塗るだけ発電!驚愕のスピンゼーベック素子

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流行りモノから新技術まで! 5分でわかる最新キーワード解説

塗るだけ発電!驚愕のスピンゼーベック素子

2013/11/06


 日々進歩するIT技術は、ともすると取り残されてしまいそうな勢いで進化の速度を高めています。そこでキーマンズネット編集部がお届けするのが「5分でわかる最新キーワード解説」。このコーナーを読めば、最新IT事情がスラスラ読み解けるようになることうけあい。忙しいアナタもサラっと読めてタメになる、そんなコーナーを目指します。今回のテーマは「ペンキで発電できるかも」と騒がれた塗布プロセスを利用して作成できる「スピンゼーベック素子」。温度差を電力に変えるこの素子、産業や生活、あるいは地球環境の中で「捨ててきた熱」や「発生源近くでしか利用できなかった熱」をより有効なエネルギーとして活用する道を示してくれています。ペンキ発電までの道は遠いようですが、熱源を広く覆ってエネルギーハーベスティングできるため、無尽蔵な「地熱」なども従来とは違った視点から電力源として視野に入るようになりました!

スピンゼーベック素子

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「スピンゼーベック素子」って何?

 熱を加えると発電する熱電変換を、従来技術の限界を超えた効率で実現することが期待されている最先端デバイス。原理となるスピンゼーベック効果は2008年に日本で発見されたものだ。昨年NECと東北大学が開発したスピンゼーベック素子は、基材へのコーティング(塗布)で製造可能なシンプルな構造をとり、地熱などの比較的小さな温度差でも電力への変換ができるため、廃熱の効率的な活用への道を開くと考えられている。
 図1はガラスの上に磁性膜と金属膜とをコーティングしたスピンゼーベック素子の試作品。ガラス面を突き抜けるように熱の流れを加えることにより、金属膜面から電気を取り出すことができる。

図1 ガラス板へコーティングした試作品
図1 ガラス板へコーティングした試作品
資料提供:日本電気
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従来からの熱電変換デバイスとの違いは?

■「ゼーベック素子」(熱電対)の課題とは

 熱を電気に変換するデバイスとして有名なのは、p型半導体とn型半導体を接合した「ゼーベック素子」(「関連するキーワード」の項参照)だ。
 しかしゼーベック素子では実用的な電圧を作るために図1に見るような複雑な構造をとる必要があり、しかも平らな面以外で使うことが難しいという課題がある。また発電効率を考えるとコスト的に見合わず、現実的な応用が難しい面もある。

図2 従来の熱電変換素子(ゼーベック素子)の構造
図2 従来の熱電変換素子(ゼーベック素子)の構造
NEC技報/Vol.66 No.1 「新原理「スピンゼーベック効果」による熱電変換の可能性」より
資料提供:日本電気
■ゼーベック素子より「シンプル」「高効率」「低コスト」なスピンゼーベック素子

 そこでもっと単純な構造で、どんなところにでも作り込むことができる素子の登場が期待されていた。今回のスピンゼーベック素子は、そのいずれの期待にも答えるものだった。しかも発電効率がさらによくなる可能性もある。その構造は、図3のように磁性絶縁体と金属とを膜状にして、基材の上に2層にコーティングしたものだ。磁性膜側か金属膜側のどちらかに熱源があれば、金属膜で電流が取り出せる。

図3 2層構造で作成したスピンゼーベック素子
図3 2層構造で作成したスピンゼーベック素子
資料提供:日本電気

 図2に比べてシンプルすぎるほど簡単な構造だ。しかも「膜」でできていることがポイントで、面積が広ければ広いほど、大電力が取り出せる。柔軟性のある基材と組み合わせれば、凹凸の激しい面(例えば熱をもった地面)を覆って発電ができるようになる(図4)。

図4 大面積を覆うスピンゼーベック素子のイメージ
図4 大面積を覆うスピンゼーベック素子のイメージ
資料提供:日本電気

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