JP5573565B2 - 熱電変換デバイスとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換デバイスとその製造方法に関する。

一般的な熱電変換デバイスの構造例を図８に示す。この構造は現在までに熱電変換デバイスとして市販されている形態であり、π型構造と呼ばれている。これは、Ｐ型熱電素子１０２とＮ型熱電素子１０１のバルク半導体による熱電変換材料を電極材料（上部電極１０３ａ、下部電極１０３ｂ）で電気的に接続し、片端（下面）を高温、他端（上面）を低温にすることによって、熱電変換材料内部に温度分布を設け、温度分布に応じた起電力１０４を得ることで発電させるものである。

しかし、上述した熱電変換デバイスは、バルク体を使用するため、デバイス自体の厚みが厚く可撓性も低いことから、設置場所に制限が多くなる。

これに対し、熱電変換材料に粉末を用い、樹脂中に混合し、材料そのものに可撓性を持たせることでデバイスに形状、設置に制限の少ない熱電発電デバイスが提案されている。さらに、発熱面以外からの放熱能力を増す目的で基板上に貫通孔を開け、内部に水分を通すことによって冷却したい場所へ水分を移動し、蒸発による気化熱を使用して冷却する機構を適用している。

また、可撓性を持たせる構造として、樹脂フィルムを使用し、フィルム自体に高熱伝導率層と低熱伝導率層を設けることによってフィルムに温度分布を設け、フィルム基板上に位置する薄膜熱電変換材料に温度差を作る機構が提案されている。

特開平０７−１１１３４５号公報 特開２００６−１８６２５５号公報

特許文献１では、水分蒸発を利用し温度差を維持する機構の熱電変換デバイスは、温度差を一部分の蒸発での気化熱だけで維持させるため、人体等のように発熱面と水分補給面が同一面に存在する場所には、発電効率が低く適さない。また、熱電変換素子上の電極部分で蒸発する機構のために電極に水分が含まれ、化学的な腐食が懸念される。

特許文献２では、水分蒸発等を含まない構造のため、発熱面のみが存在する設置個所ではデバイス全体の温度がほぼ一定になってしまい、熱電変換材料の温度差を維持することが難しいという問題を抱える。

そこで、本発明では、発熱面の熱と水分を利用して温度差が維持できるように、冷却構造を一体化することで高い発電効率が可能な可撓性を有する熱電変換デバイスを提供する。

本発明の一つの態様によれば、フィルム基板と、前記フィルム基板上に形成された、交互に配列させた複数のＰ型及びＮ型の熱電変換素子と該複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続する電極とを有する電気回路と、前記電気回路を保護するための絶縁フィルムと、前記熱電変換素子の両端部近傍において垂直に設けられ、前記フィルム基板側の発熱面から受熱する第１の熱伝導体及び前記絶縁フィルム側に放熱する第２の熱伝導体と、前記電気回路の配線のない箇所で、前記フィルム基板から絶縁フィルムに至るまで貫通させ、前記発熱面と同一面から発生する水分を通過させる水分通過孔と、前記絶縁フィルム上に設けられ、前記水分通過孔を介して水分を蒸発する水分吸収層と、を有することを特徴とする熱電変換デバイスに関する。

本発明によれば、熱電変換素子の内部電気回路と水分移動部とを独立させた水分吸収層と熱電変換素子の両端部近傍に設けた受熱用及び放熱用の熱伝導体を有する構成とすることによって、全体の可撓性を維持し、かつ発電効率の高い薄膜の熱電変換デバイスが提供できる。

本発明の実施の形態になる熱電変換素子の一基本構造（可撓性フィルム上に形成させた熱電変換素子の例）を示す図である。 本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスの構造例（変換素子上面にフィルムと水分吸収層を有する構成）を示す図である。 本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスの製造プロセスを示す図である。 本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスの製造プロセス（続き）を示す図である。 本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスの変形例を示す図である。 本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスのシミュレーション例を示す図である。 本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスのシミュレーション結果を示す図である。 一般的なπ型熱電変換デバイスの構造例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の熱電変換素子の基本構造を示す。本発明は、冷却構造を一体化することで発熱面の熱と水分を利用して温度差を維持し、高い発電効率と可撓性を有する熱電変換デバイスを提供する。図１では、可撓性フィルム基板上に薄膜の熱電変換素子及び電極を形成させた例を示し、（ａ）は平面配線図、（ｂ）は（ａ）におけるａ−ａ’ラインの断面図を示している。

フィルム基板１０上に、Ｐ型材料からなる薄膜のＰ型熱電変換素子１１、Ｎ型材料からなる薄膜のＮ型熱電変換素子１２、およびＰ型熱電変換素子１１とＮ型熱電変換素子１２を接続する電極１５を有する熱電変換デバイスが形成されている。さらに、フィルム基板１０には、貫通孔１４が設けられ、フィルム基板１０上の熱電変換素子（１１、１２）の両端近傍には、貫通孔内部にメッキ等によってＣｕなどの高熱伝導率物質を充填させた熱伝導体充填層１３ａ、１３ｂと、そうでない部分は、水分の通り道として貫通孔１４が確保される構造となっている。

このような構造は、発熱面と水分発生面とが同一面において、例えば、人体表面のように発熱と汗の発生が同時に起こる系において有効となる。つまり、発熱面の熱は、充填された貫通孔である熱伝導体充填層１３ａを介して熱電変換素子（１１、１２）端部まで効率よく伝わり、水分はデバイス上部に吸い上げられる。そして、後述する水分吸収層で吸水、蒸発潜熱で冷却され、下部側における発熱面からの温度上昇によって、上下温度差が維持される。

こうした機構を採用することによって、熱電変換素子の電気回路と水分の移動部分とをそれぞれ独立に作動させることが可能となり、電極部分における化学的な腐食の問題を無くすことができる。かつ、内部の熱電変換材料に高い温度差を維持することが可能となり、素子全体の可撓性を維持しつつ、発電効率の高い薄膜の熱電変換デバイスが提供できる。

図２は、本発明の熱電変換デバイスの構造例（変換素子上面にフィルムと水分吸収層を有する構成）を示す。本発明の熱電変換デバイスは、図１のフィルム基板上に形成された熱電変換素子（１１、１２）の上面に、上面フィルム１７と、該上面フィルム１７上に接着剤層１８を介して張り合わせた水分吸収層１９とを有する構造となっている。なお、上面フィルム１７は、内部の熱電変換素子を含む配線の絶縁と水分含浸を可能な限り避けるために設けられるものである。

上記熱電変換デバイスの構成によって、熱電変換素子（１１、１２）を含む平面配線部は、表面に接する絶縁部分を確保しつつ、水分吸収層１９に吸収される水分から確実に分離することが可能となる。

水分吸収層１９と熱電変換素子（１１、１２）が直接接着剤層１８で接合している場合、接着剤には乾燥後も気泡が多数含まれているため、水分が熱電変換素子層に到達する可能性がある。さらに、接着剤層１８は、厚みの制御が難しく、充填させた貫通銅部分との熱伝導率の差を出しにくく、熱電変換素子（１１、１２）に十分に冷却熱が伝わらない可能性がある。そのため熱伝導率が低く、厚みが変化しにくく、かつ水分透過性の低い樹脂フィルムを上面フィルム１７として間に挟んでおくことによって上述した懸念を払拭することができる。

また、水分吸収層１９は、貫通孔１４より吸い上げた水分を熱電変換素子層上部を含む全面に拡散させて蒸発面積を稼ぐ役割がある。この部分が無いと蒸発面積が貫通孔１４の周囲にのみに限定されてしまい、表面積が非常に小さくなるため蒸発能力が劣る。

以下、図３、図４を使って、図２の熱電変換デバイスの製造方法について説明する。

図３、図４は、本発明の熱電変換デバイスの製造プロセスを示す。図３には、製造工程１〜工程５を示し、図４には、製造工程６〜工程８を示している。

まず、工程１において、フィルム基板１０上に薄膜の熱電変換素子及びそれらを接続する電極１５が形成される。熱電変換材料としては、Ｎ型にＮｉ_４８Ｃｕ_５２、Ｐ型にＮｉ_９０Ｃｒ_１０、電極材料に銅（Ｃｕ）を用いた。スパッタリング法により、これらの熱電変換材料を、厚さ２５μｍのポリイミドフィルムや３０μｍの薄ガラス基板上に所定の形状となるように厚さ１．０μｍ成膜し、電気回路を構成した。

つぎに、工程２において、工程１で電気回路が形成されたフィルム基板１０全体に渡って、熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）を用いて内部回路を覆うように塗布し、接着剤層１６を形成する。

その後、工程３において、上部に下部のフィルム基板と同様の上面フィルム１７を貼付け、位置合わせを行い、１５０℃の窒素雰囲気中で加熱することによって接着剤を硬化した。

工程４において、上面フィルム１７に、熱電変換素子と同一の面まで５０μｍの貫通孔を開け、さらに、工程５において、無電解銅めっきを施すことによってこの貫通孔を穴埋めして熱伝導体充填層１３ｂを形成する。

つぎに、工程６において、上部に、水分吸収層１９として、吸水性繊維（例えば、（株）帝人ファイバー製ベルオアシス）を接着剤（接着剤層１８）によって貼付する。

その後、工程７において、上部に繊維分まで貫通する貫通孔１４と熱電変換素子近傍の部分に貫通孔をそれぞれ設け、さらに、工程８において、無電解銅メッキによって熱電変換素子近傍の貫通孔のみに銅を充填して熱伝導体充填層１３ａが形成される。

上述した工程によって、全体厚さ１００μｍ程の薄く可撓性を持った熱電変換デバイスが形成される。

図５は、本発明の熱電変換デバイスの変形例を示す。これまで述べてきた実施例では、同一基板内の熱電変換素子パターン間に水分吸収孔としての貫通孔１４が設けられていたが、図５は、この孔部分を熱電変換素子の外周部分に配置させた場合の熱電変換デバイスについて示している。

外周部に配置する場合、熱電変換デバイスの全体面積は大きくなるが、水分吸収孔の範囲を広げることができるため、多くの水分の輸送が可能となる。この場合も、作製工程は図３、図４に示した工程と基本的に同様であるが、熱電変換素子部と水分吸収孔が分離していることで効率良い水分の吸収と熱の輸送が可能である。

図６は、本発明の熱電変換デバイスのシミュレーション例を示す。本発明の熱電変換デバイスの気化熱冷却による効果を熱伝導シミュレーションによって計算した。図６には、熱伝導シミュレーションに適用する本発明例及び比較例の構造と熱電変換素子における温度差の計算の根拠となる境界条件を示した。

図６（ａ）、（ｂ）は、本発明例及び比較例それぞれのシミュレーションモデルを示している。シミュレーションに供する本発明例の試料は、図６（ａ）に示すように、図２に示した構造から接着剤層１６、１８及び電極１５を省略した構造で、水分吸収層１９、上面フィルム１７、熱電変換素子１１または１２、その両端部に設けられた熱伝導体充填層１３ａ、１３ｂ、貫通孔１４、およびフィルム基板１０を有する構造となっている。

また、比較例の試料は、図６（ａ）に示すように、熱電変換素子１１または１２、その両端部に設けられた充填電極１５、貫通孔１４、およびフィルム基板１０を有する構造となっている。

上記モデルは、気化熱による蒸発を境界面の熱伝達係数に置き換え、発熱面を３６℃に固定することで人体を模擬した系を仮定した。また、気化熱蒸発を伴う境界面において、熱伝達係数は、１０００Ｗ／ｍ^２Ｋ程度と言われているが、空気のような自然対流の場合では、５０Ｗ／ｍ^２Ｋ程度である。

比較例では、熱電変換素子の一端（貫通孔の上部の電極部分）が気化熱蒸発を伴い、もう一端は自然対流による境界条件を仮定した。これに対し、本発明例では、気化熱蒸発が基板上全面に渡ることから、上部境界に熱伝達係数１０００Ｗ／ｍ^２Ｋを定義した。

上記モデルを元に、有限要素法シミュレーションソフトＡＮＳＹＳ（登録商標）を用いて熱電変換素子の温度差を計算した。

図７は、本発明の実施の形態になる熱電変換デバイスのシミュレーション結果を示す。上述した熱電変換デバイスの発熱面及び蒸発面における条件下で計算を行ったところ、図７に示すように、熱電変換素子内部の温度差は、いずれの構造も熱電変換素子端部間に温度差が生じているが、本発明例の方が３倍程大きく、比較例より大きな温度差が得られている。

熱電変換デバイスは、貫通孔１４から吸い上げた水分が表面の水分吸収層１９全面で蒸発して冷却される冷却機構と、熱電変換素子（１１、１２）の両端部近傍に設けられた熱伝導体充填層１３による熱伝導機構を有することを特徴としている。したがって、熱電変換素子端子の一方の端部で基板面から受熱し、他端部で上面の該冷却機構へ放熱する仕組みによって、熱電変換素子端部間でこのように大きな温度差を作ることが可能となる。

本発明は、ゼーベック効果を利用して材料内部の温度差により熱を電気に変換する熱電変換デバイスとその製造方法に適用される。

１０ フィルム基板
１１ Ｐ型熱電変換素子
１２ Ｎ型熱電変換素子
１３ａ、１３ｂ 熱伝導体充填層
１４ 貫通孔（水分通過孔）
１５ 電極
１６ 接着剤層
１７ 上面フィルム
１８ 接着剤層
１９ 水分吸収層

Claims (5)

1. フィルム基板と、
   前記フィルム基板上に形成された、交互に配列させた複数のＰ型及びＮ型の熱電変換素子と該複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続する電極とを有する電気回路と、
   前記電気回路を保護するための絶縁フィルムと、
   前記熱電変換素子の両端部近傍において垂直に設けられ、前記フィルム基板側の発熱面から受熱する第１の熱伝導体及び前記絶縁フィルム側に放熱する第２の熱伝導体と、
   前記電気回路の配線のない箇所で、前記フィルム基板から絶縁フィルムに至るまで貫通させ、前記発熱面と同一面から発生する水分を通過させる水分通過孔と、
   前記絶縁フィルム上に設けられ、前記水分通過孔を介して水分を蒸発する水分吸収層と、
   を有することを特徴とする熱電変換デバイス。
2. 前記熱電変換素子の両端部に設けられた前記第１、第２の熱伝導体は、それぞれ前記フィルム基板、前記絶縁フィルムを貫通し、金属材料を含む熱伝導体で充填させた貫通孔であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換デバイス。
3. 前記水分通過孔は、前記熱電変換素子群の内部、もしくは外周部に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換デバイス。
4. 前記水分吸収層は、吸水性の繊維からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電変換デバイス。
5. 交互に配列させた複数のＰ型及びＮ型の熱電変換素子と該複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続する電極とからなる電気回路をフィルム基板上に形成する工程と、
   前記電気回路の上に絶縁フィルムを貼り付ける工程と、
   前記熱電変換素子の両端部近傍において、前記フィルム基板または前記絶縁フィルムを貫通する貫通孔を設け、該貫通孔に金属を充填して第１または第２の熱伝導体を形成する工程と、
   前記電気回路の配線のない箇所で、前記フィルム基板から絶縁フィルムに至るまで貫通させ、発熱面と同一面から発生する水分を通過させる水分通過孔を形成する工程と、
   前記絶縁フィルムの上に前記水分通過孔を通過した水分を蒸発させる水分吸収層を貼り付ける工程と、
   を有することを特徴とする熱電変換デバイスの製造方法。