自然科学系

2018年12月14日

研究成果のポイント

・大面積・高効率密度・高い機械的信頼性実現したフレキシブル熱電変換※1モジュールを開発。
・これまで曲げることが困難であった熱電変換モジュールを、半導体の実装デザインと基板や電極材料などを一新することで、大面積で信頼性の高い高密度半導体実装を実現。
・伝統的な半導体モジュールの量産化技術を用いているため、熱電変換モジュールの量産化・低コスト化と、材料の耐熱性やモジュールのフレキシブル性から、これまで回収が困難であった150℃以下の廃熱を効率よく回収する熱電発電※2モジュールとして実用化に期待。

概要

大阪大学産業科学研究所の菅原徹准教授、菅沼克昭教授、デンマーク工科大学Nong VanNgo(ノン・バン・ノ)准教授らの研究グループは、㈱Eサーモジェンテックと共同で、大面積・高効率密度・高い機械的信頼性を実現した150℃以下で発電するフレキシブル熱電変換モジュールを開発しました(図1)

熱電変換技術は、熱エネルギーを電気エネルギー(または、それぞれを可逆)に直接変換する技術です。小さな温度差でも温度差に見合って(スケール効果※3がない)変換できるため、エクセルギー※4の小さな熱エネルギーの回収(エネルギー・ハーベスティング)に寄与する次世代の発電技術として注目されています。

現在、150℃以下の廃熱は、熱回収効率が低いため、スケール効果のない熱電変換技術を利用した発電(システム)の開発が進められています。しかしながら、これまで、100℃~150℃付近で使用できる熱電発電モジュールの実装技術※5が確立されていないため、150℃付近の熱電発電技術は実用化されていませんでした。また、室温付近の熱電発電モジュールにおいても、作製にかかるコスト面でのハードルが高く、宇宙空間での活用など限定された分野でのみ応用されてきました。

今回、菅原准教授らは、実装プロセスと実装材料を工夫し、実装プロセスにかかるモジュールデザインを一新することで、低コストで熱電変換モジュールに1軸方向へ著しいフレキシブル性をもたせることに成功しました。フレキシブル性を持たせることで、湾曲した熱源から熱の回収効率がよくなるとともに、半導体チップにかかる機械的ストレスが殆どかからず機械的信頼性も向上しました。また、この熱電変換モジュールは、実装材料が150℃付近まで耐熱保証できることから150℃以下の温度領域で発電することが出来るので、熱電発電モジュールとして利用できます。

これにより、低コストかつ未回収率の高い150℃以下の廃熱を効率よく回収しIoT※6技術を支えるオンサイト熱電電源システムの社会実装が期待されます。

本研究成果は、ドイツ科学誌「Advanced Materials Technologies」に、2018年12月14日(金)午前8時(日本時間)に公開されました。

図1 開発したフレキシブル熱電変換モジュールとBi-Te系熱電半導体チップの外観写真、設計モデル、各温度差について電流に対する電圧と出力

研究の背景

我々の生活空間は、近い将来各種IoT技術によってネットワーク化されるSociety5.0時代(超スマート社会)が到来するとされています。各種IoT技術を支える次世代技術は、人類に健康で安全な生活を提供するために、センサシステム、通信システム、電源システムなどの研究開発が必要とされています。

近年、大規模工場や各種プラントでは、次世代IoT技術として、工場設備の保守管理や製品の品質をセンシングし、通信システムによって管理する産業用オフグリット※7センサシステムの設置が進められています。将来的に、工業用IoTセンサシステムは、センサ部分や通信機器の多様化・高性能化により、電力消費量は増大すると予想されています。通常の設置型一次電池(使い切り型)や二次電池(充電型)では、交換や充電など、莫大なメンテナンスコストが必要とされ、モジュール全体の省電力化だけでなく、オンサイトな発電システムへの需要が高まっています。

これらの背景から、その場の環境が発する「熱」エネルギーを、効率よく回収し恒久的に発電する熱電発電技術を次世代IoTデバイスの電源に応用する研究に注目が集まっています。

今回、菅原准教授らの研究グループは、大面積・高効率密度・高い機械的信頼性を実現し、150℃以下の廃熱を回収できるフレキシブル熱電変換モジュールを開発しました。(図1, 図2(a)試作モジュールは数年前に完成し既に2015年5月に産研定例記者会見で発表)

熱電発電は、これまで宇宙空間での活用(宇宙開発)や常温付近での付加価値の高い熱回収など限定された分野でのみ応用されてきました。また、ワインセラーや保冷・保温庫など、熱電変換モジュールを、ペルチェ素子※8として電気エネルギーを温度差に変換する技術が応用されてきました。

これまでの熱電変換モジュールは、図2(b)に示すように、比較的大きな熱電半導体チップをセラミックスなど固い基板に実装していました。

本研究で開発された熱電変換モジュールは、図2(a)と(c)に示すように、フレキシブルな基板へ小さな熱電半導体チップを高密度に実装することで、熱源に密着させることが出来ます。また、図3で示すように、上部電極を湾曲面と並行に配置するよう工夫することで、1軸方向へ著しいフレキシブル性を持たせることが出来ます。なお、従来型の熱電変換モジュールは、上部電極が湾曲面に垂直に配置されていたため(図2(b), (c)と図3(b))、モジュールの湾曲率が制限されていました。モジュールにおけるチップの実装デザインを工夫することで、湾曲した熱源から効率よく熱を回収することが出来ます。また、フレキシブル性に優れているため(動画1)、チップにかかる機械的ストレスがほとんどなく、機械的(物理的)信頼性が向上しました。

また、これらのモジュール実装技術は、通常の半導体技術におけるデバイス実装技術がベースとなっており、製造コストの大幅な削減が期待できます。さらに、この熱電変換モジュールのすべての実装材料は、150℃付近まで耐熱保証できるため、150℃以下での効率的な廃熱回収が期待されます。

動画1:「フレキシブル熱電変換モジュールを曲げている様子」

 

図2 (a)本研究で開発したフレキシブル熱電変換モジュールとチップの写真 (b)従来の固い基板上に実装された熱電半導体と(c)フレキシブル基板上に実装された熱電半導体。

図3 (a)本研究で作製したフレキシブル熱電変換モジュールの設計図。(b)従来のモジュール設計と(c)本研究で採用したモジュール設計。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本研究成果により、150℃以下の廃熱を効率よく回収する熱電電源システムの社会実装が期待されます。特に、工業的観点からIoT化が進んでいるインフラ(電力送電、ガス、水道など)監視・巡視や移動体(自動車、船舶、飛行機、電車など)の監視・追跡、あるいはサーバが集積するデータセンタの監視、送電コストが高くなる遠隔地における各種監視施設等は、いずれも150℃以下の未回収廃熱があり、かつ分散型電源と給電システムが要求される新市場(新産業)です。

熱電変換モジュールは、オフグリッド自立電源システムとして、センサや無線トランシーバーなどの微小電力デバイスのみならず、アクチュエータの駆動も可能で、極めて広範囲な用途に適用できます。つまり、本研究開発(熱電発電技術)は、次世代IoTの普及に有効な発電技術の一つとして期待されています。

さらに、本研究で開発した熱電変換モジュールは、半導体製造技術を基にしているため、生産量の増大により大幅な低コスト化が可能となります。そのため、コスト性能比や出力あたりの設置面積でも優位で、様々な発電モジュールと組み合わせて活用することで、大きな需要が期待されます。

特記事項

本研究成果は、2018年12月14日(金)午前8時(日本時間)にドイツ科学誌「Advanced Materials Technologies」(オンライン)に掲載されました。
タイトル:“Fabrication with Semiconductor Packaging Technologies and Characterization of Large-Scale Flexible Thermoelectric Module”
著者名:Tohru Sugahara, Yusufu Ekubaru, Ngo Van Nong, Noriko Kagami, Keiichi Ohata, Le Thanh Hung, Michio Okajima, Shutaro Nambu and Katsuaki Suganuma

なお、本研究は、独立行政法人日本学術振興会(JSPS)の「頭脳循環を加速する戦略的国際研究ネットワーク推進プログラム」、および文部科学省の「人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンス」の一環として行われました。さらに、公益財団法人「関西エネルギー・リサイクル科学研究振興財団(KRF)」および「東燃ゼネラル石油研究奨励・奨学財団」からの助成を受けて行われました。

研究者のコメント

熱電変換技術の発電応用(熱電発電)は、熱電材料を始め接合技術やモジュール(デバイス)設計など多くの技術が結集されて実現されます。これまで、熱電発電の技術開発は、その90%以上が熱電半導体材料の開発に注力されてきました。近年の熱電材料の飛躍的性能向上に対して、効率的な集熱・放熱などモジュール設計、モジュール実装材料や低コスト実装プロセスなどの開発はほとんど進んでいないのが現状です。

今後は、熱電発電の応用に必要とされる接合技術、実環境下での材料およびモジュールの長期安定性や信頼性を確立することが重要な研究開発要素となってきます。本研究は、世界で初めて、汎用的な低コストプロセスで、大面積かつ高性能な熱電発電モジュールの開発に成功した例となります。今後は、熱電発電モジュールの軽量・小型化や長期安定性・信頼性に注力した研究開発を実施していきたいと思います。

用語説明

※1 熱電変換
熱電変換は、熱電材料を用いて、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する(ゼーベック効果)技術と、逆に、電気エネルギーを温度勾配へ変換する(ペルチェ効果)技術。

※2 熱電発電
ゼーベック効果により、熱電材料を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電方法。

※3 スケール効果
物体の大きさが変化するとその物体にはたらく力や作用などの大きさ・比が変わり、挙動が異なってくる現象。

※4 エクセルギー
ある状態から理論上取り出せる最大の仕事量(エネルギー量)。

※5 実装技術
電子部品や半導体を基板に取り付ける電子機器として機能させるための周辺技術。接合技術、電極金属コーティング技術、モールディング技術など。

※6 IoT(Internet of Things)
インターネットオブシングス。機器やセンサなど、あらゆるものがインターネットを通して接続されることにより、モニタリングやコントロールを可能にする技術の総称。

※7 オフグリット
グリッドとは送電系統(電線を伝って電力会社から家などに送られる電力網)を指し、その送電系統と繋がっていない状態(オフ)の電力システム。

※8 ペルチェ素子
熱電変換モジュールに、電流を流すことで、ペルチェ効果を利用して発熱・吸熱を制御することのできる熱電変換モジュールの使い方である。一般的に、熱電発電モジュール(ゼーベック素子)と同じ構造をしているが、基板や実装材料に耐熱性や機械的信頼性が求められない。

参考URL

大阪大学 産業科学研究所 先端実装材料研究分野
https://www.eco.sanken.osaka-u.ac.jp/

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