(57)【要約】  本発明は、一対の電極と、該一対の電極の間に位置する電気熱量効果を示す材料から構成される誘電体部とを有して成る熱搬送デバイスであって、電気熱量効果を示す材料が、下記式：（Ｐｂ（１−ｘ）ｙＢａｘ）ＺｒＯ３（式中、ｘは０．１５以上０．３４以下であり、ｙは０．９５以上１．０３以下である）で示される材料であることを特徴とする熱搬送デバイスを提供する。
2016195024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、該一対の電極の間に位置する電気熱量効果を示す材料から構成される誘電体部とを有して成る熱搬送デバイスであって、
電気熱量効果を示す材料が、下記式：
（Ｐｂ（１−ｘ）ｙＢａｘ）ＺｒＯ３
（式中、ｘは０．１５以上０．３４以下であり、ｙは０．９５以上１．０３以下である）
で示される材料であることを特徴とする熱搬送デバイス。
【請求項２】
ｙが、０．９５以上１．００未満であることを特徴とする請求項１に記載の熱搬送デバイス。
【請求項３】
ｙが、１．００より大きく１．０３以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱搬送デバイス。
【請求項４】
一対の電極と、該一対の電極の間に位置する電気熱量効果を示す材料から構成される誘電体部とを有して成る熱搬送デバイスであって、
電気熱量効果を示す材料が、Ｐｂ、ＢａおよびＺｒを含む複合酸化物であり、
Ｚｒ１００モル部に対するＢａの含有モル部がｐモル部であり、
Ｚｒ１００モル部に対するＰｂの含有モル部がｑモル部であり、
ｐが１５以上３４以下であり、
ｑが、（１００−ｐ）×ｒ（式中、ｒは、０．９５以上１．０３以下である）である
ことを特徴とする熱搬送デバイス。
【請求項５】
ｒが、０．９５以上１．００未満であることを特徴とする請求項４に記載の熱搬送デバイス。
【請求項６】
ｒが、１．００より大きく１．０３以下であることを特徴とする請求項４に記載の熱搬送デバイス。
【請求項７】
電極が、Ｐｔ、Ａｇ、ＰｄまたはＡｇ−Ｐｄから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項に記載の熱搬送デバイス。
【請求項８】
複数の電極と、複数の誘電体部とが交互に積層されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱搬送デバイス。
【請求項９】
冷却デバイスである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱搬送デバイス。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱搬送デバイスを有してなる電子部品。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱搬送デバイスまたは請求項１０に記載の電子部品を有してなる電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱搬送デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型携帯機器（スマートフォン、タブレットＰＣ）、さらにはデーターサーバー等の電子機器においては、中央処理装置（ＣＰＵ）やハードディスク（ＨＤＤ）等の発熱による、機器のパフォーマンスの低下、電子機器の寿命の短命化、故障といった問題が顕在化している。このような問題に対しては、電子機器における熱マネージメントが重要であるが、スマートフォン等の小型電子機器では、その電源容量が小さく、また、大きな冷却デバイスを設置可能なスペースがない。したがって、このような小型電子機器では、現状、温度の制御は、筺体を介する放熱による手段しかなく、熱源と筺体をサーマルシートなどで熱結合し熱を逃がしている。一方、サーバーなどの大型電子機器では、電源容量およびスペースが十分にあるので、エアコンディショナーなどの空調設備、ペルチェ式冷却デバイス等が用いられている。【０００３】
一方、非特許文献１は、電気熱量効果（Electrocaloric effect：以下、「ＥＣ効果」ともいう）を奏する材料として、Ｐｄ０．８Ｂａ０．２ＺｒＯ３を報告している。非特許文献１では、このＰｄ０．８Ｂａ０．２ＺｒＯ３をゾル−ゲル法により薄膜状に形成し、ＥＣ効果の測定行っている。その結果、非特許文献１に記載のＰｄ０．８Ｂａ０．２ＺｒＯ３薄膜は、室温近傍の２９０Ｋで大きなＥＣ効果を示すことが記載されている。尚、電気熱量効果とは、電場の変化によって物質内の電気双極子モーメントが揃うまたは乱れる際のエントリピーの変化に起因する吸発熱現象である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】A Giant Electrocaloric Effect in Nanoscale Antiferroelectric and Ferroelectric Phases Coexisting in a Relaxor Pb0.8Ba0.2ZrO3 Thin Film at Room Temperature, Biaolin Peng, Huiqing Fan, and Qi Zhang, Advanced Functional Materials, Volume 23, Issue 23, pages 2987-2992, June 20, 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
小型電子機器において、上記のような筺体を介する放熱は、筺体の表面積が限られていることから限界がある。したがって、各熱源の温度を測定し、温度が所定の温度以上になった場合に、ＣＰＵなどのパフォーマンスを制限する（発熱自体を抑制する）ことで対応している。即ち、筺体の温度上昇が、ＣＰＵ等のパフォーマンスの妨げになっていることがある。【０００６】
また、大型電子機器では、上記のような空調設備等により十分な冷却効果を得ることはできるが、消費電力が非常に大きいため熱マネージメントのために電力コストがかかる問題がある。【０００７】
従って、小型で低消費電力の熱マネージメントデバイスの開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の電気熱量効果に着目し、この電気熱量効果を示すＰｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物を熱搬送デバイスに利用することに思い至り、本発明を完成するに至った。電気熱量効果を発現させるためには制御電圧が必要であるが、Ｐｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物は絶縁体である強誘電体であるので、消費電力は非常に小さい。従って、Ｐｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物を利用する熱搬送デバイスは、電源容量の限られた小型携帯機器でも使用することができる。【０００９】
本発明の第１の要旨によれば、一対の電極と、該一対の電極の間に位置する電気熱量効果を示す材料から構成される誘電体部とを有して成る熱搬送デバイスであって、
電気熱量効果を示す材料が、下記式：
（Ｐｂ（１−ｘ）ｙＢａｘ）ＺｒＯ３
（式中、ｘは０．１５以上０．３４以下であり、ｙは０．９５以上１．０３以下である）
で示される材料であることを特徴とする熱搬送デバイスが提供される。【００１０】
本発明の第２の要旨によれば、一対の電極と、該一対の電極の間に位置する電気熱量効果を示す材料から構成される誘電体部とを有して成る熱搬送デバイスであって、
電気熱量効果を示す材料が、Ｐｂ、ＢａおよびＺｒを含む複合酸化物であり、
Ｚｒ１００モル部に対するＢａの含有モル部がｐモル部であり、
Ｚｒ１００モル部に対するＰｂの含有モル部がｑモル部であり、
ｐが１５以上３４以下であり、
ｑが、（１００−ｐ）×ｒ（式中、ｒは、０．９５以上１．０３以下である）である
ことを特徴とする熱搬送デバイスが提供される。【００１１】
本発明の第３の要旨によれば、上記の熱搬送デバイスを有してなる電子部品が提供される。【００１２】
本発明の第４の要旨によれば、上記の熱搬送デバイスまたは上記の電子部品を有してなる電子機器が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、特定の組成を有するＰｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物、例えば式（Ｐｂ（１−ｘ）ｙＢａｘ）ＺｒＯ３（式中、ｘは０．１５以上０．３４以下であり、ｙは０．９５以上１．０３以下である）で示される材料を用いることにより、小型で低消費電力の熱搬送デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態における熱搬送デバイスの概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態における熱搬送デバイスの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の熱搬送デバイスについて、以下、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本実施形態の熱搬送デバイスおよび各構成要素の形状および配置等は、図示する例に限定されない。
【００１６】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態の熱搬送デバイス１ａは、一対の電極２，４と、該一対の電極の間に位置する電気熱量効果を示す材料から構成される誘電体部６とを有して成る。電極２，４間に電圧が印加されると、誘電体部６に電場が印加される。その結果、誘電体部６は発熱する。また、電極２，４間の電圧が除去されると、誘電体部６に印加された電場が消失する。その結果、誘電体部６は吸熱する。
【００１７】
本発明で用いられる電気熱量効果を示す材料は、Ｐｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物である。Ｐｄ、ＢａおよびＺｒを含む複合酸化物は、電場を印加した場合に発熱し、除去した場合に吸熱するＥＣ効果を示す。
【００１８】
一の態様において、Ｐｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物は、式（Ｐｂ（１−ｘ）ｙＢａｘ）ＺｒＯ３（式中、ｘは０．１５以上０．３４以下であり、ｙは０．９５以上１．０３以下である）で示される。
【００１９】
ｘは、好ましくは０．２０以上０．３４以下であり、より好ましくは０．２０以上０．３０以下であり、さらにより好ましくは０．２０以上０．２５以下である。このような範囲のｘ値とすることにより、絶縁性とより大きなＥＣ効果を得ることができる。また、ｘの値を変化させることにより、ΔＴがピーク値を示す温度を調整することができる。
【００２０】
一の態様において、ｙは、０．９５以上１．００未満であり、例えば０．９５以上０．９９５以下または０．９５以上０．９９以下、あるいは０．９６以上１．００未満、０．９７以上１．００未満または０．９８以上１．００未満であり得る。ｙを１．００未満とすることにより、粒成長が起こりにくく、緻密なセラミックスが得られ、絶縁性が向上し、より大きな電場を印加すること可能になる。
【００２１】
別の態様において、ｙは、１．００よりも大きく１．０３以下であり、好ましくは、１．００５以上１．０３以下、例えば１．０１０以上１．０２５以下であり得る。ｙを１．００より大きくすることにより、ΔＴの値をより大きくすることができる。
【００２２】
一の態様において、Ｐｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物は、Ｐｂ、ＢａおよびＺｒを含む複合酸化物であり、
Ｚｒ１００モル部に対するＢａの含有モル部がｐモル部であり、
Ｚｒ１００モル部に対するＰｂの含有モル部がｑモル部であり、
ｐが１５以上３４以下であり、
ｑが、（１００−ｐ）×ｒ（式中、ｒは、０．９５以上１．０３以下である）である。
【００２３】
ｐは、好ましくは２０以上３４以下であり、より好ましくは２０以上３０以下であり、さらにより好ましくは２０以上２５以下である。このような範囲のｘ値とすることにより、絶縁性とより大きなＥＣ効果を得ることができる。また、ｐの値を変化させることにより、ΔＴがピーク値を示す温度を調整することができる。
【００２４】
一の態様において、ｒは、０．９５以上１．００未満であり、例えば０．９５以上０．９９５以下または０．９５以上０．９９以下、あるいは０．９６以上１．００未満、０．９７以上１．００未満または０．９８以上１．００未満であり得る。ｒを１．００未満とすることにより、粒成長が起こりにくく、緻密なセラミックスが得られ、絶縁性が向上し、より大きな電場を印加すること可能になる。
【００２５】
別の態様において、ｒは、１．００よりも大きく１．０３以下であり、好ましくは、１．００５以上１．０３以下、例えば１．０１０以上１．０２５以下であり得る。ｒを１．００より大きくすることにより、ΔＴの値をより大きくすることができる。
【００２６】
一の態様において、本発明で用いられるＰｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物の平均粒径は、好ましくは０．５μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以上５μｍ以下であり得る。このような粒径を有することにより、誘電体部の耐電圧、電気熱量効果をより大きくすることができる。上記平均粒径は、電子走査顕微鏡を用いて測定することができる。
【００２７】
本発明で用いられるＰｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物は、結晶化温度以下の全温度領域でＥＣ効果を示し、特に３５３Ｋ〜４５３Ｋ（８０℃〜１８０℃）において、大きなＥＣ効果を示す。また、本発明で用いられるＰｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物は、非常に高い絶縁性を示す。即ち、高い電圧を印加することができる。
【００２８】
本発明で用いられるＰｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物は、例えば、Ｐｂ、ＢａおよびＺｒの酸化物または塩を混合し、焼成することにより得ることができる。Ｐｂ、ＢａおよびＺｒが所定の割合となるように混合し、焼成の際、雰囲気中のＰｂ濃度を調整することにより、得られるＰｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物中のＰｂ、ＢａおよびＺｒ含有量を調整することができる。
【００２９】
誘電体部６中、電気熱量効果を示す材料の含有量は、５０質量％以上、好ましくは６０質量％以上、より好ましくは８０質量％以上、さらにより好ましくは９０質量％以上、さらにより好ましくは９８質量％以上、例えば９８．０〜９９．８質量％であり得る。また、誘電体部６は、実質的に電気熱量効果を示す材料から成っていてもよい。
【００３０】
誘電体部６の形状は、特に限定されず、例えばシート状、ブロック状、その他種々の形状に成形することができる。成形方法は、特に限定されず、圧縮、焼結等を用いることができる。また、樹脂またはガラス等のバインダーと混合して成形してもよい。
【００３１】
電極２，４を構成する材料としては、特に限定されないが、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ、またはこれらの合金（例えば、Ａｇ−Ｐｄ等）が挙げられる。中でも、Ｐｔ、Ａｇ、ＰｄまたはＡｇ−Ｐｄが好ましい。
【００３２】
電極２，４は、誘電体部に電場を与える機能に加え、誘電体部の熱量を搬送する機能をも有し得る。従って、熱搬送の観点からは、電極を構成する材料は、熱伝導率が高い材料、例えばＡｇが好ましい。
【００３３】
電極２，４の形状は、特に限定されないが、熱搬送の観点からは、誘電体部６の一の表面全体を覆うような形状が好ましい。
【００３４】
本発明の熱搬送デバイスは、結晶化温度以下の全温度領域でＥＣ効果を示し、特に３５３Ｋ〜４５３Ｋ（８０℃〜１８０℃）において、大きなＥＣ効果を示す材料から構成される誘電体部を用いている。従って、本発明の熱搬送デバイスは、発熱時の温度が３５３Ｋ〜４５３Ｋであるスマートフォン、タブレットＰＣ、およびデーターサーバー等の電子機器において、熱搬送デバイス、代表的には冷却デバイスとして好適に用いることができる。
【００３５】
大きなＥＣ効果を示す温度範囲は、Ｐｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物におけるＰｂおよびＢａの含有量、特にＢａの含有量を変更することにより、調整することができる。
【００３６】
また、本発明の熱搬送デバイスにおける誘電体部は、非常に高い絶縁性を示す。従って、耐電圧が高く、電極間に高い電圧を印加することができるので、電場の変化を大きくすることができる。その結果、電場の変化による温度変化（以下、「ΔＴ」ともいう）を大きくすることが可能になる。
【００３７】
誘電体部の絶縁性は、Ｐｄ−Ｂａ−Ｚｒ複合酸化物におけるＰｂの含有量を変更することにより、調整することができる。
【００３８】
以上、本発明の第１の実施形態における熱搬送デバイスを説明したが、本発明は、上記の実施態様に限定されるものではなく、種々の改変が可能である。
【００３９】
例えば、図２に示すような熱搬送デバイス１ｂとすることができる。本発明の第２の実施形態の熱搬送デバイス１ｂにおいて、複数の内部電極１２ａ，１２ｂと、複数の誘電体部１４が交互に積層されている。内部電極１２ａおよび１２ｂは、それぞれ、熱搬送デバイス１ｂの端面に配置される外部電極１６ａおよび１６ｂに、電気的に接続されている。外部電極１６ａおよび１６ｂから電圧を印加すると、内部電極１２ａおよび１２ｂ間に電場が形成される。この電場により誘電体部１４は発熱する。また、電圧が除去されると、電場が消失し、その結果、誘電体部１４は吸熱する。
【００４０】
このような構造とすることにより、誘電体部１４により強い電場を印加することが可能になり、より大きなΔＴを得ることができる。また、内部電極が、誘電体部内部への熱の伝搬経路としても機能することから、効率のよい熱マネージメントを可能にする。
【００４１】
以上で説明した熱搬送デバイス１ａおよび１ｂは、電極と誘電体部が、実質的に全面で接触しているが、本発明はこのような構造に限定されず、誘電体部に電場を印加できる構造であればよい。また、熱搬送デバイス１ａおよび１ｂは、直方体のブロック形状であるが、本発明の熱搬送デバイスの形状はこれに限定されず、例えば円筒状、シート状であってもよく、さらに凹凸または貫通孔等を有していてもよい。
【００４２】
本発明の熱搬送デバイスは、主に電場が解除されて吸熱する際に、またはこの吸熱により熱搬送デバイスの温度が低下した際に、発熱源で生じた熱を吸収する。また、本発明の熱搬送デバイスは、主に電場が印加されて放熱する際に、吸収した熱を外部に放出する。
【００４３】
発熱源で生じた熱を吸収する際、本発明の熱搬送デバイスは、好ましくは発熱源の近傍に位置し、より好ましくは直接または熱伝導率の高い部材を介して接触するように位置する。
【００４４】
一の態様において、吸収した熱を放熱する際、本発明の熱搬送デバイスは、好ましくは発熱源から離隔するように位置する。より好ましくは、吸収した熱を放熱する際、本発明の熱搬送デバイスは、発熱源から離隔するように位置し、かつ、本発明の熱搬送デバイスの放熱を補助する他の冷却デバイスの近傍に、または冷却デバイスに直接または熱伝導率の高い部材を介して接触するように位置する。
【００４５】
別の態様において、本発明の熱搬送デバイスは、好ましくは発熱源の近傍に位置し、より好ましくは直接または熱伝導率の高い部材を介して接触するように位置したまま、効率よく吸収した熱を外部に放出することができる。本発明の熱搬送デバイスは、電場が解除されると温度が低下するので、発熱源との温度差がより大きくなり、より効率的に発熱源で生じた熱を吸収することができる。また、本発明の熱搬送デバイスは、電場が印加されると温度が上昇して、外部の温度よりも高くなり、あるいは、外部との温度差がより大きくなるので、より効率的に外部に熱を消散させることができる。従って、本発明の熱搬送デバイスは、冷却デバイスとして利用することができる。
【００４６】
好ましくは、本発明の熱搬送デバイスは、熱伝導部材に接続されており、これを介して熱を放出することができる。熱伝導部材は、それ自体外部に熱を消散させる冷却デバイスとして機能し得る。別の態様において、他の冷却デバイスに接続され、本発明の熱搬送デバイスから吸収した熱を、他の冷却デバイスに輸送するように機能し得る。このように、本発明の熱搬送デバイスを、熱伝導部材に接続することにより、より効率的な冷却が可能になる。
【００４７】
本発明はまた、本発明の冷却デバイスを有して成る電子部品、ならびに冷却デバイスまたは電子部品を有して成る電子機器をも提供する。
【００４８】
電子部品としては、特に限定するものではないが、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、ハードディスク（ＨＤＤ）、パワーマネージメントＩＣ（ＰＭＩＣ）、パワーアンプ（ＰＡ）、トランシーバーＩＣ、ボルテージレギュレータ（ＶＲ）などの集積回路（ＩＣ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、白熱電球、半導体レーザーなどの発光素子、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などの熱源となり得る部品、および、その他の部品、例えば、リチウムイオンバッテリー、基板、ヒートシンク、筐体等の電子機器に一般的に用いられる部品が挙げられる。
【００４９】
電子機器としては、特に限定するものではないが、例えば、携帯電話、スマートフォン、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレット型端末、ハードディスクドライブ、データーサーバー等が挙げられる。
【実施例】
【００５０】
・熱搬送デバイスの調製
Ｐｂ３Ｏ４、ＢａＣＯ３、ＺｒＯ２の原料を、下記表の組成となるように秤量し、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ：Partial Stabilized Zirconia）ボールとともに粉砕混合を行った。乾燥後、１０００℃で４時間仮焼し、仮焼後の粉体に有機溶剤とバインダーを加えて粉砕混合することでスラリーを形成した。得られたスラリーから、ドクターブレード法により、グリーンシート（厚み４０μｍ）を形成した。このグリーンシート上に、Ｐｔペーストをスクリーン印刷した。Ｐｔペーストを印刷したグリーンシートを、図２のような層構造となるように圧着して、積層し、その後カットして、グリーンチップ（５ｍｍ×７ｍｍ×０．５ｍｍ）を作製した。【００５１】
グリーンチップ（２ｇ）を、４５０℃〜５５０℃で脱脂した後、アルミナ密閉鞘に１０ｇのＰｂＺｒＯ３粉末とともに封入し、１３００℃で４時間焼成して、積層体チップを作製した。得られた積層体チップの両端にＡｇペーストを塗布し、焼き付けを行い、外部電極を形成して、図２に示す構造を有する試料（熱搬送デバイス）を製造した。尚、試料の組成は、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ発光分光分析）およびＸＲＦ（蛍光Ｘ線測定）を併用して確認した。【００５２】
（評価）
・絶縁性評価
ＰＵＮＤ法によるＰ−Ｅヒステリシス測定で絶縁性を評価した。１０ＭＶ／ｍでリーク電流の成分が観測された試料を×とし、観察されないものを○とした。結果を下記表に示す。【００５３】
・動作温度
誘電率の温度依存性を測定して、誘電率の値が最大となる温度を動作温度として決定した。結果を下記表に示す。【００５４】
・電気熱量効果の評価（ΔＴ評価）
極細熱電対を試料に直接はりつけ、電場印加時・除去時の温度変化（ΔＴ）を測定した。結果を下記表に示す。【００５５】
下記表において、動作温度が、３５３Ｋ〜４５３Ｋ（８０℃〜１８０℃）の範囲にあり、絶縁性評価でリーク電流が観測されず、１０ＭＶ／ｍでのΔＴが１．０Ｋ以上のものをＧとし、１つでも満たさないものはＮＧとした。尚、「＊」は、比較例を示し、「−」は、測定していないことを示し、ΔＴの列における「×」は、測定不可を示す。【００５６】
【表１】
2016195024.tif 000003
【００５７】
【表２】
2016195024.tif 000004
【００５８】
上記の結果から、本発明の範囲にある試料は、電子機器での利用に適した動作温度において、高い絶縁性と、大きなΔＴを有すことが確認された。特に、試料番号８〜１１、１４〜１７および２０〜２３は、３０ＭＶ／ｍでも絶縁性を維持し、大きなΔＴを示すことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の熱搬送デバイスは、種々の電子機器、例えば、熱対策問題が顕著化している携帯電話などの小型電子機器の冷却デバイスとして利用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１ａ，１ｂ…熱搬送デバイス
２，４…電極
６…誘電体部
１２ａ，１２ｂ…内部電極
１４…誘電体部
１６ａ，１６ｂ…外部電極
【図１】
2016195024.tif 000005
【図２】
2016195024.tif 000006
【国際調査報告】
2016195024.tif 000007
2016195024.tif 000008