◆プロジェクト研究報告｢SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)/革新的設計生産技術「三次元異方性カスタマイズ化設計・付加製造拠点の構築と地域実証」」◆異方性カスタム冷熱デバイス
前嶋聡 寺 西 正 俊パナソニックセミコンダクターソリューションズ株式会社主幹(〒6210018 亀岡市大井町小金岐 424)
パナソニック株式会社生産技術本部生産技術開発センター部長
Customized Thermoelectric Device Using Anisotropic Material; Satoshi Maeshimaand Masatoshi Teranishi(Panasonic Semiconducter Solutions Co., Ltd., Kameoka. Production Engineering Laboratory, Production Engineering Division, Panasonic Co., Ltd., Kadoma)
Keywords: Peltier, thermoelectric, crystal growth, small tube
2015年 6 月19日受理[doi:10.2320/materia.54.505]

は，式( 1 )に含む a ， r ， k といった材料物性に関する最適.

は じめに化，また S，L といった形状・構造に関する最適化設計である．これら最適化カスタム設計に基づく熱と電気の最適化に

近年，電子デバイスの高性能化に伴いデバイスの発熱量がより，ペルチェ性能の最大化が実現できる．このように，冷増加している．性能を担保するため各デバイスの熱対策の重熱デバイスは，個々の熱源に合わせた最適化カスタム設計が要性が高まっており，高い熱伝導性を有するペーストやヒー求められる一方で，柔軟なカスタム対応が出来る効率的なもトシンクなどの高放熱構造材といった，材料物性から構造設のづくりスタイルも合わせて確立することが必要である．

計まで幅広い分野で熱ソリューション技術の開発が進められている．

本稿では，このペルチェ冷熱デバイスのカスタム設計および実証事例として長距離の光通信に使用される半導体レーザ

中でも本稿における異方性カスタム冷熱デバイスとは，前(以下 LD)の温調用の小型ペルチェデバイスの省電力設計お記の受動的に熱を制御するデバイスではなく，能動的に熱をよび小型カスタム化を実現する異方性結晶形成ものづくりに制御するデバイスの総称である．本稿では特に，材料物性とついて論じる．

構造設計，さらには熱流体と電気伝導を同時に最適設計しなければならない熱電変換デバイス(ペルチェデバイス)につい.

小型ペルチェの省電力設計て着目する．
ペルチェの原理は， 19 世紀前半に発見された歴史の古い

LD の小型，高性能化に伴い温調に使用するペルチェデバ技術であり，その技術を用いた冷熱デバイスは，小型で可動イスの省電力化が強く求められている．ペルチェデバイスは部がなく長寿命という特長を持つ．その吸熱量 Q は，式

電流駆動型のデバイスであり，投入電流と吸熱量は比例する．

( 1 )のように表すことが出来る．
Q＝aTcNI－1 L 2Sr NI －k DTN
L2 S

一方で投入電流に比例し自己発熱も増加するため，最終的(1)aゼーベック係数，Tc冷却面温度，N素子数，I電流r電気抵抗率，k熱伝導率，S断面積，L高さ，DT温度差

な吸熱性能は式( 1 )の関係に従い，極大値をとる．
本来ペルチェデバイスの省電力化は，熱電材料そのものの高効率化が必要であるが，顧客ニーズにしたがって考えた場合，その省電力化の方策は異なるアプローチとなる．LD の温調といった顧客ニーズにおいては，ペルチェデバイスの駆式( 1 )の第 1 項がペルチェ効果に関する項であり，第 2 項動制御回路を含め顧客仕様が決まっており，最大限吸熱をすは，デバイス自体の抵抗発熱，第 3 項が熱伝導に関する項るわけではなく，顧客使用環境にあわせて LD の熱を吸収すである．つまり，ペルチェデバイスが電子デバイスであるがればよい．つまり，駆動回路にかかる電力を含め考えると，ゆえに第 2 項の抵抗発熱により，第 1 項のペルチェ効果に如何に低電流で駆動させるかがポイントになる．図にペルよる熱輸送を加えた熱量を，放熱面で処理しなければならチェデバイスの形状に対する投入電流と温度差の関係を示しい．したがって，ヒートポンプなどの熱交換による逆カルノている．図 1 よりペルチェデバイスのアスペクト比を大きーサイクルを利用した冷却手段に比べ，その効率が悪いといくすると，温度差が最大となる点が低電流側にシフトするこったデメリットがある．一方で，電子デバイスなどの局所的とが分かる．さらに，高温環境下においてペルチェデバイスな熱対策においては，その小型で稼動部が無い冷却デバイスの放熱面が 90 °C と想定し， LD を 50 °C 以下に制御したい場といったメリットが活かされている．このペルチェデバイス

合，温度差として 40 °C になればよい．温度差 40 °C にペルチのメリットを最大限活かすためには，個々の発熱源に対し，ェデバイスを制御するための電流は，アスペクト比を現行品材料・構造の最適化カスタム設計が重要である．具体的にの 3 倍にすると1/2以下で済むことが分かる．ある LD モジ

ま て り あ 第54巻 第10号(2015)
Materia Japan
図1

素子形状に対する投入電流と温度差の関係．
Bi2Te3 の結晶構造(1)．

図2

ュールにおいては，消費電力として 40 低減できることが分かっている．現在，LD 温調用の小型ペルチェデバイスの省電力化および更なる小型化に対して，高アスペクト形状の熱電素子の実用化を検討している．

.

カスタム対応ものづくり

先に述べた最適化設計されたデバイスを実現するとともに様々な熱源に柔軟にカスタム対応できるものづくりを確立しなければならない．特に，ホットスポットに適用する冷却デバイスとしてのペルチェデバイスでは，小型高密度化に対応したものづくりである．国家プロジェクト SIP プログラム

図3

素子形成工法(一般工法と開発工法の比較)．

において産業分野におけるカスタム対応ものづくりテーマの位置づけと材料異方性による高性能化の位置づけで取り組む．
現在ペルチェデバイスに用いられている素子材料 Bi2Te3は，図に示す構造であり， Te Te 結合部がファンデルワールス力で結合した非常に脆弱な材料である．さらに，一般的 な素子 製造方 法は， Bi2Te3 のイン ゴット結 晶材を 作製し，切り出す工法である．このため，前述の材料物性により小型化が困難であるとともに，材料利用効率の面においても小型化に対して，柔軟なカスタム対応が困難である．


図4結晶配向と性能の関係．

高効率小型素子形成法

これまでの素子形成法は，効率的に画一な形状の素子を作た際の長手方向への結晶方向分布を SEM EBSD 法によりり出すため，インゴットから大量に素子を取り出すバッチ処解析した結果を示す． Bi2Te3 結晶は a 軸が優先結晶成長方理工法である．本稿では，様々なホットスポットに対応した向であることに起因し，図 4 に示すように本工法により結様々形状かつ小型の素子を効率的につく出すため，図に示晶成長させた際の長手方向への a 軸の結晶配向分布を揃える

すガラス管吸上げ法の検討を行った．特に，素子断面積が現ことができ，最適な熱電特性を引き出したデバイスが創成可状の 1.2 mm2 から 0.5 mm2 に小型化した場合，材料の利用能であることを我々は明らかにした．

効率で約 5 倍向上する．また，ガラスで保護されているこ.とより，材料の脆弱性の問題も回避できる．


異方性結晶形成

おわりに今回，冷熱デバイスに対してカスタム設計の指針を示し，Bi2Te3 の結晶構造(図 2)より，その電気的，熱的物性は異そのカスタム対応ものづくりの方針と異方性結晶形成による方性を有している．結晶の a 軸と c 軸とその物性を比較した性能最適化を示した．今後，様々な発熱源に対し，異方性冷表を図中に示す．熱電(ペルチェ)性能を総合的に判断する

熱デバイスをカスタム設計することで効果検証を進めていく．

性能指数 Z ＝ a2× r/k の関係式より， a 軸方向に温度差を取文る方がよいことが分かる．ここで図 4 中の棒グラフは，上献

述のガラス管吸上げ工法においてガラス管長手方向に温度勾配を取るように設計した局所冷却部を通過させ結晶成長させ( 1 ) 坂田亮 編熱電変換―基礎と応用―，(2005), 89 and 183.

プロジェクト報告