東工大、低温で断熱して高温で放熱する熱伝導を制御できる材料を開発

東京工業大学(東工大)は3月30日、結晶構造の次元性が温度変化によって可逆的に変化し、低温で断熱して高温で放熱する熱伝導制御材料を開発したことを発表した。

同成果は、東工大科学技術創成研究院フロンティア材料研究所の片瀬貴義准教授、同・神谷利夫教授、東工大元素戦略研究センターの細野秀雄栄誉教授らの研究チームによるもの。詳細は、材料科学や電子および磁性材料の工学などを扱う学術誌「Advanced Electronic Materials」に掲載された。

日本における一次供給エネルギーのうち、そのおよそ2/3は、電力や動力などで利用できずに廃熱として環境中に排出されてしまっているという。このため、廃熱エネルギーの削減と有効利用は、環境問題の観点から重要な課題の1つになっている。

通常、熱伝導率(熱の流れやすさ)は物質によって決まっている。物質内を流れる熱量は、その熱伝導率と物質の両端に発生する温度勾配に比例することから、もし1つの材料で熱伝導率を変化させることができれば、流れる熱量を制御できるということになる。つまり、断熱・放熱の切り替えといった、今までにない高度な熱制御を実現できる可能性がでてくることになる。

たとえば、低温から高温にかけて熱伝導率が急激に増加する材料があれば、低温側では断熱し、高温側では逆に放熱する機能を持たせることが可能となる。このような熱伝導制御材料を温度管理が重要な自動車の触媒やバッテリなどに応用すれば、デバイスの温度が自発的に調整され、効率のよい熱利用が期待できると考えられる。しかし、これまで熱伝導率が大きく変化する材料の例は極めて少なく、熱伝導制御材料の開発は難易度の高い課題とされていた。

そこで研究チームは今回、結晶構造の次元性によって物質の熱伝導率が大きく異なる特徴に着目し、新たな熱伝導制御材料の開発を目指すことにしたという。

今回の研究で用いられた「セレン化スズ」(SnSe)は、SnとSeイオンが結合した層が2次元(2D)的に並んだ層構造を持つ。層構造に垂直な方向で、低い熱伝導率を示すことが知られており、この層構造が熱の流れを遮断するとイメージすることができる。

一方、SnをPbに変えた「セレン化鉛」(PbSe)は、PbとSeのイオンが3次元(3D)的に整列した結晶構造を持ち、SnSeよりも10倍近く高い熱伝導率を示す。このように結晶構造の次元性の違いによって熱伝導率が異なるため、結晶構造を2D構造と3D構造の間で交互に変化させれば、大きな熱伝導率の変化が起こるのではないかと考えられたという。

SnSe(左)とPbSe(右)の結晶構造の違いと熱伝導の概念図 (出所:東工大プレスリリースPDF)

そこで研究チームは、2D構造のSnSeと3D構造のPbSeの固溶体を作製。温度を変えることで、2D構造から3D構造へ可逆的に転移させ、熱伝導率を3倍変化させることに成功したという。また、2D構造から3D構造へと構造を変化させることで、電気伝導度が6桁増加し、電子の熱伝導率への寄与が大きくなることが確認されたほか、2D構造では層構造が格子振動による熱の伝搬を阻害するため、結果として熱伝導率の変化が大きくなるというメカニズムも判明したという。

(a)PnSe-SnSeの平衡相状態図。(b)高温固相反応＋急冷処理によって作製した(Pb_1-xSn_x)Seの相状態図。(c)温度に対する、(Pb_0.5Sn_0.5)Se固溶体の2D構造相(青)と3D構造相(赤)の相分率の変化 (出所:東工大プレスリリースPDF)

今回の研究により、温度変化による結晶構造の次元性の変化を利用して、熱伝導率が大きく変化する材料(Pb_0.5Sn_0.5)Seが開発されたが、実用化に向けては、相転移温度を向上させること、熱伝導率の昇温曲線と降温曲線のずれ(ヒステリシス)を小さくすることなど、解決すべき課題はあると研究チームでは説明する。ただし、さまざまな材料系や結晶構造系の固溶体に展開することでさらなる性能向上が期待できるともしている。