JP6779555B1 - 発電素子、発電装置、電子機器、及び発電素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、第1実施形態における発電素子100、発電装置200の一例を示す模式図である。図1に示すように、発電素子100は、第1の方向に積層された複数の積層体1を備える。発電素子100を構成する積層体1の個数は、必要な電力を考慮して適宜増減すればよく、特に限定されるものではない。
図1(a)は、第1実施形態に係る発電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。
発電素子100は、例えば、上記人工熱源が発した熱エネルギー、又は上記自然熱源が持つ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。発電素子100は、発電装置200内に設けるだけでなく、発電素子100自体を、上記モバイル機器や上記自立型センサ端末等の内部に設けることもできる。この場合、発電素子100自体が、上記モバイル機器又は上記自立型センサ端末等の、電池の代替部品又は補助部品となる。
基板11は、導電性を有する板状の部材である。第1の方向Zに沿った基板11の厚みは、例えば0.03mm以上1.0mm以下である。基板11の厚みをこのような範囲とすることで、発電素子100の厚みを薄くすることができる。一方、基板11の厚みが0.03mmを下回ると、基板11が変形し易くなり、中間部14の厚みを制御しにくくなる。また、基板11の厚みが1.0mmより厚ければ、発電素子100の寸法が大きくなり過ぎてしまう。
第2電極22は、第1主面11aに設けられ、基板11とは異なる仕事関数を有する。第2電極22は、基板11との間に仕事関数差が生じるのであれば、いかなる材料により構成されてもよいが、例えば、以下に示す金属から選ぶことができる。
白金(Pt)
タングステン(W)
アルミニウム(Al)
チタン(Ti)
ニオブ(Nb)
モリブデン(Mo)
タンタル(Ta)
レニウム(Re)
図2は、中間部14の一例を示す模式断面図である。図1に示すように、中間部14は、積層体1の下方側に位置し、積層体1が複数積層された場合に、上側の積層体1の基板11と下側の積層体1の第2電極22との間に設けられる。中間部14は、基板11との仕事関数との第2電極22の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子141を含む。
支持部30は、第1電極部10において、例えば基板11と一体に設けられる。支持部30は、中間部14を囲み、他の積層体1を支持する。支持部30の比抵抗値は、中間部14の比抵抗値よりも大きい。
熱エネルギーが発電素子100に与えられると、基板11と第2電極22との間に電流が発生し、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。基板11と第2電極22との間に発生する電流量は、熱エネルギーに依存する他、第2電極22の仕事関数と、基板11の仕事関数との差に依存する。
次に、発電素子100の製造方法の一例を、説明する。図3は、第1実施形態に係る発電素子100の製造方法の一例を示すフローチャートである。図4(a)〜図4(i)は、第1実施形態に係る発電素子100の製造方法の一例を示す模式断面図である。
先ず、図4(a)に示すような、導電性を有する基板11の一方側の面(例えば第2主面11b)上に、図4(b)に示すような酸化膜12(支持部30)を形成する(酸化膜形成工程:S110)。酸化膜形成工程S110では、基板11本体を高温でアニール処理して基板11に酸化膜12を形成する。酸化膜形成工程S110では、例えば、スパッタリング法又は蒸着法を用いて、酸化膜12を塗布するほか、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法、及びスプレイ印刷法等を用いて形成してもよい。酸化膜形成工程S110では、酸化膜としてシリコン酸化膜が用いられるほか、ポリイミド、PMMA(Polymethyl methacrylate)、又はポリスチレン等のポリマーが用いられてもよい。
次に、図4(c)に示すように、酸化膜12の上にレジスト(フォトレジスト)13を形成する(レジスト形成工程:S120)。レジスト13の形成では、先ずスピンコート法により酸化膜12の上にレジスト13を塗布する。次に、塗布されたレジスト13に対し、所定のフォトマスクを用いて露光する。露光後、レジスト13の現像を行う。
次に、図4(d)に示すように、レジスト13で覆われていない部分の酸化膜12を除去するためにエッチングする(エッチング工程:S130)。エッチングによりレジスト13で覆われていない部分が除去されるよう、酸化膜12をパターン加工する。パターン加工の結果、レジスト13で覆われている部分の酸化膜12は除去されず、支持部30として形成される。なお、支持部30は、基板11の一部が酸化することにより形成されてもよい。
次に、図4(e)に示すように、レジスト13を除去する(レジスト除去工程:S140)。具体的には、支持部30の形成が完了したため、支持部30を形成するために用いたレジスト13を除去する。
次に、図4(f)に示すように、基板11上に第2電極22を配置する(電極配置工程:S150)。具体的には、基板11のうち、支持部30が配置されていない第1主面11a上に第2電極22を配置する。
次に、図4(g)に示すように、基板11を第2電極22とともに切断する(切断工程:S160)。具体的には、基板11の幅方向中央部分に沿ってダイシングにより基板11及び第2電極22を切断する。ダイシングによる切断の結果同じ厚みを有する複数の第1電極部10が形成される。基板11をダイシングする位置は任意である。なお、酸化膜形成工程S110〜切断工程S160の工程を複数回実施してもよい。
次に、図4(h)に示すように、第2電極22と第1電極部10の第2主面11bとを向い合わせた状態で積層する(積層工程:S170)。具体的には、第1の方向Zに沿って下側の第2電極22と上側の第1電極部10の支持部30が接するように配置する。第2電極22上への第1電極部10の配置に際しては、第2電極22と支持部30の材料が同じであることが望ましい。例えば、第2電極22の材料を支持部30の先端に予め形成すればよく、あるいは支持部30の材料を第2電極22に予め形成すればよい。
次に、図4(i)に示すように、第2電極22と第1電極部10の第2主面11bと間に、ナノ粒子を含む中間部14を形成する(中間部形成工程:S180)。具体的には、下側の第1電極部10の第2電極22と上側の第1電極部10の基板11及び支持部30により形成されたスペースに中間部14を形成する。中間部14の形成に際しては、例えば、複数のナノ粒子141を含む溶媒142を毛細管現象等により注入することにより行う。
次に、第2実施形態における発電素子100、発電装置200について説明する。上述した第1実施形態と、第2実施形態との違いは、第1電極部10が基板11と支持部30以外に第1電極21を有している点であり、その他の点は共通している。従って、以下の説明では、第1実施形態と異なっている点を主に説明し、共通する部分については同一符号を付して説明を省略する。
次に、第3実施形態における発電素子100、発電装置200について説明する。上述した第1実施形態と、第3実施形態との違いは、基板11が半導体であり、基板11が縮退部62と、非縮退部63とを有する点であり、その他の点は共通している。従って、以下の説明では、第1実施形態と異なっている点を主に説明し、共通する部分については同一符号を付して説明を省略する。
<電子機器500>
上述した発電素子100及び発電装置200は、例えば電子機器に搭載することが可能である。以下、電子機器の実施形態のいくつかを説明する。
10 :第1電極部
11 :基板
11a :第1主面
11b :第2主面
12 :酸化膜
13 :レジスト
14 :中間部
140 :ギャップ部
141 :ナノ粒子
142 :溶媒
21 :第1電極
22 :第2電極
30 :支持部
31 :第1封止部
32 :第2封止部
51 :積層体
61 :積層体
62 :縮退部
63 :非縮退部
100 :発電素子
101 :第1配線
102 :第2配線
200 :発電装置
500 :電子機器
R :負荷
S110 :酸化膜形成工程
S120 :レジスト形成工程
S130 :エッチング工程
S140 :レジスト除去工程
S150 :電極配置工程
S160 :切断工程
S170 :積層工程
S180 :中間部形成工程
Z :第1の方向
X :第2の方向
Y :第3の方向
Claims (15)
- 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子であって、
第1の方向に積層された複数の積層体を備え、
複数の前記積層体は、
第1主面と、該第1主面と前記第1の方向において対向する第2主面とを有するとともに、導電性を有する基板を含む第1電極部と、
前記第1主面に接して設けられ、前記基板とは異なる仕事関数を有する第2電極と、
前記第2主面側に設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、
を含み、
前記第1電極部は、前記中間部を囲み、他の前記積層体を支持する支持部を含み、
前記支持部は、前記基板の一部が酸化したものであること
を特徴とする発電素子。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子であって、
第1の方向に積層された複数の積層体を備え、
複数の前記積層体は、
第1主面と、該第1主面と前記第1の方向において対向する第2主面とを有するとともに、導電性を有する基板を含む第1電極部と、
前記第1主面に接して設けられ、前記基板とは異なる仕事関数を有する第2電極と、
前記第2主面側に設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、
を含み、
前記基板は、半導体であり、前記第1主面及び前記第2主面の少なくとも何れかに設けられた縮退部と、非縮退部とを有すること
を特徴とする発電素子。 - 前記基板の比抵抗値が、1×10−6Ω・cm以上1×106Ω・cm以下であること
を特徴とする請求項1又は2記載の発電素子。 - 前記基板の比抵抗値が、前記中間部の比抵抗値より小さいこと
を特徴とする請求項1〜3のうち何れか1項記載の発電素子。 - 前記基板の比抵抗値が、前記支持部の比抵抗値より小さいこと
を特徴とする請求項1記載の発電素子。 - 前記中間部の比抵抗値が、前記支持部の比抵抗値より小さいこと
を特徴とする請求項1記載の発電素子。 - 前記基板の厚みが0.03mm以上1.0mm以下であること
を特徴とする請求項1〜6のうち何れか1項記載の発電素子。 - 前記基板の厚みが前記積層体の短手方向における外形寸法の1/10以下であること
を特徴とする請求項1〜7のうち何れか1項記載の発電素子。 - 前記第1電極部は、前記基板と前記中間部との間に設けられ、前記第2主面に接する第1電極を含むこと
を特徴とする請求項1〜8のうち何れか1記載の発電素子。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子を備えた発電装置であって、
前記発電素子は、
第1の方向に積層された複数の積層体を備え、
複数の前記積層体は、
第1主面と、該第1主面と前記第1の方向において対向する第2主面とを有するとともに、導電性を有する基板を含む第1電極部と、
前記第1主面に接して設けられ、前記基板とは異なる仕事関数を有する第2電極と、
前記第2主面側に設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、
を含み、
前記第1電極部は、前記中間部を囲み、他の前記積層体を支持する支持部を含み、
前記支持部は、前記基板の一部が酸化したものであること
を特徴とする発電装置。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子を備えた発電装置であって、
前記発電素子は、
第1の方向に積層された複数の積層体を備え、
複数の前記積層体は、
第1主面と、該第1主面と前記第1の方向において対向する第2主面とを有するとともに、導電性を有する基板を含む第1電極部と、
前記第1主面に接して設けられ、前記基板とは異なる仕事関数を有する第2電極と、
前記第2主面側に設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、
を含み、
前記基板は、半導体であり、前記第1主面及び前記第2主面の少なくとも何れかに設けられた縮退部と、非縮退部とを有すること
を特徴とする発電装置。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子と、前記発電素子を電源に用いて駆動させることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、
前記発電素子は、
第1の方向に積層された複数の積層体を備え、
複数の前記積層体は、
第1主面と、該第1主面と前記第1の方向において対向する第2主面とを有するとともに、導電性を有する基板を含む第1電極部と、
前記第1主面に接して設けられ、前記基板とは異なる仕事関数を有する第2電極と、
前記第2主面側に設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、
を含み、
前記第1電極部は、前記中間部を囲み、他の前記積層体を支持する支持部を含み、
前記支持部は、前記基板の一部が酸化したものであること
を特徴とする電子機器。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子と、前記発電素子を電源に用いて駆動させることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、
前記発電素子は、
第1の方向に積層された複数の積層体を備え、
複数の前記積層体は、
第1主面と、該第1主面と前記第1の方向において対向する第2主面とを有するとともに、導電性を有する基板を含む第1電極部と、
前記第1主面に接して設けられ、前記基板とは異なる仕事関数を有する第2電極と、
前記第2主面側に設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、
を含み、
前記基板は、半導体であり、前記第1主面及び前記第2主面の少なくとも何れかに設けられた縮退部と、非縮退部とを有すること
を特徴とする電子機器。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子の製造方法であって、
第1主面と、該第1主面と第1の方向において対向する第2主面とを有するとともに導電性を有する基板を含む第1電極部を形成する第1電極部形成工程と、
前記基板とは異なる仕事関数を有する第2電極を前記第1主面に接して形成する第2電極形成工程と、
前記第2電極と前記第1電極部をこの順に2以上積層させる積層工程と、
ナノ粒子を含む中間部を、前記第2電極と、前記第2主面との間に形成する中間部形成工程と、
を有し、
前記第1電極部は、前記中間部を囲み、他の積層体を支持する支持部を含み、
前記支持部は、前記基板の一部が酸化したものであること
を特徴とする発電素子の製造方法。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子の製造方法であって、
第1主面と、該第1主面と第1の方向において対向する第2主面とを有するとともに導電性を有する基板を含む第1電極部を形成する第1電極部形成工程と、
前記基板とは異なる仕事関数を有する第2電極を前記第1主面に接して形成する第2電極形成工程と、
前記第2電極と前記第1電極部をこの順に2以上積層させる積層工程と、
ナノ粒子を含む中間部を、前記第2電極と、前記第2主面との間に形成する中間部形成工程と、
を有し、
前記基板は、半導体であり、前記第1主面及び前記第2主面の少なくとも何れかに設けられた縮退部と、非縮退部とを有すること
を特徴とする発電素子の製造方法。
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