ランタン硫化物系組成傾斜膜を用いた熱電素子の作製とその超高効率放熱基板への応用

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14040201
• Research Institution: Muroran Institute of Technology
• Principal Investigator: 平井 伸治 室蘭工業大学, 工学部, 教授 (10208796)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 上村 揚一郎 物質・材料研究機構, 物質研究所, 特別研究員
• Keywords: ランタン三二硫化物 / 焼結体 / 相制御 / 熱電材料 / 出力因子 / 比誘電率 / ゼーベック効果 / 冷却モジュール

Research Abstract

薄膜および焼結体においてNa、Ti、Zr、Hfがγ-La_2S_3を安定化することが確認された。LaH_3の添加は、組成の制御以外にLaの濃化によりγ-La_2S_3を安定化することが確認された。次に、このように相制御を行った焼結体について、熱電材料として出力因子、誘電体材料として比誘電率を測定した。γ-La_2S_3単相焼結体では、常温における出力因子が従来の報告^<(8)>を超える5.3×10^2 μW・m^<-1>K^<-2>一方、β-La_2S_3単相焼結体では、500Hz〜1MHzの周波数域において常温で10^6に達する巨大な比誘電率が発現することを明確にした。
この他、従来技術であるp型とn型の熱電材料を組み合わせたペルチェ素子に電流を流すことにより冷却効果を発現させるのに対し、本研究ではp型またはn型のいずれかの熱電材料を電極で挟み、両電極間を短絡させることにより、外部電力の供給なしに冷却効果を発現させる放熱板の作製を試みた。冷却能力は用いる熱電材料の性能指数に依存するので、開発極上のLa_2S_3の代わりに既存のBi_2Te_3系p型熱電材料を用い、その両端をハンダにより銅薄電極と接合した。測定は、電極の一方をヒーターを用いて337.OK、他方をペルチェ素子を用いて304.2Kに固定した後、両電極間の開放、短絡を繰り返し、高温側の電極の温度を測定した。初期の開放電圧が6.65mVであったことから温度差は約33Kと見積られた。回路を短絡することで温度が下がり、再び開放することで温度が元に戻ることが確認された。この場合の温度の低下は約1.5Kであった。この結果、試作したモジュールは、温度差によってゼーベック効果による熱電力により電流を発生し、回路を短絡することで熱電材料に電流が流れ、その電流によるペルチェ効果により高温側が冷却されたものと推定した。

Research Products

• [Publications] S.Hirai, E.Sumita, K.Shimakage, Y.Uemura, T.Nishimura, M.Mitomo: "Synthesis and Sintering of Cerium(II) Monosulfide"J.Am.Ceram.Soc.. 87・1. 23-28 (2004)
• [Publications] S.Hirai, K.Nishinaka, K.Shimakage, M.Uo, F.Watari: "Hydroxyapatite Coating on Titanium Substrate by the Sol-Gel Process"J.Am.Ceram.Soc.. 87・1. 29-34 (2004)
• [Publications] 嶋影和宜, 平井伸治, 戸田茂雄, 山本 浩: "希硫酸浸出/電解プロセスによる水産系廃棄物からの重金属イオンの除去"室蘭工業大学紀要. 53・11. 23-28 (2003)
• [Publications] 渡辺恵司, 坂入正敏, 高橋英明, 平井伸治: "ゾル・ゲルコーティング/アノード酸化によるAl-Si複合酸化皮膜の作製"まてりあ. 42・11. 911 (2003)
• [Publications] M.Ohta, Y.Haibin, S.Hirai, K.Shimakage, Y.Uemura: "Phase Transformation from Tetragonal Phase to Cubic Phase due to Addition of Titanium in Lanthanum Sesquisulfide"J.Alloys and Compounds. (印刷中).
• [Publications] M.Ohta, S.Hirai, S.Morita, T.Nishimura, Y.Uemura: "Preparation of Ln_2S_3 (Ln:La,Pr,Nd, and Sm) Powders by Sulfurization of Oxide Powders Using CS_2 Gas", Fifth International Conference on f-Elements"J.Alloys and Compounds. (印刷中).
• [Publications] 平井伸治: "目的を達成するためのゾル-ゲル法による構造制御ノウハウ集,第一版"技術情報協会. (2003)