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KR-20260061160-A - 열전 변환 소자, 열전 변환 모듈 및 열전 변환 방법

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Abstract

본 발명의 열전 변환 소자(200)는, 제1 방향을 따른 열류H의 입력에 대해 비선형의 열전 응답 특성을 갖는 열전 변환부(202)와, 제1 방향을 따라서 외부로부터 열전 변환부(202)에 입력된 열류H에 기인하여 열전 변환부(202)에서 발생한 열전 신호J N 를 취출하기 위한 전극부(207a, 207b)를 구비한다.

Inventors

  • 오카모토, 사토시
  • 사이토, 에이지
  • 깃카와, 다카시
  • 히라타, 유야

Assignees

  • 도꾜 다이가꾸
  • 스미또모 가가꾸 가부시키가이샤

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240830
Priority Date
20230831

Claims (8)

  1. 제1 방향을 따른 열류의 입력에 대해 비선형의 열전 응답 특성을 갖는 열전 변환부와, 상기 제1 방향을 따라서 외부로부터 상기 열전 변환부에 입력된 열류에 기인하여 상기 열전 변환부에서 발생한 열전 신호를 취출하기 위한 전극부 를 구비하는, 열전 변환 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전 변환부는, 공간 반전 대칭성의 깨짐에 기초한 비상반 전도를 나타내고, 상기 전극부로서, 상기 열전 변환부에 서로 이격되어 마련된, 비상반 열전 신호를 취출하기 위한 한 쌍의 전극을 구비하는, 열전 변환 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 열전 변환부가, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라서 서로 적층된 강자성 금속층 및 상자성 금속층을 포함하는 열전 변환층이며, 상기 한 쌍의 전극이, 상기 열전 변환층에 상기 열전 변환층의 면 내 방향으로 상기 제1 방향을 따라서 서로 이격되어 마련되어 있는, 열전 변환 소자.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극의 이격 거리가 0.1㎛ 이상, 1000㎛ 이하인, 열전 변환 소자.
  5. 제3항에 있어서, 상기 상자성 금속층이 단층 또는 적층된 복수의 층을 포함하고, 상기 상자성 금속층의 상기 단층 또는 상기 적층된 복수의 층의 각각이 Pt, Pd, W, AuW 합금, Ta, CuIr 합금, CuBi 합금, BiSb 합금, 또는 BiSe 합금으로 구성되는, 열전 변환 소자.
  6. 제3항 혹은 제5항, 또는 제3항에 종속되는 경우의 제4항에 있어서, 상기 강자성 금속층이 단층 또는 적층된 복수의 층을 포함하고, 상기 강자성 금속층의 상기 단층 또는 상기 적층된 복수의 층의 각각이 Ni-Fe 합금, Fe, Co, Ni, Gd, CoFeB 합금, 또는 (Ga,Fe)Sb 합금으로 구성되어 있는, 열전 변환 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 열전 변환 소자를 복수 구비하고, 복수의 상기 열전 변환 소자는, 각 열전 변환 소자로부터의 열전 신호가 동일 극성으로 중첩 가능하도록 서로 전기적으로 접속되어 있는, 열전 변환 모듈.
  8. 공간 반전 대칭성의 깨짐에 기초한 비상반 전도를 나타내는 열전 변환부에, 교류 성분을 포함하는 온도 구배를 인가하는 스텝과, 상기 열전 변환부가, 상기 교류 성분을 포함하는 온도 구배를 열전 변환하여 비상반 열전 신호를 생성하는 스텝 을 갖는 열전 변환 방법.

Description

열전 변환 소자, 열전 변환 모듈 및 열전 변환 방법 본 발명은, 열전 변환 소자, 열전 변환 모듈, 열전 변환 방법 및 요동 검지 센서에 관한 것이다. 몸 주위에 있는 다양한 형태의 에너지를 회수하여, 전기 에너지로 변환하는 에너지 하비스트(환경 발전) 기술이 주목받고 있다. 그러한 기술을 실현하는 것으로서, 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 제벡 효과를 이용한 열전 변환 소자나, 비특허문헌 1, 2에 기재된 바와 같은 스핀 제벡 효과를 이용한 열전 변환 소자가 알려져 있다. 또한, 물질의 특정한 주파수, 온도, 전류값 등의 물리량을 측정함으로써, 대상물의 고장, 사고 또는 열화 등(예를 들어 디바이스의 고장, 건축물의 열화, 또는 생체의 건강 이상 등)을 검지하는 검지기나 센서가 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 2에는, 화재의 발생을 검지하는 화재 검지 장치가 기재되어 있다. 이 화재 검지 장치는, 감시 에어리어에서 발생하는 소리를 음향 데이터로서 수음하는 마이크와, 마이크로 수음된 음향 데이터를 주파수 해석함으로써 주파수 스펙트럼을 산출하는 주파수 해석부와, 주파수 해석부에서 산출된 주파수 스펙트럼에 관해서 정재파 이하의 주파수 대역에 있어서 1/f 요동 특성이 포함되어 있는지의 여부를 판정하고, 1/f 요동 특성이 포함되어 있다고 판정한 경우에는 감시 에어리어에서 불꽃이 발생한 것을 검지하는 불꽃 검지부를 구비하고 있다. 도 1은 제1 실시 형태에 관한 열전 변환 소자를 도시하는 사시도이다. 도 2는 제1 실시 형태에 관한 열전 변환 소자의 단면도이다. 도 3은 제1 실시 형태에 관한 열전 변환 방법의 공정을 나타내는 공정도이다. 도 4는 열전 변환 소자를 사용한 열전 변환 모듈의 구성을 도시하는 사시도이다. 도 5는 비상반 열전 신호를 측정하는 실험 방법을 도시하는 개략도이다. 도 6은 비상반 열전 신호를 측정하는 실험의 측정 결과를 도시하는 도면이다. 도 7은 제2 실시 형태에 관한 요동 검지 센서를 도시하는 사시도이다. 도 8은 제2 실시 형태에 관한 요동 검지 센서의 단면도이다. 도 9는 제2 실시 형태에 관한 에너지 변환 방법의 공정을 나타내는 공정도이다. 도 10은 요동 검지 센서를 사용한 요동 검지 센서 모듈의 구성을 도시하는 사시도이다. 도 11은 실시예 3의 비상반 전압 신호JN1를 측정하는 실험 방법을 도시하는 개략도이다. 도 12는 실시예 3의 실험의 측정 결과를 도시하는 도면이다. 도 13은 실시예 4의 비상반 전압 신호JN1를 측정하는 실험 방법을 도시하는 개략도이다. 도 14는 실시예 4의 실험의 측정 결과를 도시하는 도면이다. 이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서, 가능한 경우에는 동일 요소에는 동일 부호를 사용한다. 또한, 도면 중 구성 요소 내 및 구성 요소간의 치수비는, 도면의 시인성을 위해, 각각 임의로 되어 있다. (제1 실시 형태) 도 1은, 제1 실시 형태에 관한 열전 변환 소자를 도시하는 사시도이며, 도 2는, 제1 실시 형태에 관한 열전 변환 소자의 단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 열전 변환 소자(200)는, 기판(201)과, 열전 변환부로서의 열전 변환층(202)과, 전극부로서의 한 쌍의 전극(207a, 207b)을 구비한다. 기판(201)은, 예를 들어 도 1에 도시하는 바와 같이 판상 또는 필름상의 부재이며, 대략 평탄한 표면(201S)을 갖는다. 표면(201S)은, 예를 들어 도 1에 도시하는 바와 같이 Z축 방향에서 볼 때 직사각형상이다. 기판(201)은, 표면(201S) 위에 열전 변환층(202)을 적층하기 위한 부재이다. 기판(201)을 구성하는 재료로서는, 예를 들어 Au, Ag, Cu 및 Al 등의 금속, 실리콘, 사파이어, SiC, GaN, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 그리고 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 등의 수지를 들 수 있다. 또한, 도 1 및 도 2에 있어서는, 직교 좌표계C를 나타내고 있고, 기판(201)의 두께 방향으로 Z축을 설정하고, 기판(201)의 표면(201S)의 직사각형의 긴 변 방향 및 짧은 변 방향으로 각각 X축 및 Y축을 설정하고 있다. 이후의 도면에 있어서도 필요에 따라서 직교 좌표계C를 나타내고 있다. 열전 변환층(202)은, Z축 방향(제2 방향)을 따라 서로 적층된 단층의 강자성 금속층(203) 및 단층의 상자성 금속층(205)을 갖고, 본 실시 형태에서는 기판(201)의 표면(201S) 위에 강자성 금속층(203)이 적층되고, 강자성 금속층(203) 위에 상자성 금속층(205)이 적층되어 있다. 강자성 금속층(203)은, 열전 변환 소자(200)의 사용 환경에서의 온도에 있어서 강자성을 나타내는 금속으로 구성되어 있다. 강자성 금속층(203)은, 실온(300K 정도)에서 강자성을 나타내는 금속으로 구성되어 있는 것이 바람직하고, 이 관점에서 Fe, Co, Ni, Gd, 또는 그들의 적어도 하나를 포함하는 합금으로 구성되어 있는 것이 바람직하고, Ni-Fe 합금, Co, 또는 CoFeB로부터 구성되어 있는 것이 특히 바람직하다. 열전 변환층(202)은, 예를 들어 평면으로 볼 때(즉, Z축 방향에서 볼 때) X축 방향을 따른 긴 변 및 Y축 방향을 따른 짧은 변을 갖는 직사각형상이다. 강자성 금속층(203)의 두께는, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 1nm 이상, 100nm 이하로 할 수 있다. 상자성 금속층(205)은, 열전 변환 소자(200)의 사용 환경에서의 온도에 있어서 상자성을 나타내는 금속으로 구성되어 있고, 실온(300K)에서 상자성을 나타내는 금속으로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 상자성 금속층(205)은, 후술하는 상자성 금속층(205) 내에서의 스핀 네른스트 효과를 높게 하기 위해서 스핀 궤도 상호 작용이 높은 상자성 금속으로 구성되어 있는 것이 바람직하고, 이 관점에서 Pt, Pd, W, AuW 합금, Ta, CuIr 합금, CuBi 합금, BiSb 합금, 또는 BiSe 합금으로 구성되어 있는 것이 바람직하고, 특히 Pt으로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 상자성 금속층(205)의 두께는, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 1nm 이상, 100nm 이하로 할 수 있다. 열전 변환층(202)은, 공간 반전 대칭성의 깨짐에 기초한 비상반 전도를 나타낸다. 구체적으로는, 강자성 금속층(203)의 표면에 상자성 금속층이 마련되어 있지만, 강자성 금속층(203)의 이면에는 마찬가지의 상자성 금속층은 마련되어 있지 않고, 또한, 상자성 금속층(205)의 이면에 강자성 금속층이 마련되어 있지만, 상자성 금속층(205)의 표면에는 마찬가지의 강자성 금속층은 마련되어 있지 않다. 그 때문에, 열전 변환층(202)은, Z축 방향을 따라서 공간 반전 대칭성이 깨진 구조를 갖고 있다. 열전 변환층(202)은, XY 평면에 따른 방향으로는, 실질적으로 공간 반전 대칭성을 갖고 있다. 그리고 열전 변환층(202)은, 이 Z축 방향을 따른 공간 반전 대칭성의 깨짐에 기인하여 면 내(XY 평면 내) 방향의 전기 전도율에 대해서 비상반성을 보인다. 이에 의해, 열전 변환층(202)은, 후술하는 바와 같이 면 내(XY 평면 내) 방향 중 하나(본 실시 형태에서는, 제1 방향으로서의 X축 방향)를 따른 열류H의 입력에 대해 비선형의 열전 응답 특성을 갖는다. 한 쌍의 전극(207a, 207b)은, 열전 변환층(202)에 열전 변환층(202)의 면 내(XY 평면 내) 방향으로 서로 이격되어 마련되어 있다. 한 쌍의 전극(207a, 207b)은, 후술하는 바와 같이 면 내(XY 평면 내) 방향 중 하나를 따라 외부로부터 열전 변환층(202)에 입력된 열류H에 기인하여 열전 변환층(202)에서 발생한 열전 신호JN를 취출하기 위해서 마련되어 있다. 본 실시 형태에서는, 한 쌍의 전극(207a, 207b)은, 강자성 금속층(203)에 접하지 않도록 상자성 금속층(205)에 마련되어 있고, 상자성 금속층(205)의 강자성 금속층(203)과는 반대측의 표면(205S)에 마련되어 있다. 한 쌍의 전극(207a, 207b)은, 상자성 금속층(205)의 면 내(XY 평면 내) 방향 중 하나인 X축 방향을 따라서 서로 이격되어 있다. 한 쌍의 전극(207a, 207b)은, 후술하는 바와 같이 열전 변환층(202)으로부터 비상반 열전 신호를 취출하는 것이 가능한 도전율을 갖는 재료로 구성되어 있다. 그러한 재료로서는, 예를 들어 Cu, Ag, Au, Pt, Ni, Al, 콘스탄탄, Cr, In, Pd, Fe, Cu 합금, Ti/Au 적층 및 Cr/Au 적층 등의 금속 재료, 산화인듐주석(ITO) 및 산화아연(ZnO) 등의 도전성 산화물을 들 수 있고, Cu, Ag, Au, Pt, Ni, Al, 콘스탄탄 및 Cu 구리 합금이 바람직하고, Cu, Au, Ag, Pt, Ni, Ti/Au 적층 및 Cr/Au 적층이 특히 바람직하다. 한 쌍의 전극(207a, 207b)의 두께는, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 10nm 이상, 1㎛ 이하로 할 수 있다. 한 쌍의 전극(207a, 207b)간의 X축 방향을 따른 이격 거리(D207)는, 0.1㎛ 이상, 1000㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 본 실시 형태의 열전 변환 소자(200)는, 강자성 금속층(203)과 접하도록 마련되어 있는, 전기적으로 절연성의 자성 재료를 포함하는 층을 구비하고 있어도 되고, 그러한 절연성의 자성 재료를 포함하는 층을 구비하고 있지 않아도 된다. 이러한 열전 변환 소자(200)를 제조하기 위해서는, 예를 들어 기판(201)을 준비하고, 그 표면(201S) 위에 DC 마그네트론 스퍼터링법 등의 물리적 기상 성장법으로 강자성 금속층(203)을 구성하기 위한 재료 및 상자성 금속층(205)을 구성하기 위한 재료를 이 순으로 퇴적해서 적층체를 형성하고, 포토리소그래피법 및 리프트오프법에 의해 당해 적층체를 평면으로 볼 때 직사각형상이 되도록 패터닝해서 열전 변환층(202)을 형성한다. 그 후, 상자성 금속층(205)의 표면