JP6684076B2 - Thermoelectric conversion element - Google Patents
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Description
本発明は、熱電変換素子に関し、特に、スピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion element, and more particularly to a thermoelectric conversion element utilizing the spin Seebeck effect.
従来、磁性誘電体からなる熱スピン波スピン流発生部材に、逆スピンホール効果部材を設けた熱電変換素子が提案されていた(例えば、特許文献1参照)。熱電変換素子は、熱スピン波スピン流発生部材の厚さ方向に温度勾配を設けるとともに、磁場印加手段により逆スピンホール効果部材の長手方向と直交する方向に磁場Hを印加して逆スピンホール効果部材の両端から熱起電力Vを取り出していた。 Conventionally, there has been proposed a thermoelectric conversion element in which an inverse spin Hall effect member is provided in a thermal spin wave spin current generating member made of a magnetic dielectric (for example, refer to Patent Document 1). In the thermoelectric conversion element, a temperature gradient is provided in the thickness direction of the thermal spin wave spin current generating member, and a magnetic field H is applied by a magnetic field applying means in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the inverse spin Hall effect member to cause the inverse spin Hall effect. The thermoelectromotive force V was taken out from both ends of the member.
上記熱電変換素子における磁性誘電体として、ガーネットフェライト、MnxZn1−xFe2O4(但し、0<x<1)等のスピネルフェライト、或いは、六方晶フェライト、YIG(イットリウム鉄ガーネット)やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとY3Fe5−xGaxO12(但し、0≦x<5)からなるガーネットフェライト、或いは、YIGのYサイトをLa等の原子で置換したガーネットフェライト、例えば、LaY2Fe5O12等が提案されていた。 As the magnetic dielectric in the thermoelectric conversion element, garnet ferrite, spinel ferrite such as MnxZn1-xFe2O4 (where 0 <x <1) or hexagonal ferrite, YIG (yttrium iron garnet) or yttrium gallium iron garnet, that is, When expressed by a general formula, a garnet ferrite composed of Y3Fe5-xGaxO12 (where 0 ≦ x <5) or a garnet ferrite in which the Y site of YIG is replaced with an atom such as La, for example, LaY2Fe5O12, has been proposed.
また、上記熱スピン波スピン流発生部材に相当するものとして、所定の粒子径を有する磁性体粒子の融着体が提案されていた(例えば、特許文献2参照)。そして、その磁性体粒子を構成する材質として、イットリウム鉄ガーネットY3Fe5−xGaxO12(但し、x<5、YIG)、ガーネットフェライトMnxZn1−xFe2O4(但し、0<x<1)等のスピネルフェライト、或いは、六方晶フェライト等が挙げられていた。また、上記磁性体粒子の融着体は、磁性体粒子を含有する磁性体分散組成物を塗布、印刷した後、焼成する方法等によって得られる。 Further, a fusion body of magnetic particles having a predetermined particle diameter has been proposed as a material corresponding to the above-described thermal spin wave spin current generating member (see, for example, Patent Document 2). And, as a material constituting the magnetic particles, yttrium iron garnet Y3Fe5-xGaxO12 (however, x <5, YIG), spinel ferrite such as garnet ferrite MnxZn1-xFe2O4 (however, 0 <x <1), or hexagonal Crystalline ferrite was mentioned. The fused body of magnetic particles can be obtained by a method of applying a magnetic material-dispersed composition containing magnetic particles, printing, and then firing.
しかしながら、上記前者の熱電変換素子は、発電特性が低い。また、上記後者の熱電変換素子は、上記熱スピン波スピン流発生部材に相当する部分を生成するのに、磁性体粒子を含有する磁性体分散組成物を塗布、印刷した後、焼成する方法を採用しており、プロセスの制約から量産化の観点で欠点を有していた。さらに、上記2つの熱電変換素子における磁性誘電体や磁性体粒子は、わざわざ専用の設備によって製造するものであり、製造コストが高くなる。 However, the former thermoelectric conversion element has low power generation characteristics. Further, the latter thermoelectric conversion element, in order to generate a portion corresponding to the thermal spin wave spin current generating member, a method of applying a magnetic material-dispersed composition containing magnetic particles, printing, and then firing. It has been adopted, and has a drawback from the viewpoint of mass production due to process restrictions. Furthermore, the magnetic dielectrics and magnetic particles in the above two thermoelectric conversion elements are purposely manufactured by dedicated equipment, which increases the manufacturing cost.
本発明は、斯かる実情に鑑み、発電特性が高く、製造コストが低い熱電変換素子を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element having high power generation characteristics and low manufacturing cost.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の熱電変換素子は、温度勾配が生ずる方向にスピン流を生成する磁性体層と、前記磁性体層上に形成され、前記磁性体層で生成されたスピン流を電流へと変換する導電層と、を備え、前記磁性体層は、少なくとも複数の金属酸化物により構成され、複数の前記金属酸化物は、酸化第一鉄、酸化第二鉄、及び、四酸化三鉄により構成されることを特徴とする。
The present invention has been made to solve the above problems, the thermoelectric conversion element of the present invention, a magnetic layer for generating a spin current in the direction in which a temperature gradient occurs, and formed on the magnetic layer, And a conductive layer that converts a spin current generated in the magnetic layer into an electric current, the magnetic layer being composed of at least a plurality of metal oxides , and the plurality of metal oxides being first oxides. It is characterized by being composed of iron, ferric oxide, and triiron tetroxide .
また、本発明の熱電変換素子において、複数の前記金属酸化物には、前記酸化第一鉄の粉体、前記酸化第二鉄の粉体、及び、前記四酸化三鉄の粉体が含まれることを特徴とする。
Further, in the thermoelectric conversion element of the present invention, the plurality of metal oxides include the powder of ferrous oxide, the powder of ferric oxide, and the powder of ferric tetroxide. It is characterized by
また、本発明の熱電変換素子において、前記酸化第一鉄、前記酸化第二鉄、及び、前記四酸化三鉄は、圧延スケールから得られるものであることを特徴とする。
Further, in the thermoelectric conversion element of the present invention, the ferrous oxide, the ferric oxide, and the triiron tetroxide are obtained from a rolling scale.
また、本発明の熱電変換素子において、上記金属酸化物系紛体の一次粒子の体積中位径が略1(μm)以下であることを特徴とする。 Further, in the thermoelectric conversion element of the present invention, the volume median diameter of the primary particles of the metal oxide-based powder is approximately 1 (μm) or less.
また、本発明の熱電変換素子において、前記磁性体層は、前記酸化第一鉄の粉体、前記酸化第二鉄の粉体、前記四酸化三鉄の粉体、及び、高分子化合物を混合した混合物により構成され、前記混合物は、塗布することにより前記磁性体層を形成可能であることを特徴とする。
The mixing in the thermoelectric conversion element of the present invention, the magnetic layer, a powder of the ferrous oxide, powder of the ferric oxide powder of the triiron tetroxide, and a polymer compound It is characterized in that it is formed of the mixture described above, and the magnetic layer can be formed by applying the mixture.
また、本発明の熱電変換素子において、上記高分子化合物は、重量平均分子量が15000以上且つ500000以下であることを特徴とする。 In the thermoelectric conversion element of the present invention, the polymer compound has a weight average molecular weight of 15,000 or more and 500000 or less.
また、本発明の熱電変換素子において、上記高分子化合物には、芳香族炭化水素の重合体が含まれることを特徴とする。 Further, in the thermoelectric conversion element of the present invention, the polymer compound includes a polymer of aromatic hydrocarbon.
また、本発明の熱電変換素子において、上記高分子化合物は、吸水率が0.25以下であることを特徴とする。 Further, in the thermoelectric conversion element of the present invention, the polymer compound has a water absorption rate of 0.25 or less.
また、本発明の熱電変換素子において、上記高分子化合物は、線膨張率が3以上且つ12以下であることを特徴とする。 Further, in the thermoelectric conversion element of the present invention, the polymer compound has a linear expansion coefficient of 3 or more and 12 or less.
本発明の熱電素子によれば、発電特性は高いが、製造コストが低くできるという優れた効果を奏し得る。 According to the thermoelectric element of the present invention, the power generation characteristic is high, but the excellent effect that the manufacturing cost can be reduced can be obtained.
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<1.熱電変換素子100の構成>
図1は、本発明の実施の形態における熱電変換素子100を示す図である。図1(a)は、本発明の実施の形態における熱電変換素子100の斜視図である。図1(b)は、本発明の実施の形態における熱電変換素子100中の電流の流れを示す図である。熱電変換素子100は、スピンベーゼック効果を利用した熱電変換素子である。熱電変換素子100は、図1(a)に示すように、基材10上に設けられ、磁性体層20と、導電層30とを備える。
<1. Configuration of
FIG. 1 is a diagram showing a
基材10は、例えば、フレキシブルな材質で構成された基板や、フレキシブルでない材質で構成された基板等、様々な態様のものが想定される。熱電変換素子100は、基材10上に、例えば、磁性体層20、導電層30が順に積層される構成が一例として挙げられる。導電層30に1対の電極41及び42を設けて、その電極41及び42から熱電変換素子100が熱電変換した電流を取り出す。以下において、それを前提に説明するが、熱電変換素子は、図2に示すように、基材10上に、導電層30、磁性体層20が順に積層された構成をした熱電変換素子200であってもよい。この場合、磁性体層20の一部を取り除いて導電層30を剥き出しにして、その剥き出した導電層30上に電極41及び42を設ける。
The
<1−1.磁性体層20の構成>
磁性体層20は、スピンゼーベック効果を表す磁性体材料により構成される。スピンゼーベック効果は、磁性体材料に温度勾配を与えると、その温度勾配と平行な方向に電子スピンの流れであるスピン流が発生する現象である。したがって、磁性体層20に温度勾配を与えると、図1(b)に示すように、その温度勾配と平行な方向にスピン流が発生する。
<1-1. Configuration of
The
磁性体層20を構成する材質として、金属酸化物が想定される。磁性体層20を構成する金属酸化物として、例えば、酸化鉄、酸化クロム、Ru酸化物等が挙げられる。本発明において磁性体層20を構成する金属酸化物として、酸化鉄系の材料が好ましい。
A metal oxide is assumed as a material forming the
具体的には、酸化鉄系の材料として、例えば、四酸化三鉄(マグネタイト)、酸化第一鉄(ウスタイト)、酸化第二鉄(ヘマタイト)が想定される。以上の材質のうち、少なくとも2種の材質により磁性体層20は形成される。その材質の組合せとして、例えば、四酸化三鉄(マグネタイト)と酸化第一鉄(ウスタイト)、四酸化三鉄(マグネタイト)と酸化第二鉄(ヘマタイト)、四酸化三鉄(マグネタイト)と酸化第一鉄(ウスタイト)と酸化第二鉄(ヘマタイト)が一例として想定される。
Specifically, as the iron oxide-based material, for example, triiron tetroxide (magnetite), ferrous oxide (wustite), ferric oxide (hematite) is assumed. The
上記金属酸化物は、例えば、圧延スケールを用いることが一例として想定される。圧延スケールとは、鉄鋼等の加熱、圧延工程で発生する酸化スケールのことをいう。この圧延スケールは、少なくとも四酸化三鉄(マグネタイト)、酸化第一鉄(ウスタイト)、酸化第二鉄(ヘマタイト)を含む。 As the metal oxide, for example, it is assumed that a rolling scale is used. The rolling scale refers to an oxide scale generated in the heating and rolling process of steel or the like. This rolling scale contains at least triiron tetroxide (magnetite), ferrous oxide (wustite), and ferric oxide (hematite).
磁性体層20を構成する材料として、上記金属酸化物を微粒子化したものと、高分子化合物とを混ぜた混合物が一例として想定される。上記金属酸化物を微粒子化したものと高分子化合物とを混ぜた混合物は、塗布することにより磁性体層20を形成可能である。上記金属酸化物を微粒子化したものと高分子化合物との混合物は、例えば、インク状にすることができる。インク状の混合物を導電層30上に塗布することにより、磁性体層20は出来上がる。上記金属酸化物を微粒子化する場合、金属酸化物の一次粒子径は、概ね1(μm)以下とすることが好ましい。
As a material forming the
磁性体層20を構成する材質を、上記金属酸化物を微粒子化したものと高分子化合物との混合物にすると、スピン流の伝播や、スピンコヒーレンス長の制御が可能となり、発電特性を高めることができる。
When the material forming the
一般的に、磁性体層は焼結により基材上に形成される。しかし、上記のように上記金属酸化物を微粒子化したものと高分子化合物とを混ぜた混合物を塗布して磁性体層20を形成させれば、焼結工程をなくすことができるため、製造コストを低下させることができる。
Generally, the magnetic layer is formed on the substrate by sintering. However, if the
また、上記高分子化合物として、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、熱可塑性樹脂、フェノール樹脂等が一例として想定される。なお、取扱いの観点を考慮すると、上記高分子化合物として、例えば、ポリスチレンやポリエチレンが好ましい。 Further, as the above-mentioned polymer compound, vinyl chloride resin, acrylic resin, thermoplastic resin, phenol resin, etc. are assumed as an example. From the viewpoint of handling, polystyrene or polyethylene is preferable as the polymer compound.
また、上記高分子化合物として、重量平均分子量が15000以上500000以下である高分子化合物が一例として想定される。これにより、場面に応じて様々な粘度の上記インク状の混合物を生成することができる。また、上記高分子化合物に芳香族炭化水素の重合体が含まれることが好ましい。重合(高分子量化)を容易にでき、重合成分による熱的強度、機械的強度を容易に変化させることができるためである。また、上記高分子化合物における高分子化合物の吸水率が0.25以下であることが好ましい。大気中での吸水により、基材からの剥離を防ぐため、吸水率は低い方が好ましいからである。また、上記高分子化合物における高分子化合物の線膨張率が略3(10−5/K)〜12(10−5/K)程度であることが好ましい。基材との膨張率の違いによる剥離を防止するためである。 As the above-mentioned polymer compound, a polymer compound having a weight average molecular weight of 15,000 or more and 500,000 or less is assumed as an example. This makes it possible to produce the ink-like mixture having various viscosities depending on the scene. Further, it is preferable that the polymer compound contains a polymer of aromatic hydrocarbon. This is because polymerization (increasing the molecular weight) can be facilitated, and thermal strength and mechanical strength due to the polymerization component can be easily changed. The water absorption of the polymer compound in the polymer compound is preferably 0.25 or less. This is because it is preferable that the water absorption rate is low in order to prevent separation from the substrate due to water absorption in the atmosphere. The linear expansion coefficient of the polymer compound in the polymer compound is preferably about 3 (10 −5 / K) to 12 (10 −5 / K). This is to prevent peeling due to the difference in expansion coefficient from the base material.
<1−2.導電層30の構成>
導電層30は、逆スピンホール効果を表す材料により構成される。したがって、スピンベーゼック効果により磁性体層20で生じたスピン流が導電層30に流入すると、逆スピンホール効果により導電層30中で上記スピン流と直交する方向に起電力が生じる。これにより、図1(b)に示すように、導電層30には電流が流れる。
<1-2. Configuration of
The
導電層30を構成する材質として、例えば、白金(Pt)、銅(Au)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ニッケル(Ni)、炭素(C)、インジウム(In)のうち少なくとも1つ含んだものが一例として想定されるが、これに限るものではなく、その他の公知の導電性の材質であってもよい。
Examples of the material forming the
また、導電層30の態様であるが、例えば、チタン箔やタングステン箔などの金属箔や、ITO(インジウムドープ酸化スズ膜)付ガラス基板、FTO(フッ素ドープ酸化スズ膜)付ガラス基板や、ガラス基板やプラスチック(例えば、PET、PEN)基板に導線高分子(例えば、PEDOT−PSS、ポリアニリン)を塗布したものが一例として想定されるが、これに限るものではなく、その他の態様であってもよい。
The
<2.本発明の熱電変換素子の発電特性に関する実験>
<2−1.実験に用いる熱電変換素子>
本願出願人は、本発明の熱電変換素子の発電特性に関する実験を行うに当たって以下の実施例1に示す熱電変換素子と、比較用の比較例1に示す熱電変換素子とを作成した。これらの熱電変換素子は、図2に示す態様の基部10、導電層30、磁性体層20が順に積層された熱電変換素子200である。
<2. Experiment on power generation characteristics of thermoelectric conversion element of the present invention>
<2-1. Thermoelectric conversion element used for experiment>
The applicant of the present application prepared a thermoelectric conversion element shown in the following Example 1 and a thermoelectric conversion element shown in Comparative Example 1 for comparison in conducting an experiment relating to the power generation characteristics of the thermoelectric conversion element of the present invention. These thermoelectric conversion elements are
<2−1−1.実施例1の熱電変換素子>
実施例1の熱電変換素子は、基部10(ガラス基板)、及び導電層30(透明導電膜ITO)として、透明導電膜ITO付ガラス基板を用いた。そして、その透明導電膜ITO付ガラス基板上にスピンコーターを用いて磁性体層形成インクを塗布して磁性体層20を形成した。この磁性体層形成インクは、酸化第一鉄(ウスタイト)60重量%、酸化第二鉄(ヘマタイト)5重量%、四酸化三鉄(マグネタイト)35重量%の酸化鉄混合物10重量%をトルエン中でビーズミルを用いて攪拌、粉砕、分散させて微粒子化した後に、その微粒子化した酸化鉄混合物にポリスチレン10重量%を溶解させて作成した。このインク中での酸化鉄混合物の体積中位径(D50)は0.16(μm)であった。体積中位径の測定にはマイクロトラック・ベル製MT3000を用いた。なお、本明細書において体積中位径とは、体積基準の積算分布が50%になる粒子径を言う。また、上記スピンコーターにおける磁性体層の成膜速度は4000(rpm)とした。さらに、磁性体層20の一部をヘラ等を用いて一部を剥ぎ取り、超音波ハンダ付装置(黒田テクノ(株)製のサンボンダUSM−580)を用いて露出した透明導電膜に電極D1、D2を設けて、実施例1の熱電変換素子を作成した。また、実施例1の熱電変換素子は未封止とした。その実施例1の熱電変換素子は、図3に示すような薄板態様で、そのサイズは、20(mm)×20(mm)である。
<2-1-1. Thermoelectric conversion element of Example 1>
In the thermoelectric conversion element of Example 1, a glass substrate with a transparent conductive film ITO was used as the base 10 (glass substrate) and the conductive layer 30 (transparent conductive film ITO). Then, the magnetic layer-forming ink was applied onto the glass substrate with the transparent conductive film ITO using a spin coater to form the
<2−1−2.比較例1の熱電変換素子>
比較例1の熱電変換素子は、実施例1と同様の構成で形成された熱電変換素子であり、透明導電膜ITO付ガラス基板上にスピンコーターを用いて磁性体層形成インクを塗布して磁性体層を形成した。この磁性体層形成インクは、四酸化三鉄(マグネタイト)10重量%をトルエン中でビーズミルを用いて攪拌、粉砕、分散させて微粒子化した後に、その微粒子化した四酸化三鉄(マグネタイト)にポリスチレン10重量%を溶解させて作成した。このインク中での四酸化三鉄(マグネタイト)の体積中位径(D50)は0.19(μm)であった。体積中位径の測定にはマイクロトラック・ベル製MT3000を用いた。また、上記スピンコーターにおける磁性体層の成膜速度は4000(rpm)とした。さらに、磁性体層の一部をヘラ等を用いて一部を剥ぎ取り、超音波ハンダ付装置(黒田テクノ(株)製のサンボンダUSM−580)を用いて露出した透明導電膜に電極D1、D2を設けて、比較例1の熱電変換素子を作成した。その比較例1の熱電変換素子は、図2に示すような薄板態様で、そのサイズは、20(mm)×20(mm)である。以上のように、比較例1は、実施例1と構造は同様であるが、磁性体層を形成する材料が主として異なる。
<2-1-2. Thermoelectric conversion element of Comparative Example 1>
The thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 is a thermoelectric conversion element formed in the same configuration as that of Example 1, and a magnetic material layer forming ink is applied onto a glass substrate with a transparent conductive film ITO by using a spin coater to make it magnetic. A body layer was formed. This magnetic layer-forming ink is prepared by stirring 10% by weight of triiron tetraoxide (magnetite) in toluene using a bead mill, pulverizing and dispersing it into fine particles, and then forming the fine particles into triiron tetraoxide (magnetite). It was prepared by dissolving 10% by weight of polystyrene. The volume median diameter (D50) of triiron tetroxide (magnetite) in this ink was 0.19 (μm). MT3000 manufactured by Microtrac Bell was used for measuring the volume median diameter. The film forming rate of the magnetic layer in the spin coater was 4000 (rpm). Further, a part of the magnetic layer was peeled off with a spatula or the like, and an electrode D1 was formed on the exposed transparent conductive film using an ultrasonic soldering device (Sunbonder USM-580 manufactured by Kuroda Techno Co., Ltd.). The thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 was prepared by providing D2. The thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 is in the form of a thin plate as shown in FIG. 2, and its size is 20 (mm) × 20 (mm). As described above, Comparative Example 1 has the same structure as that of Example 1, but differs mainly in the material forming the magnetic layer.
<2−2.実験概要>
実施例1、及び比較例1において磁性体層の膜厚を変えた熱電変換素子をそれぞれ3つずつ作成した。そして、それらの熱電変換素子の薄板面の垂直方向(図2の矢印A方向)に温度差を与え、その際に発生する起電力をマルチメーター(KEITHLEY製 Model:2700)を用いて測定した。上記熱電変換素子の垂直方向に温度を与える高温源にはASONE製セラミックホットプレートCHP−170DNを用いた。また温度の測定には、COSTOM製サーモメータCT−05SD、FLIR製のCPA−0130Aを用いた。
<2-2. Outline of experiment>
In Example 1 and Comparative Example 1, three thermoelectric conversion elements each having a different magnetic layer thickness were prepared. Then, a temperature difference was applied in the direction perpendicular to the thin plate surface of each of the thermoelectric conversion elements (direction of arrow A in FIG. 2), and the electromotive force generated at that time was measured using a multimeter (Model: 2700 manufactured by KEITHLEY). A ceramic hot plate CHP-170DN manufactured by ASONE was used as a high temperature source that applies a temperature in the vertical direction of the thermoelectric conversion element. Moreover, the thermometer CT-05SD made from COSTOM and CPA-0130A made from FLIR were used for the temperature measurement.
上記内容で発電特性を測定した結果を表1に示す。表1中のゼーベック係数は、温度差を与えた場合における熱電変換素子の発電特性の指標を示すものであり、この値が大きいほど良い熱電変換素子となる。 Table 1 shows the results of measuring the power generation characteristics with the above contents. The Seebeck coefficient in Table 1 indicates the index of the power generation characteristics of the thermoelectric conversion element when a temperature difference is given, and the larger this value, the better the thermoelectric conversion element.
表1に示すように、実施例1の熱電変換素子、及び比較例1の熱電変換素子の磁性体層の膜厚が大きくなると、ゼーベック係数も大きくなっていっている。したがって、熱電変換素子は、磁性体層の膜厚が大きい方が発電特性が良くなる。その上で、実施例1の熱電変換素子、及び比較例1の熱電変換素子の発電特性を比較する。 As shown in Table 1, as the film thickness of the magnetic layer of the thermoelectric conversion element of Example 1 and the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 increased, the Seebeck coefficient also increased. Therefore, in the thermoelectric conversion element, the larger the film thickness of the magnetic layer, the better the power generation characteristics. Then, the power generation characteristics of the thermoelectric conversion element of Example 1 and the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 are compared.
比較例1の熱電変換素子の磁性体層の膜厚が2.9(μm)の時、比較例1の熱電変換素子のゼーベック係数は6(μV/K)であった。これに対し、実施例1の熱電変換素子の磁性体層の膜厚が2.7(μm)の時、実施例1の熱電変換素子のゼーベック係数は6.5(μV/K)であった。実施例1の熱電変換素子と比較例1の熱電変換素子のゼーベック係数を比較すると、実施例1の熱電変換素子の方が比較例1の熱電変換素子より磁性体層の膜厚の方が小さいのに、実施例1の熱電変換素子の方が比較例1の熱電変換素子よりゼーベック係数は大きい。 When the film thickness of the magnetic layer of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 was 2.9 (μm), the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 was 6 (μV / K). On the other hand, when the film thickness of the magnetic layer of the thermoelectric conversion element of Example 1 was 2.7 (μm), the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion element of Example 1 was 6.5 (μV / K). . When the Seebeck coefficients of the thermoelectric conversion element of Example 1 and the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 are compared, the thermoelectric conversion element of Example 1 has a smaller magnetic layer thickness than the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1. However, the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion element of Example 1 is larger than that of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1.
また、比較例1の熱電変換素子の磁性体層の膜厚が3.3(μm)の時、比較例1の熱電変換素子のゼーベック係数は8.5(μV/K)であった。これに対し、実施例1の熱電変換素子の磁性体層の膜厚が3(μm)の時、実施例1の熱電変換素子のゼーベック係数は13.3(μV/K)であった。さらに、比較例1の熱電変換素子の磁性体層の膜厚が4.7(μm)の時、比較例1の熱電変換素子のゼーベック係数は12.9(μV/K)であった。これに対し、実施例1の熱電変換素子の磁性体層の膜厚が4.1(μm)の時、実施例1の熱電変換素子のゼーベック係数は15.5(μV/K)であった。 When the film thickness of the magnetic layer of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 was 3.3 (μm), the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 was 8.5 (μV / K). On the other hand, when the film thickness of the magnetic layer of the thermoelectric conversion element of Example 1 was 3 (μm), the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion element of Example 1 was 13.3 (μV / K). Furthermore, when the film thickness of the magnetic layer of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 was 4.7 (μm), the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 was 12.9 (μV / K). On the other hand, when the film thickness of the magnetic layer of the thermoelectric conversion element of Example 1 was 4.1 (μm), the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion element of Example 1 was 15.5 (μV / K). .
実施例1の熱電変換素子と比較例1の熱電変換素子とを比較すると、熱電変換素子の磁性体層の膜厚が大きくなる程、ゼーベック係数の大きさの差が顕著に表れてきている。したがって、本発明の熱電変換素子は発電特性に優れている。 Comparing the thermoelectric conversion element of Example 1 and the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1, as the film thickness of the magnetic layer of the thermoelectric conversion element increases, the difference in the Seebeck coefficient becomes more remarkable. Therefore, the thermoelectric conversion element of the present invention has excellent power generation characteristics.
<3.本発明の熱電変換素子の発電特性に経時変化に関する実験>
本願出願人は、本発明の熱電変換素子の発電特性に経時変化に関する実験を行うに当たって以下の実施例2に示す熱電変換素子と、比較用の比較例2に示す熱電変換素子とを作成した。これらの熱電変換素子も、図2に示す態様の基部10、導電層30、磁性体層20が順に積層された熱電変換素子200である。
<3. Experiments on temporal changes in power generation characteristics of thermoelectric conversion element of the present invention>
The applicant of the present application created a thermoelectric conversion element shown in the following Example 2 and a thermoelectric conversion element shown in Comparative Example 2 for comparison in conducting an experiment relating to changes over time in the power generation characteristics of the thermoelectric conversion element of the present invention. These thermoelectric conversion elements are also the
<3−1.実験に用いる熱電変換素子>
<3−1−1.実施例2の熱電変換素子>
実施例2の熱電変換素子は、実施例1の熱電変換素子と同様の内容で作成した。実施例2の熱電変換素子は、図2に示すような薄板態様で、実施例1の熱電変換素子とは薄板サイズが異なり、35(mm)×35(mm)である。
<3-1. Thermoelectric conversion element used for experiment>
<3-1-1. Thermoelectric conversion element of Example 2>
The thermoelectric conversion element of Example 2 was created with the same contents as the thermoelectric conversion element of Example 1. The thermoelectric conversion element of Example 2 is in a thin plate form as shown in FIG. 2, and has a thin plate size of 35 (mm) × 35 (mm), which is different from the thermoelectric conversion element of Example 1.
<3−1−2.比較例2の熱電変換素子>
比較例2の熱電変換素子は、比較例1の熱電変換素子と同様の内容で作成した。比較例2の熱電変換素子は、図2に示すような薄板態様で、比較例1の熱電変換素子とは薄板サイズが異なり、35(mm)×35(mm)である。
<3-1-2. Thermoelectric conversion element of Comparative Example 2>
The thermoelectric conversion element of Comparative Example 2 was created with the same contents as the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1. The thermoelectric conversion element of Comparative Example 2 has a thin plate form as shown in FIG. 2, and has a thin plate size of 35 (mm) × 35 (mm), which is different from the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1.
<3−2.実験概要>
実施例2の熱電変換素子、及び比較例2の熱電変換素子の薄板面の垂直方向(図2の矢印A方向)に温度差を与え、その際に発生する起電力をマルチメーター(KEITHLEY製 Model:2700)を用いて測定した。
<3-2. Outline of experiment>
A thermoelectric conversion element of Example 2 and a thermoelectric conversion element of Comparative Example 2 were subjected to a temperature difference in the vertical direction (direction of arrow A in FIG. 2) of the thin plate surface, and the electromotive force generated at that time was measured by a multimeter (Model manufactured by KEITHLEY). : 2700).
なお、実施例2の熱電変換素子、及び比較例2の熱電変換素子の磁性体層の成膜速度は4000rpmとした。また、実施例2の熱電変換素子、及び比較例2の熱電変換素子は未封止とし、作製から3日間の短期的な特性変化を観察した。なお作製から24時間後を第一測定とし、測定時以外は大気雰囲気、室温での静置状態とした。測定時における温度差は4[K]とした。温度の測定には、COSTOM製サーモメータCT−05SD、FLIR製のCPA−0130Aを用いた。 The film formation rate of the magnetic layer of the thermoelectric conversion element of Example 2 and the thermoelectric conversion element of Comparative Example 2 was 4000 rpm. In addition, the thermoelectric conversion element of Example 2 and the thermoelectric conversion element of Comparative Example 2 were not sealed, and a short-term change in characteristics for 3 days after production was observed. The first measurement was performed 24 hours after the production, and the measurement was performed in the air atmosphere and the room temperature at rest except the measurement. The temperature difference during measurement was set to 4 [K]. COSTOM thermometer CT-05SD and FLIR CPA-0130A were used for temperature measurement.
比較例2の熱電変換素子の特性の経時変化を測定した結果、作製後72時間後で初期特性に対し、52%の特性保持率を示した。一方、実施例2の熱電変換素子の特性の経時変化を測定した結果、作製後72時間後における特性保持率は初期特性に対し69%であった。この結果を比較すると、明らかに実施例2の熱電変換素子の特性の経時変化の方が優れている。 As a result of measuring the change with time of the characteristics of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 2, a characteristic retention rate of 52% was shown with respect to the initial characteristics 72 hours after the production. On the other hand, as a result of measuring the change over time in the characteristics of the thermoelectric conversion element of Example 2, the characteristic retention rate 72 hours after the production was 69% of the initial characteristics. Comparing these results, it is apparent that the change over time in the characteristics of the thermoelectric conversion element of Example 2 is superior.
実施例1、2の熱電変換素子が比較例1、2の熱電変換素子と比較して良い特性を示すのは以下のような理由が考えられる。材料の粒子径と分散状態等の磁性体層中の物質(材料)のモルフォロジーにより、スピン流の伝搬経路におけるスピン流の状態が異なっていると考えられる。すなわち、材料の粒子径と分散状態等の磁性体層中の物質(材料)のモルフォロジーにより、電流発生に有効に寄与するスピン流の割合は異なってくると考えられる。この観点からすると、電流発生に有効に寄与するスピン流の割合は、実施例1、2の熱電変換素子の方が比較例1、2の熱電変換素子よりも高いと推察できる。したがって、電流発生に有効に寄与するスピン流を発生させるという観点からすると、金属酸化物として四酸化三鉄(マグネタイト)のみが含まれる磁性体層よりも、圧延スケール等をはじめとする複数の金属酸化物が混合される混合物が含まれる磁性体層の方が好ましい。 The following reasons are considered that the thermoelectric conversion elements of Examples 1 and 2 exhibit better characteristics than the thermoelectric conversion elements of Comparative Examples 1 and 2. It is considered that the state of the spin current in the propagation path of the spin current differs depending on the particle size of the material and the morphology of the substance (material) in the magnetic layer such as the dispersion state. That is, it is considered that the proportion of the spin current that effectively contributes to the current generation varies depending on the particle size of the material and the morphology of the substance (material) in the magnetic layer such as the dispersed state. From this point of view, it can be inferred that the ratio of the spin current that effectively contributes to the current generation is higher in the thermoelectric conversion elements of Examples 1 and 2 than in the thermoelectric conversion elements of Comparative Examples 1 and 2. Therefore, from the viewpoint of generating a spin current that effectively contributes to the generation of electric current, a plurality of metals such as a rolling scale is more preferable than a magnetic layer containing only triiron tetraoxide (magnetite) as a metal oxide. A magnetic layer containing a mixture in which oxides are mixed is preferable.
以上説明したように、本発明の熱電変換素子のように、磁性体層を複数の金属酸化物、特に、複数の酸化鉄系粉体(例えば、酸化第一鉄及び/又は酸化第二鉄、並びに四酸化三鉄)により構成すると、磁性体層を単一の金属酸化物により構成した場合に比べて発電特性が良くなる。複数の酸化鉄系粉体が圧延スケールで形成される場合、製造コストを低減することができる。 As described above, like the thermoelectric conversion element of the present invention, the magnetic layer has a plurality of metal oxides, particularly a plurality of iron oxide-based powders (for example, ferrous oxide and / or ferric oxide, In addition, when composed of triiron tetroxide), the power generation characteristics are improved as compared with the case where the magnetic layer is composed of a single metal oxide. When a plurality of iron oxide-based powders are formed on a rolling scale, the manufacturing cost can be reduced.
尚、本発明の熱電変換素子は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The thermoelectric conversion element of the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
10 基材
20 磁性体層
30 導電層
41、42 電極
100 熱電変換素子
10
Claims (6)
前記磁性体層上に形成され、前記磁性体層で生成されたスピン流を電流へと変換する導電層と、
を備え、
前記磁性体層は、少なくとも複数の金属酸化物により構成され、
複数の前記金属酸化物は、酸化第一鉄、酸化第二鉄、及び、四酸化三鉄により構成されることを特徴とする、
熱電変換素子。 A magnetic layer that produces a spin current in the direction in which a temperature gradient occurs,
A conductive layer formed on the magnetic layer, which converts the spin current generated in the magnetic layer into an electric current;
Equipped with
The magnetic layer is composed of at least a plurality of metal oxides ,
The plurality of metal oxides are characterized by being composed of ferrous oxide, ferric oxide, and ferric tetroxide.
Thermoelectric conversion element.
請求項1に記載の熱電変換素子。 The plurality of metal oxides, characterized in that the powder of ferrous oxide, the powder of ferric oxide, and the powder of triiron tetroxide is included .
The thermoelectric conversion element according to claim 1.
請求項1及び2のいずれかに記載の熱電変換素子。 Wherein the ferrous oxide, the ferric oxide, and the triiron tetroxide are obtained from a rolling scale,
The thermoelectric conversion element according to claim 1.
前記混合物は、塗布することにより前記磁性体層を形成可能であ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素子。 The magnetic layer, a powder of the ferrous oxide, the powder of ferric oxide, the triiron tetraoxide powder, and is constituted by a mixture obtained by mixing a polymer compound,
The mixture is characterized in that the magnetic layer can be formed by coating.
The thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3 .
請求項4に記載の熱電変換素子。 The polymer compound has a weight average molecular weight of 15,000 or more and 500,000 or less,
The thermoelectric conversion element according to claim 4 .
請求項4及び5のいずれかに記載の熱電変換素子。 The polymer compound is characterized in that it contains a polymer of aromatic hydrocarbons,
The thermoelectric conversion element according to any one of claims 4 and 5.
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