(57)【要約】【課題】液体の気化による冷却効果を容易に利用可能な熱電変換技術を提供する。【解決手段】熱電変換装置１０は、スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果の少なくとも一方を発現する熱電変換層１００を備える。そして、熱電変換層１００には、複数の流路１２０が設けられている。複数の流路１２０は、たとえばそれぞれ熱電変換層１００を厚さ方向に貫通する貫通孔である。熱電変換装置１０に設けられた流路１２０は、第１の面１０１側から第２の面１０２側へ液体を誘導する。そして、第２の面１０２側で液体が気化する際に潜熱が奪われ、温度が低下する。【選択図】図１
2020047615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果の少なくとも一方を発現する熱電変換層を備え、
前記熱電変換層には、複数の流路が設けられている熱電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電変換装置において、
前記複数の流路は、それぞれ前記熱電変換層を厚さ方向に貫通する貫通孔である熱電変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の熱電変換装置において、
前記貫通孔の円相当径は１ｍｍ以下である熱電変換装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換層を覆う絶縁膜をさらに含む熱電変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載の熱電変換装置において、
前記絶縁膜の少なくとも一部の表面は親水性を有する熱電変換装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の熱電変換装置において、
前記絶縁膜のうち、前記熱電変換層の第１の面を覆う領域の少なくとも一部の表面は、親水性を有さない熱電変換装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換層の一方の面側に設けられた放熱手段をさらに備え、
前記放熱手段は、凹部および凸部の少なくとも一方を複数有する熱電変換装置。
【請求項８】
請求項７に記載の熱電変換装置において、
前記放熱手段は、起毛構造を有する熱電変換装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の熱電変換装置において、
前記放熱手段の表面は親水性を有する熱電変換装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
フレキシブル性を有する熱電変換装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換層は、磁性および電気伝導性を有する第１の材料を含む第１の層からなる熱電変換装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の熱電変換装置において、
前記第１の材料は、磁性遷移金属および磁性遷移金属を含む合金のうち少なくともいずれかである熱電変換装置。
【請求項１３】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換層は、第２の層と、前記第２の層よりも電気伝導性が高い第３の層との積層構造を含む熱電変換装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の熱電変換装置において、
前記第２の層は磁性体材料を含み、
前記第３の層は逆スピンホール効果を発現する材料を含む熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換技術の一つとして、スピントロニクスを用いた技術の開発が進められている。この様な技術では、磁性材料中に存在しうるスピンの自由度や、スピンが担うエネルギー流であるスピン流を活用することによって、熱電変換素子が相互変換する熱流と電流とが互いに直交するという特徴を、熱電変換素子に付与することができる。一方、磁性を使わない熱電変換素子では、熱流と電流とが平行な配置を取る必要がある。このことにより、素子構造上の制約や、変換効率への原理的な制約が生じることが知られている。スピンを用いた熱電変換技術では、これらの制約が存在しないことが利点であるといえる。
【０００３】
特許文献１には、磁性ワイヤが埋め込まれた絶縁体シート層と、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された起電層を備えるフレキシブルな熱電変換素子が記載されている。
【０００４】
特許文献２には、磁性体と起電体との接合面が凹凸を有する熱電変換素子が記載されている。
【０００５】
特許文献３には、逆スピンホール効果を利用したフレキシブルな熱電変換素子が記載されている。
【０００６】
特許文献１から３に開示されている特性は、スピンやスピン流を用いることにより得られるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１５４８５２号公報
【特許文献２】国際公開第２０１３／０４７２５６号
【特許文献３】国際公開第２０１４／０８７７４９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１から３の技術は、液体の気化による冷却効果を容易に利用できるものではなかった。たとえば、特許文献１から３の技術では、液体の気化で潜熱が奪われることによる冷却を行おうとする場合、熱電変換素子の一方の面に、適度な量の液体を別途供給する必要があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、液体の気化による冷却効果を容易に利用可能な熱電変換技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の熱電変換装置は、
スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果の少なくとも一方を発現する熱電変換層を備え、
前記熱電変換層には、複数の流路が設けられている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、液体の気化による冷却効果を容易に利用可能な熱電変換技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る熱電変換装置の構成を例示する断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る熱電変換装置の構成を例示する斜視図である。
【図３】第２の実施形態に係る熱電変換装置の構成を例示する断面図である。
【図４】第３の実施形態に係る熱電変換装置の構成を例示する断面図である。
【図５】第３の実施形態に係る熱電変換層における熱電変換について説明するための図である。
【図６】第３の実施形態に係る熱電変換装置の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る熱電変換装置１０の構成を例示する断面図である。また、図２は、第１の実施形態に係る熱電変換装置１０の構成を例示する斜視図である。図１は、図２のＡ−Ａ断面図である。本実施形態に係る熱電変換装置１０は、スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果の少なくとも一方を発現する熱電変換層１００を備える。そして、熱電変換層１００には、複数の流路１２０が設けられている。以下に詳しく説明する。
【００１５】
本実施形態に係る熱電変換装置１０は、スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果の少なくとも一方を利用する装置である。スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果については後述する。熱電変換装置１０では、熱電変換層１００の第１の面１０１と第２の面１０２との間の温度差に応じた起電力が生じる。たとえば第１の面１０１は高温面であり、第２の面１０２は高温面よりも低温とする低温面である。熱電変換装置１０に設けられた流路１２０は、第１の面１０１側から第２の面１０２側へ液体を誘導する。そして、第２の面１０２側で液体が気化する際に潜熱が奪われ、温度が低下する。そうすることにより、第１の面１０１と第２の面１０２との間に温度差が生じ、起電力が生じる。第１の面１０１および第２の面１０２に垂直な方向を以下では第１の方向とも呼ぶ。
【００１６】
図１および図２の例において、熱電変換層１００の厚さ方向に平行で、第１の面１０１側から第２の面１０２側に向かう方向を＋ｚ方向とする。すなわち、＋ｚ方向は第１の方向である。また、＋ｘ方向および＋ｙ方向は、それぞれ＋ｚ方向に垂直であり、すなわち、熱電変換層１００の表面に平行である。なお、「＋ｘ方向」、「＋ｙ方向」および「＋ｚ方向」をそれぞれ、以下では単に「ｘ方向」、「ｙ方向」および「ｚ方向」とも呼ぶ。
【００１７】
熱電変換装置１０は第１の面１０１が設置面に対向するように、設置面に接触させて用いられることが好ましい。設置面は、液面、または少なくとも一時的に水分等の液体成分を表面に有する面が好ましい。また、設置面は、面下に湿気を含んだ面であっても良い。設置面としては、たとえば、生体の肌の表面、植物の表面、地面、屋根の上面、壁面、土壌の表面、および水面等が挙げられる。また、設置面はある程度温かいことが好ましい。たとえば、発電量の観点から、設置面の温度と環境の温度（気温等）との差が１℃以上であることが好ましく、１０℃以上であることがより好ましい。
【００１８】
熱電変換装置１０はたとえば全体としてシート状または板状である。また、熱電変換装置１０はフレキシブル性を有することが好ましい。ここで、フレキシブル性を有するとは、たとえば曲率半径１ｃｍで曲げても破断や亀裂が生じない程度にフレキシブルであることをいう。熱電変換装置１０のｚ方向の厚さは特に限定されないが、強度の確保の観点から１０μｍ以上であることが好ましく、起電力および出力電力の増大の観点から５０μｍ以上であることがより好ましい。また、熱電変換装置１０のｚ方向の厚さは、流路１２０で液体を効果的に誘導する観点から５ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以下であることがより好ましい。一方、熱電変換装置１０のｚ方向の厚さは、フレキシブル性を高める観点から２００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。
【００１９】
熱電変換装置１０のフレキシブル性を高める観点においては、熱電変換装置１０の厚さを部分的に薄くすることや、熱処理などの材料特性の制御手法を施すことなど、構造、材料設計上の施策を講じることができる。熱電変換層１００はたとえば、平行に並んだ複数のライン状の薄い部分を有しても良い。薄い部分の熱電変換層１００の厚さは、熱電変換層１００の平均厚さよりも小さくなっている。このような熱電変換層１００を有する熱電変換装置１０では、熱電変換装置１０を湾曲させる際、この薄い部分で優先的に曲がることにより、全体として高いフレキシブル性が得られる。
【００２０】
熱電変換層１００は、熱エネルギーと電気エネルギーとの変換が行われる層である。熱電変換層１００の厚さはたとえば熱電変換能力の観点から１０ｎｍ以上であることが好ましい。熱電変換層１００は単層構造であっても良いし、多層構造であっても良い。熱電変換装置１０がシート状または薄板状である場合、熱電変換層１００の厚さは１ｃｍ以下であることが好ましい。そうすれば、熱電変換装置１０の扱いや発電を行う場所への設置が容易になり、また、熱電変換装置１０を重ねて用いることで単位面積当たりの発電出力を高めることも可能である。
【００２１】
本実施形態において、熱電変換層１００は、磁性および電気伝導性を有する第１の材料を含む第１の層１１１からなる。第１の層１１１の厚さはたとえば１ｎｍ以上１００μｍ以下である。また、第１の層１１１の厚さは第１の層１１１を構成する材料が持つスピン拡散長程度が好ましい。たとえば、第１の層１１１がＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の磁性金属からなる場合、第１の層１１１の厚さは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。第１の層１１１がＰｔからなる場合、第１の層１１１の厚さは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。第１の層１１１がＡｕまたはＣｕからなる場合、第１の層１１１の厚さは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。第１の層１１１の厚さは材料に依存して調整することができる。また、第１の層１１１が結晶粒界などの界面を含む場合、結晶粒の平均粒径は、結晶粒におけるスピン拡散長の０．８倍以上１．２倍以下であることが好ましく、第１の層１１１の厚さはこのスピン拡散長よりも大きいことが好ましい。第１の材料は、強磁性、フェリ磁性、または反強磁性等の磁性を有する。また、第１の材料は、電気伝導性を有する。第１の材料の電気伝導率はたとえば１０４Ｓ／ｍ以上である。
【００２２】
第１の材料は、たとえば磁性遷移金属および磁性遷移金属を含む合金のうち少なくともいずれかである。磁性遷移金属はたとえば、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉ等の３ｄ軌道の電子を有する遷移金属である。すなわち、第１の材料は、磁性遷移金属としてＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群から選択される一以上を含むことが好ましい。第１の層１１１は第１の材料以外の材料をさらに含んでも良いが、第１の層１１１は不可避に含まれる不純物等を除き第１の材料のみからなってもよい。
【００２３】
また、熱電変換層１００は、第１の方向に垂直な方向に、配向した磁化または磁気モーメント成分を有する。図２の例において、熱電変換層１００は＋ｘ方向または−ｘ方向に磁化されている。
【００２４】
熱電変換層１００における熱電変換について以下に説明する。熱電変換層１００の第１の面１０１を高温側、第２の面１０２を低温側としたとき、第１の面１０１と第２の面１０２との間に温度差が生じることにより、熱電変換層１００には＋ｚ方向に熱流が生じる。そして、熱電変換層１００の第１の面１０１と第２の面１０２との間に定常的に温度差が生じる状態となったとき、熱電変換層１００には熱流方向と磁化方向の両方に直交する方向、すなわち＋ｙ方向または−ｙ方向に異常ネルンスト効果による熱起電力が生じる。なお、異常ネルンスト効果による熱起電力は、熱電変換層１００を構成する材料に依存して符号が変わる性質を有する。
【００２５】
また、熱電変換層１００は、第１の材料と第２の材料との界面を有しても良い。この場合、たとえば熱電変換層１００は第１の材料と第２の材料のコンポジット構造とすることができる。第２の材料は、第１の材料よりも電気伝導率が低く、たとえば酸化物磁性体である。第２の材料としてはたとえば、ガーネット構造またはスピネル構造を有する酸化物磁性体が挙げられる。ガーネット構造を有する酸化物磁性体としてはイットリウム鉄ガーネット（Yttrium Iron Garnet、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２：ＹＩＧ）等が挙げられる。スピネル構造を有する酸化物磁性体としては、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）およびＭＦｅ２Ｏ４で表される組成を有するスピネルフェライト材料等が挙げられる。ここで、ＭＦｅ２Ｏ４におけるＭは金属元素であり、Ｎｉ、Ｚｎ、およびＣｏの少なくともいずれかを含む。また、酸化物磁性体には元素置換やドーピングがされていても良い。ドーピング元素としてはたとえばビスマス（Ｂｉ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ランタン（Ｌａ）等が挙げられる。
【００２６】
第２の材料は絶縁性であり得るが、弱い電気伝導性を有してもよい。たとえばマグネタイト、または、その他のガーネット構造もしくはスピネル構造を持つ酸化物磁性体に対して元素置換を施した材料は、弱い電気伝導性を有する場合がある。
【００２７】
この様に熱電変換層１００の内部に粒界や異種材料が隣り合う界面などが存在する場合、得られる起電力には、異常ネルンスト効果だけではなく、スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果とを介して生じる熱起電力が含まれる。これは、磁性体中の界面を突き抜ける熱流が存在した場合、スピンゼーベック効果に起因して界面にスピン蓄積が生じ、スピン流が生成することによる。また、磁性体材料には有意なスピンホール角が存在することから、逆スピンホール効果によってスピン流が熱起電力に変換されるためである。このとき、異常ネルンスト効果の符号、すなわち起電力の向きが、材料に依存して正負どちらかに決まるのと同様に、逆スピンホール効果についても、正負が材料に依存して決まるという性質がある。ただし、起電力を最大化するための条件として、符号が揃っている必要は無い。２つの効果が共存する場合、両者を組み合わせた結果として最大の起電力が得られることがより好ましい。
【００２８】
複数の流路１２０は、たとえばそれぞれ熱電変換層１００を厚さ方向（第１の方向）に貫通する貫通孔である。また、図１および図２の例において流路１２０は熱電変換装置１０全体を熱電変換層１００の厚さ方向に貫通している。貫通孔の形状は特に限定されず、円形や多角形等であり得る。貫通孔の大きさは特に限定されないが、貫通孔の円相当径はたとえば１ｍｍ以下である。そうすれば、設置面からの液体が、毛細管現象によって流路１２０に取り込まれ、第２の面１０２側に効率よく誘導される。なお、後述するように熱電変換層１００が絶縁膜１４０で覆われている場合、貫通孔の円相当径とは、絶縁膜１４０の表面を内壁とした孔の円相当径である。
【００２９】
貫通孔は熱電変換層１００の一部の領域にのみ設けられていても良いが、後述する第１の電極１６１および第２の電極１６２が設けられている部分を除いて全体に設けられていることが好ましい。貫通孔の密度は、特に限定されないが、熱電変換層１００の第１の面１０１全体の面積に対して１個／ｃｍ２以上１００００個／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【００３０】
なお、流路１２０は、熱電変換装置１０の全体を貫通していなくても良い。たとえば熱電変換装置１０の第１の面１０１側または第２の面１０２側の表面に、流路１２０の開口を覆い液体が含浸可能な含浸膜が設けられている場合、液体が流路１２０を通過する前または後にその含浸膜に吸収されるような構成であっても良い。含浸膜はたとえば紙や不織布である。
【００３１】
熱電変換層１００には第１の電極１６１および第２の電極１６２が電気的に接続されている。熱電変換層１００で生じた起電力は第１の電極１６１および第２の電極１６２を介して熱電変換装置１０の外部に取り出される。第１の電極１６１および第２の電極１６２は、熱電変換層１００のうちｙ方向の両端近傍に設けられている。図２の例において、第１の電極１６１および第２の電極１６２はいずれもｘ方向の中心位置に設けられているが、第１の電極１６１および第２の電極１６２は熱電変換層１００の対角に設けられていても良い。
【００３２】
本実施形態において、熱電変換装置１０は熱電変換層１００を覆う絶縁膜１４０をさらに含む。絶縁膜１４０はたとえば樹脂膜である。樹脂膜としてはたとえばポリオレフィン、ポリアミド、ポリウレタン、芳香環系樹脂、フッ素樹脂等が挙げられる。絶縁膜１４０はたとえば、熱電変換層１００のうち第１の電極１６１および第２の電極１６２が設けられた部分を除く全体を覆っていることが好ましい。絶縁膜１４０により、熱電変換層１００からの電流リークを防ぐことができる。また、絶縁膜１４０により熱電変換層１００を汚染や損傷から保護することができる。絶縁膜１４０の厚さはたとえば１μｍ以上１００μｍ以下である。
【００３３】
絶縁膜１４０の少なくとも一部の表面は親水性を有することが好ましい。そうすれば、熱電変換装置１０の第２の面１０２側の面に効果的に水分を行き渡らせ、第２の面１０２の冷却を図ることができる。特に少なくとも流路１２０の内壁および流路１２０の開口周囲において絶縁膜１４０の表面は親水性を有することが好ましい。なお、流路１２０の開口周囲とは、たとえば開口から０．５ｍｍ以下の範囲である。また、絶縁膜１４０の表面は全体が親水性を有していても良い。また、絶縁膜１４０の第２の面１０２を覆う部分の表面は親水性を有することが好ましい。そうすれば、第２の面１０２全体に水分が行き渡りやすくなる。
【００３４】
親水性を有する表面の例としては、親水性を有する材料からなる表面、および親水処理が施された表面等が挙げられる。親水性を有する絶縁膜１４０の表面の材料としてはポリオレフィン、ポリアミド、ポリビニル樹脂等の樹脂、および無機酸化物等が挙げられる。絶縁膜１４０は全体がこれらのいずれかの材料で形成されていても良いし、絶縁膜１４０の表面の少なくとも一部がこれらのいずれかの材料で被覆されていても良い。親水処理の例としては親水基の修飾処理、表面に微細な凹凸構造を施すことで親水性を高める処理等が挙げられる。
【００３５】
親水性を有する表面において、水の接触角はたとえば９０°以下である。
【００３６】
一方、熱電変換装置１０を水面で使用する様な場合、絶縁膜１４０のうち、熱電変換層１００の第１の面１０１を覆う領域の少なくとも一部の表面は、親水性を有さないことが好ましい。そうすれば、水面に熱電変換装置１０を浮かべて用いることができる。流路１２０での水の誘導との両立の観点から、たとえば絶縁膜１４０の第１の面１０１側の表面のうち流路１２０の開口周囲以外の領域が親水性を有さないことが好ましい。ただし、熱電変換装置１０を水面以外で使用する場合、絶縁膜１４０の第１の面１０１側の表面の全体が親水性を有していても良い。そうすれば、第１の面１０１側の水分を効率よく流路１２０に誘導することができる。
【００３７】
なお、熱電変換装置１０はさらに保護層、磁化安定層等を含んでも良い。
【００３８】
熱電変換装置１０の製造方法の例について以下に説明する。まず、熱電変換層１００として第１材料からなるシートを準備し、パンチングまたはエッチングで流路１２０を形成する。次いで、シートを、面内の一方向に磁化する。そして、シートの、磁化方向に直交する方向の両端に第１の電極１６１および第２の電極１６２を設ける。次いで、絶縁膜１４０でシートを覆う。なお、流路１２０の形成、磁化、電極の形成の順は本例に限定されない。
【００３９】
熱電変換装置１０の用途の例について以下に説明する。熱電変換装置１０はたとえばセンサの電源として用いられる。具体的には、畑等の土壌に対して熱電変換装置１０を設置し、環境に関するデータを取得するためのセンサ用電源として用いることができる。また、熱電変換装置１０はたとえば通信用電源として用いられる。具体的には、水道管等の近傍に熱電変換装置１０を設置し、水道管等が漏水した場合にその水によって熱電変換装置１０で発電が行われるようにする。熱電変換装置１０により得られた電力を用いて漏水が生じたことを知らせる信号が外部に送信される。このように、熱電変換装置１０は電池の交換が困難な場所での使用に特に適する。
【００４０】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態に係る熱電変換装置１０によれば熱電変換層１００に設けられた流路１２０を通じて液体が第１の面１０１側から第２の面１０２側に誘導される。そして、第２の面１０２側で揮発することにより第２の面１０２が冷却され、起電力が生じる。このように、熱電変換装置１０によれば、液体の気化による冷却効果を容易に利用可能である。
【００４１】
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る熱電変換装置１０の構成を例示する断面図である。本図は、第１の実施形態の図１に対応する。本実施形態に係る熱電変換装置１０は、熱電変換層１００の一方の面側に設けられた放熱手段１８０をさらに備える点を除いて第１の実施形態に係る熱電変換装置１０と同じである。放熱手段１８０は、凹部および凸部の少なくとも一方を複数有する。以下に詳しく説明する。
【００４２】
放熱手段１８０は、凹部および凸部の少なくとも一方を複数有することにより、凹部も凸部も有さない場合に比べて表面積が大きくなる。したがって、熱電変換装置１０の第２の面１０２側の表面で液体の揮発が効果的に生じ、第２の面１０２の冷却効率を高めることができる。
【００４３】
凹部および凸部の形状は特に限定されず、第２の面１０２に垂直な方向から見てたとえば円形または多角形であり得る。また、冷却効率を高める観点から、凹部のアスペクト比は１以上であることが好ましく、凸部のアスペクト比は１０以上であることが好ましい。ここで、アスペクト比は、凹部の開口部の最小幅または凸部の根元の最小幅をｗとし、凹部の最大深さまたは凸部の最大高さをｈとしたときにｈ／ｗで表される。
【００４４】
また、凹部および凸部が設けられていないと仮定した場合の、熱電変換装置１０の第２の面１０２側の表面の面積をＳ０とし、凹部および凸部の少なくとも一方が設けられた場合、すなわち放熱手段１８０が設けられた場合の熱電変換装置１０の第２の面１０２側の表面の面積をＳ１とした場合、比表面積はＳ１／Ｓ０で表される。この比表面積は３０以上であることが好ましい。
【００４５】
凹部および凸部の少なくとも一方の形成密度ｄは特に限定されないが、１個／ｃｍ２以上であることが好ましく、１００個／ｃｍ２以上であることがより好ましい。なお、凹部および凸部の両方が設けられている場合、形成密度ｄは、凹部の形成密度と凸部の形成密度との和である。
【００４６】
たとえば放熱手段１８０は、絶縁膜１４０の表面に凹部および凸部の少なくとも一方をパターニングすることにより設けることができる。パターニングはたとえば、軟化させた絶縁膜１４０の表面に金型を押し当てることにより行える。また、放熱手段１８０はこのように絶縁膜１４０の表面に直接形成されるに限らず、個別に作製されて絶縁膜１４０に張りつけられてもよい。
【００４７】
また、たとえば放熱手段１８０は、起毛構造を有する。起毛構造はたとえば複数の毛状構造が第２の面１０２に対して垂直または斜めに立って並んだ構造である。各毛状構造が凸部に相当する。また、本図の例において、各毛状構造は、第２の面１０２から離れるにつれて細くなっている。起毛構造は上記したアスペクト比等を調整することにより実現できる。放熱手段１８０が起毛構造である場合、アスペクト比はたとえば１以上１００以下、好ましくは１０以上１００以下であり、比表面積はたとえば３以上３００以下であり、形成密度ｄはたとえば１個／ｃｍ２以上１００００個／ｃｍ２以下である。
【００４８】
起毛構造はたとえばポリウレタン、ポリビニルなどの合成樹脂、自然界に存在するセルロース樹脂、タンパク質やアミノ酸等の生体由来物、金属などを一部に含むラミネート樹脂等を含んで構成される。なお、この場合、本実施形態に係る熱電変換装置１０は、第１の実施形態に係る熱電変換装置１０に対し放熱手段１８０を接着等することで得られる。
【００４９】
なお、放熱手段１８０は、不織布、織布、糸、網、フィルム等であってもよい。
【００５０】
放熱手段１８０の表面は親水性を有することが好ましい。そうすれば、放熱手段１８０の表面に水分が行き渡りやすくなり、効果的に冷却効果を得られる。表面が親水性を有する状態については、第１の実施形態で説明した通りである。
【００５１】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態においては第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。加えて、放熱手段１８０により第２の面１０２の冷却効率を高め、熱電変換装置１０の起電力を高めることができる。
【００５２】
（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態に係る熱電変換装置１０の構成を例示する断面図である。本図は、第１の実施形態の図１に対応する。本実施形態に係る熱電変換装置１０は、熱電変換層１００が、第２の層１１２と、第２の層１１２よりも電気伝導性が高い第３の層１１３との積層構造を含む点を除いて第１の実施形態に係る熱電変換装置１０と同じである。以下に詳しく説明する。
【００５３】
第２の層１１２は磁性体材料を含む層であり、第３の層１１３は逆スピンホール効果を発現する材料を含む層である。「逆スピンホール効果を発現する材料」を、以下では「第３の材料」とも呼ぶ。第２の層１１２と第３の層１１３とは、ｚ方向に積層されている。本図の例において具体的には第３の層１１３が第２の層１１２に挟まれている。
【００５４】
図５は、第３の実施形態に係る熱電変換層１００における熱電変換について説明するための図である。本図では磁性体２０１と起電体２０２とが積層された構造を示し、熱電変換現象を説明する。磁性体２０１が第２の層１１２に相当し、起電体２０２が第３の層１１３に相当する。
【００５５】
本図の例において、磁性体２０１が図中−ｘ方向を磁化方向２０３として磁化されている。その上で、−ｚ方向に温度勾配２０４を印加すると、熱スピン流２０５が＋ｚ方向、すなわち温度の高い方から低い方へ流れる。この熱スピン流２０５は、磁性体２０１と起電体２０２でのスピン注入と呼ばれる過程を経て、起電体２０２に純スピン流２０６を発生させる。
【００５６】
スピン注入とは、磁性体２０１と起電体２０２との界面近傍で磁化方向を中心に歳差運動する磁性体２０１中のスピンが、起電体２０２中の伝導電子と相互作用し、スピン角運動量を受け渡したり、受け取ったりする現象である。
【００５７】
その結果、起電体２０２中のスピン注入界面付近には、スピンを持った伝導電子が移動し純スピン流が生成する。この純スピン流は、アップスピンとダウンスピンを持った伝導電子が互いに逆方向に同量流れる流れである。その結果、電荷移動は存在しないが、スピンの符号は互いに異なるためスピン角運動量だけが流れる。
【００５８】
このスピン注入現象が起こりうる状態は、磁気的に結合しているとも表現される。このスピン注入現象は、磁性体２０１と起電体２０２とが直接接触している場合、もしくは直接接触はしていなくても、スピン角運動量が伝達しうる程度に接近している場合に生じるものである。すなわち、磁性体２０１と起電体２０２との間に空隙が存在する場合や、中間層が挿入されている場合であっても、スピン注入現象が起こり得る場合は、磁気的な結合があるといえる。
【００５９】
ここで、起電体２０２が大きなスピン軌道相互作用を持つ材料であった場合、スピン流方向と磁化方向とに直交する方向への、逆スピンホール効果による伝導電子の動き２０７が生じ、結果として−ｙ方向の電流２０８を生成する。
【００６０】
これらスピン流熱電変換素子において、得られる起電力の大きさは、磁性体２０１で発生するスピン流の大きさに、磁性体２０１と起電体２０２との界面におけるスピン流の注入効率、さらに起電体２０２における逆スピンホール効果によって起電力に変換される効率の二つの効率を掛け合わせた値に比例する。
【００６１】
図４に戻り、第２の層１１２および第３の層１１３について説明する。第３の層１１３が磁性を持つ場合には、第３の層１１３内部には異常ネルンスト効果による起電力が発生するため、材料全体の特性にはその効果が反映されることになる。第２の層１１２と第３の層１１３は、清浄な界面を介して接合されている。そのため、第２の層１１２と第３の層１１３は、スピンゼーベック素子として機能する。そうすることで、第２の層１１２と第３の層１１３を形成する材料およびその界面は、熱電変換装置１０の熱電変換層１００を構成することができる。
【００６２】
また、熱電変換層１００では、第３の層１１３を挟み込むように、２つの第２の層１１２が配置されている。このような配置で利用することによって、第２の層１１２は、熱起電力が発生する導電体を被覆する機能を有する。この場合、第２の層１１２の表面には絶縁膜１４０が必ずしも設けられていなくても良い。
【００６３】
第２の層１１２は、磁性体材料として、たとえば第１の実施形態で説明した第２の材料を含むことができる。
【００６４】
第３の材料はたとえば、遷移金属および、このような遷移金属を含む合金のうち少なくともいずれかである。ここで、遷移金属はスピン軌道相互作用が比較的大きな、ｄ軌道またはｆ軌道を有する遷移金属である。具体的には第３の層１１３は、第３の材料として、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｉｎ、およびＳｎからなる群から選択される一以上を含む金属または合金を含むことが好ましい。第３の材料は、Ｆｅ、Ｉｒ、およびＢｉ等の、磁性金属および重金属の少なくとも一方に属する金属からなる群から選択される一以上をドープされた非磁性金属であってもよい。非磁性金属としては、Ｃｕ、Ａｕ等が挙げられる。ドープ濃度はたとえば０．５ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下である。また、第３の材料は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの酸化物伝導体、または組成ＣｕＭｏ２、ＳｒＭＯ３等の磁性酸化物半導体であってもよい。ここで、ＳｒＭＯ３におけるＭは金属元素であり、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅの少なくともいずれかを含む。
【００６５】
また、遷移金属のうち、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＶまたはＴｉを用いると、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄまたはこれらを含有する合金を用いる場合とは、逆符号の電圧を得ることができる。すなわち、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＶまたはＴｉを用いると、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄまたはこれらを含有する合金を用いる場合とは、逆スピンホール効果によって発生する電流の向きが反対になる。
【００６６】
図６は、第３の実施形態に係る熱電変換装置１０の変形例を示す断面図である。本図は、第１の実施形態の図１に対応する。
【００６７】
本変形例において、熱電変換層１００は、複数の第３の層１１３を含み、各第３の層１１３は、第２の層１１２に挟まれている。言い換えると、熱電変換層１００において、第２の層１１２と第３の層１１３とが交互に積層されている。また、熱電変換層１００の第１の面１０１および第２の面１０２は、第２の層１１２の表面で構成されている。
【００６８】
第３の層１１３と、その第３の層１１３を挟む２つの第２の層１１２との積層構造は、スピンゼーベック素子としての機能を有する。そのため、熱電変換層１００は、複数のスピンゼーベック素子が積層された構成を有している。本図は、３層の第２の層１１２と、２層の第３の層１１３によって、２つのスピンゼーベック素子が積層されている構成を示している。本図の例において具体的には、第２の層１１２、第３の層１１３、第２の層１１２、第３の層１１３、および第２の層１１２がこの順に積層されている。なお、複数の第２の層１１２を形成する材料は全て同じ材料である必要は無く、複数の第２の層１１２には互いに組成が異なる材料によって形成された層が含まれていても良い。また、複数の第３の層１１３を形成する材料は全て同じ材料である必要は無く、複数の第３の層１１３には互いに組成が異なる材料によって形成された層が含まれていても良い。
【００６９】
なお、熱電変換層１００において第３の層１１３は必ずしも第２の層１１２に挟まれている必要は無く、少なくとも片側において第２の層１１２と積層されていればよい。
【００７０】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態においては第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。加えて、より高い発電効率を得ることができる。
【００７１】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、上述の各実施形態は、内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。
【００７２】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
１．  スピンゼーベック効果および異常ネルンスト効果の少なくとも一方を発現する熱電変換層を備え、
前記熱電変換層には、複数の流路が設けられている熱電変換装置。
２．  １．に記載の熱電変換装置において、
前記複数の流路は、それぞれ前記熱電変換層を厚さ方向に貫通する貫通孔である熱電変換装置。
３．  ２．に記載の熱電変換装置において、
前記貫通孔の円相当径は１ｍｍ以下である熱電変換装置。
４．  １．から３．のいずれか一つに記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換層を覆う絶縁膜をさらに含む熱電変換装置。
５．  ４．に記載の熱電変換装置において、
前記絶縁膜の少なくとも一部の表面は親水性を有する熱電変換装置。
６．  ４．または５．に記載の熱電変換装置において、
前記絶縁膜のうち、前記熱電変換層の第１の面を覆う領域の少なくとも一部の表面は、親水性を有さない熱電変換装置。
７．  １．から６．のいずれか一つに記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換層の一方の面側に設けられた放熱手段をさらに備え、
前記放熱手段は、凹部および凸部の少なくとも一方を複数有する熱電変換装置。
８．  ７．に記載の熱電変換装置において、
前記放熱手段は、起毛構造を有する熱電変換装置。
９．  ７．または８．に記載の熱電変換装置において、
前記放熱手段の表面は親水性を有する熱電変換装置。
１０．  １．から９．のいずれか一つに記載の熱電変換装置において、
フレキシブル性を有する熱電変換装置。
１１．  １．から１０．のいずれか一つに記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換層は、磁性および電気伝導性を有する第１の材料を含む第１の層からなる熱電変換装置。
１２．  １１．に記載の熱電変換装置において、
前記第１の材料は、磁性遷移金属および磁性遷移金属を含む合金のうち少なくともいずれかである熱電変換装置。
１３．  １．から１０．のいずれか一つに記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換層は、第２の層と、前記第２の層よりも電気伝導性が高い第３の層との積層構造を含む熱電変換装置。
１４．  １３．に記載の熱電変換装置において、
前記第２の層は磁性体材料を含み、
前記第３の層は逆スピンホール効果を発現する材料を含む熱電変換装置。
【符号の説明】
【００７３】
１０  熱電変換装置
１００  熱電変換層
１０１  第１の面
１０２  第２の面
１１１  第１の層
１１２  第２の層
１１３  第３の層
１２０  流路
１４０  絶縁膜
１６１  第１の電極
１６２  第２の電極
１８０  放熱手段
２０１  磁性体
２０２  起電体
２０３  磁化方向
２０４  温度勾配
２０５  熱スピン流
２０６  純スピン流
２０７  伝導電子の動き
２０８  電流
【図１】
2020047615.tif 000003
【図２】
2020047615.tif 000004
【図３】
2020047615.tif 000005
【図４】
2020047615.tif 000006
【図５】
2020047615.tif 000007
【図６】
2020047615.tif 000008