2016 年 4 月 25 日 報道関係各位 日本電気株式会社 ＮＥＣトーキン株式会社 国立大学法人 東北大学 NEC、 NEC ト ー キ ン 、 東 北 大 、 10 倍 以 上 の 効 率 向 上 を 実 現 し た スピンゼーベック熱電変換素子を開発 ～センサーへの応用など実用化に目処～ 日 本 電 気 株 式 会 社（ 代 表 取 締 役 執 行 役 員 社 長 兼 CEO：新 野 隆 、以 下 NEC）、 Ｎ Ｅ Ｃ ト ー キ ン 株 式 会 社（ 代 表 取 締 役 執 行 役 員 社 長：小 山 茂 典 、本 社：宮 城 県 白 石 市 ）、国 立 大 学 法 人 東 北 大 学（ 総 長：里 見 進 、所 在 地：宮 城 県 仙 台 市 ）は 共 同 で 、新 し い 熱 電 変 換 技 術 で あ る ス ピ ン ゼ ー ベ ッ ク 効 果（ 注 1）を 用 い た 熱 電 変 換 デ バ イ ス （ 注 2） に お い て 、 従 来 比 10 倍 以 上 （ 注 3） の 変 換 効 率 向 上 を実現しました。 熱 電 変 換 技 術 は 、無 駄 に 捨 て ら れ て い る 膨 大 な 廃 熱 を 再 び 電 力 に 変 換 し て 利 用 で き る 技 術 と し て 、省 エ ネ や 温 室 効 果 ガ ス 排 出 削 減 に 向 け た 活 用 が 期 待 さ れ て い ま す 。ス ピ ン ゼ ー ベ ッ ク 熱 電 変 換 デ バ イ ス は 、製 作 コ ス ト が 安 く 、汎 用 性 、 耐久性が高いなどの利点がありますが、変換効率が劣ることが課題でした。 今 回 、新 し く 開 発 し た 材 料 と 素 子 構 造 を 適 用 す る こ と で 、ス ピ ン ゼ ー ベ ッ ク 熱 電 変 換 デ バ イ ス の 変 換 効 率 を 10 倍 以 上 に し 、ま た 高 温 の 熱 処 理 が 不 要 な 製 造 プ ロ セ ス に よ り 、樹 脂 等 の フ レ キ シ ブ ル 素 材 を 使 っ た デ バ イ ス が 実 現 で き ま す。 ま た 、今 回 開 発 し た 素 子 に よ り 、ス ピ ン ゼ ー ベ ッ ク 熱 電 変 換 デ バ イ ス の 変 換 効 率 は 、 開 発 初 期 の 素 子 と 比 較 し て 約 100 万 倍 の 改 善 を 遂 げ 、 発 電 素 子 と し て の 実 用 化 に 向 け て 大 き く 前 進 し ま し た 。ま た 、熱 の 流 れ を 測 る セ ン サ ー と し て実用的な感度を達成する目処もつきました。 今後、3 者は、熱を大量に排出するプラントやデータセンターなどの建物、 自 動 車 な ど の 廃 熱 か ら 発 電 を 行 う 技 術 の 実 用 化 に 向 け て 、さ ら な る 研 究 開 発 を 進めていきます。 1 【背景】 近 年 、省 エ ネ や 温 室 効 果 ガ ス 排 出 削 減 に 向 け て 、無 駄 に 捨 て ら れ て い る 膨 大 な廃熱を再利用する新技術への期待が高まっています。その中で熱電変換は、 廃 熱 を 電 力 に 変 え る 技 術 と し て 、大 学 や 研 究 機 関 で 開 発 が 進 め ら れ て い ま す が 、 性能やコストが課題となっています。 ス ピ ン ゼ ー ベ ッ ク 熱 電 変 換 技 術 は 、「 ス ピ ン ゼ ー ベ ッ ク 効 果 」 を 利 用 し た 新 し い 技 術 で あ り 、非 常 に シ ン プ ル な 構 造 で あ る た め 低 コ ス ト で 製 作 で き 、ま た 様 々 な 形 に 加 工 し て 適 用 で き る な ど 、従 来 の 熱 電 変 換 技 術 に な い メ リ ッ ト を 備 えた技術として期待されています。 そ の 一 方 で 、理 論 的 に は 高 い 効 率 で 熱 電 変 換 が 実 現 で き る 可 能 性 が 予 測 さ れ て い る も の の 、ゼ ー ベ ッ ク 効 果 を 用 い た 既 存 の 熱 電 変 換 技 術 と 比 較 し て 、極 め て低い変換効率に留まっていたことが課題となっていました。 今 回 、3 者 は 、低 価 格 な 原 料 を 用 い た 材 料 を 開 発 し 、高 温 の 熱 処 理 が 必 要 な い 製 造 プ ロ セ ス を 実 現 す る こ と で 、ス ピ ン ゼ ー ベ ッ ク 熱 電 変 換 技 術 の 実 用 性 を 高め、さらに熱電変換効率を大幅に向上することに成功しました。 【新技術の特長】 1.よ り 安 価 で 高 性 能 な 強 磁 性 合 金 を 開 発 し 、 熱 伝 変 換 効 率 を 大 き く 向 上 スピンゼーベック熱電変換デバイスは、電力を取り出すための電極材 料として、従来高価な白金が用いられていましたが、今回、白金を代替 する新しい合金材料であるコバルト合金を開発しました。これにより大 幅なコストの低減に成功しました。さらに、このコバルト合金に磁性の 性 質 を 与 え る こ と で 表 れ る「 異 常 ネ ル ン ス ト 効 果 」（ 注 4）と 呼 ば れ る 熱 電効果を「スピンゼーベック効果」と併用して、白金を利用した素子の 10 倍 以 上 に 熱 電 変 換 効 率 を 向 上 さ せ ま し た 。 2 2. 新 し い 成 膜 手 法 で 、 低 い 熱 処 理 温 度 と 曲 げ 耐 性 の あ る 素 子 を 実 現 従 来 の 700℃ と 比 較 し て 、約 90℃ と 圧 倒 的 に 低 い 温 度 で 、ス ピ ン ゼ ー ベック熱電変換デバイス用に緻密なフェライトの膜を作製できる成膜手 法を採用しました。このような熱処理温度の低下により、素子をプラス チックフィルム等の表面に作製することが可能になりました。同様に、 様々な形状に加工して活用できるフレキシブル素子が実現できます。 本 成 果 は 、 2016 年 3 月 15 日 発 行 の 英 Scientific Reports 誌 （ 注 6） に掲載されました。 3 今 回 の 成 果 は 、国 立 研 究 開 発 法 人 科 学 技 術 振 興 機 構（ JST）の「 ERATO 齊 藤 ス ピ ン 量 子 整 流 プ ロ ジ ェ ク ト 」（ 研 究 総 括 ： 東 北 大 学 齊藤英治教授、研究 期 間 ： 2014 年 度 ～ 2020 年 度 ） の 一 環 で 得 ら れ た も の で す 以上 (注 1)ス ピ ン ゼ ー ベ ッ ク 効 果 ： 東 北 大 学 （ 当 時 は 慶 應 大 学 ） の 齊 藤 英 治 教 授 、 内 田 健 一 准 教 授 ら に よ り 2008 年 に 発 見 。 温 度 差 を つ け た 磁 性 体 に お い て 、 温 度 勾 配 と 並 行 に 電 子 が持つ磁気的性質であるスピンの流れ（スピン流）が生じる現象 (注 2)熱 電 変 換 デ バ イ ス ： 熱 エ ネ ル ギ ー を 電 力 に 変 換 す る デ バ イ ス (注 3)2015 年 に 東 北 大 ら が 発 表 し た 多 層 型 ス ピ ン ゼ ー ベ ッ ク 素 子 を 用 い て NEC で 試 作 し た 評価用モジュールとの比較 (注 4)約 100 年 前 に 発 見 さ れ た 伝 導 体 の 磁 性 に 関 連 し た 熱 電 効 果 (注 5)参 考 文 献 A. Kirihara et. al., Nature Materials 11, (2012) 686. 石 田 NEC 技 報 66(1) (2013). R. Ramos et. al., Phys. Rev. B 92, (2015) 220407(R) (注 6)英 国 の 総 合 学 術 雑 誌 Nature が 発 行 す る オ ー プ ン ア ク セ ス 型 の 学 際 的 電 子 ジ ャ ー ナ ル ＜本件に関するお客様からのお問い合わせ先＞ ＮＥＣ 研究企画本部 プロモーショングループ https://contact.nec.com/http-jpn.nec.com_tb_142rd_4b126d/?fid=4b 126d ＜本件に関する報道関係からのお問い合わせ先＞ ＮＥＣ コーポレートコミュニケーション部 中村・大戸 電 話 ：（ ０ ３ ） ３ ７ ９ ８ － ６ ５ １ １ E-Mail:[email protected] ＮＥＣトーキン 広報宣伝グループ 小檜山・加賀 電 話 ：（ ０ ２ ２ ４ ） ２ ４ － ３ ９ ３ ２ E-Mail:[email protected] [email protected] 東 北 大 学 原 子 分 子 材 料 科 学 高 等 研 究 機 構 （ WPI-AIMR） 広報・アウトリーチオフィス 皆川 電 話 ：（ ０ ２ ２ ） ２ １ ７ － ６ １ ４ ６ E-Mail:[email protected] 4
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