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フレキシブル熱電変換デバイスの基礎と最新技術動向

熱電変換の物理的基礎、デバイス特性の要因、有機系熱電材料のメカニズム、「やわらかい」熱電材料／素子

講師

奈良先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科 物質創成科学領域 教授 博士（工学） 中村 雅一 氏

専門：
有機エレクトロニクス、有機系熱電材料、走査型プローブ顕微鏡

略歴：
1990-2000　株式会社東レリサーチセンター　半導体中のドーパント分布評価などの研究に従事。
（その間1994-1997）アトムテクノロジー研究体(JRCAT)　基板表面原子配列制御による有機薄膜の配向制御および走査型プローブ顕微鏡を用いた有機薄膜の構造・物性評価に関する研究に従事
2000-2011 千葉大学工学部　有機薄膜トランジスタの作製法と物性研究および走査型プローブ顕微鏡による局所電気物性評価に関する研究に従事
2011- 現職

学会等活動：
・応用物理学会　理事
・応用物理学会　薄膜・表面物理分科会　幹事長
・電子情報通信学会 有機エレクトロニクス研究専門委員会 委員
・第1回有機複合材料熱電国際会議組織委員

セミナー趣旨

IoTの末端に位置する様々な孤立電子機器において、電力自給のためのエナジーハーベスティングデバイスは重要な要素である。人間が生活する限りは少なからぬ熱流が生じており、衣服や人間の住環境には必然的に内外温度差が生じている。これを利用すべく、人体や身の回りの排熱を利用するエナジーハーベスティングデバイスの研究が世界的に盛んになってきている。
　本セミナーでは、熱電変換の物理的基礎、デバイスの特性を決める要因、ウェアラブル用途などに要求される条件、有機系熱電材料に特有のメカニズム、実際の熱電特性や熱伝導率測定における注意点などの基礎的知識を解説した後、我々が狙っている従来概念を超える「やわらかい」熱電材料／素子について、そのコンセプトといくつかの最新成果を紹介する。

セミナー講演内容

１．熱電変換デバイスの基礎
　1-1　エナジーハーベスティングと熱電変換
　1-2　熱電変換の実用例
　1-3　熱電変換デバイスの基本構造と動作原理
　1-4　パワーファクターと無次元性能指数
　1-5　ゼーベック効果とペルチェ効果

２．ゼーベック効果の基礎
　2-1　ゼーベック効果概要
　2-2　ゼーベック効果の物理的な中身
　2-3　ゼーベック効果の理論式（線形応答理論より）
　2-4　様々な近似理論式
　2-5　やや特殊な例

３．熱電変換材料研究の現状概観
　3-1　無機熱電変換材料の現状
　3-2　古典的材料設計指針
　3-3　低次元化やナノ構造形成のメリットと限界
　3-4　実用化例と普及が進まない理由

４．フレキシブル熱電変換素子実現に向けて
　4-1　フレキシブル熱電変換デバイスの必要性
　4-2　どの程度の電力を供給できるか
　4-3　IoT電子回路の例とエナジーハーベスティンデバイスの需要予測
　4-4　電源回路から見た太陽電池と熱電変換素子の違い
　4-5　ウェアラブル熱電変換素子特有の要求事項
　4-6　有機系熱電材料／デバイスの報告例と典型的なデバイス構造

５．有機系熱電材料の評価法
　5-1　市販熱電特性評価装置の例
　5-2　熱電特性評価の一般的注意点
　5-3　有機熱電材料評価のための要求事項
　5-4　熱伝導率測定法の比較
　5-5　市販熱伝導率評価装置の例
　5-6　熱伝導率測定の一般的注意点
　5-7　いくつかの方法の紹介

６．有機系熱電材料の広範囲サーベイ結果
　6-1　広範囲有機系熱電材料探索結果と考察
　6-2　有望と思われる材料系は？　　

７．当グループの材料戦略1：低分子系有機半導体における巨大ゼーベック効果
　7-1　巨大ゼーベック効果の発見と一般化
　7-2　巨大ゼーベック効果の特徴および発現条件
　7-3　巨大ゼーベック効果の発現機構の解明に向けて
　7-4　ポリマー半導体でも発現するのか？

８．当グループの材料戦略2：CNT間分子接合による熱・キャリア輸送独立制御
　8-1　不均一系熱電材料とは？
　8-2　コアシェル型単分子接合を利用した不均一系熱電材料設計
　8-3　CNT/タンパク質複合材料による断熱性熱電材料の創出
　8-4　熱輸送抑制機能を持つその他の分子接合
　8-5　ドーピングによるキャリア密度最適化
　8-6　CNT複合材料の紡糸と布状熱電変換デバイス

９．熱電派生研究：高熱伝導性フレキシブルCNT複合材料

【質疑応答】