3Dプリントが冷凍技術を覆し、50℃の温度差の背後にあるインターフェース接合の黒技術！

出典: EngineeringForLife

熱電冷却器（TEC）は、ソリッドステート、ノイズフリー、正確な温度制御などの利点があるため、マイクロエレクトロニクス、ウェアラブルデバイスなどの分野で重要な応用が期待されています。しかし、従来の製造方法は、高エネルギー消費プロセス（単結晶成長や高圧焼結など）と限られた材料効率（zT値）に依存しているため、冷却性能が不十分で、装置のコストが高くなります。 3Dプリント技術は、カスタマイズと持続可能な生産のための新しい方法を提供しますが、粒子界面の接続性が悪い、電気伝導性が低いなどの問題により、既存の印刷材料のzT値は従来のバルク材料の値よりもはるかに低くなっています。さらに、多孔質構造により、熱伝導性と電気伝導性のバランスをとることが難しく、高性能デバイスの実際の統合を妨げています。

したがって、3D プリントにおける界面結合の最適化を通じて高 zT 材料を実現し、製造プロセスと装置エンジニアリングの二重のボトルネックを打破する方法が、熱電技術の大規模応用を促進する上での中心的な課題となっています。

これを踏まえ、オーストリア工科大学（ISTA）のShengduo Xu氏とMaria Ibáñez氏のチームは、主に押し出し3Dプリント技術をベースにした高性能熱電材料の製造方法を開発し、p型（Bi、Sb）₂Te₃およびn型Ag₂Se材料の高いメリット（zT）と効率的な冷却性能を実現し、熱電冷却器の低コストでスケーラブルな生産のための新しいソリューションを提供しました。

要点:

（１）３Ｄプリンティング技術と高性能熱電材料の組み合わせ：研究チームは、押し出し３Ｄプリンティング技術により、初めて高性能熱電材料を作製することに成功し、ｐ型（Ｂｉ、Ｓｂ）₂Ｔｅ₃とｎ型Ａｇ₂Ｓｅ材料で高い性能（ｚＴ値はそれぞれ１．４２と１．３に到達）を達成し、冷却温度差５０℃の熱電冷却器を組み立てた。この成果は、従来の製造方法の限界を打ち破るだけでなく、生産コストとエネルギー消費を大幅に削減します。

（２）界面結合戦略の開発：研究者らは、焼結プロセス中に粒子間の効果的な界面結合を確保するための特殊なインク配合を設計し、それによって多孔質構造内に効率的な電荷移動チャネルを構築した。この革新的な界面結合戦略により、3D プリントされた熱電材料は、高い多孔性を維持しながら優れた電気輸送特性を実現できます。

（３）持続可能な製造と幅広い応用の可能性：本研究では、従来の製造における高エネルギー消費と廃棄物の問題を回避し、熱電材料を製造するためのスケーラブルで費用対効果の高い方法を提案する。さらに、この3Dプリント技術は、熱電冷却器に適しているだけでなく、他の半導体材料の積層造形にも理論的枠組みを提供し、電子機器、ウェアラブルデバイス、医療用途、エネルギー回収などの分野で広く使用されることが期待されています。

本論文では、押し出し3Dプリント技術に基づく革新的な方法を開発することで高性能熱電材料の作成に成功し、p型(Bi,Sb)₂Te₃およびn型Ag₂Se材料で高いメリット（zT値はそれぞれ1.42と1.3）を達成し、冷却温度差50℃の熱電冷却器を組み立てました。研究チームは、従来の3Dプリント材料の高い多孔性によって引き起こされる不十分な電気輸送性能の問題を、特殊なインク配合とインターフェース結合戦略によって解決し、従来の製造プロセスにおける高いエネルギー消費と複雑な手順を回避しました。

この成果は、熱電冷却器の効率的かつ低コストな製造のための新しいソリューションを提供するだけでなく、他の半導体材料の積層造形の理論的基礎も提供し、電子機器、ウェアラブル技術、エネルギーリサイクルにおける幅広い応用の可能性を示しています。

参照: https://doi.org/10.1126/science.ads0426

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