JP6524567B1 - 熱電素子、熱電装置、及び熱電素子の形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】形成が容易で、安定した特性を得られる熱電素子、熱電装置、及び熱電素子の製造方法を提供する。【解決手段】熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子１０であって、第１電極部３と、前記第１電極部３とは異なる仕事関数を有し、第１基板１の同一面上に前記第１電極部３と離間して配置する第２電極部４と、前記第１電極部３と前記第２電極部４との間に設けられ、ナノ粒子を含む中間部５と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
Description
本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子、熱電装置、及び熱電素子の形成方法に関する。
近年、熱エネルギー（絶対温度）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。特に、電極部の有する仕事関数の差分を利用した電気エネルギーの生成に関し、例えば特許文献１に開示された熱電素子等が提案されている。このような熱電素子は、電極に与える温度差を利用して電気エネルギーを生成する構成に比べて、様々な用途への利用が期待されている。
特許文献１では、エミッタ電極部と、コレクタ電極部と、前記エミッタ電極部及び前記コレクタ電極部の表面に分散して配置され、前記エミッタ電極部及び前記コレクタ電極部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、前記エミッタ電極部の仕事関数は前記コレクタ電極部の仕事関数よりも小さく、前記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。
ここで、熱電素子を熱電装置として用いる場合、得られる電流や電圧を高くするために、電極部分を積層した構成（積層体）が要求される。しかしながら、電極部分が直列に接続された積層体では、電極部分が１ヵ所でも短絡すると、異常発熱等を引き起こす恐れがある。このため、電極部分を積層した構成では、特性が安定しないことが懸念として挙げられる。
さらに、従来の前記球状ナノビーズの粒子を用いた熱電素子の電極構造は、微細なギャップを２枚の電極面で構成するもので、微小スペーサーあるいはナノビーズ糖を用いて微小ギャップ量を調整していた。このような従来のギャップ構造では、微小ギャップの形成がスペーサーの高さ精度で決定される、あるいは電極面内でのギャップの均一化が電極面精度に依存するので、形成が困難であった。
さらに、ギャップを設計通りに設定するのが困難であることから、出力安定の低下や、製造プロセスの複雑性からプロセスコストの増大につながり、実用性に対して問題があった。
そこで本発明は、上述した問題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、形成が容易で、安定した特性を得られる熱電素子、熱電装置、及び熱電素子の形成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電極部とは異なる仕事関数を有し、第１基板の同一面上に前記第１電極部と離間して配置される第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、ナノ粒子及び前記ナノ粒子を分散した溶媒を含む中間部とを備え、前記ナノ粒子は、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し、前記第１電極部の上面及び前記第２電極部の上面は、前記溶媒に接す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１電極部と前記第２電極部は、各々櫛歯状の形状であることを特徴とする。
第３発明に係る熱電素子は、第１発明において、前記第１電極部と前記第２電極部は、各々渦状または環状の形状であ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〜第３発明の何れかにおいて、前記第１電極部と、前記第２電極部との間の第１距離は、１０μｍ以下であり、前記ナノ粒子の直径は、前記第１距離の１／１０以下であることを特徴とする。
第５発明に係る熱電素子は、第１発明〜第４発明の何れかにおいて、前記ナノ粒子は、表面に設けられた前記ナノ粒子とは異なる材料の皮膜を有し、前記皮膜の厚さは、０．２ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であることを特徴とする。
第６発明に係る熱電素子は、第１発明〜第５発明の何れかにおいて、前記中間部は、６０℃以上の沸点を有する前記溶媒を含むことを特徴とする。
第７発明に係る熱電素子は、第１発明〜第６発明の何れかにおいて、前記中間部は、当該中間部に接する第２基板と絶縁部とを、さらに有することを特徴とする。
第８発明に係る熱電装置は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電装置であって、絶縁性を有する第１基板と、第１電極部と、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有し、前記第１基板の同一面上に前記第１電極部と離間して配置された第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、ナノ粒子及び前記ナノ粒子を分散した溶媒を含む中間部と、をそれぞれ有し、前記第１電極部及び前記第２電極部と電気的に接続された第１配線及び第２配線と、を備え、前記ナノ粒子は、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し、前記第１電極部の上面及び前記第２電極部の上面は、前記溶媒に接することを特徴とする。
第９発明に係る熱電装置は、第８発明において、前記第１電極部と前記第２電極部は、各々櫛歯状の形状であること特徴とする。
第１０発明に係る熱電装置は、第８発明において、前記第１電極部と前記第２電極部は、各々渦状または環状の形状であること特徴とする。
第１１発明に係る熱電装置は、第８発明〜第１０発明の何れかにおいて、前記中間部は、当該中間部に接する第２基板および絶縁部を有すること特徴とする。
第１２発明に係る熱電素子の形成方法は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の形成方法であって、第１基板上に第１電極を形成する第１工程と、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有し、前記第１基板の同一面上に前記第１電極部と離間して第２電極部を形成する第２工程と、前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられた、ナノ粒子及び前記ナノ粒子を分散した溶媒を含む中間部を形成する第３工程と、を備え、前記ナノ粒子は、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し、前記第１電極部の上面及び前記第２電極部の上面は、前記溶媒に接することを特徴とする。
第１３発明に係る熱電素子の形成方法は、第１２発明において、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の形成方法であって、前記第１工程と前記第２工程は、前記第１電極部と前記第２電極部とを各々櫛歯状に形成することを特徴とする。
第１４発明に係る熱電素子の形成方法は、第１２発明において、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の形成方法であって、前記第１電極部と前記第２電極部とを各々渦状または環状に形成することを特徴とする。
第１５発明に係る熱電素子の形成方法は、第１２発明〜第１４発明の何れかにおいて、前記第３工程は、前記第１工程、前記第２工程の後に行われ、前記中間部に接する第２基板および絶縁部を形成する形成工程とをさらに有することを特徴とする。
第１発明〜第７発明によれば、第１電極部と第２電極部は、第１基板の同一面上に薄く広い面積の形状の構成を有する。これにより、電極間のギャップ量を正確に、かつ簡易に製造することができ、熱電素子の特性を設計通りに設定できる。このため、複数熱電素子を製作した際の性能のばらつきを低く抑えられる。従って、形成が容易で、安定した特性を実現することが可能となる。
さらに、同一第１基板上に電極を形成するので、温度変化の際にも電極間のギャップは変化せず、一定にすることができ、これにより、温度変化した際にも安定した出力特性を得ることが可能となる。また、各電極部および中間部の形状の自由度が増し、効率的で安定した特性を得ることが可能となる。
特に、第２発明および第３発明によれば、第１基板の同一面上の電極部の形状は、櫛形、渦状または環状の熱電素子の構成を有する。このため、第１基板の面積や電極部の組み合わせによる最適な構成とすることができる。これにより、設置場所や用途に応じ、効率的で安定した特性を得ることができる。電極間のギャップ量を正確に、かつ簡易に製造することができ、熱電素子の特性を設計値通りに設定できる。さらに、複数熱電素子を製作した際の性能のばらつきも低く抑えられる。
特に、第７発明によれば、中間部はナノ粒子が充填され、絶縁部で中間部は封じられた熱電素子の構成を有する。このため、電極やナノ粒子の劣化を抑制できる。これにより、安定した特性を得ることが可能となる。
第８発明〜第１１発明によれば、第１電極部と第２電極部は、第１基板の同一面上に薄く広い面積の形状の構成を有する。これにより、電極間のギャップ量を正確に、かつ簡易に製造することができ、熱電素子の特性を設計通りに設定できる。このため、複数熱電素子を製作した際の性能のばらつきを低く抑えられる。従って、形成が容易で、安定した特性を実現することが可能となる。
第８発明〜第１１発明によれば、第１電極部と第２電極部は、第１基板の同一面上に薄く広い面積の形状の構成を有し、第１電極部及び第２電極部と電気的に接続された第１配線及び第２配線を自由に配置できる。これにより、設置場所や用途に応じ、効率的で安定した設計及び特性を得ることができる。さらに、電極間のギャップ量を正確に、かつ簡易に製造することができ、熱電素子の特性を設計値通りに設定できる。また、複数熱電素子を製作した際の勢の性能のばらつきも低く抑えられる。電極部および中間部の形状の自由度が増し、効率的で安定した特性を得ることが可能となる。
特に、第９発明および第１０発明によれば、第１基板の同一面上の電極部の形状は、櫛形、渦状または環状の熱電装置の構成を有する。このため、第１基板の面積や電極部の組み合わせによる最適な構成とすることができる。これにより、温度変化した際にも安定した出力特性を得ることが可能となる。また、各電極部および中間部の形状の自由度が増し、効率的で安定した特性を得ることが可能となる。
特に、第１１発明によれば、中間部はナノ粒子が充填され、絶縁部で中間部を封じる熱電装置の構成を有する。これにより、電極間のギャップ量を正確に、かつ簡易に製造することができ、熱電素子の特性を設計通りに設定できる。このため、複数熱電素子を製作した際の性能のばらつきを低く抑えられる。
第１２発明及び第１５発明によれば、第１基板上に第１電極を形成し、その後に、第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極を基板の同一面上に、第１電極部と離間させ、中間部を形成する。これにより、電極間のギャップ量を正確に、かつ簡易に製造することができ、熱電素子の特性を設計通りに設定できる。このため、複数熱電素子を製作した際の性能のばらつきを低く抑えられる。従って、形成が容易で、安定した特性を実現することが可能となる。
また、各電極部の形状に数（櫛歯状の場合は櫛の駆使の本数、渦状または環状の場合は環または渦の巻き数）に応じて熱電素子を同一第１基板上に電極を形成するので、温度変化の際にも電極間のギャップは変化せず、一定にすることができる。これにより、温度変化した際にも安定した出力特性を得ることが可能となる。また、各電極部および中間部の形状の自由度が増し、効率的で安定した特性を得ることが可能となる。
以下、本発明の実施形態における熱電素子及び熱電装置の一例について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において各基板、各電極部等の積層される方向を積層方向Ｚとし、積層方向Ｚと交わる方向をそれぞれ第１方向Ｘ及び第２方向Ｙとする。
（熱電素子１０、熱電装置１００の構成）
図１を参照して、本実施形態における熱電素子１０および熱電装置１００の構成の一例について説明する。図１（ａ）は、本実施形態における櫛歯状の熱電素子１０および熱電装置１００を示す模式断面図であり、図１（ａ）は、図１（ｂ）におけるＢ−Ｂの模式平面断面図である。
図１を参照して、本実施形態における熱電素子１０および熱電装置１００の構成の一例について説明する。図１（ａ）は、本実施形態における櫛歯状の熱電素子１０および熱電装置１００を示す模式断面図であり、図１（ａ）は、図１（ｂ）におけるＢ−Ｂの模式平面断面図である。
図１（ｂ）は、本実施形態における櫛歯状の熱電素子１０および熱電装置１００を示す模式断面図であり、図１（ａ）におけるＡ−Ａの模式平面断面図である。
図１に示すように、熱電装置１００は、熱電素子１０において生成された電流を、第１配線１０１及び第２配線１０２に接続された負荷Ｒへ供給する。熱電装置１００は、例えば太陽光発電への応用のほか、例えばＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）デバイス、ウェアラブル機器等のモバイル機器又は自立型センサ端末内に設けられ、電池の代替又は補助として用いることができる。
熱電素子１０は、例えば電子デバイスのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、自動車のエンジン、工場の生産設備等を熱源として発生した熱エネルギーを、電気エネルギーに変換し、電流を生成することができる。熱電素子１０は、ベースとなる第１基板の上に形成され、例えば、アノード（第１電極部３：例えばアルミニウム）とカソード（第２電極部４：例えばプラチナ）を備え、例えばさらに中間部５と絶縁部６を備える。
＜基板＞
基板は、熱電素子１０のベースとなるもので、平面の形状を有しており、その平面上に複数の電極を形成する。基板は、熱電素子１０の土台となる下側の第１基板１と、蓋をする上側の第２基板２の計２枚を有する。この下側の第１基板１と上側の第２基板２の間に、第１電極部３、第２電極部４、および中間部５が配置される。この中間部５にはナノ粒子が充填される。この基板は、絶縁性を有するほか、例えば平滑性、耐熱性、又は低熱膨張性等に優れた特性を有することが好ましい。第１基板１及び第２基板２は、例えば薄板状のシリコンやガラス、又は樹脂（ポリイミド）等の材料を用いたフィルム状であり、材料としてＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、又はポリイミドが用いられるほか、例えば単結晶シリコンやガラスが用いられてもよい。基板の形状は、正方形、長方形、その他、円盤状であってもよい。
基板は、熱電素子１０のベースとなるもので、平面の形状を有しており、その平面上に複数の電極を形成する。基板は、熱電素子１０の土台となる下側の第１基板１と、蓋をする上側の第２基板２の計２枚を有する。この下側の第１基板１と上側の第２基板２の間に、第１電極部３、第２電極部４、および中間部５が配置される。この中間部５にはナノ粒子が充填される。この基板は、絶縁性を有するほか、例えば平滑性、耐熱性、又は低熱膨張性等に優れた特性を有することが好ましい。第１基板１及び第２基板２は、例えば薄板状のシリコンやガラス、又は樹脂（ポリイミド）等の材料を用いたフィルム状であり、材料としてＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、又はポリイミドが用いられるほか、例えば単結晶シリコンやガラスが用いられてもよい。基板の形状は、正方形、長方形、その他、円盤状であってもよい。
＜熱電素子＞
熱電素子１０は、第１基板１の上面方向Ｙに配置される。熱電素子１０の素材は、一例として、アノード電極にはアルミニウム（Ａｌ）とし、カソード電極にはプラチナ（Ｐｔ）が使用され、それらにより、電極が各々形成される。熱電素子１０（第１電極部３、第２電極部４）は複数の配線（配線１０１、配線１０２）と接続される。
熱電素子１０は、第１基板１の上面方向Ｙに配置される。熱電素子１０の素材は、一例として、アノード電極にはアルミニウム（Ａｌ）とし、カソード電極にはプラチナ（Ｐｔ）が使用され、それらにより、電極が各々形成される。熱電素子１０（第１電極部３、第２電極部４）は複数の配線（配線１０１、配線１０２）と接続される。
本実施形態によれば、第１電極部３と第２電極部４は、各々櫛歯状の形状を有しており、第１基板１の同一の平面上に互いに離間して隣接された状態で配置される。図１（ａ）において、第１電極部３の櫛歯は２本、第２電極部４の櫛歯は３本としたが、この櫛歯の本数は第１電極部３と第２電極部４において、同数でなくてもよい。
さらに、図１（ｂ）において、第１電極部３と第２電極部４の第１方向Ｘの高さはそろっている例を示したが、これら高さは均一である必要はなく、第１電極部３の各々、第２電極部４の各々の高さに相違があってもよい。この第１電極部３と第２電極部４の離間（隙間）は、第１基板１の面積に対して狭い方が好ましい。
熱電素子１０は、熱エネルギーが与えられると、第１電極部３及び第２電極部４から、中間部５に向けて熱電子が放出される。放出された熱電子は、中間部５内に分散されたナノ粒子を介して、第１電極部３又は第２電極部４に伝搬される。
＜配線＞
配線１０１及び１０２は、第１基板１上に形成される熱電素子１０に接続され、熱電素子１０の端子（端子１０４、端子１０５）から第２方向Ｙに伸びる。配線および端子は、導電性を有するほか、例えば埋め込み性、耐熱性、又は低熱膨張性等に優れた特性を有することが好ましい。配線として、例えばニッケル、銅、銀、金、タングステン、又はチタンを用いることができる。
配線１０１及び１０２は、第１基板１上に形成される熱電素子１０に接続され、熱電素子１０の端子（端子１０４、端子１０５）から第２方向Ｙに伸びる。配線および端子は、導電性を有するほか、例えば埋め込み性、耐熱性、又は低熱膨張性等に優れた特性を有することが好ましい。配線として、例えばニッケル、銅、銀、金、タングステン、又はチタンを用いることができる。
＜電極部＞
第１電極部３と第２電極部４は、第１基板１の上面に形成され、第１電極部３と第２電極部４は、電気的に離間する。第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにおいて、第１電極部３及び第２電極部４の厚さは、例えば１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。第１電極部３と、第２電極部４の間の距離（第１距離：電極間ギャップ）は、例えば１０μｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
第１電極部３と第２電極部４は、第１基板１の上面に形成され、第１電極部３と第２電極部４は、電気的に離間する。第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにおいて、第１電極部３及び第２電極部４の厚さは、例えば１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。第１電極部３と、第２電極部４の間の距離（第１距離：電極間ギャップ）は、例えば１０μｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
第１電極部３は、第２電極部４の仕事関数とは異なる仕事関数を有する。本実施形態では、第１電極部３の仕事関数は、第２電極部４の仕事関数よりも小さい。なお、本実施形態において第１電極部３カソード（陰極：−）、及び第２電極部４をアノード（陽極：＋）として説明するが、第１電極部３を陽極、及び第２電極部４を陰極としてもよい。この場合、第１電極部３の仕事関数は、第２電極部４の仕事関数よりも大きい。
例えば、第１電極部３としてタングステン（仕事関数：４．５５ｅＶ）が用いられるとき、第２電極部４として白金（仕事関数：５．６５ｅＶ）が用いられる。例えば、第１電極部３及び第２電極部４として、アルミニウム、チタンのほか、多層膜が用いられてもよく、仕事関数に応じて用いる材料を任意に選択してもよい。なお、第１電極部３及び第２電極部４の形成は、金属材料の蒸着、スパッタリング、又はインク化した金属材料をスクリーン印刷やインクジェット塗布等の方法で行うことで実現できる。
＜中間部＞
中間部５は、第１電極部３と第２電極部４との間に接して設けられる。中間部５は、例えばナノ粒子と、溶媒とを含む。中間部５は、例えばナノ粒子を分散した溶媒が充填された状態となる。
中間部５は、第１電極部３と第２電極部４との間に接して設けられる。中間部５は、例えばナノ粒子と、溶媒とを含む。中間部５は、例えばナノ粒子を分散した溶媒が充填された状態となる。
中間部５は、図２（a）に示すように、例えばナノ粒子１５と、溶媒１６を含む。中間部５は、例えばナノ粒子１５を分散した溶媒１６が充填された状態でとなる。中間部５は、例えば図２（ｂ）に示すように、溶媒１６を含まなくてもよく、ナノ粒子１５のみが充填された状態を示してもよい。また、例えば図１（ｂ）に示すように、絶縁部６で封止、あるいは、熱電素子１０が囲まれてもよい（図示せず）。
＜ナノ粒子＞
図２（ａ）を参照して、本実施形態における熱電素子１０および熱電装置１００の構成の一例について説明する。ナノ粒子１５は、第１電極部３の仕事関数と、第２電極部４の仕事関数との間の仕事関数を有し、例えば３．０ｅＶ以上５．５ｅＶ以下の仕事関数を有する。ナノ粒子１５として、例えば金及び銀の少なくとも何れかが用いられるほか、例えば上記の仕事関数の範囲を満たす材料が用いられてもよい。
図２（ａ）を参照して、本実施形態における熱電素子１０および熱電装置１００の構成の一例について説明する。ナノ粒子１５は、第１電極部３の仕事関数と、第２電極部４の仕事関数との間の仕事関数を有し、例えば３．０ｅＶ以上５．５ｅＶ以下の仕事関数を有する。ナノ粒子１５として、例えば金及び銀の少なくとも何れかが用いられるほか、例えば上記の仕事関数の範囲を満たす材料が用いられてもよい。
ナノ粒子１５として、例えば電極間ギャップの１／１０以下である粒子径が用いられ、具体的には２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の粒子径が用いられるほか、例えば平均粒径（Ｄ５０）３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径が用いられてもよい。なお、平均粒径は、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）により測定することができる。
ナノ粒子１５は、例えば表面に設けられたナノ粒子とは異なる材料の皮膜１５ａを有する。その被膜１５ａとして、例えばシリコン酸化物又はアルミナ等の金属酸化物が用いられるほか、例えばアルカンチオール等の有機化合物や、シリコン等の半導体が用いられてもよい。被膜１５ａの厚さは、例えば０．２ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。
溶媒として、沸点が６０℃以上の液体が用いられ、例えば有機溶媒及び水の少なくとも何れかが用いられる。有機溶媒として、例えばメタノール、エタノール、トルエン、キシレン、アルカンチオール、テトラデカン等が用いられる。
本実施形態によれば、熱電素子１０に熱エネルギーが与えられると、第１電極部３及び第２電極部４から、中間部５に向けて熱電子ｅが放出される。放出された熱電子は、中間部５内に分散されたナノ粒子１５を介して、第１電極部３又は第２電極部４に伝搬される。
ここで、放出される熱電子の量は、各電極部の仕事関数に依存し、仕事関数が小さい材料ほど多く放出される傾向を示す。すなわち、第２電極部４よりも仕事関数の小さい第１電極部３から、熱電子が多く放出される。このため、中間部５に放出された全熱電子のうち、第２電極部４から第１電極部３へ移動する熱電子の量に比べて、第１電極部３から第２電極部４へ移動する熱電子の量が多い傾向を示す。これにより、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、第２電極部４から第１電極部３に向かう電流が生成される。
第１電極部３から放出される熱電子の度合いは、主に、熱エネルギーに依存するほか、第１電極部３の仕事関数及び第２電極部４の仕事関数、並びに電極間ギャップに依存する。このため、第１電極部３と第２電極部４との間の距離を短くすることにより、電気エネルギーの発生量を増加させることが可能となる。
特に、第１電極部３として、高融点金属（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ｍｅｔａｌ）以外の１層から構成されていることが望ましい。ここで、高融点金属とは、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウムを示す。第１電極部３として、例えばアルミニウム、ケイ素、六ほう化ランタン（ＬａＢ6）、又はグラフェン等のカーボン系材料の何れかが用いられる。特に、アルミニウムは加工性に優れ、ケイ素は生産性に優れ、六ほう化ランタンは仕事関数が小さいため、用途に応じて材料を選択することができる。また、上述した材料は、何れも高温下にて用いることができる。これにより、電気エネルギーの発生量を増加させることが可能となる。
ナノ粒子を分散させた溶媒１６は、第２基板２と、第１電極部３および第２電極部４との間、並びに第１電極部３と第２電極部４との間における極小の空間に、例えば、毛細管現象などを利用して充填され、中間部５が形成される。その後に中間部５を封止する。この封止には、絶縁性を有している材料であれば良く、例えば、基板などと同種の材料であればよい。
＜絶縁部＞
絶縁部６は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、第１基板が第１電極部３及び第２電極部４と接していない箇所に設けられ、中間部５に含まれるナノ粒子の流出を封止する。図１（ａ）および図（ｂ）において、熱電素子１０のそれぞれ第１方向Ｘ側の側面に絶縁部６を有しているが、熱電素子１０の第１基板の外側または第１電極部３および第２電極部４の配線１０１、１０２側（端子側）に設けてもよい。
絶縁部６は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、第１基板が第１電極部３及び第２電極部４と接していない箇所に設けられ、中間部５に含まれるナノ粒子の流出を封止する。図１（ａ）および図（ｂ）において、熱電素子１０のそれぞれ第１方向Ｘ側の側面に絶縁部６を有しているが、熱電素子１０の第１基板の外側または第１電極部３および第２電極部４の配線１０１、１０２側（端子側）に設けてもよい。
なお、絶縁部６は、絶縁性を有した材料であることが好ましく、例えば、基板と同じ種類の材料であってもよい。例えば平滑性、耐熱性、又は低熱膨張性等に優れた特性を有することが好ましい。例えば薄板状のシリコンやガラス、又は樹脂（ポリイミド）等の材料を用いたフィルム状であり、材料としてＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、又はポリイミドが用いられるほか、例えば単結晶シリコンやガラスが用いられてもよい。
（熱電素子１０の製造方法）
次に、図３〜図７を参照して、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の一例について説明する。図３〜５は、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の一例を示すフローチャートである。図６及び図７は、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の一例を示す模式断面図である。
次に、図３〜図７を参照して、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の一例について説明する。図３〜５は、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の一例を示すフローチャートである。図６及び図７は、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の一例を示す模式断面図である。
図３に示すように、本実施形態における熱電素子１０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形成方法であって、第１基板上に第１電極を形成する第１工程（Ｓ１１０）と、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有し、前記第１基板の同一面上に前記第１電極部と離間して第２電極部を形成する第２工程（Ｓ１２０）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、ナノ粒子を含む中間部を形成する第３工程（Ｓ１３０）とを備える。
図４は、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の一例で、２種類の金属を２回のプロセスで別々に分けて形成する処理を示すフローチャートである。図６は、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の一例で、２種類の金属を２回のプロセスで別々に分けて形成する処理を示す模式断面図であり、上記Ｓ１１０〜Ｓ１３０の各工程を含む。
＜ステップ２１１〜ステップ２１３＞
まず、Ｓ２１１において、第１電極部３と第２電極部４を形成にする第１基板を形成する第１基板は、ガラスあるいはシリコン、または耐熱性の樹脂基板（ポリイミド等）が用いられ、第１基板１の表面に形成する第１電極部３の形成のための準備が行われる。
まず、Ｓ２１１において、第１電極部３と第２電極部４を形成にする第１基板を形成する第１基板は、ガラスあるいはシリコン、または耐熱性の樹脂基板（ポリイミド等）が用いられ、第１基板１の表面に形成する第１電極部３の形成のための準備が行われる。
次に、Ｓ２１２において、第１基板１に上面に最初の金属（一例として、アルミニウム）が第１電極部３として、例えばスパッタリング方法により、第１基板１の表面上に形成される。これは、第１電極部３に使用する薄膜原料となるアルミニウムを所定の機器（チャンバー：図示せず）に第１基板１をセットした後、真空状態とし、その後にアルゴンガスを注入するなどの処理を行い、アルミニウムの薄膜形成の処理を行う。
Ｓ２１３において、第１基板１に電極部のパターン描写（櫛歯状、渦状または環状などの１対の片方のパターン）、レジスト、露光などの処理を行い、現像および硬膜の処理を行い、未露光部分からレジストを除去する。
この後に、アルミニウム部分を露出させ、レジストに覆われていないアルミニウムの露出部を溶解除去し、アルミニウムの薄膜を形成した後、エッチング処理を行い、第１電極部３の形状（櫛歯状、渦状または環状）の通りに加工を行う。その後、剥離処理を行い、エッチング加工した第１基板１の表面上のレジストを除去する。
＜ステップ２１４〜ステップ２１５＞
Ｓ２１４において、Ｓ２１３までの工程で形成した後、第２の金属（一例として、プラチナ）が第２電極部４として、例えばスパッタリング方法により、第１電極部３を形成した第１基板１の同一面上に対して行われる。本工程では、第２電極部４に使用する薄膜原料となるプラチナを所定の機器（チャンバー：図示せず）に第１電極部３がエッチングされた第１基板１をセットした後、真空状態とし、その後にアルゴンガスを注入するなどの処理を行い、プラチナの薄膜形成の処理を行う。
Ｓ２１４において、Ｓ２１３までの工程で形成した後、第２の金属（一例として、プラチナ）が第２電極部４として、例えばスパッタリング方法により、第１電極部３を形成した第１基板１の同一面上に対して行われる。本工程では、第２電極部４に使用する薄膜原料となるプラチナを所定の機器（チャンバー：図示せず）に第１電極部３がエッチングされた第１基板１をセットした後、真空状態とし、その後にアルゴンガスを注入するなどの処理を行い、プラチナの薄膜形成の処理を行う。
Ｓ２１５において、第１基板１の第１電極部３のパターン描写（櫛歯状、渦状または環状などの他の１対の残パターン）、レジスト、露光などの処理を行い、現像および硬膜の処理を行い、未露光部分からレジストを除去する。
その後、プラチナ部分を露出させ、レジストに覆われていない金属の露出部を溶解除去し、アルミニウムの薄膜を形成した後、エッチング処理を行い、第２電極部４の形状（櫛歯状、渦状または環状）の通りに加工を行う。その後、剥離処理を行い、エッチング加工した第１基板１の表面上のレジストを除去する。このような工程を行い、第１基板１の同一表面上に第１電極部３と第２電極部４の各々のパターンを離間して形成することができる。
＜ステップ２１６〜ステップ２１８＞
次に、ナノ粒子１５及び溶媒１６を含む中間部５を形成する。中間部５は、表面に形成された第１電極部３及び第２電極部４と、第２基板２と、絶縁部６によるシーリングした間に形成される。この空間（中間部５）の微小空間（未充填部分）にナノ粒子１５を充填し、これにより、熱電素子の変換部が形成される。
次に、ナノ粒子１５及び溶媒１６を含む中間部５を形成する。中間部５は、表面に形成された第１電極部３及び第２電極部４と、第２基板２と、絶縁部６によるシーリングした間に形成される。この空間（中間部５）の微小空間（未充填部分）にナノ粒子１５を充填し、これにより、熱電素子の変換部が形成される。
例えば、基板１、２及び第１電極部３、第２電極部４及び絶縁部６からなる熱電素子１０をナノ粒子１５の原液に浸すことで、毛細管現象によって中間部５の微小空間（未充填部分）に充填することができる。中間部５は、第２方向Ｙにおける側面からシーリングされていない所定箇所からに充填される。
そして、第１電極部３と第２電極部４に各々端子（端子１０４、端子１０５）が形成され、その各端子（端子１０４、端子１０５）に、各配線（配線１０４、配線１０５）が形成される。
なお、他の形成方法として、例えば半導体素子形成プロセスで用いられる手法で実現してもよく、例えばスクリーン印刷法、エッチング法、インクジェット法、及びメッキ法の少なくとも何れかを用いて形成される。
ここで、図６（ａ）〜図６（ｆ）は、図４の本実施形態における熱電素子の製造方法の例を示す模式断面図であり、上記Ｓ１１０〜Ｓ１３０の各工程を含む。
図６（ａ）〜（ｃ）は、図４のＳ２１１〜Ｓ２１３の各工程に相当し、第１基板１を形成し、第１基板１の表面上にアルミニウムの薄膜を形成し、その後、第１電極部３が形成される。この場合、電極部のいずれか１方のパターンのみ形成される。
図６（ｄ）〜（ｅ）は、図４のＳ２１４〜Ｓ２１５に相当し、第１電極部３を形成した第１基板１に第２電極部４を形成する。
図６（ｆ）は、図４のＳ２１６〜Ｓ２１８の各工程に相当し、中間部５の形成、中間部５の微小空間を確保するためのシーリング、ナノ粒子１５の充填と充填したナノ粒子１５の封止のためのシーリングである絶縁部６で形成する。
また、本実施形態によれば、同一面上の電極間のギャップ量を正確に、かつ簡易に製造することができ、熱電素子の特性を設計通りに設定できる。このため、複数熱電素子を製作した際の性能のばらつきを低く抑えられる。
さらに、同一基板上に各々の電極部を形成するので、温度変化の際にも電極間のギャップは変化せず、一定にすることができ、これにより、温度変化した際にも安定した出力特性を得ることが可能となる。さらに、各電極部および中間部の形状の自由度が増し、効率的で安定した特性を得ることが可能となる。
（熱電素子１０の製造方法の変形例）
次に、図５を参照して、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の変形例について説明する。図５は、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の変形例を示すフローチャートであり、１種類の金属で電極パターンを形成した後、アノードあるはカソードのいずれか一方の金属を電解メッキ法で形成する処理を示すフローチャートである。図７は、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の一例で、１種類の金属で電極パターンを形成した後、アノードあるはカソードのいずれか一方の金属を電解メッキ法で形成する処理を示す模式断面図である。
次に、図５を参照して、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の変形例について説明する。図５は、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の変形例を示すフローチャートであり、１種類の金属で電極パターンを形成した後、アノードあるはカソードのいずれか一方の金属を電解メッキ法で形成する処理を示すフローチャートである。図７は、本実施形態における熱電素子１０の製造方法の一例で、１種類の金属で電極パターンを形成した後、アノードあるはカソードのいずれか一方の金属を電解メッキ法で形成する処理を示す模式断面図である。
＜ステップ３１１〜ステップ３１３＞
まず、Ｓ３１１において、第１電極部３と第２電極部４を形成にする基板を形成する基板は、ガラスあるいはシリコン、または耐熱性の樹脂基板（ポリイミド等）が用いられ、第１基板１の表面に形成する第１電極部３（あるいは第２電極部４）の形成のための準備が行う。
まず、Ｓ３１１において、第１電極部３と第２電極部４を形成にする基板を形成する基板は、ガラスあるいはシリコン、または耐熱性の樹脂基板（ポリイミド等）が用いられ、第１基板１の表面に形成する第１電極部３（あるいは第２電極部４）の形成のための準備が行う。
次に、Ｓ３１２において、第１基板１に上面に最初の金属（一例として、アルミニウム）が第１電極部３として、スパッタリング方法により、第１基板１の表面上に形成される。これは、第１電極部３に使用する薄膜原料となるアルミニウムを所定の機器（チャンバー：図示せず）に第１基板１をセットした後、真空状態とし、その後にアルゴンガスを注入するなどの処理を行い、アルミニウムの薄膜形成の処理を行う。
Ｓ３１３において、第１基板１に電極部のパターン描写（櫛歯状、渦状または環状などの１対の２つのパターン）、レジスト、露光などの処理を行い、現像および硬膜の処理を行い、未露光部分からレジストを除去する。ここでは、１種類の金属で全電極部のパターンを形成し、その上に、第２電極部４の金属をカバーするため、最初の形成では１対の２つのパターンとなる。
＜ステップ３１４＞
まず、Ｓ３１４において、すでに形成された第１電極部３で形成された全パターンの中から、第２電極部４に相当する部分の箇所に対してのみ、電解メッキ法で部分的に被膜する。
まず、Ｓ３１４において、すでに形成された第１電極部３で形成された全パターンの中から、第２電極部４に相当する部分の箇所に対してのみ、電解メッキ法で部分的に被膜する。
このような工程を行い、第１基板１の同一表面上に形成した第１電極部３のうち、第２電極部４で形成する部分のみ電解メッキ法により別の金属材で電気的にも構造的にも離間して形成することができる。
＜ステップ３１５〜ステップ３１７＞
次に、ナノ粒子及び溶媒を含む中間部５を形成する。中間部５は、表面に形成された第１電極部３及び第２電極部４と、基板２と、絶縁部６によるシーリングした間に形成される。この空間（中間部５）の微小空間（未充填部分）にナノ粒子１５を充填し、これにより、熱電素子の変換部が形成される。
次に、ナノ粒子及び溶媒を含む中間部５を形成する。中間部５は、表面に形成された第１電極部３及び第２電極部４と、基板２と、絶縁部６によるシーリングした間に形成される。この空間（中間部５）の微小空間（未充填部分）にナノ粒子１５を充填し、これにより、熱電素子の変換部が形成される。
例えば、基板１、２及び第１電極部３、第２電極部４及び絶縁部６からなる熱電素子１０をナノ粒子１５の原液に浸すことで、毛細管現象によって中間部５の微小空間（未充填部分）に充填することができる。中間部５は、第２方向Ｙにおける側面からシーリングされていない所定箇所からに充填される。その後、例えば積層部の側面を絶縁材料等で覆うことで、中間部５の充填不良等を抑制することができる。
ここで、図７（ａ）〜図７（ｆ）は、前述の図５の本実施形態における熱電素子の製造方法の例を示す模式断面図である。
図７（ａ）〜（ｃ）は、図５のＳ３１１〜Ｓ３１３の各工程に相当し、第１基板１を形成し、第１基板１の表面上にアルミニウムの薄膜を全てのパターンでスパッター処理し、その後、第１電極部３で全パターンの電極部を１度に形成する。
図７（ｄ）は、図５のＳ３１４に相当し、第１電極部３で形成した第２電極部４に相当する箇所に、部分的に電解メッキを行い、第２電極部４を形成する。図７（ｅ）は、図５のＳ３１５〜Ｓ３１８に相当し、中間部５の形成、中間部５の微小空間を確保するためのシーリング、ナノ粒子１５の充填と充填したナノ粒子１５の封止のためのシーリングである絶縁部６で形成する。
また、本実施形態によれば、同一面上の電極間のギャップ量を正確に、かつ簡易に製造することができ、熱電素子の特性を設計通りに設定できる。このため、複数熱電素子を製作した際の性能のばらつきを低く抑えられる。
さらに、同一基板上に各々の電極部を形成するので、温度変化の際にも電極間のギャップは変化せず、一定にすることができ、これにより、温度変化した際にも安定した出力特性を得ることが可能となる。さらに、各電極部および中間部の形状の自由度が増し、効率的で安定した特性を得ることが可能となる。
図８（ａ）及び図８（ｂ）に、実施形態における渦状の熱電素子及び熱電装置の構成の一例を示す。図８（ａ）は、図８（ｂ）におけるＢ−Ｂの模式断面図であり、渦巻状の１対（２本）の各々電極部を備え、渦巻きの一方が第１電極部３の渦状のパターンであり、他方の渦状のパターンが第２電極部４となる。各々第１電極部３と第２電極部４は離間して第１基板１の平面状に形成される。中間部５は絶縁部でシーリングされ、ナノ粒子１５が充填される。
また、図８（ｃ）及び図８（ｄ）に、実施形態における環状の熱電素子及び熱電装置の構成の一例を示す。図８（ｃ）は、図８（ｄ）におけるＢ−Ｂの模式断面図であり、異なる直径の環状のパターンの組み合わせとなる。各々電極部を備え、環状のパターンに通電させるため、環状の中心には直線のパターンとの組み合わせとなる。中間部５の内部にはナノ粒子１５が充填する。中間部５は、ナノ粒子の充填がしやすいように内部で閉ざされておらず、自由に行き来できるパターンとなっている。
図８（ａ）、（ｃ）の渦状または環状の形状は、各電極部の形状に数（櫛歯状の場合は櫛の駆使の本数、渦状または環状の場合は環または渦の巻き数）に応じて熱電素子を同一基板上に電極を形成するので、温度変化の際にも電極間のギャップは変化せず、一定にすることができる。これにより、温度変化した際にも安定した出力特性を得ることが可能となる。また、各電極部および中間部の形状の自由度が増し、効率的で安定した特性を得ることが可能となる。
本実施形態における熱電素子の形成方法は、第１基板１の上面に第１電極３を形成する第１工程と、前記第１電極部３とは異なる仕事関数を有し、前記第１基板１の同一の平面上に前記第１電極部３と離間して第２電極部４を形成する第２工程と、前記第１電極部３と前記第２電極部４との間に設けられた、ナノ粒子１５を含む中間部５を形成する第３工程とを備える。
そして、前記第１工程と第２工程は、前記第１電極部３と前記第２電極部４とを各々櫛歯状に形成される工程を備える。また、前記第１工程と第２工程は、前記第１電極部３と前記第２電極部４とを各々渦状または環状に形成される工程を備える。さらに、前記第３工程は、前記第１工程、第２工程の後に行われ、前記中間部５に接する第２基板および絶縁部６の形成工程と備える。
上述した内容と同様に、電極間のギャップ量を正確に、かつ簡易に製造することができ、熱電素子の特性を設計通りに設定できる。このため、複数熱電素子を製作した際の性能のばらつきを低く抑えられる。従って、形成が容易で、安定した特性を実現することが可能となる。
本発明の実施形態を説明したが、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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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とその均等の範囲に含まれる。
１ ：第１基板
２ ：第２基板
３ ：第１電極部
４ ：第２電極部
５ ：中間部
６ ：絶縁体
１０ ：熱電素子
１５ ：ナノ粒子
１５ａ ：被膜
１６ ：溶媒
１００ ：熱電装置
１０１ ：第１配線
１０２ ：第２配線
１０４ ：端子
１０５ ：端子
Ｒ ：負荷
Ｘ ：第１方向
Ｙ ：第２方向
Ｚ ：積層方向
ｅ ：熱電子
２ ：第２基板
３ ：第１電極部
４ ：第２電極部
５ ：中間部
６ ：絶縁体
１０ ：熱電素子
１５ ：ナノ粒子
１５ａ ：被膜
１６ ：溶媒
１００ ：熱電装置
１０１ ：第１配線
１０２ ：第２配線
１０４ ：端子
１０５ ：端子
Ｒ ：負荷
Ｘ ：第１方向
Ｙ ：第２方向
Ｚ ：積層方向
ｅ ：熱電子
Claims (15)
- 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電極部とは異なる仕事関数を有し、第１基板の同一面上に前記第１電極部と離間して配置された第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、ナノ粒子及び前記ナノ粒子を分散した溶媒を含む中間部と、
を備え、
前記ナノ粒子は、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し、
前記第１電極部の上面及び前記第２電極部の上面は、前記溶媒に接すること
を特徴とする熱電素子。 - 前記第１電極部と前記第２電極部は、各々櫛歯状の形状であること
を特徴とする請求項１記載の熱電素子。 - 前記第１電極部と前記第２電極部は、各々渦状または環状の形状であること
を特徴とする請求項１記載の熱電素子。 - 前記第１電極部と、前記第２電極部との間の第１距離は、１０μｍ以下であり、
前記ナノ粒子の直径は、前記第１距離の１／１０以下であること
を特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の熱電素子。 - 前記ナノ粒子は、表面に設けられた前記ナノ粒子とは異なる材料の皮膜を有し、
前記被膜の厚さは、０．２ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であること
を特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の熱電素子。 - 前記中間部は、６０℃以上の沸点を有する前記溶媒を含むこと
を特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の熱電素子。 - 前記中間部は、当該中間部に接する第２基板と絶縁部とを、さらに有すること
を特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の熱電素子。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電装置であって、
絶縁性を有する第１基板と、
第１電極部と、
前記第１電極部とは異なる仕事関数を有し、前記第１基板の同一面上に前記第１電極部と離間して配置された第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、ナノ粒子及び前記ナノ粒子を分散した溶媒を含む中間部と、
をそれぞれ有し、
前記第１電極部及び前記第２電極部と電気的に接続された第１配線及び第２配線と、
を備え、
前記ナノ粒子は、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し、
前記第１電極部の上面及び前記第２電極部の上面は、前記溶媒に接すること
を特徴とする熱電装置。 - 前記第１電極部と前記第２電極部は、各々櫛歯状の形状であること
を特徴とする請求項８記載の熱電装置。 - 前記第１電極部と前記第２電極部は、各々渦状または環状の形状であること
を特徴とする請求項８記載の熱電装置。 - 前記中間部は、当該中間部に接する第２基板および絶縁部を有すること
を特徴とする請求項８〜１０の何れか１項記載の熱電装置。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の形成方法であって、
第１基板上に第１電極を形成する第１工程と、
前記第１電極部とは異なる仕事関数を有し、前記第１基板の同一面上に前記第１電極部と離間して第２電極部を形成する第２工程と、
前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられた、ナノ粒子及び前記ナノ粒子を分散した溶媒を含む中間部を形成する第３工程と、
を備え、
前記ナノ粒子は、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し、
前記第１電極部の上面及び前記第２電極部の上面は、前記溶媒に接すること
を特徴とする熱電素子の形成方法。 - 前記第１工程と前記第２工程は、前記第１電極部と前記第２電極部とを各々櫛歯状に形成すること
を特徴とする請求項１２記載の熱電素子の形成方法。 - 前記第１工程と前記第２工程は、前記第１電極部と前記第２電極部とを各々渦状または環状に形成すること
を特徴とする請求項１２記載の熱電素子の形成方法。 - 前記第３工程は、前記第１工程、前記第２工程の後に行われ、
前記中間部に接する第２基板および絶縁部を形成する形成工程とを、さらに有すること
を特徴とする請求項１２〜１４の何れか１項記載の熱電素子の形成方法。
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