JP6388569B2 - ナノファイバー熱電発電モジュール、その製造方法及びナノファイバー製造電気紡糸装置 - Google Patents
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Description
前記電極形成ステップにおいては、基板上に複数の第一の電極及び第二の電極を互いに離隔させて対向交互配置されるように形成してもよい。
前記第一のナノファイバー配置ステップにおいては、一端が前記第一の電極に連結され、他端が対向する第二の電極に連結されるように、nタイプまたはpタイプの半導体を備える第一のナノファイバーが配置されてもよい。
前記第二のナノファイバー配置ステップにおいては、一端が前記第一の電極に連結され、他端が対向する他の第二の電極に連結されるように、他のタイプの半導体を備える第二のナノファイバーが配置されてもよい。
前記第一のナノファイバーパターン形成ステップにおいては、前記基板上にフォトレジストを用いて第一のナノファイバーを形成するための第一のナノファイバー開口を備える第一のナノファイバーパターンが形成してもよい。
前記第一のナノファイバー転写ステップにおいては、前記第一のナノファイバーを含む第一のナノファイバー束を用意して、前記第一のナノファイバー開口を含む前記第一のナノファイバーパターン側に転写実行してもよい。
前記保護層形成ステップにおいては、前記第一のナノファイバー束の一面上に保護層が形成されて、前記リフトオフステップにおいては、前記第一のナノファイバーパターンをなすフォトレジストが除去してもよい。
前記第一のナノファイバー束用意ステップにおいては、電気紡糸高電圧部によって高電圧が印加される電気紡糸ノズルから噴射された高分子化合物がスイッチング電源部によって交互帯電される電気紡糸帯電電極部の間に整列形成されるナノファイバーのうちnタイプまたはpタイプの半導体を備える第一のナノファイバーを含む第一のナノファイバー束が用意されてもよい。また、前記第一のナノファイバー転写実行ステップにおいては、前記第一のナノファイバー開口を含む前記第一のナノファイバーパターン側に転写実行されてもよい。
前記第二のナノファイバーパターン形成ステップにおいては、前記基板上にフォトレジストを用いて第二のナノファイバーを形成するための第二のナノファイバー開口を備える第二のナノファイバーパターンが形成してもよい。前記第二のナノファイバー転写ステップにおいては、前記第二のナノファイバーを含む第二のナノファイバー束を用意して、前記第二のナノファイバー開口を含む前記第二のナノファイバーパターン側に転写実行してもよい。前記保護層形成ステップにおいては、前記第二のナノファイバー束の一面上に保護層が形成されて、前記リフトオフステップにおいては、前記第二のナノファイバーパターンをなすフォトレジストが除去してもよい。
前記第二のナノファイバー束用意ステップにおいては、電気紡糸高電圧部によって高電圧が印加される電気紡糸ノズルから噴射された高分子化合物がスイッチング電源部によって交互帯電される電気紡糸帯電電極部の間に整列形成されるナノファイバーのうち第一のナノファイバーと異なるタイプの半導体を備える第二のナノファイバーを含む第二のナノファイバー束が用意されてもよい。
前記第二のナノファイバー転写実行ステップにおいては、前記第二のナノファイバー開口を含む前記第二のナノファイバーパターン側に転写実行されてもよい。
前記単位体は、nタイプまたはpタイプの半導体を備える第一のナノファイバーを備える第一のナノファイバーメッシュ(メッシュまたは網目)と、 第二のナノファイバーメッシュ(メッシュまたは網目)と、インシュレーターレイヤーと、 第一の電極と、 第二の電極と、を含んでもよい。
前記第二のナノファイバーメッシュ(メッシュまたは網目)は、前記第一のナノファイバーと異なるタイプの第二のナノファイバーを備えてもよい。
前記インシュレーターレイヤーは、前記第一のナノファイバーメッシュと前記第二のナノファイバーメッシュの間に介在されてもよい。
前記第一の電極は、前記第一のナノファイバーメッシュと前記第二のナノファイバーメッシュの端部を連結してもよい。
前記第二の電極は、一端か前記第二のナノファイバーメッシュに連結され、他端は隣接積層される他の単位体の第一のナノファイバーメッシュと連結されてもよい。
前記ナノファイバー熱電発電モジュールにおいて、前記第一の電極及び第二の電極は、導電性フィルムまたは導電性ペーストで形成されてもよい。
前記ナノファイバー熱電発電モジュールにおいて、前記第一の電極及び第二の電極は透明電極で、前記インシュレーターレイヤーも予め設定された透光性を備えてもよい。
前記ナノファイバーメッシュ提供ステップにおいては、nタイプまたはpタイプの半導体を備える第一のナノファイバーを備える第一のナノファイバーメッシュと、前記第一のナノファイバーと異なるタイプの第二のナノファイバーを備える第二のナノファイバーメッシュが用意されてもよい。
前記単位体積層ステップにおいては、
前記第一のナノファイバーメッシュ及び前記第二のナノファイバーメッシュを備える単位体が一つ以上積層されてもよい。
すなわち、前記第一のナノファイバーメッシュ形成ステップにおいては、電気紡糸高電圧部によって高電圧が印加される電気紡糸ノズルから噴射された高分子化合物がスイッチング電源部によって交互帯電される電気紡糸帯電電極部の間に形成されるナノファイバーのうちnタイプまたはpタイプの半導体を備える第一のナノファイバーを含む第一のナノファイバーメッシュが形成されてもよい。
また、前記第二のナノファイバーメッシュ形成ステップにおいては、電気紡糸高電圧部によって高電圧が印加される電気紡糸ノズルから噴射された高分子化合物がスイッチング電源部によって交互帯電される電気紡糸帯電電極部の間に形成されるナノファイバーのうち第一のナノファイバーと異なるタイプの半導体を備える第二のナノファイバーを含む第二のナノファイバーメッシュが形成されてもよい。
前記単位体第一のナノファイバーメッシュ配置ステップにおいては、前記第一のナノファイバーメッシュが配置されてもよい。
前記単位体インシュレーターレイヤー配置ステップにおいては、前記単位体第一のナノファイバーメッシュの一面上にインシュレーターレイヤーが配置されてもよい。
前記単位体第二のナノファイバーメッシュ配置ステップにおいては、前記単位体インシュレーターレイヤーの一面上に第二のナノファイバーメッシュが配置されてもよい。
前記単位体第一の電極形成ステップにおいては、前記第一のナノファイバーメッシュと前記第二のナノファイバーメッシュの端部を連結する第一の電極が形成されてもよい。
前記単位体他インシュレーターレイヤー配置ステップにおいては、前記第二のナノファイバーメッシュの一面上にインシュレーターレイヤーが配置されてもよい。
前記他単位体第一のナノファイバーメッシュ配置ステップにおいては、前記インシュレーターレイヤーの一面上に前記第一のナノファイバーメッシュが形成されてもよい。
前記単位体第二の電極形成ステップにおいては、一端を前記第二のナノファイバーメッシュにそして他端を他単位体の第一のナノファイバーメッシュに連結させる第二の電極が形成されてもよい。
前記電気紡糸出力部は、前記ベースの上部に離隔して配置されてナノファイバーを形成するための高分子化合物の提供を受けて噴射可能な電気紡糸ノズルと、前記電気紡糸ノズルに高電圧を印加する電気紡糸高電圧部とを含む。
前記電気紡糸誘導部は、電気紡糸帯電電極部と、スイッチング電源部を備え、電気紡糸帯電電極部は、前記電気紡糸ノズルに対向して前記ベースの一面上に離隔配置される複数の帯電電極を含み、スイッチング電源部は、前記電気紡糸帯電電極部を交互帯電させる。
前記第一の帯電電極部、一つ以上の帯電電極を含んでもよい。
前記第二の帯電電極部、前記第一の帯電電極部に対向して配置される一つ以上の帯電電極を含んでもよい。
前記第三の帯電電極部、前記第一の帯電電極部と直交配置される一つ以上の帯電電極を含んでもよい。
前記第四の帯電電極部、前記第三の帯電電極部に対向して配置される一つ以上の帯電電極を含んでもよい。
前記第一の帯電電極部乃至第四の帯電電極部は、四角形配置構造をなしてもよい。
また、水平面上での直列連結構造及び垂直積層構造を介した立体的配置を可能にして適用環境に能動的対処を可能にする効果もある。
また、製造工程及び構造の単純化を介して熱電発電モジュールの製造原価を節減できると共に、小型コンパクトな構造として熱電発電モジュールの開発を可能にする効果がある。
また、電極とナノファイバーを利用するブリッジ構造が種々のパターンに配置できるので、熱電発電効率を向上させるための設計上の自由度を増大させることができる効果がある非常に進歩した発明である。
本実施形態で電気紡糸ノズル21のノズル開口は、0.25mm〜1.00mmの径を備える構造を取り、電気紡糸高電圧部25は、7kV〜11kVの範囲の電圧が印加されて、0.01〜1.00μl/h範囲の移送流量の流動をなす実施形態を取るが、本発明の電気紡糸ノズルのノズル開口及び電気紡糸高電圧部によって電気紡糸ノズル21のチップに印加される電圧及び移送流量は、これらの数値に限定されず、ノズル開口を介して吐出される高分子化合物の材料及び電気紡糸ノズルの吐出圧などの全体的な作業環境により多様な選択が可能である。
このような本発明の電気紡糸供給部は一例であり、本発明の電気紡糸供給部は、電気紡糸ノズル21に高分子化合物溶液を提供する範囲で様々な構成を取ってもよい
図4には、本発明の一実施形態に係るナノファイバー熱電発電モジュール10の一例が図示される。ナノファイバー熱電発電モジュール10は、異なる二つの熱源(TH、TL)の間に介在して熱電発電をなす基礎構造である単位体(TU)の集合からなる。単位体(TU)は、第一の電極210と第二の電極220と第一のナノファイバー310及び第二のナノファイバー320を含む。第一の電極210は、一つの熱源(TH)側に配置可能で、第二の電極220は、他の一つの熱源(TL)側に第一の電極210と離隔して配置可能である。第一のナノファイバー310は、第一の電極210と第二の電極220を連結させて、nタイプかpタイプの半導体からなる。第二のナノファイバー320は、第一のナノファイバー310を形成するタイプと他のタイプの半導体からなり、一側は第一の電極210側に連結されて、他側は単位体(TU)と隣接する他の単位体(TU)の第二の電極220側に連結される。
前記フレキシブルベース基板は、PDMS(Poly dimethyl siloxane)、ポリイミド(Polyimide)、ポリカーボネート(Poly carbonate)、PMMA(Poly methyl methacrylate)、シクロオレフィンコポリマー(COC;Cyclo olefin copolymer)、パリレン(Parylene)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリシラン(polysilane)、ポリシロキサン(polysiloxane)、ポリシラザン(polysilazane)、ポリカルボシラン(polycarbosilane)、ポリアクリレート(polyacrylate)、ポリメタリルレート(polymethacrylate)、ポリメチルアクリレート(polymethylacrylate)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチルアクリレート(polyethylacrylate)、ポリエチルメタクリレート(polyethylmetacrylate)、シクロオレフィンポリマー(COP)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリアセタール(POM)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエステルスルホン(PES)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニルクロリド(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、パーフルオロアルキル高分子(PFA)のうちいずれか一つで構成されるかこれらの組合せからなってもよい。
第一のナノファイバーの形成が完了した後、第二のナノファイバー配置ステップが実行される。第二のナノファイバー配置ステップで、第二のナノファイバーは一端である第一の電極210の他端側に、そして第二のナノファイバーの他端が隣接した異なる他の単位体の第二の電極220側に配置される構造を取り、第二のナノファイバー320は、第一のナノファイバーと異なるタイプを備える。
まず、第一のナノファイバーメッシュ310a及び第二のナノファイバーメッシュ320aを用意する。第一のナノファイバーメッシュと第二のナノファイバーメッシュのナノファイバー製造電気紡糸装置を利用して交互帯電方式を介した製造過程は先述したのと同様であるため、重複した説明は省略して前記したもので代替する。ここで、第一のナノファイバーメッシュ及び第二のナノファイバーメッシュは、nタイプまたはpタイプ導体/半導体を択一的に備える構成を取ることは先述した通りである。
10 ナノファイバー熱電発電モジュール
210 第一の電極
220 第二の電極
310 第一のナノファイバー
320 第二のナノファイバー
TH、TL 熱源
Claims (14)
- ナノファイバー熱電発電モジュールを製造する方法であって、
基板上に複数の第一の電極及び第二の電極を互いに離隔させて対向交互配置されるように形成する電極形成ステップと、
一端が前記第一の電極に連結され、他端が対向する第二の電極に連結されるように、nタイプまたはpタイプの半導体を備える第一のナノファイバーを配置する第一のナノファイバー配置ステップと、
一端が前記第一の電極に連結され、他端が対向する他の第二の電極に連結されるように、他のタイプの半導体を備える第二のナノファイバーを配置する第二のナノファイバー配置ステップと、
を含み、
前記第一のナノファイバー配置ステップは、
前記基板上にフォトレジストを用いて第一のナノファイバーを形成するための第一のナノファイバー開口を備える第一のナノファイバーパターンを形成する第一のナノファイバーパターン形成ステップと、
前記第一のナノファイバーを含む第一のナノファイバー束を用意して、前記第一のナノファイバー開口を含む前記第一のナノファイバーパターン側に転写実行させる第一のナノファイバー転写ステップと、
前記第一のナノファイバー束の一面上に保護層を形成する保護層形成ステップと、
前記第一のナノファイバーパターンをなすフォトレジストを除去するリフトオフステップと、
を含み、
前記第一のナノファイバー転写ステップは、
電気紡糸高電圧部によって高電圧が印加される電気紡糸ノズルから噴射された高分子化合物がスイッチング電源部によって交互帯電される電気紡糸帯電電極部の間に整列形成されるナノファイバーのうちnタイプまたはpタイプの半導体を備える第一のナノファイバーを含む第一のナノファイバー束を用意する第一のナノファイバー束用意ステップと、
前記第一のナノファイバー開口を含む前記第一のナノファイバーパターン側に転写実行させる第一のナノファイバー転写実行ステップと、
を含むことを特徴とするナノファイバー熱電発電モジュール製造方法。 - 前記第二のナノファイバー配置ステップは、
前記基板上にフォトレジストを用いて第二のナノファイバーを形成するための第二のナノファイバー開口を備える第二のナノファイバーパターンを形成する第二のナノファイバーパターン形成ステップと、
前記第二のナノファイバーを含む第二のナノファイバー束を用意して、前記第二のナノファイバー開口を含む前記第二のナノファイバーパターン側に転写実行させる第二のナノファイバー転写ステップと、
前記第二のナノファイバー束の一面上に保護層を形成する保護層形成ステップと、
前記第二のナノファイバーパターンをなすフォトレジストを除去するリフトオフステップと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載のナノファイバー熱電発電モジュール製造方法。 - 前記第二のナノファイバー転写ステップは、
電気紡糸高電圧部によって高電圧が印加される電気紡糸ノズルから噴射された高分子化合物がスイッチング電源部によって交互帯電される電気紡糸帯電電極部の間に整列形成されるナノファイバーのうち第一のナノファイバーと異なるタイプの半導体を備える第二のナノファイバーを含む第二のナノファイバー束を用意する第二のナノファイバー束用意ステップと、
前記第二のナノファイバー開口を含む前記第二のナノファイバーパターン側に転写実行させる第二のナノファイバー転写実行ステップと、
を含むことを特徴とする請求項2に記載のナノファイバー熱電発電モジュール製造方法。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の方法によって製造されるナノファイバー熱電発電モジュールであって、
前記基板は透明基板であり、前記第一の電極及び前記第二の電極は透明電極であり、前記基板を間に置いて一側から反対側への光の透光性が予め設定された透光性を備えることを特徴とするナノファイバー熱電発電モジュール。 - ナノファイバー熱電発電モジュールであって、
異なる二つの熱源の間に長さ方向に配置されるように積層形成される複数の単位体を備え、前記単位体は、
nタイプまたはpタイプの半導体を備える第一のナノファイバーを備える第一のナノファイバーメッシュと、
前記第一のナノファイバーと異なるタイプの第二のナノファイバーを備える第二のナノファイバーメッシュと、
前記第一のナノファイバーメッシュと前記第二のナノファイバーメッシュの間に介在されるインシュレーターレイヤーと、
前記第一のナノファイバーメッシュと前記第二のナノファイバーメッシュの端部を連結する第一の電極と、
一端は前記第二のナノファイバーメッシュに連結され、他端は隣接積層される他の単位体の第一のナノファイバーメッシュに連結される第二の電極と、
を含み、
少なくとも前記第一のナノファイバーメッシュと前記第二のナノファイバーメッシュは、各々積層投影時領域が交差するメッシュ交差領域及び非交差されるメッシュ非交差領域を備え、前記メッシュ非交差領域には前記第一の電極または第二の電極が配置されることを特徴とするナノファイバー熱電発電モジュール。 - 前記第一の電極及び第二の電極は、導電性スラリーまたは導電性ソリューションで形成されることを特徴とする請求項5に記載のナノファイバー熱電発電モジュール。
- 前記第一の電極及び第二の電極は、導電性フィルムまたは導電性ペーストで形成されることを特徴とする請求項5に記載のナノファイバー熱電発電モジュール。
- 前記第一の電極及び第二の電極は透明電極であり、前記インシュレーターレイヤーも予め設定された透光性を備えることを特徴とする請求項5から請求項7のいずれかに記載の ナノファイバー熱電発電モジュール。
- ナノファイバー熱電発電モジュール製造方法であって、
nタイプまたはpタイプの半導体を備える第一のナノファイバーを備える第一のナノファイバーメッシュと、前記第一のナノファイバーと異なるタイプの第二のナノファイバーを備える第二のナノファイバーメッシュを用意するナノファイバーメッシュ用意ステップと、
前記第一のナノファイバーメッシュ及び前記第二のナノファイバーメッシュを備える単位体を一つ以上積層する単位体積層ステップと、
を含むことを特徴とするナノファイバー熱電発電モジュール製造方法。 - 前記ナノファイバーメッシュ用意ステップは、
電気紡糸高電圧部によって高電圧が印加される電気紡糸ノズルから噴射された高分子化合物がスイッチング電源部によって交互帯電される電気紡糸帯電電極部の間に形成されるナノファイバーのうちnタイプまたはpタイプの半導体を備える第一のナノファイバーを含む第一のナノファイバーメッシュを形成する第一のナノファイバーメッシュ形成ステップと、
電気紡糸高電圧部によって高電圧が印加される電気紡糸ノズルから噴射された高分子化合物がスイッチング電源部によって交互帯電される電気紡糸帯電電極部の間に形成されるナノファイバーのうち第一のナノファイバーと異なるタイプの半導体を備える第二のナノファイバーを含む第二のナノファイバーメッシュを形成する第二のナノファイバーメッシュ形成ステップと、
を含むことを特徴とする請求項9に記載のナノファイバー熱電発電モジュール製造方法。 - 前記単位体積層ステップは、
前記第一のナノファイバーメッシュを配置する単位体第一のナノファイバーメッシュ配置ステップと、
前記第一のナノファイバーメッシュの一面上にインシュレーターレイヤーを配置する単位体インシュレーターレイヤー配置ステップと、
前記インシュレーターレイヤーの一面上に第二のナノファイバーメッシュを配置する単位体第二のナノファイバーメッシュ配置ステップと、
前記第一のナノファイバーメッシュと前記第二のナノファイバーメッシュの端部を連結する第一の電極を形成する単位体第一の電極形成ステップと、
前記第二のナノファイバーメッシュの一面上にインシュレーターレイヤーを配置する単位体他インシュレーターレイヤー配置ステップと、
前記インシュレーターレイヤーの一面上に前記第一のナノファイバーメッシュを形成する他単位体第一のナノファイバーメッシュ配置ステップと、
一端を前記第二のナノファイバーメッシュにそして他端は他単位体の第一のナノファイバーメッシュに連結させる第二の電極を形成する単位体第二の電極形成ステップと、
を含むことを特徴とする請求項9に記載のナノファイバー熱電発電モジュール製造方法。 - 少なくとも前記第一のナノファイバーメッシュと前記第二のナノファイバーメッシュは、各々積層投影時領域が交差するメッシュ交差領域及び非交差されるメッシュ非交差領域を備え、
前記単位体第一のナノファイバーメッシュ配置ステップ及び前記単位体第二のナノファイバーメッシュ配置ステップでは、各々の前記第一の電極及び第二の電極は前記メッシュ非交差領域に形成されることを特徴とする請求項11に記載のナノファイバー熱電発電モジュール製造方法。 - 前記単位体第一の電極形成ステップ及び前記単位体第二の電極形成ステップは、
前記第一の電極及び第二の電極を形成する導電性スラリーまたは導電性ソリューションを塗布する電極塗布ステップと、
前記塗布された導電性スラリーまたは導電性ソリューションを硬化させる電極硬化ステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載のナノファイバー熱電発電モジュール製造方法。 - 前記単位体第一の電極形成ステップ及び前記単位体第二の電極形成ステップは、
前記第一の電極及び第二の電極を形成する導電性ペーストを塗布する電極塗布ステップと、
前記塗布された導電性ペーストを硬化させる電極硬化ステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載のナノファイバー熱電発電モジュール製造方法。
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