JPH09107130A - Thermoelectric conversion device and its manufacturing method - Google Patents

Thermoelectric conversion device and its manufacturing method

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JPH09107130A
JPH09107130A JP7264128A JP26412895A JPH09107130A JP H09107130 A JPH09107130 A JP H09107130A JP 7264128 A JP7264128 A JP 7264128A JP 26412895 A JP26412895 A JP 26412895A JP H09107130 A JPH09107130 A JP H09107130A
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JP
Japan
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insulating substrate
thin film
electrode
semiconductor thin
thermoelectric conversion
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JP7264128A
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Japanese (ja)
Inventor
Masafumi Satomura
雅史 里村
Takehito Mitachi
武仁 見立
Ryosuke Yamanaka
良亮 山中
Kazuaki Minato
和明 湊
Shigeo Harada
茂夫 原田
Yoshihiro Yamamoto
義宏 山本
Koji Tomita
孝司 富田
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an efficient manufacturing method of a thermoelectric conversion device by improving the performance of the thermoelectric conversion device and at the same time improving the shock resistance at the time of machining and after forming a module which has been a problem in a thermoelectric material. SOLUTION: A first thin film 11, a first insulation substrate 7, a second thin film 12, and a second insulation substrate 8 form a multilayer structure and the first thin film 11 and the second thin film 12 are electrically connected in series by a first electrode formed on the end face of the first insulation substrate 7 and a second electrode formed on the end face of a second insulation substrate 8.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却装置、発電装
置、廃熱回収装置などに用いられる熱電変換素子および
この熱電変換素子の製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric conversion element used in a cooling device, a power generation device, a waste heat recovery device, etc., and a method for manufacturing the thermoelectric conversion device.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱電冷却素子および熱電発電素子は総称
して熱電変換素子といわれ、可動部のない熱と電気の相
互変換固体素子である。本素子は異種金属を2箇所で接
合して電気回路を形成し、直流電流を流すと一方の接合
部で発熱、他方で吸熱現象が生じる熱電冷却と、一方の
接合部を加熱、他方を冷却すると開放端子間に温度に応
じた開放電圧が生じる熱電発電現象が可逆的に生じるも
のである。
2. Description of the Related Art Thermoelectric cooling elements and thermoelectric power generating elements are generically called thermoelectric conversion elements, which are solid elements of mutual conversion between heat and electricity without moving parts. This element forms an electric circuit by joining dissimilar metals at two points, and when a direct current is applied, heat is generated at one junction and heat absorption occurs at the other end, and one junction is heated and the other is cooled. Then, a thermoelectric power generation phenomenon in which an open circuit voltage depending on the temperature is generated between the open terminals reversibly occurs.

【0003】図9にπ型と呼ばれる構造の熱電変換素子
の基本構造を示す。使用温度域に応じて熱電材料は種々
考えられているが、性能から見て基本的にP型半導体と
N型半導体が使用される。P型半導体およびN型半導体
はそれぞれ組成調整、混合、焼成、熱処理などの工程を
経てバルクが形成され、これを所定の大きさに切断して
それぞれP型チップ1とN型チップ2が作製される。こ
のP型チップ1とN型チップ2を、電極3を介してはん
だにより交互に直列接続し、1つのユニットとする。ま
た電極の接続方法により各ユニットを複数並列接続して
1つの熱電変換素子を形成することもできる。通常は上
下の電極面を覆う形で電気絶縁板4を設置し、さらに電
気絶縁板4のおのおのに図示しない熱交換器を設置し、
素子の高温低温間の温度差を小さくすることで性能を向
上させている。これを熱電冷却素子として使用する場
合、P側端子5にマイナス、N側端子6にプラスの電圧
をかければ、各ユニット上面の電極面が吸熱面、各ユニ
ット下面の電極面が発熱面となる。
FIG. 9 shows the basic structure of a thermoelectric conversion element having a structure called π type. Various thermoelectric materials have been considered according to the operating temperature range, but P-type semiconductors and N-type semiconductors are basically used from the viewpoint of performance. The P-type semiconductor and the N-type semiconductor are subjected to steps such as composition adjustment, mixing, firing, and heat treatment to form a bulk, which is cut into a predetermined size to produce a P-type chip 1 and an N-type chip 2, respectively. It The P-type chip 1 and the N-type chip 2 are alternately connected in series by soldering via the electrodes 3 to form one unit. In addition, one thermoelectric conversion element can be formed by connecting a plurality of units in parallel according to the electrode connection method. Usually, the electric insulating plate 4 is installed so as to cover the upper and lower electrode surfaces, and a heat exchanger (not shown) is installed on each of the electric insulating plates 4,
The performance is improved by reducing the temperature difference between high temperature and low temperature of the element. When this is used as a thermoelectric cooling element, if a negative voltage is applied to the P-side terminal 5 and a positive voltage is applied to the N-side terminal 6, the electrode surface on the upper surface of each unit becomes the heat absorbing surface and the electrode surface on the lower surface of each unit becomes the heat generating surface. .

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】熱電変換素子は固体の
エネルギー変換素子であり無振動、無騒音、メンテナン
スフリーおよび地球環境に影響を及ぼすフロン等の冷媒
不要といったメリットを有する。しかし冷却を例にとれ
ば空調機や冷蔵庫において主流となっている蒸気圧縮式
冷凍サイクルに比較して効率が低く、これまでの用途は
小型の除湿機、携帯用冷蔵庫、電子機器や宇宙用機器の
冷却等の特殊用途に限定されている。したがって、効率
の向上に向けた地道な熱電材料開発の努力がなされてい
るものの大きな進展は見られていない。熱電材料の性能
は性能指数Zという指標で表現され、性能指数Zが大き
いほど熱電変換素子の性能は向上する。
The thermoelectric conversion element is a solid energy conversion element, and has the advantages that it is vibration-free, noise-free, maintenance-free, and does not require a refrigerant such as CFCs that affects the global environment. However, if cooling is taken as an example, its efficiency is lower than that of the vapor compression refrigeration cycle that is predominant in air conditioners and refrigerators, so far the applications have been small dehumidifiers, portable refrigerators, electronic devices and space equipment. Limited to special applications such as cooling. Therefore, although steady efforts have been made to develop thermoelectric materials to improve efficiency, no significant progress has been seen. The performance of the thermoelectric material is represented by an index called the performance index Z, and the performance of the thermoelectric conversion element improves as the performance index Z increases.

【0005】図10は種々の代表的熱電材料の温度と性
能指数Zとの関係を示す(上村欽一,西田勲夫:"熱電
半導体とその応用",1988,p.36)。図10(a)は、
P型における場合であり、図10(b)は、N型におけ
る場合である。これらはすべてバルク材料のデータであ
るが、図に示すように、材料によって最適の使用温度範
囲があり、一般の空調機や冷蔵庫の温度レベル(約30
0K)で冷却素子として用いるならばBi,Te,S
b,Se,等のカルコゲナイド系材料の化合物材料が最
適である。この場合の性能指数Zは2.5×10-3(1
/K)程度であり、これに使用温度を乗じた無次元性能
指数ZTは、主に高温での熱電発電に用いられる材料も
含めてバルク材料ではZT≒1程度が現状である。この
程度の性能指数ではたとえば家庭用の冷凍冷蔵庫に適用
した場合、圧縮式冷凍サイクルに比較して非常に効率が
悪い。たとえば、圧縮式の場合、成績係数COP(Coef
ficient of Performance)=1.0程度であるが、熱電
変換素子の場合は、COP=0.2〜0.3程度であ
る。このため熱電変換素子は、無騒音、無振動等の大き
な特長があるにもかかわらず一般的な普及が図られてい
ない。
FIG. 10 shows the relationship between the temperature and the figure of merit Z of various representative thermoelectric materials (Kinichi Uemura, Isao Nishida: "Thermoelectric Semiconductors and Their Applications", 1988, p.36). FIG. 10 (a)
This is a case of the P type, and FIG. 10B is a case of the N type. These are all bulk material data, but as shown in the figure, there is an optimum operating temperature range depending on the material, and the temperature level of general air conditioners and refrigerators (about 30
If used as a cooling element at 0K), Bi, Te, S
Compound materials of chalcogenide materials such as b, Se, etc. are most suitable. The performance index Z in this case is 2.5 × 10 −3 (1
/ K), and the dimensionless figure of merit ZT obtained by multiplying this by the operating temperature is currently ZT≈1 for bulk materials including materials mainly used for thermoelectric power generation at high temperatures. With such a performance index, when it is applied to, for example, a home-use refrigerator / freezer, the efficiency is very poor as compared with the compression type refrigeration cycle. For example, in the case of the compression type, the coefficient of performance COP (Coef
ficient of Performance) is about 1.0, but in the case of a thermoelectric conversion element, COP is about 0.2 to 0.3. For this reason, thermoelectric conversion elements have not been popularized in general, although they have great features such as noise-free and vibration-free.

【0006】さらに、通常冷却用として用いるBi−T
e系等のカルコゲナイド系材料は劈開性が強く、従来の
製造方法ではインゴットからチップへの切断時に割れが
生じて、歩留まりが悪いという課題があった。また同様
の理由によりモジュール化して商品とした場合でも、衝
撃に弱い欠点があり商品性に問題が生じる場合があっ
た。
Further, Bi-T normally used for cooling
Chalcogenide-based materials such as e-based materials have a strong cleavability, and the conventional manufacturing method has a problem that cracking occurs when the ingot is cut into chips and the yield is poor. Further, for the same reason, even when modularized into a product, there is a problem that the product has a problem that it is weak against impact and has a problem in commercial property.

【0007】ところで最近、Bi2Te3の結晶材料につ
いて、超格子による二次元量子井戸構造により無次元性
能指数ZTがバルク材料の約7倍に達するという理論的
考察(L.D.Hicks,"Effect of quantum-well structures
on the thermoelectric figure of merit",1994)がな
されている。これは、超格子界面でのフォノン散乱によ
るフォノン熱伝導率の低減効果と、電子の量子井戸への
閉じこめ効果により電子とフォノンの相互作用が減少す
る電気伝導度の向上とが主な要因である。本文献による
単位格子層の膜厚と無次元性能指数ZTの計算結果を図
11に示す。電流方向のBi2Te3の結晶方位によって
結果が異なるが、たとえば基本並進ベクトルのa0−b0
面では膜厚が40オングストローム以下で効果が現れ、
0−c0面では10オングストローム程度までの薄膜化
でバルクの約7倍の性能指数Zが得られる結果が示され
ている。
By the way, recently, regarding the crystal material of Bi 2 Te 3 , the theoretical consideration that the dimensionless figure of merit ZT reaches about 7 times that of the bulk material due to the two-dimensional quantum well structure by the superlattice (LDHicks, "Effect of quantum- well structures
on the thermoelectric figure of merit ", 1994), in which the interaction between electrons and phonons is due to the effect of reducing phonon thermal conductivity due to phonon scattering at the superlattice interface and the effect of confining electrons in the quantum well. The main factor is the decrease in the electric conductivity.The calculation results of the thickness of the unit cell layer and the dimensionless figure of merit ZT according to this document are shown in Fig. 11. Crystal orientation of Bi 2 Te 3 in the current direction. Depending on the result, for example, the basic translation vector a 0 −b 0
On the surface, the effect appears when the film thickness is 40 Å or less,
It is shown that, on the a 0 -c 0 plane, a figure of merit Z that is about 7 times that of the bulk can be obtained by thinning the film to about 10 Å.

【0008】超格子構造はたとえば量子井戸レーザーで
構成され、実用化されているが、それはレーザー光発振
素子の一部微小部分に形成されているもので、MBE
(Molecular Beam Epitaxy)による超精密成膜により実
現され、商品として生産されている。しかし、これをた
とえば熱電変換素子のようなパワーデバイスの素子構成
として産業上利用できるレベルで実現するためには、超
格子をかなりの体積でかつ高速に成膜する必要があり、
現状の技術レベルではMBEのような設備では対応でき
ないことが容易に予想できる。
The superlattice structure is composed of, for example, a quantum well laser and has been put to practical use. However, it is formed in a minute portion of a laser light oscillation element.
Realized by ultra-precision film formation by (Molecular Beam Epitaxy), it is produced as a product. However, in order to realize this at an industrially applicable level as an element structure of a power device such as a thermoelectric conversion element, it is necessary to form a superlattice in a considerable volume and at high speed.
It can be easily predicted that equipment such as MBE cannot be used at the current technical level.

【0009】そこで性能指数向上の原理から、単一薄膜
によっても同様の効果が得られると考えられることによ
り、本発明の熱電変換素子およびその製造方法は、熱電
変換効率の向上と、従来の方法で問題となったチップ化
(切断)時の割れを解決し、効率の良い製造方法を提供
することを目的とする。
Therefore, from the principle of improving the figure of merit, it is considered that the same effect can be obtained even with a single thin film. Therefore, the thermoelectric conversion element and the manufacturing method thereof according to the present invention are improved in thermoelectric conversion efficiency and the conventional method. It is an object of the present invention to solve the problem of cracking at the time of chipping (cutting) and to provide an efficient manufacturing method.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の請求項1に記載の熱電変換素子は、第1
の絶縁基板と第2の絶縁基板とが交互に積層する積層構
造に、前記第1の絶縁基板と第2の絶縁基板との間に形
成される第1の半導体薄膜と、前記第2の絶縁基板と第
1の絶縁基板との間に形成される第2の半導体薄膜と、
前記第1の絶縁基板の端面を介して形成され、前記第1
の半導体薄膜と第2の半導体薄膜とを電気的に接続する
第1の電極と、前記第1の電極の形成された端面と互い
に対向する前記第2の絶縁基板の端面を介して形成さ
れ、第2の半導体薄膜と第1の半導体薄膜とを電気的に
接続する第2の電極とを具備し、前記第1の半導体薄膜
と前記第2の半導体薄膜とは、電気的に直列接続される
ことを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, a thermoelectric conversion element according to claim 1 of the present invention is a first thermoelectric conversion element.
A first semiconductor thin film formed between the first insulating substrate and the second insulating substrate, and a second insulating substrate in a laminated structure in which the insulating substrate and the second insulating substrate are alternately laminated. A second semiconductor thin film formed between the substrate and the first insulating substrate;
The first insulating substrate is formed through an end surface of the first insulating substrate, and the first insulating substrate is formed.
A first electrode for electrically connecting the semiconductor thin film and the second semiconductor thin film, and an end face of the second insulating substrate facing each other with an end face on which the first electrode is formed, A second electrode for electrically connecting the second semiconductor thin film and the first semiconductor thin film is provided, and the first semiconductor thin film and the second semiconductor thin film are electrically connected in series. It is characterized by

【0011】本発明の請求項2に記載の熱電変換素子
は、請求項1に記載の熱電変換素子を構成する手段に加
えて、第1の絶縁基板と第2の絶縁基板とは可撓性フィ
ルムであって、第1の半導体薄膜と第2の半導体薄膜と
が、前記第1の絶縁基板または第2の絶縁基板をはさん
で、第1の電極または第2の電極によって直列接続され
た状態で、重ね合わせて巻回された構造を有することを
特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in addition to the means constituting the thermoelectric conversion element according to the first aspect, the first insulating substrate and the second insulating substrate are flexible. A film, wherein a first semiconductor thin film and a second semiconductor thin film are connected in series by a first electrode or a second electrode across the first insulating substrate or the second insulating substrate. It is characterized in that it has a structure in which it is wound in an overlapping state.

【0012】本発明の請求項3に記載の熱電変換素子の
製造方法は、第1の絶縁基板の表面に第1の半導体薄膜
を、裏面に第2の半導体薄膜を形成する工程と、この第
1の絶縁基板の片側端面に、前記第1の半導体薄膜と第
2の半導体薄膜とを電気的に接続する第1の電極を形成
する工程と、前記第1の絶縁基板に積層される第2の絶
縁基板の、前記第1の電極の形成された端面と互いに対
向する端面に、前記第2の絶縁基板の表面と裏面とを電
気的に接続する第2の電極を形成する工程の後に、前記
第1の絶縁基板と第2の絶縁基板とを重ね合わせ、巻き
取ることを特徴とする。
A method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to a third aspect of the present invention comprises a step of forming a first semiconductor thin film on the front surface of a first insulating substrate and a second semiconductor thin film on the rear surface thereof, and A step of forming a first electrode for electrically connecting the first semiconductor thin film and the second semiconductor thin film on one end surface of the first insulating substrate; and a second step of stacking the first electrode on the first insulating substrate. After the step of forming a second electrode electrically connecting the front surface and the back surface of the second insulating substrate to the end surfaces of the insulating substrate facing each other with the end surface on which the first electrode is formed, It is characterized in that the first insulating substrate and the second insulating substrate are superposed and wound.

【0013】本発明の請求項4に記載の熱電変換素子の
製造方法は、第1の絶縁基板の表面に第1の半導体薄膜
を形成する工程と、この第1の絶縁基板の片側端面に、
前記第1の半導体薄膜と第1の絶縁基板の裏面とを電気
的に接続する第1の電極を形成する工程と、前記第1の
絶縁基板に積層される第2の絶縁基板の表面に、第2の
半導体薄膜を形成する工程と、前記第2の絶縁基板の、
前記第1の電極の形成された端面と互いに対向する端面
に、前記第2の半導体薄膜と第2の絶縁基板の裏面とを
電気的に接続する第2の電極を形成する工程の後に、前
記第1の絶縁基板と第2の絶縁基板とを重ね合わせ、巻
き取ることを特徴とする。
A method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to a fourth aspect of the present invention comprises a step of forming a first semiconductor thin film on a surface of a first insulating substrate, and an end face on one side of the first insulating substrate.
A step of forming a first electrode for electrically connecting the first semiconductor thin film and a back surface of the first insulating substrate, and a surface of a second insulating substrate laminated on the first insulating substrate, A step of forming a second semiconductor thin film, and a step of forming the second insulating substrate,
After the step of forming a second electrode for electrically connecting the second semiconductor thin film and the back surface of the second insulating substrate on the end surfaces facing each other with the end surface on which the first electrode is formed, It is characterized in that the first insulating substrate and the second insulating substrate are superposed and wound.

【0014】本発明の請求項5に記載の熱電変換素子の
製造方法は、請求項3または請求項4に記載の熱電変換
素子の製造方法を構成する工程に加えて、第1の半導体
薄膜および第2の半導体薄膜と、第1の電極および第2
の電極とを、所定の長さで、所定の間隔を置いて間欠的
に形成する工程の後に、第1の絶縁基板と第2の絶縁基
板とを重ね合わせ、巻き取ることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a thermoelectric conversion element, which comprises, in addition to the steps constituting the method for producing a thermoelectric conversion element according to the third or fourth aspect, a first semiconductor thin film and Second semiconductor thin film, first electrode and second
And the second insulating substrate are superposed on each other and wound up after the step of intermittently forming the electrodes of a predetermined length at predetermined intervals.

【0015】本発明の請求項6に記載の熱電変換素子の
製造方法は、請求項3ないし請求項5のいづれかの項に
記載の熱電変換素子の製造方法の半導体薄膜を形成する
工程が、第1の絶縁基板または第2の絶縁基板に、P型
半導体材料またはN型半導体材料をあらかじめそれぞれ
溶解または分散した溶液を塗布または吹き付けした後
に、加熱処理を行う工程で構成されることを特徴とす
る。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a thermoelectric conversion element according to any one of the third to fifth aspects, in which a step of forming a semiconductor thin film is performed. The method is characterized by comprising a step of applying heat treatment after applying or spraying a solution in which a P-type semiconductor material or an N-type semiconductor material is dissolved or dispersed in advance to the first insulating substrate or the second insulating substrate. .

【0016】本発明の請求項7に記載の熱電変換素子の
製造方法は、請求項3ないし請求項6のいづれかの項に
記載の熱電変換素子の製造方法を構成する工程に加え
て、第1の電極および第2の電極は低融点金属で構成さ
れ、この低融点金属の融点以上の温度に加熱された重ね
合わせローラにて、第1の絶縁基板と第2の絶縁基板と
を重ね合わせることを特徴とする。
A method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to a seventh aspect of the present invention is the first method in addition to the steps constituting the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of the third to sixth aspects. The second electrode and the second electrode are made of a low-melting metal, and the first insulating substrate and the second insulating substrate are stacked by a stacking roller heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the low-melting metal. Is characterized by.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態である熱電変
換素子の基本構造を図1に示す。図1(a)は、吸熱面
と発熱面を横切る方向の断面図であり、図1(b)は、
吸熱面と発熱面に平行な方向の中心断面図である。なお
特にことわりがない限り説明は熱電冷却素子として説明
する。可撓性フィルムである第1の絶縁基板7と第2の
絶縁基板8は、たとえばポリイミド等の高分子材料であ
る。第1の薄膜11と第2の薄膜12は、それぞれ第1
の絶縁基板7と第2の絶縁基板8とに交互に挟まれて積
層されている。第1の薄膜11はN型半導体材料であ
り、第2の薄膜12はP型半導体材料である。なお、目
的が常温付近での冷却であればN型およびP型の半導体
材料は図10に示すようなBi,Sb,Te,Se等の
カルコゲナイド系材料の組み合わせを主成分とするもの
が現状では最も性能が高い。ただし図10はこれまで検
討されたものの一例であり、今後新しい高性能材料が発
見される可能性は十分残されている。
FIG. 1 shows the basic structure of a thermoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view in the direction crossing the heat absorbing surface and the heat generating surface, and FIG.
It is a center sectional view of a direction parallel to a heat absorption surface and a heat generation surface. Unless otherwise specified, the description will be made with the thermoelectric cooling element. The first insulating substrate 7 and the second insulating substrate 8 which are flexible films are, for example, a polymer material such as polyimide. The first thin film 11 and the second thin film 12 respectively have a first
The insulating substrate 7 and the second insulating substrate 8 are alternately sandwiched and laminated. The first thin film 11 is an N-type semiconductor material and the second thin film 12 is a P-type semiconductor material. If the purpose is cooling near room temperature, the N-type and P-type semiconductor materials are currently composed mainly of a combination of chalcogenide materials such as Bi, Sb, Te, and Se as shown in FIG. The highest performance. However, FIG. 10 is an example of what has been studied so far, and there is a sufficient possibility that a new high-performance material will be discovered in the future.

【0018】第1の薄膜11と第2の薄膜12は、第1
の絶縁基板7または第2の絶縁基板8の端面を介して形
成される第1の電極9または第2の電極10によって電
気的に接続されている。第1の薄膜11および第2の薄
膜12は、第1の電極9と第2の電極10とによって所
定の数だけ直列に接続される。本実施の形態では、第1
の絶縁基板7と第2の絶縁基板8に、直接第1の電極9
と第2の電極が形成されている。しかし絶縁基板に形成
した第1の薄膜11と第2の薄膜12とが電気的に接続
されれば良いため、たとえば後述する製造方法に関する
実施の形態で示すように、第1の薄膜11と第2の薄膜
12とを、第1の絶縁基板7の端面において覆うような
形状でも良い。ここでN型の第1の薄膜11側にプラス
電圧、P型の第2の薄膜12側にマイナス電圧を印加す
ると、いわゆるペルチェ効果によって、N型からP型に
電流が流れる第1の電極9では吸熱、P型からN型に電
流が流れる第2の電極10では発熱となり、吸熱面13
と発熱面14が形成される。
The first thin film 11 and the second thin film 12 are
Are electrically connected by the first electrode 9 or the second electrode 10 formed via the end surface of the insulating substrate 7 or the second insulating substrate 8. The first thin film 11 and the second thin film 12 are connected in series by a predetermined number by the first electrode 9 and the second electrode 10. In the present embodiment, the first
Directly on the insulating substrate 7 and the second insulating substrate 8 of
And a second electrode is formed. However, the first thin film 11 and the second thin film 12 formed on the insulating substrate may be electrically connected to each other. The second thin film 12 may be covered with the end surface of the first insulating substrate 7. When a positive voltage is applied to the N-type first thin film 11 side and a negative voltage is applied to the P-type second thin film 12 side, the first electrode 9 in which a current flows from the N-type to the P-type due to the so-called Peltier effect. Heat is absorbed, and heat is generated in the second electrode 10 in which a current flows from P type to N type, and the heat absorbing surface 13
Thus, the heating surface 14 is formed.

【0019】本構造では薄膜方向に電流を流すため、電
気抵抗が基本的に大きく、十分な能力を出すための電流
を得るためには大きな電圧が必要となる。これを避ける
ためには図中の薄膜の寸法aはできるだけ大きく、かつ
寸法bはできるだけ小さくすることが必要である。
In this structure, since a current flows in the direction of the thin film, the electric resistance is basically large, and a large voltage is required to obtain a current for producing sufficient capacity. In order to avoid this, it is necessary to make the dimension a of the thin film in the figure as large as possible and the dimension b as small as possible.

【0020】本構成では熱電材料が薄膜であることから
基板が必要であることは免れない。この基板は発熱面か
ら吸熱面への熱漏洩の要素となるため、熱電変換素子と
しての性能を悪化させる要因となる。この熱伝導を考え
ると、基板はできるだけ薄く、かつ基板材料の熱伝導率
は小さいものが望ましい。
In this structure, since the thermoelectric material is a thin film, a substrate is inevitable. This substrate becomes a factor of heat leakage from the heat generating surface to the heat absorbing surface, and thus becomes a factor that deteriorates the performance as a thermoelectric conversion element. Considering this heat conduction, it is desirable that the substrate be as thin as possible and that the substrate material have a small thermal conductivity.

【0021】本発明による熱電変換素子では、電流は熱
電材料薄膜の膜方向に流れ、熱電冷却素子として考えれ
ば、絶縁基板の端面に設けられた第1の電極と第2の電
極が発熱部または吸熱部となる。これらを重ね合わせた
構造は絶縁基板と熱電材料薄膜による多層構造であり、
発熱部と吸熱部が多層構造を挟んで分離された構造とな
る。すなわち発熱面と吸熱面が形成された構造を提供す
るもので、従来の場合と同様な熱交換器を設置すること
で、気体や液体を効率よく冷却することが可能となる。
また絶縁基板が可撓性であるため衝撃吸収性がある。
In the thermoelectric conversion element according to the present invention, an electric current flows in the film direction of the thermoelectric material thin film, and if it is considered as a thermoelectric cooling element, the first electrode and the second electrode provided on the end surface of the insulating substrate are heat generating portions or It becomes an endothermic part. The structure in which these are stacked is a multilayer structure consisting of an insulating substrate and a thermoelectric material thin film,
The heat generating portion and the heat absorbing portion are separated by sandwiching the multilayer structure. That is, it provides a structure in which a heat generating surface and a heat absorbing surface are formed. By installing a heat exchanger similar to the conventional case, it is possible to efficiently cool a gas or a liquid.
Further, since the insulating substrate is flexible, it has a shock absorbing property.

【0022】次に図2は、本発明による熱電変換素子の
製造方法の第1の実施の形態を示す。なお本実施の形態
では真空プロセスを含むが、真空チャンバー、真空ポン
プ、切換弁等の真空機器の基本構造および操作について
は、既知のものとして、説明を省略する。
Next, FIG. 2 shows a first embodiment of a method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the present invention. Although the present embodiment includes a vacuum process, the basic structure and operation of the vacuum equipment such as the vacuum chamber, the vacuum pump, the switching valve, etc. are known and will not be described.

【0023】第1のローラ15と第2のローラ16にそ
れぞれ可撓性の第1の絶縁基板7と第2の絶縁基板8と
を巻き付けておく。基板材料を巻き付けたローラは真空
装置内に置き、基板材料は十分にガス放出を行ってお
く。第1のローラ15から引き出された第1の絶縁基板
7と、第2のローラ16から引き出された第2の絶縁基
板8とは、巻き取りローラ17によって重ねて巻き取ら
れる。その間で以下に示すような薄膜作製、電極形成、
熱処理等の工程が行われる。
A flexible first insulating substrate 7 and a flexible second insulating substrate 8 are wound around the first roller 15 and the second roller 16, respectively. The roller around which the substrate material is wound is placed in a vacuum device, and the substrate material is sufficiently outgassed. The first insulating substrate 7 drawn out from the first roller 15 and the second insulating substrate 8 drawn out from the second roller 16 are taken up by the take-up roller 17 in an overlapping manner. In the meantime, the following thin film fabrication, electrode formation,
A process such as heat treatment is performed.

【0024】薄膜作製は合金材料による単元蒸着機、単
体材料を同時にあるいは多層に蒸着できる多元蒸着機、
スパッタ、CVD等種々の方法が考えられる。図2は多
元同時蒸着の場合で示している。第1の絶縁基板7の表
面に第1の薄膜としてたとえばBi,Sb,Teを成分
とするP型半導体を成膜する場合、たとえば蒸着熱源と
して電子銃21を用い、それぞれの強度を各材料に対応
した適切な条件に合わせることによって、所定の組成の
膜が形成される。次に同様の方法によって第1の絶縁基
板7の裏面に第2の薄膜としてたとえばBi,Sb,T
eを成分とするN型半導体を成膜する。なお、第2の絶
縁基板8は成膜を行わない。
The thin film is produced by a single vapor deposition machine using an alloy material, a multi-source vapor deposition machine capable of vapor depositing a single material simultaneously or in multiple layers,
Various methods such as sputtering and CVD can be considered. FIG. 2 shows the case of multi-source simultaneous vapor deposition. When depositing a P-type semiconductor containing Bi, Sb, and Te as a first thin film on the surface of the first insulating substrate 7, for example, an electron gun 21 is used as a vapor deposition heat source, and the respective strengths are different for each material. By adjusting to the corresponding appropriate conditions, a film having a predetermined composition is formed. Then, a second thin film such as Bi, Sb, T is formed on the back surface of the first insulating substrate 7 by the same method.
An N-type semiconductor containing e as a component is formed. Note that the second insulating substrate 8 is not formed.

【0025】ここで第1の薄膜および第2の薄膜は、所
定の長さaでかつ間欠的に形成されるように、第1のシ
ャッタ24および第2のシャッタ24aを、一定時間は
開き、一定時間は閉じるようタイマー制御を行う。この
とき第1の薄膜11と第2の薄膜12とは、第1の絶縁
基板7の表裏で対向して作成するため、第1の絶縁基板
7の移動速度と、第1の薄膜11と第2の薄膜12の蒸
着位置の関係から、第1のシャッタ24および第2のシ
ャッタ24aの開閉タイミングのシフト量をあらかじめ
計算し、制御する。
Here, the first thin film and the second thin film are opened for a certain period of time by opening the first shutter 24 and the second shutter 24a so that the first thin film and the second thin film have a predetermined length a and are formed intermittently. The timer is controlled so that it will be closed for a certain time. At this time, since the first thin film 11 and the second thin film 12 are formed facing each other on the front and back of the first insulating substrate 7, the moving speed of the first insulating substrate 7 and the first thin film 11 The shift amount of the opening / closing timing of the first shutter 24 and the second shutter 24a is calculated in advance and controlled from the relationship between the vapor deposition positions of the second thin film 12 and the second thin film 12.

【0026】次に第1の絶縁基板7と第2の絶縁基板8
に、第1の薄膜11と第2の薄膜12を接続する電極を
形成する方法を、第1の絶縁基板7を例にとって図3に
示す。これはペーストはんだを、はんだ塗布ローラ25
にて塗布する方法であり、絶縁基板7の表裏に設置さ
れ、絶縁基板7の表裏にそれぞれ接触する1対のはんだ
塗布ローラ25のローラ面に、ペーストはんだ22をは
んだ供給管18より連続供給し、絶縁基板7の表面と裏
面を端面を介して電気的に接続するように塗布する。ま
たローラ以外には、刷毛状のもの(図示せず)で塗布す
ることも可能である。
Next, the first insulating substrate 7 and the second insulating substrate 8
3 shows a method of forming an electrode connecting the first thin film 11 and the second thin film 12 with the first insulating substrate 7 as an example. This is paste solder, solder application roller 25
The paste solder 22 is continuously supplied from the solder supply pipe 18 to the roller surfaces of the pair of solder application rollers 25 which are installed on the front and back of the insulating substrate 7 and contact the front and back of the insulating substrate 7, respectively. The insulating substrate 7 is coated so that the front surface and the back surface thereof are electrically connected via the end faces. It is also possible to apply with a brush-like material (not shown) other than the roller.

【0027】電極の間欠的な形成には、はんだ塗布ロー
ラ25あるいは刷毛(図示せず)を間欠的に絶縁基板7
から離す動作によって実現できる。ただし第1の電極9
は間欠的に形成された第1の薄膜11および第2の薄膜
12と同じ部分に重なるように形成する必要がある。こ
のため、はんだ塗布ローラ25を絶縁基板7から離すタ
イミングは、図2における絶縁基板7の移動速度と第1
および第2の薄膜形成位置と電極形成位置とから、はん
だ塗布ローラ25の動きのタイミングのシフト量をあら
かじめ計算し、制御する。あるいは、はんだ塗布ローラ
25の直前で基板の反射率の差を利用して薄膜蒸着の有
無を光電センサーにより検知し、それに応じてはんだ塗
布ローラ25の動きを制御することもできる。
For intermittent formation of the electrodes, the solder coating roller 25 or a brush (not shown) is intermittently formed on the insulating substrate 7.
This can be achieved by moving away from. However, the first electrode 9
Must be formed so as to overlap the same portion as the first thin film 11 and the second thin film 12 that are formed intermittently. Therefore, the timing for separating the solder coating roller 25 from the insulating substrate 7 depends on the moving speed of the insulating substrate 7 in FIG.
Also, the shift amount of the timing of the movement of the solder coating roller 25 is calculated and controlled from the second thin film forming position and the electrode forming position in advance. Alternatively, immediately before the solder coating roller 25, it is possible to detect the presence or absence of thin film vapor deposition by utilizing the difference in the reflectance of the substrate and to control the movement of the solder coating roller 25 accordingly.

【0028】なお電極の形成は、薄膜の形成前に行って
も、あるいは薄膜の形成後に行っても、第1の薄膜11
と第2の薄膜12の電気的接続が可能であるが、真空装
置内におけるはんだからの放出ガスを考慮すれば、本工
程は第1のローラ15に第1の絶縁基板7を巻き付ける
前に行うか、上述のように第1の薄膜11と第2の薄膜
12を形成した後に行う方が望ましい。
Whether the electrode is formed before forming the thin film or after forming the thin film, the first thin film 11 is formed.
The second thin film 12 can be electrically connected to the second thin film 12. However, if the gas released from the solder in the vacuum device is taken into consideration, this step is performed before the first insulating substrate 7 is wound around the first roller 15. Alternatively, it is desirable to perform after forming the first thin film 11 and the second thin film 12 as described above.

【0029】第2の絶縁基板8上には上記と同様の方法
で第2の電極10が形成される。この場合には第2の絶
縁基板8上に薄膜は形成されておらず、第2の電極10
は第2の絶縁基板8上に直接塗布される。また第2の電
極10は第1の電極9が形成されたのと対向する端面に
形成される。ただし第2の電極10は間欠的に形成され
た第1の薄膜11、第2の薄膜12、第1の電極9と同
じ部分に重なるように形成する必要がある。このため第
1の電極9を形成する場合と同様に、はんだ塗布ローラ
を第2の絶縁基板8から離すタイミングは、図2におい
て重ね合わせローラ30の位置から測定した第1と第2
の電極形成工程位置の距離の差と基板搬送速度から、は
んだ塗布ローラ25の動きのタイミングのシフト量をあ
らかじめ計算し、制御する。
The second electrode 10 is formed on the second insulating substrate 8 by the same method as described above. In this case, a thin film is not formed on the second insulating substrate 8 and the second electrode 10
Is directly coated on the second insulating substrate 8. The second electrode 10 is formed on the end face opposite to the surface on which the first electrode 9 is formed. However, the second electrode 10 needs to be formed so as to overlap the same portions as the first thin film 11, the second thin film 12, and the first electrode 9 which are intermittently formed. Therefore, as in the case of forming the first electrode 9, the timing of separating the solder coating roller from the second insulating substrate 8 is the first and second timings measured from the position of the overlapping roller 30 in FIG.
The amount of shift in the timing of movement of the solder coating roller 25 is calculated and controlled in advance from the difference in the distance between the electrode forming process positions and the substrate transport speed.

【0030】薄膜および電極が形成された第1の絶縁基
板7と第2の絶縁基板8は、図4に示す重ね合わせロー
ラ30により重ね合わせる。このとき重ね合わせローラ
30の幅の概ね第1と第2の電極の幅に相当する部分
は、ランプヒータ23によって少なくとも電極材料であ
るはんだの融点より高温に加熱されている。具体的には
重ね合わせローラ30の高温にしたい部分(図中斜線
部)のみを黒色塗装などの集熱処理を施せば良い。この
とき重ね合わせローラ30は溶融はんだに接触するた
め、ローラ面がはんだ濡れ性でないような材質としてお
く必要がある。これにより第1の電極9、第2の電極1
0の材料であるはんだは溶融し、薄膜材料との密着性が
向上し、接触抵抗を小さくできる。
The first insulating substrate 7 and the second insulating substrate 8 on which the thin film and the electrodes are formed are superposed by the superposing roller 30 shown in FIG. At this time, a portion of the width of the superposing roller 30 corresponding to the width of the first and second electrodes is heated by the lamp heater 23 to a temperature higher than at least the melting point of the electrode material solder. Specifically, only the portion of the superposing roller 30 where the temperature is desired to be high (hatched portion in the figure) may be subjected to heat treatment such as black coating. At this time, since the superimposing roller 30 comes into contact with the molten solder, it is necessary to use a material whose roller surface is not wettable by solder. Thereby, the first electrode 9 and the second electrode 1
Solder, which is a material of No. 0, melts, the adhesion with the thin film material is improved, and the contact resistance can be reduced.

【0031】このような間欠的な薄膜および電極の形
成、および重ね合わせ後の巻き取りにより、所定の長さ
aの第1の薄膜11と第2の薄膜12が、第1の電極9
または第2の電極10を介して電気的に交互に直列接続
された直列回路単位を形成する。
By the formation of such an intermittent thin film and electrode, and the winding after superposition, the first thin film 11 and the second thin film 12 having a predetermined length a are replaced by the first electrode 9
Alternatively, a series circuit unit electrically connected in series via the second electrode 10 is formed.

【0032】熱電冷却素子に対する印加電圧が決まって
いる場合、一組の第1の薄膜11と第2の薄膜12とか
ら成る直列回路のみでは、最も効率の良いあるいは最も
能力の出る電流が流せないが、以上の方法より複数の直
列回路から成る直列回路単位を形成することによって、
適切な電流を流すことができる。
When the voltage applied to the thermoelectric cooling element is fixed, the current having the highest efficiency or the highest capacity cannot be passed only by the series circuit including the pair of the first thin film 11 and the second thin film 12. However, by forming a series circuit unit composed of a plurality of series circuits by the above method,
Appropriate current can be applied.

【0033】さらに、この直列回路単位を形成した後
に、所定の長さだけ電極および薄膜の形成を行わずに第
1と第2の絶縁基板を巻き取った後、再び上記直列回路
単位の形成工程を行い、これらを繰り返すことによって
複数の直列回路単位を連続的に形成することができる。
図5は複数の直列回路単位が円弧状に形成されて、円形
に巻き取られた熱電変換素子の形状を示す。図中黒塗り
部は長さaの1つの直列回路単位であり、拡大図に示す
ように薄膜11と薄膜12が、それぞれ絶縁基板7,8
で挟まれ、図示しない電極で紙面の表側と裏側で交互に
直列接続されたものである。
Further, after the series circuit unit is formed, the first and second insulating substrates are wound up without forming electrodes and thin films for a predetermined length, and then the series circuit unit is formed again. Then, a plurality of series circuit units can be continuously formed by repeating these steps.
FIG. 5 shows a shape of a thermoelectric conversion element in which a plurality of series circuit units are formed in an arc shape and wound in a circle. The black portion in the figure is one series circuit unit of length a, and as shown in the enlarged view, the thin film 11 and the thin film 12 are insulated substrates 7 and 8 respectively.
It is sandwiched between and is connected in series by electrodes (not shown) alternately on the front side and the back side of the paper.

【0034】次に本発明による熱電変換素子の製造方法
の第2の実施の形態を図6に示す。本実施の形態は、電
極形成までの工程のみ、第1の実施の形態と異なり、熱
処理工程は第1の実施の形態と同様である。成膜方法は
第1の実施の形態と同様であり、図2の第1の実施の形
態との差は、第1の絶縁基板7の表面に第1の薄膜11
を、第2の絶縁基板8の表面に第2の薄膜12を形成す
ることである。
Next, FIG. 6 shows a second embodiment of the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the present invention. This embodiment is different from the first embodiment only in the steps up to electrode formation, and the heat treatment step is the same as in the first embodiment. The film forming method is similar to that of the first embodiment, and the difference from the first embodiment of FIG. 2 is that the first thin film 11 is formed on the surface of the first insulating substrate 7.
That is, the second thin film 12 is formed on the surface of the second insulating substrate 8.

【0035】薄膜の形成を真空プロセス以外で実現する
ための方法を、第1の絶縁基板7に対して行う場合の実
施の形態を図7に示す。第1の絶縁基板7の表面に第1
の薄膜としてたとえばBi,Sb,Teを成分とするP
型半導体を成膜し、裏面に第2の薄膜としてたとえばB
i,Sb,Teを成分とするN型半導体を成膜する場
合、あらかじめそれぞれ所定の組成比で単体の粉末を適
当な溶媒に溶解または分散し、これらを第1の原料液2
6、第2の原料液27とする。第1の原料液塗布ローラ
28のローラ面に第1の原料液26、第2の原料液塗布
ローラ29に第2の原料液27を連続供給し、絶縁基板
7の表面と裏面にそれぞれ第1の原料液26、第2の原
料液27の膜を形成する。ローラ以外には刷毛状のもの
(図示せず)で塗布することも可能である。図2で説明
した薄膜の間欠的な形成に相当する動作は、原料液塗布
ローラ28および原料液塗布ローラ29、あるいは刷毛
(図示せず)の間欠的上下動作によって実現できる。
FIG. 7 shows an embodiment in which a method for realizing the formation of a thin film by a method other than the vacuum process is performed on the first insulating substrate 7. First on the surface of the first insulating substrate 7.
As a thin film of P, for example, P containing Bi, Sb, and Te as components
-Type semiconductor is formed, and a second thin film such as B is formed on the back surface.
When an N-type semiconductor containing i, Sb, and Te as components is formed into a film, powders of a single substance are dissolved or dispersed in a suitable solvent in advance at predetermined composition ratios, respectively, and these are used as the first raw material liquid 2
6 and the second raw material liquid 27. The first raw material liquid 26 is continuously supplied to the roller surface of the first raw material liquid coating roller 28, and the second raw material liquid 27 is continuously supplied to the second raw material liquid coating roller 29. A film of the raw material liquid 26 and the second raw material liquid 27 is formed. It is also possible to apply with a brush-like material (not shown) other than the roller. The operation corresponding to the intermittent formation of the thin film described with reference to FIG. 2 can be realized by the raw material liquid coating roller 28 and the raw material liquid coating roller 29, or the intermittent vertical movement of the brush (not shown).

【0036】薄膜の形成を真空プロセス以外で行う方法
を、第1の絶縁基板7に対して行う場合の他の実施の形
態を図8に示す。第1のノズル31と第2のノズル32
は、絶縁基板7の表側と裏側にそれぞれ対向して設けら
れ、第1のノズル31から第1の原料液26を、第2の
ノズル32から第2の原料液27を吹き付けることによ
り、第1および第2の薄膜を形成することができる。図
2の説明における薄膜の間欠的な形成に相当する動作
は、第1のノズル31と第2のノズル32からの吹き付
けを間欠的にするか、図示しないシャッタにより絶縁基
板7への吹き付けを制御することによって実現できる。
FIG. 8 shows another embodiment in which the method of forming the thin film by a method other than the vacuum process is performed on the first insulating substrate 7. First nozzle 31 and second nozzle 32
Are provided on the front side and the back side of the insulating substrate 7 so as to face each other, and the first raw material liquid 26 is sprayed from the first nozzle 31 and the second raw material liquid 27 is sprayed from the second nozzle 32. And a second thin film can be formed. The operation corresponding to the intermittent formation of the thin film in the description of FIG. 2 is such that the spraying from the first nozzle 31 and the second nozzle 32 is intermittent, or the spraying onto the insulating substrate 7 is controlled by a shutter (not shown). It can be realized by doing.

【0037】上記の図7および図8に示す薄膜の形成方
法では、これらの工程後に溶媒成分の除去と熱処理によ
る材料の化合が必要であり、図3に示す電極形成工程の
前にいったん加熱炉を通過させる必要がある。加熱温度
は、たとえばBi,Te等の材料であれば500〜60
0℃程度が融点であるので、それ以上の温度で良い。一
般的な溶媒は沸点がそれほど高くなく、材料の熱処理と
同時に溶媒成分の除去が可能である。
In the thin film forming method shown in FIGS. 7 and 8, it is necessary to remove the solvent components and combine the materials by heat treatment after these steps. Before the electrode forming step shown in FIG. Need to pass. The heating temperature is, for example, 500 to 60 for materials such as Bi and Te.
Since the melting point is about 0 ° C., a temperature higher than that is sufficient. The boiling point of a general solvent is not so high, and the solvent component can be removed simultaneously with the heat treatment of the material.

【0038】その結果、上記の薄膜の形成方法は、大気
圧でのプロセスを用いて、第1または第2の熱電材料を
溶解あるいは分散した溶液を、塗布あるいは吹き付けて
基板上に密着後、加熱により溶液のみが蒸発し、熱電材
料のみが基板上に薄膜として形成される。
As a result, the above-described thin film forming method uses a process at atmospheric pressure to apply or spray a solution in which the first or second thermoelectric material is dissolved or dispersed to adhere it to the substrate and then heat it. As a result, only the solution evaporates, and only the thermoelectric material is formed as a thin film on the substrate.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項1
に記載の熱電変換素子は、非常に薄い単一薄膜による素
子であり、このような薄膜の方向では界面のフォノン散
乱による熱伝導率の低減効果による性能指数の向上がは
かれ、この性能指数の向上を効果的にパワーデバイスと
して活用できる熱電変換素子を提供するものである。
As described above, according to the first aspect of the present invention,
The thermoelectric conversion element described in 1 is an element with a very thin single thin film, and in the direction of such a thin film, the figure of merit is improved by the effect of reducing the thermal conductivity due to phonon scattering at the interface. The present invention provides a thermoelectric conversion element that can be effectively utilized as a power device.

【0040】本発明の請求項2に記載の熱電変換素子
は、基板となる可撓性フィルムが衝撃吸収作用を持つた
め、従来の熱電変換素子で課題となっていた衝撃に対す
る弱さは解消される。
In the thermoelectric conversion element according to the second aspect of the present invention, since the flexible film serving as the substrate has a shock absorbing function, the weakness to the shock which has been a problem in the conventional thermoelectric conversion element is eliminated. It

【0041】本発明による請求項3および請求項4に記
載の熱電変換素子の製造方法は、連続プロセスによっ
て、第1と第2の薄膜の直列接続の連続構造が効率的に
形成される。さらに一般的な固定基板に対する成膜とは
異なり、基板が移動しながら成膜するため、固定基板で
課題となるであろう膜の不均一性が緩和され、良好な質
の膜が形成可能となる。
In the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to the third and fourth aspects of the present invention, the continuous structure of the first and second thin films connected in series is efficiently formed by the continuous process. Further, unlike general film formation on a fixed substrate, since the film is formed while the substrate is moving, the nonuniformity of the film, which would be a problem with the fixed substrate, is mitigated, and a film of good quality can be formed. Become.

【0042】本発明による請求項5に記載の熱電変換素
子の製造方法は、直列接続の回路単位が連続工程で複数
作成された構造の熱電変換素子を実現でき、従来のよう
なP型、N型のチップ作成、整列、はんだ付けといった
段階的工程でないため、従来のようなインゴットの切断
時の割れの問題は解決される。またチップ配列の工程が
伴わないため低コスト製造が可能となる。
The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to a fifth aspect of the present invention can realize a thermoelectric conversion element having a structure in which a plurality of series-connected circuit units are formed in a continuous process, and the conventional P-type, N-type Since it is not a stepwise process of forming, aligning, and soldering the mold, the problem of cracking when cutting an ingot as in the past is solved. Further, since the step of arranging chips is not involved, low cost manufacturing is possible.

【0043】本発明による請求項6に記載の熱電変換素
子の製造方法は、真空装置を用いない大気圧でのプロセ
スであり、低コスト製造が可能となる。
The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 6 of the present invention is a process at atmospheric pressure that does not use a vacuum device, and can be manufactured at low cost.

【0044】本発明による請求項7に記載の熱電変換素
子の製造方法は、ローラによる加圧と必要部分の加熱が
同時にできるため電極と薄膜の密着性が上がり、性能に
大きな影響を及ぼす接触抵抗を減じることができる。
In the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the seventh aspect of the present invention, since the pressing by the roller and the heating of the necessary portion can be performed at the same time, the adhesion between the electrode and the thin film is improved, and the contact resistance that greatly affects the performance is improved. Can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)及び(b)は、本発明の熱電変換素子の
基本構造を示す図である。
FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams showing a basic structure of a thermoelectric conversion element of the present invention.

【図2】本発明による熱電変換素子の製造方法の第1の
実施の形態を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of a method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the present invention.

【図3】本発明による電極を形成する方法を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing a method of forming an electrode according to the present invention.

【図4】本発明による電極と薄膜を重ね合わす方法を示
す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a method of superimposing an electrode and a thin film according to the present invention.

【図5】本発明の熱電変換素子の形状を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a shape of a thermoelectric conversion element of the present invention.

【図6】本発明による熱電変換素子の製造方法の第2の
実施の形態を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of a method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the present invention.

【図7】本発明による薄膜形成方法の実施の形態を示す
図である。
FIG. 7 is a diagram showing an embodiment of a thin film forming method according to the present invention.

【図8】本発明による薄膜形成方法の他の実施の形態を
示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing another embodiment of the thin film forming method according to the present invention.

【図9】従来の熱電変換素子の基本構造を示す図であ
る。
FIG. 9 is a diagram showing a basic structure of a conventional thermoelectric conversion element.

【図10】(a)及び(b)は、代表的熱電材料の温度
−性能指数線図である。
10 (a) and (b) are temperature-performance index diagrams of representative thermoelectric materials.

【図11】膜厚−無次元性能指数線図である。FIG. 11 is a film thickness-dimensionless figure of merit diagram.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 P型チップ 2 N型チップ 3 電極 4 電気絶縁板 5 P側端子 6 N側端子 7 第1の絶縁基板 8 第2の絶縁基板 9 第1の電極 10 第2の電極 11 第1の薄膜 12 第2の薄膜 13 吸熱面 14 発熱面 15 第1のローラ 16 第2のローラ 17 巻き取りローラ 18 ペーストはんだ供給管 19 第1の原料液供給管 20 第2の原料液供給管 21 電子銃 22 ペーストはんだ 23 ランプヒータ 24 第1のシャッタ 24a 第2のシャッタ 25 はんだ塗布ローラ 26 第1の原料液 27 第2の原料液 28 第1の原料液塗布ローラ 29 第2の原料液塗布ローラ 30 重ね合わせローラ 31 第1のノズル 32 第2のノズル 1 P-type chip 2 N-type chip 3 Electrode 4 Electrical insulating plate 5 P-side terminal 6 N-side terminal 7 First insulating substrate 8 Second insulating substrate 9 First electrode 10 Second electrode 11 First thin film 12 Second thin film 13 Endothermic surface 14 Exothermic surface 15 First roller 16 Second roller 17 Winding roller 18 Paste solder supply pipe 19 First raw material liquid supply pipe 20 Second raw material liquid supply pipe 21 Electron gun 22 Paste Solder 23 Lamp heater 24 First shutter 24a Second shutter 25 Solder coating roller 26 First raw material liquid 27 Second raw material liquid 28 First raw material liquid coating roller 29 Second raw material liquid coating roller 30 Stacking roller 31 first nozzle 32 second nozzle

フロントページの続き (72)発明者 湊 和明 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 原田 茂夫 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 山本 義宏 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 富田 孝司 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内Front page continued (72) Inventor Kazuaki Minato 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Prefecture Sharp Corporation (72) Inventor Shigeo Harada 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Osaka Corporation (72) Inventor Yoshihiro Yamamoto 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Prefecture Sharp Corporation (72) In-house Takashi Tomita 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka City, Osaka Prefecture

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1の絶縁基板と第2の絶縁基板とが交
互に積層する積層構造を備え、 前記第1の絶縁基板と第2の絶縁基板との間に形成され
る第1の半導体薄膜と、 前記第2の絶縁基板と第1の絶縁基板との間に形成され
る第2の半導体薄膜と、 前記第1の絶縁基板の端面を介して形成され、前記第1
の半導体薄膜と第2の半導体薄膜とを電気的に接続する
第1の電極と、 前記第1の電極の形成された端面と互いに対向する前記
第2の絶縁基板の端面を介して形成され、第2の半導体
薄膜と第1の半導体薄膜とを電気的に接続する第2の電
極とを具備し、 前記第1の半導体薄膜と前記第2の半導体薄膜とは、電
気的に直列接続されることを特徴とする熱電変換素子。
1. A first semiconductor having a laminated structure in which a first insulating substrate and a second insulating substrate are alternately laminated, the first semiconductor being formed between the first insulating substrate and the second insulating substrate. A thin film, a second semiconductor thin film formed between the second insulating substrate and the first insulating substrate, an end surface of the first insulating substrate, and
A first electrode for electrically connecting the semiconductor thin film and the second semiconductor thin film, and an end face of the second insulating substrate facing each other with an end face on which the first electrode is formed, A second electrode is provided that electrically connects the second semiconductor thin film and the first semiconductor thin film, and the first semiconductor thin film and the second semiconductor thin film are electrically connected in series. A thermoelectric conversion element characterized by the above.
【請求項2】 第1の絶縁基板と第2の絶縁基板とは可
撓性フィルムであって、 第1の半導体薄膜と第2の半導体薄膜とが、前記第1の
絶縁基板または第2の絶縁基板をはさんで、第1の電極
または第2の電極によって直列接続された状態で、重ね
合わせて巻回された構造を有することを特徴とする請求
項1に記載の熱電変換素子。
2. The first insulating substrate and the second insulating substrate are flexible films, and the first semiconductor thin film and the second semiconductor thin film are the first insulating substrate or the second insulating thin film. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion element has a structure in which the insulating substrate is sandwiched and wound in a state of being connected in series by the first electrode or the second electrode and sandwiching the insulating substrate.
【請求項3】 第1の絶縁基板の表面に第1の半導体薄
膜を、裏面に第2の半導体薄膜を形成し、 この第1の絶縁基板の片側端面に、前記第1の半導体薄
膜と第2の半導体薄膜とを電気的に接続する第1の電極
を形成し、 前記第1の絶縁基板に積層される第2の絶縁基板の、前
記第1の電極の形成された端面と互いに対向する端面
に、前記第2の絶縁基板の表面と裏面とを電気的に接続
する第2の電極を形成した後、 前記第1の絶縁基板と第2の絶縁基板とを重ね合わせ、
巻き取ることを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
3. A first semiconductor thin film is formed on a front surface of a first insulating substrate and a second semiconductor thin film is formed on a back surface of the first insulating substrate, and the first semiconductor thin film and the first semiconductor thin film are formed on one end surface of the first insulating substrate. Forming a first electrode electrically connecting to the second semiconductor thin film, and facing the end face of the second insulating substrate laminated on the first insulating substrate, on which the first electrode is formed. After forming a second electrode on the end face that electrically connects the front surface and the back surface of the second insulating substrate, the first insulating substrate and the second insulating substrate are superposed,
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, which comprises winding.
【請求項4】 第1の絶縁基板の表面に第1の半導体薄
膜を形成し、 この第1の絶縁基板の片側端面に、前記第1の半導体薄
膜と第1の絶縁基板の裏面とを電気的に接続する第1の
電極を形成し、 前記第1の絶縁基板に積層される第2の絶縁基板の表面
に、第2の半導体薄膜を形成し、 前記第2の絶縁基板の、前記第1の電極の形成された端
面と互いに対向する端面に、前記第2の半導体薄膜と第
2の絶縁基板の裏面とを電気的に接続する第2の電極を
形成した後、 前記第1の絶縁基板と第2の絶縁基板とを重ね合わせ、
巻き取ることを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
4. A first semiconductor thin film is formed on the front surface of a first insulating substrate, and the first semiconductor thin film and the back surface of the first insulating substrate are electrically connected to one end surface of the first insulating substrate. Electrically connecting a first electrode, forming a second semiconductor thin film on the surface of the second insulating substrate laminated on the first insulating substrate, and forming a second semiconductor thin film on the surface of the second insulating substrate. After forming a second electrode for electrically connecting the second semiconductor thin film and the back surface of the second insulating substrate on an end surface opposite to the end surface on which the first electrode is formed, the first insulating film is formed. Stack the substrate and the second insulating substrate,
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, which comprises winding.
【請求項5】 第1の半導体薄膜および第2の半導体薄
膜と、第1の電極および第2の電極とを、所定の長さ
で、所定の間隔を置いて間欠的に形成した後、 第1の絶縁基板と第2の絶縁基板とを重ね合わせ、巻き
取ることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の
熱電変換素子の製造方法。
5. The first semiconductor thin film and the second semiconductor thin film, and the first electrode and the second electrode are intermittently formed with a predetermined length at a predetermined interval, and The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 3 or 4, wherein the first insulating substrate and the second insulating substrate are stacked and wound.
【請求項6】 第1の絶縁基板または第2の絶縁基板
に、P型半導体材料またはN型半導体材料をあらかじめ
それぞれ溶解または分散した溶液を、塗布または吹き付
けした後、 加熱処理を行うことによって半導体薄膜を形成すること
を特徴とする請求項3ないし請求項5のいづれかの項に
記載の熱電変換素子の製造方法。
6. The semiconductor is prepared by applying or spraying a solution in which a P-type semiconductor material or an N-type semiconductor material is dissolved or dispersed in advance onto the first insulating substrate or the second insulating substrate, and then performing heat treatment. A thin film is formed, The manufacturing method of the thermoelectric conversion element of any one of Claim 3 thru | or 5 characterized by the above-mentioned.
【請求項7】 第1の電極および第2の電極は低融点金
属で構成され、 この低融点金属の融点以上の温度に加熱された重ね合わ
せローラにて、第1の絶縁基板と第2の絶縁基板とを重
ね合わせることを特徴とする請求項3ないし請求項6の
いづれかの項に記載の熱電変換素子の製造方法。
7. The first electrode and the second electrode are made of a low melting point metal, and the first insulating substrate and the second electrode are formed by a stacking roller heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the low melting point metal. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of claims 3 to 6, wherein an insulating substrate is superposed.
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