図面 (/)

この項目の情報は公開日時点(2019年2月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (20)

課題・解決手段

本開示は、ユーザインタフェース熱電デバイスを含む電子機器を含む熱電電源管理システムを提供する。熱電デバイスは、熱電ユニットと、連結具と、熱電ユニットに連結された少なくとも1つの固定具と、熱電ユニットと熱連通する別個排熱ユニットと、を含む。熱電ユニットは、使用者体表面に隣接して設置される熱伝導表面を含み、連結具は電子機器を熱電ユニットに取り外し可能に固定する。さらに、少なくとも1つの固定具は、熱電デバイスを熱電デバイスの使用者の体表面に固定し、熱電デバイスは、使用中、熱エネルギーが熱伝導表面から別個の排熱ユニットに流れると電力を生成する。

概要

背景

[0002] その一次燃料源としてガソリンを必要とする熱エンジンにより環境中に失われる熱は世界中で年間15テラワットに上る。これは、これらのエンジンが、ガソリンの化学エネルギーのうち30〜40%程度しか有益な作業に変換しないからである。無駄な発熱熱力学第2法則不可避の結果である。

[0003] 「熱電効果」という用語は、ゼーベック効果ペルティエ効果及びトムソン効果を含む。熱電効果に基づくソリッドステートの冷却及び発電は典型的に、発電及びヒートポンピングのためにゼーベック効果又はペルティエ効果を利用する。しかしながら、このような従来の熱電デバイス有用性は典型的に、それらの成績係数COP)の低さ(冷却用途の場合)又は効率の低さ(発電用途の場合)により限定される。

[0004]熱電デバイスの性能は、いわゆる熱電性能指数、Z=S2σ/kにより捉えられてもよく、「S」はゼーベック係数、「σ」は導電率、「k」は熱伝導率である。Zは典型的に、熱電デバイスのCOP及び効率の指標として使用され、すなわち、COPはZと共に変化する。無次元性能指数ZTは、熱電デバイスの性能を定量化するために利用されてよく、「T」はデバイス高温側及び低温側の平均温度とすることができる。

[0005] 従来の半導体熱電冷却器の用途は、他の冷却技術より多くの利点を提供するのにかかわらず、性能指数が低いためにかなり限定されている。冷却中、性能指数の低い従来の熱電材料から製作される熱電デバイスの効率の低さが、効率的な熱電冷却を提供するその用途を限定する。

概要

本開示は、ユーザインタフェースと熱電デバイスを含む電子機器を含む熱電電源管理システムを提供する。熱電デバイスは、熱電ユニットと、連結具と、熱電ユニットに連結された少なくとも1つの固定具と、熱電ユニットと熱連通する別個排熱ユニットと、を含む。熱電ユニットは、使用者体表面に隣接して設置される熱伝導表面を含み、連結具は電子機器を熱電ユニットに取り外し可能に固定する。さらに、少なくとも1つの固定具は、熱電デバイスを熱電デバイスの使用者の体表面に固定し、熱電デバイスは、使用中、熱エネルギーが熱伝導表面から別個の排熱ユニットに流れると電力を生成する。A

目的

[0005] 従来の半導体熱電冷却器の用途は、他の冷却技術より多くの利点を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

ユーザインタフェースを含む電子機器と、前記電気機器と共に筐体内に統合される熱電デバイスであって、前記熱電デバイスは、(i)使用者体表面の付近に設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(ii)前記熱電ユニットに連結された少なくとも1つの固定具と、を含み、前記少なくとも1つの固定具は、前記熱電デバイスを前記使用者の前記体表面に固定し、前記少なくとも1つの固定具は、前記熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのヒートパイプを含む放熱ユニットを含む、熱電デバイスと、を備え、使用中、前記熱電ユニットは、前記熱伝導表面から前記放熱ユニットへと熱エネルギーが流れると電力を生成する、熱電電源管理システム

請求項2

前記電子機器はウォッチである、請求項1に記載の熱電電源管理システム。

請求項3

前記ユーザインタフェースはグラフィカルユーザインタフェースである、請求項1に記載の熱電電源管理システム。

請求項4

前記熱電デバイスは、前記熱電ユニットに連結された複数の固定具を含み、前記複数の固定具は、前記熱電デバイスを前記使用者の前記体表面に固定する、請求項1に記載の熱電電源管理システム。

請求項5

前記電子機器はエネルギー貯蔵ユニットを含む、請求項1に記載の熱電電源管理システム。

請求項6

前記熱電ユニットと電気通信するインダクタユニットをさらに含み、前記インダクタユニットは、前記熱電ユニットにより生成された前記電力を前記電子機器に結合する、請求項1に記載の熱電電源管理システム。

請求項7

前記固定具は熱伝導表面を含む、請求項1に記載の熱電電源管理システム。

請求項8

ユーザインタフェースを含む電子機器と、熱電デバイスであって、(i)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(ii)前記熱電ユニットを前記電子機器に取り外し可能に固定する連結具と、(iii)前記熱電ユニットに連結された少なくとも1つ固定具であって、前記熱電デバイスを前記使用者の前記体表面に固定する少なくとも1つの固定具と、(iv)前記熱電ユニットと熱連通する別個の放熱ユニットと、を含む熱電デバイスと、を備え、使用中、前記熱電ユニットは、熱エネルギーが前記熱伝導表面から前記別個の放熱ユニットに流れると電力を生成する、熱電電源管理システム。

請求項9

前記別個の放熱ユニットは、前記熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのヒートパイプを含む、請求項8に記載の熱電電源管理システム。

請求項10

前記固定具は前記放熱ユニットを含む、請求項8に記載の熱電電源管理システム。

請求項11

前記固定具は前記熱伝導表面を含む、請求項8に記載の熱電電源管理システム。

請求項12

前記電子機器はウォッチである、請求項8に記載の熱電電源管理システム。

請求項13

前記ユーザインタフェースはグラフィカルユーザインタフェースである、請求項8に記載の熱電電源管理システム。

請求項14

前記熱電デバイスは、前記熱電ユニットに固定された複数の固定具を含み、前記複数の固定具は前記熱電デバイスを前記使用者の前記体表面に固定する、請求項8に記載の熱電電源管理システム。

請求項15

前記電子機器はエネルギー貯蔵ユニットを含む、請求項8に記載の熱電電源管理システム。

請求項16

前記連結具は磁気を有するものである、請求項8に記載の熱電電源管理システム。

請求項17

前記熱電ユニットと電気通信するインダクタユニットをさらに含み、前記インダクタユニットは、前記熱電ユニットにより生成された前記電力を前記電子機器に結合する、請求項8に記載の熱電電源管理システム。

請求項18

ユーザインタフェースを含む電子機器と、熱電デバイスであって、(i)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(ii)前記熱電ユニットを前記電子機器に固定する連結具と、(iii)前記熱電ユニットに連結された少なくとも1つ固定具であって、前記熱電デバイスを前記使用者の前記体表面に固定する少なくとも1つの固定具と、(iv)前記熱電ユニットと熱連通する別個の放熱ユニットと、を含み、前記熱電ユニットは、前記体表面とマッチされたインピーダンスである熱電デバイスと、を備え、使用中、前記熱電ユニットは、熱エネルギーが前記熱伝導表面から前記別個の放熱ユニットに流れると電力を生成する、熱電電源管理システム。

請求項19

前記別個の放熱ユニットは、前記熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのヒートパイプを含む、請求項18に記載の熱電電源管理システム。

請求項20

前記固定具は前記放熱ユニットを含む、請求項18に記載の熱電電源管理システム。

請求項21

前記固定具は前記熱伝導表面を含む、請求項18に記載の熱電電源管理システム。

請求項22

前記電子機器はウォッチである、請求項18に記載の熱電電源管理システム。

請求項23

前記ユーザインタフェースはグラフィカルユーザインタフェースである、請求項18に記載の熱電電源管理システム。

請求項24

前記熱電デバイスは、前記熱電ユニットに連結された複数の固定具を含み、前記複数の固定具は前記熱電デバイスを前記使用者の前記体表面に固定する、請求項18に記載の熱電電源管理システム。

請求項25

前記電子機器はエネルギー貯蔵ユニットを含む、請求項18に記載の熱電電源管理システム。

請求項26

前記連結具は磁気を有するものである、請求項18に記載の熱電電源管理システム。

請求項27

前記熱電ユニットと電気通信するインダクタユニットをさらに含み、前記インダクタユニットは、前記熱電ユニットにより生成された前記電力を前記電子機器に結合する、請求項18に記載の熱電電源管理システム。

請求項28

流体が流れるようにする導管と、熱電デバイスであって、(i)前記導管と熱連通する第1熱伝導表面と、(ii)前記第1熱伝導表面と熱連通する熱電材料と、(iii)前記熱電材料と熱連通する第2熱伝導表面と、を含み、使用中、熱エネルギーが前記導管から前記第1熱伝導表面を通って前記第2熱伝導表面へと流れると電力を生成する熱電デバイスと、前記熱電デバイスに電気的に連結された電子機器であって、使用中、前記熱電デバイスは、前記電子機器の電力要求の少なくとも一部を満たすに十分な電力を生成する、電子機器と、を備える熱電電源管理システム。

請求項29

前記電子機器はユーザインタフェースを含む、請求項28に記載の熱電電源管理システム。

請求項30

前記流体は気体である、請求項28に記載の熱電電源管理システム。

請求項31

前記流体は液体である、請求項28に記載の熱電電源管理システム。

請求項32

前記導管はパイプである、請求項28に記載の熱電電源管理システム。

請求項33

前記導管はベントである、請求項28に記載の熱電電源管理システム。

請求項34

前記第1熱伝導表面及び/又は前記第2熱伝導表面はヒートシンクを含む、請求項28に記載の熱電電源管理システム。

請求項35

前記ヒートシンクは1つ又は複数のフィンを含む、請求項34に記載の熱電電源管理システム。

請求項36

使用中、前記熱電デバイスは、熱エネルギーが前記第2熱伝導表面から前記第1熱伝導表面を通って前記導管へと流れると電力を生成する、請求項28に記載の熱電電源管理システム。

請求項37

前記第2熱伝導表面は、熱エネルギーを周囲環境から前記熱電材伝送する、請求項36に記載の熱電電源管理システム。

請求項38

前記第1熱伝導表面及び/又は前記第2熱伝導表面は、1つ又は複数の熱伝導層によって前記熱電材料から物理的に分離され、この1つ又は複数の熱伝導層は前記熱電デバイスを通る熱エネルギーの流れを少なくとも部分的に調整する、請求項28に記載の熱電電源管理システム。

請求項39

前記熱電デバイスは前記導管とマッチされたインピーダンスである、請求項28に記載の熱電電源管理システム。

請求項40

使用中、前記熱電デバイスは、前記電子機器の前記電力要求の全部を満たすのに十分な電力を生成する、請求項28に記載の熱電電源管理システム。

請求項41

(a)i.ユーザインタフェースを含む電子ユニットと、ii.筐体内に前記電子機器と統合された熱電ユニットと、を含む熱電電源管理デバイスを作動させることであって、前記熱電デバイスは、(1)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(2)前記熱電ユニットに連結された少なくとも1つの固定具であって、前記熱電デバイスを前記使用者の前記体表面に固定し、また前記熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのヒートパイプを含む放熱ユニットを含む少なくとも1つの固定具と、を含む、作動させることと、(b)前記熱電ユニットを使って、熱エネルギーが前記熱伝導表面から前記放熱ユニットへと流れたときに電力を生成することと、を含む、電力を生成する方法。

請求項42

(a)i.ユーザインタフェースを含む電子ユニットと、ii.(1)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(2)前記熱電ユニットを前記電子機器に取り外し可能に固定する連結具と、(3)前記熱電ユニットに連結される少なくとも1つの固定具であって、前記熱電デバイスを前記使用者の前記体表面に固定する少なくとも1つの固定具と、(4)前記熱電ユニットと熱連通する別個の放熱ユニットと、含む熱電ユニットと、を含む熱電電源管理デバイスを作動させることと、(b)前記熱電ユニットを使って、熱エネルギーが前記熱伝導表面から前記別個の放熱ユニットへと流れたときに電力を生成することと、を含む、電力を生成する方法。

請求項43

(a)i.ユーザインタフェースを含む電子ユニットと、ii.(1)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(2)前記熱電ユニットを前記電子機器に固定する連結具と、(3)前記熱電ユニットに連結される少なくとも1つの固定具であって、前記熱電デバイスを前記使用者の前記体表面に固定する少なくとも1つの固定具と、(4)前記熱電ユニットと熱連通する別個の放熱ユニットと、含み、前記熱電ユニットは前記体表面とマッチされたインピーダンスである熱電ユニットと、を含む熱電電源管理デバイスを作動させることと、(b)前記熱電ユニットを使って、熱エネルギーが前記熱伝導表面から前記別個の放熱ユニットへと流れたときに電力を生成することと、を含む、電力を生成する方法。

請求項44

(a)i.流体が流れるようにする導管と、ii.(i)前記導管と熱連通する第1熱伝導表面と、(ii)前記第1熱伝導表面と熱連通する熱電材料と、(iii)前記熱電材料と熱連通する第2熱伝導表面とを含む熱電ユニットであって、使用中、前記熱電デバイスは、熱エネルギーが前記導管から前記第1熱伝導表面を通って前記第2熱伝導表面に流れたときに電力を生成する熱電ユニットと、iii.前記熱電ユニットに電気的に連結された電子ユニットと、を含む熱電電源管理デバイスを作動させることと、(b)前記熱電ユニットを使って電力を生成することと、(c)前記電力を前記電子ユニットに提供することであって、その電力は前記電子ユニットの電力要求の少なくとも一部を満たす、提供することと、を含む、電力を生成する方法。

請求項45

前記電力は、前記電子ユニットの前記電力要求の全部を満たすのに十分である、請求項44に記載の方法。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
[0001] 本願は、2015年12月1日に出願された、“Thermoelectric Devices and Systems”と題する米国仮特許出願第62/261,647号と、2016年4月11日に出願された、“Thermoelectric Devices and Systems”と題する米国仮特許出願第62/320,990号の優先権を主張するものであり、その各々の全体があらゆる目的のために参照によって本願に組み込まれる。

背景技術

0002

[0002] その一次燃料源としてガソリンを必要とする熱エンジンにより環境中に失われる熱は世界中で年間15テラワットに上る。これは、これらのエンジンが、ガソリンの化学エネルギーのうち30〜40%程度しか有益な作業に変換しないからである。無駄な発熱熱力学第2法則不可避の結果である。

0003

[0003] 「熱電効果」という用語は、ゼーベック効果ペルティエ効果及びトムソン効果を含む。熱電効果に基づくソリッドステートの冷却及び発電は典型的に、発電及びヒートポンピングのためにゼーベック効果又はペルティエ効果を利用する。しかしながら、このような従来の熱電デバイス有用性は典型的に、それらの成績係数COP)の低さ(冷却用途の場合)又は効率の低さ(発電用途の場合)により限定される。

0004

[0004]熱電デバイスの性能は、いわゆる熱電性能指数、Z=S2σ/kにより捉えられてもよく、「S」はゼーベック係数、「σ」は導電率、「k」は熱伝導率である。Zは典型的に、熱電デバイスのCOP及び効率の指標として使用され、すなわち、COPはZと共に変化する。無次元性能指数ZTは、熱電デバイスの性能を定量化するために利用されてよく、「T」はデバイス高温側及び低温側の平均温度とすることができる。

0005

[0005] 従来の半導体熱電冷却器の用途は、他の冷却技術より多くの利点を提供するのにかかわらず、性能指数が低いためにかなり限定されている。冷却中、性能指数の低い従来の熱電材料から製作される熱電デバイスの効率の低さが、効率的な熱電冷却を提供するその用途を限定する。

0006

[0006] 本開示は、熱電素子、デバイス及びシステムと、かかる素子、デバイス及びシステムを形成するための方法と、を提供する。

0007

[0007]現在利用可能な熱電デバイスがあるものの、本明細書では、このような熱電デバイスに伴う様々な限界を認める。例えば、現在入手可能な熱電デバイスの中には、フレキシブルでなく、各種の形状の物体適合させることができず、熱伝導のための表面積最大限にすること困難なものがある。他の例として、現在利用可能な熱電デバイスの中には、実質的に厚く、より小型の熱電デバイスを必要とする電子機器で使用するのに適さないものもある。

0008

[0008] 本開示は、熱電素子、デバイス、及びシステムと、かかる熱電素子、デバイス、及びシステムを形成するための方法と、を提供する。本開示の熱電素子及びデバイスは、フレキシブルであり、各種の形状、大きさ、及び構成の物体に適合させることができ、かかる素子及びデバイスは、民生用及び産業用等、様々な現場での使用に適したものとなる。本開示の熱電素子及びデバイスは、排熱収集するための表面に適合させて、排熱の少なくとも一部を利用可能なエネルギーに変換することができる。場合によっては、排熱は化学的電気的及び/又は機械的エネルギー変換プロセス中に生成される可能性がある。

0009

[0009] 本開示の態様において、少なくとも約0.25の性能指数(ZT)を有する熱電素子を形成するための方法は、(a)半導体基板と、半導体基板の第1表面と電気通信する作用電極と、半導体基板の第2表面と接触するエッチング液(例えば、電解質)と、エッチング液内の対極と、を含み、半導体基板の第1表面及び第2表面は実質的に金属コーティングを持たない反応空間を提供することと、(b)電極と対極を使って、(i)少なくとも約0.1mA/cm2の電流密度で半導体基板に電流誘導し、(ii)半導体基板の第2表面をエッチング液でエッチングし、半導体基板内に穴のパターンを形成することにより、少なくとも約0.25のZTを有する熱電素子を形成することと、を含み、エッチングは、半導体基板とエッチング液を通じて少なくとも約1ボルト(V)の電位で実行され、エッチングは25℃で少なくとも約1ナノメートル(nm)毎秒のエッチング速度を有する。ある実施形態において、電位は、作用電極、エッチング液、及び対極を通じて少なくとも約1ボルト(V)である。

0010

[0010] ある実施形態において、電位は交流(AC)電圧である。ある実施形態において、電位は直流(DC)電圧である。

0011

[0011] ある実施形態において、作用電極は第1表面と接触している。ある実施形態おいて、作用電極は第1表面とオーム接触している。ある実施形態において、半導体基板は作用電極の一部である。

0012

[0012] ある実施形態において、エッチング速度は少なくとも約10nm毎秒である。ある実施形態において、エッチング速度は少なくとも約100nm毎秒である。ある実施形態において、エッチング速度は少なくとも約1000nm毎秒である。

0013

[0013] ある実施形態において、電流密度は少なくとも約1mA/cm2である。ある実施形態において、電流密度は少なくとも約10mA/cm2である。ある実施形態において、電流密度は約10mA/cm2〜50mA/cm2、10mA/cm2〜30mA/cm2、又は10mA/cm2〜20mA/cm2である。ある実施形態において、電流密度は約100mA/cm2又は50mA/cm2以下である。ある実施形態において、半導体基板は、その電流密度の交流電流でエッチングされる。

0014

[0014] ある実施形態において、作用電極はエッチング中、陽極である。ある実施形態において、方法はさらに、(b)の後に半導体基板をアニーリングすることをさらに含む。ある実施形態において、方法は(b)の前にエッチング液を、25℃を超える温度まで加熱することをさらに含む。ある実施形態において、半導体基板は、金属触媒のない状態で(すなわち、その助けを借りずに)エッチングされる。

0015

[0015] ある実施形態において、穴のパターンは穴の無秩序パターンを含む。ある実施形態において、作用電極はエッチング液と接触しない。

0016

[0016] ある実施形態において、エッチング液は酸を含む。ある実施形態において、酸はHF、HCl、HBr、及びHIからなる群より選択される。ある実施形態において、エッチング液はアルコール添加物を含む。ある実施形態において、エッチングは半導体基板を照明せずに実行される。

0017

[0017] ある実施形態において、ZTは25℃で少なくとも0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、又は1である。ある実施形態において、半導体基板はシリコンを含む。

0018

[0018] 他の態様において、性能指数(ZT)が少なくとも0.25の熱電素子を形成する方法は、(a)エッチング液(例えば、電解質)を含む反応空間の中に半導体基板を提供することと、(b)半導体基板に、少なくとも約0.1mA/cm2の電流密度で電流の流れを誘導することと、(c)エッチング液を使って、少なくとも約0.1mA/cm2の電流密度で半導体基板をエッチングし、半導体基板に無秩序の穴パターンを形成することにより、ZTが少なくとも約0.25の熱電素子を形成することと、を含み、エッチングは、(i)金属触媒が存在しない状態で、(ii)半導体基板とエッチング液を通じた少なくとも約1ボルト(V)の電位で実行され、エッチングは25℃で少なくとも約1ナノメートル(nm)毎秒のエッチング速度を有する。

0019

[0019] ある実施形態において、電位は交流(AC)電圧である。ある実施形態において、電位は直流(DC)電圧である。

0020

[0020] ある実施形態において、エッチング速度は少なくとも約10nm毎秒である。ある実施形態において、エッチング速度は少なくとも約100nm毎秒である。ある実施形態において、エッチング速度は少なくとも約1000nm毎秒である。

0021

[0021] ある実施形態において、電流密度は少なくとも約1mA/cm2である。ある実施形態において、電流密度は少なくとも約10mA/cm2である。ある実施形態において、電流密度は約10mA/cm2〜50mA/cm2、10mA/cm2〜30mA/cm2、又は10mA/cm2〜20mA/cm2である。ある実施形態において、電流密度は約100mA/cm2又は50mA/cm2以下である。ある実施形態において、半導体基板は、その電流密度の交流電流でエッチングされる。

0022

[0022] ある実施形態において、エッチング液は酸を含む。ある実施形態において、酸はHF、HCl、HBr、及びHIからなる群より選択される。ある実施形態において、エッチング液はアルコール添加物を含む。ある実施形態において、エッチングは半導体基板を照明せずに実行される。

0023

[0023] ある実施形態において、方法は、(c)の後に半導体基板をアニーリングすることをさらに含む。ある実施形態において、方法は、(c)の前に、エッチング液を25℃より高い温度まで加熱することをさらに含む。ある実施形態において、半導体基板はシリコンを含む。

0024

[0024] 本開示の他の態様は、1つ又は複数のコンピュータプロセッサにより実行されると、上述の、又は本明細書中の他の箇所の方法の何れかを実行する、機械実行可能なコードを含むコンピュータ可読媒体を提供する。

0025

[0025] 本開示の他の態様は、1つ又は複数のコンピュータプロセッサ及びそこに連結されたメモリを含むコンピュータ制御システムを提供する。メモリは、1つ又は複数のコンピュータプロセッサにより実行されると、上述の又は本明細書中の他の箇所の方法の何れかを実行する機械実行可能なコードを含む。

0026

[0026] 本開示の他の態様において、半導体基板を含む少なくとも1つのフレキシブル熱電素子を含む熱電デバイスであって、半導体基板の表面の金属含有率は、X線光電子分光装置(XPS)を用いた測定により約1%未満であり、フレキシブル熱電素子の性能指数(ZT)は25℃で約0.25未満であり、フレキシブル熱電素子のヤング係数は、熱電層電界偏向の測定により25℃で約1×106ポンド平方インチ(psi)以下である。

0027

[0027] いくつか実施形態において、半導体基板の表面粗さは、透過型電子顕微鏡法TEM)を用いた測定により約0.1ナノメートル(nm)〜50nmである。ある実施形態において、表面粗さは、TEMを用いた測定により約1nm〜20nmである。ある実施形態において、表面粗さはTEMを用いた測定により約1nm〜10nmである。

0028

[0028] ある実施形態において、金属含有率は、XPSを用いた測定により約0.001%以下である。ある実施形態において、ヤング係数は25℃で約800,000psi以下である。ある実施形態において、性能係数は少なくとも約0.5、0.6、0.7、0.8、0.9又は1である。

0029

[0029] ある実施形態において、半導体基板はn型又はp型に化学ドーピングされる。ある実施形態において、半導体基板はシリコンを含む。

0030

[0030] ある実施形態において、熱電素子は穴のパターンを含む。ある実施形態において、穴のパターンは多分散である。ある実施形態において、穴のパターンは穴の無秩序パターンを含む。ある実施形態において、穴の無秩序パターンは多分散である。

0031

[0031] ある実施形態において、熱電素子はワイヤのパターンを含む。ある実施形態において、ワイヤのパターンは多分散である。ある実施形態において、ワイヤのパターンはワイヤの無秩序パターンを含む。ある実施形態において、ワイヤの無秩序パターンは多分散である。

0032

[0032] 本開示の他の態様は、ハンド体基板を含むフレキシブル熱電素子を含む電子機器を提供し、半導体基板の表面の金属含有率は、X線光電子分光装置(XPS)を用いた測定により約1%未満であり、フレキシブル熱電素子の性能指数(ZT)は25℃で少なくとも約0.25であり、フレキシブル熱電素子は、3点曲げ試験を用いた測定により20%未満の可塑変形で測定面に関して少なくとも約10°の角度で曲がる。

0033

[0033] ある実施形態において、半導体基板の表面粗さは、透過型電子顕微鏡法(TEM)を用いた測定により約0.1ナノメート(nm)〜50nmである。ある実施形態において、表面粗さはTEMを用いた測定により約1nm〜20nmである。ある実施形態において、表面粗さはTEMを用いた測定により約1nm〜10nmである。

0034

[0034] ある実施形態において、金属含有率は、XPSを用いた測定により約0.001%以下である。ある実施形態において、フレキシブル熱電素子は、測定面に関して少なくとも約20°の角度で曲がる。ある実施形態において、性能指数は少なくとも約0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、又は1である。

0035

[0035] ある実施形態において、電子機器はウォッチ、健康もしくはフィットネストラッキングデバイス又は排熱回収ユニットである。電子機器は、例えば他の電子機器及び制御モジュールを含む、より大型のシステムの一部とすることができる。他の電子機器が使用されてもよく、これらは例えば、冷蔵庫オーブン電子レンジ、コンピュータプロセッサ、車両用エンジンパイプもしくはその他の導管(例えば、排気管)、モータ又は排熱等のその他の熱源である。

0036

[0036] ある実施形態において、半導体基板はn型又はp型に化学ドーピングされる。ある実施形態において、半導体基板はシリコンを含む。

0037

[0037] ある実施形態において、電子機器は複数の熱電素子を含む。複数の熱電素子の各々は、上述の、又は本明細書の他の箇所に記載されているものとすることができる。ある実施形態において、複数の熱電素子はn型及びp型へと反対に化学ドープされる。

0038

[0038] ある実施形態において、熱電素子は穴のパターンを含む。ある実施形態において、穴のパターンは多分散である。ある実施形態において、穴のパターンは穴の無秩序のパターンを含む。ある実施形態において、穴の無秩序のパターンは多分散である。

0039

[0039] ある実施形態において、熱電素子はワイヤのパターンを含む。ある実施形態において、ワイヤのパターンは多分散である。ある実施形態において、ワイヤのパターンはワイヤの無秩序のパターンを含む。幾つか実施形態において、ワイヤの無秩序パターンは多分散である。

0040

[0040] 本開示の他の態様は発電システムを提供し、これは、流体を案内するための流体流路と、流体流路の少なくとも一部に隣接する少なくとも1つのフレキブル熱電素子を含む熱電デバイスと、を含み、フレキシブル熱電素子のヤング係数は25℃で約1×106ポンド毎平方インチ(psi)以下であり、フレキシブル熱電素子は、流体流路に熱連通する第1表面と、ヒートシンクに熱連通する第2表面と、を有し、熱電デバイスは、流体流路から熱電デバイスを通ってヒートシンクへと熱が流れると電力を生成する。

0041

[0041] ある実施形態において、熱電デバイスは、n型及びp型へと反対に化学ドーピングされた少なくも2つの熱電素子を含む。ある実施形態において、ヤング係数は、25℃で約800,000psi以下である。

0042

[0042] ある実施形態において、熱電素子は半導体材料を含む。ある実施形態において、半導体材料はシリコンを含む。

0043

[0043] ある実施形態において、フレキシブル熱電素子は実質的に、流体流路の形状に適合する。ある実施形態において、流体流路はパイプである。ある実施形態において、流体流路は円筒形である。

0044

[0044] 本開示のその他の態様は、熱電電源管理システムを提供する。熱電電源管理システムはユーザインタフェースを含む電子機器と、電気機器と共に筐体内に統合される熱電デバイスと、を含む。熱電デバイスは、使用者体表面の付近に設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、熱電ユニットに連結された少なくとも1つの固定部材又は固定具と、を含む。少なくとも1つの固定部材又は固定具は、熱電デバイスを使用者の体表面に固定し、熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのパイプを含む放熱ユニットを含む。使用中、熱電ユニットは、熱伝導表面から放熱ユニットへと熱エネルギーが流れると電力を生成することができる。

0045

[0045] ある実施形態において、電子機器はウォッチである。ある実施形態において、ユーザインタフェースはグラフィカルユーザインタフェースである。ある実施形態において、熱電デバイスは、熱電ユニットに連結された複数の固定部材又は固定具を含み、複数の固定部材又は固定具は、熱電デバイスを使用者の体表面に固定する。ある実施形態において、電子機器はエネルギー貯蔵ユニットを含む。ある実施形態において、熱電電源管理システムは、熱電ユニットと電気通信するインダクタユニットを含む。インダクタユニットは、熱電ユニットにより生成された電力を電子機器に結合する。ある実施形態において、固定部材又は固定具は熱伝導表面を含む。

0046

[0046] 本開示のその他の態様は、熱電電源管理システムを提供する。熱電電源管理システムは、ユーザインタフェースと、熱電デバイスを含む電子機器と、を含む。熱電デバイスは、使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、熱電ユニットを電子機器に取り外し可能に固定する固定部材又は連結具と、熱電ユニットに連結される少なくとも1つの固定部材又は固定具であって、熱電デバイスを使用者の体表面に固定する少なくとも1つの固定部材又は固定具と、熱電ユニットと熱連通する別個の放熱ユニットと、を含む。使用中、熱電ユニットは、熱エネルギーが熱伝導表面から別個の放熱ユニットに流れると電力を生成することができる。

0047

[0047] ある実施形態において、別の放熱ユニットは、熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのヒートパイプを含む。ある実施形態において、固定部材又は固定具は放熱ユニットを含む。ある実施形態において、固定部材又は固定具は、熱伝導表面を含む。ある実施形態において、電子機器はウォッチである。ある実施形態において、ユーザインタフェースはグラフィカユーザインタフェースである。ある実施形態において、熱電ユニットは、熱電ユニットに連結された複数の固定部材又は固定具を含み、複数の固定部材又は固定具は、熱電デバイスを使用者の体表面に固定する。ある実施形態において、電子機器はエネルギー貯蔵ユニットを含む。ある実施形態において、固定部材又は連結具は磁気を有するものである。ある実施形態において、熱電電源管理システムは、熱電ユニットと電気通信するインダクタユニットをさらに含む。インダクタユニットは、熱電ユニットにより生成された電力を電子機器に結合する。

0048

[0048] 本開示の他の態様は、熱電電源管理システムを提供する。熱電電源管理システムは、ユーザインタフェースを含む電子機器と、熱電デバイスと、を含む。熱電デバイスは、使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、熱電ユニットを電子機器に固定する固定部材又は連結具と、(iii)熱電ユニットに連結された少なくとも1つの固定部材又は固定具であって、熱電デバイスを使用者の体表面に固定する少なくとも1つの固定部材又は固定具と、熱電ユニットと熱連通する別個の放熱ユニットと、を含み、熱電ユニットは体表面とマッチされたインピーダンスである。使用中、熱電ユニットは、熱エネルギーが熱伝導表面から別個の放熱ユニットに流れると電力を生成することができる。

0049

[0049] ある実施形態において、別個の放熱ユニットは、熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのヒートパイプを含む。ある実施形態において、固定部材又は固定具は、放熱ユニットを含む。ある実施形態において、固定部材又は固定具は、熱伝導表面を含む。ある実施形態において、電子機器はウォッチである。ある実施形態において、ユーザインタフェースはグラフィカルユーザインタフェースである。ある実施形態において、熱電デバイスは、熱電ユニットに連結された複数の固定部材又は固定具を含み、複数の固定部材又は固定具は、熱電デバイスを使用者の体表面に固定する。ある実施形態において、電子機器はエネルギー貯蔵ユニットを含む。ある実施形態において、固定部材又は連結具は磁気を有するもものである。ある実施形態において、熱電電源管理システムは、熱電ユニットと電気通信するインダクタユニットを含む。インダクタユニットは、熱電ユニットにより生成された電力を電子機器に結合することができる。

0050

[0050] 本開示の他の態様は、熱電電源管理システムを提供する。熱電電源管理システムは、流体がその中を流れる導管と熱電デバイスとを含む。熱電デバイスは、(i)導管と熱連通する第1熱伝導表面と、(ii)第1熱伝導表面と熱連通する熱電材料と、(iii)熱電材料と熱連通する第2熱伝導表面と、を含む。使用中、熱電デバイスは、熱エネルギーが導管から第1熱伝導表面を通って第2熱伝導表面へと流れると電力を生成する。熱電電源管理システムは、熱電デバイスに電気的に連結された電子機器も含むことができ、これは、使用中、熱電デバイスにより生成された電力によって、少なくとも部分的に(例えば、少なくとも1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60、70%、80%、90%、95%、99%)又は全面的に電源供給される。

0051

[0051] ある実施形態において、電子機器はユーザインタフェースを含む。ある実施形態において、流体は気体である。ある実施形態において流体は液体である。ある実施形態において、導管はパイプである。ある実施形態において、導管はベントである。ある実施形態において、第1熱伝導表面及び/又は第2熱伝導表面はヒートシンクを含む。ある実施形態において、ヒートシンクは1つ又は複数のフィン(又はヒートフィン)を含む。

0052

[0052] ある実施形態において、使用中、熱電デバイスは、熱エネルギーが第2熱伝導表面から第1熱伝導表面を通り、導管へと流れると電力を生成する。ある実施形態において、第2熱伝導表面は、熱エネルギーを周囲環境から電熱材料へと伝導する。ある実施形態において、第1熱伝導表面及び/又は第2熱伝導表面は、熱電材料から1つ又は複数の熱伝導層により物理的に分離され、1つ又は複数の熱伝導層は、熱電デバイスを通る熱エネルギーの流れを少なくとも部分的に調整する。ある実施形態において、熱電デバイスは、導管とマッチされたインピーダンスである。

0053

[0053] 本開示の他の態様は、熱電電源管理システムを提供し、これは、ユーザインタフェースを含む電子機器と、筐体の中に電子機器と統合される熱電デバイスであって、(i)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(ii)熱電ユニットに連結された少なくとも1つの固定具と、を含む熱電デバイスと、を含み、少なくとも1つの固定具は、熱電デバイスを使用者の体表面に固定し、少なくとも1つの固定具は、熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのヒートパイプを含む放熱ユニットを含み、使用中、熱電ユニットは、熱エネルギーが熱伝導表面から放熱ユニットへと流れると電力を生成する。

0054

[0054] ある実施形態において、電子機器はウォッチである。ある実施形態において、ユーザインタフェースはグラフィカルユーザインタフェースである。ある実施形態において、熱電デバイスは、熱電ユニットに連結された複数の固定具を含み、複数の固定具は、熱電デバイスを使用者の体表面に固定する。ある実施形態において、電子機器はエネルギー貯蔵ユニットを含む。ある実施形態において、熱電電源管理システムは、熱電ユニットと電気連通するインダクタユニットをさらに含み、インダクタユニットは熱電ユニットにより生成された電力を電子機器に結合する。ある実施形態において、固定具は熱伝導表面を含む。

0055

[0055] 本開示の他の態様は、熱電電源管理システムを提供し、これは、ユーザインタフェースを含む電子機器と、(i)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(ii)熱電ユニットを電子機器に取り外し可能に固定する連結具と、(iii)熱電ユニットに連結された少なくとも1つの固定具であって、熱電デバイスを使用者の体表面に固定する少なくとも1つの固定具と、(iv)熱電ユニットと熱連通する別個の放熱ユニットと、を含む熱電デバイスと、を含み、使用中、熱電ユニットは、熱エネルギーが熱伝導表面から別個の放熱ユニットに流れると電力を生成する。

0056

[0056] ある実施形態において、別個の放熱ユニットは、熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのヒートパイプを含む。ある実施形態において、固定具は放熱ユニットを含む。ある実施形態において、固定具は熱伝導表面を含む。ある実施形態において、電子機器はウォッチである。ある実施形態において、ユーザインタフェースはグラフィカルユーザインタフェースである。ある実施形態において、熱電デバイスは、熱電ユニットに連結された複数の固定具を含み、複数の固定具は熱電デバイスを使用者の体表面に固定する。ある実施形態において、電子機器はエネルギー貯蔵ユニットを含む。ある実施形態において、連結具は磁気を有するものである。ある実施形態において、熱電電源管理システムは、熱電ユニットと電気通信するインダクタユニットをさらに含み、インダクタユニットは、熱電ユニットにより生成された電力を電子機器に結合する。

0057

[0057] 本開示の他の態様は、熱電電源管理システムを提供し、これは、ユーザインタフェースを含む電子機器と、(i)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(ii)熱電ユニットを電子機器に固定する連結具と、(iii)熱電ユニットに連結された少なくとも1つの固定具であって、熱電デバイスを使用者の体表面に固定する少なくとも1つの固定具と、(iv)熱電ユニットと熱連通する別個の放熱ユニットと、を含む熱電デバイスと、を含み、使用中、熱電ユニットは、熱エネルギーが熱伝導表面から別個の放熱ユニットに流れると電力を生成する。

0058

[0058] ある実施形態において、別個の放熱ユニットは、熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのヒートパイプを含む。ある実施形態において、固定具は放熱ユニットを含む。ある実施形態において、固定具は熱伝導表面を含む。ある実施形態において、電子機器はウォッチである。ある実施形態において、ユーザインタフェースはグラフィカルユーザインタフェースである。ある実施形態において、熱電デバイスは、熱電ユニットに連結された複数の固定具を含み、複数の固定具は熱電デバイスを使用者の体表面に固定する。ある実施形態において、電子機器はエネルギー貯蔵ユニットを含む。ある実施形態において、連結具は磁気を有するものである。ある実施形態において、熱電電源管理システムは、熱電ユニットと電気通信するインダクタユニットをさらに含み、インダクタユニットは、熱電ユニットにより生成された電力を電子機器に結合する。

0059

[0059] 本開示の他の態様は熱電電源管理システムを提供し、これは、流体を流れるようにする導管と、(i)導管と熱連通する第1熱伝導表面と、(ii)第1熱伝導表面と熱連通する熱電材料と、(iii)熱電材料と熱連通する第2熱伝導表面と、を含む熱電デバイスであって、使用中、熱エネルギーが導管から、第1熱伝導表面を通り、第2熱伝導表面へと流れると電力を生成する熱電デバイスと、熱電デバイスに電気的に連結された電子機器と、を含み、使用中、熱電デバイスは、電子機器の電力需要の少なくとも一部を満たすのに十分な電力を生成する。

0060

[0060] ある実施形態において、電子機器はユーザインタフェースを含む。ある実施形態において、流体は気体である。ある実施形態において、流体は液体である。ある実施形態において、導管はパイプである。ある実施形態において、導管はベントである。ある実施形態において、第1熱伝導表面及び/又は第2熱伝導表面はヒートシンクである。ある実施形態において、ヒートシンクは1つ又は複数のフィンを含む。ある実施形態において、使用中、熱電デバイスは、熱エネルギーが第2熱伝導表面から第1熱伝導表面を通って導管へと流れると、電力を生成する。ある実施形態において、第2熱伝導表面は、熱エネルギーを周囲環境から熱電材料へと伝導する。ある実施形態において、第1熱伝導表面及び/又は第2熱伝導表面は、熱電材料から1つ又は複数の熱伝導層により物理的に分離され、1つ又は複数の熱伝導層は、熱電デバイスを通る熱エネルギーの流れを少なくとも部分的に調整する。ある実施形態において、熱電デバイスは、導管とマッチされたインピーダンスである。ある実施形態において、使用中、熱電デバイスは、電子機器の電力需要の全部を満たすのに十分な電力を生成する。

0061

[0061] 本開示の他の態様は電力を生成する方法を提供し、これは、(a)(i)ユーザインタフェースを含む電子ユニットと、(ii)筐体内に電子機器と統合された熱電ユニットと、を含む熱電電源管理デバイスを作動させることであって、熱電デバイスは、(1)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(2)熱電ユニットに連結された少なくとも1つの固定具であって、熱電デバイスを使用者の体表面に固定し、また熱電ユニットと熱連通する少なくとも1つのヒートパイプを含む放熱ユニットを含む少なくとも1つの固定具と、を含むような、作動させることと、(b)熱電ユニットを使って、熱エネルギーが熱伝導表面から放熱ユニットへと流れたときに電力を生成することと、を含む。

0062

[0062] 本開示の他の態様は電力を生成する方法を提供し、これは、(a)(i)ユーザインタフェースを含む電子ユニットと、(ii)(1)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(2)熱電ユニットを電子機器に取り外し可能に固定する連結具と、(3)熱電ユニットに連結される少なくとも1つの固定具であって、熱電デバイスを使用者の体表面に固定する少なくとも1つの固定具と、(4)熱電ユニットと熱連通する別個の放熱ユニットと、を有する熱電ユニットと、を含む熱電電源管理デバイスを作動させることと、(b)熱電ユニットを使って、熱エネルギーが熱伝導表面から別個の放熱ユニットへと流れたときに電力を生成することと、を含む。

0063

[0063] 本開示の他の態様は、電力を生成する方法を提供し、これは、(a)(i)ユーザインタフェースを含む電子ユニットと、(ii)(1)使用者の体表面に隣接して設置される熱伝導表面を有する熱電ユニットと、(2)熱電ユニットを電子機器に固定する連結具と、(3)熱電ユニットに連結される少なくとも1つの固定具であって、熱電デバイスを使用者の体表面に取り外し可能に固定する少なくとも1つの固定具と、(4)熱電ユニットと熱連通する別個の放熱ユニットと、を有する熱電ユニットと、を含み、前記熱電ユニットは体表面とマッチされたインピーダンスである熱電電源管理デバイスを作動させることと、(b)熱電ユニットを使って、熱エネルギーが熱伝導表面から別個の放熱ユニットへと流れたときに電力を生成することと、を含む。

0064

[0064] 本開示の他の態様は、電力を生成する方法を提供し、これは、(a)(i)流体が流れるようにする導管と、(ii)(1)導管と熱連通する第1熱伝導表面と、(2)第1熱伝導表面と熱連通する熱電材料と、(3)熱電材料と熱連通する第2熱伝導表面とを含む熱電ユニットであって、使用中、熱電デバイスは、熱エネルギーが導管から第1熱伝導表面を通って第2熱伝導表面に流れたときに電力を生成する熱電ユニットと、(iii)熱電ユニットに電気的に連結された電子ユニットと、を含む熱電電源管理デバイスを作動させることと、(b)熱電ユニットを使って電力を生成することと、(c)電力を電子ユニットに提供することであって、その電力は電子ユニットの電力需要の少なくとも一部を満たす、提供することと、を含む。

0065

[0065] ある実施形態において、電力は、電子ユニットの電力需要の全部を満たすのに十分である。

0066

[0066] 本開示の他の態様と利点は、当業者にとって、以下の詳細な説明から容易に明らかとなり、その中には本開示の例示的な実施形態だけが示され、説明されている。当然のことながら、本開示は他の異なる実施形態もとることができ、その幾つかの詳細は各種の自明な点において変更することができ、これらはすべて本開示から逸脱しない。従って、図面と説明は限定的ではなく例示的な性質であるとみなされるものとする。

0067

参照による援用
[0067] 本明細書で述べられているすべての出版物、特許、及び特許出願は、それぞれの個別の出版物、特許、又は特許出願が参照により援用されると明示的に個別に示されたかの如く、参照によって本願に援用される。

0068

図面の簡単な説明
[0068] 本発明の新規な特徴は、特に付属の特許請求の範囲に記載されている。本発明の特徴と利点は、本発明の原理が利用される例示的な実施形態を示す以下の詳細な説明と、下記のような添付の図面(本明細書では「図」とも呼ばれる)を参照することにより、よりよく理解される。

図面の簡単な説明

0069

複数の要素を有する熱電デバイスを示す。
本開示のある実施形態による熱電素子の概略斜視図である。
本開示のある実施形態による図2の熱電素子の概略上面図である。
本開示のある実施形態による図2及び3の熱電素子の概略側面図である。
本開示のある実施形態による熱電素子の概略上面斜視図である。
本開示のある実施形態による図5の熱電素子の概略上面斜視図である。
本開示のある実施形態による、ワイヤの配列を有する素子を含む熱電デバイスの概略斜視図である。
本開示のある実施形態による、穴の配列を有する素子を含む熱電デバイスの概略斜視図である。
本開示のある実施形態による、ベクトルVに関して垂直に配向された穴の配列を有する素子を含む熱電デバイスの概略斜視図である。
複数の熱電素子を含むフレキシブル熱電デバイスを製造する方法を概略的に示す。
フレキシブル熱電材料を有するフレキシブル熱電デバイスを概略的に示す。
ヒートシンクと熱電デバイスを含む熱回収システムを概略的に示す。
一体化された熱電デバイスとヒートシンクを有する溶接可能チューブを概略的に示す。
物体の周囲に巻き付けられたフレキシブルヒートシンクを概略的に示す。
図14Aの断面図である。
一体化されたヒートシンクを有するフレキシブル熱電テープを概略的に示す。
上下の相互接続部と電気連通する熱電素子を有する電子機器を概略的に示す。
ベビーモニタの概略側面斜視図である。
図17Aのベビーモニタの、別の向きの概略側面図である。
図17Aのベビーモニタの概略側面図である。
図17Aのベビーモニタの概略上面図である。
ベースメーカの概略側面斜視図である。
図18Aペースメーカの概略側面図である。
図18Aのペースメーカの概略上面図である。
ウェアラブル電子機器の概略斜視図である。
使用者の手に隣接する図19Aのウェアラブル電子機器を概略的に示す。
アイウェアの概略斜視図である。
医療機器の概略斜視図である。
使用者の体に取り付けられた図21Aの医療機器を概略的に示す。
車両排気システムの一部としての排熱回収システムを概略的に示す。
ラジエータに取り付けられた排熱回収発電システムの概略側面斜視図である。
図23Aの排熱回収発電システムの概略斜視図である。
熱交換器に取り付けられた排熱回収発電システムの概略側面斜視図である。
図24Aの排熱回収発電システムの概略側面図である。
熱電素子の理製造等、本明細書に記載の各種の方法を実施するようにプログラムされた、又はそれ以外に構成されたコンピュータ制御システムを示す。
熱電素子の操作型電子顕微鏡(SEM写真を示す。
熱電素子の中のバルク及び多孔質シリコンを示すX線回折(XRD)プロットを示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
例示的な熱電デバイスを概略的に示す。
例示的な熱電デバイスの断面図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的な熱電デバイスを概略的に示す。
例示的な熱電デバイスの各種の構成要素の温度プロフィールをグラフにより示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的なウェアラブルデバイスの図を概略的に示す。
本明細書に記載の例示的な熱電デバイスを概略的に示す。
本明細書に記載の例示的な熱電デバイスを概略的に示す。
本明細書に記載の例示的な熱電デバイスを概略的に示す。

0070

[00108] 本明細書では本発明の各種の実施形態が図示され、説明されているが、当業者にとっては、かかる実施形態は例として提供されているにすぎないことは明らかであろう。当業者であれば、本発明から逸脱しない多くの変形、変更、及び置換の着想を得るかもしれない。本明細書に記載の本発明の実施形態に対する各種の代替案が利用されてよいことが理解されるべきである。

0071

[00109] 「ナノ構造」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、大きさが約1マイクロメートル(「ミクロン」)である、第1軸に沿った第1寸法(例えば、幅)を有する構造を指す。第1軸に垂直な第2軸に沿って、このようなナノ構造は、ナノメートル又はそれ以下からミクロン、ミリメートル、又はそれ以上の第2寸法を有することができる。場合によっては、寸法(例えば、幅)は約1000ナノメートル(「nm」)、又は500nm、又は100nm、又は50nm、又はそれより小さい値未満である。ナノ構造は、基板材料に形成された穴を含むことができる。穴は、穴の配列を有するメッシュを形成することができる。他の場合に、ナノ構造は、ワイヤ等の棒状の構造、円筒、又はボックス状構造を含むことができる。棒状構造は、円形楕円形三角形正方形長方形五角形六角形七角形八角形九角形、又はその他の断面を有することができる。

0072

[00110] 「ナノホール」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、充填された又はされていない、幅又は直径が約1000ナノメートル(「nm」)、又は500nm、又は100nm、又は50nm、又はそれより小さい値以下の穴を指す。金属、半導体、又は絶縁材料で充填されたナノホールは、「ナノインクルージョン」と呼ぶことができる。

0073

[00111] 「ナノワイヤ」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、幅又は直径が約1000nm、又は500nm、又は100nm、又は50nm、又はそれより小さい値以下のワイヤ又はその他の長尺状の構造を指す。

0074

[00112] 「n型」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、n型ドーパントで化学ドーピングされた材料を指す。例えば、シリコンは、リン又はヒ素を使ってn型にドープすることができる。

0075

[00113] 「p型」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、p型ドーパントでドーピングされた材料を指す。例えば、シリコンは、ボロン又はアルミニウムを使ってp型にドープすることができる。

0076

[00114] 「金属性」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、金属の特性を示す物質を指す。金属性材料は、1つ又は複数の元素金属を含むことができる。

0077

[00115] 「単分散」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、形状、大きさ(例えば、幅、断面積体積)又は分散状態(例えば、隣接粒子間間隔中心間間隔)が相互に類似した特徴物を指す。ある例において、単分散特徴物(例えば、穴、ワイヤ)の形状又は大きさの相互の偏差は、最大で約20%、15%、10%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、又は0.1%である。場合によっては、単分散特徴物は実質的に単分散である。

0078

[00116] 「エッチング材料」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、エッチング材料に隣接する基板(例えば、半導体基板)のエッチングを促進する材料を指す。ある例では、エッチング材料はエッチング材料が酸化剤及び化学エッチャント曝露されたときに基板のエッチングを触媒する。

0079

[00117] 「エッチング層」とは、本明細書で使用されるかぎり、エッチング材料を含む層を指す。エッチング材料の例には、銀、プラチナクロムモリブデンタングステンオスミウムイリジウムロジウムルテニウムパラジウム、銅、ニッケル、及びその他の金属(例えば、貴金属)、もしくはそれらの組合せ、又は例えば銅、ニッケル、もしくはそれらの組合せ等の化学酸化体の堆積を触媒することのできるあらゆる非貴金属が含まれる。

0080

[00118] 「エッチブロック材料」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、エッチブロック材料に隣接する基板のエッチングを阻止、又はそれ以外に阻害する材料を指す。エッチブロック材料は、エッチング材料に関連する基板エッチング速度に関して低下された、又は場合によっては実質的に低下された基板エッチング速度を提供するかもしれない。「エッチブロック層」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、エッチブロック材料を含む層を指す。エッチブロック材料は、エッチング材料のそれより低いエッチング速度を有することができる。

0081

[00119] 「反応空間」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、熱電デバイス又は熱電デバイスの構成要素の形成に適したあらゆる環境を指す。反応空間は、基板に隣接する材料フィルム又は薄いフィルムの堆積、又は材料フィルム又は薄いフィルムの物性の測定に適したものとすることができる。反応空間はチャンバを含んでいてもよく、これは複数のチャンバを有する系の中のチャンバであってもよい。系は、流体的に分離された(又は隔離された)複数のチャンバを含んでいてもよい。系は、複数の反応空間を含んでいてもよく、各反応空間は他の反応空間から流体的に分離される。反応空間は、基板又は基板に隣接して形成された薄いフィルムの測定を実行するのに適していてもよい。

0082

[00120] 「電流密度」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、基板の断面積等、単位断面積あたりの電流(electric又はelectrical current)を指す。ある例において、電流密度は、半導体基板の単位表面積あたりの電流である。

0083

[00121] 「隣接する」又は「〜に隣接する」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、「〜の隣に」、「近接する」、「〜と接触する」、及び「〜の付近にある」を含む。ある例では、隣接する構成要素は1つ又は複数の仲介層により相互に分離されている。1つ又は複数の仲介層の厚さは、約10マイクロメートル(「ミクロン」)、1ミクロン、500ナノメートル(「nm」)、100nm、50nm、10nm、1nm、0.5nm、又はそれより小さい値未満であってもよい。例えば、第2層に隣接する第1層は、第2層と直接接触することがあり得る。他の例として、第2層に隣接する第1層は、少なくとも第三の層によって第2層から分離されることがあり得る。

0084

[00122] 「ヒートパイプ」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、一般に、熱伝導性及び相間移動の原理を組み合わせて2つの界面間(例えば、2つの固体界面間)の熱伝導を管理する熱伝導装置又はユニットを指す。ある例において、ヒートパイプの高温界面において、熱伝導性固体表面と接触する液体が、表面から熱を吸収することによって水蒸気となる。すると、水蒸気はヒートハイプに沿って低温界面へと移動し、再び凝縮して液体となり、潜熱を放出する。すると、液体は、例えば毛細管作用遠心力、又は重力を通じて高温界面へと戻り、このサイクルが繰り返されるかもしれない。このようなヒートパイプは、最高約0.01kW/(m・K)、0.1kW/(m・K)、0.5kW/(m・K)、1kW/(m・K)、10kW/(m・K)、20kW/(m・K)、30kW/(m・K)、40kW/(m・K)、50kW/(m・K)、又は100kW/(m・K)の有効熱伝導率を提供するかもしれない。

0085

熱電素子、デバイス、及びシステム
[00123] 本開示は、加熱及び/又は冷却用途、発電、民生用途、及び産業用途をはじめとする各種の用途での使用に供することのできる熱電素子、デバイス、及びシステムを提供する。ある例において、熱電材料は民生用電子機器(例えば、スマートウォッチ、携帯電子機器、及び健康状態/フィットネストラッキングデバイス)で使用される。他の例として、本開示の熱電材料は、熱損失が発生する場所などの産業分野で使用されることができる。このような場合では、熱は熱電デバイスで捕捉し、発電に使用できる。

0086

[00124] 本開示の熱電デバイスは、このようなデバイスに温度勾配を加えて電力を生成するために使用できる。このような電力は、民生用電子機器等、様々な種類の機器電気エネルギーを提供するために使用できる。

0087

[00125] 本開示の熱電デバイスは、限定されない様々な利点や利益を有することがあり得る。場合によっては、熱電デバイスは、実質的に高いアスペクト比、穴又はワイヤの均一性、及び性能指数ZTを有することができ、これらは熱電デバイスの最適な性能に適したものとすることができる。性能指数に関して、Zは熱電デバイスの成績係数(COP)及び効率の指標とすることができ、Tは熱電デバイスの高温及び低温側の平均温度とすることができる。ある実施形態において、熱電素子又は熱電デバイスの性能指数(ZT)は25℃で少なくとも約0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9又は3.0である。場合によっては、性能指標は、25℃で約0.01〜3、0.1〜2.5、0.5〜2.0又は0.5〜1.5である。

0088

[00126]性能指数(ZT)は、温度の関数とすることができる。場合によっては、ZTは温度と共に上昇する。例えば、ZTが25℃で0.5の熱電体は100℃であればより高いZTを有することがあり得る。

0089

[00127] 本開示の熱電デバイスは、各々がナノ構造(例えば、穴又はワイヤ)の配列を含む電極を有することができる。ナノ構造の配列は、ワイヤ(例えば、ナノワイヤ)等の複数の穴又は長尺状の構造を含むことができる。穴又はワイヤは、整列され、均質な大きさと分布を有することができる。代替案として、穴又はワイヤは秩序的でなく、均一な分布を持たなくてもよい。ある実施例において、穴又はワイヤに関する距離秩序がない。場合によっては、穴又はワイヤは、ランダムな方向に相互に交差してもよい。ナノ構造(例えば、穴又はワイヤ)のパターン付きの、又は無秩序のパターンを形成するための方法は、本明細書の他の箇所で提供する。

0090

[00128] 本開示は、フレキシブル又は実質的にフレキシブルとすることのできる熱電素子を提供する。フレキシブル材料は、可塑変形することなく、ある形状に適合させ、ねじり、又は曲げることのできる材料とすることができる。これによって、熱電素子は、熱源又はヒートシンクとの接触面積が重要な場合等、各種の場合で使用することが可能となる。例えば、フレキシブル熱電素子は、例えば熱電素子を熱源又はヒートシンクの周囲に巻き付けること等によって、熱源又はヒートシンクと効率的に接触させることができる。

0091

[00129]熱電デバイスは、1つ又は複数の熱電素子を含むことができる。熱電素子はフレキシブルとすることができる。個々の熱電素子は少なくとも1つの半導体基板を含むことができ、これはフレキシブルとすることができる。場合によっては、熱電素子の個々の半導体基板は剛体であるが、実質的に薄く(例えば、500nm〜1mm、又は1マイクロメートル〜0.5mm)することができ、それによってこれらは、相互に隣接して配置されたときにフレキシブル熱電素子を提供する。同様に、熱電デバイスの個々の熱電素子は剛体であるが、実質的に薄くすることができ、それによってこれらは、相互に隣接して配置されたときにフレキシブル熱電デバイスを提供する。場合によっては、熱電素子の半導体基板はシリコン(例えば、単結晶シリコン)を含む。

0092

[00130]図1は、本開示のある実施形態による熱電デバイス100を示す。熱電デバイス100は、熱電デバイス100の第1群の電極103と第2群の電極104との間に配置されたn型素子101及びp型素子102を含む。第1群の電極103は、図のように、隣接するn型素子101とp型素子102とを接続する。

0093

[00131]電極103及び104は、それぞれ高温側材料105と低温側材料106と接触している。ある実施形態において、高温側材料105と低温側材料106は電気的に絶縁されているが、熱は伝導する。電位を電極103及び104に印加すると電流が流れ、これは熱電デバイス100を通じた温度勾配(ΔT)を生じさせる。温度勾配(ΔT)は、高温側材料105における第1温度(平均)T1から低温側材料106における第2温度(平均)T2へと延び、T1>T2である。温度勾配は加熱及び冷却目的に使用できる。

0094

[00132]熱電デバイス100のn型素子101とp型素子102とは、ナノ構造等、ナノメートルからマイクロメートルの寸法を有する構造から形成できる。状況によっては、ナノ構造は穴又はインクルージョンであり、これらは穴の配列(すなわち、メッシュ)で提供できる。他の状況では、ナノ構造は、ナノワイヤ等、棒状構造である。場合によっては、棒状構造は横方向に相互に分離される。

0095

[00133] 場合によっては、n型素子101及び/又はp型素子102は、温度勾配の方向に沿って配向されたワイヤ又は穴の配列から形成される。すなわち、穴又はワイヤは、第1群の電極103から第2群の電極104へと延びる。他の場合では、n型素子101及び/又はp型素子102は、温度勾配に関して約0°〜90°の角度の方向に沿って配向された穴又はワイヤの配列から形成される。ある例では、穴の配列は温度勾配に垂直である。穴又はワイヤは、場合によっては、ナノメートル乃至ナノメートルのオーダの寸法を有する。場合によっては、穴はナノメッシュ画定することができる。

0096

[00134]図2は、本開示のある実施形態による穴の配列201を有する熱電素子200の概略斜視図である。穴のアレイは本明細書において、「ナノメッシュ」と呼ぶことができる。図3及び図4は、熱電素子200の上面斜視図及び側面斜視図である。素子200は、本明細書の他の箇所に記載されているn型又はp型素子とすることができる。穴の配列201は、数ナノメートル以下からミクロン、ミリメートル、又はそれ以上までの幅を有することのできる個々の穴201aを含む。ある実施形態において、穴の幅(又は、円形であれば直径)(「d」)は、約1nm〜500nm、又は5nm〜100nm、又は10nm〜30nmである。穴の長さ(「L」)は、約数ナノメートル以下からミクロン、ミリメートル、又はそれ以上とすることができる。幾つの実施形態おいて、穴の長さは約0.5ミクロン〜1センチメートル、又は1ミクロン〜500ミリメートル、又は10ミクロン〜1ミリメートルである。

0097

[00135] 穴201aは基板200aに形成される。場合によっては、基板200aはソリッドステート材料、例えば炭素(例えば、グラファイト又はグラフィン)、シリコン(例えば、単結晶シリコン)、ゲルマニウムガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、シリサイドシリコンゲルマニウムテルル化ビスマステルル化鉛酸化物(例えばSiOxであり、「x」は0より大きい数である)、窒化ガリウム、及びテルル化銀ゲルマニウムアンチモン(TAGS)含有合金である。例えば、基板200aは、IV族材料(例えば、シリコン又はゲルマニウム)、又はIII−V族材料(例えば、ガリウムヒ素)とすることができる。基板200aは、1つ又は複数の半導体を含む半導体材料から形成されてもよい。半導体材料は、それぞれn型又はp型素子用としてn型又はp型にドープすることができる。

0098

[00136] 場合によっては、穴201aは、He、Ne、Ar、N2、H2、CO2、O2、又はそれらの組合せで充填される。他の場合に、穴201aは真空下にある。あるいは、穴は半導体材料、絶縁(もしくは誘電)材料、又は気体(例えば、He、Ar、H2、N2、CO2)で充填(例えば、部分的に充填、又は完全に充填)されていてもよい。

0099

[00137]素子200の第1端202及び第2端203は、シリコン(例えば、単結晶シリコン)又はシリサイド等の半導体含有材料を有する基板と接触することができる。基板、各端202及び203で電極との電気接触を提供するのを支援できる。あるいは、基板は排除でき、第1端202及び第2端203は、それぞれ第1電極(図示せず)及び第2電極(図示せず)と接触することができる。

0100

[00138] ある実施形態において、穴201aは実質的に単分散である。単分散の穴は、実質的に同じ大きさ、形状、及び/又は分散状態(例えば、断面分散)を有していてもよい。他の実施形態において、穴201aは様々な大きさの穴の種類内で分散され、それによって穴201aは必ずしも単分散であるとはかぎらない。例えば、穴201aは多分散であってもよい。多分散の穴の有する形状、大きさ、及び/又は向きの相互の偏差は少なくとも約0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、10%、15%、20%、30%、40%、又は50%とすることができる。状況によっては、デバイス200は、第1直径の第1群の穴と、第2直径の第2群の穴を含む。第1直径は第2直径より大きい。他の例では、デバイス200は異なる直径の2つ又はそれ以上の群の穴を含む。

0101

[00139] 穴201aは、各種の充填配置を有することができる。場合によっては、穴201aは、上から見たときに(図3参照)、六方密充填配置を有する。

0102

[00140] ある実施形態において、穴の配列201の中の穴201aの中心間間隔は、約1nm〜500nm、又は5nm〜100nm、又は10nm〜30nmである。場合によっては、中心間間隔は同じであり、これは単分散の穴201aの場合であってもよい。他の場合では、中心間間隔は、様々な直径及び/又は配置を持つ穴の集合ごとに異なっていることも可能である。

0103

[00141] 穴201の寸法(長さ、幅)及び充填配置と、素子200の材料及びドーピング構成は、素子200及び素子200を有する熱電デバイスの所定の導電性及び熱伝導性を実現するように選択できる。例えば、穴201の直径及び充填構成は、熱伝導性を最小にするように選択でき、ドーピング構成は、素子200の伝導性を最大にするように選択できる。

0104

[00142]基板200aのドーピング濃度は、少なくとも約1018cm−3、1019cm−3、1020cm−3、又は1021cm−3とすることができる。ドーピング濃度は、熱電素子として使用するのに適した抵抗を提供するように選択できる。基板200aの抵抗は、少なくとも約0.001ohm−cm、0.01ohm−cm、又は0.1ohm−cm、及び場合によっては、約1ohm−cm、0.5ohm−cm、0.1ohm−cm以下とすることができる。ある例では、基板200aの抵抗は、約0.001ohm−cm〜1ohm−cm、0.001ohm−cm〜0.5ohm−cm、又は0.001ohm−cm〜0.1ohm−cmとすることができる。

0105

[00143] 穴の配列201のアスペクト比(例えば、素子200の長さを個々の穴201aの幅で割ったもの)は、少なくとも約1.5:1、又は2:1、又は5:1、又は10:1、又は20:1、又は50:1、又は100:1、又は1000:1、又は5,000:1、又は10,000:1、又は100,000:1、又は1,000,000:1、又は10,000,000:1、又は100,000,000:1、又はそれ以上とすることができる。

0106

[00144] 穴201は、秩序的で、均一な大きさと分布とを有するようにすることができる。代替案として、穴201は、秩序的でなく、均一な分布を持たなくてもよい。例えば、穴201は無秩序で、穴201のパターンには距離秩序を持たないようにすることができる。

0107

[00145] ある実施形態において、熱電素子はワイヤの配列を含むことができる。ワイヤの配列は、例えば棒状構造である個々のワイヤを含むことができる。

0108

[00146]素子200の穴の配列の代替案として、穴は秩序的でなくてもよく、均一な分布を持たなくてもよい。ある例では、穴に関して距離秩序がない。場合によっては、穴はランダムな方向に相互に交差してもよい。穴は、様々な方向に穴から突出する二次的な穴等、交差する穴を含んでいてもよい。二次的な穴は、さらに二次的な穴を有していてもよい。穴は、様々な大きさであってもよく、ランダムであって均一でなくてもよい様々な方向に沿って整列されてもよい。

0109

[00147]図5は、本開示のある実施形態による熱電素子500の概略斜視図である。図6は、熱電素子500の上面概略斜視図である。熱電素子500は、本明細書で提供されるデバイス、システム、及び方法と使用されてよい。素子500は、個々のワイヤ501aを有するワイヤの配列501を含むことができる。ある実施形態において、ワイヤの幅(又は、円形の場合は直径)(「d」)は約1nm〜500nm、又は5nm〜100nm、又は10nm〜30nmとすることができる。ワイヤの長さ(「L」)は、約数ナノメートル以下からミクロン、ミリメートル、又はそれ以上とすることができる。ある実施形態において、ワイヤの長さは約0.5ミクロン〜1センチメートル、又は1ミクロン〜500ミリメートル、又は10ミクロン〜1ミリメートルである。

0110

[00148] ある実施形態において、ワイヤ501aは実質的に単分散とすることができる。単分散のワイヤは、実質的に同じ大きさ、形状、及び/又は分布(例えば、断面分布)を有していてもよい。他の実施形態において、ワイヤ501aは様々な大きさのワイヤの種類内で分散され、それによってワイヤ501aは必ずしも単分散であるとはかぎらない。例えば、ワイヤ501aは多分散であってもよい。多分散のワイヤの有する形状、大きさ、及び/又は向きの相互の偏差は少なくとも約0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、10%、15%、20%、30%、40%、又は50%とすることができる。

0111

[00149] ある実施形態において、ワイヤの配列501の中のワイヤ501aの中心間間隔は約1nm〜500nm、又は5nm〜100nm、又は10nm〜30nmとすることができる。場合によっては、中心間間隔は同じとすることができ、これは単分散のワイヤ501の場合であってもよい。他の場合では、中心間間隔は、様々な直径及び/又は配置を持つワイヤの集合ごとに異なっていることも可能である。

0112

[00150] 場合によっては、ワイヤ501aはソリッドステート材料、例えば半導体材料、例えばシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、シリサイド合金、シリコンゲルマニウムの合金、テルル化ビスマス、テルル化鉛、酸化物(例えばSiOxであり、「x」は0より大きい数である)、窒化ガリウム、及びテルル化銀ゲルマニウムアンチモン(TAGS)含有合金で形成できる。ワイヤ501aは、本明細書に開示されている他の材料で形成することもできる。ワイヤ501aは、n型ドーパント又はp型ドーパントでドープできる。ドーピング濃度は、少なくとも約1018cm−3、1019cm−3、1020cm−3、又は1021cm−3とすることができる。ある例において、ドーピング濃度は少なくとも約1018〜1021cm−3、又は1019〜1020cm−3とすることができる。半導体材料のドーピング濃度は、熱電素子として使用するのに適した抵抗を提供するように選択できる。半導体材料の抵抗は、少なくとも約0.001ohm−cm、0.01ohm−cm、又は0.1ohm−cm、及び場合によっては、約1ohm−cm、0.5ohm−cm、0.1ohm−cm以下とすることができる。ある例では、半導体材料の抵抗は、約0.001ohm−cm〜1ohm−cm、0.001ohm−cm〜0.5ohm−cm、又は0.001ohm−cm〜0.1ohm−cmとすることができる。

0113

[00151] ある実施形態において、ワイヤ501aは、素子500の第1端502及び第2端503において半導体基板に付着させることができる。半導体基板は、個々のワイヤ501aのn型又はp型ドーピング構成を有することができる。他の実施形態において、第1端502及び第2端503においてワイヤ501aは、半導体基板ではなく電極に付着されてもよい。例えば、第1電極(図示せず)は、第1端502と電気的に接触することができ、第2電極は第2端503と電気的に接触することができる。

0114

[00152]図6を参照すると、ワイヤ501a間の間隔504は、真空又は各種の材料で充填されてもよい。ある実施形態において、ワイヤは、例えば化学気相成長法又は原子層堆積法等の気相堆積法を用いて堆積された電気的絶縁材料、例えば二酸化シリコン二酸化ゲルマニウム、ガリウムヒ素酸化物、スピンオングラス、及びその他の絶縁体によって相互から横方向に分離できる。他の実施形態において、ワイヤは、真空又は気体、例えばHe、Ne、Ar、N2、H2、CO2、O2、又はそれらの組合せによって相互から横方向に分離できる。

0115

[00153]ワイヤの配列501のアスペクト比、すなわち、素子500の長さを個々のワイヤ501aの幅で割ったもの)は、少なくとも約1.5:1、又は2:1、又は5:1、又は10:1、又は20:1、又は50:1、又は100:1、又は1000:1、又は5,000:1、又は10,000:1、又は100,000:1、又は1,000,000:1、又は10,000,000:1、又は100,000,000:1、又はそれ以上とすることができる。場合によっては、素子500の長さと個々のワイヤ501aの長さは実質的に同じとすることができる。

0116

[00154] 本明細書で提供される熱電素子は、冷却及び/又は加熱と、場合によっては発電において使用する熱電デバイスの中に組み込むことができる。ある例において、機器100は発電機として使用されてもよい。ある例において、機器100は、機器100の電極と熱電素子との間に温度勾配を提供することによって発電に使用される。

0117

[00155]素子500のワイヤの配列の代替案として、ワイヤは秩序的でなくてもよく、均一な分布を持たなくてもよい。ある例では、ワイヤに関して距離秩序がない。場合によっては、ワイヤはランダムな方向に相互に交差してもよい。ワイヤは、様々な大きさであってもよく、ランダムであって均一でなくてもよい様々な方向に沿って整列されてもよい。

0118

[00156]図7は、本開示のある実施形態による、n型素子701とp型素子702とを有する熱電デバイス700を示す。n型素子701及びp型素子702は各々、ナノワイヤ等のワイヤの配列を含むことができる。ワイヤの配列は、複数のワイヤを含むことができる。n型素子701は、n型(又はnドープ)ワイヤを含むことができ、p型素子702はp型ワイヤを含むことができる。ワイヤはナノワイヤ又はその他の棒状構造とすることができる。

0119

[00157] 隣接するn型素子701とp型素子702とは、電極703及び704を使ってそれぞれの端で相互に電気的に接続することができる。デバイス700は、素子701及び702のそれぞれ反対の端に第1熱伝導性の電気絶縁層705と、第2熱伝導性の電気絶縁層706と、を含むことができる。

0120

[00158]デバイス700は、電極703及び704と電気通信する端子707及び708を含むことができる。端子707及び708の間に電位を印加することにより、n型及びp型素子701及び702にそれぞれ電子正孔の流れを生じさせることができ、これは素子701及び702間に温度勾配を発生させることができる。第1熱伝導性の電気絶縁層705は、デバイス700の低温側であってもよく、第2熱伝導性の電気絶縁層706はデバイス700の高温側であってもよい。低温側は高温側より低温である(すなわち、より低い動作温度を有する)。

0121

[00159]図8は、本開示のある実施形態によるn型素子801及びp型素子802を有する熱電デバイス800を示す。n型素子801及びp型素子802は、それぞれn型及びp型半導体基板内に形成できる。各基板は、ナノホール等の穴の配列を含むことができる。穴の配列は複数の穴を含むことができる。個々の穴は、n型又はp型素子の長さ全体にわたることができる。穴は他分散とすることができ、この場合、穴の寸法と中心間間隔は実質的に同じであってもよい。場合によっては、穴の配列は中心間間隔と穴寸法(例えば、幅又は直径)が異なっていてもよい。このような場合、穴は単分散ではなくてもよい。

0122

[00160] 選択されたn型素子801及びp型素子802は、電極803及び804によりそれぞれの端で相互に電気的に接続できる。デバイス800は、第1熱伝導性の電気絶縁層(「第1層)」805と第2熱伝導性の電気絶縁層(「第2層」)806を素子801及び802のそれぞれ反対の端に含むことができる。

0123

[00161]デバイス800は、電極803及び804と電気通信する端子807及び808を含むことができる。端子807及び808間に電位を印加することにより、n型及びp型素子801及び802にそれぞれ電子と正孔の流れを生じさせることができ、これは素子801及び802の間に温度勾配を発生させることができる。第1熱伝導性の電気絶縁層805は、デバイス800の低温側であってもよく、第2熱伝導性の電気絶縁層806はデバイス800の高温側であってもよい。低温側は高温側より低温である(すなわち、より低い動作温度を有する)。

0124

[00162]熱電デバイス800は、第2熱伝導性の電気絶縁層806から第1熱伝導性の電気絶縁層805への温度勾配を有していてもよい。場合によっては、穴は、第1層805から第2層806に向けられたベクトルに平行に配置されることができる。他の場合では、穴はそのベクトルに関して0°より大きい角度で配置できる。例えば、穴はベクトルに関して少なくとも約1°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、又は90°の角度に配置されることができる。

0125

[00163]図9は、n型素子901及びp型素子902を有する熱電デバイス900を示し、素子はn型及びp型素子基板内に形成された穴を有する。穴は、デバイス900の電極903及び904に垂直なベクトル(「V」)に垂直に配向される。

0126

[00164] 本明細書で提供される熱電素子のワイヤ又は穴は、基板内に形成され、電極等の支持構造に実質的に逆平行に形成されてもよい。ある例において、ワイヤ又は穴は、支持構造に関して0°、又は10°、又は20°、又は30°、又は40°、又は50°、又は60°、又は70°、又は80°、又は85°より大きい角度で配向される。ある例において、ワイヤ又は穴は、支持構造に関して約90°の角度で配向される。電極は、熱電デバイスの電極であってもよい。場合によっては、ワイヤ又は穴は電極に対して実質的に平行に配向されてもよい。

0127

[00165]図7〜9のデバイスの代替案として、熱電デバイスは、個々の穴又はワイヤの大きさ及び/又は分布の異なる穴又はワイヤの配列を持つ熱電素子を有することができる。穴又はワイヤの配列は、秩序的でなくてもよく、均一な分布を有していなくてもよい。ある例において、穴又はワイヤに関する距離秩序がない。場合によっては、穴又はワイヤはランダムな方向に相互に交差してもよい。穴又はワイヤは、他の穴又はワイヤから様々な方向に突出する二次的な穴又はワイヤ等、交差する穴又はワイヤを含んでいてもよい。穴又はワイヤは、様々な大きさを有していてもよく、ランダムであって均一でなくてもよい様々な方向に沿って配列されてよい。他の代替案として、熱電デバイスは、秩序的な穴又はワイヤの配列を持つ少なくとも1つの熱電素子(p又はn型)と、無秩序な穴又はワイヤの配列を持つ少なくとも1つの熱電素子(p又はn型)を含むことができる。無秩序の穴又はワイヤの配列は、秩序的でなく、均一な分布を持たない穴又はワイヤを含んでいてもよい。

0128

[00166] 本開示の穴又はワイヤは、最適化された熱電デバイス性能にとって適当な表面粗さを有していてもよい。場合によっては、穴又はワイヤの二乗平均平方根表面粗さは、約0.1nm〜50nm、又は1nm〜20nm、又は1nm〜10nmとすることができる。粗さは、透過方電子顕微鏡(TEM)又は、原子力顕微鏡法AFM)もしくは走査型トンネル顕微鏡STM)等その他の表面解析技術により特定されることができる。表面粗さは、表面凹凸により特徴付けられてもよい。

0129

熱電素子の形成方法
[00167] 本開示は、熱電素子を形成するための各種の方法を提供する。熱電素子は、電気化学エッチングを使って形成できる。場合によっては、熱電素子は、陰極又は陽極エッチングにより、場合によっては、触媒を利用せずに形成されることができる。熱電素子、金属性触媒を使用せずに形成されることができる。熱電素子は、エッチング対象の基板表面上に金属性コーティングを提供せずに形成されることができる。これはまた、純粋に電気化学陽極エッチング及び適当なエッチング液と電解質を使って実行されることができる。代替案として、熱電素子は、適当なエッチング液と電解質内での金属触媒電気化学エッチングを使って形成されることができ、これは例えば、2012年7月17日に出願されたPCT米国特許出願第2012/047021号、2013年1月17日に出願されたPCT米国特許出願第2013/021900号、2013年8月16日に出願されたPCT米国特許出願第2013/055462号、2013年10月29日に出願されたPCT米国特許出願第2013/067346号に記載されており、その各々の全体を参照によって本願に援用する。

0130

[00168] 本明細書においては、熱電素子を形成するために触媒を使用しないことの様々な利益が認識される。ある例において、非金属触媒エッチでは、金属(又は金属性)触媒を不要とすることができ、これによって、エッチング後に熱電素子から金属触媒を取り除くためのクリーンアップテップを含め、処理ステップを減らすことができる。これはまた、金属触媒は高価であり得るため、製造コストも削減できる。金属触媒は、希少及び/又は高価な金属性材料(例えば、金、銀、プラチナ、又はパラジウム)を含み得るため、金属性触媒の使用を排除することにより、有利な点として、熱電素子を形成するためのコストを削減できる。それに加えて、非触媒プロセスは、より再現可能かつ制御可能とすることができる。場合によっては、本明細書に記載の非触媒プロセスは、熱電素子の比較的小さい生産規模から熱電素子の比較的大きい生産規模へと拡張することができる。

0131

[00169] 本開示は、民生用途及び産業用途等、様々な用途に使用するための熱電材料を形成する方法を提供する。ある例において、熱電材料は民生用電子機器(例えば、スマートウォッチ、携帯電子機器、及び健康/フィットネストラッキングデバイス)で使用される。他の例として、本開示の熱電材料は、熱損失がある場所等、産業現場で使用されることができ、この熱を捉えて発電に使用されることができる。

0132

[00170] 本開示は、フレキシブル又は実質的にフレキシブルな熱電材料を形成する方法を提供する。フレキシブル材料は、可塑変形又は破断を生じることなく、測定面に関して約1°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、120°、130°、140°、150°、160°、170°、又は180°の角度で曲がる材料とすることができる。フレキシブル材料は、フレキシブル材料のある面積に力(すなわち、圧力)を加えると曲がり得る。塑性変形は、例えば3点曲げ試験(例えば、インストロン伸展)、又は引張り試験によって測定できる。代替案として、又はそれに加えて、フレキシブル材料は、3点曲げ試験(例えば、インストロン伸展)又は引張り試験を用いた測定により、約20%、15%、10%、5%、1%、又は0.1%以下の塑性変形で、少なくとも約1°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、120°、130°、140°、150°、160°、170°、又は180°の角度で曲がる材料とすることができる。フレキシブル材料は、実質的に柔軟な材料とすることができる。フレキシブル材料は、表面に適合し、又はぴったりすることのできる材料とすることができる。このような材料は、民生用及び産業用現場等、様々な現場用として利用可能である。本明細書に記載の方法により形成された熱電素子は、様々な形状及び構成に形成できる。このような形状は、例えばある物体に適合させる等、使用者の希望に応じて変えることができる。熱電素子は第1形状を有することができ、ある形状又は構成に形成された後に、熱電素子は第2形状を有することができる。熱電素子は、第2形状から当初の(すなわち、第1)形状に変形できる。

0133

[00171] 本開示のある態様において、熱電デバイス(又は材料)は、陽極エッチングを使って形成される。陽極エッチングは、電気化学エッチングセルの中で実行でき、これはエッチング対象基板(例えば、ソリッドステート材料を含む基板、半導体基板、シリコンを含む半導体基板、単結晶シリコンを含む半導体基板)に電気接続、エッチング液又は電解質を基板と接触した状態に保つ1つ又は複数のタンク、及びエッチング工程を分析するために測定又はモニタするアクセスを提供する。エッチング液及び/又は電解質は水溶液を含むことができる。エッチング液及び/又は電解質は、塩基性中性、又は酸性液とすることができる。エッチング液の例は、フッ化水素酸(HF)、塩酸(HCl)、臭化水素(HBr)、ヨウ化水素(HI)、又はそれらの組合せなどを含む。さらに、電解質を溶液で提供でき、これは例えば、フッ化電解質又はフッ化電解質溶液である。フッ化電解質溶液は、HF、フッ化アンモニウムテトラフルオロホウ酸テトラフルオロホウ酸リチウム、及び溶媒(例えば、アルコール(例えば、エタノール)、水、アセトニトリル)のうちの1種又は複数を含むことができる。エッチング液及び/又は電解質は、導電性液とすることができる。一例において、エッチングセルは、電解質を含む溶液を収容した上側タンクを含む。上側タンクは、エッチング対象基板に隣接して(例えば、その上に)配置できる。エッチング対象基板には、触媒材料であってもよい1種又は複数の金属性材料が実質的に用いられなくてもよい。エッチング対象基板には金属性コーティングがなくてもよい。ある例において、エッチング対象基板の金属含有率(例えば、基板表面上)は、X線光電子分光法(XPS)を用いた測定により、約25%、20%、15%、10%、5%、1%、0.1%、0.01%、0.001%、0.0001%、0.00001%、又は000001%未満とすることができる。

0134

[00172]エッチング液は、酸(例えば、HF)又は、約70%、60%、50%、40%、30%、20%、又は10%(重量で)以下、場合によっては約1%、10%、20%、又は30%以上の酸濃度重量パーセント)を含むことができる。ある例において、濃度(重量で)は約1%〜60%、又は10%〜50%、又は20%〜45%である。エッチング液の残りは溶媒(例えば、水)と添加物、例えばアルコール、カルボキシル酸ケトン、及び/又はアルデヒドを含むことができる。ある例において、添加物はアルコール、例えばメタノール、エタノール、イソプロパノール、又はそれらの組合せを含むことができる。添加物により、本開示の熱電素子で使用するのに適した特性、例えば無秩序パターンを有する穴の実質的に均一な分布等を有するナノ構造(例えば、穴)を形成しながら、より低い電流密度の使用を可能にすることができる。添加物により、本開示の熱電素子で使用するのに適した特性、例えば2つ又はそれ以上の穴間の間隔の制御しやすさを有するナノ構造(例えば、穴)を形成しながら、より低い電流密度の使用を可能にすることができる。添加物により、本開示の熱電素子で使用するのに適した特性、例えば最大約5nmの2つ又はそれ以上の穴間の間隔を有するナノ構造(例えば、穴)を形成しながら、より低い電流密度の使用を可能にすることができる。添加物により、本開示の熱電素子で使用するのに適した特性、例えば最大約20nmの2つ又はそれ以上の穴間の間隔を有するナノ構造(例えば、穴)を形成しながら、より低い電流密度の使用を可能にすることができる。添加物により、本開示の熱電素子で使用するのに適した特性、例えば最大約100nmの2つ又はそれ以上の穴間の間隔を有するナノ構造(例えば、穴)を形成しながら、より低い電流密度の使用を可能にすることができる。

0135

[00173]電流は、エッジコンタクト又は裏面コンタクトを使って基板に及び/又は基板を通じて、溶液/電解質を通じて、対極へと供給できる。対極は、上側タンクと電気通信することができ、場合によっては、上側タンク内に位置付けることができる。場合によっては、対極は基板の上面に隣接しているか、又はそれと接触することができる。エッチングセルの本体は、エッチング液又は電解質に対して不活性な材料(例えば、PTFE、PFAポリプロピレン、HDPE)から製造できる。エッジ又は裏面コンタクトは、基板上の金属コンタクトを含むことができ、又は、適当な電解質を用いた液体コンタクトとすることができる。対極は、適当な電極材料から構成されるワイヤ又はメッシュを含むことができる。エッチングセルは、溶液を常に流動させるための機械的パドルもしくは超音波撹拌機を含むことができ、又はセル全体を旋回させ、回転させ、又は振動させてもよい。ある例において、エッチング前及び/又はエッチング中に溶液を攪拌することにより、エッチングの均一性を改善できる。これによって、エッチング中に電解質の循環を可能にすることができる。他の例において、エッチングセルは、1種又は複数の溶液/電解質の入った1つ又は複数の再循環式タンク及びエッチングチャンバを含むことができる。

0136

[00174] ある例において、パターン付きでない基板が、最大で5つ又はそれ以上の電極コネクタが提供された反応空間の中に装填される。電極の1つは、基板の裏面とオーム接触させることができ(作用電極)、エッチャント電解質から絶縁されてもよい。電極の1つは、基板の裏面とオーム接触させることができ(作用電極)、エッチャント電解質と接触していなくてもよい。他の電極(対極)は、電解質の中にしずめるが、基板と直接接触しないようにし、電解質を通じて基板の作用電極に電流を供給するために使用できる。他の電極(参照電極)は、電解質中に浸漬し、作用電極及び対極のどちらからも、場合によってはフリットを使って絶縁し、既知の、又は所定の参照基準を使ってエッチングセルの動作電位感知するために使用できる。他の2つ又はそれ以上の電極は、反応空間の外に設置して、外部電界を生じさせてもよい。場合によっては、少なくとも2つの電極、すなわち作用電極と対極が必要とされてもよい。

0137

[00175]反応空間は、様々な方法で使用されることができる。1つの方式では、反応空間は、基板の裏面を介して適当な電解質の中に陽極電流を通すことにより、2電極構成で使用できる。電解質は例えば、水等の希釈剤、又はフッ化水素酸等のフッ化物含有試薬、又は過酸化水素等の酸化剤を含む液体混合物とすることができる。電解質は、界面活性剤及び/又は変性剤を含むことができる。作用電位は、3電極構成における対極を使って陽極酸化中に感知できる。陽極酸化は、反応空間の外に設置された電極を使って、DC又はAC外部電界が存在する中で実行できる。

0138

[00176]陽極エッチング中、半導体の電圧/電流支援エッチングにより、半導体を電圧/電流に依存する速度でエッチングできる。エッチング速度、エッチング深度エッチング形態空孔密度空孔構造内部表面積、及び表面粗さは、電圧/電流、エッチング液/電解質の組成物及びその他の添加物、圧力/温度、前面/裏面照明、並びにかき混ぜ/攪拌により制御できる。これらはまた、半導体の結晶軸方向、ドーパントの型、抵抗(ドーピング濃度)、及び成長工程(例えば、フローティングゾーン法又はチョクラスキー成長法)によっても制御できる。半導体の抵抗は、少なくとも約0.001ohm−cm、0.01ohm−cm、又は0.1ohm−cm以下、及び場合によっては、約1ohm−cm、0.5ohm−cm、0.1ohm−cm以下とすることができる。ある例において、半導体の抵抗は、約0.001ohm−cm〜1ohm−cm、0.001ohm−cm〜0.5ohm−cm、又は0.001ohm−cm〜0.1ohm−cmとすることができる。

0139

[00177]電圧/電流制御を用いた半導体基板のエッチング中、下地電極を使って電位又はバイアス(例えば、直流バイアス)を基板に印加できる。これにより、半導体基板をエッチングできる。陽極エッチングの結果として、半導体の熱伝導率は有意に低下する可能性がある。ある例において、印加されたバイアスを利用することにより、空隙率質量損失)を制御及び調整でき、従って、熱及び電気特性を制御できる。他の例では、特定のエッチング液/電解質組成物及び/又は添加物を利用することにより、空隙率を制御できる。また別の例では、すでに挙げた幾つの変数を使用しても、空隙率を制御できる。

0140

[00178] 場合によっては、半導体基板はパターン付きでなくてもよく、場合によっては、パターン付きであってもよい。パターン付きでないエッチングにおいて、基板はセル内で直接エッチングされることができる。パターン付きエッチングの場合、エッチングを防止するブロック層を最初に半導体の上に設置し、その後、特定の位置において除去することができる。この層は、何れかの適当な方法(例えば、化学気相成長法、スピンコーティング、酸化)によって形成され、その後、後続のステップにおいて、適当なマスクを使って(例えば、フォトリソグラフィ)所望の位置で除去されてよい(例えば、プラズマエッチング反応性イオンエッチングスパッタリング)。あるいは、ブロック層は直接堆積させることができる(例えば、ディップペンリソグラフィインクジェットプリンティングステンシルを通じたスプレーコーティング)。その後、陽極エッチング中にブロック層のパターンのネガティブレプリカを基板に転写できる。

0141

[00179]エッチングは、適当なエッチング液/電解質の存在中で半導体基板に電位(electrical potential)(「電位(potential)」)を印加することによって実行できる。電位は例えば、アース等の基準に関して少なくとも約+0.01V、+0.02V、+0.03V、+0.04V、+0.05V、+0.06V、+0.07V、+0.08V、+0.09V、+0.1V、+0.2V、+0.3V、+0.4V、+0.5V、+0.6V、+0.7V、+0.8V、+0.9V、+1.0V、+2.0V、+3.0V、+4.0V、+5.0V、+10V、+20V、+30V、+40V、又は+50Vとすることができる。ある例において、電位は、基準に関して約+0.01V〜+20V、+0.1V〜+10V、又は+0.5V〜+5Vとすることができる。ある例において、電位は、約+0.01V〜+0.05V、+0.06V〜+0.1V、+0.2V〜+0.5V、+0.6V〜+1.0V、+2.0V〜+5.0V、+10V〜+20V、+20V〜+30V、+30V〜+40V、又は+40V〜+50の範囲とすることができる。ある例において、電位は約+0.5V〜5V、又は+1V〜+5Vとすることができる。

0142

[00180]エッチングは、場合によっては適当なエッチング液/電解質の存在中で電流(electrical current)(「電流(current)」)を半導体基板に、又はそれを通して印加し、又は生成することによって実行されることができる。電流は、基板に電位を印加すると基板に印加されることができる。電流の電流密度は例えば、少なくとも約+0.01ミリアンペア平方センチメートル(mA/cm2)、+0.1mA/cm2、+0.2mA/cm2、+0.3mA/cm2、+0.4mA/cm2、+0.5mA/cm2、+0.6mA/cm2、+0.7mA/cm2、+0.8mA/cm2、+0.9mA/cm2、+1.0mA/cm2、+2.0mA/cm2、+3.0mA/cm2、+4.0mA/cm2、+5.0mA/cm2、+6.0mA/cm2、+7.0mA/cm2、+8.0mA/cm2、+9.0mA/cm2、+10mA/cm2、+20mA/cm2、+30mA/cm2、+40mA/cm2、+50mA/cm2、+60mA/cm2、+70mA/cm2、+80mA/cm2、+90mA/cm2、+100mA/cm2、+200mA/cm2、+300mA/cm2、+400mA/cm2、+500mA/cm2、+600mA/cm2、+700mA/cm2、+800mA/cm2、+900mA/cm2、+1000mA/cm2とすることができる。ある例において、電流密度は約0.01mA/cm2〜20mA/cm2、0.05mA/cm2〜10mA/cm2、又は0.01mA/cm2〜5mA/cm2の範囲とすることができる。ある例において、電流密度は約+0.1mA/cm2〜+0.5mA/cm2、+0.6mA/cm2〜+1.0mA/cm2、+1.0mA/cm2〜+5.0mA/cm2、+5.0mA/cm2〜+10mA/cm2、+10mA/cm2〜+20mA/cm2、+20mA/cm2〜+30mA/cm2、+30mA/cm2〜+40mA/cm2、+40mA/cm2〜+50mA/cm2、+50mA/cm2〜+60mA/cm2、+60mA/cm2〜+70mA/cm2、+70mA/cm2〜+80mA/cm2、+80mA/cm2〜+90mA/cm2、+90mA/cm2〜+100mA/cm2、+10mA/cm2〜+200mA/cm2、+20mA/cm2〜+300mA/cm2、+300mA/cm2〜+400mA/cm2、+40mA/cm2〜+500mA/cm2、+500mA/cm2〜+600mA/cm2、+600mA/cm2〜+700mA/cm2、+700mA/cm2〜+800mA/cm2、+800mA/cm2〜+900mA/cm2、又は+900mA/cm2〜+1000mA/cm2の範囲とすることができる。ある例において、電流密度は、約1mA/cm2〜30mA/cm2、5mA/cm2〜25mA/cm2、又は10mA/cm2〜20mA/cm2とすることができる。このような電流密度は、本明細書に記載の電位、例えば約+0.5V〜+5V、又は+1V〜+5Vの範囲の電位で実現されてもよい。

0143

[00181]電位(又は電圧)は、例えば電圧計を使って測定できる。電圧計は基板と並列とすることができる。例えば、電圧計は、基板の両側間の電位又は作用電極と溶液中の対極との間の電位を測定できる。電流密度は、電流計を使って測定できる。電流計は、電源及び基板と直列とすることができる。例えば、電流計は基板の裏面に連結できる。

0144

[00182] 本開示の熱電素子は、ナノ構造(例えば、穴又はワイヤ)の配列を提供するために選択されたエッチング時間で形成できる。エッチング時間は、1秒〜2日、1分〜1日、1分〜12時間、10分〜6時間、又は30分〜3時間の範囲とすることができる。ある例において、エッチング時間は30分〜6時間、又は1時間〜6時間とすることができる。場合によっては、エッチング時間は少なくとも約1秒、10秒、30秒、1分、2分、3分、4分、5分、10分、30分、1時間、2時間、3時間、4時間、5時間、6時間、12時間、又は1日とすることができる。このようなエッチング時間は、本開示の印加電圧及び/又は電流と組み合わせて使用できる。

0145

[00183] 場合によっては、半導体基板に印加されるバイアスは、エッチング中に変化させて、エッチング速度、エッチ深度、エッチング形態、空孔数密度、空孔構造、半導体基板の内部表面積及び表面粗さを調整することができ、これには半導体基板のナノ構造の密度と位置が含まれる。場合によっては、エッチング液/電解質組成物及び/又は添加物をエッチング中に変化させることができる。場合によっては、圧力/温度もしくは照明又はかき混ぜ/攪拌を変化させることができる。あるいは、これらの変数のうちの複数を同時に変化させて、所望のエッチング特性を得てもよい。

0146

[00184]基板のエッチング期間中に、電位は一定、可変、又はパルス式とすることができる。ある例において、電位はエッチング期間中、一定である。他の例において、電位はエッチング期間中、オンオフの、又はプラスからマイナスへのパルス式である。他の例において、電位はエッチング期間中に変化させられ、例えば、第1値から第2値へと徐々に変化させられ、この第2値は第1値より小さく、又は大きくすることができる。次に電位は第2値から第1値へ、等々と変化させることができる。また別の例において、バイアス/電流は、正弦波三角波任意波形に従って変動してもよい。場合によっては、バイアス/電流は少なくとも約0.001サイクル毎秒(Hertz(Hz))、0.01Hz、0.1Hz、1Hz、10Hz、1000Hz、5000Hz、10000Hz、50000Hz、又は100000Hzの周波数パルス状とすることができる。

0147

[00185] さらに、基板は一定の電流密度で電気化学的にエッチングされてもよい。一定の電流密度でのエッチングにより、均一な空孔幅の多孔質構造を得ることができる。さらに、エッチングがより深い深度まで進められる場合、空孔幅は深度に応じて増大するかもしれず、それによって材料の均一性は低下する。このような場合、エッチングは、空孔幅の増大を補償するために電流密度を小さくしながら実行されてもよい。場合によっては、オン及びオフ時間が設定されたパルス式電流密度を印加できる。パルス式電流密度方式では、深さの増大に伴う不均一なエッチングを含む、不均一エッチングの可能性を低減できる。さらに、周期的な電流密度波形をエッチング中に基板に印加して、空隙率が交互に異なる複数の層を持つ構造を形成してもよい。例えば、方形波形(例えば、ブラッグスタックを生成する)、正弦波形((例えば、ルゲートを生成する)、又は組合せが利用されてよい。

0148

[00186]バイアス及び/又は電流は、DCでもACでも、又はDCとACの組合せでもよい。DCオフセットを含むACバイアス及び/又は電流により、DCバイアス/電流を用いてエッチング速度を制御し、またACバイアス/電流を用いてイオンを制御できる。ACバイアス/電流は、エッチング速度を交互に上昇及び低下させ、又は空隙率/表面粗さを増大/減少させ、又は形態と構造を周期的又は非周期的変調させることができる。ACバイアス/電流の振幅と周波数は、エッチング速度、エッチング深度、エッチング形態、空孔数密度、空孔構造、内部表面積及び表面粗さを調整するために使用できる。

0149

[00187] 状況によっては、エッチング中に電位を半導体基板に印加することにより、あるエッチング速度を提供できる。ある例において、基板は25℃で少なくとも約0.1ナノメートル(nm)/秒(s)、0.5nm/s、1nm/s、2nm/s、3nm/s、4nm/s、5nm/s、6nm/s、7nm/s、8nm/s、9nm/s、10nm/s、20nm/s、30nm/s、40nm/s、50nm/s、60nm/s、70nm/s、80nm/s、90nm/s、100nm/s、200nm/s、300nm/s、400nm/s、500nm/s、600n/s、700nm/s、800nm/s、900nm/s、1000nm/s、又は10,000nm/sの速度でエッチングできる。他の場合では、エッチング速度は、圧力/温度、溶液/電解質組成物及び/又は添加物、照明、かき混ぜ/攪拌の変化により上昇/低下されてもよい。

0150

[00188]印加された電位又は電流密度を用いたエッチング中の半導体基板の空隙率により、様々な用途に適した熱電素子を提供できる空隙率(質量損失)を有する基板を提供できる。ある例において、空隙率は少なくとも約0.01%、0.1%、1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、又は60%である。空隙率は、約0.01%〜99.99%、0.1%〜60%、又は1%〜50%とすることができる。場合によっては、印加される電流密度は基板の空隙率を制御できる。

0151

[00189]基板は、様々な用途に適した熱電素子を得るために選択された厚さを有することができる。厚さは、少なくとも約100ナノメートル(nm)、500nm、1マイクロメートル(ミクロン)、5ミクロン、10ミクロン、100ミクロン、500ミクロン、1ミリメートル(mm)、又は10mmとすることができる。ある例において、厚さは約500nm〜1mm、1ミクロン〜0.5mm、又は10ミクロン〜0.5mmとすることができる。

0152

[00190]エッチングは、基板の厚さ全体にわたって完全に実行されても、又は何れかの深度で終了されてもよい。完全エッチングにより、エッチングされていない下地基板を持つ自立式ナノ構造材料を得ることができる。不完全エッチングにより、エッチングされていない下地基板上にナノ構造材料の層を得ることができる。ナノ構造の厚さは、少なくとも約10ナノメートル(nm)、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1マイクロメートル(μm)、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm,600μm、700μm、800μm、900μm、1ミリメートル(mm)、2ミリメートル(mm)、3ミリメートル(mm)、4ミリメートル(mm)、5ミリメートル(mm)、6ミリメートル(mm)、7ミリメートル(mm)、8ミリメートル(mm)、9ミリメートル(mm)、10ミリメートル(mm)、又はそれ以上であってもよい。場合によっては、ナノ構造層の厚さは、エッチングの持続時間によって制御される。例えば、エッチング時間を長くすると、ナノ構造層の厚さをより厚くすることができる。

0153

[00191]ナノ構造層は、基板上に残されても、又は様々な方法で基板から分離されてもよい。層は、基板から機械的に分離されてもよい(例えば、ダイヤモンドソーの使用、スクライブ及びクリーブ作業、レーザ研削剥離)。あるいは、層の基底部におけるエッチング前端部に電界研磨条件を生じさせることによって層を基板から分離できる。これらの条件は、圧力変化温度変化溶液組成の変化、電解質組成の変化、添加物の使用、照明、かき混ぜ、及び/又は攪拌によって、又は十分な時間(例えば、約1日より長い時間)だけ待機することによって実現できる。場合によっては、部分的又は不完全分離が望ましいかもしれず、その場合、層が依然として弱い力で基板に付着している。これは、通常のエッチング条件と電界研磨とを切り換えることによって実現できる。すると、完全な分離はその後の作業で実現できる。

0154

[00192]エッチングの後、材料を化学的に改質させて、機能的に動態又は不動態の表面を得てもよい。例えば、材料を改質させて、化学的不動態表面、又は電子的不動態表面、又は生物学的不動態表面、又は熱的に安定した表面、又は上記の組合せを得てもよい。これは、様々な方法を使って達成でき、そのような方法の非限定的な例としては、(1)熱酸化、(2)熱シラン処理、(3)熱炭素処理、(4)ヒドロシリル化、(5)グリニャール試薬、及び(6)エレクトログラフティングが含まれる。場合によっては、上記の方法の1つ又は複数を使って、所望の、又はそれ以外の所定の特性の組合せを有する表面を得てもよい。

0155

[00193]改質後、材料内の空隙にも充填材料を完全又は部分的に含浸させてよい。例えば、充填材料は導電性であっても、又は断熱性であっても、又は機械的に強化するものであっても、上記の組合せであってもよい。適当な充填材料としては以下の群、すなわち絶縁体、半導体、半金属、金属、ポリマ、気体、又は真空のうちの1種又は複数を含んでいてもよい。充填は様々な方法、例えば原子層堆積法、化学気相成長法、化学浴もしくは重合浴からの堆積、電気化学堆積法、ドロップキャスト法もしくはスピンコーティング、又は浸漬及びその後の溶媒和充填材料の蒸発乾燥を用いて達成できる。場合によっては、上記の方法の1つ又は複数を使い、所望の特性の組合せを有する充填材料を得てもよい。

0156

[00194]充填後、材料はまた、キャッピング材料シールされてもよい。例えば、キャッピング材料は気体、又は液体、又はそれらの両方に対して不浸透性であってもよい。適当な充填材料としては以下の群、すなわち絶縁体、半導体、半金属、金属、又はポリマのうちの1種又は複数を含んでいてもよい。キャッピングは様々な方法、例えば原子層堆積法、化学気相成長法、化学浴もしくは重合浴からの堆積、電気化学堆積法、ドロップキャスト法もしくはスピンコーティング、又は浸漬及びその後の溶媒和充填材料の蒸発乾燥を用いて達成できる。場合によっては、上記の方法の1つ又は複数を使い、所望の、又は所定の特性の組合せを有するキャッピング材料を得てもよい。

0157

[00195] 材料の表面は、材料に加えられる1つ又は複数の構造変化を介してシールすることもでき、それによって材料表面のシールの材料の電気的、熱的、及び熱電気的特性の安定性を実現又は改善する。場合によっては、材料は光を援用して、例えばレーザ又はUVランプフラッシュアニーリングを通じてシールできる。シーリングに適した光源の非限定的な例には、エキシマ、ソリッドステートダイオード、レーザ(例えば、CO2ガスレーザ)、及び紫外線(UV)ランプが含まれる。光源はまた、光源からの光を操作及び/又は集光して適当なビームにすることのできる1つ又は複数の光学構成要素を含み、又はそれに連結されてもよい。光源は、材料表面を何れかの適当な温度(例えば、少なくとも約100℃、少なくとも約200℃、少なくとも約300℃、少なくとも約500℃、少なくとも約600℃、少なくとも約700℃、少なくとも約800℃、少なくとも約900℃、少なくとも約1000℃、少なくとも約1100℃、少なくとも約1200℃、少なくとも約1300℃、少なくとも約1400℃、少なくとも約1500℃、又はそれ以上)に、何れかの適当な貫通深度(例えば、少なくとも約1ナノメートル(1nm)、少なくとも約50nm、少なくとも約100nm、少なくとも約500nm、少なくとも約1マイクロメートル(μm)、少なくとも約10μm、少なくとも約100μm、又はそれより深く)加熱してもよい。

0158

[00196]エッチングの後、材料は適当なすすぎ液(例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、トルエンヘキサン等)で洗浄し、乾燥させる(例えば、ブロー乾燥、蒸発乾燥、オーブン/炉乾燥真空乾燥臨界点乾燥、又は空気乾燥)ことができる。すすぎ液は、乾燥方法に応じて選択できる。

0159

[00197]エッチングの後、材料は、材料の導電性を高めることのできるドーピング物質の添加を通じてドープされてもよい。ドーピングは、本明細書の他の箇所に記載されている種類の表面改質を含め、完了される何れの表面改質の前、後、又はそれと同時にも実行できる。ドーピングはn型でもp型でもよい。n型ドーピングの場合、ドーピング物質は、n型スピンオングラス(SOG)又はスピンオンドーパント(SOD)、一級二級、及び三級アミン及びアミンオキシド、一級、二級、及び三級ホスフィン及びホスフィンオキシドリン酸及びその塩、五酸化リン五塩化リン、一級、二級、及び三級アルシン及びアルシンオキシド、及びアルシン酸の純粋形又は適当な溶媒に溶解させたものを含んでいてもよい。p型ドーピングの場合、ドーピング物質は、p型スピンオングラス(SOG)又はスピンオンドーパント(SOD)、一級、二級、及び三級ボラン(例えば、BCl3、BBr3)、アルカリ及びアルカリ土類ボラン塩、ホウ酸、及び水素化ホウ素ナトリウムの純粋形又は適当な溶媒に溶解されたものを含んでいてもよい。ドーピング物質は、何れの適当な方法で材料に添加されてもよく、その非限定的な例にはスピンコーティング、キャスティングブラッシング、及び化学気相成長法が含まれる。ドーピング物質を添加した後、材料は空気、酸素窒素フォーミングガス水素のうちの1種又は複数を含む雰囲気下で適当な時間(例えば、少なくとも約1秒、少なくとも約1分、少なくとも約30分、少なくとも約1時間、少なくとも約6時間、少なくとも約12時間)にわたり加熱する(例えば、200〜1200℃の温度)ことによってアニーリングを行うことができ、又は真空内インキュベートすることができる。場合によっては、材料には複数のアニーリングサイクルを実行してもよい。アニーリング後余剰のドーパントを取り除いてもよい。

0160

[00198]陽極エッチングの後、半導体の熱及び電気的特性はさらに、熱及び時間をかけることを通じた半導体ナノ構造(例えば、空孔又は穴の形態、密度、構造、内部表面積、及び表面粗さ)の結晶粗大化又はアニーリングにより制御又は調整されてもよい。約50℃〜1500℃、又は100℃〜1300℃の温度と約1秒〜約1週間の時間を、半導体の熱及び電気的特性の制御に利用できる。場合によっては、時間は少なくとも約1秒、10秒、30秒、1分、2分、3分、4分、5分、10分、30分、1時間、2時間、3時間、4時間、5時間、6時間、12時間、又は1日である。アニーリングは、真空下(例えば、約1×10−10トール〜<760トールの圧力)で、又は適当な気体(例えば、ヘリウムネオンアルゴンキセノン、水素、窒素、フォーミングガス、一酸化炭素二酸化炭素、酸素、水蒸気、空気、メタンエタンプロパン、六フッ化硫黄、及びそれらの組合せ)の存在下で実行されてもよい。気体は、不活性ガスとすることができる。アニーリングは、部分的又は完全にエッチングされた基板、エッチングされていない基板上の完全に分離されたエッチング層、エッチングされていない基板上の部分的に分離されたエッチング層、又はエッチングされていない基板上の分離されていないエッチング層に対して実行することができる。場合によっては、エッチングされていない基板上の層がアニーリングされる場合、半導体結晶粗大化は、層をエッチングされていない基板から分離するような方法で進められてもよい。これは、層分離を行うのに好都合であり得る。

0161

[00199]半導体材料の1つ又は複数の層は、製造中にアニーリング及び/又は熱処理されてもよい。場合によっては、アニーリング及び/又は熱処理は、半導体中に熱応力を生成するために使用できる。場合によっては、熱応力は材料中に欠陥及び/又は転位を形成することができる。場合によっては、熱応力は、半導体の熱伝導率を下げることを目的として、材料中に欠陥及び/又は転位を形成することができる。場合によっては、熱応力は材料の電気抵抗及びゼーベック係数に影響を与えることなく、半導体の熱伝導率を下げることを目的として、材料中に欠陥及び/又は転位を形成することができる。場合によっては、半導体材料には、光を援用して、例えばレーザで加工することを通じてアニーリング及び/又は熱処理を行うことができる。場合によっては、レーザは、材料の電気抵抗及びゼーベック係数に影響を与えることなく、半導体の熱伝導率を下げることを目的として、材料中に熱応力を生じさせることによって欠陥及び/又は転位を形成するために使用されてもよい。光源がレーザである場合、レーザはパルスレーザであってもよく、又はこれは連続波(CW)レーザであってもよい。光源がレーザである場合、レーザの出力は、少なくとも約1ワット(W)、5W、10W、15W、20W、25W、30W、35W、40W、45W、50W、55W、60W、65W、70W、75W、80W、85W、90W、95W、又は100W、又はそれと等しくすることができる。ある例において、レーザの出力は、約10W〜100W、20W〜80W、20W〜50W、又は20W〜40Wとすることができる。光源がレーザの場合、レーザの定格出力のうち使用されるパーセンテージは、少なくとも約5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、又は100%、又はそれと等しくすることができる。ある例において、レーザの定格出力のうち使用されるパーセンテージは、約10%〜90%、10%〜60%、10%〜40%、又は10%〜20%とすることができる。光源がレーザの場合、レーザの波長は、少なくとも約100ナノメートル(nm)、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1マイクロメートル(μm)、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、又は20μm、又はそれと等しくすることができる。ある例において、レーザの波長は、約500nm〜15μm、800nm〜12μm、又は900nm〜11μmの範囲とすることができる。光源がレーザの場合、レーザのビームサイズは少なくとも0.1ミリメートル(mm)、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、又は10mm、又はそれと等しくてもよい。ある例において、レーザのビームサイズは約0.1mm〜10mm、1mm〜10mm、1mm〜8mm、2mm〜6mm、又は4mm〜6mmの範囲とすることができる。光源がレーザの場合、レーザの走査速度は、少なくとも約0.01ミリメートル毎秒(mm/sec)、0.1mm/sec、0.2mm/sec、0.5mm/sec、1mm/sec、10mm/sec、20mm/sec、30mm/sec、40mm/sec、50mm/sec、60mm/sec、70mm/sec、80mm/sec、90mm/sec、又は100mm/sec、又はそれと等しくてもよい。ある例において、レーザの走査速度は約0.01mm/sec〜100mm/sec、0.01mm/sec〜50mm/sec、0.1mm/sec〜10mm/sec、又は0.01mm/sec〜1mm/secの範囲とすることができる。光源がパルスレーザの場合、パルスレーザの周波数は、少なくとも約1KHz、2KHz、5KHz、10KHz、20KHz、50KHz、75KHz、100KHz、125KHz、150KHz、175KHz、又は200KHz、又はそれと等しくてもよい。ある例において、パルスレーザの周波数は、約1KHz〜200KHz、1KHz〜100KHz、10KHz〜100KHz、10KHz〜50KHz、又は10KHz〜30KHzの範囲とすることができる。光源がレーザの場合、材料中へのレーザの浸透深さは、少なくとも約1ナノメートル(nm)、2nm、5nm、10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、1マイクロメートル(μm)、10μm、100μm、200μm、300μm、400μm、又は500μm、又はそれと等しくてもよい。ある例において、材料中へのレーザの浸透深さは、約1nm〜500μm、1nm〜400μm、1nm〜300μm、1nm〜200μm、1nm〜100μm、10nm〜100μm、又は10nm〜50μmの範囲とすることができる。アニーリン及び/又は熱処理が行われる半導体材料の厚さは、少なくとも約1マイクロメートル(μm)、10μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、又は500、又はそれと等しくてもよい。ある例において、アニーリング及び/又は熱処理が行われる半導体材料の厚さは、約1μm〜500μm、10μm〜500μm、又は100μm〜500μmの範囲位の厚さを有していてもよい。アニーリング及び/又は熱処理が行われる半導体材料は、処理中、少なくとも約100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、又は1500℃、又はそれと等しい温度とされてもよい。場合によっては光源を介して、及び光源がレーザの場合のアニーリング及び/又は熱処理のプロセスは、半導体材料の熱伝導率を、少なくとも約0.1WmK、0.2WmK、0.5WmK、1WmK、2WmK、3WmK、4WmK,5WmK、6WmK、7WmK、8WmK、9WmK、又は10WmK、又はそれと等しい量だけ低下させてもよい。ある例において、半導体材料の熱伝導率の低下は、約0.1W/mK〜10W/mK、1W/mK〜10W/mK、2W/mK〜8W/mK、又は3W/mK〜6W/mKの範囲で減少してもよい。

0162

[00200]電気コンタクトは、標準的な堆積技術(例えば、シルクスクリーニングインクジェット成膜、塗布、スプレーディップコーティングはんだ金属スパッタリング金属蒸着)を使ってナノ構造材料の上又はその付近に堆積されてもよい。これらは、金属コンタクト(例えば、金、銀、銅、アルミニウム、インジウムガリウム、鉛含有はんだ無鉛はんだ、又はこれらの組合せ)であってもよく、適当な接着層(例えば、チタン、クロム、ニッケル、又はこれらの組合せ)があってもなくてもよい。あるいは、これらはシリサイドコンタクト(例えば、チタンシリサイドコバルトシリサイドニッケルシリサイドパラジウムシリサイドプラチナシリサイドタングステンシリサイド、モリブデンシリサイド等)であってもよい。バリア層(例えば、プラチナ、パラジウム、窒化タングステン窒化チタン窒化モリブデン等)は、シリコンとコンタクトとの間、コンタクト層間、又は各層間の相互拡散を防止するために挿入されてもよい。他の例において、これらは金属及びシリサイドコンタクトの両方の組合せであってもよい。シリサイドコンタクトは、金属コンタクトと基板との間の接触抵抗を低下させるために提供できる。シリサイドの例は、タングステンシリサイド、チタンシリサイド、及びニッケルシリサイドを含む。その後のアニーリングステップは、コンタクトを形成するため、及びその特性を改善するために使用されてもよい。例えば、アニーリングによって、接触抵抗を低下させることができ、これはオーミックコンタクトを提供できる。場合によっては、電気コンタクト(複数の場合もある)を形成する前に、後でコンタクトがその上に形成されることになる材料は、プラズマツール(例えば、O2又はH2Oを流すプラズマツール)で処理されてもよく、場合によっては、その後、化学エッチング(例えば、フッ化水素酸(HF))によって材料の表面がクリーニングされてもよい。

0163

[00201]電気コンタクトが形成された後に、材料は、p型及びn型熱電素子(又はレッグ)を含む熱電デバイスに組み立てることができる。熱電デバイスは、相互に電気的に直列に、熱的に並列に接続されたp型及びn型レッグを含むことができる。これらは、電気的に絶縁性で熱的に伝導性の剛体プレート(例えば、窒化アルミニウム酸化アルミニウム、シリコンカーバド、窒化シリコン等)の上に構築でき、レッグ間の電気接続は金属配線(例えば、銅、アルミニウム、金、銀等)で提供される。他の例において、熱電材料はフレキシブル絶縁材料(例えば、ポリイミドポリウレタンポリカーボネート等)の上に組み付けられてもよい。レッグ間の電気接続は、フレキシブル材料上に集積された金属配線を介して提供できる。その結果得られる熱電材料は、シート状、ロール状、又はテープ状であってもよい。所望の大きさの熱電材料をこのシート、ロール、又はテープから裁断し、デバイスに組み立ててもよい。

0164

[00202] 本明細書の中で提供される処理条件(例えば、印加される電圧及び電流密度)は、様々な予想外の利点を有し、これは例えば、例えばZTが25℃で約0.01〜3、0.1〜2.5、0.5〜2.0、又は0.5〜1.5の熱電素子等、本開示の熱電素子及びデバイスに向上した、又はそれ以外に改善された特性を提供する向き及び構成を有するナノ構造(例えば、穴)が形成されることである。このような処理条件は、基板内にアレイ状のナノ構造を形成できる。ナノ構造の配列は、無秩序のパターンを有することができる。このような処理条件は、フレキシブル熱電素子又はデバイスを形成できる。

0165

[00203]図10は、複数の熱電素子を含むフレキシブル熱電デバイスを製造する方法を概略的に示す。例えば、本明細書の他の箇所に記載の無触媒方式(例えば、陽極エッチング)を使って加工されたp型又はn型シリコン基板は、両面が適当なコンタクト材料、例えばチタン、ニッケル、クロム、タングステン、アルミニウム、金、プラチナ、パラジウム、又はこれらの何れかの組合せで被覆することができる。その後、基板を少なくとも約250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、又は1000℃の温度まで加熱し、例えば、ダイヤモンドカッタワイヤソー、又はレーザカッタを使って複数の切片に切断できる。

0166

[00204] 次に、金属被覆作業の中で、切断された基板の個々の切片は、約30センチメートル(cm)の幅の上側及び下側テープの上にセットできる。テープは、例えばポリイミド、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、又はコポリマ等のポリマ材料、混合物並びにこれら及び他のポリマの合成物で形成できる。

0167

[00205] 次に、個々の切片にはんだコートを行い、そのテープを横断するように個々の切片に直列接続部を形成することができる。その後、テープは1つ又は複数のローラ(2つのローラが図示されている)を通して接合できる。熱伝導接着剤テーブル周辺に提供して、テープ間の個々の切片をシールするのに役立てることができる。

0168

[00206] 本明細書で提供される方法により形成された熱電素子、デバイス、及びシステムは、様々な物理的特徴を有することができる。本開示の熱電デバイスの性能は、熱電素子の穴及び/又はワイヤの特性及び特徴に関係していてもよい。場合によっては、最適なデバイス性能は、穴又はワイヤを有する素子で、個々の穴又はワイヤの表面粗さが、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた測定により、約0.1nm〜50nm、又は1nm〜20nm、又は1nm〜10nmである素子について実現されるかもしれない。場合によっては、熱電素子の残留金属含有率は、X線光電子分光器(XPS)を用いた測定により、約0.000001%、0.00001%、0.0001%、0.001%、0.01%、0.1%、1%、5%、10%、15%、20%、又は25%以下であってもよい。

0169

[00207] 本開示の熱電素子は、最適化された熱電デバイスの性能にとって適当な表面粗さを有していてもよい。場合によっては、穴又はワイヤの二乗平均平方根粗さは、約0.1nm〜50nm、又は1nm〜20nm、又は1nm〜10nmとすることができる。粗さは、透過型電子顕微鏡(TEM)又は、原子力顕微鏡(ARM)もしくは走査型トンネル顕微鏡(STM)等、他の表面解析法により特定できる。表面粗さは、表面の凹凸により特徴付けられてもよい。

0170

熱電素子の利用
[00208] 本開示の熱電素子、デバイス、及びシステムは、様々な現場で使用するために利用でき、又は様々な用途に利用できる。現場としては、医療、民生、及び産業現場を含むことができるが、これらに限定されない。このような用途には、フレキシブルヒートシンクを備えるフレキシブル熱電テープ、体熱動力源とするウェアラブル電子機器、発電用排熱回収ユニット(例えば、車両又は化学プラントの排熱回収ユニット)及び他の電子機器との通信(例えば、他の電子機器との無線通信送受信)が含まれるが、これらに限定されない。

0171

[00209] 場合によっては、本明細書に記載の電子機器は、装用可能、又は生物体取付け可能であってもよい。他の場合では、本明細書に記載の電子機器は、無生物体に取り付けれ、又はその中に組み込まれてもよい。一般に、本明細書に記載の電子機器は、発熱する、又は熱源もしくは温度勾配の付近にある物体に取り付けられてもよい。

0172

[00210] 本明細書に記載の電子機器は、全部もしくは部分的に熱(例えば、熱から生成された電力)によって電源供給されても、又は電源の様々な組合せ(例えば、熱電及びバッテリ)を使って電源供給されてもよい。場合によっては、本明細書に記載の電子機器は、その位置を報告し(例えば、物理的位置を通る電子機器の移動を相関させ、管理し、又は指揮するため)、周辺環境に関する測定を実行及び/又は報告し、又はその他の情報を測定及び/又は報告してもよい。機器はまた、使用者に対して通知又はその他の通信情報を表示するために使用されてもよい。場合によっては、本明細書に記載の電子機器は、ユーザ情報及び/又はその他の識別情報(例えば、住所電話番号、クレジットカード番号等)を記憶するために使用されてもよい。場合によっては、本明細書に記載の電子機器は、リモートコンピュータシステム(例えば、無線ネットワーク移動体通信ネットワーク等のネットワークを介してアクセス可能)から識別情報を受信し、リモートコンピュータシステムに検索クエリ又はその他のデータを送信してデータベース検索し、及び/又はリモートコンピュータシステムとその他の情報を交換してもよい。電子機器はまた、リモートコンピュータシステムからデータを受信可能であってもよい。

0173

[00211] 例えば、本明細書に記載の電子機器は、ヘルスケアの現場において対象者により装用されてもよい。このような電子機器は、患者の識別情報、医学的情報疾病情報診断情報治療情報処方情報、患者に対する警告等)及び/又はその他の医療関連情報を記憶することができる。場合によっては、このような電子機器はリモートデータベースに検索クエリを提供するか、又は電子機器に記憶されたデータを(例えば、無線ネットワーク等のコンピュータネットワークを介して)送信してもよく、リモートデータベースは(例えば、無線ネットワーク等のコンピュータネットワークを介して)医療記録医療情報等を検索する。このような電子機器はまた、その位置を報告してもよく、この位置はその後、患者による医療施設内での移動を相関させ、管理し、又は指揮するために使用されてもよい。

0174

[00212] 他の例において、本明細書に記載の電子機器は、会議の現場において対象者により装用されてもよい。このような電子機器は、会議参加者の識別情報、所属先(例えば、職場所属する学術機関、所属する利益集団、所属する教会等)、参加者専門分野、参加者の会議スケジュール、及び/又はその他の関連情報を記憶することができる。場合によっては、このような電子機器は、リモートデータベースに検索クエリを提供するか、電子機器に記憶されたデータを送信してもよく、リモートデータベースは(例えば、無線ネットワーク等のコンピュータネットワークを介して)他の参加者に関する情報、参加者の記録等を検索し、このような情報を(例えば、無線ネットワーク等のコンピュータネットワークを介して)電子機器に再び送信してもよい。このような電子機器はまた、その位置を報告してもよく、その後、この位置は会議の会場又は施設内の参加者の移動を相関させ、管理し、又は指揮するために使用されてもよい。

0175

[00213]ヒートシンクは、熱の収集また散逸を支援できる。ヒートシンクは1つ又は複数のフィンを含むことができ、これは熱伝導表面積を増大させるような大きさ及び配置とすることができる。

0176

[00214]図11は、フレキシブル熱電デバイス1101を示す。フレキシブル熱電デバイス1101は、直列構成の熱電素子1102を含むことができる(例えば、図1参照)。フレキシブル熱電デバイスのヤング率は、25℃で約30×106ポンド毎平方インチ(psi)、20×106psi、10×106psi、5×106psi、2×106psi、1×106psi、900,000psi、800,000psi、700,000psi、600,000psi、500,000psi、400,000、300,000、又は200,000psi以下とすることができる。ヤング率は、熱電素子の電界偏向により測定できる。ヤング率は、引張り試験により測定できる。

0177

[00215] 場合によっては、フレキシブル熱電デバイスは、ヒートシンク及び電気配線と共に使用できる。デバイスは、テープ、フィルム、又はシートの形態の形状とすることができる。デバイスは実質的に平坦でフレキシブルとすることができ、これによって、デバイスが表面とのより大きい接触表面積を持つことを可能にすることができる。

0178

[00216]ヒートシンクは何れのフレキシブル材料であってもよく、これは低い内部熱抵抗を提供するのに十分な熱伝導性を有し、柔軟に曲げるのに十分な薄さとすることができる。場合によっては、ヒートシンクの厚さは約0.1ミリメートル(mm)〜100mm、又は1mm〜10mmとすることができる。ヒートシンクは、本明細書に記載の電熱素子を、母材又は基板の中又はそれと接触して含むことができる。母材又は基板は、ポリマフォイルエラストマポリマ、セラミックフォイル、半導体フォイル、絶縁体フォイル絶縁金属フォイル、又はこれらの組合せとすることができる。効果的な熱伝導のために環境に呈される表面積を大きくするために、母材又は基板はくぼみ、波形、ピン、フィン、又はリブパターン化されてもよい。

0179

[00217]図12は、ヒートシンク1201と、ヒートシンク1201に隣接する熱電材料を有する熱電デバイス1202を示す。熱電材料は、本明細書において開示されている熱電素子を含むことができる。熱電デバイス1202は、嵌合表面1203に隣接されることができ、これは例えばパイプ又は電子機器(例えば、コンピュータプロセッサ)等の物体と嵌合させるために使用できる。熱電材料は、フレキシブルで、成形面の形状に適合可能とすることができる。ヒートシンク1201は、ヒートシンク1201が物体に固定されることを可能にすることができる取付部材1204を含むことができる。

0180

[00218]一体化された、又は自立型の熱電デバイスを備えるヒートシンクは、他の物体、例えば温度勾配を提供できる表面を有する物体と共に使用できる。例えば、ヒートシンクは、産業現場等、各種の現場で利用されてもよいパイプと共に使用できる。図13は、一体化された熱電デバイスとヒートシンクを有する溶接可能なパイプ1301を示す。低温側ヒートシンク1302はパイプ1301の外側に位置付けられてもよく、高温側ヒートシンク1303はパイプ1301の内部に位置付けられてもよい。パイプ1301は金属性又は金属含有材料から形成できる。熱電材料を含む熱電デバイス1304は、パイプの外部、パイプと低温側ヒートシンクとの間に配置されてもよい。

0181

[00219]図14A及び図14Bは物体1402の周囲に巻き付けられたフレキシブルヒートシンク1401を示しており、これは例えば高温又は低温の流体を担持するパイプとすることができる。図14Bは、図14Aの断面側面図である。ヒートシンクは、熱電デバイス層1403の中に熱電素子を含むことができ、これは本明細書において提供された熱電素子を含むことができる。物体1402は、高温又は低温表面を有することができ、これは熱電デバイス層1403の片面の付近に位置付けることができる。熱電デバイス層の反対側は、その表面より高温又は低温の環境に隣接して位置付けることができ、それによって温度差が提供される。熱電素子は、本明細書に記載されているように電気通信し(例えば、図1参照)、及び熱電デバイス層1403の端に配置されてもよい電気ワイヤ1404a及び1404bと電気通信することができる。

0182

[00220]代替案として、ヒートシンクは熱電デバイス層から分離されることができる。熱電デバイス層はテープの形態とすることができ、これを物体の周囲に巻き付けることができる。ヒートシンクはその後、熱電デバイス層に適用されることができる。

0183

[00221]熱電デバイスは、両面がヒートシンクに取り付けられていても、又は一方の面のみがヒートシンクに取り付けられていても、又は何れの面もヒートシンクに取り付けられていなくてもよい。熱電デバイスは、両面が接着剤で被覆されていても、又は一方の面のみが接着剤で被覆されていても、又は何れの面も接着剤で被覆されていなくてもよい。接着剤は、熱電デバイスを物体及び/又は1つ又は複数のヒートシンクにしっかりと連結可能にできる。接着剤は、十分な熱伝導性を有することができる。

0184

[00222]ヒートシンク基板又は母材は、何れのフレキシブル電気絶縁材料であってもよく、これは低い温度抵抗を呈するのに十分な薄さとすることができる。例には、ポリマフォイル(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルポリスチレン、ポリイミド等)、弾性ポリマフォイル(例えば、ポレジメルシラザン、ポレイプレン、天然ゴム等)、織物(例えば、従来の布、ファイバグラスマット等)、セラミック、半導体、又は絶縁体フォイル(例えば、ガラス、シリコン、シリコンカーバイド、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等)、絶縁金属フォイル(例えば、陽極酸化アルミニウム又はチタン、被覆銅又はスチール等)、又はこれらの組合せが含まれる。基板は、弾性材料が使用される場合、柔軟かつ引き伸ばし可能とすることかできる。

0185

[00223]図15は、一体化されたヒートシンクを備えるフレキシブル熱電テープを示す。テープは、フレキシブルヒートシンク1501と、ヒートシンクに隣接する熱電材料1502を含む。ヒートシンク1501は、くぼみのパターンを含んでいてもよく、これは熱伝導のための改善された表面積を提供できる。テープは、熱電材料1502の電極に連結された電気ワイヤを含むことができる。ワイヤは、テープの端に位置付けることができる。

0186

[00224]テープは、平坦な、又は平坦でない物体等、様々な物体に適用できる。ある例において、テープはパイプの周囲に巻き付けられる。テープはロールから巻き出され、ロールから物体に適用されることができる。

0187

[00225] 本開示の熱電素子、デバイス、及びシステムは、電気配線と共に使用されることができる。電気配線は、何れのフレキシブル導電材料であってもよく、これは低い電気抵抗を示すのに十分な薄さとすることができる。例には、金属並びにそれらの合金及び中間金属(例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、ニクロムタンタルハフニウムニオビウムジルコニウムバナジウム、タングステン、インジウム、銅、銀、プラチナ、金等)、シリサイド(例えば、チタンシリサイド、ニッケルシリサイド、クロムシリサイドタンタルシリサイドハフニウムシリサイド、ジルコニウムシリサイド、バナジウムシリサイド、タングステンシリサイド、銅シリサイド)、導電性セラミック(例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化タンタル等)、又はこれらの組合せが含まれる。熱電素子は、フレキシブル基板、例えばフレキシブルであるのに十分に薄い材料で形成されてもよい。このような材料の例には、テルル化ビスマス、テルル化鉛、ハーフホイスラスクテルド鉱、シリコン、及びゲルマニウムが含まれる。ある例において、熱電素子はナノ構造半導体(例えば、シリコン)から形成され、これはフレキシブルであるのに十分な薄さとすることができる。ナノ構造半導体の厚さは、約100マイクロメートル(ミクロン)、10ミクロン、1ミクロン、0.5ミクロン、又は0.1ミクロン以下とすることができる。図16は、上側配線1602及び下側配線1603と共に使用される熱電素子1601を有する電子機器を示す。熱電素子1601は、上側配線1602と下側配線1603の少なくとも一部の間に位置付けることができる。配線1602及び1603と熱電素子1601は、基板1604の上に配置できる。配線1602及び1603は、線形パターン1605又はジグザグパターン1606を有することができる。

0188

[00226] 場合によっては、使用される構成要素材料の組合せに応じて、フレキシブル熱電デバイスは、室温で、ほぼ室温で、又は室温より実質的に低い温度で、又は室温より実質的に高い温度で最適に使用されてもよい。熱電素子にナノ構造半導体を選択することにより、少なくとも約−273℃〜1000℃超に及ぶ広い温度範囲でデバイスの有効な動作が可能となる。

0189

[00227] それに加えて、電力定格に応じて、配線パターンは異なっていてもよい。例えば、デバイスの大きさが一定であるとすると、出力電流は、熱電素子が並列の線形チェーンに接続されている場合に最大化されることができる。他の例として、出力電流は、熱電素子がジグザグパターンで接続されている場合に(図16参照)半分となり、出力電圧が2倍になる。多くの配線パターンが考えられる。それに加えて、外部回路又はスイッチを使って、特定の配線セグメントのオン/オフを切り替え配線ネットワーク経路を変更し、又は出力電圧もしくは電流の上昇/低下を行ってもよい。

0190

[00228]熱源(例えば、周囲環境、体表面)が比較的一定の温度に保たれる場合、熱電デバイスを通じて明確な温度勾配を生じさせることができる。しかしながら、場合によっては、熱源の温度は時間と共に変化する可能性があり、それゆえ、熱電デバイス内の温度勾配もまた、時間と共に変化する可能性がある。ある実施形態において、温度変化は特徴的な頻度で存在し得る。例えば、屋外環境では、周囲温度は時間と共に変化する可能性がある。他の例では、空気調整が行われた環境での周囲温度は、関連するサーモスタットがより長い期間の変動(例えば、毎日)に合わせて作動するたびに変動するかもしれない。他の例では、体表面の温度は1日の中の時刻(例えば、睡眠中の対象者と起きている対象者)、1年の中の時期(例えば、より寒い月とより暖かい月)、及び/又は対象者が関係する環境と共に変動する可能性がある。

0191

[00229] 熱が可変的な温度の熱源(例えば、周囲環境、体表面)から収集される場合、熱電素子を含むデバイスは、熱インピーダンスネットワーク(例えば、抵抗、インダクタンス、及びキャパシタンス素子)を含んでいてもよく、その動作及び/又は構成は熱源の温度変動にマッチさせることができる。インピーダンスマッチングは、時間に応じてデバイス内の温度変動をシフトさせることができ、その結果、デバイスと熱源との間の周期的な温度差が生じる。この温度差は、熱電発電に使用できる。熱インピーダンスネットワークを含むデバイスの例は、図32Aに概略的に示されている。実際に、1つ又は複数のデバイス構成要素の熱源(例えば、周囲環境、体表面)とのインピーダンスマッチングは、本明細書の他の箇所に記載されている何れのウェアラブルデバイスでも実装できる。

0192

[00230]図32Aに示されるように、デバイス3200は熱電デバイス3201を含むことができ、これは本明細書の他の箇所に記載されている熱電デバイスとすることができる。熱伝導層3202は、熱電デバイス3201の上面及び下面の付近に位置付けることができ、熱電デバイス3201と熱接触することができる。熱伝導層3202は、熱電デバイス3201との熱伝導を支援及び/又は調整できる。場合によっては、熱伝導層3202の一方又は両方は、比較的熱伝導率の高い材料(例えば、熱導体)を含んでいてもよい。場合によっては、熱伝導層3202の一方又は両方は、比較的熱伝導率の低い材料(例えば、断熱体)を含んでいてもよい。熱電デバイス3201と熱伝導層3202は、蓄熱ユニット3203の上に位置付けることができる。蓄熱ユニットは、熱源(例えば、周囲環境、体表面)からデバイス3200に伝達された熱を貯蔵することができる。熱電デバイス3201、熱伝導層3202、及び蓄熱ユニット3203は、断熱材3205と共に筐体3204の中に一緒パッケージでき、その例示的な構成が図32Aに示されている。筐体3204の長さは少なくとも約10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、又は100mm、又はそれ以上とすることができ、及び/又は長さは少なくとも約10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、又はそれ以上とすることができる。筐体3204の設置面積は、少なくとも約100mm2、200mm2、300mm2、400mm2、500mm2、600mm2、700mm2、800mm2、900mm2、1000mm2、又はそれ以上とすることができる。

0193

[00231] さらに、デバイス3200はまた、熱伝導ユニット3206も含むことができ、これは筐体3204の付近に位置付けられ、熱電デバイス3202に(例えば、図32Aに示されるように、熱伝導層3202を介して)熱的に連結できる。熱伝導ユニット3206は、熱がデバイス3200の中を流れる方向に応じて、集熱器又は放熱器として機能することができる。集熱器として機能するとき、熱伝導ユニット3206は、熱源(例えば、周囲環境、体表面)から熱を収集し、この熱を熱電デバイス3201に(例えば、熱伝導層3202を介して)供給し、それによってこれが熱の少なくとも一部を電気エネルギーに変換する。熱電デバイス3201を通過した残りの熱は、将来使用するために蓄熱ユニット3203に伝送されることができる。放熱器として機能するとき、熱伝導ユニット3206はデバイス3200から熱を除去し、それをデバイス3200の構成要素より低温の熱源(例えば、周囲環境、体表面)に供給する。蓄熱節ユニット3203は、貯蔵してあった熱を熱電デバイス3201に(例えば、電伝導層3202を介して)供給でき、これが熱の少なくとも一部を電気エネルギーに変換する。熱電デバイス3201を通る残りの熱は、熱伝導ユニット3206に(例えば、熱伝導層3202を介して)伝導でき、これはすると、熱を熱源(例えば、周囲環境、体表面)に供給する。熱をデバイス3200の中へと、及びそこから伝導するプロセスの結果として、デバイス3200を通じた熱の流れを変動させ、蓄熱ユニット3203を含むデバイスの各種の構成要素の温度を変動させることができる。

0194

[00232] 同等の熱回路3220は、熱キャパシタ3321と熱抵抗3222を含むことができる。熱回路3220は、熱キャパシタ3321と熱抵抗3222を含むことができる。熱キャパシタ3321は、デバイス3200の蓄熱ユニット3203を表し、熱抵抗3222は熱伝導ユニット3206、熱伝導層3202、及び熱電デバイス3201の組合せに関連する熱抵抗の全部を含む。

0195

[00233]熱インピーダンスネットワークの構成要素(例えば、熱伝導ユニット3206、熱電デバイス3201、熱伝導層3202、及び蓄熱ユニット3203)は、それらを通じた変動温度が熱源(例えば、周囲環境、体表面)の温度変動と少なくとも部分的に位相をずらして調整されるように選択し、配置できる。場合によっては、調整は、1つ又は複数のデバイス構成要素の温度変動と熱源(例えば、周囲環境、体表面)の温度変動が完全に位相ずれとなるようにすることもできる。位相の差は、熱電デバイス3201により電気エネルギーを生成するために使用される温度勾配を生じさせることができる。

0196

[00234]図32Bは、このような動作の例をグラフで示している。図32Bは、熱源温度3230及び蓄熱ユニットの温度3240のデータを用いた温度対時間のプロットを示している。関係するデバイス(例えば、図32Aに示されるデバイス3200)は、その蓄熱ユニット(例えば、図32Aに示される蓄熱ユニット3203)の最大温度が、熱源温度が最低であるときに現れるよう調整されることができる。蓄熱ユニットと熱源との間の温度差3250は、熱が蓄熱ユニットから関連する熱電デバイス(例えば、図32Aに示される熱電デバイス3201)を通り、関連する熱伝導ユニット(例えば、図32Aに示される熱伝導ユニット3206)から出るように駆動することができる。蓄熱ユニットの温度がその貯蔵された熱の放出から低下し、熱源の温度が通常の温度変動によって上昇することにより、熱伝導ユニットは機能を「切り換えて」、集熱器として機能することができる。集熱器は、熱源から熱を収集し、熱源と蓄熱ユニットとの間の温度差によって、熱を熱電デバイスを通じて、蓄熱ユニットへと駆動することができる。

0197

[00235]図32Bに示される例において、デバイス(例えば、図32Aに示されるデバイス3200)は、その蓄熱ユニット(例えば、図32Aに示される蓄熱ユニット3203)の最低温度が熱源の最大温度と一致するように調整される。この温度差3260は温度勾配を生成し、それが熱を熱源から熱電デバイスへ、及び蓄熱ユニットへと駆動する。図32Bに示されるように、蓄熱ユニットの温度変動は規則的な周期(例えば、熱源の温度変動と同じ周期)で繰り返してデバイス内に電気エネルギーを生成し、エネルギーはデバイスの中へ、及びそこから外へと両方に伝達される。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ