JP2009016495A - 熱電素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜の熱電材料を用いた熱電素子であって、かつ、一般的に用いられているような熱電モジュールに適用可能な熱電素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明による熱電素子は、薄膜状の熱電材料(2)が表面に形成された基板(1)が複数枚積層された積層体の両端面に電極材料(3,4)が接合されており、前記複数枚の基板(1)に形成された熱電材料(2)は全てｐ型または全てｎ型であり、前記電極材料(3,4)は、前記複数枚の基板(1)に形成された熱電材料(2)の全てに接続されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜の熱電材料を用いた熱電素子およびその製造方法に関する。

近年、超格子構造などを利用した高性能の熱電材料が開発されているが、一般には基板上に薄膜(10nm〜10μm)でしか作製できないため、一般的に用いられているような熱電モジュールにすることは困難であった(熱電モジュールを作製するには1mm角程度の材料が必要であるため)。また、薄膜を積層したモジュールも提案されているが、通常の熱電モジュールとして使うことはできていない。
特開平09-107219号公報 特開2006-086510号公報 特開2004-241657号公報 特開2004-281928号公報

本発明の目的は、薄膜の熱電材料を用いた熱電素子であって、かつ、一般的に用いられているような熱電モジュールに適用可能な熱電素子およびその製造方法を提供することである。

第１の発明による熱電素子は、薄膜状の熱電材料(2)が表面に形成された基板(1)が複数枚積層された積層体の両端面に電極材料(3,4)が接合されており、前記複数枚の基板(1)に形成された熱電材料(2)は全てｐ型または全てｎ型であり、前記電極材料(3,4)は、前記複数枚の基板(1)に形成された熱電材料(2)の全てに接続されていることを特徴とする。

第１の発明では、基板(1)に薄膜状の熱電材料(2)を形成した後、それを複数枚積層(同じ導電型のもの)して端面を電極材料(3,4)で接合することにより一体化し素子とする。その後、通常の熱電モジュールの作製と同様に、ｐ型、ｎ型の素子と別電極を接合し、熱電モジュールとする。第１の発明によれば、薄膜の熱電材料(2)を用いた熱電素子でありながら、かつ、一般的な熱電モジュールを構成可能なサイズ(1mm角程度)の熱電素子を得ることができる。また、基板(1)にできるだけ薄い絶縁、断熱材料を用いることにより、基板(1)による性能低下を防ぎ、薄膜材料(2)そのものの性能を出すことができる。さらに、薄膜を絶縁基板(1)のまま積層するため作製が簡単である。

第２の発明による熱電素子は、薄膜状のｐ型熱電材料(2a)とｎ型熱電材料(2b)とが表面に形成された基板(1)が複数枚積層された積層体の一方の端面に第１の電極材料(3)が接合され、他方の端面に第２の電極材料(4a)と第３の電極材料(4b)とが接合されており、前記第１の電極材料(3)は、前記複数枚の基板(1)に形成されたｐ型熱電材料(2a)の全てとｎ型熱電材料(2b)の全てとに接続されており、前記第２の電極材料(4a)は、前記複数枚の基板(1)に形成されたｐ型熱電材料(2a)の全てに接続されており、前記第３の電極材料(4b)は、前記複数枚の基板(1)に形成されたｎ型熱電材料(2b)の全てに接続されていることを特徴とする。

第２の発明では、基板(1)に薄膜状のｐ型熱電材料(2a)とｎ型熱電材料(2b)とを交互に形成した後、それを複数枚積層して端面を電極材料(3,4a,4b)で接合することにより一体化し素子とする。これにより、ｐｎ接合素子を簡単に作ることができる。

第３の発明による熱電素子は、上記第１または第２の発明において、前記熱電材料(2)の端部が前記電極材料(3,4)に挿入されていることを特徴とする。

第３の発明では、熱電材料(2)と電極材料(3,4)との接合部の面積が大きくなるため、熱電材料(2)と電極材料(3,4)との接合部分の抵抗が減少する。

第４の発明による熱電素子は、上記第１または第２の発明において、前記積層体の端面と前記電極材料(3,4)との接合面が波形に形成されていることを特徴とする。

第４の発明では、熱電材料(2)と電極材料(3,4)との接合部の面積が大きくなるため、熱電材料(2)と電極材料(3,4)との接合部分の抵抗が減少する。

第５の発明による熱電素子の製造方法は、薄膜状の熱電材料(2)をフィルム状絶縁性基板(1)の表面に形成する工程と、前記熱電材料(2)が形成されたフィルム状絶縁性基板(1)を巻き取って筒状の母材(10)を形成する工程と、前記母材(10)の両端面に電極(11)を形成する工程と、前記電極(11)が形成された母材(10)を筒状に沿って切断して素子(100)を形成する工程とを備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、薄膜の熱電材料(2)を用いた熱電素子でありながら、かつ、一般的な熱電モジュールを構成可能なサイズ(1mm角程度)の熱電素子を得ることができる。また、基板(1)にできるだけ薄い絶縁、断熱材料を用いることにより、基板(1)による性能低下を防ぎ、薄膜材料(2)そのものの性能を出すことができる。さらに、薄膜を絶縁基板(1)のまま積層するため作製が簡単である。

第２の発明によればｐｎ接合素子を簡単に作ることができる。

第３および第４の発明によれば、熱電材料(2)と電極材料(3,4)との接合部の面積が大きくなるため、熱電材料(2)と電極材料(3,4)との接合部分の抵抗が減少する。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、図面において実質的に同一の部分には同じ参照符号を付けてその説明は繰り返さない。

［第１の実施形態］
第１の実施形態による熱電素子の構造を図１に示す。この熱電素子(100)は、薄膜状のｐ型熱電材料(2)が表面に形成された基板(1)が複数枚積層された積層体の両端面に電極材料(3,4)が接合されている。各電極材料(3,4)は、複数枚の基板(1)に形成された熱電材料(2)の全てに接続されている。

このような構成にすれば、薄膜のｐ型熱電材料(2)を用いた熱電素子でありながら、かつ、一般的な熱電モジュールを構成可能なサイズ(1mm角程度)のｐ型熱電素子を得ることができる。なお、上記のｐ型熱電材料(2)をｎ型熱電材料(2)に置き換えれば、薄膜のｎ型熱電材料(2)を用いた熱電素子でありながら、かつ、一般的な熱電モジュールを構成可能なサイズ(1mm角程度)のｎ型熱電素子を得ることができる。

熱電材料(2)が表面に形成された基板(1)の積層方法としては、単純に積み重ねる方法やフレキシブルな基板(1)を用いてロール状に巻いて切り出す方法などが挙げられる。また、積み重ねた状態で安定させるために熱処理を行い、積層膜を一体化してもよい。

上記基板(1)が複数枚積層された積層体の両端面に接合する電極材料(3,4)としては、ニッケル，金，銅，アルミ，亜鉛などが挙げられる。電極材料(3,4)を接合する方法としては、蒸着，溶射などが挙げられる。電極材料(3,4)を接合しやすくするため、積層体の両端面を切りそろえたり、エッチング等により端面の絶縁基板(1)の一部を取り除き、熱電材料(2)の接合面積を広げたりしてもよい。

たとえば、図２(ａ)に示すように、電極材料(3,4)と熱電材料(2)との接合部分の抵抗を減らすために、接合面で基板(1)よりも熱電材料(2)を長くする。これにより電極材料(3,4)と熱電材料(2)との接合部の面積が大きくなるため抵抗が減少する。熱電材料(2)を基板(1)よりも長くする方法としては、同じ長さに形成した後、基板部分を溶剤で溶かす、熱処理で溶かす等の方法が挙げられる。

電極材料(3,4)と熱電材料(2)との接合部分の抵抗を減らすための別の手法として、図２(ｂ)に示すように、電極材料(3,4)と熱電材料(2)との接合面を波形に形成する(積層方向に垂直方向に凹凸を設ける)。これにより電極材料(3,4)と熱電材料(2)との接合部の面積が大きくなるため抵抗が減少する。接合面を波形に形成する(凹凸を設ける)方法としては、機械的に削る、マスクした後エッチングを行う等の方法が挙げられる。

次に、図１に示した熱電素子の製造方法の一例について図３を参照して説明する。

まず、薄膜状の熱電材料(2)をフィルム状絶縁性基板(1)の表面に形成する。次に図３(ａ)に示すように、熱電材料(2)が形成されたフィルム状絶縁性基板(1)を円筒状に巻き取って筒状の母材(10)を形成する。次に、図３(ｂ)に示すように、上記母材(10)の両端面に電極(11)を溶射する。次に、図３(ｃ)に示すように、電極(11)が形成された母材(10)を筒状に沿って必要なサイズにカットして熱電素子(100)を得る。

以上により、ｐ型またはｎ型の熱電素子が形成されるため、あとは通常のモジュールの作製と同様の方法で熱電モジュールを作製することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態による熱電素子の構造を図４に示す。この熱電素子は、薄膜状のｐ型熱電材料(2a)とｎ型熱電材料(2b)とが表面に形成された基板(1)が各熱電材料の位置を揃えて複数枚積層された積層体の一方の端面に電極材料(3)が接合され、他方の端面に電極材料(4a,4b)が接合されている。電極材料(3)は、複数枚の基板(1)に形成されたｐ型熱電材料(2a)の全てとｎ型熱電材料(2b)の全てとに接続されている。電極材料(4a)は、複数枚の基板(1)に形成されたｐ型熱電材料(2a)の全てに接続されている。電極材料(4b)は、複数枚の基板(1)に形成されたｎ型熱電材料(2b)の全てに接続されている。

このような構成にすれば、薄膜の熱電材料(2a,2b)を用いた熱電素子でありながら、かつ、一般的な熱電モジュールを構成可能なサイズ(1mm角程度)の熱電素子のｐｎのペアを得ることができる。第１の実施形態ではｐ型の熱電素子またはｎ型の熱電素子の単体しか得られないため、熱電モジュールを作製する際にはｐ型の熱電素子とｎ型の熱電素子とのペアのモジュールを作製する必要があったが、本実施形態によればその必要がなくなりモジュール作製がさらに容易になる。

なお、本実施形態における熱電素子の製造方法、電極材料(3,4a,4b)と熱電材料(2a,2b)との接合部分の抵抗を減らすための手法については第１の実施形態と同様の手法を適用可能である。

本発明の熱電素子は、素子に電流を流すことによるペルチェ効果を利用して接合部を冷却あるいは発熱させる冷却装置等に好適である。

第１の実施形態による熱電素子の構造を示す図 図１の熱電素子の変形例を示す図 図１の熱電素子の製造工程の概略図 第２の実施形態による熱電素子の構造を示す図

符号の説明

１ 基板
２ 熱電材料
２ａ ｐ型熱電材料
２ｂ ｎ型熱電材料
３，４，４ａ，４ｂ 電極
１０ 母材
１１ 電極
１００ 熱電素子

Claims (5)

1. 薄膜状の熱電材料(2)が表面に形成された基板(1)が複数枚積層された積層体の両端面に電極材料(3,4)が接合されており、
   前記複数枚の基板(1)に形成された熱電材料(2)は全てｐ型または全てｎ型であり、
   前記電極材料(3,4)は、前記複数枚の基板(1)に形成された熱電材料(2)の全てに接続されている、
   ことを特徴とする熱電素子。
2. 薄膜状のｐ型熱電材料(2a)とｎ型熱電材料(2b)とが表面に形成された基板(1)が複数枚積層された積層体の一方の端面に第１の電極材料(3)が接合され、他方の端面に第２の電極材料(4a)と第３の電極材料(4b)とが接合されており、
   前記第１の電極材料(3)は、前記複数枚の基板(1)に形成されたｐ型熱電材料(2a)の全てとｎ型熱電材料(2b)の全てとに接続されており、
   前記第２の電極材料(4a)は、前記複数枚の基板(1)に形成されたｐ型熱電材料(2a)の全てに接続されており、
   前記第３の電極材料(4b)は、前記複数枚の基板(1)に形成されたｎ型熱電材料(2b)の全てに接続されている、
   ことを特徴とする熱電素子。
3. 請求項１または２において、
   前記熱電材料(2)の端部が前記電極材料(3,4)に挿入されている、
   ことを特徴とする熱電素子。
4. 請求項１または２において、
   前記積層体の端面と前記電極材料(3,4)との接合面が波形に形成されている、
   ことを特徴とする熱電素子。
5. 薄膜状の熱電材料(2)をフィルム状絶縁性基板(1)の表面に形成する工程と、
   前記熱電材料(2)が形成されたフィルム状絶縁性基板(1)を巻き取って筒状の母材(10)を形成する工程と、
   前記母材(10)の両端面に電極(11)を形成する工程と、
   前記電極(11)が形成された母材(10)を筒状に沿って切断して素子(100)を形成する工程とを備える、
   ことを特徴とする熱電素子の製造方法。

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