オーストリアISTAの研究者らが電子機器の冷却効率を向上させる3Dプリント熱電材料を開発

この投稿は Bingdunxiong によって 2025-2-23 12:24 に最後に編集されました

2025年2月23日、アンタークティックベアは、オーストリア科学技術研究所（ISTA）の研究者が3Dプリント用の高性能熱電材料を開発し、熱電冷却装置を構築したことを知りました。サイエンス誌に掲載されたこの研究は、電子機器の熱管理の効率を向上させる新たな方法を明らかにしており、ウェアラブルデバイスや医療治療など、幅広い用途に応用できる可能性がある。

△関連研究タイトルは「界面接合が3Dプリント材料の熱電冷却を強化」（ポータル）
熱電材料は、温度差を電圧に変換したり、その逆を行ったりする独自の能力を持っていますが、従来の熱電材料は効率が低く、生産コストが高く、材料の無駄も伴います。熱電冷却器は、固体冷蔵庫の一種であり、電流を使用して装置内の熱を移動させ、局所的な冷却効果を実現します。耐用年数が長く、漏れがなく、サイズと形状をカスタマイズでき、可動部品がないことなどの利点があり、電子機器などの冷却用途に最適です。しかし、従来の熱電冷却器は製造コストが高く、材料の無駄が多く、性能も限られています。

3D プリント技術を熱電冷却器の製造プロセスに統合することで、製造効率が大幅に向上し、コストが削減されます。このプロジェクトは、エネルギー科学コンソーシアムの教授であり、ヴェルナー・シーメンス熱電研究所の所長でもあるマリア・イバニェス氏が主導した。筆頭著者でISTAポスドクのシェンドゥオ・シュー氏は、「3Dプリント技術を取り入れることで、熱電冷却器の製造効率が向上するだけでなく、材料の無駄も減り、熱電冷却器の幅広い応用への道が開かれる」と強調した。

「私たちの現在のアプローチは、これまでの熱電材料を3Dプリントする試みよりもはるかに高い性能を持つ材料を生産することができます」とイバニェス氏は言う。「商用グレードの性能により、私たちの研究は学術の域を超えて実用的意義を持ち、革新的なソリューションを求める人々の注目と関心を集める可能性があります。」

△押し出しベースの3Dプリント技術を使用して高性能熱電材料を製造
熱電技術

現在、最先端の熱電冷却装置はインゴットベースの製造技術に依存していますが、これはコストがかかり、エネルギーを大量に消費します。製造工程では大規模な機械加工が必要となり、大量の材料が廃棄されます。

徐盛多氏は次のように指摘した。「私たちの研究は、3D印刷技術を利用して、熱電材料を希望の形状で直接印刷することに成功しました。さらに、得られたデバイスは空気中で50度の正味冷却効果を示します。これは、私たちの3D印刷材料の性能が、より高価な従来の材料に匹敵することを意味します。」したがって、ISTAの材料科学者チームは、熱電材料を製造するための革新的でスケーラブルでコスト効率の高い方法を提案し、従来の製造プロセスにおける高エネルギー消費と時間のかかる手順を効果的に回避しました。

粒子結合の最適化

研究チームは、3Dプリント技術を熱電材料の製造に応用しただけでなく、キャリア溶媒が蒸発した後に粒子間に効果的な原子結合を形成できる特殊なインクを開発し、強力な材料ネットワークを構築しました。この界面化学結合の最適化により、粒子間の電荷移動が大幅に改善され、3D プリント材料の熱電特性が向上し、多孔質材料の輸送特性に関する新たな研究の視点が提供されます。

イバニェス教授はさらに次のように説明しました。「私たちは押し出しベースの 3D 印刷技術を活用し、印刷された構造の完全性を確保し、粒子間の結合を促進する専用のインク配合を設計しました。これにより、従来のインゴットベースのデバイスに匹敵する性能を持つ熱電冷却器を作成し、材料とエネルギーを節約することができました。」

潜在的な応用の見通し

熱電冷却器は、電子機器やウェアラブル機器の急速な熱管理を可能にするだけでなく、火傷治療や筋肉の緊張緩和などの医療用途にも使用できます。 ISTA研究チームが開発したインク配合方法は、高温熱電発電機（温度差を利用して電圧を発生させる装置）にも適しています。このアプローチにより、熱電発電機のさまざまな廃棄物エネルギー収集システムへの応用が拡大すると期待されます。

「原材料の熱電特性の最適化から、安定した高性能の最終製品の作成まで、フルサイクルのアプローチを採用しました」とイバニェス教授は述べています。

徐盛多教授は次のように付け加えた。「私たちの研究は、熱電デバイスの製造に革命的なソリューションを提供し、効率的で持続可能な熱電技術の新時代の到来を告げるものです。」

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