体温を用いたマイクロ熱電発電モジュール技術菅原聡の電源確保に有効になると考えられる．さらに，発電によっ.

は じめにて生じた余剰な電力を蓄電しておくことで信頼性はさらに向上できる．

近年，Internetofhumans (IoH)と呼ばれるヒトを対象とまた，ヘルスケアのための WD では，スマートフォンなした IoT ともいえる電子システムが注目されている(1)(2) ．

どのモバイルデバイスとの併用を前提にすれば，やはり

特に，IoH は高度高齢化社会における重要課題である医療・WD の無線通信を消費電力の低い短距離に限定できる．し介護・ヘルスケアの分野においてその重要性が認識されていたがって，この場合でも体温による熱電発電を電源として利る．今後のさらなる高齢化社会では，病院や専門の施設によ用できる可能性がある．ヘルスケアの分野では， WD の社

る医療/介護から在宅医療/介護への推進が重要(必要)になっ会への普及が必要になるが，体温による発電を用いた WDてくるが，このような状況における医療やケアの質の低下がのバッテリーレス化はその商品価値を大幅に上げると予想さ

懸 念 さ れ て い る ． ま た ， 国 民 の 健 康 維 持 は 個 々 の QoL

れ，WD の社会普及を促進できる．

( Quality of life )の向上のみならず，健康保険など財政にも以上のように，医療/介護およびヘルスケアの分野においかかわる問題になっている．IoH は近い将来に日本が突入すて， IoH は重要な社会システムの 1 つになると考えられ，ることになる極端な高齢化社会における在宅医療/介護や国その MMI となる WD に体温を用いた熱電発電技術を用い民の健康維持/推進に重要な役割を演ずると予想されている．

ることの期待は極めて大きい．この一方で，現状では課題もウェアラブル・デバイス( WD )はヒトと IoH システムを多く，従来技術だけではその実現は困難である．日本の時計繋ぐマン・マシン・インターフェイス( MMI)として用いらメーカーからは，体温を用いた熱電発電によって駆動する腕れる．医療・介護目的の IoH に用いられる WD では主機器時計がすでに発表されている(3)(4)．世界に先駆けた優れた研とワイヤレス(無線)で接続できることに重要な意味がある．

究開発であるが，以上に述べたような WD に応用するには特に，有線デバイスのように利用者の行動的自由を奪うとい発生できる電力が足りず，この技術だけでは通信機能を大きった問題を生じないことは重要である．しかし，ワイヤレスく制約するなどの問題を生じ，IoH 応用には適さない．この接続の場合では WD に用いる電源が課題となり，バッテリ新たな応用に対応できる新しい熱電発電技術が必要になる．

ー切れなどのない信頼性の高い電力供給用電源が必要にな

本稿では， IoH を対象とした WD の電源に用いることがる．このような WD の主な機能はバイタルデータのセンシできる体温をエネルギー源とするマイクロ熱電発電(mTEG)

ングと無線通信であるが，特に無線通信は電力消費が大きモジュール技術について述べる．はじめに，従来技術を応用

い．医療・介護の現場では無線 LAN 等の室内無線中継器のする場合の課題について述べ，次に，この課題を解消し，高利用を前提とできるため， WD は消費電力の小さな短距離い出力の期待できる新型の mTEG モジュールとその最適設無線を実現できればよい．したがって，体温による熱電発電計技術について述べる．

を用いて WD に電力供給できる可能性があり，高い信頼性東京工業大学 未来産業技術研究所准教授(〒2268502 横浜市緑区長津田町4259
J314)
Micro Thermoelectric Generator and its Module Technologies Using Body Heat; Satoshi Sugahara (Laboratory for Future Interdisciplinary Research of Science and Technology, Tokyo Institute of Technology, Yokohama)
Keywords: micro thermoelectric generator, wearable device, body heat, internet of humans, thermoelectric thin-film, thermoelectricsoninsulator
2021年 6 月29日受理[doi:10.2320/materia.60.562]



特集(頻繁に)昇圧することなく実現できる必要がある．これらを.

従来技術に関する課題実現するためには，出力電力が最大化されるように放熱に対する熱的および負荷に対する電気的な整合がとれるようにゼゼーベック素子を集積化した小型の熱電発電デバイスをーベック素子を設計・集積化できるデバイス構造が必要にな

Micro thermoelectric generator (mTEG)と呼ぶ．この呼び名る．特に， WD の放熱能力に合わせて， mTEG モジュールはこれに放熱用のヒートシンクなどを組み合わせモジュールの熱抵抗を設計できることは重要である． WD 応用では，化したものの総称にも用いられるが，本稿ではゼーベック素放熱による熱抵抗は一般的な mTEG に用いるヒートシンク子を集積化し，発電の機能を備えた部分のみを mTEG と呼に比べてかなり高く，従来に比べて mTEG の熱抵抗を高くび，これを実装し，ヒートシンクなどを加えて高効率に発電する必要があるが．これには従来よりも微細化されたゼーベできるようにモジュール化したものを mTEG モジュールとック素子を集積化する必要がある．薄膜の熱電材料を用いる呼ぶことにする．体温を用いた熱電発電では mTEG とモジことは半導体大規模集積回路(VLSI)に用いられるリソグラュールとを一体として考えることが重要になる．

フィなどの微細加工技術の導入を可能とし，さらに，従来技体温を用いた mTEG モジュールの WD 応用では，短距離術では制約が大きかったゼーベック素子のサイズおよび素子通信を前提にして，1 mW 程度の出力が 1 つの目安になる．

数といった自由度を最大限に活用した設計の最適化を可能と

これは先に述べた腕時計に必要な電力の 100 倍程度にも及する．

ぶ．ヒトから放出される熱流を mTEG モジュールによって図( a )，( b )に薄膜トランスバース型 mTEG のデバイス電力に変換することでこの電力を実現する．体温を用いた構造を示す(6)(7)．これは数 100 nm数 mm 程度の厚さの熱電

mTEG モジュールの設計では，恒温動物であるヒトの局所材料薄膜を用いた mTEG の構造で，VLSI 技術に基づく微細的な産熱能力や皮膚近傍の熱抵抗等の理解に基づき設計する加工の導入が容易な構造である．この mTEG では，短冊状必要がある(5) ．従来の mTEG モジュールでは，放熱フィンの n 型および p 型熱電薄膜を交互に並べた構成で，それぞなどのヒートシンクを導入して，放熱の工夫によってれの接続部は交互に高温側および低温側のプレートに接続さmTEG の発電能力を最適化することができる．一方， WDれる．この構造では熱流が薄膜面内となり，薄膜でも容易にへの応用では筐体やリストバンド等をヒートシンクに用いる

熱抵抗を高くできるだけでなく，面内の素子サイズ(短冊のために，放熱能力は限られており，また，これを自由に制御長軸と短軸の長さ)でゼーベック素子の熱抵抗と電気抵抗をすることも難しい．この場合では mTEG モジュールの熱抵最適化できる．必要とされる熱抵抗を確保するための設計自抗の方を放熱能力に合わせて最適設計することが重要になる

由度が高く．薄膜を用いても高い出力を実現できる．また，が，従来型の mTEG モジュールではゼーベック素子の加工下側のプレートに Si 基板を用いることで， VLSI における寸法による制約からこれは容易ではない．以上は電気回路にプロセス技術の導入がより容易になるだけでなく，最先端デおけるマッチングの問題に相当し，前者(従来)は内部抵抗，バイス技術との融合も可能となる．薄膜トランスバース型

後者( WD 応用)は負荷抵抗による最適化に対応し，状況はmTEG の構造は，薄膜の熱電材料だけでなく，近年注目を大きく異なる． WD に適合したヒートシンクによる放熱に集めているナノワイヤ(NW)の熱電材料にも適した構造にな

熱的整合をとることが可能な熱抵抗を有する mTEG を実現するためにはゼーベック素子にさらなる微細化が必要となる．これには，従来のバルク材料の機械加工に基づくゼーベック素子の集積化から，リソグラフィなどによる微細加工技術の導入が容易な薄膜材料を用いたゼーベック素子の集積化への転換が重要となる．また，薄膜熱電材料の利用は設計自由度，量産性，低コスト化，軽量化の観点からも有用である．以上から，体温を用いた熱電発電では，以下の 4 つが重要な課題となる．(i)薄膜に適合した mTEG と WD 応用に適したモジュールのデバイス構造，(ii)恒温動物を熱源とした設計系，(iii)mTEG モジュールのモデリング，(iv)デバイス構造の構造最適化アルゴリズム．以下では，これらの課題について我々の進めてきた研究開発の概要について述べる．

.

新型薄膜 mTEG モジュール駆動に必要な電力(特に短距離無線通信～1 mW 程度)と電薄膜トランスバース mTEG の( a )側面断面構造，( b )上面断面構造．真空/絶縁体ハイブリッドアイソレーションモジュールの( c )側面断面構造，( d )上面断面構造．

圧(特に CMOS 駆動 0.5 1 V )を，薄膜熱電材料を用いて(オンラインカラー)

体温を用いた mTEG モジュールの WD 応用では，WD のま て り あ 第60巻 第 9 号(2021)
Materia Japan

図1

っている． VLSI の先端デバイスで用いられる SOI ( Si on ば図(a)のようになり，熱流は電気回路における電流源にinsulator)基板を利用し， NW トランジスタ技術を流用するよる駆動として表現される(以下では熱流源と呼ぶことにすこ と で ， Si NW に よ っ て 構 成 さ れ る ト ラ ン ス バ ー ス 型る)． KM は mTEG モジュールの熱抵抗， Kair ′は放熱の熱抵

mTEG を実現できる(8)(9) ．同様に，近年，先端トランジス抗に皮膚近傍の熱抵抗を加えたものである．このモデルではタの分野で研究開発が進んでいる IIIV 族化合物半導体を用

WD の熱抵抗の大きさによって，体温と大気との温度差(電いた III V OI 基板も応用可能である(10) ． InSb や InAs の気回路における電位差に対応する)が変化してしまうが，熱NW 構造は SiNW より優れた熱電物性を有すると期待され源が恒温動物であることを考慮すれば，このモデルは正しくている(11) ．今後はこのような半導体に限らず様々な熱電材ない． WD による放熱がヒトの産熱能力を越さない限り，料を安定な絶縁体薄膜を介して Si 基板上に構成した Ther-

恒温動物であるヒトは WD の熱抵抗に依らず一定の体温を

moelectrics on insulator ( TEOI )†といったコンセプトが重保っていると考えられるから，体温と大気との温度差は一定要になると考えられる．になるはずである．そこで，図 2 ( b )に示すように， KM とWD に適合する mTEG モジュールでは，放熱に用いるヒに常に一定の温度差が加わる系モデルを提案しKair ′ートシンクに板上のものを用いると仮定し，また WD の装た(6)(7)(12)(13)．この温度差は電気回路のおける電圧源で表現

着される皮膚近傍の熱抵抗も考慮して， mTEG 部の熱抵抗され(以下，温度差源と呼ぶことにする)，恒温動物と大気とをこれらの熱抵抗に整合させると(高い出力が得られるようの温度差を一定に保つことができる．ただし，ヒトの産熱能に設計すると)，ヒートシンクの面積に対して mTEG 部の占力を考慮して，許容される熱流の最大値をこのモデルに課す

有面積は非常に小さくなる．したがってこの極端な状況を実必要がある(7)(12)(13)．

装できるモジュール構造も重要な課題となる．このようなモ

この恒温動物モデルにおける KM を調節して， mTEG モジュール構造では， mTEG 内部(ゼーベック素子間)のみなジュールの出力電力 Pout が最大化されるようにデバイスのらずモジュール内全体の熱的なアイソレーションに mTEG構造を決定するが，Pout は mTEG の電気抵抗 RM にも依存し，の出力は強く依存する．モジュール内を mTEG 内も含めてRM は mTEG の構造で決定される．そして， KM と RM はトすべて真空とすれば，理論限界に近い高い出力が得られるレードオフの関係にある．すなわち，都合よく KM を高く，が，作製プロセスとその実装が難しくなる．そこで，図 1

RM を低く設定するようことはできない．そこで，トレード(c)，(d)に示す真空/絶縁体ハイブリッドアイソレーション

オフの関係にある KM と RM を 1 つのパラメータ g ( 0  g を提案した(7)(12)(13)．この構造では mTEG 部(ゼーベック素1)で表現した最適化アルゴリズムを提案した(6)(7)(12)(13)．図子の集積領域)をモジュール内の限られた領域に制限して，1 に示すように g はゼーベック素子 1 つからなる単位構造の

この領域を熱絶縁体，この領域外を真空でアイソレーション

幅 d のうち，熱電材料の幅が占める割合として定義される．

する．この構造は絶縁体による熱アイソレーションを用いた

g は熱流方向のゼーベック素子の長さに対応しており， KM

mTEG チップを VLSI 技術で作製し，このチップをモジューと RM のトレードオフの関係を表現するのに適している．こル本体に真空封じして実装することで実現できる． mTEGの g によって， KM と RM を表現し， Pout を最大化する g に部は熱絶縁体を用いるため，微細加工プロセスに適合する．

よってデバイス構造が決定される．最適化は，例えば，モジ

また，このモジュール構造は MEMS の分野で用いられていュールのサイズ D，真空封じ壁の高さ H，幅 x，および熱電る真空パッケージ技術を応用できる．図 1(b)に示した薄膜の膜厚 ts を決めておき(これらは実装形態，機械的強mTEG のサイズは D0×L であるが，長辺 D0 が長いときは，度，デバイスプロセスで決まるところが大きい)， Pout を最図 1( c)のように適当に折り畳んで集積化する．この構造で大化できる mTEG 部の大きさ( D0, L )，素子対数( m0 )，素は，大気へ熱放出を行うために必要となるモジュールの表面子サイズ( gd )等を g の関数として決定することで，デバイ積に比べて， mTEG の形成に必要な占有面積は十分に小さくできるため，完全な真空アイソレーションに近い熱抵抗の実現を期待できる．また，凸構造の下部プレートを用いることで，モジュールの熱抵抗を減少させてしまう真空封じ壁の影響も抑えることができる．

.

系の設定と最適設計アルゴリズム

mTEG モジュールの最適設計と性能予測を行う場合，人体WD大気からなる系を正しく表現できる系モデルが必要になる．従来の熱電発電は一定の熱流下での発電を前提として設計が行われることが多い．これを回路モデルで記述すれ
図2† 著者による造語

系のモデリング．( a )定熱流源駆動モデル，( b )恒温動物(定温度差源駆動)モデル．(オンラインカラー)

特集ス構造を決めることができる．

た†．また，ここでは mTEG モジュールの性能限界を知るた

この構造最適化アルゴリズムは計算時間が膨大となるためめに Kair ′も最適化した． Kair ′を固定した場合は後述する．

KM および RM には高速計算が可能な集中定数回路(LCC)モ

グ ラ フ の 横 軸 の 各 g に 対 し て Pout を 最 大 化 す る KM, RM,デルを用いる必要がある． LCC モデルはデバイスの幾何学が得られるように L と m0 が最適化され，素子長 gd ＝Kair ′的形状から決定される素子値を用いて容易に KM および RM

gL/2m0 と電極幅(1－g )d が決定される(図 1 参照)．この構を 表 現 す る こ と が 可 能 で あ る ． 薄 膜 p 型 mTEG で は ，造最適化によって，モジュールを通過する熱流 Q はどの gmTEG 内の熱絶縁にポーラスシリカ( PS)などの低い熱伝導においてもヒトの産熱限界による熱流に達し，そして，Pout率の材料を用いることで， LCC モデルと高精度の分布定数は特定の g においてピークを持つ．この g の値から最適構造回路( DCC )モデルとの出力の誤差も極めて小さくすることを決定できる．この最適構造では mTEG の占有面積 D0 × L

が で き る ． こ の た め LCC に よ る モ デ リ ン グ は 有 効 で あはモジュール(ヒートシンク)の面積 D × D に比べてはるか

る(13)．同様に薄膜トランスバース型 mTEG でも，層間絶縁に小さく，先に述べた WD の系で高い Pout を得るための構膜の熱抵抗に広がり抵抗を用いた LCC モデルでは誤差を比造が実現できていることがわかる．また，トランスバース型

較的小さく抑えることができるが，p 型ほど精度が高くない．

では設計の自由度が高く，このピーク以外でも広い g の範囲

DCC モデルとの差は，ゼーベック素子と引き出し電極の接で， Pout は比較的に高い値を持っている．これとは対照的合部近傍における熱流の回り込みなどに起因するが，このに，薄膜 p 型 mTEG を真空/絶縁体ハイブリッドアイソレー

LCC モデルに簡単な補正係数を導入することで，DCC モデション・モジュールに応用した場合は，構造パラメータは g

ルの結果をより正確に再現できるようになる．したがって，によって大きく変動し，最大の Pout も g によって大きく変トランスバース型でも LCC モデルは構造最適化に有用とな化する(13) ．トランスバース型の持つこのような設計余裕のる(14)．図に薄膜トランスバース型 mTEG モジュールにお高さは熱電材料薄膜の膜厚依存性やコンタクト抵抗依存性にける熱抵抗の LCC モデルを示す(14)．mTEG 内の絶縁層にはも現れ，トランスバース型ではより薄い熱電薄膜や，より高広がり抵抗を用いる．各熱抵抗の値はデバイスの幾何学的的いコンタクト抵抗があっても，高い Pout を得ることができ形状から決定されるが．接触抵抗については別途決める必要る(14)．

がある．電気抵抗についても同様に LCC モデルを適応でき依存性を示す．この図では横軸の各
図  に Pout の Kair ′る．絶縁層へのリーク電流は容易に小さく抑えることができの値で，構造を最適化してある．また，ヒトの産熱能力Kair′るため単純な LCC モデルの使用が可能である．に よ る 熱 流 限 界 の 制 約 は 外 し て あ る ． Pout は Q と と も にの減少にともない増加するが，Q がヒトの産熱能力内とKair′.

設計結果と性能評価なるように Kair ′を決める必要がある．アルマイト加工した
平板のヒートシンクを仮定し，これにヒトの皮膚近傍の熱抵提案した薄膜トランスバース型 mTEG・真空/絶縁体ハイ抗を加えると， Kair ′の値は D × D ＝ 1 cm2 のモジュール面積

ブリッドアイソレーション・モジュールについて，これまでに述べてきたモデルとアルゴリズムを用いて最適設計を行い，その性能の評価を行った．熱電材料には室温近傍で高い性能指数( ZT )を有する BiTe 系材料( ZT ＝～ 1 )を，熱絶縁には PS を用いた．図に構造パラメータおよび性能指標のg 依存性を示す．図 1 の構造パラメータのうち D, H, x, ts は前述のように固定してある． mTEG 部の長さ D0 も固定し

図4

出力電力 Pout および設計パラメータの g 依存性．(D＝1cm, H＝5 mm, x＝0.5 mm, D0＝9 mm, ts＝1 mm)(オンラインカラー)

図3

薄膜トランスバース型 mTEG・真空/絶縁体ハイブリッ
ドアイソレーション・モジュールの LCC モデル．(オンラインカラー)

ま て り あ 第60巻 第 9 号(2021)
Materia Japan† 薄膜トランスバース型 mTEG ではこのパラメータの自由度は大きく， D 程度の値からその～ 1 /数 100程度の値であれば，その他の構造パラメータが適切に変化して D0 に依らず最大の Poutが得られる．

涼音，塩津勇作，熊谷颯人，遠藤弘之，佐貫海斗の諸氏とともに行ってきた研究成果に基づく．本研究に携わってきた上記諸氏の貢献は大きく，改めて感謝する．本研究の一部は，
JST 知財活用支援事業 スーパーハイウェイ の支援を受けたものである．

文

図5

出力電力 Pout および設計パラメータの Kair′依存性．( D＝1 cm, H＝5 mm, x＝0.5 mm, D0＝9 mm, ts＝1 mm)(オンラインカラー)

で 1000 K / W 程度となり， Q は産熱限界を下回る．このとき，Pout は概ね～10 mW となるから，1 cm2 のモジュールを100 個程度(～ 100 cm2 )，例えばリストバンド状に実装することで，WD に応用可能な出力～1 mW が得られる．

.

まとめ

体温を用いた mTEG モジュール技術について，我々の研究開発してきたデバイス技術，設計技術を中心に解説を行った．デバイス構造，設計方法はこの系特有のものともいえるが，これらの根底にある考え方や方法論は熱電材料の特性を最大限に引き出し，ウェアラブルエレクトロニクスといった新たな応用を実現すための基盤となる．材料の物性はもちろ

献( 1 ) D. Metcalf, S. T. J. Milliard, M. Gomez and M. Schwartz:IEEE Pulse, 7(2016), 3539.
( 2 ) 井上創造，中島直樹情報処理，56 (1995) 870873.
( 3 ) 岸 松雄まてりあ，38 (1999) 755758.
( 4 ) 渡辺 滋，村上 淳，山田信一マイクロメカトロニクス，44, (2000) 2531.
( 5 ) V. Leonov: IEEE Sensors Journal, 13 (2013) 2284
2291.
( 6 ) T. Kondo, N. Chiwaki and S. Sugahara: Electron Device Technology and Manufacturing Conference, Toyama, Japan, February 28March 2, (2017), paper P14, 201203. 本論文ではヒトの産熱限界を考慮していない．
( 7 ) N. Chiwaki, T. Seino and S. Sugahara: J. Micromech.
Microeng., 28 (2018), 094003/16.
( 8 ) Y. Shiotsu, T. Okubo, H. Kumagai and S. Sugahara: 2019 Joint
International EUROSOI Workshop and International Conference on Ultimate Integration on Silicon, Grenoble, France,April 13, (2019), paper P14.
( 9 ) H. Kumagai, Y. Shiotsu and S. Sugahara: IEEE International
Conference on Micro Electro Mechanical Systems 2021, Online, January 2529, (2021), paper M136.i.
(10) K. Sumita, K. Kato, M. Takenaka and S. Takagi: Jpn. J. Appl.
Phys. 58, (2019), SBBA03/16.
(11) N. Mingo: Appl. Phys. Lett., 84(2014), 26522654.
(12) T. Seino, N. Chiwaki, S. Yamashita and S. Sugahara: Microand Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS) 2017, Kanazawa, Japan,November 1417, (2017), paper PT. 70.
(13) Y. Shiotsu, T. Seino, T. Kondo and S. Sugahara: IEEE Trans.
on Electron Devices, 67, (2020), 38343842.
(14) Y. Shiotsu, T. Kondo and S. Sugahara: in preparation.

ん重要であるが†，その物性を最大限に引き出し使いこなす★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

技術も同様に必要不可欠である．また，体温を用いた

1996年 東京工業大学大学院理工学研究科電子物理工学専攻博士課程修了
1996年 東京工業大学大学院理工学研究科電子物理工学専攻助手
2002年 東京大学大学院工学系研究科電子工学専攻助手
2006年より 現職
専門分野集積デバイス・集積回路

mTEG モジュール技術は必然的に VLSI 技術とも整合すること も 述 べ た ． 特 に TEOI は 最 先 端 の ト ラ ン ジ ス タ 技 術 をmTEG モジュール技術に転用させる技術になり得る．

本稿は，近藤剛，千脇那菜，清野稔仁，大久保岳，山下菅原

聡★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

† 第 5 節で述べたように WD 応用では ZT ＝ 1 が 1 つの目安ではあるが，実装面積が少し大きい．さらに大きな ZT は実装面積を減らす，または高出力化(長無線距離化)できる．

特集