熱電材料開発を促進 - 産総研、ゼーベック係数測定時間を従来比1/10に

産業技術総合研究所(産総研)は、熱電材料の性能を示す「ゼーベック係数」を簡便にかつ精度良く測定できる手法を開発したと発表した。同手法により、熱電材料の生産効率や品質の向上、新たな熱電材料の探索などが促進されるという。

同成果は、産総研 物理計測標準研究部門 応用電気標準研究グループの天谷康孝 主任研究員、藤木弘之 研究グループ長によるもの。

金属や半導体に温度差を与えると、内部の電子が移動し、温度差に応じた電圧が生じる。この原理を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電材料は、従来有効利用が難しかった工場や自動車などからの廃熱(未利用熱)を電気に変換して利用するための材料として期待されている。優れた熱電材料を開発するには、熱-電気変換の性能指標であるゼーベック係数を正確に求める必要があるが、通常、ゼーベック係数を求めるためには、複雑な装置による長時間の測定が必要であった。

研究グループは今回、直流電流だけでなく交流電流を用いることで、熱物性値を測定せずに、ゼーベック係数を求める新たな測定手法を開発した。

同手法では、まず両端に温度差を与えた試料に直流電流を流して、試料の温度変化を測定し、次にスイッチなどで切り替えて交流電流を流して、温度変化に加えて電圧を測定する。交流電流の場合、電子の移動方向の変化に応じた熱の吸収・放出が繰り返されるため、電子が熱を運ぶことによる温度変化は生じない。ここで、交流と直流を流した際の試料の温度変化の差と試料両端の電圧の測定値を、熱解析より新たに導き出した式に代入することで、試料のゼーベック係数が得られる。すなわち、熱伝導率などの熱物性値を測定せずにゼーベック係数を求めることができる。

同手法により、従来、1日がかりであった測定時間が10分の1以下に短縮されたほか、精度も10% 程度であったものが2% まで向上できたという。

研究グループは今後、より広い温度範囲でゼーベック係数を計測できるよう測定装置の改良を進めていく予定だという。また、自動計測できる支援ソフトウェアを構築し、より使いやすいシステムを開発するほか、従来の手法では困難であった薄膜材料の測定にも取り組んでいくとのことだ。