(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上の平面において定められた高温部と低温部に両端部がそれぞれ位置するように配置された膜状の複数の熱電変換素子のパターンを、
基材上に、有機材料である熱電変換素子材料を含有させた感光性樹脂を塗布する工程と、
露光および現像により前記熱電変換素子のパターンを前記感光性樹脂のパターンとして形成する工程と、
によりフォトリソグラフィーの手法を用いて基材上に形成することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記熱電変換素子は、ｎ型素子とｐ型素子を含む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の製造方法。
【請求項３】
前記熱電変換素子は、ｎ型素子とｐ型素子のいずれかのみを含む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の製造方法。
【請求項４】
配線部をフォトリソグラフィーの手法を用いて前記基材上に形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項５】
前記基材は樹脂製のフィルムであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度差により起電力を生じる熱電変換モジュールの製造方法および熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子は、両端の温度差によってゼーベック効果による起電力を生じさせるものである。特許文献１〜３にその例が記載されており、通常、上部基板と下部基板の間に柱状の熱電変換素子を複数配置し、これらを直列に接続してモジュール化し、上部基板と下部基板との間の温度差により起電力を生じるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2007-266084号公報
【特許文献２】特開平11-330569号公報
【特許文献３】特開平9-162447号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上下の基板間に熱電変換素子を形成する際、従来は柱状の熱電変換素子をハンダにより接合したり（特許文献１）、リフトオフ法を用いて熱電変換素子材料を柱状に積層したり（特許文献２）、メッキ法により柱状の熱電変換素子を形成する（特許文献３）が、これらの手法で柱状の熱電変換素子を形成する場合素子の集積化に限界があり、少ない面積（体積）で十分な起電力が得られる熱電変換モジュールが求められている。
【０００５】
また従来の熱電変換モジュールは、上部基板と下部基板との間に柱状の熱電変換素子を配置することから、ある程度の厚みが有りフレキシブルに曲げたりすることができず、適用場面が限られている。また上下の基板の間に配線を設けたり絶縁層を配置する必要があり複雑な構造となる。
【０００６】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、高集積化が可能な熱電変換モジュールの製造方法等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した課題を解決するための本発明は、基材上の平面において定められた高温部と低温部に両端部がそれぞれ位置するように配置された膜状の複数の熱電変換素子のパターンを、基材上に、有機材料である熱電変換素子材料を含有させた感光性樹脂を塗布する工程と、露光および現像により前記熱電変換素子のパターンを前記感光性樹脂のパターンとして形成する工程と、によりフォトリソグラフィーの手法を用いて基材上に形成することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法である。
【０００９】
前記熱電変換素子は、例えばｎ型素子とｐ型素子を含む。あるいは、ｎ型素子とｐ型素子のいずれかのみを含んでもよい。
さらに、配線部をフォトリソグラフィーの手法を用いて前記基材上に形成してもよい。
また、前記基材は樹脂製のフィルムであることが望ましい。
【００１０】
本発明では、基材上の平面において定められた高温部と低温部に両端部がそれぞれ位置するように、膜状の熱電変換素子が基材上に複数配置された熱電変換モジュールが製造される。
【００１１】
前記熱電変換素子は、例えばｎ型素子とｐ型素子を含む。あるいは、ｎ型素子とｐ型素子のいずれかのみを含んでもよい。
さらに、前記基材上に配線部が形成されてもよい。
また、前記基材は樹脂製のフィルムであることが望ましい。
【００１２】
本発明では、フォトリソグラフィーによって熱電変換素子材料を含む感光性樹脂のパターンを形成する手法を用い、基材の平面において定められた高温部と低温部に両端部が位置するように膜状の熱電変換素子を複数形成する。これにより、全体として薄厚の熱電変換モジュールに熱電変換素子をミクロンオーダーで形成して集積化することが可能になり、構造も単純化できる。結果、より小さい面積（体積）で十分な起電力を有する熱電変換モジュールを得ることができる。
【００１３】
熱電変換素子としてｎ型素子とｐ型素子を形成し、これらを直列に配置することでより大きな起電力を得ることが可能になり、ｎ型素子とｐ型素子のいずれかのみを用いることで、生産コストが低下し工程も少なくなる。また配線部をフォトリソグラフィーの手法を用いて形成することで、素子間の確実な接続ができる。さらに基材として樹脂製のフィルムを用いることで、フレキシブルな熱電変換モジュールが得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、高集積化が可能な熱電変換モジュールの製造方法等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】熱電変換モジュール１を示す図
【図２】熱電変換モジュール１の製造方法を示す図
【図３】熱電変換モジュール１の製造方法を示す図
【図４】熱電変換モジュール１の製造方法を示す図
【図５】熱電変換モジュール１を熱源１００に取り付けた状態を示す図
【図６】熱電変換モジュール１ａを示す図
【図７】熱電変換モジュール１ｂを示す図
【図８】熱電変換モジュール１ｂの製造方法を示す図
【図９】熱電変換モジュール１ｂを熱源１００に取り付けた状態を示す図
【図１０】熱電変換モジュール１ｃを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
（１．熱電変換モジュール１）
図１は本発明の第１の実施形態に係る熱電変換モジュール１を示す図である。図１（ａ）は熱電変換モジュール１を上から見た図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の線Ａ−Ａによる断面図である。
【００１８】
本実施形態の熱電変換モジュール１は、膜状の熱電変換素子１１、１３をフォトリソグラフィーとエッチングの手法を用いて基材１０上に形成したフィルム状（シート状）のものであり、全体として薄厚に形成される。
【００１９】
本実施形態の熱電変換モジュール１では、基材１０上の平面において、使用時に高温となるべき高温部Ｈと、それと比較して低温となる低温部Ｌが定められており、これら高温部Ｈと低温部Ｌに対応させて熱電変換素子１１、１３の配置や形状が定められる。
【００２０】
基材１０にはポリエチレンやポリイミドなどの樹脂製のフィルムが用いられる。しかしこれに限ることはなく、例えばガラスなどを用いることも可能である。ただし、樹脂製のフィルムを用いる場合、フレキシブル性に優れ適用範囲が広いという利点がある。
【００２１】
熱電変換素子１１はｎ型素子であり、両端部に温度差がある場合に、低温の端部から高温の端部へと電流が流れる。本実施形態では熱電変換素子１１としてＩＴＯ（酸化インジウムスズ）が用いられるが、これに限ることはない。ｎ型素子として利用可能な既知の無機材料を用いることができ、その例として白金、コンスタンタン、アルメル、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、インバー、酸化インジウム亜鉛などがある。
【００２２】
一方、熱電変換素子１３はｐ型素子であり、両端に温度差がある場合に、高温の端部から低温の端部へと電流が流れる。本実施形態では熱電変換素子１３として銅が用いられるが、これに限ることはない。ｐ型素子として利用可能な既知の無機材料を用いることができ、その例として銀、金、鉄、クロメルなどがある。
【００２３】
本実施形態では、高温部Ｈと低温部Ｌを略長方形状の領域とし、２つの高温部Ｈと低温部Ｌが間隔を空けて交互に平行に配置されるよう定めている。ただし、高温部Ｈと低温部Ｌのパターンがこれに限ることはない。
【００２４】
熱電変換素子１１、１３は上下２列に配置され、各列において、平面の両端部がそれぞれ高温部Ｈと低温部Ｌに位置するように配置される。
【００２５】
熱電変換素子１３はストライプ状であり、各列において、高温部Ｈ（低温部Ｌ）の長手方向に間隔を空けて複数平行に並べて配置される。
【００２６】
熱電変換素子１１は、各列において、隣り合う熱電変換素子１３間を接続するように配置される。すなわち、熱電変換素子１１は一方の熱電変換素子１３の低温部Ｌ側の端部と他方の熱電変換素子１３の高温部Ｈ側の端部をつなぐように配置される。
【００２７】
基材１０上には配線部１５も設けられる。配線部１５は各種の導電性材料を用いることができ、例えば銅、銀、金、アルミなどを使用できる。
【００２８】
本実施形態では、各列の端にある熱電変換素子１１（図１（ａ）の左端の上下２つの熱電変換素子１１）のうち、一方の熱電変換素子１１（図の上側の素子）の高温部Ｈ側の端部と、他方の熱電変換素子１１（図の下側の素子）の低温部Ｌ側の端部が配線部１５によって接続され、熱電変換素子１１、１３を直列に接続した回路が基材１０上に形成される。またこの回路の両端にも配線部１５が設けられる。
【００２９】
熱電変換モジュール１では、基材１０上の熱電変換素子１１、１３および配線部１５を覆うように保護層１７が設けられる。保護層１７は、既知の各種の樹脂フィルムを接着したり、樹脂を塗布するなどして薄膜状に形成される。なお、図１（ａ）では保護層１７の図示を省略している。後述する図６（ａ）、図７（ａ）、図１０（ａ）においても同様である。
【００３０】
（２．熱電変換モジュール１の製造方法）
前記したように、本実施形態では、熱電変換モジュール１の製造時、熱電変換素子１１、１３をフォトリソグラフィーとエッチングの手法を用いて基材１０上に形成する。
【００３１】
すなわち、まず図２（ａ）に示すように基材１０上に熱電変換素子１１の材料（熱電変換素子材料）であるＩＴＯをスパッタリングや蒸着等により塗布し、その上に図２（ｂ）に示すように感光性樹脂２１（レジスト）を塗布する。本実施形態において感光性樹脂２１はポジ型であり、熱電変換素子１１のパターン以外の箇所を露光することにより当該箇所の感光性樹脂２１が軟化する。
【００３２】
現像を行うことで図２（ｃ）に示すように当該箇所の感光性樹脂２１が除去され、熱電変換素子１１のパターンに対応する感光性樹脂２１のパターンが形成される。感光性樹脂２１を除去した箇所ではＩＴＯが露出する。
【００３３】
その後、エッチング液によるエッチングを行うと、図２（ｄ）に示すようにＩＴＯの露出箇所が除去される。化学処理等によって残った感光性樹脂２１を除去すると図２（ｅ）に示すようにＩＴＯによる熱電変換素子１１のパターンが残る。なお、感光性樹脂２１としてはネガ型のものを用いることもでき、この場合には露光時に熱電変換素子１１のパターンに対応する箇所を露光する。
【００３４】
本実施形態では、こうして図３（ａ）に示すように基材１０上に熱電変換素子１１のパターンが形成される。同様にしてフォトリソグラフィーとエッチングにより図３（ｂ）に示すように配線部１５のパターンも形成する。
【００３５】
熱電変換素子１３についても同様にフォトリソグラフィーとエッチングを行うことで、図４（ａ）に示すように熱電変換素子１３のパターンが形成される。図４（ｂ）はこの時の図１（ｂ）と同様の断面を見たものである。その後、保護層１７を接着あるいは塗布により形成すると、図１で説明した熱電変換モジュール１が得られる。
【００３６】
この熱電変換モジュール１は、図５に示すように、配管や電子機器などの各種の熱源１００に高温部Ｈを取付けるとともに、基材１０を屈曲させて低温部Ｌを熱源１００から離して配置することにより起電力を発生する電池として機能し、例えば各種センサなどの電源として用いることができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、フォトリソグラフィーによって感光性樹脂２１のパターンを形成した後、その下方の熱電素子材料のエッチングを行う手法を用い、基材１０の平面において定められた高温部Ｈと低温部Ｌに両端部が位置するように膜状の熱電変換素子１１、１３を複数形成する。これにより、全体として薄厚の熱電変換モジュール１に熱電変換素子１１、１３をミクロンオーダーで形成して集積化することが可能になり、構造も単純化できる。結果、より小さい面積（体積）で十分な起電力を有する熱電変換モジュール１を得ることができる。
【００３８】
また、熱電変換素子１１、１３としてｎ型素子とｐ型素子を形成し、これらを直列に配置することでより大きな起電力を得ることが可能になる。なお、設計に応じて直列と並列のパターンを組み合わせた回路とすることも可能である。
【００３９】
また配線部１５をフォトリソグラフィーの手法を用いて形成することで、素子間の確実な接続ができ、回路形成の自由度も高まる。さらに基材１０として樹脂製のフィルムを用いることで、フレキシブルな熱電変換モジュール１が得られる。
【００４０】
しかしながら、本発明はこれに限らない。以下、本発明の別の例について第２〜第４の実施形態として説明する。各実施形態は第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、同様の構成については図等で同じ符号を付すなどして説明を省略する。
【００４１】
［第２の実施形態］
図６は第２の実施形態に係る熱電変換モジュール１ａを示す図である。図６（ａ）は熱電変換モジュール１ａを上から見た図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の線Ｂ−Ｂによる断面図である。
【００４２】
第２の実施形態では、熱電変換素子１１が熱電変換素子１３と同様のストライプ状であり、上下の各列において、熱電変換素子１１と熱電変換素子１３が交互に平行に並べて配置される。また本実施形態では、各列で隣り合う熱電変換素子１１、１３の高温部Ｈ側または低温部Ｌ側の端部同士が、配線部１５により接続される。
【００４３】
第２の実施形態の熱電変換モジュール１ａも第１の実施形態と同様に製造することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。ただし、本実施形態では第１の実施形態と異なり最初に配線部１５を形成しており、その上に熱電変換素子１１、１３が形成されている。このように、熱電変換素子１１、１３や配線部１５の形成順は特に限定されない。また、第２の実施形態では隣り合う熱電変換素子１１、１３の端部を配線部１５により確実に接続することができる利点もある。
【００４４】
［第３の実施形態］
（１．熱電変換モジュール１ｂ）
図７は第３の実施形態に係る熱電変換モジュール１ｂを示す図である。図７（ａ）は熱電変換モジュール１ｂを上から見た図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の線Ｃ−Ｃによる断面図である。
【００４５】
第３の実施形態は、熱電変換素子としてｐ型の熱電変換素子１３ａのみを用いる点で第１の実施形態と主に異なる。また、熱電変換モジュール１ｂでは、２つの高温部Ｈが近接して平行配置され、２つの低温部Ｌがその両側に平行に配置される。
【００４６】
熱電変換素子１３ａは上下２列に配置され、各列において、平面の両端部がそれぞれ高温部Ｈと低温部Ｌに位置するように配置される。熱電変換素子１３ａはストライプ状であり、各列において、高温部Ｈ（低温部Ｌ）の長手方向に間隔を空けて複数平行に並べて配置される。
【００４７】
各列の隣り合う熱電変換素子１３ａにおいて、一方の熱電変換素子１３ａの低温部Ｌ側の端部と他方の熱電変換素子１３ａの高温部Ｈ側の端部は、配線部１５により接続される。
【００４８】
各列の端にある熱電変換素子１３ａ（図７（ａ）の左端の上下２つの熱電変換素子１３ａ）のうち、一方の熱電変換素子１３ａ（図の上側の素子）の低温部Ｌ側の端部と、他方の熱電変換素子１３ａ（図の下側の素子）の高温部Ｈ側の端部が配線部１５によって接続され、熱電変換素子１３ａを直列に接続した回路が基材１０上に形成される。なお回路の両端は配線部１５となっている。
【００４９】
（２．熱電変換モジュール１ｂの製造方法）
熱電変換素子１３ａは第１の実施形態と同様に形成することもできるが、本実施形態では、熱電変換素子１３ａの材料（熱電変換素子材料）としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリスチレンスルホン酸（PSS）添加ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)）等の導電性高分子材料（有機材料）を用い、膜状の複数の熱電変換素子１３ａのパターンをフォトリソグラフィーの手法により形成する。
【００５０】
すなわち、本実施形態では図８（ａ）に示すように第１の実施形態と同様の手法で基材１０上に配線部１５のパターンを形成した後、図８（ｂ）に示すように、熱電変換素子１３ａの材料であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを分散して含有させたネガ型の感光性樹脂を塗布する。
【００５１】
その後、熱電変換素子１３ａのパターンに対応する部分を露光により硬化させ、それ以外の箇所を現像により除去することで図８（ｃ）に示すように熱電変換素子１３ａのパターンが感光性樹脂のパターンとして形成される。この後保護層１７を接着あるいは塗布により形成すると、図７で説明した熱電変換モジュール１ｂが得られる。
【００５２】
なお、本実施形態で用いる有機材料は熱電変換素子としての利用が可能なものであれば特に限定されず、感光性樹脂についても特に限定されない。また感光性樹脂としてはポジ型のものを用いることもでき、この場合には露光時に熱電変換素子１３ａのパターン以外の箇所を露光する。
【００５３】
熱電変換モジュール１ｂは、図９に示すように近接する２つの高温部Ｈを熱源１００に取付けるとともに、基材１０を屈曲させて両側の低温部Ｌを熱源１００から離して配置することにより起電力を発生する電池として機能させることができる。基材１０に切込みなどを設けて曲げ易くすることも可能である。
【００５４】
この第３の実施形態でも第１の実施形態と同様の効果が得られる。また一種類の熱電変換素子１３ａを用いるので材料費等のコストを抑えることができ工程も少なくなる。
【００５５】
また、本実施形態ではｐ型の熱電変換素子のみを用いているが、代わりにｎ型の熱電変換素子のみを用いてもよい。さらに、第１の実施形態のようにｎ型、ｐ型の熱電変換素子を用いる場合に、両方の熱電変換素子を有機材料を用いて本実施形態のようにフォトリソグラフィーによって形成することもできる。あるいは一方の熱電変換素子については有機材料を用いて本実施形態のようにフォトリソグラフィーによって形成し、他方は第１の実施形態のように無機材料を用いてフォトリソグラフィーとエッチングの手法を用いて形成することも可能である。
【００５６】
［第４の実施形態］
図１０（ａ）は第４の実施形態に係る熱電変換モジュール１ｃを上から見た図である。第４の実施形態では基材１０が円形であり、中央部と外周部に同心円状の高温部Ｈと低温部Ｌが定められる。
【００５７】
熱電変換素子１１、１３は基材１０の中心から外周へ向けて放射状に複数配置され、両端部が高温部Ｈと低温部Ｌに位置する。熱電変換素子１１、１３は基材１０の周方向に間隔を空けて交互に配置され、隣り合う熱電変換素子１１、１３の高温部Ｈ側または低温部Ｌ側の端部同士が配線部１５により接続されることで、直列の回路が形成される。
【００５８】
この熱電変換モジュール１ｃは、例えば図１０（ｂ）に示すように熱源１００’の底面に高温部Ｈを取付けて低温部Ｌを熱源１００’から離して配置することで起電力を発生する電池として機能する。
【００５９】
この第４の実施形態でも第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。このように、熱電変換モジュールの形状や配線パターンは目的とする使用方法その他に応じて様々に定めることができる。
【００６０】
以上、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００６１】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ；熱電変換モジュール
１０；基材
１１、１３、１３ａ；熱電変換素子
１５；配線部
１７；保護層
１００、１００’；熱源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006627392.tif 000008
【図８】
0006627392.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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