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技術 熱電変換モジュールの製造方法、および熱電変換モジュール

出願人 大日本印刷株式会社
発明者 佐竹一義日野和幸和田陽介千吉良敦子岸本健秀
出願日 2015年10月8日 (5年1ヶ月経過) 出願番号 2015-200100
公開日 2017年4月13日 (3年7ヶ月経過) 公開番号 2017-073490
状態 特許登録済
技術分野 特殊な電動機、発電機 熱電素子
主要キーワード 添加ポリエチレン 露出箇所 熱電変換素子材料 アルメル コンスタンタン クロメル 後保護 熱電変換素子
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (11)

課題

高集積化が可能な熱電変換モジュールの製造方法等を提供する。

解決手段

熱電変換モジュール1は、基材10上の平面において定められた高温部Hと低温部Lに平面の両端部がそれぞれ位置するように、膜状の熱電変換素子11、13を複数配置し、これらを直列に接続したものである。熱電変換素子11、13は、フォトリソグラフィーによって感光性樹脂パターンを形成した後にその下方の熱電変換素子材料エッチングを行うことで形成される。

概要

背景

熱電変換素子は、両端の温度差によってゼーベック効果による起電力を生じさせるものである。特許文献1〜3にその例が記載されており、通常、上部基板と下部基板の間に柱状の熱電変換素子を複数配置し、これらを直列に接続してモジュール化し、上部基板と下部基板との間の温度差により起電力を生じるようにしている。

概要

高集積化が可能な熱電変換モジュールの製造方法等を提供する。熱電変換モジュール1は、基材10上の平面において定められた高温部Hと低温部Lに平面の両端部がそれぞれ位置するように、膜状の熱電変換素子11、13を複数配置し、これらを直列に接続したものである。熱電変換素子11、13は、フォトリソグラフィーによって感光性樹脂パターンを形成した後にその下方の熱電変換素子材料エッチングを行うことで形成される。

目的

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、高集積化が可能な熱電変換モジュールの製造方法等を提供する

効果

実績

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請求項1

基材上の平面において定められた高温部低温部に両端部がそれぞれ位置するように配置された膜状の複数の熱電変換素子パターンを、フォトリソグラフィーの手法を用いて基材上に形成することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。

請求項2

前記熱電変換素子を、基材上に熱電変換素子材料を塗布する工程と、前記熱電変換素子材料上に感光性樹脂を塗布する工程と、露光および現像により前記熱電変換素子のパターンに応じた前記感光性樹脂のパターンを形成する工程と、前記熱電変換素子材料の露出箇所エッチングにより除去する工程と、残りの前記感光性樹脂を除去する工程と、により形成することを特徴とする請求項1記載の熱電変換モジュールの製造方法。

請求項3

前記熱電変換素子を、基材上に、有機材料である熱電変換素子材料を含有させた感光性樹脂を塗布する工程と、露光および現像により前記熱電変換素子のパターンを前記感光性樹脂のパターンとして形成する工程と、により形成することを特徴とする請求項1記載の熱電変換モジュールの製造方法。

請求項4

前記熱電変換素子は、n型素子とp型素子を含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。

請求項5

前記熱電変換素子は、n型素子とp型素子のいずれかのみを含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。

請求項6

配線部をフォトリソグラフィーの手法を用いて前記基材上に形成することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。

請求項7

前記基材は樹脂製のフィルムであることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。

請求項8

基材上の平面において定められた高温部と低温部に両端部がそれぞれ位置するように、膜状の熱電変換素子が基材上に複数配置されたことを特徴とする熱電変換モジュール。

請求項9

前記熱電変換素子は、n型素子とp型素子を含むことを特徴とする請求項8に記載の熱電変換モジュール。

請求項10

前記熱電変換素子は、n型素子とp型素子のいずれかのみを含むことを特徴とする請求項8に記載の熱電変換モジュール。

請求項11

前記基材上に配線部が形成されたことを特徴とする請求項8から請求項10のいずれかに記載の熱電変換モジュール。

請求項12

前記基材は樹脂製のフィルムであることを特徴とする請求項8から請求項11のいずれかに記載の熱電変換モジュール。

技術分野

0001

本発明は、温度差により起電力を生じる熱電変換モジュールの製造方法および熱電変換モジュールに関する。

背景技術

0002

熱電変換素子は、両端の温度差によってゼーベック効果による起電力を生じさせるものである。特許文献1〜3にその例が記載されており、通常、上部基板と下部基板の間に柱状の熱電変換素子を複数配置し、これらを直列に接続してモジュール化し、上部基板と下部基板との間の温度差により起電力を生じるようにしている。

先行技術

0003

特開2007-266084号公報
特開平11-330569号公報
特開平9-162447号公報

発明が解決しようとする課題

0004

上下の基板間に熱電変換素子を形成する際、従来は柱状の熱電変換素子をハンダにより接合したり(特許文献1)、リフトオフ法を用いて熱電変換素子材料を柱状に積層したり(特許文献2)、メッキ法により柱状の熱電変換素子を形成する(特許文献3)が、これらの手法で柱状の熱電変換素子を形成する場合素子集積化限界があり、少ない面積体積)で十分な起電力が得られる熱電変換モジュールが求められている。

0005

また従来の熱電変換モジュールは、上部基板と下部基板との間に柱状の熱電変換素子を配置することから、ある程度の厚みが有りフレキシブル曲げたりすることができず、適用場面が限られている。また上下の基板の間に配線を設けたり絶縁層を配置する必要があり複雑な構造となる。

0006

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、高集積化が可能な熱電変換モジュールの製造方法等を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

前述した課題を解決するための第1の発明は、基材上の平面において定められた高温部低温部に両端部がそれぞれ位置するように配置された膜状の複数の熱電変換素子のパターンを、フォトリソグラフィーの手法を用いて基材上に形成することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法である。

0008

前記熱電変換素子は、例えば、基材上に熱電変換素子材料を塗布する工程と、前記熱電変換素子材料上に感光性樹脂を塗布する工程と、露光および現像により前記熱電変換素子のパターンに応じた前記感光性樹脂のパターンを形成する工程と、前記熱電変換素子材料の露出箇所エッチングにより除去する工程と、残りの前記感光性樹脂を除去する工程と、により形成する。
あるいは、前記熱電変換素子を、基材上に、有機材料である熱電変換素子材料を含有させた感光性樹脂を塗布する工程と、露光および現像により前記熱電変換素子のパターンを前記感光性樹脂のパターンとして形成する工程と、により形成する。

0009

前記熱電変換素子は、例えばn型素子とp型素子を含む。あるいは、n型素子とp型素子のいずれかのみを含んでもよい。
さらに、配線部をフォトリソグラフィーの手法を用いて前記基材上に形成してもよい。
また、前記基材は樹脂製のフィルムであることが望ましい。

0010

第2の発明は、基材上の平面において定められた高温部と低温部に両端部がそれぞれ位置するように、膜状の熱電変換素子が基材上に複数配置されたことを特徴とする熱電変換モジュールである。

0011

前記熱電変換素子は、例えばn型素子とp型素子を含む。あるいは、n型素子とp型素子のいずれかのみを含んでもよい。
さらに、前記基材上に配線部が形成されてもよい。
また、前記基材は樹脂製のフィルムであることが望ましい。

0012

本発明では、フォトリソグラフィーによって感光性樹脂のパターンを形成した後、その下方の熱電素子材料のエッチングを行う手法、あるいはフォトリソグラフィーによって熱電変換素子材料を含む感光性樹脂のパターンを形成する手法を用い、基材の平面において定められた高温部と低温部に両端部が位置するように膜状の熱電変換素子を複数形成する。これにより、全体として薄厚の熱電変換モジュールに熱電変換素子をミクロンオーダーで形成して集積化することが可能になり、構造も単純化できる。結果、より小さい面積(体積)で十分な起電力を有する熱電変換モジュールを得ることができる。

0013

熱電変換素子としてn型素子とp型素子を形成し、これらを直列に配置することでより大きな起電力を得ることが可能になり、n型素子とp型素子のいずれかのみを用いることで、生産コストが低下し工程も少なくなる。また配線部をフォトリソグラフィーの手法を用いて形成することで、素子間の確実な接続ができる。さらに基材として樹脂製のフィルムを用いることで、フレキシブルな熱電変換モジュールが得られる。

発明の効果

0014

本発明により、高集積化が可能な熱電変換モジュールの製造方法等を提供することができる。

図面の簡単な説明

0015

熱電変換モジュール1を示す図
熱電変換モジュール1の製造方法を示す図
熱電変換モジュール1の製造方法を示す図
熱電変換モジュール1の製造方法を示す図
熱電変換モジュール1を熱源100に取り付けた状態を示す図
熱電変換モジュール1aを示す図
熱電変換モジュール1bを示す図
熱電変換モジュール1bの製造方法を示す図
熱電変換モジュール1bを熱源100に取り付けた状態を示す図
熱電変換モジュール1cを示す図

実施例

0016

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

0017

[第1の実施形態]
(1.熱電変換モジュール1)
図1は本発明の第1の実施形態に係る熱電変換モジュール1を示す図である。図1(a)は熱電変換モジュール1を上から見た図であり、図1(b)は図1(a)の線A−Aによる断面図である。

0018

本実施形態の熱電変換モジュール1は、膜状の熱電変換素子11、13をフォトリソグラフィーとエッチングの手法を用いて基材10上に形成したフィルム状(シート状)のものであり、全体として薄厚に形成される。

0019

本実施形態の熱電変換モジュール1では、基材10上の平面において、使用時に高温となるべき高温部Hと、それと比較して低温となる低温部Lが定められており、これら高温部Hと低温部Lに対応させて熱電変換素子11、13の配置や形状が定められる。

0020

基材10にはポリエチレンポリイミドなどの樹脂製のフィルムが用いられる。しかしこれに限ることはなく、例えばガラスなどを用いることも可能である。ただし、樹脂製のフィルムを用いる場合、フレキシブル性に優れ適用範囲が広いという利点がある。

0021

熱電変換素子11はn型素子であり、両端部に温度差がある場合に、低温の端部から高温の端部へと電流が流れる。本実施形態では熱電変換素子11としてITO(酸化インジウムスズ)が用いられるが、これに限ることはない。n型素子として利用可能な既知無機材料を用いることができ、その例として白金コンスタンタンアルメル、SUS(ステンレス鋼)、インバー、酸化インジウム亜鉛などがある。

0022

一方、熱電変換素子13はp型素子であり、両端に温度差がある場合に、高温の端部から低温の端部へと電流が流れる。本実施形態では熱電変換素子13として銅が用いられるが、これに限ることはない。p型素子として利用可能な既知の無機材料を用いることができ、その例として銀、金、鉄、クロメルなどがある。

0023

本実施形態では、高温部Hと低温部Lを略長方形状の領域とし、2つの高温部Hと低温部Lが間隔を空けて交互に平行に配置されるよう定めている。ただし、高温部Hと低温部Lのパターンがこれに限ることはない。

0024

熱電変換素子11、13は上下2列に配置され、各列において、平面の両端部がそれぞれ高温部Hと低温部Lに位置するように配置される。

0025

熱電変換素子13はストライプ状であり、各列において、高温部H(低温部L)の長手方向に間隔を空けて複数平行に並べて配置される。

0026

熱電変換素子11は、各列において、隣り合う熱電変換素子13間を接続するように配置される。すなわち、熱電変換素子11は一方の熱電変換素子13の低温部L側の端部と他方の熱電変換素子13の高温部H側の端部をつなぐように配置される。

0027

基材10上には配線部15も設けられる。配線部15は各種の導電性材料を用いることができ、例えば銅、銀、金、アルミなどを使用できる。

0028

本実施形態では、各列の端にある熱電変換素子11(図1(a)の左端の上下2つの熱電変換素子11)のうち、一方の熱電変換素子11(図の上側の素子)の高温部H側の端部と、他方の熱電変換素子11(図の下側の素子)の低温部L側の端部が配線部15によって接続され、熱電変換素子11、13を直列に接続した回路が基材10上に形成される。またこの回路の両端にも配線部15が設けられる。

0029

熱電変換モジュール1では、基材10上の熱電変換素子11、13および配線部15を覆うように保護層17が設けられる。保護層17は、既知の各種の樹脂フィルム接着したり、樹脂を塗布するなどして薄膜状に形成される。なお、図1(a)では保護層17の図示を省略している。後述する図6(a)、図7(a)、図10(a)においても同様である。

0030

(2.熱電変換モジュール1の製造方法)
前記したように、本実施形態では、熱電変換モジュール1の製造時、熱電変換素子11、13をフォトリソグラフィーとエッチングの手法を用いて基材10上に形成する。

0031

すなわち、まず図2(a)に示すように基材10上に熱電変換素子11の材料(熱電変換素子材料)であるITOをスパッタリング蒸着等により塗布し、その上に図2(b)に示すように感光性樹脂21(レジスト)を塗布する。本実施形態において感光性樹脂21はポジ型であり、熱電変換素子11のパターン以外の箇所を露光することにより当該箇所の感光性樹脂21が軟化する。

0032

現像を行うことで図2(c)に示すように当該箇所の感光性樹脂21が除去され、熱電変換素子11のパターンに対応する感光性樹脂21のパターンが形成される。感光性樹脂21を除去した箇所ではITOが露出する。

0033

その後、エッチング液によるエッチングを行うと、図2(d)に示すようにITOの露出箇所が除去される。化学処理等によって残った感光性樹脂21を除去すると図2(e)に示すようにITOによる熱電変換素子11のパターンが残る。なお、感光性樹脂21としてはネガ型のものを用いることもでき、この場合には露光時に熱電変換素子11のパターンに対応する箇所を露光する。

0034

本実施形態では、こうして図3(a)に示すように基材10上に熱電変換素子11のパターンが形成される。同様にしてフォトリソグラフィーとエッチングにより図3(b)に示すように配線部15のパターンも形成する。

0035

熱電変換素子13についても同様にフォトリソグラフィーとエッチングを行うことで、図4(a)に示すように熱電変換素子13のパターンが形成される。図4(b)はこの時の図1(b)と同様の断面を見たものである。その後、保護層17を接着あるいは塗布により形成すると、図1で説明した熱電変換モジュール1が得られる。

0036

この熱電変換モジュール1は、図5に示すように、配管電子機器などの各種の熱源100に高温部Hを取付けるとともに、基材10を屈曲させて低温部Lを熱源100から離して配置することにより起電力を発生する電池として機能し、例えば各種センサなどの電源として用いることができる。

0037

以上説明したように、本実施形態によれば、フォトリソグラフィーによって感光性樹脂21のパターンを形成した後、その下方の熱電素子材料のエッチングを行う手法を用い、基材10の平面において定められた高温部Hと低温部Lに両端部が位置するように膜状の熱電変換素子11、13を複数形成する。これにより、全体として薄厚の熱電変換モジュール1に熱電変換素子11、13をミクロンオーダーで形成して集積化することが可能になり、構造も単純化できる。結果、より小さい面積(体積)で十分な起電力を有する熱電変換モジュール1を得ることができる。

0038

また、熱電変換素子11、13としてn型素子とp型素子を形成し、これらを直列に配置することでより大きな起電力を得ることが可能になる。なお、設計に応じて直列と並列のパターンを組み合わせた回路とすることも可能である。

0039

また配線部15をフォトリソグラフィーの手法を用いて形成することで、素子間の確実な接続ができ、回路形成の自由度も高まる。さらに基材10として樹脂製のフィルムを用いることで、フレキシブルな熱電変換モジュール1が得られる。

0040

しかしながら、本発明はこれに限らない。以下、本発明の別の例について第2〜第4の実施形態として説明する。各実施形態は第1の実施形態と異なる構成について主に説明し、同様の構成については図等で同じ符号を付すなどして説明を省略する。

0041

[第2の実施形態]
図6は第2の実施形態に係る熱電変換モジュール1aを示す図である。図6(a)は熱電変換モジュール1aを上から見た図であり、図6(b)は図6(a)の線B−Bによる断面図である。

0042

第2の実施形態では、熱電変換素子11が熱電変換素子13と同様のストライプ状であり、上下の各列において、熱電変換素子11と熱電変換素子13が交互に平行に並べて配置される。また本実施形態では、各列で隣り合う熱電変換素子11、13の高温部H側または低温部L側の端部同士が、配線部15により接続される。

0043

第2の実施形態の熱電変換モジュール1aも第1の実施形態と同様に製造することができ、第1の実施形態と同様の効果が得られる。ただし、本実施形態では第1の実施形態と異なり最初に配線部15を形成しており、その上に熱電変換素子11、13が形成されている。このように、熱電変換素子11、13や配線部15の形成順は特に限定されない。また、第2の実施形態では隣り合う熱電変換素子11、13の端部を配線部15により確実に接続することができる利点もある。

0044

[第3の実施形態]
(1.熱電変換モジュール1b)
図7は第3の実施形態に係る熱電変換モジュール1bを示す図である。図7(a)は熱電変換モジュール1bを上から見た図であり、図7(b)は図7(a)の線C−Cによる断面図である。

0045

第3の実施形態は、熱電変換素子としてp型の熱電変換素子13aのみを用いる点で第1の実施形態と主に異なる。また、熱電変換モジュール1bでは、2つの高温部Hが近接して平行配置され、2つの低温部Lがその両側に平行に配置される。

0046

熱電変換素子13aは上下2列に配置され、各列において、平面の両端部がそれぞれ高温部Hと低温部Lに位置するように配置される。熱電変換素子13aはストライプ状であり、各列において、高温部H(低温部L)の長手方向に間隔を空けて複数平行に並べて配置される。

0047

各列の隣り合う熱電変換素子13aにおいて、一方の熱電変換素子13aの低温部L側の端部と他方の熱電変換素子13aの高温部H側の端部は、配線部15により接続される。

0048

各列の端にある熱電変換素子13a(図7(a)の左端の上下2つの熱電変換素子13a)のうち、一方の熱電変換素子13a(図の上側の素子)の低温部L側の端部と、他方の熱電変換素子13a(図の下側の素子)の高温部H側の端部が配線部15によって接続され、熱電変換素子13aを直列に接続した回路が基材10上に形成される。なお回路の両端は配線部15となっている。

0049

(2.熱電変換モジュール1bの製造方法)
熱電変換素子13aは第1の実施形態と同様に形成することもできるが、本実施形態では、熱電変換素子13aの材料(熱電変換素子材料)としてPEDOT:PSSポリスチレンスルホン酸(PSS)添加ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT))等の導電性高分子材料(有機材料)を用い、膜状の複数の熱電変換素子13aのパターンをフォトリソグラフィーの手法により形成する。

0050

すなわち、本実施形態では図8(a)に示すように第1の実施形態と同様の手法で基材10上に配線部15のパターンを形成した後、図8(b)に示すように、熱電変換素子13aの材料であるPEDOT:PSSを分散して含有させたネガ型の感光性樹脂を塗布する。

0051

その後、熱電変換素子13aのパターンに対応する部分を露光により硬化させ、それ以外の箇所を現像により除去することで図8(c)に示すように熱電変換素子13aのパターンが感光性樹脂のパターンとして形成される。この後保護層17を接着あるいは塗布により形成すると、図7で説明した熱電変換モジュール1bが得られる。

0052

なお、本実施形態で用いる有機材料は熱電変換素子としての利用が可能なものであれば特に限定されず、感光性樹脂についても特に限定されない。また感光性樹脂としてはポジ型のものを用いることもでき、この場合には露光時に熱電変換素子13aのパターン以外の箇所を露光する。

0053

熱電変換モジュール1bは、図9に示すように近接する2つの高温部Hを熱源100に取付けるとともに、基材10を屈曲させて両側の低温部Lを熱源100から離して配置することにより起電力を発生する電池として機能させることができる。基材10に切込みなどを設けて曲げ易くすることも可能である。

0054

この第3の実施形態でも第1の実施形態と同様の効果が得られる。また一種類の熱電変換素子13aを用いるので材料費等のコストを抑えることができ工程も少なくなる。

0055

また、本実施形態ではp型の熱電変換素子のみを用いているが、代わりにn型の熱電変換素子のみを用いてもよい。さらに、第1の実施形態のようにn型、p型の熱電変換素子を用いる場合に、両方の熱電変換素子を有機材料を用いて本実施形態のようにフォトリソグラフィーによって形成することもできる。あるいは一方の熱電変換素子については有機材料を用いて本実施形態のようにフォトリソグラフィーによって形成し、他方は第1の実施形態のように無機材料を用いてフォトリソグラフィーとエッチングの手法を用いて形成することも可能である。

0056

[第4の実施形態]
図10(a)は第4の実施形態に係る熱電変換モジュール1cを上から見た図である。第4の実施形態では基材10が円形であり、中央部と外周部に同心円状の高温部Hと低温部Lが定められる。

0057

熱電変換素子11、13は基材10の中心から外周へ向けて放射状に複数配置され、両端部が高温部Hと低温部Lに位置する。熱電変換素子11、13は基材10の周方向に間隔を空けて交互に配置され、隣り合う熱電変換素子11、13の高温部H側または低温部L側の端部同士が配線部15により接続されることで、直列の回路が形成される。

0058

この熱電変換モジュール1cは、例えば図10(b)に示すように熱源100’の底面に高温部Hを取付けて低温部Lを熱源100’から離して配置することで起電力を発生する電池として機能する。

0059

この第4の実施形態でも第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。このように、熱電変換モジュールの形状や配線パターンは目的とする使用方法その他に応じて様々に定めることができる。

0060

以上、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

0061

1、1a、1b、1c、1d;熱電変換モジュール
10;基材
11、13、13a;熱電変換素子
15;配線部
17;保護層
100、100’;熱源

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