インクジェット印刷で高速にスピントロニクス素子を作製～インクジェット印刷技術を用いて、フレキシブルなスピンゼーベック熱電変換素子を実現～

2023-12-18

2023-12-18 九州大学

ポイント

容易に曲げられ、曲げても特性を維持するスピンゼーベック熱電変換素子をインクジェット印刷で実現。
サーモパイル構造を有するスピンゼーベック熱電変換素子がインクジェット印刷で作製可能であることを実証した。
IoT社会における環境発電素子、センサーの高速生産技術としての利用が期待される。

概要

磁性絶縁体に熱を与えることで、熱から電気を取り出すことが可能となる、スピンゼーベック効果 ※1 が次世代の熱電変換素子、熱流センサーとして注目を集めています。スピンゼーベック熱電変換素子 ※2は従来の熱電変換素子と異なり、熱の流れと電流方向が直交するという特徴を持ち、従来素子よりも薄型、フレキシブルに作製できるという利点をもちます。一方で、発電電圧が従来素子に比べ小さいという問題がありました。
九州大学大学院システム情報科学研究院の黒川雄一郎助教、湯浅裕美教授、岐阜大学工学部の山田啓介准教授の研究グループ ※3はインクジェット印刷による新規な手法を用いて素子のパターニングを行い、スピンゼーベック熱電変換素子の発電電圧の増強を実証しました。この手法では、原料となる磁性絶縁体ナノ粒子や導電性金属ナノ粒子をインクとしてインクジェットプリンターに投入することで、画像を印刷するように素子を印刷できます。したがって、高速に素子が作製できるというメリットを有します。さらに、フレキシブルなプラスチックシート上に印刷された素子が十分な柔軟性を有することを確認し、100回程度の曲げ動作を行っても素子の性能にほぼ劣化がないことを実証しました。
IoT※4を効率的に活用する社会を実現するためには、大量の環境発電素子やセンサーを生産することが必須です。このためには、高性能な素子を高速に作製する必要があり、今回提案及び実証したインクジェット印刷法ではそれを実行できる可能性を秘めています。
本研究成果は2023年12月2日(現地時間)、独国の雑誌「Advanced Engineering Materials」にオンライン掲載されました。

プラスチックシート上に印刷されたフレキシブルなスピンゼーベック熱電変換素子
発電電圧が小さいというスピンゼーベック熱電変換素子の課題に対し、インクジェットプリンターを用いてパターニングすることにより、発電電圧の増強に成功しました。本手法はフレキシブルなシートにも有効です。

用語解説

(※1)スピンゼーベック効果
磁性体に熱流を印加することにより、熱流方向に電子スピンの流れを励起する効果。この効果は磁性金属のみならず磁性絶縁体でも得られる。

(※2)スピンゼーベック熱電変換素子
磁性体の上にスピン軌道相互作用の大きい重金属薄膜を積層すると、熱流で電子スピンを励起したときに重金属層に電子スピンが流れ込む。重金属層のスピン軌道相互作用により電子スピンは電流に変換される。この手法で発電を行うものをスピンゼーベック熱電変換素子と呼ぶ。

(※3) 研究グループ
本論文著者 (全員)
九州大学大学院システム情報科学研究院:　黒川雄一郎(助教)、湯浅裕美(教授)
岐阜大学工学部: 山田啓介(准教授)

(※4) IoT
Internet of Thingsの略であり、様々なモノをインターネットに接続することを意味する。IoTを活用するためには大量のセンサーで環境を測定、インターネット上で共有する必要がある。したがって、小型センシング技術や、その電源として、その場で発電できる環境発電技術が重要な要素である。