WO2013121486A1 - 熱電変換モジュール装置、及び電子機器 - Google Patents

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WO2013121486A1
WO2013121486A1 PCT/JP2012/007546 JP2012007546W WO2013121486A1 WO 2013121486 A1 WO2013121486 A1 WO 2013121486A1 JP 2012007546 W JP2012007546 W JP 2012007546W WO 2013121486 A1 WO2013121486 A1 WO 2013121486A1
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WO
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conversion module
temperature difference
thermal conductor
thermoelectric
thermoelectric conversion
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PCT/JP2012/007546
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English (en)
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Inventor
中島　嘉樹
久保　雅洋
渋谷　明信
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日本電気株式会社
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    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric conversion module device capable of mutually converting heat energy and electric energy, and an electronic device incorporating the thermoelectric conversion module device.
  • thermoelectric conversion module device thermoelectric power generation module
  • the current thermoelectric conversion module device has a structure in which both ends of a thermoelectric material having an N-type semiconductor property and a thermoelectric material having a P-type semiconductor property are connected in series with each other by a conductive portion.
  • a DC voltage is applied to the thermoelectric conversion module device, a current flows from the P-type thermoelectric material to the N-type thermoelectric material and from the N-type thermoelectric material to the P-type thermoelectric material.
  • thermoelectric conversion module devices By setting both ends of the thermoelectric element to an environment in which a temperature difference occurs, a voltage can be taken out. By applying this phenomenon, it is expected that high-temperature waste heat of 100 ° C. or more generated from factories and cars will be applied to power generation technology. In recent years, waste heat at a temperature close to room temperature generated from office electronic devices such as servers and PCs is used to generate power by thermoelectric conversion module devices, and the power is used as a power source for electronic devices such as sensors. It is expected that.
  • thermoelectric conversion module device currently in practical use is implemented by mounting an inorganic compound semiconductor material as a unit thermocouple on a rigid substrate such as an alumina substrate, and arranging the unit thermocouple in parallel with the heat flow. . It is common to use a bismuth tellurium-based compound semiconductor as the material of the current thermoelectric conversion module device.
  • a bismuth tellurium-based inorganic thermoelectric conversion module device currently in practical use uses a solid body of a rigid inorganic compound semiconductor processed into a rectangular parallelepiped or a cylinder with a side of several millimeters.
  • thermoelectric conversion module device is not flexible because it has a structure in which a rigid element is mounted on a rigid substrate. Therefore, in order to use the thermoelectric conversion module device, it is necessary to flatten the element installation surface. However, waste heat generated by an electronic device or the like is often scattered not only in a flat surface but also in a surface including a curved surface portion and an uneven portion. In addition, in order to put into practical use a method of generating electricity by utilizing the temperature difference between the human body temperature and the surrounding environment as a common heat source, the thermoelectric conversion module device is flexible so as not to interfere with human daily activities. It is necessary to add. It is difficult to cope with such a heat source with a conventional thermoelectric conversion module device.
  • thermoelectric conversion module device In order to solve such installation problems, there are the following prior examples in order to make the thermoelectric conversion module device a flexible structure.
  • Patent Document 1 a thermoelectric conversion member that converts heat into electricity using a temperature difference as a thermoelectric conversion member, a thin p-type thermoelectric element layer made of a p-type semiconductor on a flexible substrate, and an n-type A structure in which a thin film n-type thermoelectric element layer made of a semiconductor is formed by vapor deposition is described.
  • Patent Document 2 discloses an invention in which an element is made flexible by forming an inorganic thermoelectric power generation material as a thin film by a vapor deposition method.
  • Patent Document 3 the following method is disclosed to enable generation of a thermoelectromotive force within the surface of a strip-shaped thermoelectric material and to obtain a flexible thermoelectric conversion module device. That is, the heat from the heat source part is supplied to one end of the thermoelectric material through the high heat conductor in the first insulating sheet, and the waste heat to the heat radiating part is supplied to the thermoelectric material through the high heat conductor in the second insulating sheet. In order to escape from the other end, a strip-shaped thermoelectric conversion material is sandwiched between two insulating sheets partially provided with a high thermal conductivity portion, and the first insulating sheet side is attached to the heat source portion A configuration is disclosed.
  • Patent Document 4 and Non-Patent Document 1 describe a method of providing flexibility to an element by PN-bonding a thin film of an organic thermoelectric power generation material.
  • thermoelectric conversion module devices In order to utilize the waste heat generated by electronic devices such as air conditioners, lighting, PCs, servers, etc., and apply it to power generation by thermoelectric conversion module devices, temperature differences in the surface scattered by the curved shape and uneven shape of electronic devices It is necessary to recover the temperature difference in the direction perpendicular to the installation surface.
  • a thermoelectric conversion module device that is generally put into practical use is made of an element using a rigid bulk material of an inorganic material, and is difficult to install in, for example, a heat source having a curved shape. Therefore, the subject that the environment which can install a thermoelectric conversion module apparatus was restricted occurred.
  • thermoelectric conversion module device in which a highly elastic inorganic material is thinned by a vapor deposition method on a low elasticity organic film.
  • thermoelectric conversion module device that is flexible and can efficiently extract heat and further satisfies reliability has not been obtained.
  • the present invention has been made in view of the above-described situation, and can be installed not only on a flat surface but also on a curved surface structure, can efficiently convert heat, and has high reliability. It is an object of the present invention to provide a device and an electronic device equipped with the device.
  • the thermoelectric conversion module device includes a first temperature difference forming layer that generates a temperature difference in a horizontal direction, a thermoelectric element formed on the first temperature difference forming layer, and a wiring that connects the thermoelectric elements.
  • the first temperature difference forming layer includes a first high thermal conductor having a smaller principal surface on the thermoelectric element side than the other major surface, and a first low thermal conductor filled in the gap.
  • the thermoelectric element is formed so as to cover at least a part of the first high thermal conductor, and the first low thermal conductor is adjacent to the first high thermal conductor. It is formed to be extended.
  • the electronic device according to the present invention is one in which the thermoelectric conversion module device of the above aspect is mounted.
  • thermoelectric conversion module device that can be installed not only on a flat surface but also on a curved surface structure, can efficiently convert heat, and has high reliability, and an electronic device equipped with the thermoelectric conversion module device are provided. It has an excellent effect that it can be provided.
  • FIG. 1B is a schematic top view for explaining positions of thermoelectric elements and wirings in FIG. 1A.
  • FIG. 1B is a schematic top view for explaining positions of a high thermal conductor and a low thermal conductor in FIG. 1A.
  • thermoelectric conversion module apparatus which concerns on 2nd Embodiment. Manufacturing process sectional drawing of the thermoelectric conversion module apparatus which concerns on 2nd Embodiment. Manufacturing process sectional drawing of the thermoelectric conversion module apparatus which concerns on 2nd Embodiment. Manufacturing process sectional drawing of the thermoelectric conversion module apparatus which concerns on 2nd Embodiment. Manufacturing process sectional drawing of the thermoelectric conversion module apparatus which concerns on 2nd Embodiment. Manufacturing process sectional drawing of the thermoelectric conversion module apparatus which concerns on 2nd Embodiment. Manufacturing process sectional drawing of the thermoelectric conversion module apparatus which concerns on 2nd Embodiment. Explanatory drawing for demonstrating the dimension design for further raising the maximum output of the thermoelectric conversion module apparatus which concerns on 2nd Embodiment.
  • thermoelectric conversion module apparatus which concerns on 2nd Embodiment
  • the figure which shows the relationship between the dimension when a structural constant is 1 time, and a maximum output.
  • the figure which shows the relationship between the dimension when a structural constant is 0.1, and a maximum output.
  • the figure which shows the relationship between the dimension when a structural constant is 0.01, and a maximum output.
  • Explanatory drawing which shows an example of the shape of the 1st high heat conductor of the thermoelectric conversion module apparatus which concerns on a modification, and a 2nd high heat conductor. The typical sectional view showing an example of the thermoelectric conversion module device concerning a 3rd embodiment.
  • FIG. 1A shows an example of a schematic cross-sectional view of the main part of the thermoelectric conversion module device according to the first embodiment.
  • the thermoelectric conversion module device 101 transmits a heat flow from the heat source side to the thermoelectric element 1 and dissipates heat upward in FIG. 1A.
  • the thermoelectric conversion module device 101 includes at least the thermoelectric element 1, the wiring 2, and the first temperature difference forming layer 10.
  • the first temperature difference forming layer 10 has a structure in which the first high thermal conductor 11 and the second low thermal conductor 12 are alternately arranged in the horizontal direction (in-plane direction).
  • thermoelectric element 1 can use a known technique without limitation without departing from the gist of the present invention. From the viewpoint of flexibility and manufacturability, the thermoelectric element is preferably an organic conductive polymer material.
  • an organic conductive polymer material such as a p-type conductive organic material can be used as a thermocouple.
  • p-type conductive organic materials include polymers having thiophene and its derivatives as a skeleton, polymers having phenylene vinylene and its derivatives as a skeleton, polymers having aniline and its derivatives as a skeleton, pyrrole and its derivatives as a skeleton.
  • the thermal conductivity of the conductive polymer is about 1/10 to 1/100 of conventional inorganic thermoelectric materials, that is, 0.1 to 1 W / mK, the heat conducted from the heat collecting portion to the heat radiating portion is reduced. It can be greatly reduced, and an environment advantageous for maintaining the temperature difference between the heat source unit and the heat radiating unit can be provided.
  • thermoelectric conversion module apparatus structure using only the conductive polymer which shows P-type semiconductivity is shown.
  • a structural device for increasing the thermoelectromotive force generated by the temperature difference an example of a wiring structure in which a conductive polymer having P-type semiconductivity is connected in series to increase the thermoelectromotive force is shown.
  • a ⁇ bond may be formed and used with the conductive polymer.
  • thermoelectric element 1 is formed so as to cover at least a part of the first high thermal conductor 11 and is extended to the first low thermal conductor 12 adjacent to the first high thermal conductor 11. Yes.
  • the first high thermal conductor 11 is substantially formed so as to cover the first high thermal conductor 11.
  • FIG. 1B is a schematic top view for explaining the arrangement and planar shape of the thermoelectric element 1 and the wiring 2 in FIG. 1A.
  • a plurality of short rectangular thermoelectric elements 1 extend in the Y direction in the drawing and are arranged in parallel in the X direction.
  • the wiring 2 is formed so as to electrically connect the thermoelectric elements 1.
  • the first temperature difference forming layer 10 is a layer capable of generating a temperature difference in the horizontal direction.
  • the first temperature difference forming layer 10 includes a first high thermal conductor 11 whose main surface on the thermoelectric element 1 side has a smaller area than the other main surface, and a first low thermal conductor 12 filled in the gap. It is alternately arranged in the horizontal direction in 1A.
  • the first high thermal conductor 11 is not particularly limited as long as the main surface on the thermoelectric element 1 side has a smaller area than the other main surface. As an example, as shown in FIG. 1A, a trapezoid in which the length L1 of the upper side of the cross section of the thermoelectric element 1 side is smaller than the length L2 of the bottom side can be mentioned.
  • FIG. 1C shows a schematic top view of the first high thermal conductor 11 and the first low thermal conductor 12 in FIG. 1A.
  • a plurality of first high thermal conductors 11 and first low thermal conductors 12 extend in the Y direction in the drawing and are alternately arranged in the X direction.
  • the plurality of first high thermal conductors 11 have the same shape, but may have different shapes.
  • an example in which the same shape is used for the plurality of first low thermal conductors 12 is shown, but different shapes may be used.
  • the first high thermal conductor 11 and the first low thermal conductor 12 may be arranged in an array shape different from the above arrangement, or may be arranged in a checker pattern (houndstooth).
  • the thermoelectric conversion module device may use a structure having elasticity in the wiring 2.
  • the wiring 2 may have a structure in which the wiring 2 relieves stress and is not electrically disconnected even when expansion or contraction occurs, such as a loop shape, a bellows shape, or a lattice shape.
  • a vapor deposition method such as vapor deposition and sputtering
  • a so-called imprinting method such as a screen printing method, a microcontact method, a thermal imprinting method, a UV imprinting method, an inkjet
  • a screen printing method, an imprint method, or an ink jet method is selected, a rubber material kneaded with conductive fibers such as carbon nanotubes can be used.
  • thermal nanoimprinting or UV nanoimprinting is used, a flow channel structure can be formed. By taking a structure such as filling a liquid metal into a conductor, breakdown occurs even during expansion and contraction. It is possible to have no wiring structure.
  • the liquid metal include a gallium indium alloy (Ga75.5In24.5, melting point: about 15 ° C.).
  • the first high thermal conductor 11 is not particularly limited as long as it is a material that can be molded into a trapezoidal shape and has a high thermal conductivity.
  • a suitable example for example, copper, silver, gold, aluminum, or the like is used in the resin. Examples thereof include metal nano paste containing metal nanoparticles.
  • the thermal conductivity of the high thermal conductive silver paste “CT285” manufactured by Kyocera Chemical Co., Ltd. is about 50 W / mk, which is 10 to 100 times that of the thermoelectric element.
  • the first low thermal conductor 12 is a material having low thermal conductivity and excellent moldability in order to maintain the temperature difference in the vertical direction with respect to the installation surface generated between the heat source part and the heat radiating part and to improve manufacturability. is required.
  • the shape of the 1st low heat conductor 12 in 1st Embodiment has a comb-tooth structure, as shown in FIG.
  • Suitable materials for the second low thermal conductor 12 include polyimide, polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, polycarbonate, epoxy resin, aramid resin, silicone resin, ABS resin, and various rubber elasticity such as silicone rubber and polybutadiene rubber.
  • thermoelectric conversion module device In the thermoelectric conversion module device according to the conventional example, a method of forming a thermoelectric conversion module device in which a highly elastic inorganic material is thinned by a vapor deposition method or the like on a low elastic organic film is proposed in order to provide flexibility. It was. However, in the conventional method of depositing a highly elastic inorganic material on a low elasticity organic film, although a thin film element can be manufactured, it is difficult to form a thick film element. For example, a bismuth tellurium material, which is a typical inorganic thermoelectric conversion module device material, has a high thermal conductivity of about 2 W / (m ⁇ K). For this reason, there existed a subject that the heat conductivity of an element became high and sufficient temperature difference could not be maintained between a heat-source part and a thermal radiation part.
  • the structure according to the conventional example in which an inorganic thermoelectric power generation material or wiring part is formed on an organic film by vapor deposition or printing is generally a line of organic film material. Since the expansion coefficient was 10 times or more larger than the linear expansion coefficient of the inorganic material, there was a problem in reliability. Specifically, a reduction in reliability due to mismatch of linear expansion coefficients has been a problem due to repeated use of thermoelectric conversion modules at high temperatures. Furthermore, there are concerns about toxicity and environmental pollution when it is necessary to install a thermoelectric conversion module with flexibility, for example, when it is affixed to the human body or installed in a factory or household pipe.
  • Patent Document 3 that can convert a temperature difference in a horizontal direction into a temperature difference in a vertical direction while using an inorganic thermoelectric material, a difference in linear expansion coefficient, There were issues of toxicity and environmental pollution.
  • Patent Document 3 converts a vertical temperature difference into a horizontal temperature difference so that a thermoelectromotive force can be obtained even in a thin film thermoelectric conversion module device. For this reason, the boundary between the high heat conductor and the low heat conductor has to be vertical, and there has been a problem regarding efficient extraction of heat from the heat source.
  • thermoelectric conversion module device As another approach for imparting flexibility to the thermoelectric conversion module device, there is an example in which the problem is solved by forming an element using an organic conductive polymer having low thermal conductivity and flexibility.
  • an organic conductive polymer element is formed by vapor deposition, the element becomes a thin film, and it is difficult to obtain a temperature difference in a direction perpendicular to the installation surface. Therefore, the installation surface is restricted for the same reason as in the case of the inorganic material described above.
  • the organic conductive polymer is formed in a bulk column shape, there is a problem in device manufacturability from the viewpoint of workability.
  • thermoelectric conversion module device 101 since the first temperature difference forming layer 10 in which the first high thermal conductor 11 and the low thermal conductor 12 are alternately provided is used, it is horizontal with respect to the heat from the heat source. Can produce a temperature difference in the direction. Thereby, for example, even when a thin organic thermoelectric element by a printing process is used as the thermoelectric element 1, a sufficiently high potential difference can be obtained due to the temperature difference.
  • the wiring 2 connecting the thermoelectric elements 1 may be connected to the thermoelectric element 1 in a plane, it can be formed by, for example, a printing process. Therefore, it can also contribute to keeping costs low.
  • thermoelectric conversion module it is easy to increase the film thickness as compared with the method of forming a thermoelectric element by a method of depositing a highly elastic inorganic material on a low elasticity organic film. For this reason, it is suitable as a thermoelectric conversion module using a temperature difference in a direction perpendicular to the installation surface. Further, by selecting a material having a small difference in linear expansion coefficient as a material for the first high thermal conductor 11 and the first low thermal conductor 12, a mismatch in the linear expansion coefficient is prevented, and a highly reliable thermoelectric conversion module device is provided. Can be provided.
  • thermoelectric conversion module device by forming the main components of the first high thermal conductor 11, the first low thermal conductor 12, and the thermoelectric element 1 from an organic material, the generation of stress can be suppressed by reducing the difference in thermal expansion coefficient. As a result, a highly reliable thermoelectric conversion module device can be provided.
  • thermoelectric conversion module device can be provided without using inorganic materials such as tellurium compounds that have concerns about toxicity and environmental pollution, there is an excellent merit that no problem of toxicity or environmental pollution occurs. Further, by selecting a highly flexible material such as an organic material as the material of the first high thermal conductor 11 and the first low thermal conductor 12, a thermoelectric conversion module device having flexibility can be provided. Moreover, according to 1st Embodiment, the heat from a heat-source part can be taken out efficiently by making the 1st high heat conductor 11 into a trapezoid shape.
  • thermoelectric conversion module device it has a flexible element structure and can be installed not only on a flat surface but also on a curved surface structure, and it is not only excellent in manufacturability and reliability. Further, it is possible to provide an organic thermoelectric conversion module device having a structure that can avoid environmental pollution and toxicity and that can efficiently ensure a temperature difference between the heat source unit and the heat radiating unit.
  • thermoelectric conversion module device 101 transmits a heat flow from the heat source side to the thermoelectric element 1 and dissipates heat upward in FIG. 2.
  • the thermoelectric conversion module device 101 includes at least the thermoelectric element 1, the wiring 2, the base 3, the first temperature difference forming layer 10, the second temperature difference forming layer 20, the first insulating layer 31, and the second insulating layer 32.
  • the second temperature difference forming layer 20 is a layer that can generate a temperature difference in the horizontal direction.
  • the main surface on the thermoelectric element 1 side has a second high heat conductor 21 whose area is smaller than that of the other main surface, and the second low heat conductor 22 filled in the gap in the horizontal direction.
  • the second high thermal conductor 21 is formed such that the main surface on the thermoelectric element 1 side has a smaller area than the other main surface side.
  • the surfaces of the second high thermal conductor 21 and the second low thermal conductor 22 are also arranged to be substantially flat.
  • the second high thermal conductor 21 and the second low thermal conductor 22 may extend in the Y direction and have a structure alternately arranged in the X direction, or may have an array shape or a checker pattern shape. it can.
  • the shape of the second high thermal conductor 21 is not particularly limited as long as the main surface on the thermoelectric element 1 side has a smaller area than the other main surface.
  • a trapezoid in which the length L3 of the bottom side of the cross section on the thermoelectric element 1 side is smaller than the length L4 of the upper side can be mentioned.
  • thermoelectric element 1 is formed so as to substantially cover the first high thermal conductor 11 and extends to the first low thermal conductor 12 adjacent to the first high thermal conductor 11. It is formed to exist. Furthermore, in the second embodiment, the second high thermal conductor 21 overlaps the area where the first low thermal conductor 12 and the thermoelectric element 1 are opposed to each other on the main surface on the thermoelectric element 1 side in plan view. Is formed. The second high thermal conductor 21 is formed such that at least a part of the region where the first low thermal conductor 12 and the thermoelectric element 1 are arranged to face each other overlaps on the main surface on the thermoelectric element 1 side in plan view. It only has to be done.
  • the first high heat conductor 11 and the second high heat conductor 21 are in contact with the first end and the second end of the strip-shaped thermoelectric element 1, respectively. Thereby, the temperature difference between the heat source side and the non-base side can be efficiently converted into the thermoelectromotive force in the surface of the thermoelectric element.
  • the first temperature difference forming layer 10 When at least a part of the first temperature difference forming layer 10 is a conductor, for example, the first high thermal conductor 11 is a conductor, the first high thermal conductor 11 is electrically contacted with the thermoelectric element 1 and the wiring 2.
  • a first insulating film 31 as shown in FIG. 2 is provided between them.
  • the second high thermal conductor 21 when at least a part of the second temperature difference forming layer 20 is a conductor, for example, the second high thermal conductor 21 is a conductor, these are not so in contact with the thermoelectric element 1 and the wiring 2.
  • a second insulating film 32 as shown in FIG.
  • the first high thermal conductor 11 according to the second embodiment is formed such that the bottoms thereof are in contact with each other in the cross section in FIG.
  • the base 3 is not in contact with the second low thermal conductor 12, and only the first high thermal conductor 11 is in contact with the upper surface of the base 3.
  • the heat flow from the base 3 side can be efficiently transmitted to the thermoelectric element 1.
  • the second high thermal conductor 21 according to the second embodiment is formed such that the upper sides are in contact with each other in the cross section in FIG. 2.
  • the second low thermal conductor 22 is not exposed on the upper surface in the drawing, and only the second high thermal conductor 21 is exposed on the upper surface in the drawing.
  • heat can be radiated more efficiently in the outer direction of the second temperature difference forming layer 20.
  • the second low thermal conductor 22 maintains a temperature difference in the vertical direction with respect to the installation surface generated between the heat source unit and the heat radiating unit, In order to improve manufacturability, it is necessary that the material has low thermal conductivity and excellent moldability.
  • the shape of the first low thermal conductor 12 and the second low thermal conductor 22 in the second embodiment has a comb-teeth structure as shown in FIG. Examples of a preferable material for the second low thermal conductor 22 include a material example of the first low thermal conductor 12 of the first embodiment.
  • the materials of the first low thermal conductor 12 and the second low thermal conductor 22 may be the same or different.
  • the flexible base 3 examples include polyimide, polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, polycarbonate, epoxy resin, aramid resin, silicone resin, ABS resin, and various rubbers such as silicone rubber and polybutadiene rubber. Resins having elasticity can be mentioned.
  • the substrate 3 preferably has a thickness of about 50 microns or more. Further, the thickness of the base 3 does not impair the flexibility of the thermoelectric conversion module 102 and transmits the temperature of the heat source to the thermoelectric element 1 which is the thermoelectric conversion module device unit. Furthermore, the first high thermal conductor 11 and the second low thermal conductivity. In consideration of the fact that two layers in which the body 12 is alternately formed are formed on the upper layer, 1 mm or less is preferable.
  • the base 3 may be coated with a layer for reducing the thermal resistance with the heat source.
  • the flexibility of the substrate 3 can contribute to increasing the efficiency at the time of heat recovery from the heat source, and is effective in improving the thermoelectric power generation performance.
  • the substrate 3 used here is not necessarily formed of a single organic material although it is necessary to have electrical insulation.
  • the organic material may contain an inorganic filler or an inorganic fiber.
  • Si filler or glass fiber can be used.
  • the second high heat conductor 21 can be formed into a trapezoidal shape, and is preferably a material having high thermal conductivity, for example, a metal nanopaste such as copper, silver, gold, and aluminum.
  • the thermal conductivity is, for example, about 50 W / mk for the high thermal conductive silver paste “CT285” manufactured by Kyocera Chemical Co., Ltd., which is 10 to 100 times that of the thermoelectric element.
  • CT285 high thermal conductive silver paste manufactured by Kyocera Chemical Co., Ltd.
  • the material similar to the 1st low heat conductor 21 is mentioned as a preferable example.
  • the first insulating film 31 and the second insulating film 32 are required to be as thin as possible in order to transmit heat from the first high thermal conductor 11 to the thermoelectric element 1 while having insulating properties, and the thickness is 1 ⁇ m or less. preferable. Since it is required to be thin, it is preferable to apply a liquid material by spin coating or the like.
  • the material is formed of epoxy resin, epoxy acrylate resin, urethane acrylate resin, polyester resin, phenol resin, polyimide resin, benzocyclobutene resin, polybenzoxazole resin, polynorbornene resin, or the like.
  • the polyimide resin and the polybenzoxazole resin have excellent mechanical properties such as film strength, tensile elastic modulus, and elongation at break, and can obtain high reliability.
  • Polyimide is particularly suitable for the insulating layer 11 that is required to be a thin film because the layer can be formed by curing the liquid ink of the polyamic acid as a precursor by a crosslinking reaction.
  • thermoelectric conversion module device 102 Next, an example of a method for manufacturing the thermoelectric conversion module device 102 according to the second embodiment will be described with reference to manufacturing process cross-sectional views.
  • the manufacturing method of the thermoelectric conversion module apparatus of this invention is not limited by the example of the following manufacturing methods.
  • the substrate may be a flexible film or the like, or may be a rigid substrate. In addition to a planar shape, a curved shape may be used. From the viewpoint of heat resistance, processability, availability, etc., the material is preferably a polyimide resin for a film and an epoxy resin for a rigid substrate.
  • an uncured uncured high thermal conductor 15 is applied on the substrate 3 (FIG. 3A).
  • the application method is not particularly limited, but it is preferable to use a device such as a spin coater or a bar coater because it can be applied flatly.
  • the imprint plate 8 is pressed to fix the three-dimensional shape of the high thermal conductor (FIG. 3B).
  • the uncured high thermal conductor 15 is cured by a curing method such as actinic ray irradiation (UV irradiation or the like) or heating to form the first high thermal conductor 11 (FIG. 3C).
  • the imprint plate 8 needs to have UV transmission characteristics when UV irradiation is performed from above, and the substrate 3 needs to have UV transmission characteristics when UV irradiation is performed from below.
  • the resin is cured by heating, heating at an appropriate temperature is performed.
  • the first high thermal conductor 11 cured by heating in a state where the imprint plate 8 is pressed against the uncured high thermal conductor 15 is obtained. Thereafter, the imprint plate 8 is released from the first high thermal conductor 11. Therefore, the imprint plate 8 needs to be subjected to an appropriate mold release process on the surface in advance in the stage of FIG. 3B.
  • an uncured low thermal conductor material 16 is embedded between the three-dimensional structures of the first high thermal conductor 11 in a subsequent process (FIG. 3E).
  • the embedding is not particularly limited, for example, an uncured low thermal conductor material 16 is placed on the surface of the high thermal conductor 11, and a squeegee or the like can be used.
  • the first high thermal conductor 11 is a conductor, it is preferable that the upper side of the first high thermal conductor 11 is thinly covered with the second low thermal conductor 12. The uncured low thermal conductor material 16 is cured to obtain the second low thermal conductor 12.
  • a first insulating film 31 is formed (FIG. 3F).
  • the first insulating film 31 is not particularly limited, for example, an epoxy resin, an epoxy acrylate resin, a urethane acrylate resin, a polyester resin, a phenol resin, a polyimide resin, a benzocyclobutene resin, a polybenzoxazole resin, a polynorbornene resin, or the like is used. It can be used suitably.
  • polyimide resin and polybenzoxazole resin are excellent in mechanical properties such as film strength, tensile elastic modulus, and elongation at break, high reliability can be obtained.
  • Polyimide is particularly suitable for the first insulating film 31, which is required to be a thin film, because a layer can be formed by curing a liquid ink of polyamic acid as a precursor by a crosslinking reaction.
  • the first insulating film 31 is formed by a spin coating method, a curtain coating method, a die coating method, a spray method, a printing method, or the like if it is a liquid organic material.
  • a spin coating method, a printing method, or the like is particularly suitable for forming a thin film at a low cost.
  • a film-like organic material it is formed by a laminating method, a pressing method, a manufacturing method in which a vacuum state is added to each, or the like.
  • the wiring 2 is formed (FIG. 3G).
  • the formation method is not particularly limited, for example, a microcontact process, a plating method, or the like can be selected.
  • a metal nano ink, a metal paste, or the like is preferable as the material of the wiring 2.
  • the wiring 2 is formed by the plating method, the wiring 2 is made of a metal such as Cu, Ni, Sn, or Au, for example, by a wiring formation method such as a subtractive method, a semi-additive method, or a full additive method. Form.
  • a subtractive method as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No.
  • a resist in which a copper foil provided on a substrate or a resin is formed in a desired pattern is used as an etching mask, and then the resist is etched. In this method, a desired wiring pattern is obtained.
  • a power supply layer is formed by electroless plating, sputtering, CVD, or the like, and then a resist having an opening in a desired pattern is formed.
  • electrolytic plating is deposited in the resist opening, and after removing the resist, the power feeding layer is etched to obtain a desired wiring pattern.
  • a pattern is formed with a resist after adsorbing an electroless plating catalyst on the surface of a substrate or resin, and this resist is left as an insulating layer.
  • a desired wiring pattern is obtained by activating the catalyst and depositing metal in the opening of the insulating layer by electroless plating.
  • thermoelectric element 1 is formed.
  • a method for forming the thermoelectric element 1 is not particularly limited, but a printing process such as a microcontact method is preferable from the viewpoint of cost and the like.
  • the material of the thermoelectric element 1 is a polymer having a conductor as a skeleton, a polymer having phenylene vinylene and a derivative thereof as a skeleton, a polymer having an aniline and a derivative thereof as a skeleton, and an oligomer or a polymer having a pyrrole and a derivative thereof as a skeleton.
  • Oligomers and polymers having acetylene and derivatives thereof as skeletons Oligomers and polymers having acetylene and derivatives thereof as skeletons, polymers having skeletons of heptadiene and derivatives thereof, phthalocyanines and derivatives thereof, diamines, phenyldiamines and derivatives thereof, pentacene and derivatives thereof, porphyrins and derivatives thereof , Cyanine, quinone, naphthoquinone and the like can be used, but polythiophene and its derivatives can be used particularly advantageously from the viewpoints of manufacturability, stability in the atmosphere, charge mobility, and the like.
  • a second insulating film 32 is further formed thereon.
  • the material and process suitably used for forming the second insulating film 32 are the same as those of the first insulating film 31 described above.
  • the first insulating film 31 and the second insulating film 32 may be formed of the same material or different materials. Moreover, it is good also as a multilayer structure each independently.
  • an uncured low thermal conductor material 26 is applied on the second insulating film 32 (FIG. 3H).
  • the application method is not particularly limited, but it is preferable to use a device such as a spin coater or a bar coater because it can be applied flatly.
  • the imprint plate 9 is pressed (FIG. 3I), and the uncured low thermal conductor material 26 is cured by a curing method such as UV irradiation or heating. .
  • the second low thermal conductor 22 is obtained through these steps.
  • the curing method varies depending on the type of resin. When UV irradiation is performed from above, when the imprint plate 9 performs UV irradiation from below, all structures from the substrate 3 to the thermoelectric element 1 and wiring 2 layers below must have UV transmission characteristics. If the low thermal conductor material 26 has the property of being cured by heating, heat is applied.
  • the curing process is performed to obtain the low thermal conductor 22. Thereafter, the imprint plate 9 is released from the low thermal conductor 22. For this reason, it is necessary to perform an appropriate mold release treatment on the surface in advance.
  • an uncured high thermal conductor material (not shown) is embedded between the three-dimensional structures of the second low thermal conductor 22 in the subsequent process.
  • the embedding is performed by placing an uncured high thermal conductor material (not shown) on the surface of the low thermal conductor and using a squeegee or the like. Thereafter, the uncured high thermal conductor material is cured by a method such as UV irradiation or heating to obtain the first high thermal conductor 11.
  • thermoelectric conversion module device 102 obtained as described above, the conditions of the shape that provides the maximum performance will be described.
  • FIG. 4 only the first high thermal conductor 11, the second high thermal conductor 21, and the thermoelectric element 1 are specifically shown and described. Each of these dimensions and the performance values of the thermoelectric element 1, the first high thermal conductor 11, and the second high thermal conductor 21 are defined, and the condition of the shape that provides the maximum performance is obtained.
  • the thermal resistance ⁇ 1 of the high thermal conductor having a trapezoidal cross section is expressed by the following formula ( It can be obtained from 1).
  • S in the equation is a horizontal sectional area of the first high thermal conductor 11.
  • thermoelectric element if the temperature difference ⁇ T between the heat source side and the room temperature side of the thermoelectric conversion module device 102, the Seebeck coefficient of the thermoelectric element is S, and the resistance of the thermoelectric element is R, the maximum output Pmax is It is requested in this way.
  • ⁇ T 2 in the formula is a temperature difference generated at both ends of the thermoelectric element 1.
  • ⁇ is the ratio of the thermal conductivity of the high thermal conductor to the thermal conductivity of the thermoelectric element, as shown in FIG. 2ht / l 2 2 appearing in the formula is a specific constant in the present invention related to the structure, and is hereinafter referred to as “structural constant”.
  • (S 2 ⁇ T 2 ) / (4tw ⁇ 2 ) 1.
  • the structural constant is less than 0.01, the structure can be easily formed, and even if ⁇ is a small value of 10 or less, it takes a high value in the region of l ⁇ 0.05. It can be concluded that this is possible and suitable.
  • thermoelectric element 8 in which the trapezoid of the first high heat conductor 11 is asymmetrical is intended to efficiently obtain a heat flow while reducing the electromotive force reduction effect of the thermoelectric element. Included in the invention. In such a structure, a thermoelectromotive force is generated more efficiently, which is more preferable.
  • thermoelectric conversion module device 102 According to the thermoelectric conversion module device 102 according to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Furthermore, according to the thermoelectric conversion module device 102 according to the second embodiment, the second temperature difference formation in which the second high thermal conductor 21 and the second low thermal conductor 22 are alternately arranged also on the thermoelectric element 1 and the wiring 2. Since the layer 20 is laminated, there is an excellent merit that heat can be efficiently radiated to the heat radiating side (the side opposite to the heat source side) outside the thermoelectric conversion module device 102.
  • the first high thermal conductors 11 having a bottom surface larger than the upper surface are arranged in an array or a row, and the first temperature difference forming layer 10 having the first low thermal conductors on the heat source side to fill in between
  • the second high thermal conductors 21 having an area larger than the bottom surface are arranged in an array or a row, and have a second temperature difference forming layer 20 having a second low thermal conductor 22 filling the space between them, and
  • the first high heat conductor 11 and the second high heat conductor 21 are in contact with the first end and the second end of the strip-shaped thermoelectric element 1, respectively, so that the heat source side and the non-base side can be efficiently used. Can be converted into a thermoelectromotive force in the surface of the thermoelectric element.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the thermoelectric conversion module device 103 according to the third embodiment.
  • the radiation fins 4 are provided on the high thermal conductor 21 of the second temperature difference forming layer 20.
  • provision of the radiation fins 4 is preferable because the efficiency of heat radiation is improved and heat is more likely to flow in a desired direction of the thermoelectric element pattern.
  • thermoelectric conversion module device 103 According to the thermoelectric conversion module device 103 according to the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Furthermore, by providing the radiation fins 4, it is possible to increase the efficiency of thermal radiation and facilitate the flow of heat in a desired direction.

Abstract

　平面だけでなく曲面構造上にも設置することができ、熱を効率よく変換可能であって、かつ、信頼性の高い熱電変換モジュール装置、並びにこれを搭載した電子機器を提供することを課題とする。本発明に係る熱電変換モジュール装置（１０１）は、水平方向に温度差を生じさせる第１温度差形成層（１０）と、第１温度差形成層（１０）上に形成された熱電素子（１）と、熱電素子（１）間を接続する配線（２）とを備える。第１温度差形成層（１０）は、熱電素子（１）側の主面が他方の主面よりも面積が小さい第１高熱伝導体（１１）と、この隙間に充填された第１低熱伝導体（１２）とが、水平方向に交互に形成されている。熱電素子（１）は、第１高熱伝導体（１１）の少なくとも一部を覆うように形成され、かつ、当該第１高熱伝導体（１１）に隣接する第１低熱伝導体（１２）まで延在されるように形成されている。

Description

熱電変換モジュール装置、及び電子機器
　本発明は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換できる熱電変換モジュール装置、及び、それを組み込んだ電子機器に関する。
　熱電変換モジュール装置（熱電発電モジュール）は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換できる装置である。現行の熱電変換モジュール装置は、Ｎ型半導体性を有する熱電材料とＰ型半導体性を有する熱電材料の両端が、導電部によって互いに直列接続された構造から成る。この熱電変換モジュール装置に直流電圧を印加すると、電流がＰ型熱電材料からＮ型熱電材料へ、Ｎ型熱電材料からＰ型熱電材料へと流れる。Ｐ型熱電材料からＮ型熱電材料へ流れる導電部の温度が高温となり、反対にＮ型熱電材料からＰ型熱電材料へ流れる導電部の温度が低温となる現象を活用して冷却用途に応用されている。
　熱電変換モジュール装置の別の用途として発電技術への応用が考えられている。熱電素子の両端を温度差が生じる環境とすることによって、電圧を取り出すことができる。この現象を応用し、工場や車から発生する１００℃以上の高温廃熱を発電技術に応用することが期待されている。近年では、サーバーやＰＣなどオフィスの電子機器から発生する常温に近い温度の廃熱を活用して熱電変換モジュール装置による発電を行い、その電力を活用してセンサなどの電子機器の電源として活用することが期待されている。
　現在実用化されている熱電変換モジュール装置は、アルミナ基体などの剛直な基体上に無機化合物半導体材料を単位熱電対として実装し、その単位熱電対を熱流に対して並列配置することによって素子としている。現状の熱電変換モジュール装置の材料には、ビスマステルル系化合物半導体を用いることが一般的である。現在実用化されているビスマステルル系の無機熱電変換モジュール装置は、一辺が数ｍｍの直方体あるいは円柱に加工された剛直な無機化合物半導体のバルク体を用いている。
　現状の熱電変換モジュール装置は、剛直な基体上に剛直な素子を実装した構造となっているために柔軟性がない。従って、熱電変換モジュール装置を使用するためには、素子の設置面を平坦とする必要がある。しかしながら、電子機器などにより発生する廃熱は平坦面に生じる場合のみでなく、曲面部や凹凸部を含む面内に点在していることが多い。また、ありふれた熱源として、人間の体温と周囲環境との温度差を活用して発電を行う方法を実用化するためには、人間の日常の動きを妨げないように熱電変換モジュール装置にフレキシビリティを付加することが必要である。こうした熱源に対しては、従来型の熱電変換モジュール装置では対応が困難である。
　こうした設置の課題を解決するため、熱電変換モジュール装置を柔軟な構造とすべく、以下のような先行例がある。特許文献１には、熱電変換部材として温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換部材において、柔軟性を有する基体上にｐ型半導体からなる薄膜のｐ型熱電素子層と、ｎ型半導体からなる薄膜のｎ型熱電素子層とを蒸着により形成する構造が記載されている。
　特許文献２には、無機材料の熱電発電材料を蒸着法により薄膜で形成することで、素子に柔軟性を持たせた発明が記載されている。
　更に、特許文献３においては、短冊状熱電材料の面内での熱起電力の発生を可能とし、フレキシブルな熱電変換モジュール装置を得るために以下の方法が開示されている。すなわち、熱源部からの熱を第一の絶縁シート内の高熱伝導体を通じて熱電材料の一方の端に供給し、放熱部への廃熱を、第二の絶縁シート内の高熱伝導体を通じて熱電材料のもう一方の端から逃がすために、部分的に高熱伝導率部を備えた２枚の絶縁シートの間に短冊状の熱電変換材料を挟み、第一の絶縁シートの側を熱源部に貼り付ける構成が開示されている。
　また、特許文献４、非特許文献１には、有機材料の熱電発電材料の薄膜をＰＮ接合することにより、素子に柔軟性を持たせる方法が記載されている。
特開２００３－１３３６００号公報 特開２００６－１９６５７７号公報 特開２０１１－０３５２０３号公報 特開２０１０－０９５６８８号公報
Takashi Suzuki et al., IEDM 2010 p.720
　空調、照明、ＰＣ、サーバーなどの電子機器により発生する廃熱を活用し、熱電変換モジュール装置による発電に応用するためには電子機器の曲面形状や凹凸形状に点在する面内の温度差や、設置面に垂直方向の温度差を回収することが必要となる。しかしながら、一般に実用化されている熱電変換モジュール装置は剛直な無機材料のバルク体を用いて素子としており、例えば曲面形状を有する熱源には設置が困難である。従って熱電変換モジュール装置を設置可能な環境が制限されるという課題があった。
　こうした課題を解決するため、低弾性の有機フィルム上に高弾性の無機材料を蒸着法などにより薄膜化した熱電変換モジュール装置を形成することで素子にフレキシビリティを持たせる先行例がある。しかしながら、柔軟性があって、かつ、熱を効率よく取り出すことが可能であって、さらに信頼性も満足する熱電変換モジュール装置が得られていないのが現状であった。
　本発明は、上記の現状を鑑みてなされたものであり、平面だけでなく曲面構造上にも設置することができ、熱を効率よく変換可能であって、かつ、信頼性の高い熱電変換モジュール装置、並びにこれを搭載した電子機器を提供することを目的としたものである。
　本発明に係る熱電変換モジュール装置は、水平方向に温度差を生じさせる第１温度差形成層と、前記第１温度差形成層上に形成された熱電素子と、前記熱電素子間を接続する配線と、を備え、前記第１温度差形成層は、前記熱電素子側の主面が他方の主面よりも面積が小さい第１高熱伝導体と、この隙間に充填された第１低熱伝導体とが、水平方向に交互に形成され、前記熱電素子は、前記第１高熱伝導体の少なくとも一部を覆うように形成され、かつ、当該第１高熱伝導体に隣接する前記第１低熱伝導体まで延在されるように形成されているものである。
　本発明に係る電子機器は、上記態様の熱電変換モジュール装置を搭載したものである。
　本発明によれば、平面だけでなく曲面構造上にも設置することができ、熱を効率よく変換可能であって、かつ、信頼性の高い熱電変換モジュール装置、並びにこれを搭載した電子機器を提供することができるという優れた効果を有する。
第１実施形態に係る熱電変換モジュール装置の一例を示す模式的断面図。 図１Ａの熱電素子と配線の位置を説明するための模式的上面図。 図１Ａの高熱伝導体と低熱伝導体の位置を説明するための模式的上面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の一例を示す模式的断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の製造工程断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の製造工程断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の製造工程断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の製造工程断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の製造工程断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の製造工程断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の製造工程断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の製造工程断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の製造工程断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の製造工程断面図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の最大出力をさらに高めるための寸法設計を説明するための説明図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置において、構造定数が１倍の時の寸法と最大出力の関係を示す図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置において、構造定数が０．１の時の寸法と最大出力の関係を示す図。 第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置において、構造定数が０．０１の時の寸法と最大出力の関係を示す図。 変形例に係る熱電変換モジュール装置の第１高熱伝導体と第２高熱伝導体の形状一例を示す説明図。 第３実施形態に係る熱電変換モジュール装置の一例を示す模式的断面図。
　以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。なお、本発明の趣旨に合致する限り、他の実施形態も本発明の範疇に属し得る。また、以降の図における各部材のサイズや比率は、説明の便宜上のものであり、実際のものとは異なる。
［第１実施形態］
　図１Ａに、第１実施形態に係る熱電変換モジュール装置の主要部の模式的断面図の一例を示す。熱電変換モジュール装置１０１は、図１Ａに示すように、熱源側からの熱流を熱電素子１に伝え、図１Ａ中の上方側に放熱されるようになっている。熱電変換モジュール装置１０１は、少なくとも熱電素子１、配線２、第１温度差形成層１０を有する。第１温度差形成層１０は、第１高熱伝導体１１、第２低熱伝導体１２が水平方向（面内方向）に交互に配置された構造からなる。
　熱電素子１は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において公知の技術を制限なく利用できる。フレキシビリティ性、製造容易性の観点から、熱電素子は、有機導電性高分子材料を用いることが好ましい。熱電素子１の好適な一例としては、熱電対としてｐ型導電性有機材料等の有機導電性高分子材料を用いることができる。具体的なｐ型導電性有機材料としては、チオフェンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、フェニレンビニレンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、アニリンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、ピロールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、アセチレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ヘプタジエンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、フタロシアニン類およびそれらの誘導体、ジアミン類、フェニルジアミン類およびそれらの誘導体、ペンタセンおよびその誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、シアニン、キノン、ナフトキノンなどの低分子が利用され得るが、製造性ならびに大気下での安定性、電荷移動度などの観点から、ポリチオフェンおよびその誘導体が特に有利に使用できる。導電性高分子の熱伝導率は、従来の無機熱電材料のおよそ１／１０～１／１００、即ち０．１～１Ｗ／ｍＫのオーダーであるため、集熱部から放熱部へ伝導する熱を大幅に減らすことができ、熱源部と放熱部の間の温度差を維持することに有利な環境を提供することができる。
　現状、有機半導体材料は無機半導体材料と異なり、大気中で安定に存在し、かつＮ型半導体性を示す高移動度の材料が存在していない。そのため、図１ＡにおいてはＰ型半導体性を示す導電性高分子のみを活用した熱電変換モジュール装置構造の例を示している。温度差によって生じる熱起電力を高めるための構造的工夫として、Ｐ型半導体性を有する導電性高分子を直列接続して熱起電力を高める配線構造の例であるが、Ｎ型半導体性を有する導電性高分子とπ結合を形成し活用してもよい。
　熱電素子１は、第１高熱伝導体１１の少なくとも一部を覆うように形成され、かつ、当該第１高熱伝導体１１に隣接する第１低熱伝導体１２まで延在されるように形成されている。第１実施形態においては、図１Ａに示すように、実質的に、第１高熱伝導体１１を被覆するように第１高熱伝導体１１が形成されている。図１Ｂに、図１Ａの熱電素子１と配線２の配置及び平面形状を説明するための模式的上面図を示す。複数の短矩形状の熱電素子１が、図中のＹ方向に延在し、Ｘ方向に並列されている。配線２は、熱電素子１間を電気的に接続するように形成されている。
　第１温度差形成層１０は、水平方向に温度差を生じさせることが可能な層である。第１温度差形成層１０は、熱電素子１側の主面が他方の主面よりも面積が小さい第１高熱伝導体１１と、この隙間に充填された第１低熱伝導体１２とが、図１Ａ中の水平方向に交互に配置されている。第１高熱伝導体１１は、熱電素子１側の主面が、他方の主面よりも面積が小さい形状であれば特に限定されない。一例としては、図１Ａに示すように、断面の熱電素子１側の上辺の長さＬ１が底辺の長さＬ２よりも小さい台形が挙げられる。
　第１高熱伝導体１１と第２低熱伝導体１２の表面は、実質的に平面となるように形成されている。図１Ｃに、図１Ａにおける第１高熱伝導体１１と第１低熱伝導体１２の模式的上面図を示す。複数の第１高熱伝導体１１と第１低熱伝導体１２が、図中のＹ方向に延在し、Ｘ方向に交互に配列されている。第１実施形態においては、複数の第１高熱伝導体１１は、同一形状のものを用いる例を示しているが、異なる形状のものを用いてもよい。複数の第１低熱伝導体１２についても同様に、同一形状のものを用いる例を示しているが、異なる形状のものを用いてもよい。また、第１高熱伝導体１１と第１低熱伝導体１２は、上記配列とは異なるアレイ状に配置したり、チェッカー模様（千鳥格子）状に配置してもよい。
　配線２に導電性を有する金属材料を用いた場合、金属材料は高い熱伝導性を有するため、熱源部と放熱部の間に位置する配線部は温度差を緩和する方向に熱が流れる。このため、発電性能を低下させることとなる。そのため、温度差を維持するためには、配線部の断面積を極力小さくすることが好ましい。一方で、断面積を小さくすることにより、物理的強度が低下し、熱負荷が生じた際に信頼性を低下させる。こうした不具合を解消するため、第１実施形態に係る熱電変換モジュール装置では配線２に伸縮性を有する構造を用いてもよい。例えば、ループ形状や、蛇腹形状、格子形状など、伸縮がおきても配線２が応力を緩和し、電気的に切断されない構造とするとよい。
　配線２の配線形成プロセスとしては、めっき法や、蒸着、スパッタリング等の気層法のほか、スクリーン印刷法やマイクロコンタクト法、熱インプリント法、ＵＶインプリント法等のいわゆるインプリント法や、インクジェット法も選択できる。スクリーン印刷法、インプリント法、インクジェット法を選択した場合、カーボンナノチューブなどの導電性ファイバーを混錬したゴム材料を用いることができる。また、特に熱ナノインプリントやＵＶナノインプリント法を用いた場合、流路構造を形成することができ、液体状の金属を充填し導電体とする場合などの構造をとることで伸縮時においても破壊の起きない配線構造をとることが可能である。液体状の金属の例としてはガリウムインジウム合金（Ｇａ７５．５Ｉｎ２４．５、融点約１５℃）などが挙げられる。
　第１高熱伝導体１１は、台形形状等に成型可能で、高い熱伝導率を持つ材料であれば特に限定されないが、好適な例として、樹脂中に、例えば銅、銀、金、アルミ等の金属ナノ粒子が含まれた金属ナノペースト等が挙げられる。このとき、例えば京セラケミカル株式会社製の高熱伝導銀ペースト「ＣＴ２８５」の熱伝導率は５０Ｗ／ｍｋ程度であり、熱電素子の１０倍～１００倍である。
　第１低熱伝導体１２は、熱源部と放熱部の間に生じる設置面に対して垂直方向の温度差を維持し、製造性を向上させるため、低熱伝導性で成型性に優れる材料であることが必要である。第１実施形態における第１低熱伝導体１２の形状は、図１に示すように断面形状が櫛歯構造となっている。
　第２低熱伝導体１２の好適な材料としては、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、アラミド樹脂、シリコーン樹脂、ＡＢＳ樹脂などの樹脂や、シリコーンゴム、ポリブタジエンゴムなどの各種ゴム弾性を有する樹脂が挙げられる。
　従来例に係る熱電変換モジュール装置においては、フレキシビリティを持たせるために、低弾性の有機フィルム上に高弾性の無機材料を蒸着法などにより薄膜化した熱電変換モジュール装置を形成する方法が提案されていた。しかしながら、従来例の低弾性の有機フィルム上に高弾性の無機材料を蒸着する方法においては、薄膜素子を製造することが可能であるものの、厚膜の素子形成は困難であった。例えば、代表的な無機熱電変換モジュール装置材料であるビスマステルル材料は、約２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高い熱伝導率を有する。このため、素子の伝熱性が高くなり熱源部と放熱部の間に十分な温度差が維持できないという課題があった。
　また、設置面に水平な方向の温度差を活用するために、有機フィルム上に無機熱電発電材料や配線部を蒸着や印刷などで薄膜形成した従来例に係る構造は、一般に有機フィルム材料の線膨張係数が無機材料の線膨張係数と比較して１０倍以上大きいので、信頼性に問題があった。具体的には、熱電変換モジュールが高温下で繰り返し使用によって線膨張係数のミスマッチによる信頼性の低下が課題となっていた。更に、フレキシビリティを持つ熱電変換モジュールを設置することが必要とされる場所、例えば、人体に貼り付ける場合や、工場内や家庭内の配管等に設置する場合、毒性や環境汚染の懸念があるテルル化合物等の無機材料を安易に用いることには懸念があった。無機熱電材料を用いつつ、水平な方向の温度差を垂直な方向の温度差に変換することが可能である特許文献３のような構造においても、同様に線膨張係数の差や、無機材料が持つ毒性・環境汚染性の課題があった。
　また、特許文献３のような構造は、垂直な温度差を水平な温度差に変換することで薄膜の熱電変換モジュール装置においても熱起電力を得られるようにしているが、めっき配線を用いている為、高熱伝導体と低熱伝導体の境界が垂直にならざるを得ず、熱源部からの熱を効率よく取り出すことに関して課題があった。
　熱電変換モジュール装置に柔軟性を付与する他のアプローチとして、熱伝導率が低く柔軟性を有する有機導電性高分子を用いて素子を形成することにより課題を解決しようとする例がある。しかしながら、蒸着法により有機導電性高分子を素子形成した場合には、素子が薄膜となり、設置面に対して垂直方向の温度差を得ることが困難である。従って、前述した無機材料の場合と同様の理由で設置面に制約が生じる。また熱源部と放熱部の間の温度差を確保するため、有機導電性高分子をバルクの柱形状とする場合には、加工性の観点から素子製造性に課題があった。
　第１実施形態に係る熱電変換モジュール装置１０１によれば、第１高熱伝導体１１と低熱伝導体１２を交互に設ける第１温度差形成層１０を用いているので、熱源からの熱に対し水平方向に温度差を生み出すことができる。これによって、例えば、熱電素子１として印刷プロセスによる薄い有機熱電素子を用いた場合であっても、温度差により充分に高い電位差を得ることができる。しかも、熱電素子１同士を結ぶ配線２は、平面的に熱電素子１に接続すればよいので、例えば、印刷プロセスでも形成することができる。従って、コストを低く抑えることにも貢献できる。
　また、第１実施形態によれば、低弾性の有機フィルム上に高弾性の無機材料を蒸着する方法による熱電素子の形成方法に比して、厚膜化しやすい。このため、設置面に垂直な方向の温度差を活用した熱電変換モジュールとして好適である。また、第１高熱伝導体１１と第１低熱伝導体１２の材料として、線膨脹係数差が小さいものを選定することにより、線膨張係数のミスマッチを防止し、信頼性の高い熱電変換モジュール装置を提供することができる。例えば、第１高熱伝導体１１、第１低熱伝導体１２、熱電素子１の主成分を有機材料で形成することにより、熱膨張係数差を小さくすることによって応力の発生を抑えることができる。その結果、信頼性の高い熱電変換モジュール装置を提供することができる。
　しかも、毒性や環境汚染の懸念があるテルル化合物等の無機材料を用いずに熱電変換モジュール装置を提供できるので、毒性や環境汚染の問題が生じないという優れたメリットがある。さらに、第１高熱伝導体１１と第１低熱伝導体１２の材料として有機材料等の柔軟性の高い材料を選定することにより、フレキシビリティを持つ熱電変換モジュール装置を提供できる。また、第１実施形態によれば、第１高熱伝導体１１を台形形状にすることにより、熱源部からの熱を効率よく取りだすことができる。
　以上より、第１実施形態に係る熱電変換モジュール装置によれば、柔軟な素子構造を有し平面だけでなく曲面構造上にも設置することができ、また製造性、信頼性に優れるのみならず、環境汚染性・毒性を回避することができ、更に熱源部と放熱部の間の温度差を効率よく確保することが可能な構造を有する有機熱電変換モジュール装置を提供することができる。
［第２実施形態］
　次に、第１実施形態の熱電変換モジュール装置とは異なる一例について説明する。なお、以降の図において、既出の要素部材の符号には、同一の番号を付し、適宜その説明を省略する。図２に、第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置の断面図の一例を示す。熱電変換モジュール装置１０２は、図２に示すように、熱源側からの熱流を熱電素子１に伝え、図２中の上方側に放熱されるようになっている。熱電変換モジュール装置１０１は、少なくとも熱電素子１、配線２、基体３、第１温度差形成層１０、第２温度差形成層２０、第１絶縁層３１、第２絶縁層３２を有する。
　第２温度差形成層２０は、第１温度差形成層１０と同様に、水平方向に温度差を生じさせることが可能な層である。第２温度差形成層２０は、熱電素子１側の主面が他方の主面よりも面積が小さい第２高熱伝導体２１と、この隙間に充填された第２低熱伝導体２２が水平方向に交互に配置されている。換言すると、第２高熱伝導体２１は、熱電素子１側の主面が他方の主面側よりも面積が小さくなるように形成されている。また、第２高熱伝導体２１と第２低熱伝導体２２の表面についても、同様に実質的に平面となるように配置されている。第２高熱伝導体２１と第２低熱伝導体２２は、図１Ｃのように、Ｙ方向に延在し、Ｘ方向に交互に配列した構造としたり、アレイ状、チェッカー模様状にしたりすることができる。
　第２高熱伝導体２１の形状は、熱電素子１側の主面が他方の主面よりも面積が小さい形状であれば特に限定されない。一例としては、図２に示すように、断面の熱電素子１側の底辺の長さＬ３が上辺の長さＬ４よりも小さい台形が挙げられる。
　熱電素子１は、第１実施形態と同様に、実質的に、第１高熱伝導体１１を覆うように形成され、かつ、当該第１高熱伝導体１１に隣接する第１低熱伝導体１２まで延在されるように形成されている。さらに、第２実施形態においては、第２高熱伝導体２１は、熱電素子１側の主面が第１低熱伝導体１２と熱電素子１が対向配置されている領域を平面視上、重畳するように形成されている。なお、第２高熱伝導体２１は、熱電素子１側の主面が第１低熱伝導体１２と熱電素子１が対向配置されている領域の少なくとも一部が、平面視上、重畳するように形成されていればよい。第１高熱伝導体１１、第２高熱伝導体２１は、それぞれ短冊状の熱電素子１の第一の端部、第二の端部に接するようにする。これにより、効率的に熱源側と非基体側の温度差を熱電素子の面内の熱起電力に変換することができる。
　第１温度差形成層１０の少なくとも一部が導電体、例えば第１高熱伝導体１１が導電体である場合、第１高熱伝導体１１と、熱電素子１及び配線２との電気的な接触がないよう、これらの間に、例えば図２に示すような第１絶縁膜３１を設ける。同様に、第２温度差形成層２０の少なくとも一部が導電体、例えば第２高熱伝導体２１が導電体である場合、熱電素子１、及び配線２と電気的な接触がないよう、これらの間に、例えば図２に示すような第２絶縁膜３２を設ける。
　第２実施形態に係る第１高熱伝導体１１は、図２中の断面において、互いに底辺が接するように形成されている。換言すると、基体３は、第２低熱伝導体１２と接しておらず、第１高熱伝導体１１のみが基体３の上面と接するようになっている。上記構造により、基体３側からの熱流を、効率的に熱電素子１に伝えることができる。また、第２実施形態に係る第２高熱伝導体２１は、図２中の断面において、互いに上辺が接するようい形成されている。換言すると、第２低熱伝導体２２は、図中の上面に露出しておらず、第２高熱伝導体２１のみが図中の上面に露出するようになっている。上記構造により、第２温度差形成層２０の外側方向により効率的に放熱させることができる。
　第２低熱伝導体２２は、第２実施形態で詳述した第１低熱伝導体１２及びと同様に、熱源部と放熱部の間に生じる設置面に対して垂直方向の温度差を維持し、製造性を向上させるため、低熱伝導性で成型性に優れる材料であることが必要である。第２実施形態における第１低熱伝導体１２及び第２低熱伝導体２２の形状は、図２に示すように櫛歯構造となっている。第２低熱伝導体２２の好ましい材料としては、例えば、第１実施形態の第１低熱伝導体１２の材料例を挙げることができる。第１低熱伝導体１２と第２低熱伝導体２２の材料は、同一であっても異なっていてもよい。
　柔軟性を有する好適な基体３の好ましい一例としては、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、アラミド樹脂、シリコーン樹脂、ＡＢＳ樹脂などの樹脂や、シリコーンゴム、ポリブタジエンゴム等の各種ゴム弾性を有する樹脂が挙げられる。熱電変換モジュール装置１０２の製造性、並びに耐久性を加味すると、基体３は約５０ミクロン以上の厚みがあることが好ましい。また、基体３の厚みは、熱電変換モジュール１０２の柔軟性を損なわず、かつ熱電変換モジュール装置部である熱電素子１に熱源の温度を伝え、更に、第１高熱伝導体１１および第２低熱伝導体１２が交互に形成される層が２層、その上部に形成されることを鑑みると、１ｍｍ以下が好ましい。
　なお、基体３には熱源との熱抵抗を低下させるための層が塗布されていてもよい。基体３の柔軟性は熱源からの熱回収の際の効率を高めることにも貢献することができ、熱電発電性能を高める上で有効である。なお、ここで用いられる基体３は、電気的な絶縁性を有することが必要であるものの、必ずしも単一の有機材料で形成されている必要はない。例えば基体３の線膨張係数を低減し、熱源部からの熱伝導や放熱部での熱流を最適化するため、有機材料に無機フィラーや無機ファイバーが含まれていてもよい。線膨張係数の低減のためにはＳｉフィラーやガラスファイバーを用いることができる。
　第２高熱伝導体２１は、第１高熱伝導体１１と同様に、台形形状に成型可能で、高い熱伝導率を持つ材料、例えば銅、銀、金、アルミ等の金属ナノペースト等がよい。このとき、熱伝導率は、例えば京セラケミカル株式会社製の高熱伝導銀ペースト「ＣＴ２８５」なら、５０Ｗ／ｍｋ程度となり、熱電素子の１０倍～１００倍である。第２低熱伝導体２２については、第１低熱伝導体２１と同様の材料が好ましい例として挙げられる。
　第１絶縁膜３１および第２絶縁膜３２は、絶縁性を有しつつ、第１高熱伝導体１１からの熱を熱電素子１に伝える為に、できるだけ薄いことが求められ、厚みは１μｍ以下が好ましい。薄いことが求められるため、液状のものをスピンコート法等で塗付することが好適である。材料は、エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene）樹脂、ポリベンゾオキサゾール（Polybenzoxazole）樹脂、及びポリノルボルネン樹脂等で形成されている。特に、ポリイミド樹脂及びポリベンゾオキサゾール樹脂は、膜強度、引張弾性率及び破断伸び率等の機械的特性が優れており、高い信頼性を得ることができる。ポリイミドならば、前駆体であるポリアミド酸の液状インクを架橋反応により硬化させることにより層が形成できるため、薄い膜であることが求められる絶縁層１１に特に好適である。
　次に、第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置１０２の製造方法の一例について製造工程断面図を用いつつ説明する。なお、本発明の熱電変換モジュール装置の製造方法は、以下の製造方法の例によって限定されるものではない。
　まず、基体３を用意する。基体は、フレキシブルなフィルム等でもよいし、リジッドな基体でもよい。また、平面形状のほか、曲面形状のものであってもよい。材料は、耐熱性、加工容易性、入手容易性等の観点から、フィルムならポリイミド樹脂など、リジッドな基体ならエポキシ樹脂などが好適である。
　次に、基体３上に未硬化状態の未硬化高熱伝導体１５を塗付する（図３Ａ）。塗付方法は、特に限定されないが、スピンコータ、バーコータ等の機器を用いると、平坦に塗付できるため好適である。未硬化高熱伝導体１５を塗布後、インプリント版８を押し当て、高熱伝導体の３次元形状を固定する（図３Ｂ）。更に、活性光線照射（ＵＶ照射等）または加熱等の硬化方法によって、未硬化高熱伝導体１５を硬化させ、第１高熱伝導体１１とする（図３Ｃ）。
　硬化方法は樹脂の種類に応じて適切なものを選定する。ＵＶ照射により樹脂を硬化させる場合、上部からＵＶ照射する場合にはインプリント版８が、下方からＵＶ照射する場合には基体３がＵＶ透過特性を持つ必要がある。一方、加熱により樹脂を硬化させる場合、適切な温度による加熱を実施する。この場合、図３Ｃのように未硬化高熱伝導体１５にインプリント版８を押し当てた状態で加熱して硬化した第１高熱伝導体１１を得る。その後、インプリント版８は第１高熱伝導体１１から離型させる。従って、インプリント版８には、図３Ｂの段階で予め表面に適切な離型処理を実施しておく必要がある。
　インプリント版８を離型した後（図３Ｄ）、続くプロセスで第１高熱伝導体１１の３次元構造の間に、未硬化状態の低熱伝導体材料１６を埋め込む（図３Ｅ）。埋め込みは、特に限定されないが、例えば高熱伝導体１１の表面に未硬化状態の低熱伝導体材料１６を置き、スキージ等を用いて実施することができる。なお、埋め込みプロセスにおいて、第１高熱伝導体１１が導電体であった場合、第１高熱伝導体１１の上辺に薄く第２低熱伝導体１２によって覆われるようにすることが好ましい。未硬化の低熱伝導体材料１６を硬化させ、第２低熱伝導体１２を得る。
　続いて、第１絶縁膜３１を形成する（図３Ｆ）。第１絶縁膜３１は、特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂、及びポリノルボルネン樹脂等を好適に用いることができる。特に、ポリイミド樹脂、及びポリベンゾオキサゾール樹脂は、膜強度、引張弾性率及び破断伸び率等の機械的特性が優れているため、高い信頼性を得ることができる。ポリイミドならば、前駆体であるポリアミド酸の液状インクを架橋反応により硬化させることにより層が形成できるため、薄い膜であることが求められる第１絶縁膜３１には特に好適である。第１絶縁膜３１の形成は、液状の有機材料であれば、スピンコート法、カーテンコート法、ダイコート法、スプレー法、印刷法等により形成される。スピンコート法、印刷法等が、低コストに薄い膜を形成するためには特に好適である。また、フィルム状の有機材料の場合は、ラミネート法、プレス法やそれぞれに真空状態を付加した製法等により形成される。
　次に、配線２を形成する（図３Ｇ）。形成方法は、特に限定されないが、例えばマイクロコンタクトプロセス、めっき法等が選択できる。マイクロコンタクトプロセスを用いる場合、配線２の材料として、金属ナノインク、金属ペースト等が好適である。めっき法にて配線２を形成する場合、配線２は、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｕなどの金属により構成されており、例えばサブトラクティブ法、セミアディティブ法、フルアディティブ法等の配線形成法により形成する。サブトラクティブ法は、例えば特開平１０－５１１０５号公報に開示されているように、基体又は樹脂上に設けられた銅箔を所望のパターンで形成したレジストをエッチングマスクとし、エッチングを行った後にレジストを除去して所望の配線パターンを得る方法である。セミアディティブ法は、例えば特開平９－６４４９３号公報に開示されているように、無電解めっき、スパッタ法、ＣＶＤ法等で給電層を形成した後、所望のパターンに開口されたレジストを形成し、レジスト開口部内に電解めっきを析出させ、レジストを除去後に給電層をエッチングして所望の配線パターンを得る方法である。フルアディティブ法は、例えば特開平６－３３４３３４号公報に開示されているように、基体又は樹脂の表面に無電解めっき触媒を吸着させた後にレジストでパターンを形成し、このレジストを絶縁層として残したまま触媒を活性化して無電解めっき法により絶縁層の開口部に金属を析出させることで所望の配線パターンを得る方法である。
　更に、熱電素子１を形成する。熱電素子１の形成方法は特に限定されないが、コスト等の観点からは、マイクロコンタクト法等の印刷プロセスが好適である。熱電素子１の材料は、前述のとおり、導体を骨格にもつポリマー、フェニレンビニレンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、アニリンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、ピロールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、アセチレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ヘプタジエンおよびその誘導体を骨格にもつポリマー、フタロシアニン類およびそれらの誘導体、ジアミン類、フェニルジアミン類およびそれらの誘導体、ペンタセンおよびその誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、シアニン、キノン、ナフトキノンなどの低分子が利用され得るが、製造性ならびに大気下での安定性、電荷移動度などの観点から、ポリチオフェンおよびその誘導体が特に有利に使用できる。
　次に、この上に更に第２絶縁膜３２を形成する。第２絶縁膜３２の形成に好適に用いられる材料およびプロセスは、前述の第１絶縁膜３１と同様である。第１絶縁膜３１、第２絶縁膜３２は、同一材料で形成しても、異種材料で形成してもよい。また、それぞれ独立に多層構造としてもよい。続くプロセスで、第２絶縁膜３２上に未硬化の低熱伝導体材料２６を塗付する（図３Ｈ）。塗付方法は、特に限定されないが、スピンコータ、バーコータ等の機器を用いると、平坦に塗付できるため好適である。
　続いて、低熱伝導体の３次元形状を固定するため、インプリント版９を押し当て（図３Ｉ）、更に、ＵＶ照射または加熱等の硬化方法によって、未硬化の低熱伝導体材料２６を硬化させる。これらの工程を経て第２低熱伝導体２２を得る。硬化方法は樹脂の種類によって異なる。上方からＵＶ照射する場合、インプリント版９が、下方からＵＶ照射する場合、下方にある基体３から熱電素子１、配線２の層までの全ての構造が、ＵＶ透過特性を持つ必要がある。低熱伝導体材料２６が加熱により硬化する特性を持つ場合には熱を実施する。未硬化低熱伝導体２６にインプリント版９を押し当てたままの状態で、硬化処理を行って低熱伝導体２２を得る。その後、インプリント版９を低熱伝導体２２から離型させる。このため、予め表面に適切な離型処理を実施しておく必要がある。
　インプリント版９を離型した後、続くプロセスで第２低熱伝導体２２の３次元構造の間に、未硬化の高熱伝導体材（不図示）を埋め込む。埋め込みは、低熱伝導体の表面に未硬化高熱伝導体材（不図示）を置き、スキージ等を用いて実施する。その後、ＵＶ照射、加熱等の方法で未硬化高熱伝導体材を硬化させ、第１高熱伝導体１１を得る。
　次に、上記のようにして得られた熱電変換モジュール装置１０２について、最大の性能が得られる形状の条件について説明する。図４において、第１高熱伝導体１１、第２高熱伝導体２１、熱電素子１のみを具体的に示して説明する。これらの各寸法と、熱電素子１、第１高熱伝導体１１、第２高熱伝導体２１の性能数値を定義して、最大の性能が得られる形状の条件を求める。まず、上辺の長さがｌ１、下辺の長さがｌ２、奥行きｗであることから、下記に示す式のようにして断面が台形形状の高熱伝導体の熱抵抗Θ１を下記数式（１）より求めることができる。式中のＳは第１高熱伝導体１１の水平面の断面積である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｌは、下辺に対する上辺の長さの割合である。また、一つ一つの熱電素子について、熱電変換モジュール装置１０２の熱源側と常温側の温度差ΔＴ，熱電素子のゼーベック係数をＳ、熱電素子の抵抗をＲとすると、最大出力Ｐｍａｘは、次のようにして求められる。なお、式中のΔＴ２は、熱電素子１の両端に発生する温度差である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここでλは、図４に示したとおり、熱電素子の熱伝導率に対する高熱伝導体の熱伝導率の比である。
式中に現れた２ｈｔ／ｌ２ ２は構造に関する本発明における特有の定数であり、以下、「構造定数」と呼ぶ。
Ｐｍａｘが最大値を取るようなｌ，λの数値領域を検討する為に、λ＝１，２，１０，２０．３０，１００，１０００の時のｌ＝０～０．５に対するＰｍａｘのグラフを、構造定数１のとき、０．１のとき、０．０１のときについて、それぞれまとめたのが、図５～図７のグラフである。それぞれの図において、λ＝１，２，１０，２０．３０，１００，１０００のグラフが最大値を取る点を、破線で結んでいる。なお、ここで（Ｓ２ΔＴ２）／（４ｔｗσ２）＝１としている。
　図５～図７のグラフを比較すると、どのグラフにおいても、λ＝１００～１０００のときは、ｌが０に近い位置で、Ｐｍａｘは最大値を取る。しかし、前述のとおり熱電材料の１０００倍もの熱伝導率を持つ有機材料は少なく、容易に入手できるのは、たかだか１０～１００倍程度である。そこで、λが１０～１００倍のグラフで、各図を比較すると、構造定数が０．１、０．０１である、図６、図７のグラフにおいて、Ｐｍａｘの最大値は、ｌ＜０．０５の領域で、Ｐｍａｘ／（（Ｓ２ΔＴ２）／（４ｔｗσ２））＝２程度の、比較的高い値を取ることが分かる。
　構造定数が０．１のとき、例えば、前述のとおり熱電モジュールの全体の厚みを２０００μｍ、基体３の厚みを５０μｍ、とし、熱電素子の厚みを１０μｍとすると、ｈ＝９７０μｍ、ｔ＝１０μｍとなり、ｌ２は約４４０μｍとなる。構造定数が０．０１ならば、ｌ２は同様の計算により、約１４００μｍである。一般に、アスペクト比が１を超えるとインプリント法による３次元構造は作製が難しくなる為、構造定数は０．０１程度が好適である。以上の考察から、構造定数が０．０１未満であれば、構造は容易に形成でき、かつ、λが１０以下の小さい値であっても、ｌ＜０．０５の領域で高い値を取ることが可能であり好適であると結論できる。
　各グラフで、ｌ＝０～０．５の間でＰｍａｘが極大値を取る理由は、効率的に熱流を得るために各熱電素子と台形形状の高熱伝導体の接触面積を大きくすると、必然的に各熱電素子の起電力発生方向の寸法が長くなり、抵抗も大きくなる為である。熱流が効率よく得られることによる熱起電力の増大効果と、各熱電素子の抵抗が大きくなることによるモジュールとしての起電力の減少効果が拮抗した最適な値がＰｍａｘの最大値として現れている。なお、熱電素子の起電力減少効果を低減しつつ、効率的に熱流を得ることを意図した、第１高熱伝導体１１の該台形が左右非対称の図８の説明図に示すような構造も本発明に含まれる。かかる構造においては更に効率的に熱起電力が発生し、より好適となる。
　第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置１０２によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。更に、第２実施形態に係る熱電変換モジュール装置１０２によれば、熱電素子１及び配線２の上部にも第２高熱伝導体２１と第２低熱伝導体２２を交互に配置した第２温度差形成層２０を積層しているので、熱電変換モジュール装置１０２の外側の放熱側（熱源側とは反対側）に熱を効率的に放熱させることができるという優れたメリットがある。すなわち、底面が上面よりも大きい面積を持つ第１高熱伝導体１１がアレイ状または列状に配列され、その間を埋める第１低熱伝導体を熱源側に持つ第１温度差形成層１０と、上面が底面よりも大きい面積を持つ第２高熱伝導体２１がアレイ状または列状に配列され、その間を埋める第２低熱伝導体２２を放熱側に持つ第２温度差形成層２０とを持ち、かつ、第１高熱伝導体１１、第２高熱伝導体２１がそれぞれ短冊状の熱電素子１の第一の端部、第二の端部に接していることで、効率的に熱源側と非基体側の温度差を熱電素子の面内の熱起電力に変換することができる。
［第３実施形態］
　図９に、第３実施形態に係る熱電変換モジュール装置１０３の模式的断面図を示す。図９に示すように、第２温度差形成層２０の高熱伝導体２１の上に放熱フィン４が設けられている。第３実施形態によれば、放熱フィン４を設けることによって熱放射の効率がよくなり、熱電素子パターンの所望の方向に更に熱が流れやすくなる為、好適である。
　第３実施形態に係る熱電変換モジュール装置１０３によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、放熱フィン４を設けることにより熱放射の効率を高め、熱を所望の方向に流しやすくすることができる。
　以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１２年２月１６日に出願された日本出願特願２０１２－０３１６３１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１　　　　熱電素子
２　　　　配線
３　　　　基体
４　　　　放熱フィン
８、９　　インプリント版
１０　　　第１温度差形成層
１１　　　第１高熱伝導体
１２　　　第１低熱伝導体
１５　　　第１高熱伝導体材料
２０　　　第２温度差形成層
２１　　　第２高熱伝導体
２２　　　第２低熱伝導体
２６　　　第２低熱伝導体材料
３１　　　第１絶縁膜
３２　　　第２絶縁膜
１０１～１０３　　熱電変換モジュール装置

Claims (9)

  1. 　水平方向に温度差を生じさせる第１温度差形成層と、
    　前記第１温度差形成層上に形成された熱電素子と、
    　前記熱電素子間を接続する配線と、を備え、
    　前記第１温度差形成層は、前記熱電素子側の主面が他方の主面よりも面積が小さい第１高熱伝導体と、この隙間に充填された第１低熱伝導体とが、水平方向に交互に形成され、
    　前記熱電素子は、前記第１高熱伝導体の少なくとも一部を覆うように形成され、かつ、当該第１高熱伝導体に隣接する前記第１低熱伝導体まで延在されるように形成されている熱電変換モジュール装置。
  2. 　前記熱電素子、及び前記配線の上層に、さらに、水平方向に温度差を生じさせる第２温度差形成層が形成されており、前記第２温度差形成層は、前記熱電素子側の主面が他方の主面よりも面積が小さい第２高熱伝導体と、この隙間に充填された第２低熱伝導体とが、水平方向に交互に形成されており、
    　前記第２高熱伝導体の前記熱電素子側の主面の少なくとも一部が、前記第１低熱伝導体と前記熱電素子が対向配置されている領域と平面視上、重畳するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール装置。
  3. 　前記第１高熱伝導体と前記第２高熱伝導体の断面形状が台形であることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール装置。
  4. 　前記熱電素子と前記第１温度差形成層、及び前記熱電素子と前記第２温度差形成層の間の少なくとも一方に、電気的絶縁性を確保するための絶縁層が配設されている請求項２又は３に記載の熱電変換モジュール装置。
  5. 　前記第２温度差形成層は、前記熱電素子が形成されている側とは反対側の主面において、前記第２高熱伝導体のみが露出するように形成されていることを特徴とする請求項２～４のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール装置。
  6. 　前記第２温度差形成層は、その上面に放熱するためのフィン構造が配設されていることを特徴とする請求項２～５のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール装置。
  7. 　前記第１温度差形成層の下層に基体が形成されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール装置。
  8. 　前記第１温度差形成層は、前記第１高熱伝導体のみが前記基体に接触していることを特徴とする請求項７に記載の熱電変換モジュール装置。
  9. 　請求項１～８のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール装置を搭載した電子機器。
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