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技術 熱電素子、発電装置、及び熱電素子の製造方法

出願人 株式会社GCEインスティチュート
発明者 後藤博史
出願日 2017年10月31日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2017-211231
公開日 2019年5月30日 (2ヶ月経過) 公開番号 2019-083290
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 ナノ構造物 特殊な電動機、発電機
主要キーワード ウェアラブル機器 熱転写プロセス 加工面積 センサ端末 コレクタ電極層 金属金型 ナノビーズ 積層セル
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

安定した特性を得られる熱電素子発電装置、及び熱電素子の製造方法を提供する。

解決手段

熱エネルギー電気エネルギーに変換する熱電素子1であって、交互に接して積層された複数の変換部23と、複数の配線22とを有する第1積層セル部20−1及び第2積層セル部20−2を有する積層体2を備え、前記変換部23は、第1電極層23aと、前記第1電極層23aとは異なる仕事関数を有する第2電極層23bと、前記第1電極層23aと、前記第2電極層23bとの間に接して設けられ、ナノ粒子を含む中間部23cと、を有し、前記積層体2の積層方向Zから見て、前記第1積層セル部20−1は、前記第2積層セル部20−2と離間して配置され、前記積層体2は、前記第1積層セル部20−1及び前記第2積層セル部20−2の有する前記複数の変換部23を電気的に接続する上層配線24を有することを特徴とする。

概要

背景

近年、熱エネルギー絶対温度)を利用して電気エネルギーを生成する熱電素子の開発が盛んに行われている。特に、電極の有する仕事関数の差分を利用した電気エネルギーの生成に関し、例えば特許文献1に開示された熱電素子等が提案されている。このような熱電素子は、電極に与える温度差を利用して電気エネルギーを生成する構成に比べて、様々な用途への利用が期待されている。

特許文献1では、エミッタ電極層と、コレクタ電極層と、前記エミッタ電極層及び前記コレクタ電極層の表面に分散して配置され、前記エミッタ電極層及び前記コレクタ電極層をサブミクロン間隔で離間する電気絶縁性の球状ナノビーズとを備え、前記エミッタ電極層の仕事関数は前記コレクタ電極層の仕事関数よりも小さく、前記球状ナノビーズの粒子径は100nm以下である、熱電素子が開示されている。

概要

安定した特性を得られる熱電素子、発電装置、及び熱電素子の製造方法を提供する。熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子1であって、交互に接して積層された複数の変換部23と、複数の配線22とを有する第1積層セル部20−1及び第2積層セル部20−2を有する積層体2を備え、前記変換部23は、第1電極層23aと、前記第1電極層23aとは異なる仕事関数を有する第2電極層23bと、前記第1電極層23aと、前記第2電極層23bとの間に接して設けられ、ナノ粒子を含む中間部23cと、を有し、前記積層体2の積層方向Zから見て、前記第1積層セル部20−1は、前記第2積層セル部20−2と離間して配置され、前記積層体2は、前記第1積層セル部20−1及び前記第2積層セル部20−2の有する前記複数の変換部23を電気的に接続する上層配線24を有することを特徴とする。

目的

本発明は、上述した問題に鑑みて案出されたものであり、その目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

熱エネルギー電気エネルギーに変換する熱電素子であって、交互に接して積層された複数の変換部と、複数の配線とを有する第1積層セル部及び第2積層セル部を有する積層体を備え、前記変換部は、第1電極層と、前記第1電極層とは異なる仕事関数を有する第2電極層と、前記第1電極層と、前記第2電極層との間に接して設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、を有し、前記積層体の積層方向から見て、前記第1積層セル部は、前記第2積層セル部と離間して配置され、前記積層体は、前記第1積層セル部及び前記第2積層セル部の有する複数の前記変換部を電気的に接続する上層配線を有することを特徴とする熱電素子。

請求項2

前記積層体は、交互に接して積層された複数の前記変換部と、複数の前記配線とを有する第3積層セル部を有し、前記積層方向から見て、前記第3積層セル部は、前記第1積層セル部、前記第2積層セル部、及び前記上層配線と電気的に離間することを特徴とする請求項1記載の熱電素子。

請求項3

前記積層体は、積層された複数の基材を有し、前記第1積層セル部の有する1つの前記変換部及び前記配線、並びに前記第2積層セル部の有する1つの前記変換部及び前記配線は、1つの前記基材内に設けられることを特徴とする請求項1又は2記載の熱電素子。

請求項4

前記積層体は、最上層に積層された引出基材を有し、前記第1積層セル部及び前記第2積層セル部は、前記引出基材内に設けられ、前記上層配線と接する引出配線を有し、前記積層方向から見て、前記第1積層セル部の有する前記引出配線、複数の前記変換部、及び複数の前記配線は、重なって配置され、前記積層方向から見て、前記第2積層セル部の有する前記引出配線、複数の前記変換部、及び複数の前記配線は、重なって配置されることを特徴とする請求項3記載の熱電素子。

請求項5

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置であって、交互に接して積層された複数の変換部と、複数の配線とを有する第1積層セル部及び第2積層セル部を有する積層体と、前記積層体と接続された第1配線及び第2配線と、を備え、前記変換部は、第1電極層と、前記第1電極層とは異なる仕事関数を有する第2電極層と、前記第1電極層と、前記第2電極層との間に接して設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、を有し、前記積層体の積層方向から見て、前記第1積層セル部は、前記第2積層セル部と離間して配置され、前記積層体は、前記第1積層セル部及び前記第2積層セル部の有する複数の前記変換部を電気的に接続する上層配線を有することを特徴とする発電装置。

請求項6

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、複数の配線、複数の第1電極層、及び複数の第2電極層を形成する前工程と、前記配線、前記第1電極層、及び前記第2電極層を順番に積層した複数の積層セル部を形成する後工程と、複数の前記積層セル部と接する上層配線を形成する接続工程と、を備え、前記後工程は、前記第1電極層及び前記第2電極層と接する位置に、ナノ粒子を含む中間部を形成する中間工程を有することを特徴とする熱電素子の製造方法。

請求項7

前記接続工程は、複数の前記積層セル部毎に、短絡箇所を含むか否かを判定する判定工程と、前記短絡箇所を含まない前記積層セル部のみと接する前記上層配線を形成する配線形成工程と、を有することを特徴とする請求項6記載の熱電素子の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、熱エネルギー電気エネルギーに変換する熱電素子発電装置、及び熱電素子の製造方法に関する。

背景技術

0002

近年、熱エネルギー(絶対温度)を利用して電気エネルギーを生成する熱電素子の開発が盛んに行われている。特に、電極の有する仕事関数の差分を利用した電気エネルギーの生成に関し、例えば特許文献1に開示された熱電素子等が提案されている。このような熱電素子は、電極に与える温度差を利用して電気エネルギーを生成する構成に比べて、様々な用途への利用が期待されている。

0003

特許文献1では、エミッタ電極層と、コレクタ電極層と、前記エミッタ電極層及び前記コレクタ電極層の表面に分散して配置され、前記エミッタ電極層及び前記コレクタ電極層をサブミクロン間隔で離間する電気絶縁性の球状ナノビーズとを備え、前記エミッタ電極層の仕事関数は前記コレクタ電極層の仕事関数よりも小さく、前記球状ナノビーズの粒子径は100nm以下である、熱電素子が開示されている。

先行技術

0004

特許第6147901号公報

発明が解決しようとする課題

0005

ここで、熱電素子を発電装置として用いる場合、得られる電流電圧を高くするために、電極部分を積層した構成(積層体)が要求される。しかしながら、電極部分が直列に接続された積層体では、電極部分が1ヵ所でも短絡すると、異常発熱等を引き起こす恐れがある。このため、電極部分を積層した構成では、特性が安定しないことが懸念として挙げられる。

0006

この点、特許文献1に開示された熱電素子では、積層体の側面に延在した各電極層つなぐ端子電極が設けられる構成が開示されている。このため、積層された全ての電極層に対して端子電極を接続する必要があり、電気的に接続する電極層を選択することができない。これにより、電極層が1ヵ所でも短絡すると、上記と同様に異常発熱等を引き起こす恐れがあり、特性が安定しないことが懸念として挙げられる。上述した事情により、安定した特性を得られる熱電素子の実現が望まれている。

0007

そこで本発明は、上述した問題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、安定した特性を得られる熱電素子、発電装置、及び熱電素子の製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

第1発明に係る熱電素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、交互に接して積層された複数の変換部と、複数の配線とを有する第1積層セル部及び第2積層セル部を有する積層体を備え、前記変換部は、第1電極層と、前記第1電極層とは異なる仕事関数を有する第2電極層と、前記第1電極層と、前記第2電極層との間に接して設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、を有し、前記積層体の積層方向から見て、前記第1積層セル部は、前記第2積層セル部と離間して配置され、前記積層体は、前記第1積層セル部及び前記第2積層セル部の有する複数の前記変換部を電気的に接続する上層配線を有することを特徴とする。

0009

第2発明に係る熱電素子は、第1発明において、前記積層体は、交互に接して積層された複数の前記変換部と、複数の前記配線とを有する第3積層セル部を有し、前記積層方向から見て、前記第3積層セル部は、前記第1積層セル部、前記第2積層セル部、及び前記上層配線と電気的に離間することを特徴とする。

0010

第3発明に係る熱電素子は、第1発明又は第2発明において、前記積層体は、積層された複数の基材を有し、前記第1積層セル部の有する1つの前記変換部及び前記配線、並びに前記第2積層セル部の有する1つの前記変換部及び前記配線は、1つの前記基材内に設けられることを特徴とする。

0011

第4発明に係る熱電素子は、第3発明において、前記積層体は、最上層に積層された引出基材を有し、前記第1積層セル部及び前記第2積層セル部は、前記引出基材内に設けられ、前記上層配線と接する引出配線を有し、前記積層方向から見て、前記第1積層セル部の有する前記引出配線、複数の前記変換部、及び複数の前記配線は、重なって配置され、前記積層方向から見て、前記第2積層セル部の有する前記引出配線、複数の前記変換部、及び複数の前記配線は、重なって配置されることを特徴とする。

0012

第5発明に係る発電装置は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置であって、交互に接して積層された複数の変換部と、複数の配線とを有する第1積層セル部及び第2積層セル部を有する積層体と、前記積層体と接続された第1配線及び第2配線と、を備え、前記変換部は、第1電極層と、前記第1電極層とは異なる仕事関数を有する第2電極層と、前記第1電極層と、前記第2電極層との間に接して設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、を有し、前記積層体の積層方向から見て、前記第1積層セル部は、前記第2積層セル部と離間して配置され、前記積層体は、前記第1積層セル部及び前記第2積層セル部の有する複数の前記変換部を電気的に接続する上層配線を有することを特徴とする。

0013

第6発明に係る熱電素子の製造方法は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、複数の配線、複数の第1電極層、及び複数の第2電極層を形成する前工程と、前記配線、前記第1電極層、及び前記第2電極層を順番に積層した複数の積層セル部を形成する後工程と、複数の前記積層セル部と接する上層配線を形成する接続工程と、を備え、前記後工程は、前記第1電極層及び前記第2電極層と接する位置に、ナノ粒子を含む中間部を形成する中間工程を有することを特徴とする。

0014

第7発明に係る熱電素子の製造方法は、第6発明において、前記接続工程は、複数の前記積層セル部毎に、短絡箇所を含むか否かを判定する判定工程と、前記短絡箇所を含まない前記積層セル部のみと接する前記上層配線を形成する配線形成工程と、を有することを特徴とする。

発明の効果

0015

第1発明〜第5発明によれば、積層体は、第1積層セル部及び第2積層セル部の有する複数の変換部を電気的に接続する上層配線を有する。このため、全ての積層セル部に対して上層配線を接続する必要がなく、電気的に接続する積層セル部を選択した上で上層配線を設けることができる。これにより、安定した特性を得ることが可能となる。

0016

特に、第2発明によれば、第3積層セル部は、第1積層セル部、第2積層セル部、及び上層配線と離間する。このため、各積層セル部の積層数に応じて熱電素子の電圧を設定でき、上層配線を介して接続する積層セル部の数に応じて熱電素子の電流を設定できる。これにより、用途に応じた最適な熱電素子の特性を容易に設計することが可能となる。

0017

特に、第3発明によれば、各積層セル部の有する1つの変換部及び配線は、1つの基材内に設けられる。このため、各変換部を電気的に接続する配線が、積層体の内部に設けられる。これにより、発電装置の製造工程等において、配線が劣化することを抑制でき、さらに安定した特性を得ることが可能となる。

0018

特に、第4発明によれば、積層体は、最上層に積層された引出基材を有する。このため、上層配線を形成するとき、各積層セル部の有する変換部の劣化を抑制することができる。これにより、さらに安定した特性を得ることが可能となる。

0019

第6発明及び第7発明によれば、接続工程は、複数の積層セル部と接する上層配線を形成する。このため、全ての積層セル部に対して上層配線を接続する必要がなく、電気的に接続する積層セル部を選択することができる。これにより、安定した特性を得ることが可能となる。

0020

第6発明及び第7発明によれば、後工程は、配線、第1電極層、及び第2電極層を順番に積層し、第1電極層及び第2電極層と接する位置に、中間部を形成する。このため、各積層セル部の積層数に応じて熱電素子の電圧を設定でき、上層配線を介して接続する積層セル部の数に応じて熱電素子の電流を設定できる。これにより、用途に応じた最適な熱電素子の特性を容易に設計することが可能となる。

0021

特に、第7発明によれば、配線形成工程は、短絡箇所を含まない積層セル部のみと接する上層配線を形成する。このため、短絡箇所を含む積層セル部が存在する場合においても、正常な積層セル部のみを上層配線を介して接続することができる。これにより、熱電素子の製造時における歩留まりを向上させることが可能となる。

図面の簡単な説明

0022

図1(a)は、実施形態における発電装置及び熱電素子の構成の一例を示す模式断面図であり、図1(b)は、図1(a)における1B−1Bの模式平面図である。
図2は、本実施形態における発電装置及び熱電素子の構成の一例における第1電極層の第1変形例を示す模式断面図である。
図3は、実施形態における熱電素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。
図4(a)は、基材内に形成された凹部を示す模式断面図であり、図4(b)は、基材内に形成された配線を示す模式断面図であり、図4(c)は、第2主面上に形成された第1電極層を示す模式断面図であり、図4(d)は、凹部内に形成された第2電極層を示す模式断面図である。
図5(a)は、分割された基材を示す模式断面図であり、図5(b)は、積層された各基材を示す模式断面図である。
図6(a)〜図6(d)は、本実施形態における熱電素子の製造方法の第1〜第4変形例を示すフローチャートである。

実施例

0023

以下、本発明の実施形態における熱電素子及び発電装置の一例について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において各基材21等の積層される方向を積層方向Zとし、積層方向Zと交わる方向をそれぞれ第1方向X及び第2方向Yとする。

0024

(発電装置100、熱電素子1の構成)
図1を参照して、本実施形態における発電装置100及び熱電素子1の構成の一例について説明する。図1(a)は、本実施形態における発電装置100及び熱電素子1を示す模式断面図であり、図1(b)は、図1(a)における1B−1Bの模式平面図である。

0025

図1に示すように、発電装置100は、熱電素子1と、第1配線101と、第2配線102とを備える。発電装置100は、例えば熱電素子1を支持する基板103を備えてもよい。

0026

発電装置100は、熱電素子1において生成された電流を、第1配線101及び第2配線102に接続された負荷Rへ供給する。発電装置100は、例えば太陽光発電への応用のほか、例えばIoT(Internet of Things)デバイスウェアラブル機器等のモバイル機器又は自立型センサ端末内に設けられ、電池代替又は補助として用いることができる。

0027

熱電素子1は、例えば電子デバイスのCPU(Central Processing Unit)、自動車エンジン工場生産設備等を熱源として発生した熱エネルギーを、電気エネルギーに変換し、電流を生成することができる。熱電素子1は、積層体2を備える。

0028

<積層体2、積層セル部20>
積層体2は、積層方向Zに延在する複数の積層セル部20と、上層配線24と、下層配線25とを有する。積層セル部20は、交互に積層された複数の変換部23と、複数の配線22とを有する。

0029

積層方向Zから見て、各積層セル部20は、それぞれ離間して配置され、例えば第1方向X及び第2方向Yに沿って配置される。積層セル部20の数、並びに変換部23及び配線22の積層する数は、任意である。上層配線24及び下層配線25は、各積層セル部20を電気的に接続する。

0030

<基材21>
積層体2は、例えば積層された複数の基材21を有する。各基材21は、それぞれ接して積層される。各積層セル部20の有する1つの変換部23及び配線22は、1つの基材21内に設けられる。例えば図1(a)に示すように、第1積層セル部20−1の有する1つの変換部23及び配線22、並びに第2積層セル部20−2の有する1つの変換部23及び配線22は、1つの基材21内に設けられる。

0031

基材21は、積層方向Zと交わる第1主面21a、及び第1主面21aに対向する第2主面21bを有する。積層方向Zにおいて、基材21の厚さは、例えば10μm以上2mm以下である。基材21の厚さは、第1方向Xにおける基材21の幅よりも小さく、第2方向Yにおける基材21の長さよりも小さい。

0032

基材21は、絶縁性を有するほか、例えば平滑性耐熱性、又は低熱膨張性等に優れた特性を有することが好ましい。基材21は、例えば薄板状のシリコンガラス、又は樹脂等の材料を用いたフィルム状であり、材料としてPET(polyethylene terephthalate)、PC(polycarbonate)、又はポリイミドが用いられるほか、例えば単結晶シリコンやガラスが用いられてもよい。

0033

<配線22>
配線22は、上下に積層された変換部23と接する。配線22が基材21内に設けられる場合、配線22は第2主面21bから露出し、配線22の露出面は、第2主面21bと同一平面上に形成されてもよい。積層方向Zにおいて、配線22の厚さは、例えば基材21の厚さとほぼ同等である。

0034

配線22は、導電性を有するほか、例えば埋め込み性、耐熱性、又は低熱膨張性等に優れた特性を有することが好ましい。配線22として、例えばニッケル、銅、銀、金、タングステン、又はチタンを用いることができる。

0035

<変換部23>
変換部23は、上下に積層された配線22と接する。変換部23は、第1電極層23aと、第2電極層23bと、中間部23cとを有する。変換部23が基材21内に設けられる場合、変換部23は第1主面21aから露出し、変換部23の露出面は、第1主面21aと同一平面上に形成されてもよい。
<第1電極層23a、第2電極層23b>
第1電極層23aは、下側に積層された配線22と離間して設けられる。第1電極層23aは、上側に積層された配線22と接する。第1電極層23aは、例えば上側に積層された基材21と接する。

0036

第2電極層23bは、下側に積層された配線22と接して設けられる。第2電極層23bは、第1電極層23aと、下側に積層された配線22との間に設けられる。第2電極層23bは、第1電極層23aと電気的に離間する。

0037

積層方向Zにおいて、第1電極層23a及び第2電極層23bの厚さは、例えば1nm以上50nm以下である。第1電極層23aと、第2電極層23bとの間の距離(電極間ギャップ)は、例えば10μm以下であり、好ましくは10nm以上100nm以下である。

0038

第1電極層23aは、第2電極層23bの仕事関数とは異なる仕事関数を有する。本実施形態では、第1電極層23aの仕事関数は、第2電極層23bの仕事関数よりも小さい。なお、本実施形態において第1電極層23aを陰極カソード)、及び第2電極層23bを陽極アノード)として説明するが、第1電極層23aを陽極、及び第2電極層23bを陰極としてもよい。この場合、第1電極層23aの仕事関数は、第2電極層23bの仕事関数よりも大きい。

0039

例えば、第1電極層23aとしてタングステン(仕事関数:4.55eV)が用いられるとき、第2電極層23bとして白金(仕事関数:5.65eV)が用いられる。例えば、第1電極層23a及び第2電極層23bとして、アルミニウム、チタンのほか、多層膜が用いられてもよく、仕事関数に応じて用いる材料を任意に選択してもよい。なお、第1電極層23a及び第2電極層23bの形成は、金属材料蒸着スパッタリング、又はインク化した金属材料をスクリーン印刷インクジェット塗布等の方法で行うことで実現できる。

0040

<中間部23c>
中間部23cは、第1電極層23aと第2電極層23bとの間に接して設けられる。中間部23cは、例えばナノ粒子と、溶媒とを含む。中間部23cは、例えばナノ粒子を分散した溶媒が充填された状態を示す。中間部23cは、例えば溶媒を含まなくてもよく、ナノ粒子のみが充填された状態を示してもよい。

0041

<ナノ粒子>
ナノ粒子は、第1電極層23aの仕事関数と、第2電極層23bの仕事関数との間の仕事関数を有し、例えば3.0eV以上5.5eV以下の仕事関数を有する。ナノ粒子として、例えば金及び銀の少なくとも何れかが用いられるほか、例えば上記の仕事関数の範囲を満たす材料が用いられてもよい。

0042

ナノ粒子として、例えば電極間ギャップの1/10以下である粒子径が用いられ、具体的には2nm以上10nm以下の粒子径が用いられるほか、例えば平均粒径(D50)3nm以上8nm以下の粒子径が用いられてもよい。なお、平均粒径は、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布計測器(例えばMicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150等)により測定することができる。

0043

ナノ粒子は、例えば表面に設けられた絶縁膜を有する。絶縁膜として、例えばシリコン酸化物又はアルミナ等の金属酸化物が用いられるほか、例えばアルカンチオール等の有機化合物や、シリコン等の半導体が用いられてもよい。絶縁膜の厚さは、例えば0.2nm以上5.0nm以下である。

0044

溶媒として、沸点が60℃以上の液体が用いられ、例えば有機溶媒及び水の少なくとも何れかが用いられる。有機溶媒として、例えばメタノールエタノールトルエンキシレン、アルカンチオール等が用いられる。

0045

本実施形態によれば、熱電素子1に熱エネルギーが与えられると、各積層セル部20の有する第1電極層23a及び第2電極層23bから、中間部23cに向けて熱電子が放出される。放出された熱電子は、中間部23c内に分散されたナノ粒子を介して、第1電極層23a又は第2電極層23bに伝搬される。

0046

ここで、放出される熱電子の量は、各電極層23a、23bの仕事関数に依存し、仕事関数が小さい材料ほど多く放出される傾向を示す。すなわち、第2電極層23bよりも仕事関数の小さい第1電極層23aから、熱電子が多く放出される。このため、中間部23cに放出された全熱電子のうち、第2電極層23bから第1電極層23aへ移動する熱電子の量に比べて、第1電極層23aから第2電極層23bへ移動する熱電子の量が多い傾向を示す。これにより、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、第2電極層23bから第1電極層23aに向かう電流が生成される。

0047

第1電極層23aから放出される熱電子の度合いは、主に、熱エネルギーに依存するほか、第1電極層23aの仕事関数及び第2電極層23bの仕事関数、並びに電極間ギャップに依存する。このため、第1電極層23aと第2電極層23bとの間の距離を短くすることにより、電気エネルギーの発生量を増加させることが可能となる。

0048

特に、第1電極層23aとして、高融点金属(refractory metal)以外の1層から構成されていることが望ましい。ここで、高融点金属とは、ニオブモリブデンタンタル、タングステン、レニウムを示す。第1電極層23aとして、例えばアルミニウム、ケイ素六ほう化ランタン(LaB6)、又はグラフェン等のカーボン系材料の何れかが用いられる。特に、アルミニウムは加工性に優れ、ケイ素は生産性に優れ、六ほう化ランタンは仕事関数が小さいため、用途に応じて材料を選択することができる。また、上述した材料は、何れも高温下にて用いることができる。これにより、電気エネルギーの発生量を増加させることが可能となる。

0049

<上層配線24、下層配線25>
上層配線24は、各積層セル部20の最上部と接し、各積層セル部20の有する複数の変換部23及び配線22を電気的に接続する。上層配線24は、外部配線(例えば第1配線101)と接する。

0050

上層配線24は、例えば一部の積層セル部20と電気的に離間してもよい。例えば図1(b)に示すように、例えば第3積層セル部20−3及び第6積層セル部20−6が短絡した変換部23を有する場合、上層配線24は、第3積層セル部20−3及び第6積層セル部20−6と電気的に離間し、その他の積層セル部20と接するように設けることができる。このとき、積層方向Zから見て、第3積層セル部20−3及び第6積層セル部20−6は、他の積層セル部20(例えば第1積層セル部20−1、第2積層セル部20−2)、及び上層配線24と電気的に離間する。

0051

すなわち、本実施形態によれば、上層配線24に対応する構成が側面等に形成される場合と比べて、上層配線24を設ける場所(レイアウト)に自由度がある。このため、積層セル部20と電気的に接続するか否かを選択した上で、上層配線24を設けることができる。特に、積層セル部20が短絡した変換部23を有する場合、正常な積層セル部20のみを上層配線24を介して電気的に接続することができる。

0052

下層配線25は、図1(a)に示すように、各積層セル部20の最下部と接する。下層配線25は、外部配線(例えば第2配線102)と接する。下層配線25は、例えば基板103内に設けられてもよい。

0053

下層配線25は、全ての積層セル部20と接してもよい。この場合、各積層セル部20が電気的に接続されるか否かは、上層配線24と接しているか否かによって決まる。

0054

上層配線24及び下層配線25として、導電性を有する材料が用いられ、例えばニッケル、銅、銀、金、タングステン、又はチタンを用いることができる。

0055

<引出基材21n>
積層体2は、例えば最上層に積層された引出基材21nを有する。引出基材21nは、積層方向Zと交わる主面を有する。引出基材21nの厚さや材料等の構成は、基材21と同等である。

0056

<引出配線22n>
積層セル部20は、例えば引出配線22nを有する。引出配線22nは、引出基材21n内に設けられ、積層セル部20の有する複数の配線22と電気的に接続される。

0057

引出配線22nは、例えば積層方向Zに沿って引出基材21nを貫通する。積層方向Zから見て、積層セル部20の有する引出配線22n、複数の変換部23、及び配線22は、重なって配置される。引出配線22nの厚さや材料等の構成は、配線22と同等である。例えば、引出配線22nは、配線22よりも厚く設けられてもよい。

0058

<上層引出電極層26>
積層セル部20は、例えば上層引出電極層26を有する。上層引出電極層26は、引出配線22nと接し、例えば上層配線24と接する。上層引出電極層26は、引出基材21nの主面に設けられるほか、引出基材21n内に設けられてもよい。上層引出電極層26の厚さや材料等の構成は、各電極層23a、23bと同等である。例えば上層引出電極層26は、各電極層23a、23bよりも厚く設けられてもよい。

0059

下層引出電極層27>
積層セル部20は、例えば最下層における基材21の第2主面21bに設けられた下層引出電極層27を有する。下層引出電極層27は、最下層における基材21内の配線22と接し、例えば下層配線25と接する。下層引出電極層27の厚さや材料の構成は、各電極層23a、23bと同様である。

0060

本実施形態によれば、積層体2は、各積層セル部20(例えば第1積層セル部20−1及び第2積層セル部20−2)の有する複数の変換部23を電気的に接続する上層配線24を有する。このため、全ての積層セル部20に対して上層配線24を接続する必要がなく、電気的に接続する積層セル部20を選択した上で上層配線24を設けることができる。これにより、安定した特性を得ることが可能となる。

0061

また、本実施形態によれば、各積層セル部20は、交互に積層された複数の変換部23と、複数の配線22とを有する。このため、各積層セル部20の積層数に応じて熱電素子1の電圧を設定でき、上層配線24を介して接続する積層セル部20の数に応じて熱電素子1の電流を設定できる。これにより、用途に応じた最適な熱電素子1の特性を容易に設計することが可能となる。

0062

また、本実施形態によれば、一部の積層セル部20(例えば第3積層セル部20−3、第6積層セル部20−6)は、その他の積層セル部20(例えば第1積層セル部20−1、第2積層セル部20−2)、及び上層配線24と電気的に離間する。このため、各積層セル部20の積層数に応じて熱電素子1の電圧を設定でき、上層配線24を介して接続する積層セル部20の数に応じて熱電素子1の電流を設定できる。これにより、用途に応じた最適な熱電素子1の特性を容易に設計することが可能となる。

0063

また、本実施形態によれば、各積層セル部20の有する1つの変換部23及び配線22は、1つの基材21内に設けられる。このため、各変換部23を電気的に接続する配線22が、積層体2の内部に設けられる。これにより、発電装置100の製造工程等において、配線22が劣化することを抑制でき、さらに安定した特性を得ることが可能となる。

0064

また、本実施形態によれば、積層体2は、最上層に積層された引出基材21nを有する。このため、上層配線24を形成するとき、各積層セル部20の有する変換部23の劣化を抑制することができる。これにより、さらに安定した特性を得ることが可能となる。

0065

なお、例えば図2に示すように、第1電極層23aの側面は、基材21と離間して中間部23cと接してもよい。このような構成においても、安定した特性を得ることが可能となる。

0066

(熱電素子1の製造方法)
次に、図3図5を参照して、本実施形態における熱電素子1の製造方法の一例について説明する。図3は、本実施形態における熱電素子1の製造方法の一例を示すフローチャートである。図4及び図5は、本実施形態における熱電素子1の製造方法の一例を示す模式断面図である。

0067

本実施形態における熱電素子1の製造方法は、前工程S110と、後工程S120と、接続工程S130とを備える。前工程S110は、複数の配線22、複数の第1電極層23a、及び複数の第2電極層23bを形成する。複数の配線22、複数の第1電極層23a、及び複数の第2電極層23bは、例えばフィルム状の基材21を利用して形成される。前工程S110は、例えばステップS111〜ステップS114を有する。

0068

後工程S120は、配線22、第1電極層23a、及び第2電極層23bを順番に積層した複数の積層セル部20を形成する。後工程S120は、例えばステップS121、ステップS122、及び中間工程S123を有する。

0069

<凹部21cを形成:ステップS111>
前工程S110において基材21を利用した場合、図4(a)に示すように、基材21の第1主面21aに、凹部21cを形成する(ステップS111)。凹部21cは、第1方向X及び第2方向Yに離間して複数形成される。このとき、例えば引出配線22nを形成する部分(図示せず)には、凹部21cを形成しない。なお、基材21として、例えば第1方向X及び第2方向Yの一方に延在し、他方に一定幅を有するフィルム状の材料が用いられる。

0070

凹部21cは、例えば金属金型を用いた熱転写プロセスにより形成される。積層方向Zにおいて、凹部21cの深さは、例えば50nm以上500nm以下で形成され、第1方向Xにおける幅は、深さの10倍以上1000倍以下であることが望ましい。例えば、凹部21cの深さが100nm程度の場合、幅が1μm以上100μm以下であることが望ましい。

0071

<配線22を形成:ステップS112>
次に、図4(b)に示すように、凹部21cの底面から第2主面21bまで貫通する配線22を形成する(ステップS112)。配線22は、各凹部21cの底面に形成される。なお、配線22と同時に引出配線22nを形成してもよい。この場合、例えば基材21の延在する方向に沿って、配線22と電気的に離間した位置に引出配線22nが形成される。引出配線22nは、基材21を貫通して形成される。

0072

配線22は、例えば凹部21cの底面をレーザー加工により貫通孔を形成したあと、メッキ法により金属を埋め込むことにより形成される。このとき、凹部21cが埋まらない程度に金属を埋め込む。

0073

<第1電極層23aを形成;ステップS113>
次に、図4(c)に示すように、第2主面21b上に、配線22と接する第1電極層23aを形成する(ステップS113)。第1電極層23aは、それぞれ離間した状態で各配線22に接して形成される。なお、第1電極層23aは、引出配線22nに接して形成されてもよい。

0074

第1電極層23aは、例えばスプレイ印刷法の他、蒸着法又はインクジェット法により形成される。第1方向Xにおける第1電極層23aの幅は、配線22の幅よりも広く、凹部21cの幅と等しい。

0075

<第2電極層23bを形成:ステップS114>
次に、図4(d)に示すように、凹部21c内に、配線22と接する第2電極層23bを形成する(ステップS114)。第2電極層23bは、各主面21a、21bとは電気的に離間して形成される。なお、第1電極層23aを形成するまえに、第2電極層23bを形成してもよい。また、第2電極層23bと同時に上層引出電極層26を形成してもよい。この場合、上層引出電極層26は、引出配線22nと接する。

0076

第2電極層23bは、例えばスプレイ印刷法の他、蒸着法又はインクジェット法により形成される。第1方向Xにおける第2電極層23bの幅は、第1電極層23aの幅と等しい。

0077

<基材21を分割:ステップS121>
次に、後工程S120では、例えば図5(a)に示すように、基材21を分割してもよい(ステップS121)。基材21は、例えば基材21の延在する方向に対して分割される。基材21は、配線22、第1電極層23a、及び第2電極層23bと離間した位置で分割される。なお、引出配線22n等を形成した部分を引出基材21nとして分割してもよい。

0078

<各基材21を積層:ステップS122>
次に、各基材21を積層する(ステップS122)。これにより、配線22、第1電極層23a、及び第2電極層23bを順番に積層した複数の積層セル部20が形成される。

0079

このとき、例えば図5(b)に示すように、各基材21の凹部21c内には、上側に積層された基材21に形成された第1電極層23aが配置される。第1電極層23aは、第2電極層23bと電気的に離間して配置され、凹部21cには未充填部が残される。

0080

なお、各基材21の積層された最上層には、引出基材21nが積層されてもよい。また、最下層における基材21の第2主面21bに形成された第1電極層23aは、下層引出電極層27として用いられる。このとき、積層方向Zから見て、各積層セル部20の有する上層引出電極層26、引出配線22n、複数の第1電極層23a、複数の第2電極層23b、配線22、及び下層引出電極層27は、重なって配置される。

0081

各基材21は、例えば各主面21a、21bをプラズマ洗浄UV洗浄により活性化処理した後、下側の基材21の第1主面21aと、上側の基材21の第2主面21bとを貼合することで、積層される。

0082

<中間部23cを形成:中間工程S123>
次に、凹部21cに、ナノ粒子及び溶媒を含む中間部23cを形成する(中間工程S123)。中間部23cは、第1電極層23aと、第2電極層23bとの間に形成され、凹部21cの未充填部に充填される。これにより、変換部23が形成される。

0083

例えば積層体2を中間部23cの原液浸すことで、毛細管現象によって凹部21cに中間部23cを充填することができる。中間部23cは、積層体2の第2方向Yにおける側面から、各基材21に形成された凹部21cに充填される。その後、例えば積層体2の側面を絶縁材料等で覆うことで、中間部23cの充填不良等を抑制することができる。

0084

<上層配線24を形成:接続工程S130>
次に、複数の積層セル部20と接する上層配線24を形成する(接続工程S130)。上層配線24は、例えば図1(b)に示すように、積層体2の最上層に形成された引出基材21n上に形成される。なお、上層配線24を形成する前後において、下層配線25を形成してもよい。下層配線25は、各積層セル部20の最下部に形成された下層引出電極層27と接する。これにより、上層配線24と接する各積層セル部20は、電気的に接続される。

0085

上層配線24及び下層配線25は、例えば半導体素子形成プロセスで用いられる手法で実現してもよく、例えばスクリーン印刷法エッチング法、インクジェット法、及びメッキ法の少なくとも何れかを用いて形成される。

0086

接続工程S130は、例えば電気的に接続する積層セル部20を選択したあとに、上層配線24を形成する。このとき、接続工程S130は、積層セル部20毎に短絡箇所を含むか否かを判定する判定工程と、短絡箇所を含まない積層セル部20のみと接する上層配線24を形成する配線形成工程とを有する。

0087

例えば図1(b)では、第3積層セル部20−3及び第6積層セル部20−6が短絡箇所を含み、短絡箇所を含まない第1積層セル部20−1、第2積層セル部20−2、第4積層セル部20−4、第5積層セル部20−5、第7積層セル部20−7、及び第8積層セル部20−8のみが電気的に接続されるように、上層配線24が形成されている。

0088

上述した工程を経て、本実施形態における熱電素子1が形成される。なお、形成された上層配線24に接続する第1配線101、熱電素子1を支持する基板103、及び下層配線25に接続する第2配線102を形成し、第1配線101及び第2配線102に負荷Rを接続することで、本実施形態における発電装置100を形成することができる。なお、下層配線25は、例えば基板103を形成する直前に形成してもよい。

0089

本実施形態によれば、接続工程S130は、複数の積層セル部20を電気的に接続する上層配線24を形成する。このため、全ての積層セル部20に対して上層配線24を接続する必要がなく、電気的に接続する積層セル部20を選択することができる。これにより、安定した特性を得ることが可能となる。

0090

また、本実施形態によれば、後工程S120は、配線22、第1電極層23a、及び第2電極層23bを順番に積層し、第1電極層23a及び第2電極層23bと接する位置に、中間部23cを形成する。このため、各積層セル部20の積層数に応じて熱電素子1の電圧を設定でき、上層配線24を介して接続する積層セル部20の数に応じて熱電素子1の電流を設定できる。これにより、用途に応じた最適な熱電素子1の特性を容易に設計することが可能となる。

0091

また、本実施形態によれば、基材21内に配線22及び中間部23cが形成される。このため、各積層セル部20内の変換部23を電気的に接続する配線22が、積層体2の内部に形成される。これにより、発電装置100の製造工程等において、配線22が劣化することを抑制でき、安定した特性を得ることが可能となる。

0092

また、本実施形態によれば、基材21の凹部21cに形成された中間部23cは、上側に積層された基材21の第2主面21bに形成された第1電極層23aに接する。すなわち、各変換部23を電気的に接続するために、構成を別途形成する必要が無い。このため、各構成の電気的接続に伴う接触抵抗を最小限に抑えることができる。これにより、熱電素子1の電気エネルギーの発生量を増加させることが可能となる。

0093

また、本実施形態によれば、各基材21を積層したあと、中間部23cを形成する。すなわち、各基材21を積層(ステップS122)したあと、中間部23cを形成(中間工程S123)する。このため、各基材21を固定した状態で、中間部23cを形成することができる。これにより、各基材21の積層に伴う中間部23cの劣化を抑制することが可能となる。

0094

また、本実施形態によれば、各基材21を積層(ステップS122)するまえに、基材21を分割(ステップS121)する。このため、各基材21を積層する積層位置を精度良く設定することができる。これにより、さらに安定した特性を得ることが可能となる。

0095

また、本実施形態によれば、例えば凹部21cを形成する方法として、エッチング法を用いる必要がない。このため、熱電素子1の製造に伴う設備投資の抑制、製造コストの削減、及びタスクの向上を実現することが可能となる。

0096

特に、基材21として樹脂フィルムを用いた場合、金型を用いた微細転写法により凹部21cを形成することができる。このため、真空プロセスを用いる必要なく、加工面積を容易に拡大することができる。また、ロールトゥ・ロール等の連続生産プロセスへの対応も可能となる。

0097

また、基材21として樹脂フィルムを用いることで、基材21同士を容易に貼合することができ、中間部23cを充填するスペースを容易に制御することができる。このため、熱電素子1の生産性向上、製造コスト低減に加え、熱電素子1の特性バラつきを抑制することが可能となる。

0098

(熱電素子1の製造方法の変形例)
次に、図6を参照して、本実施形態における熱電素子1の製造方法の変形例について説明する。図6は、本実施形態における熱電素子1の製造方法の第1〜第4変形例を示すフローチャートである。

0099

例えば図6(a)及び図6(b)に示すように、後工程S120は、中間部23cを形成(中間工程S123)したあと、各基材21を積層(ステップS122)してもよい。この場合、例えばロール・トゥ・ロール等の連続塗布方法を用いて中間部23cを形成することができる。このため、中間部23cを形成する時間を短縮することができる。これにより、製造工程における時間の短縮を図ることが可能となる。

0100

また、各基材21を積層する前に、中間部23cを形成するため、溶媒を用いずにナノ粒子を充填するだけで中間部23cを形成することができる。これにより、溶媒の気化等に伴う積層体2の劣化を抑制することが可能となる。

0101

例えば図6(c)及び図6(d)に示すように、後工程S120は、各基材21を積層(ステップS122)したあと、基材21を分割(ステップS121)してもよい。このため、積層体2を形成した状態で、一度に各基材21を分割することができる。これにより、製造工程における時間の短縮を図ることが可能となる。

0102

本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

0103

1 :熱電素子
2 :積層体
20 :積層セル部
21 :基材
21a :第1主面
21b :第2主面
21c :凹部
21n :引出基材
22 :配線
22n :引出配線
23 :変換部
23a :第1電極層
23b :第2電極層
23c :中間部
24 :上層配線
25 :下層配線
26 :上層引出電極層
27 :下層引出電極層
100 :発電装置
101 :第1配線
102 :第2配線
103 :基板
R :負荷
S110 :前工程
S120 :後工程
S130 :接続工程
X :第1方向
Y :第2方向
Z :積層方向

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