Institute of Innovative Research, 
Tokyo Institute of Technology.

2020.11.06

プレスリリース

体温を用いた新たなマイクロ熱電発電モジュール技術の開発に成功

ウェアラブルエレクトロニクス実現に貢献する新たな電源技術

東京工業大学 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所の菅原聡准教授と塩津勇作大学院生(博士後期課程1年)らは、体温を用いて発電可能な新しいデバイス構造のマイクロ熱電発電モジュール(以下、μTEGモジュール)を提案し、この最適設計法を開発した。また最適設計されたデバイスの性能評価から、提案のμTEGモジュールがウェアラブルデバイス(WD)の電源に応用可能な性能を有することを明らかにした。

このモジュールは薄膜熱電材料からなるゼーベック素子によって構成されるμTEGと、このμTEG部を絶縁体、μTEG部以外を真空によって熱アイソレーションするモジュール構造を有し、体温によってゼーベック素子間に効果的に温度差をつけることで高い出力を得ることができる。

一般に、正確な熱解析が可能な分布定数回路モデルをデバイス構造の最適化に応用して設計を行うと、計算時間が膨大になる。そこで今回、このμTEGモジュールの高精度集中定数回路モデル、および熱抵抗と電気抵抗に関するトレードオフ・パラメータを用いて、出力電力を最大化する構造最適化アルゴリズムを開発した。このアルゴリズムでは、WDへの応用を想定し、ヒトの産熱能力を考慮した恒温動物モデルを導入した。

開発した集中定数回路モデルは、分布定数回路モデルを用いた解析結果から、わずかな誤差を生じるが、短時間で熱分布を再現することができた。この回路モデルと今回新たに開発したアルゴリズムで、構造を最適化したμTEGモジュールの性能解析を行い、これが体温を用いたWDの電源に応用可能な出力を有することを明らかにした。

本成果は米国IEEE(電気電子学会)の「IEEE Transactions on Electron Devices (トランザクション・オン・エレクトロン・デバイス)」誌に8月21日付けで掲載された。本研究は、JST知財活用支援事業 スーパーハイウェイ の支援を受けたものである。