2022 Fiscal Year Research-status Report
切り紙構造を利用したフレキシブル熱電発電デバイスの開発
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22K14198
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
寺嶋 真伍 早稲田大学, 理工学術院, 助教 (10825615)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Keywords | 熱電発電 / 切り紙 / フレキシブル電子デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
8つある研究項目のうち「基板構造の最適化」および「熱電素子形状の最適化」について取り組んだ．具体的には，(1)電気抵抗軽減のため，銅層の厚みを増大させて性能を計測した．さらに，(2)異なる寸法の熱電素子を実装した8種類の巴型熱電発電デバイス（巴型TEG）を作製し，各巴型TEGを立ち上げながら性能計測する実験，および(3)上基板の幅を1mmから13mmまで拡大させながら性能計測する実験を行った．
結果として実験(1)では，様々な厚みの銅基板に対して寸法が6×2×1mmの熱電素子を実装した巴型TEGを複数作製し，その電気抵抗を比較した．銅層の厚みが8μmの巴型TEGの電気抵抗は107mΩ/pairであったが，厚みを40 μmまで増大させた場合，60mΩ/pairの電気抵抗となった．また，銅層の厚みを50μm以上に増大させた場合，立ち上げ後の復元力が過大となったため，上限を40μmと定めた．これにより，試作巴型TEGの電気抵抗の43%を削減させることに成功した．
実験(2)からは，巴型TEGをフラットな状態から立ち上げていき，熱電素子の片方（低温側）が高温熱源から離れることの効果は非常に大きくなるということが明らかとなった．また，熱電素子のサイズに関しては，熱電素子の幅と厚みを大きくすることは効果が見られなかった一方で，長さを長くすることが大きく貢献することが判明した．
実験(3)については，単純に立ち上がった上基板の幅（面積）が大きくなるにつれて発電量が増大するという傾向は示されず，最適値を持つ傾向となった．すなわち，上基板の面積がある値（幅が7mm）を超えて増大した場合は熱電素子内に生じる温度差が小さくなってしまう傾向が見られた．大面積の上基板内にどのような温度分布が生じているのかを解明するため，次年度では数値シミュレーションを用いて上基板の温度分布を明らかにする予定である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究項目「基板構造の最適化」および「熱電素子形状の最適化」により，切り紙構造の基板が高さ方向に面外変形することが，発電量向上に対して大きく寄与していることを証明できたため．さらに，巴型熱電発電デバイスの高性能化を目指す場合には，熱電素子内に生じる温度差に加えて，熱の対流，熱電素子における電気抵抗を同時に考慮することが重要である可能性が生じ，銅基板の厚みや，上基板（放熱の役割を担う）の面積や熱電素子のサイズを決定するに至った．その結果として具体的な好ましい寸法を決定でき，今後の道筋が明らかになったため．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究項目「基板構造の最適化」「接触電気抵抗の低減」をベースに進め，追加の研究項目として「巴型TEGにおける熱伝導や熱伝達の解明」を加える．
「基板構造の最適化」の具体的な内容は，2022年度の研究成果に加え，(1)熱電素子の実装位置，(2)脚部の根元部分における材料構成，(3)上基板からの放熱性能について調査する．(1)については，熱電素子の実装位置を高温熱源から離した場合，および高温熱源に近づけた場合で実装し，発電量を計測する．本実験は，脚部根元部分からの熱伝達による熱のロスが大きいのではないかという疑問を解消するための実験である．(2)については，脚部根元部分をシリコーンゴムのような熱伝導率の低いもので覆い，根元部分からの熱伝達を緩和することで，根元部分からの熱伝達による熱のロスを抑える目的である．(3)については，追加研究項目である「巴型TEGにおける熱伝導や熱伝達の解明」により明確化する．
研究項目「接触電気抵抗の低減」については，超音波を利用したハンダ実装，もしくはバックメタル層を利用したハンダ実装を試みる．これまでは接触電気抵抗のみで数Ω～数十Ω/pairオーダーとなっているが，これを数十mΩ/pairまで低減させたい．
追加研究項目「巴型TEGにおける熱伝導や熱伝達の解明」では，巴構造に立ち上がった場合の上基板における温度分布を調査し，なぜ上基板の面積が増大した場合に出力が低下するのかという問題に対する回答を探索する．単純な熱伝導のみを扱う計算と，熱伝導と熱伝達（空気領域を設け重力を考慮する）の両方を同時に扱う計算の２パターンで計算する．
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| Causes of Carryover |
世界的な半導体不足による影響を受け，購入予定であった熱電半導体や引っ張り試験装置などの商品を購入できなかったため，次年度使用額が生じた．現時点では2023年度での支出を予定しているが，半導体不足によって，通常の納期が1か月程度であったものが1年以上と大幅に遅れており，具体的な納期は各社で不明となっているため，使用計画を具体化できない状態である．
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