JP5630230B2 - Thermoelectric conversion element - Google Patents
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Description
本発明は、磁性体材料をベースとした熱電変換素子及び熱電変換方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion method based on a magnetic material.
持続可能な社会に向けた環境・エネルギー問題への取り組みが活発化する中で、熱エネルギー回収技術への期待が高まっている。熱は体温、太陽熱、エンジン、工業排熱など様々な場面から回収することができ、最も一般的なエネルギー源であり、エネルギー効率の高い低炭素社会を実現するためにも熱回収技術の必要性は増している。 Expectations for thermal energy recovery technology are increasing as efforts to address environmental and energy issues toward a sustainable society become active. Heat can be recovered from various scenes such as body temperature, solar heat, engine, industrial waste heat, etc., is the most common energy source, and the need for heat recovery technology to realize an energy-efficient low-carbon society Is increasing.
ゼーベック効果(もしくはペルチェ効果)に基づく熱電変換素子は、温度差発電や熱センサ、冷却など、既に様々な場面で活用されており、これからのユビキタス情報社会においても身の回りの熱からエネルギーを回収して小型端末やセンサを駆動するといった電源・給電デバイスとして期待されている。熱電変換素子はp型半導体とn型半導体の組み合わせである熱電対を多数直列に接続したモジュール構造を有しており、可動部がないことから騒音・振動が無く、スケール効果が無く小さな温度差でも発電でき、様々な機器・環境に組み込める、といった多くの利点を有する。 Thermoelectric conversion elements based on the Seebeck effect (or Peltier effect) have already been used in various situations, such as temperature difference power generation, heat sensors, and cooling. It is expected as a power supply / power supply device for driving small terminals and sensors. The thermoelectric conversion element has a module structure in which many thermocouples, which are a combination of p-type and n-type semiconductors, are connected in series. Since there are no moving parts, there is no noise / vibration, no scale effect, and small temperature difference. However, it has many advantages such as being able to generate electricity and being incorporated into various devices and environments.
また近年では、磁性材料に温度勾配をつけて、電子スピンの流れが生じさせるスピンゼーベック効果も発見されており、特許文献1、非特許文献1,2にはそれに基づくスピン熱電変換素子の記載がされている。
In recent years, a spin Seebeck effect has been discovered in which a magnetic material is given a temperature gradient to generate a flow of electron spin.
特許文献1に記載されているスピン熱電変換素子は、強磁性体と金属電極とで構成されている。強磁性体に温度勾配を与えると、スピンゼーベック効果によって、温度勾配に沿った方向にスピン流が誘起される。この誘起されたスピン流は、磁性体に接する金属電極におけるスピンホール効果によって、電流として外部に取り出すことができる。これにより、ゼーベック効果に基づく熱電変換素子と同様に熱から電力を取り出す温度差発電が可能となる。
The spin thermoelectric conversion element described in
しかし、上記の熱電変換素子は、熱起電力の高出力化に際して幾つかの課題が存在した。ゼーベック効果に基づく熱電変換素子は、出力電圧を高めるためにp型半導体とn型半導体からなる熱電対を電気的に多数直列に接続した構造を作り込む必要がある。このような複雑な構造のため、製造コストの増加が避けられず、耐久性や耐衝撃性にも課題があった。 However, the thermoelectric conversion element described above has some problems in increasing the thermoelectromotive force output. A thermoelectric conversion element based on the Seebeck effect needs to have a structure in which a large number of thermocouples composed of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are electrically connected in series in order to increase the output voltage. Due to such a complicated structure, an increase in manufacturing cost is inevitable, and there is a problem in durability and impact resistance.
一方、スピンゼーベック効果に基づくスピン熱電変換素子の場合、複雑な構造の作り込みが不要で、金属電極を長くするだけで熱起電力の高出力化が原理的に可能となる。特許文献1では、パイプ上の熱源に対してスピン熱電変換素子を適用した場合、熱起電力を高めるためにロールケーキ状にして巻き回数を増やす構造が記載されている。そのため、出力を高めるほど巻数を増加させる必要があり、小型化の面で問題があった。
On the other hand, in the case of a spin thermoelectric conversion element based on the spin Seebeck effect, it is not necessary to create a complicated structure, and it is possible in principle to increase the output of thermoelectromotive force simply by lengthening the metal electrode.
本発明の目的は、上述した課題を解決する熱電変換素子を提供することにある。 The objective of this invention is providing the thermoelectric conversion element which solves the subject mentioned above.
本発明における熱電変換素子は、少なくとも1つの磁化方向を有する磁性体と、前記磁化方向に対して略平行な面に配設され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む複数の起電体とで構成され、前記複数の起電体同士の起電力が加算されるように直列に接続されていることを特徴とする。 The thermoelectric conversion element according to the present invention includes a magnetic body having at least one magnetization direction and a plurality of electromotive bodies including a material disposed on a plane substantially parallel to the magnetization direction and having a spin orbit interaction. It is comprised, It connects in series so that the electromotive force of these electromotive bodies may be added, It is characterized by the above-mentioned.
本発明のおける熱電変換素子は、高出力と省スペース性の両立を実現することができる。 The thermoelectric conversion element according to the present invention can realize both high output and space saving.
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。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。 Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the preferred embodiments described below are technically preferable for carrying out the present invention, but the scope of the invention is not limited to the following.
〔第1の実施形態〕次に、本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態における熱電変換素子1の斜視図である。
[First Embodiment] Next, this embodiment will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a
〔構成の説明〕図1に示すように、本実施形態における熱電変換素子1は、磁性体2と起電体3とを備えている。
[Description of Configuration] As shown in FIG. 1, the
磁性体2は、少なくとも1つの磁化方向を有する材料である。磁性体2は、熱伝導率の小さな材料ほど効率よく熱電効果を作用するため、磁性絶縁体であることが好ましい。本実施形態では、磁性絶縁体として例えばガーネット系の磁性材料などが適用可能であり、イットリウム鉄ガーネット(Y3Fe5O12、以下YIGと略記)などが好ましい。また磁性体2の材料は上記に限定されず、鉄とニッケルとの合金であるパーマロイなどの強磁性金属についても利用可能である。また、磁性体2の形状は、平板状であることが好ましいが、特に限定されず、また、多少の平面粗さや歪みがあっても構わない。
The
磁性体2は、液相エピタキシャル成長(LPE)や、スパッタ、レーザーアブレーション(PLD)、有機金属堆積法(MOD法)、エアロゾルデポジション法(AD法)などで成膜を行う。特にプラスチック基板などにYIGのような磁性絶縁体を大面積成膜する用途には、AD法の利用が望ましい。磁性体2の膜厚は熱電発電の用途や温度領域に応じて変えることが可能だが、通常は100nm〜500μm程度に設定する。
The
起電体3は、磁性体2の磁化方向に対して略平行な面に複数設けられており、個々の起電体3で発生した起電力が加算されるように直列接続している。このように加算された起電力は、最終的に起電体3における一方の端部(A)と他方の端部(B)との間で加算起電力Vsumとして取り出される。なお複数の起電体3は、磁性体2に接して設けられていなくてもよく、磁性体2の上方に設けられていればよい。すなわち、起電体3と磁性体2との間に、空隙や別の構造物が設けられていてもよい。
A plurality of
起電体3は、スピン軌道相互作用を有する材料を含んでいる。例えばスピン軌道相互作用の比較的大きなAuやPt、Pdなどの金属材料、またはそれらの合金材料を用いる。なお起電体3は、スピンホール効果を強めるために、FeやCuなどの不純物を添加してもよい。ここで、起電体3の厚さは、少なくとも金属材料のスピン拡散長以上に設定するのが好ましい。例えばAuであれば50nm以上、Ptであれば10nm以上に設定するのが望ましい。
The
〔作用の説明〕図1の熱電変換素子1において、鉛直方向(図面z方向)に温度勾配が印加されると、磁性体2のスピンゼーベック効果により、温度勾配に平行なz方向にスピンの流れ(スピン流)が誘起される。
[Explanation of Action] In the
この磁性体2において生成されたスピン流は、互いに直列接続する起電体3へと流れ込む。その後、起電体3における逆スピンホール効果によって、流れ込んだスピン流は、磁化方向に対して垂直方向であるx方向の電流(起電力)へと変換される。つまり、磁性体2と起電体3とで構成される熱電変換素子1は、印加される温度勾配から起電力を生成する。
The spin current generated in the
直列接続構造の結果、個々の起電体3で生成した起電力は加算され、端部の間で加算起電力Vsumとして取り出される。すなわち、加算起電力Vsumとは個々の起電体3における起電力の和となっている。
As a result of the series connection structure, the electromotive forces generated by the individual
ここで個々の起電体3における起電力は、逆スピンホール効果が要請する対称性から、磁性体2の磁化方向と、磁性体2から起電体3にスピン流が流れ込む方向と、の両方に対して垂直な一方向(2つのベクトルの外積方向)に常に生成される。
Here, the electromotive force in each
例えば図1に示す配置の場合、磁化方向がy方向で、スピン流がz方向に流れることから、個々の起電体3において起電力は常にx方向に生成される。従って図1のように起電体を直列接続した場合、加算電圧Vsumに対してプラスの寄与をする(一方の端部(A)から他方の端部(B)に向かって起電力を生成する)起電体もあれば、マイナスの寄与をする(他方の端部(B)から一方の端部(A)に向かって起電力を生成する)起電体もある。
For example, in the arrangement shown in FIG. 1, since the magnetization direction is the y direction and the spin current flows in the z direction, the electromotive force is always generated in the x direction in each
そこで、一方の端部(A)から他方の端部(B)に向かって起電力を生成する起電体における起電力生成効率は、他方の端部(B)から一方の端部(A)に向かって起電力を生成する起電体における起電力生成効率よりも大きくなるよう素子構造を設計する。その結果、直列接続した起電体3の加算電圧Vsumは全体としてプラスに加算される。もちろん、上記の設計を逆にして、加算電圧Vsumが全体としてマイナスに加算されるようにしてもよい。なお上記の条件を満たせば、起電体3の形状は限定されない。
Therefore, the electromotive force generation efficiency in the electromotive body that generates electromotive force from one end (A) to the other end (B) is one end (A) from the other end (B). The element structure is designed so as to be larger than the electromotive force generation efficiency of the electromotive body that generates the electromotive force toward. As a result, added voltage V sum of the
なお、逆スピンホール効果によって起電力を生成するための対称性から、磁性体2の磁化方向と、起電体3に流れ込むスピン流の方向、および起電体3の延伸方向(起電力を加算する方向)の3つの方向が互いに略垂直であることが望ましいが、逆にこれらが満たされる配置であれば、熱電変換素子1の構造は本実施形態のものに限定されない。磁性体2の磁化方向や、磁性体2に対する起電体3の配置などは柔軟に変更することができる。
From the symmetry for generating an electromotive force by the reverse spin Hall effect, the magnetization direction of the
〔効果の説明〕本実施形態における熱電変換素子1は、磁性体2の上方に設けられた起電体3が起電力を加算されるように直列接続している。そのため熱電変換素子1は、省スペースで高い出力の取り出しが可能となる。
[Explanation of Effects] The
〔第2の実施形態〕次に、第2の実施形態について図2を用いて説明する。図2は、本実施形態における熱電変換素子1の斜視図である。
[Second Embodiment] Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a perspective view of the
〔構成の説明〕図2に示すように、本実施形態における熱電変換素子1は、第1の実施形態と同様に、磁性体2と、起電体3とを備えており、さらに導電体4と出力端子5、6とを備えている。
[Description of Configuration] As shown in FIG. 2, the
磁性体2は、第1の実施形態と同様に、少なくとも1つの磁化方向を有する材料であり、磁性絶縁体が好ましいが、金属磁性体も利用できる。また磁性体2の形状は、平板状であることが好ましいが、特に限定されず、また、多少の平面粗さや歪みがあっても構わない。
Similar to the first embodiment, the
起電体3は、第1の実施形態と同様に、磁性体2の磁化方向に対して略平行な面に複数設けられており、磁性体2の磁化方向に対して略垂直方向に長手方向を有する形状である。また起電体3と磁性体2との間に、空隙や別の構造物が設けられていてもよい。
As in the first embodiment, a plurality of
ここで出力端子5から出力端子6に向かって起電力を生成する起電体3に対して、逆に出力端子6から出力端子5に向かって起電力を生成する部分を導電体4とする。なお、起電体3の起電力生成効率は、導電体4の起電力生成効率より大きい。
Here, in contrast to the
複数の起電体3は、互いに略平行に並んで配設されている。そして導電体4は、起電体3の延伸方向における一方の端部と、隣り合う起電体3の他方の端部とを接続している。つまり、起電体3と導電体4とが互いに交互に連続して接続しており、図2のような折り返し形状(ジグザグ型のミアンダ形状)を形成している。
The plurality of
なお、起電体3の起電力生成効率が、導電体4の起電力生成効率より大きければ、起電体3と導電体4との接続の形状及び配置は、特に限定されない。例えば起電体3と導電体4は、図3のように互いに斜めに接続してもよい。また図4に示すような直線形状の起電体3と導電体4とを備えたスパイラル形状や、また図5に示すような曲線形状の起電体3と導電体4とを備えたスパイラル形状でもよい。
In addition, if the electromotive force production | generation efficiency of the
また、導電体4は必ずしも起電体3の端部に限らず、端部より中心部に近い位置で接続してもよい。
Further, the
出力端子5および出力端子6は、一方の端部のみが他の起電体3(または導電体4)と接続している起電体3の他方の端部に設ける。このように起電体3を設けることで、最大の起電力(出力電圧)を得ることができる。
The
また複数の起電体3と導電体4とは、同一平面上に設けてもよい。
Moreover, you may provide the several
〔作用の説明〕磁性体2が平面方向に作用している磁化方向に対して、鉛直方向に温度勾配が印加されると、磁性体2のスピンゼーベック効果により、温度勾配方向にスピンの流れ(スピン流)が誘起される。
[Explanation of Action] When a temperature gradient is applied in the vertical direction with respect to the magnetization direction in which the
この磁性体2において生成されたスピン流は、互いに直列接続する起電体3のスピンホール効果によって、磁化方向と垂直方向である起電体3、および導電体4の延伸方向に流れる電流に変換される。つまり、磁性体2と起電体3、および導電体4とで構成される熱電変換素子1は、印加される温度勾配から電力を生成する。ここで起電体3は、導電体4と比べて起電力生成効率が大きいため、出力端子5から出力端子6に向かう一方向に電流が流れる。
The spin current generated in the
〔効果の説明〕本実施形態における熱電変換素子1は、磁性体2上に設けられた複数の起電体3が、導電体4によって、起電体3と導電体4が折り返し形状やスパイラル形状を形成するように接続している。上記に示した構造により、折り返し部分などで起電力が互いにキャンセルされることなく、出力端子5から出力端子6に向かって起電力を有効に加算することができる。その結果、熱電変換素子1はサイズを大きくすることなく、省スペースで高い出力の取り出しが可能となる。
[Explanation of Effect] In the
〔第3の実施形態〕次に第3の実施形態について説明する。図6は、本実施形態の熱電変換素子1の上面図である。
[Third Embodiment] Next, a third embodiment will be described. FIG. 6 is a top view of the
〔構造の説明〕本実施形態では、図6に示すように、起電体3と導電体4との材料が異なる。それ以外の構造、接続関係は、第2の実施形態と同様である。つまり、第3の実施形態の熱電変換素子1は、磁性体2と、起電体3と、導電体4と、出力端子5、6とを備えている。
[Description of Structure] In this embodiment, as shown in FIG. 6, the materials of the
起電体3は、第1の実施形態と同様に、スピンホール効果(起電力生成効率)の大きな金属で構成される。例えば、PtやAuなどが好ましいがこれに限定されない。なお起電体3は、スピンホール効果を強めるために、FeやCuなどの不純物を添加してもよい。
The
一方、導電体4は、スピンホール効果(起電力生成効率)の小さな金属で構成される。例えば導電体4は、CuやAlなどが好ましいが、起電体3よりスピンホール効果が小さい材料であれば、これに限定されない。
On the other hand, the
〔作用・効果の説明〕磁性体2が平面方向に作用している磁化方向に対して、鉛直方向に温度勾配が印加されると、磁性体2のスピンゼーベック効果により、温度勾配方向にスピンの流れ(スピン流)が誘起される。
[Explanation of Action / Effect] When a temperature gradient is applied in the vertical direction with respect to the magnetization direction in which the
この磁性体2において生成されたスピン流は、互いに直列接続する起電体3のスピンホール効果によって、磁化方向と垂直方向である起電体3の延伸方向に流れる電流に変換される。つまり、磁性体2と起電体3とで構成される熱電変換素子1は、印加される温度勾配から電力を生成する。つまり起電体3には、温度勾配方向と磁性体2の磁化方向とで決まる一方向に起電力が生成される。(図6では、右方向)
しかし、熱電変換素子1が単純な折り返し構造である場合、磁性体2から取り出され、起電体3や導電体4に生成される電流の向きは全て図面右方向であるため、図7に示すように折り返し部分で電流が互いに打ち消しあい、出力電圧がキャンセルされてしまう可能性がある。
The spin current generated in the
However, when the
そこで、本実施形態では起電体3と導電体4とでスピンホール効果(起電力生成効率)が異なる材質を適用した。つまり起電体3は、スピンホール効果が大きい材質を適用し、導電体4は、スピンホール効果の小さい材質を適用した。
Therefore, in the present embodiment, materials having different spin Hall effects (electromotive force generation efficiency) are applied to the
つまり、出力端子5から出力端子6に流れる電流を生成する場合、出力端子5から出力端子6の方向に向かって起電力を生成する起電体3をスピンホール効果の大きい材質とする。そして、反対に出力端子6から出力端子5に向かって起電力を生成する導電体4を、スピンホール効果の小さい材質とする。
That is, when generating a current flowing from the
上記のように材質を変えることで、導電体4に流れ込むスピン流はほとんど電流に変換されず、起電体3に流れ込むスピン流は電流に変換される。そのため、出力端子5から出力端子6に向かう一方向に出力電圧を効率よく取り出すことができる。
By changing the material as described above, the spin current flowing into the
〔第4の実施形態〕次に第4の実施形態について説明する。図8は、本実施形態の熱電変換素子1の上面図である。
[Fourth Embodiment] Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 8 is a top view of the
〔構造の説明〕本実施形態が第2の実施形態と異なる点は、図8に示すように、起電体3と導電体4の延伸方向の幅が異なる点である。それ以外の構造、接続関係は、第2の実施形態と同様である。つまり、第4の実施形態の熱電変換素子1は、磁性体2と、起電体3と、導電体4と、出力端子5、6とを備えている。
[Description of Structure] This embodiment is different from the second embodiment in that the widths of the
本実施形態における複数の起電体3は、互いに略平行に配設されている。そして導電体4は、起電体3の延伸方向における一方の端部と、隣り合う起電体3の他方の端部とを接続している。
The plurality of
導電体4の延伸方向における幅は、起電体3の延伸方向における幅より短い。なお、本実施形態における導電体4は延伸方向の幅が異なるため、起電体3と同じ材料で形成してもよいし、また起電体3より、スピンホール効果(起電力生成効率)の小さな金属であれば限定されない。
The width of the
また図9のように、隣り合う起電体3の間で、起電体3よりも幅が狭い誘電体4を斜め方向に接続してもよい。
Further, as shown in FIG. 9, a dielectric 4 having a narrower width than the
〔作用・効果の説明〕磁性体2が平面方向に作用している磁化方向に対して、鉛直方向に温度勾配が印加されると、磁性体2のスピンゼーベック効果により、温度勾配方向にスピンの流れ(スピン流)が誘起される。
[Explanation of Action / Effect] When a temperature gradient is applied in the vertical direction with respect to the magnetization direction in which the
この磁性体2において生成されたスピン流は、互いに直列接続する起電体3のスピンホール効果によって、磁化方向と垂直方向である起電体3の延伸方向に流れる電流に変換される。つまり、磁性体2と起電体3とで構成される熱電変換素子1は、印加される温度勾配から電力を生成する。つまり起電体3には、温度勾配方向と磁性体2の磁化方向とで決まる一方向に起電力が生成される。(図8では、右方向)
しかし、熱電変換素子1が単純な折り返し構造である場合、磁性体2において生成される電流の向きは全て図面右方向であるため、図7に示すように折り返し部分で電流が互いに打ち消しあい、全体として出力がキャンセルされてしまう可能性がある。
The spin current generated in the
However, when the
そこで、本実施形態では起電体3の延長方向における幅を、導電体4の延長方向における幅より大きくした。上記構造にすることにより、起電体3においてスピン流から変換される電流を、導電体4においてスピン流から変換される電流より大きくすることができる。その結果、一方向に出力電圧を効率よく取り出すことができる。
Therefore, in this embodiment, the width in the extending direction of the
つまり、出力端子5から出力端子6に流れる電流を生成する場合、出力端子5から出力端子6に向かって起電力を生成する起電体3の延長方向の幅を大きくする一方、反対に出力端子6から出力端子5に向かって起電力を生成する導電体4の延長方向の幅を小さくした。
That is, when generating a current that flows from the
また本実施形態における起電体3と導電体4とを同じ材質で形成することができるため、少ないプロセスで形成することができる。
Moreover, since the
〔第5の実施形態〕次に第5の実施形態について説明する。図10は、本実施形態の熱電変換素子1の上面図である。
[Fifth Embodiment] Next, a fifth embodiment will be described. FIG. 10 is a top view of the
〔構成の説明〕本実施形態が第2の実施形態と異なる点は、図10に示すように、導電体4と磁性体2の間にスピン流をブロックするバリア層8を設けている点である。それ以外の構造、接続関係は、第2の実施形態と同様である。つまり、第5の実施形態の熱電変換素子1は、磁性体2と、起電体3と、出力端子5、6とを備えている。
[Description of Configuration] This embodiment is different from the second embodiment in that a
本実施形態における複数の起電体3は、互いに略平行に並んで配設されている。そして導電体4は、起電体3の延伸方向における一方の端部と、隣り合う起電体3の他方の端部とを接続している。導電体4の接続の形状及び配置は、特に限定されない。たとえば、起電体3と導電体4とが折り返し形状(図2のようにジグザグ型のミアンダ形状を形成するように接続するものや、図3のように斜めに接続するもの)や、図4や図5に示すようなスパイラル形状にした構造でもよい。
The plurality of
なお本実施形態では、起電体3と導電体4にはスピンホール効果の大きな同一材料を用いる。ただし、起電体3は磁性体2に直接接しているのに対し、導電体4と磁性体2の間にはスピン流をブロックするバリア層8が挿入されている。
In the present embodiment, the same material having a large spin Hall effect is used for the
〔作用・効果の説明〕上記のように導電体4と磁性体2の間にのみバリア層8を挿入することで、温度勾配によって生成されたスピン流はバリア層8でブロックされ、導電体4では電流は生成しない。この結果、起電体3と導電体4との間で電流がキャンセルされることなく、一方向に出力電圧を取り出すことが可能となる。なお、電極は図11のようにスパイラル状に形成することもできる。
[Description of Actions and Effects] By inserting the
〔実施例1〕次に実施例1について説明する。図12は、本実施形態の熱電変換素子1の斜視図であり、図13は上面図である。
[Embodiment 1]
〔構造の説明〕本実施例における熱電変換素子1は、磁性体2と起電体3と導電体4と出力端子5と出力端子6と基板7とを設けている。
[Description of Structure] The
基板7は、厚さ300μmのポリイミド基板を用いる。
The
磁性体2は、イットリウム鉄ガーネット(以下、YIG)を用い、常温成膜が可能なエアロゾルデポジション(AD)法を用いて基板上に膜厚200μmのYIG膜を形成する。
The
起電体3には、Auを用い、導電体4にはCuを用い、図13に示すような折り返しパターンを形成する。起電体3であるAuの膜厚は100nm、幅4mm、長さ40mmとし、同様に導電体4であるCuの膜厚も100nm、幅4mm、長さ40mmとする。導電体4は、延伸方向の両端部において、導電体4を挟んで対向する2つの起電体3にそれぞれ接続する凸部を設けている。なお、起電体3と導電体4との間隔は、0.5mmとする。
The
起電体3(往路)と導電体4(復路)とで構成される電極を折り返すことで40mm×40mmの長方形サイズの電極構造を形成する。これら折り返しによって、電極の全長は364mmとなっている。全体の抵抗は、各材料の電気伝導率(Au:45.2×106S/m,Cu:59.6×106S/m)から、11.1Ω(Au部分)+6.9Ω(Cu部分)=18.0Ωとなっている。これにより、起電体3(往路)で生成される電流量が導電体4(復路)で生成される電流量より大きくなるため、出力端子5と出力端子6との間で起電力を取り出すことができる。
An electrode structure having a rectangular size of 40 mm × 40 mm is formed by folding back an electrode composed of the electromotive body 3 (outward path) and the conductor 4 (return path). By these foldings, the total length of the electrode is 364 mm. The overall resistance is 11.1Ω (Au portion) + 6.9Ω (Cu portion) = 18.0Ω from the electrical conductivity of each material (Au: 45.2 × 106 S / m, Cu: 59.6 × 106 S / m) . Thereby, since the amount of current generated in the electromotive body 3 (outward path) is larger than the amount of current generated in the conductor 4 (return path), the electromotive force is taken out between the
〔製造方法〕乾燥した平均直径300nmのYIG微粒子を磁性体2の原料とし、エアロゾル発生容器に詰めておく。また基板7を、成膜チャンバ内のホルダーに固定する。この状態で成膜チャンバとエアロゾル発生容器との間に圧力差を生じさせることで、YIG微粒子が成膜チャンバ内へと引き込まれ、ノズルを通して基板7上に吹き付けられる。
[Manufacturing Method] Dry YIG fine particles having an average diameter of 300 nm are used as the raw material of the
このとき、YIG微粒子は、基板7との衝突エネルギーによって微粒子が粉砕・再結合し、基板7上にYIG多結晶が形成される。ステージを2次元的にスキャンすることで、基板7上に均一なYIG膜を成膜する。
At this time, the YIG fine particles are crushed and recombined by the collision energy with the
起電体3はインクジェット法により形成する。最初にアルバック製のAuナノメタルインクを用い、インクジェット装置でYIG膜上にインクを吐出し、折り返し電極の起電体3(往路)をAuで形成する。その後、同様にCuナノインクを用いて、折り返し電極の導電体4(復路)をCuで形成する。
The
〔実施例2〕次に実施例2について説明する。図14は、本実施形態の熱電変換素子1の上面図である。
[Embodiment 2]
〔構造の説明〕本実施例における熱電変換素子1は、磁性体2と起電体3と導電体4と出力端子5と出力端子6と基板7とを設けている。
[Description of Structure] The
基板7は、厚さ500μmのポリイミド基板を用いる。
As the
磁性体2として膜厚200μmのYIGを実施例1と同様にエアロゾルデポジション(AD)法で成膜する。
A YIG film having a film thickness of 200 μm is formed as the
実施例1と異なり、Au一種類だけで形成する代わりに、図14のように起電体3(往路)と導電体4(復路)での構造非対称性を利用する。起電体3と導電体4の膜厚は100nmとし、起電体3(往路)の電極幅を3mmとする一方、導電体4(復路)の電極幅を1mmと細くする。これにより、導電体4(往路)で生成される電流量が導電体4(復路)で生成される電流量より大きくなるため、出力端子5と出力端子6との間で起電力を取り出すことができる。
Unlike Example 1, instead of forming with only one kind of Au, structural asymmetry between the electromotive body 3 (outward path) and the conductor 4 (return path) is used as shown in FIG. The film thickness of the
〔製造方法の説明〕磁性体2は、実施例1と同様に、基板7上にAD法により成膜する。
[Description of Manufacturing Method] As in Example 1, the
起電体3は、無電解金めっき法により形成する。日立化成工業製の、亜硫酸金ナトリウムを金塩として含有する金メッキ液を用い、次亜リン酸塩を還元剤として金メッキ膜をYIG膜上に成膜する。
The
なお本発明の応用は、温度勾配から電力を生成する熱電発電に限られない。例えば折り返し構造によって電極の実効長を長くして熱起電力を高めることで、高感度な熱センサとしても利用できる。また、熱電発電の逆効果であるペルチェ冷却用の電極としても本発明の電極構造を適用することができる。 The application of the present invention is not limited to thermoelectric power generation that generates electric power from a temperature gradient. For example, it can be used as a highly sensitive heat sensor by increasing the effective electromotive force by increasing the effective length of the electrode by a folded structure. The electrode structure of the present invention can also be applied as an electrode for Peltier cooling, which is the opposite effect of thermoelectric power generation.
1 熱電変換素子
2 磁性体
3 起電体
4 導電体
5 出力端子
6 出力端子
7 基板
8 バリア層
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記一の磁性体に配設された複数の起電体とで構成され、
前記複数の起電体は、スピン軌道相互作用を有する材料を含み、
前記複数の起電体同士の起電力が加算されるように直列に接続されていることを特徴とする熱電変換素子。 One and the magnetic material having a unidirectional magnetization direction,
A plurality of electromotive members disposed on the one magnetic body ;
The plurality of electromotive bodies includes a material having a spin orbit interaction,
The thermoelectric conversion element is connected in series so that the electromotive forces of the plurality of electromotive bodies are added.
一方の端部から他方の端部に向かって起電力を生成する前記起電体の起電力生成効率は、
他方の端部から一方の端部に向かって起電力を生成する前記起電体の起電力生成効率より大きいことを特徴とする請求項1に記載の熱電変換素子。 In the electromotive bodies connected in series with each other,
The electromotive force generation efficiency of the electromotive body that generates an electromotive force from one end to the other end is:
2. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the electromotive force generation efficiency of the electromotive body that generates an electromotive force from the other end portion toward the one end portion is larger than the electromotive force generation efficiency.
前記起電体における長手方向の一方の端部は、隣接する導電体の他方の端部と接続して折り返し形状を形成していることを特徴とする請求項4に記載の熱電変換素子。 The electromotive body that generates an electromotive force from the other end portion toward one end portion is configured by a conductor, and one end portion in the longitudinal direction of the electromotive body is the other end of the adjacent conductor. The thermoelectric conversion element according to claim 4, wherein the thermoelectric conversion element is connected to the end portion to form a folded shape.
前記起電体における長手方向の一方の端部は、導電体の端部と接続して、スパイラル形状を形成していることを特徴とする請求項4に記載の熱電変換素子。 The electromotive body in which a current flows from the other end portion to the one end portion is composed of a conductor ,
The thermoelectric conversion element according to claim 4, wherein one end portion of the electromotive body in the longitudinal direction is connected to an end portion of the conductor to form a spiral shape.
前記起電体の起電力生成効率は、前記導電体の起電力生成効率と異なることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換素子。 The plurality of electromotive bodies are connected in series by a conductor ,
Electromotive force generation efficiency of the photovoltaic body, the thermoelectric conversion element according to claim 1, characterized in that different electromotive force generation efficiency of the conductor.
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