b)に示す電子機器500は、電池の交換が不要である。
図18(c)に示すように、電子部品501が熱電素子1を備えていてもよい。熱電素子1のアノードは、例えば、回路基板(図示は省略する)のGND配線と電気的に接続される。熱電素子1のカソードは、例えば、回路基板(図示は省略する)のVcc配線と電気的に接続される。この場合、熱電素子1は、電子部品501の、例えば補助電源503として使うことができる。
図18(d)に示すように、電子部品501が熱電素子1を備えている場合、熱電素子1は、電子部品501の、例えば主電源502として使うことができる。
図18(e)〜図18(h)のそれぞれに示すように、電子機器500は、発電装置100を備えていてもよい。発電装置100は、電気エネルギーの源として熱電素子1を含む。
図18(d)に示した実施形態は、電子部品501が主電源502として使用される熱電素子1を備えている。同様に、図18(h)に示した実施形態は、電子部品501が主電源として使用される発電装置100を備えている。これらの実施形態では、電子部品501が、独立した電源を持つ。このため、電子部品501を、例えば自立型とすることができる。自立型の電子部品501は、例えば、複数の電子部品を含み、かつ、少なくとも1つの電子部品が別の電子部品と離れているような電子機器に有効に用いることができる。そのような電子機器500の例は、センサである。センサは、センサ端末(スレーブ)と、センサ端末から離れたコントローラ(マスター)と、を備えている。センサ端末及びコントローラのそれぞれは、電子部品501である。センサ端末が、熱電素子1又は発電装置100を備えていれば、自立型のセンサ端末となり、有線での電力供給の必要がない。熱電素子1又は発電装置100は環境発電型であるので、電池の交換も不要である。センサ端末は、電子機器500の1つと見なすこともできる。電子機器500と見なされるセンサ端末には、センサのセンサ端末に加えて、例えば、IoTワイヤレスタグ等が、さらに含まれる。
図18(a)〜図18(h)のそれぞれに示した実施形態において共通することは、電子機器500は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子1と、熱電素子1を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品501と、を含むことである。
電子機器500は、独立した電源を備えた自律型(オートノマス型)であってもよい。自律型の電子機器の例は、例えばロボット等を挙げることができる。さらに、熱電素子1又は発電装置100を備えた電子部品501は、独立した電源を備えた自律型であってもよい。自律型の電子部品の例は、例えば可動センサ端末等を挙げることができる。
以上、この発明の実施形態のいくつかを説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、これらの実施形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。また、この発明は、上記いくつかの実施形態の他、様々な新規な形態で実施することができる。したがって、上記いくつかの実施形態のそれぞれは、この発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更が可能である。このような新規な形態や変形は、この発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明、及び特許請求の範囲に記載された発明の均等物の範囲に含まれる。
1、1b〜1g:熱電素子
11a〜11c:第1、第3、第5電極部
12a、12b:第2、第4電極部
13a〜13l:第1Y方向支持部〜第12Y方向支持部
13ca:第13Y方向支持部
13cb:第14Y方向支持部
13fa:第15Y方向支持部
13fb:第16Y方向支持部
130a、130b:第1絶縁物層、第2絶縁物層
131〜134:第1X方向支持部〜第4X方向支持部
14a〜14j:第1中間部〜第10中間部
140:ギャップ部
141:ナノ粒子
141a:絶縁膜
142:溶媒
15、16:第1配線、第2配線
20a、20b:第1梯子型枠体、第2梯子型枠体
21、22:第1基板、第2基板
33a、33b:封止部材
51a、51b:第1貫通部
52a、52b:第2貫通部
61a、61b:第1貫通孔
62a、62b:第2貫通孔
71a、71b:充填孔
75、76:第1引出内部配線、第2引出内部配線
75b、76b:第1引出外部配線、第2引出外部配線
81〜83:第1スリット〜第3スリット
81b〜83b:第1切欠部分〜第3切欠部分
100:発電装置、
101、102:第1外部端子、第2外部端子
111、112:第1外部配線、第2外部配線
500:電子機器
501:電子部品
502:主電源
503:補助電源
A:アノード電極
K:カソード電極
SC:面−面接触した箇所
G:電極間ギャップ
R:負荷
X:第2方向
Y:第3方向
Z:第1方向
Vcc:Vcc端子
GND:GND端子
+:プラス端子
−:マイナス端子
e:電子
11a〜11c:第1、第3、第5電極部
12a、12b:第2、第4電極部
13a〜13l:第1Y方向支持部〜第12Y方向支持部
13ca:第13Y方向支持部
13cb:第14Y方向支持部
13fa:第15Y方向支持部
13fb:第16Y方向支持部
130a、130b:第1絶縁物層、第2絶縁物層
131〜134:第1X方向支持部〜第4X方向支持部
14a〜14j:第1中間部〜第10中間部
140:ギャップ部
141:ナノ粒子
141a:絶縁膜
142:溶媒
15、16:第1配線、第2配線
20a、20b:第1梯子型枠体、第2梯子型枠体
21、22:第1基板、第2基板
33a、33b:封止部材
51a、51b:第1貫通部
52a、52b:第2貫通部
61a、61b:第1貫通孔
62a、62b:第2貫通孔
71a、71b:充填孔
75、76:第1引出内部配線、第2引出内部配線
75b、76b:第1引出外部配線、第2引出外部配線
81〜83:第1スリット〜第3スリット
81b〜83b:第1切欠部分〜第3切欠部分
100:発電装置、
101、102:第1外部端子、第2外部端子
111、112:第1外部配線、第2外部配線
500:電子機器
501:電子部品
502:主電源
503:補助電源
A:アノード電極
K:カソード電極
SC:面−面接触した箇所
G:電極間ギャップ
R:負荷
X:第2方向
Y:第3方向
Z:第1方向
Vcc:Vcc端子
GND:GND端子
+:プラス端子
−:マイナス端子
e:電子
Claims (12)
- 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、
第1電極部と、
前記第1電極部と第1方向に離間して対向し、前記第1電極部とは異なった仕事関数を有する第2電極部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1Y方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第1方向と交差する第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2Y方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部及び前記第2Y方向支持部のそれぞれと前記第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する少なくとも1つの第3Y方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの一端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1X方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2X方向支持部と前記第1方向及び前記第2方向のそれぞれと交差する第3方向に離間して設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの他端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2X方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第1中間部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第2中間部と、
を備えること
を特徴とする熱電素子。 - 前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれは、同じ絶縁性材料を含み、
前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれは、第1梯子型枠体を構成していること
を特徴とする請求項1に記載の熱電素子。 - 前記第3Y方向支持部は、前記第2方向に沿って前記第3Y方向支持部を貫通する貫通部を含み、
前記第2電極部は、前記第1方向に沿って前記第2電極部を貫通し、前記貫通部とオーバーラップする貫通孔を含み、
前記第1中間部と前記第2中間部とは、少なくとも前記貫通部を通じて一体化されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電素子。 - 前記第2電極部と第1方向に離間して対向し、前記第2電極部とは異なった仕事関数を有し、前記第1電極部と電気的に接続された第3電極部と、
前記第2電極部と前記第3電極部との間に設けられた、前記第2電極部及び前記第3電極部のそれぞれと面−面接触する第4Y方向支持部と、
前記第2電極部と前記第3電極部との間に、前記第4Y方向支持部と前記第2方向に離間して設けられた、前記第2電極部及び前記第3電極部のそれぞれと面−面接触する第5Y方向支持部と、
前記第2電極部と前記第3電極部との間に、前記第4Y方向支持部及び前記第5Y方向支持部のそれぞれと前記第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第6Y方向支持部と、
前記第2電極部と前記第3電極部との間に設けられ、前記第2方向に延びて前記第4Y方向支持部、前記第5Y方向支持部、及び前記第6Y方向支持部のそれぞれの一端と接し、前記第2電極部及び前記第3電極部のそれぞれと面−面接触する第3X方向支持部と、
前記第2電極部と前記第3電極部との間に、前記第3X方向支持部と前記第1方向及び前記第2方向のそれぞれと交差する第3方向に離間して設けられ、前記第2方向に延びて前記第4Y方向支持部、前記第5Y方向支持部、及び前記第6Y方向支持部のそれぞれの他端と接し、前記第2電極部及び前記第3電極部のそれぞれと面−面接触する第4X方向支持部と、
前記第2電極部と前記第3電極部との間に、前記第4Y方向支持部と前記第6Y方向支持部、並びに前記第3X方向支持部と前記第4X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第2電極部の仕事関数と前記第3電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第3中間部と、
前記第2電極部と前記第3電極部との間に、前記第5Y方向支持部と前記第6Y方向支持部、並びに前記第3X方向支持部と前記第4X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第2電極部の仕事関数と前記第3電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第4中間部と、
を、さらに備えること
を特徴とする請求項1又は2に記載の熱電素子。 - 前記第1電極部及び前記第3電極部のそれぞれと電気的に接続された、第1配線と、
前記第2電極部と電気的に接続された第2配線と、
を、さらに備え、
前記第2電極部は、前記第1電極部及び前記第3電極部のそれぞれで、共通した1つの電極であること
を特徴とする請求項4に記載の熱電素子。 - 前記第1電極部と前記第3電極部とは、前記第2電極部を対称中心として線対称に位置すること
を特徴とする請求項4又は5に記載の熱電素子。 - 前記第4Y方向支持部、前記第5Y方向支持部、前記第6Y方向支持部、前記第3X方向支持部、及び前記第4X方向支持部のそれぞれは、同じ絶縁性材料を含み、
前記第4Y方向支持部、前記第5Y方向支持部、前記第6Y方向支持部、前記第3X方向支持部、及び前記第4X方向支持部のそれぞれは、第2梯子型枠体を構成していること
を特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の熱電素子。 - 前記第3Y方向支持部は、前記第2方向に沿って前記第3Y方向支持部を貫通する第1貫通部を含み、
前記第6Y方向支持部は、前記第2方向に沿って前記第6Y方向支持部を貫通する第2貫通部を含み、
前記第2電極部は、前記第1方向に沿って前記第2電極部を貫通し、前記第1貫通部とオーバーラップする第1貫通孔を含み、
前記第3電極部は、前記第1方向に沿って前記第3電極部を貫通し、前記第2貫通部とオーバーラップする第2貫通孔を含み、
前記第1中間部、前記第2中間部、前記第3中間部、及び前記第4中間部は、少なくとも前記第1貫通部、前記第2貫通部、及び前記第1貫通孔を通じて一体化されていることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の熱電素子。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を備えた発電装置であって、
前記熱電素子は、
第1電極部と、
前記第1電極部と第1方向に離間して対向し、前記第1電極部とは異なった仕事関数を有する第2電極部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1Y方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第1方向と交差する第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2Y方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部及び前記第2Y方向支持部のそれぞれと前記第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する少なくとも1つの第3Y方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの一端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1X方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2X方向支持部と前記第1方向及び前記第2方向のそれぞれと交差する第3方向に離間して設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの他端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2X方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第1中間部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第2中間部と、を備えること
を特徴とする発電装置。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、前記熱電素子を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、
前記熱電素子は、
第1電極部と、
前記第1電極部と第1方向に離間して対向し、前記第1電極部とは異なった仕事関数を有する第2電極部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1Y方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第1方向と交差する第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2Y方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部及び前記第2Y方向支持部のそれぞれと前記第2方向に離間して設けられた、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する少なくとも1つの第3Y方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの一端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第1X方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2X方向支持部と前記第1方向及び前記第2方向のそれぞれと交差する第3方向に離間して設けられ、前記第2方向に延びて前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの他端と接し、前記第1電極部及び前記第2電極部のそれぞれと面−面接触する第2X方向支持部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第1Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第1中間部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に、前記第2Y方向支持部と前記第3Y方向支持部、並びに前記第1X方向支持部と前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれて設けられ、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第2中間部と、
を備えること
を特徴とする電子機器。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、
第1電極部上に、前記第1電極部と面−面接触する第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜をエッチングし、
第1Y方向支持部と、
前記第1Y方向支持部と離間した第2Y方向支持部と、
前記第1Y方向支持部と前記第2Y方向支持部との間に、前記第1Y方向支持部及び前記第2Y方向支持部のそれぞれと離間した少なくとも1つの第3Y方向支持部と、
前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの一端と接した第1X方向支持部と、
前記第1X方向支持部と離間し、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの他端と接した第2X方向支持部と、
を形成する工程と、
前記第1電極部上に、
前記第1Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた第1中間部と、
前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた第2中間部と、
を形成する工程と、
前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれの上に、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれと面−面接触する第2電極部を形成する工程と、
を備え、
前記第1中間部及び前記第2中間部のそれぞれは、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含むこと
を特徴とする熱電素子の製造方法。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、
第1電極部上に、前記第1電極部と面−面接触する第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜をエッチングし、
第1Y方向支持部と、
前記第1Y方向支持部と離間した第2Y方向支持部と、
前記第1Y方向支持部と前記第2Y方向支持部との間に、前記第1Y方向支持部及び前記第2Y方向支持部のそれぞれと離間した少なくとも1つの第3Y方向支持部と、
前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの一端と接した第1X方向支持部と、
前記第1X方向支持部と離間し、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、及び前記第3Y方向支持部のそれぞれの他端と接した第2X方向支持部と、
を形成する工程と、
前記第3Y方向支持部に、前記第3Y方向支持部を、前記第1Y方向支持部から前記第2Y方向支持部へ向かう方向に貫通する貫通部を形成する工程と、
前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれの上に、前記第1Y方向支持部、前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれと面−面接触する第2電極部を形成する工程と、
前記第2電極部に、前記第2電極部を、前記第2電極部から前記第3Y方向支持部へ向かう方向に貫通し、前記貫通部とオーバーラップする貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔からナノ粒子を含む溶媒を、
前記第1Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた領域、並びに前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた領域のそれぞれに導入し、
前記第1Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第1中間部と、
前記第2Y方向支持部、前記第3Y方向支持部、前記第1X方向支持部、及び前記第2X方向支持部のそれぞれに挟まれた、前記第1電極部の仕事関数と前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む第2中間部と、
を形成する工程と、
を備えること
を特徴とする熱電素子の製造方法。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2018195325A JP2020064946A (ja) | 2018-10-16 | 2018-10-16 | 熱電素子、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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- 2018-10-16 JP JP2018195325A patent/JP2020064946A/ja active Pending
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