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５，NaxCoO2熱電変換材料の熱電特性及び排熱回収技術 ー東京ガス株式会社ー １０，人と化学のやさしいコミュニケーション 堺化学工業（株） １３．新会員紹介 株式会社イスマンジェイ PDF１ PDF２
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株式会社 東芝 ディスプレイ・部品材料社 材料部品事業部は、業界最高レベルの熱伝導率２２０W/mKをもつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス基板を開発し、この基板を使用した半導体レーザ用サブマウントを製品化しました。 東芝は窒化物セラミックスのトップメーカーとして、様々な材料、部品を供給してきました。特に窒化アルミニウムについては、その特長である絶縁性と高熱伝導性を活かした用途としてパワー半導体分野のヒートシンク材や各種回路基板、薄膜基板などに幅広く使用されています。その中でも光ピックアップ用サブマウントに代表される薄膜基板は、パソコンに標準装備されつつあるＤＶＤ−ＲＡＭ／ＲＷ，ＣＤ−Ｒ／ＲＷの高倍速化に伴って半導体レーザの高出力化（数百ｍＷレベル）が進み、サブマウントにもより高い放熱性が要求されるようになってきています。 そこで東芝では、窒化物セラミックスの材料技術を駆使し、焼結プロセスにおいて結晶粒径制御と不純物酸素の低減を行うことにより、従来より熱伝導率を１０％向上させた ２２０W/mKの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス基板の量産プロセスを確立しました。そしてこの基板に薄膜プロセスを適用し、基板から薄膜までの一貫ラインを構築することにより信頼性の高い高熱伝導窒化アルミニウムサブマウントを製品化することに成功しました。 この高熱伝導サブマウント基板は、８月より量産を開始して９月には月産１０００万個体制まで増強し、ＤＶＤ−ＲＡＭ／ＲＷやＣＤ−Ｒ／ＲＷ等の光ピックアップや光通信分野の光増幅器等の半導体レーザ用サブマウントなどをターゲットとして販売していく予定です。
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この度弊社では、ホームページ(http://www.yokowo.co.jp/)上のセラミックアンテナラインアップに新製品を加え、カタログ(http://www.yokowo.co.jp/product/index.html)を更新しました。 １．PIFAタイプにつきましては、従来掲載していた「YCE-5208/5209」を、性能を改善した「YCE-5208/5246」と入れ替えました。 ２．EG-PIFA(External Grounded PIFA)タイプには「YCE-5249/5250」を追加しました。 ３．シングルエレメントタイプ(モノポール)では、厚さ0.8mmが特長の薄型セラミックアンテナ「YCE-5245」 (9x3x0.8)を新たに追加し､従来の「YCE-5207/5241」に加え、一層アプリケーションの幅を広げました。
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写 真：YCE-５２４５
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上記の他、GPS用には、新たに「YCE-5158」を加えるなど、製品の充実を図りました。
各製品の詳細につきましては、ホームページ上のカタログ(アドレス上記)をご覧下さい。 尚、製品情報は、ドメインページ(http://www.yokowo.co.jp/domain/index.html)からも一覧表をご覧頂けます。 |
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弊社は、セラミック加工機・セラミックスパーツ・加工用工具を取り扱っておりますが、今回、加工機械部門のメカトロ部による新事業を、ご紹介させて頂きます。 弊社メカトロ部は今日、セラミック専用加工機といたしまして、高剛性・高能率加工で御好評頂いております竪型同時３軸研削盤YGシリーズ、「ＹＧ−６００」・「ＹＧ−１２００」、更に広範囲の仕事をクリアーできる、ストロークUPの「ＹＧ−１２８５」及び、１チャッキングにて、高精度内外径端面加工可能の、横型複合研削盤「ＨＣＧ−１７５」、ＣＮＣ搭載横軸平面研削盤「ＨＬ−２００」等、セラミック製品製作に不可欠な機械を、開発販売し実績をのこしてきましたが、弊社セラミック加工機以外に、「特殊専用機・自動化ライン等」の製作、又機械等の「オーバーホール」等も行っており、この方面でもかなりの実績があります。 。問い合わせ先：ヨコハマセラミックス（株） 真壁
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１．はじめに 熱電変換技術とは、材料中に温度差を与えると生じる熱起電力を利用して熱を電気に直接変換する発電技術である。従来からビスマステルル(Bi2Te3)や鉛テルル(PbTe)などが知られているが、大規模な熱回収技術に比べれば変換効率が小さいこと、構成元素として毒性元素や希少元素を含むこと、また高温耐久性の劣る点で発電効率に制限があることから、実用化は宇宙用や軍事用など特殊用途に限られていた。しかし、熱電発電技術はメンテナンスが殆ど必要なく、無騒音であるなどのメリットがあることから、分散型エネルギー(コージェネレーション)の排熱回収システムとして適している。排熱から回収できる電気エネルギーの割合は少なくとも、排熱の総量は巨大であることから、トータルでは大量のエネルギーを回収することが可能となる。この結果、省エネルギーや二酸化炭素排出削減に貢献できると期待されている。そこで、我々は従来材料の課題である毒性と耐熱性の解決手段として、セラミックス材料に着目しNaxCoO2の開発を行った。 ２．熱電変換材料に求められる性能 熱電変換材料の変換効率は次式で与えられる。
Tcjは低温端温度、Thjは高温端温度、Zは性能指数であり、次式で示される熱電変換材料特有の評価指数である。
つまり、高い変換効率を得る為には、高温域での材料の安定性と高い性能指数が要求される。性能指数は、ゼーベックゼーベック係数が高く、電気抵抗率と熱伝導率は低い方がよい。 ３．NaxCoO2セラミックス材料
このNaxCoO2熱電変換材料の結晶構造は、図2に示すようなNaの絶縁層とCoO2の電気伝導層からなる層状化合物である。興味深い点は、Naサイトが2つあり、そのNa量が1-xだけランダムに欠損した状態にあるということである。NaxCoO2は、NaやOといった比較的軽元素から構成されているにも関わらず、焼結体で2W/m/K以下と熱電変換材料として好ましい低い熱伝導率を実現している。この理由の一つとして、Naがランダムにサイトを占有している構造から生じるフォノン散乱による影響であると考えられる。
NaxCoO2焼結体の電気抵抗率は、室温で約2mΩcm、NaxCoO2単結晶の場合は約0.3mΩcmと良電気伝導性酸化物であり、金属的な温度依存性(図3)を示す。一般的に、このような金属的電気伝導性を有する酸化物材料の場合、ゼーベック係数は非常に小さい。しかし、このNaxCoO2の場合、室温においても100μV/K以上の熱起電力を示す。これは、Coの価数揺動によるもの1)と考えられている。 以上のデータより、NaxCoO2の性能指数を算出した結果を図4に示す。このグラフで最も注目すべき点は、800KにおけるZTが1を超えているという事実である。従来、熱電変換材料の性能指数に関しては、ある種の呪縛が存在していた。それは、ZT=1の壁である。熱電変換材料に関する縮退半導体の理論は、既にIoffe2)の研究を中心として1929〜1960年にかけてほぼ完成されていた。そして、様々な材料が検討されてきたが、その無次元性能指数(ZT)が1を超える材料が殆んど発見できなかったのである。更に今回の結果は、酸化物材料であるという価値がある。これは、高温まで使用出来る点、原材料が従来材料よりも安価である点、そして毒性がない等の魅力をもっている。
４．おわりに 現在まで、単結晶において非常に高い性能を実現したが、今後は、焼結体において単結晶の性能を実現していく予定である。このNaxCoO2は異方性を持つことから、結晶配向させることにより単結晶の性能を実現し得ると考えられる。また、この材料を用いた熱電変換素子を用いることで排熱回収型熱電発電機(図5)や給湯機(図6)などのアプリケーションの更なる高性能化、高付加価値化についても開発を進めていく予定である。
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