JP2021132085A

JP2021132085A - 熱流スイッチング素子

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Publication number: JP2021132085A
Application number: JP2020025894A
Authority: JP
Inventors: 利晃藤田; Toshiaki Fujita; 皓也新井; Koya Arai
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2021-09-09
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: JP7421164B2

Abstract

【課題】熱伝導率の変化がより大きく、優れた熱応答性を有すると共に任意の曲面にも設置可能な熱流スイッチング素子を提供すること。【解決手段】可撓性を有する絶縁性フィルム２と、Ｎ型半導体層３と、絶縁体層４と、Ｐ型半導体層５とを備え、絶縁性フィルム上でＮ型半導体層とＰ型半導体層とが絶縁体層に接触状態で絶縁体層を挟んで近接配置されている。特に、帯状の絶縁性フィルムが、両端部が接続されて円筒状とされ、円柱状等の取付対象物に巻回されている。また、帯状の絶縁性フィルムを、渦巻き状に巻回して円柱状としても良い。【選択図】図１

Description

本発明は、バイアス電圧で熱伝導を能動的に制御可能な熱流スイッチング素子に関する。

従来、熱伝導率を変化させる熱スイッチとして、例えば特許文献１には、熱膨張率の異なる２つの熱伝導体を軽く接触させて温度勾配の方向によって熱の流れ方が異なるサーマルダイオードが記載されている。また、特許文献２にも、熱膨張による物理的熱接触を使った熱スイッチである放熱装置が記載されている。

また、特許文献３には、化合物に電圧を印加させることで起こる可逆的な酸化還元反応により熱伝導率が変化する熱伝導可変デバイスが記載されている。
さらに、非特許文献１には、ポリイミドテープを２枚のＡｇ_２Ｓ_０．６Ｓｅ_０．４で挟み込んで電場を印加することで熱伝導度を変化させる熱流スイッチング素子が提案されている。

特許第２７８１８９２号公報特許第５４０２３４６号公報特開２０１６−２１６６８８号公報

松永卓也、他４名、「バイアス電圧で動作する熱流スイッチング素子の作製」、第１５回日本熱電学会学術講演会、２０１８年９月１３日

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１及び２に記載の技術では、熱膨張による物理的熱接触を使うため、再現性が得られず、特に微小変化であるためサイズ設計が困難であると共に、機械接触圧による塑性変形を回避することができない。また、材料間の対流熱伝達の影響が大き過ぎる問題があった。
また、特許文献３に記載の技術では、化学反応である酸化還元反応を用いており、熱応答性に劣り、熱伝導が安定しないという不都合があった。
これらに対して非特許文献１に記載の技術では、電圧を印加することで、材料界面に熱伝導可能な電荷を生成し、その電荷によって熱を運ぶことができるため、熱伝導が変化した状態に直ちに移行でき、比較的良好な熱応答性を得ることができる。しかしながら、生成される電荷の量が少ないため、より生成される電荷の量を増大させ、熱伝導率の変化がさらに大きい熱流スイッチング素子が望まれている。
さらに、従来の素子では、任意の曲面に設置して曲面の広い範囲で熱伝導率を変化させることが困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱伝導率の変化がより大きく、優れた熱応答性を有すると共に任意の曲面にも設置可能な熱流スイッチング素子を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る熱流スイッチング素子は、可撓性を有する絶縁性フィルムと、Ｎ型半導体層と、絶縁体層と、Ｐ型半導体層とを備え、前記絶縁性フィルム上に前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層のうち一方の半導体層が積層され、前記一方の半導体層上に前記絶縁体層が積層され、前記絶縁体層上に前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層のうち他方の半導体層が積層されていることを特徴とする。

すなわち、この熱流スイッチング素子では、絶縁性フィルム上にＮ型半導体層及びＰ型半導体層のうち一方の半導体層が積層され、一方の半導体層上に絶縁体層が積層され、絶縁体層上にＮ型半導体層及びＰ型半導体層のうち他方の半導体層が積層されているので、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とに電圧を印加すると、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層と絶縁体層との主に界面に電荷が誘起され、この電荷が熱を運ぶことで熱伝導率が変化する。特に、Ｎ型半導体層と絶縁体層との界面及びその近傍と、Ｐ型半導体層と絶縁体層との界面及びその近傍との両方で電荷が生成されるため、生成される電荷量が多く、熱伝導率の大きな変化と高い熱応答性とを得ることができる。また、外部電圧の大きさに乗じて、界面に誘起される電荷量が変化するので、外部電圧を調整することで、熱伝導率を調整することが可能となるので、本素子を介して、熱流を能動的に制御可能となる。
また、Ｎ型半導体層と絶縁体層とＰ型半導体層とが積層されているので、絶縁体層との界面を広く設定できると共に、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との距離が絶縁体層の厚さで決まり、ＰＮ間距離を小さく設計し易くなる。
なお、絶縁体層が絶縁体であるため、電圧印加に伴う電流が発生しないため、ジュール熱は生じない。そのため、自己発熱することなく、熱流を能動的に制御可能となる。
また、可撓性を有する柔軟な絶縁性フィルム上でＮ型半導体層とＰ型半導体層とが絶縁体層を挟んでいるので、フレキシブルに曲げることができ、曲面上に曲面に沿って貼り付けることで、任意の曲面に設置しても広い曲面の範囲で熱伝導率を変化させることができる。

第２の発明に係る熱流スイッチング素子は、第１の発明において、前記絶縁体層が、絶縁性フィルムであることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との間の絶縁体層も柔軟な絶縁性フィルムであるので、よりフレキシブルに曲げることが可能になる。

第３の発明に係る熱流スイッチング素子は、第１又は第２の発明において、前記絶縁性フィルムが、樹脂で形成されていることを特徴とする。

第４の発明に係る熱流スイッチング素子は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、帯状の前記絶縁性フィルムが、湾曲されて筒状とされていることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、帯状の絶縁性フィルムが、湾曲されて筒状とされているので、円筒状又は円柱状等の取付対象物の外周面を覆うようにして設置することで、熱媒体が流れている配管等から放出される放熱量の調整を行うことが可能となる。また、この熱流スイッチング素子を円筒状容器の外周面を覆うように取り付けることで、円筒状容器を温度調整可能な蓄熱容器とすることも可能になる。

第４の発明に係る熱流スイッチング素子は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、帯状の前記絶縁性フィルムが、渦巻き状に巻回されて柱状とされていることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、帯状の絶縁性フィルムが、渦巻き状に巻回されて柱状とされているので、円筒状の取付対象物の内部に挿入することで、取付対象物の内周面の周方向全体に熱接触して取付対象物の放熱量を内部から調整することが容易になる。
また、製造時にＮ型半導体層とＰ型半導体層とを複数回積層することなく、積層体と同等の特性を有する熱流スイッチング素子を製造することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る熱流スイッチング素子によれば、絶縁性フィルム上にＮ型半導体層及びＰ型半導体層のうち一方の半導体層が積層され、一方の半導体層上に絶縁体層が積層され、絶縁体層上にＮ型半導体層及びＰ型半導体層のうち他方の半導体層が積層されているので、Ｎ型半導体層と絶縁体層との界面及びその近傍と、Ｐ型半導体層と絶縁体層との界面及びその近傍で、外部電圧印加により電荷が生成されるため、生成される電荷量が多く、熱伝導率の大きな変化と高い熱応答性とを得ることができる。
また、可撓性を有する柔軟な絶縁性フィルム上でＮ型半導体層とＰ型半導体層とが絶縁体層を挟んでいるので、フレキシブルに曲げることができ、曲面上に曲面に沿って貼り付けることで、任意の曲面に設置しても広い曲面の範囲で熱伝導率を変化させることができる。曲面を有する熱源や冷却源と熱接触させる面積が広いので、非常に高い熱応答性を有する熱流スイッチングが可能となる。

本発明に係る熱流スイッチング素子の第１実施形態において、円筒状の取付対象物に熱流スイッチング素子を取り付けた状態を示す斜視図である。第１実施形態において、熱流スイッチング素子を示す斜視図である。第１実施形態において、原理を説明するための概念図である。本発明に係る熱流スイッチング素子の第２実施形態を示す平面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。第２実施形態において、円筒状の取付対象物に熱流スイッチング素子を取り付けた状態を示す斜視図である。第２実施形態において、熱流スイッチング素子を示す分解斜視図である。

以下、本発明に係る熱流スイッチング素子における第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。特に、図２及び図６では、各層を実際よりも大幅に厚く図示している。

本実施形態の熱流スイッチング素子１は、図１から図３に示すように、可撓性を有する絶縁性フィルム２と、Ｎ型半導体層３と、絶縁体層４と、Ｐ型半導体層５とを備えている。
基材である上記絶縁性フィルム２上には、Ｎ型半導体層３及びＰ型半導体層５のうち一方の半導体層が積層され、一方の半導体層上に絶縁体層４が積層され、絶縁体層４上にＮ型半導体層３及びＰ型半導体層５のうち他方の半導体層が積層されている。

また、本実施形態の熱流スイッチング素子１は、図２に示すように、Ｎ型半導体層３に接続されたＮ側電極６と、Ｐ型半導体層５に接続されたＰ側電極７とを絶縁性フィルム２上に備えている。
すなわち、本実施形態では、絶縁性フィルム２上にＮ側電極６、Ｎ型半導体層３、絶縁体層４、Ｐ型半導体層５及びＰ側電極７がこの順で積層されている。
なお、絶縁性フィルム２上に、上記と逆の順序で積層しても構わない。

上記Ｎ側電極６及びＰ側電極７には、外部電源Ｖが接続され、電圧が印加される。なお、図２における矢印は、電圧（電場）の印加方向を示している。
なお、Ｎ型半導体層３及びＰ型半導体層５に直接電圧を印加可能な場合は、Ｎ側電極６及びＰ側電極７が不要である。すなわち、Ｎ型半導体層３及びＰ型半導体層５に直接ワイヤーボンディングしたり、リード線を接続しても構わない。

本実施形態では、帯状の絶縁性フィルム２が湾曲されて筒状とされている。本実施形態では、帯状の絶縁体フィルム２が、その両端部が接続されて円筒状とされている。そして、本実施形態の熱流スイッチング素子１は、図１に示すように、例えば円筒状の取付対象物Ｍの外周面に巻回状態で取り付けられる。
なお、上記円筒状の取付対象物Ｍは、例えば熱媒体が流れる配管等である。

Ｎ型半導体層３及びＰ型半導体層５は、厚さ１μｍ未満の薄膜で形成されている。特に、絶縁体層４との界面及びその近傍に生成される電荷ｅは、５〜１０ｎｍの厚さ範囲で主に溜まるため、Ｎ型半導体層３及びＰ型半導体層５は、１００ｎｍ以下の膜厚で形成されることがより好ましい。なお、Ｎ型半導体層３及びＰ型半導体層５は、５ｎｍ以上の膜厚が好ましい。
なお、図１中の、Ｎ型半導体層３と絶縁体層４との界面及びその近傍に生成される電荷ｅの種類は、電子であり、白丸で表記されている。また、Ｐ型半導体層５と絶縁体層４との界面及びその近傍に生成される電荷ｅの種類は、正孔であり、黒丸で表記されている。（正孔は、半導体の価電子帯の電子の不足によってできた孔であり、相対的に正の電荷を持っているように見える。）
また、絶縁体層４は、４０ｎｍ以上の膜厚が好ましく、絶縁破壊が生じない厚さに設定される。なお、絶縁体層４は、厚すぎると電荷ｅを運び難くなるため、１μｍ未満の膜厚とすることが好ましい。

Ｎ型半導体層３及びＰ型半導体層５は、低い格子熱伝導を持つ縮退半導体材料が好ましく、例えばＳｉＧｅ等の熱電材料、ＣｒＮ等の窒化物半導体、ＶＯ_２等の酸化物半導体などが採用可能である。なお、Ｎ型，Ｐ型の導電性は、半導体材料にＮ型，Ｐ型のドーパントを添加すること等で設定している。

絶縁体層４は、熱伝導率が小さい絶縁性材料であることが好ましく、ＳｉＯ_２等の絶縁体、ＨｆＯ_２，ＢｉＦｅＯ_３等の誘電体、有機材料などが採用可能である。特に、誘電率の高い誘電体材料が好ましい。
上記絶縁性フィルム２も熱伝導率が小さい絶縁性材料が好ましい。上記絶縁性フィルム２は、樹脂で形成され、樹脂としては例えばポリイミド樹脂シート等が採用可能である。絶縁性フィルム２としては、他にＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート，ＰＥＮ：ポリエチレンナフタレート，ＬＣＰ：液晶ポリマー等も採用可能である。
上記Ｎ側電極６及びＰ側電極７は、例えばＭｏ，Ａｌ等の金属で形成される。

本実施形態の熱流スイッチング素子１は、図３に示すように、電場（電圧）印加により、Ｎ型半導体層３と絶縁体層４との界面及びその近傍に熱伝導可能な電荷ｅを生成することで、生成した電荷ｅが熱を運んで熱伝導率が変化する。
なお、熱伝導率は以下の式で得られる。
熱伝導率＝格子熱伝導率＋電子熱伝導率
この２種類の熱伝導率のうち、電場（電圧）印加により生成した電荷量に応じて変化するのは、電子熱伝導率である。したがって、本実施形態において、より大きな熱伝導率変化を得るには、格子熱伝導率が小さい材料が適している。したがって、Ｎ型半導体層３，絶縁体層４及びＰ型半導体層５のいずれにおいても、格子熱伝導率が小さい、すなわち、熱伝導率が小さい材料が選択される。

本実施形態の各層を構成する材料の熱伝導率は、５Ｗ／ｍＫ以下、より好ましくは１Ｗ／ｍＫ以下の低いものであることが良く、上述した材料が採用可能である。
また、上記電子熱伝導率は、印加する外部電場（電圧）に応じて生成される電荷ｅの量に応じて増大する。
なお、Ｎ型半導体層３及びＰ型半導体層５と絶縁体層４との界面で電荷ｅが生成されることから、界面の総面積を増やすことで、生成する電荷ｅの量も増やすことができる。

上記熱伝導率の測定方法は、例えば基板上に形成された薄膜試料をパルスレーザーで瞬間的に加熱し、薄膜内部への熱拡散による表面温度の低下速度あるいは表面温度の上昇速度を測定することにより、薄膜の膜圧方向の熱拡散率又は熱浸透率を求める方法であるパルス光加熱サーモリフレクタンス法により行う。なお、上記パルス光加熱サーモリフレクタンス法のうち、熱拡散を直接測定する方法（裏面加熱／表面測温（ＲＦ）方式）では、パルスレーザーが透過可能な透明基板を用いる必要があるため、透明基板でない場合は、熱浸透率を測定し、熱伝導率に換算する方式である表面加熱／測温（ＦＦ）方式で熱伝導率を測定する。なお、この測定には、金属膜が必要であり、Ｍｏ，Ａｌ等が採用される。

このように本実施形態の熱流スイッチング素子１では、絶縁性フィルム２上にＮ型半導体層３及びＰ型半導体層５のうち一方の半導体層が積層され、一方の半導体層上に絶縁体層４が積層され、絶縁体層４上にＮ型半導体層３及びＰ型半導体層５のうち他方の半導体層が積層されているので、Ｐ型半導体層５とＮ型半導体層３とに電圧を印加すると、Ｐ型半導体層５及びＮ型半導体層３と絶縁体層４との主に界面に電荷ｅが誘起され、この電荷ｅが熱を運ぶことで熱伝導率が変化する。

特に、Ｎ型半導体層３と絶縁体層４との界面及びその近傍と、Ｐ型半導体層５と絶縁体層４との界面及びその近傍との両方で電荷ｅが生成されるため、生成される電荷量が多く、熱伝導率の大きな変化と高い熱応答性とを得ることができる。また、化学反応機構を用いない、物理的に熱伝導率を変化させる機構であるので、熱伝導が変化した状態に直ちに移行でき、良好な熱応答性を得ることができる。

また、絶縁性フィルム２上にＮ型半導体層３及びＰ型半導体層５のうち一方の半導体層が積層され、一方の半導体層上に絶縁体層４が積層され、絶縁体層４上にＮ型半導体層３及びＰ型半導体層５のうち他方の半導体層が積層されているので、絶縁体層４との界面を広く設定できると共に、Ｎ型半導体層３とＰ型半導体層５との距離が絶縁体層４の厚さで決まり、ＰＮ間距離を小さく設計し易くなる。また、外部電圧の大きさに乗じて、界面に誘起される電荷量が変化するので、外部電圧を調整することで、熱伝導率を調整することが可能となり、本素子を介して、熱流を能動的に制御可能となる。
なお、絶縁体層４が絶縁体であるため、電圧印加に伴う電流が発生しないため、ジュール熱は生じない。そのため、自己発熱することなく、熱流を能動的に制御可能となる。

また、可撓性を有する柔軟な絶縁性フィルム２上でＮ型半導体層３とＰ型半導体層５とが絶縁体層４を挟んでいるので、フレキシブルに曲げることができ、曲面上に曲面に沿って貼り付けることで、任意の曲面に設置しても広い曲面の範囲で熱伝導率を変化させることができる。曲面を有する熱源や冷却源と熱接触させる面積が広いので、非常に高い熱応答性を有する熱流スイッチングが可能となる。

特に、帯状の絶縁性フィルム２が、湾曲されて筒状とされているので、円筒状又は円柱状等の取付対象物Ｍの外周面を覆うようにして設置することで、熱媒体が流れている配管等から放出される放熱量の調整を行うことが可能となる。また、この熱流スイッチング素子１を円筒状容器の外周面を覆うように取り付けることで、円筒状容器を温度調整可能な蓄熱容器とすることも可能になる。
なお、帯状の絶縁性フィルム２を円筒状又は円柱状等の取付対象物Ｍの周囲に設置しているが、絶縁性フィルム２を複数回巻回してもよく、取付対象物Ｍに螺旋状に巻きつけてもよい。
また、取付対象物Ｍは円筒状又は円柱状円筒状ではなくてもよく、断面が略多角形の柱状や楕円状でもよい。

次に、本発明に係る熱流スイッチング素子の第２実施形態について、図４から図６を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、帯状の絶縁性フィルム２が、湾曲されて筒状とされ、熱流スイッチング素子１を円筒状の取付対象物Ｍの外周面に巻回させて取り付けているのに対し、第２実施形態の熱流スイッチング素子２１では、図４及び図５に示すように、Ｎ型半導体層２３，絶縁体層及びＰ型半導体層２５が積層された帯状の絶縁性フィルム２２が、渦巻き状に巻回されて柱状とされ、円筒状の取付対象物Ｍの内周面に密着させて内部に挿入させている点である。

すなわち、第２実施形態では、帯状の絶縁性フィルム２２を渦巻き状に巻回させて円柱状にすることで、図４の（ａ）（ｂ）に示すように、絶縁性フィルム２２上のＮ型半導体層２３とＰ型半導体層２５とが、絶縁層を挟みながら渦巻き状に巻回される。
また、第１実施形態では、Ｎ型半導体層３とＰ型半導体層５との間にＳｉＯ_２等の絶縁体層４が介在しているのに対し、第２実施形態では、絶縁体層がポリイミド樹脂シート等の樹脂製の絶縁性フィルム２２である点で異なっている。

すなわち、第２実施形態の熱流スイッチング素子２１は、図６に示すように、絶縁性フィルム２２上にＮ型半導体層２３とＮ型半導体層２３の端部上にパターン形成したＮ側電極２６とを成膜したＮ側フィルム２２Ｎと、絶縁性フィルム２２上にＰ型半導体層２５とＰ型半導体層２５の端部上にパターン形成したＰ側電極２７とを成膜したＰ側フィルム２２Ｐとを、Ｎ型半導体層２３とＰ型半導体層２５とが絶縁性フィルム２２を挟んだ状態で互いに重ね合わせ、巻回して円柱状にすることで構成されている。

このように第２実施形態の熱流スイッチング素子２１では、帯状の絶縁性フィルム２２が、渦巻き状に巻回されて柱状とされているので、図５に示すように、筒状の取付対象物Ｍの内部に挿入することで、取付対象物Ｍの内周面の周方向全体に熱接触して取付対象物Ｍの放熱量を内部から調整することが容易になる。
また、Ｎ型半導体層２３とＰ型半導体層２５との間の絶縁体層も柔軟な絶縁性フィルム２２であるので、よりフレキシブルに曲げることが可能になる。
なお、第２実施形態では、Ｎ側フィルム２２ＮとＰ側フィルム２２Ｐとの２枚の絶縁性フィルムを用いて筒状の熱流スイッチング素子としたが、第１実施形態のように１枚の帯状の絶縁性フィルム２にＮ型半導体層３と絶縁層４とＰ型半導体層５とを積層したものを渦巻き状に巻回することで、筒状の熱流スイッチング素子としてもかまわない。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１，２１…熱流スイッチング素子、２，２２…絶縁性フィルム、３，２３…Ｎ型半導体層、４…絶縁体層、５，２５…Ｐ型半導体層、６，２６…Ｎ側電極、７，２７…Ｐ側電極

Claims

可撓性を有する絶縁性フィルムと、
Ｎ型半導体層と、
絶縁体層と、
Ｐ型半導体層とを備え、
前記絶縁性フィルム上に前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層のうち一方の半導体層が積層され、前記一方の半導体層上に前記絶縁体層が積層され、前記絶縁体層上に前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層のうち他方の半導体層が積層されていることを特徴とする熱流スイッチング素子。
請求項１に記載の熱流スイッチング素子において、
前記絶縁体層が、絶縁性フィルムであることを特徴とする熱流スイッチング素子。
請求項１又は２に記載の熱流スイッチング素子において、
前記絶縁性フィルムが、樹脂で形成されていることを特徴とする熱流スイッチング素子。
請求項１から３のいずれか一項に記載の熱流スイッチング素子において、
帯状の前記絶縁性フィルムが、湾曲されて筒状とされていることを特徴とする熱流スイッチング素子。
請求項１から３のいずれか一項に記載の熱流スイッチング素子において、
帯状の前記絶縁性フィルムが、渦巻き状に巻回されて柱状とされていることを特徴とする熱流スイッチング素子。