JP6186580B2 - 半導体機能素子付き機能糸 - Google Patents

Description

本発明は半導体機能素子付き機能糸において、特に粒状の複数の半導体機能素子と、これら複数の半導体機能素子を並列接続する可撓性のある１対の導電線とを備えたものに関する。

従来から、テキスタイル製品において、受光機能又は発光機能等を備えた種々の半導体機能素子付き繊維構造体（テキスタイル構造体）が提案されている。この種の半導体機能素子付き繊維構造体は、例えば、複数の半導体機能素子（太陽電池セル、発光ダイオード、バイパスダイオード等）が組み込まれた紐状の半導体機能素子付き機能糸を経糸又は緯糸とし、複数の導電線や絶縁線を緯糸又は経糸として織り込んだり編み込んだりすることで構成される。

ところで、上記の半導体機能素子付き機能糸は、テキスタイル加工前の線材状態に対して付加される張力、テキスタイル加工後の繊維構造体に対する歪みや変形応力によって、半導体機能素子付き機能糸の１対の導電線が互いに接触して電気的に短絡してしまうことで、半導体機能素子の受光機能又は発光機能を発揮できなくなるという問題がある。

そこで、上記の問題を解決する為に、例えば、特許文献１には、両端に正負の電極を有する複数の粒状の半導体機能素子を、１対の導電線の間に挟持して電気的に並列接続し、これら半導体機能素子と１対の導電線を全体的に可撓性のある透明合成樹脂に埋め込んだ断面円形の半導体機能素子付き機能糸が開示されている。

特許５１３８９７６号公報（特開２００７−２１４５９９号公報）

しかし、特許文献１の半導体機能素子付き機能糸のように複数の半導体機能素子と１対の導電線とを合成樹脂で全体的に被覆する構造では、半導体機能素子付き機能糸の導電線方向の途中部を、別の半導体機能素子付き機能糸に電気的に直列接続又は並列接続する場合、合成樹脂に邪魔されて半導体機能素子付き機能糸同士の接続が困難であるので、発電電流や発電電圧の調整が容易に行えず、半導体機能素子付き機能糸の利点を有効に活用できないという問題がある。

また、半導体機能素子付き機能糸を合成樹脂で全体的に被覆して構成すると、半導体機能素子付き機能糸が太くなるので、線材としての柔軟性が低下してしまう。このため、例えば、半導体機能素子付き機能糸を緯糸とし、絶縁糸を経糸として織布状にテキスタイル加工した後に、繊維構造体としてのフレキシブル性や伸長特性が損なわれてしまう。つまり、半導体機能素子付き機能糸に対する合成樹脂による被覆量が増大するほど通常の糸材としての機能を発揮し難くなるという問題がある。

さらに、半導体機能素子付き機能糸を合成樹脂で被覆していない状態でテキスタイル加工を行うと、上述したように、半導体機能素子付き機能糸における１対の導電線のうちの半導体機能素子が配置されていない導電線部分が電気的に短絡してしまうという問題がある。

本発明の目的は、半導体機能素子付き機能糸において、テキスタイル加工された状態であっても隣接する半導体機能素子付き機能糸同士を電気的に容易に接続可能な構造を備えたもの、テキスタイル加工後においてもフレキシブル性や伸長特性が損なわれない構造を備えたもの、等を提供することである。

本発明の半導体機能素子付き機能糸は、両端に正負の電極を有する粒状の複数の半導体機能素子と、これら複数の半導体機能素子を並列接続する可撓性のある１対の導電線とを備え、平行状態に配置された前記１対の導電線の間に正負の電極を結ぶ導電方向を揃えた前記複数の半導体機能素子が配置され、前記複数の半導体機能素子の正電極が一方の導電線に導電接合材を介して電気的に接続されると共に前記複数の半導体機能素子の負電極が他方の導電線に導電接合材を介して電気的に接続された紐状の半導体機能素子付き機能糸において、複数の半導体機能素子と、前記１対の導電線のうちの複数の半導体機能素子が配置され且つ絶縁加工されていない導電線部分とで構成された素子実装領域と、前記１対の導電線のうちの素子実装領域と素子実装領域の間に導電線部分のみで構成された導電線領域とを備え、前記導電線領域の１対の導電線部分の少なくとも一方の表面を絶縁部材で被覆したことを特徴としている。

本発明によれば、素子実装領域の導電線部分が絶縁加工されていないので、テキスタイル加工された状態であっても隣接する機能糸同士を電気的に容易に接続可能な半導体機能素子付き機能糸を実現することができる。導電線領域の１対の導電線部分の少なくとも一方の表面が絶縁加工されているので、１対の導電線同士の接触による電気的な短絡を防止可能な半導体機能素子付き機能糸を実現することができる。

本発明の構成に加えて、次のような種々の構成を採用してもよい。
（ａ）絶縁部材は、導電線部分に装着された熱収縮チューブを収縮させることで形成される。
（ｂ）絶縁部材は、導電線部分に熱硬化性樹脂を塗布して熱硬化することで形成される。

（ｃ）導電線領域の１対の導電線部分の両方の表面を色が異なる絶縁部材で夫々被覆する。
（ｄ）絶縁部材が被覆された導電線領域の導電方向の線幅は、素子実装領域の導電方向の線幅より小さくなるように設定されている。
導電線領域の導電方向の線幅を、素子実装領域の導電方向の線幅以下になるように設定するので、テキスタイル加工後においてもフレキシブル性や伸長特性が損なわれない半導体機能素子付き機能糸を実現することができる。

実施例に係る半導体機能素子付き機能糸の平面図である。 図１の部分拡大平面図である。 半導体機能素子付き機能糸の断面図である。 半導体機能素子付き機能糸の部分斜視図である。 変更形態に係る半導体機能素子付き機能糸の部分斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、半導体機能素子付き機能糸１の全体構造について説明する。
図１〜図４に示すように、半導体機能素子付き機能糸１は、両端に正負の電極２ａ，２ｂを有する粒状の複数の半導体機能素子２と、これら複数の半導体機能素子２を並列接続する１対の導電線３ａ，３ｂとを備えて可撓性のある紐状に構成されている。

図３に示すように、半導体機能素子２は、球状太陽電池セル２で構成されている。即ち、球状太陽電池セル２は、直径１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ（本実施例では、直径１．２ｍｍ）程度の球状のｐ型シリコン単結晶２ｃを用いて製造される。このｐ型シリコン単結晶２ｃの表面の一部に平坦面２ｄが形成され、この平坦面２ｄとその近傍部を除く球面の大部分にｎ型不純物が拡散されてｎ型拡散層２ｅが形成され、ｎ型拡散層２ｅの表面から１μｍ程度の位置に球面状のｐｎ接合２ｆが形成されている。

平坦面２ｄのｐ型表面（球状太陽電池セル２の一端）に、アルミ添加の銀合金からなる正電極２ａ（アノード電極）がスポット状に低抵抗接続され、ｐ型シリコン単結晶２ｃの中心を挟んで正電極２ａの反対側のｎ型表面（球状太陽電池セル２の他端）に、アンチモン添加の銀合金からなる負電極２ｂ（カソード電極）がスポット状に低抵抗接続されている。この正負の電極２ａ，２ｂ以外のｐ型シリコン単結晶２ｃとｎ型拡散層２ｅの全表面に、透明なＳｉＯ_２膜からなる反射防止膜２ｇが形成されている。

この球状太陽電池セル２は、正負の電極２ａ，２ｂを結ぶ導電方向を除く全方向からの光を受光することができる。このため、直射光の入射方向が変動しても受光することができ、反射光も含めてあらゆる方向の光を受光することができ、球状太陽電池セル２の周辺に入って来る光の利用効率を最大化できる。尚、球状太陽電池セル２の導電方向は、１対の導電線３ａ，３ｂを含む平面と平行で且つ１対の導電線３ａ，３ｂと直交する方向である。

１対の導電線３ａ，３ｂは、所定の間隔（球状太陽電池セル２の直径と同じ程度）を空けて平行状態に配置されている。複数の球状太陽電池セル２の正電極２ａの外面が、導電線３ａに導電接合材４を介し夫々電気的に接続され、複数の球状太陽電池セル２の負電極２ｂの外面が、導電線３ｂに導電接合材４を介して夫々電気的に接続されている。

導電線３ａ，３ｂの材質は、特に限定する必要はなく、導電性線材であれば一般的なアルミ線や銅線であっても良いし、ガラス繊維、炭素繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、液晶ポリマー繊維のうちから選択される何れか１又は複数種類の繊維の束又は撚線の表面に１又は複数の金属細線をコイル状にカバーリングしたものであっても良い。また、ガラス繊維、シリカ繊維、バサルト繊維、炭素繊維、ポリエステル繊維、ポリイミド繊維、アラミド繊維、液晶ポリマー繊維に金属メッキを施した導電性線材であっても良い。

尚、導電線３ａ，３ｂのサイズは、直径０.３ｍｍ程度であるが、球状太陽電池セル２に入射される光を効率良く受光させる為に、球状太陽電池セル２の直径の１／１０〜１／１５程度のサイズに設定することが望ましい。また、導電線３ａ，３ｂは、球状太陽電池セル２との接触部に導電接合材４を塗布して加熱硬化して球状太陽電池セル２と接続される為に、１５０℃以上の耐熱性を備えていることが望ましい。さらに、導電線３ａ，３ｂの電気抵抗での消費電力を考慮して、電気抵抗は０．００１〜２０Ω／ｍの範囲であることが望ましい。

導電接合材４は、例えば、導電性エポキシ樹脂（エポキシ樹脂に銀粉を混入したもの）からなる。１対の導電線３ａ，３ｂ間に球状太陽電池セル２を固定する場合、導電性エポキシ樹脂を導電線３ａ，３ｂと球状太陽電池セル２の正負の電極２ａ，２ｂの接触部に塗布し、導電性エポキシ樹脂を加熱して乾燥させて硬化させて、球状太陽電池セル２を１対の導電線３ａ，３ｂに固定する。

次に、素子実装領域１１と導電線領域１２について説明する。
図１，図２，図４に示すように、半導体機能素子付き機能糸１は、複数の球状太陽電池セル２と、１対の導電線３ａ，３ｂのうちの複数の球状太陽電池セル２が配置された導電線部分１１ａ，１１ｂとで構成された素子実装領域１１と、１対の導電線３ａ，３ｂのうちの素子実装領域１１以外の導電線部分１２ａ，１２ｂのみで構成された導電線領域１２とを備え、これら素子実装領域１１と導電線領域１２とは、導電線３ａ，３ｂの長さ方向に直列的に複数組繰り返し形成されている。尚、図１に示す半導体機能素子付き機能糸１においては、全体のほんの一部の素子実装領域１１と導電線領域１２を図示しているに過ぎない。

素子実装領域１１においては、平行状態に配置された１対の導電線３ａ，３ｂの間に正負の電極２ａ，２ｂを結ぶ導電方向を揃えた複数の球状太陽電池セル２が配置され、複数の球状太陽電池セル２の正電極２ａが一方の導電線３ａに電気的に接続されると共に複数の球状太陽電池セル２の負電極２ｂが他方の導電線３ｂに電気的に接続されている。隣接する球状太陽電池セル２同士間は、設定間隔（例えば、球状太陽電池セル２の直径と同程度の間隔）が空けられている。

導電線領域１２は、半導体機能素子付き機能糸１の導電線方向の両端部や素子実装領域１１間等に設けられている。導電線領域１２の１対の導電線部分１２ａ，１２ｂの少なくとも一方の表面は、絶縁部材１３で被覆されている。即ち、本実施例において、導電線領域１２の１対の導電線部分１２ａ，１２ｂの両方の表面は、絶縁部材１３で被覆されている。

絶縁部材１３は、導電線部分１２ａ，１２ｂに装着された熱収縮チューブを収縮させることで夫々形成されている。熱収縮チューブは、ポリエチレンを主材料とする合成樹脂で構成され、アルコール類、アセトン、トルエン等の有機溶剤や酸及びアルカリ水溶液に耐性があるため、一般的な樹脂加工等で破損しない。つまり、半導体機能素子付き機能糸１を使用して製作する繊維構造体も一般的な樹脂加工を行うことができる。また、熱収縮チューブは、比重が１よりも小さいため、半導体機能素子付き機能糸１を使用して製作する繊維構造体も軽量にすることができる。

尚、１対の導電線部分１２ａ，１２ｂを一般的な熱収縮チューブで被覆しても、曲げ硬さは１．１５２ｇｆ・ｃｍ^２／ｃｍ程度であり、２．０ｇｆ・ｃｍ^２／ｃｍ以下であるため、テキスタイル加工する際において通常の糸材として容易に取り扱いすることができる。また、導電線領域１２は、テキスタイル加工後においても十分なフレキシブル性を確保することができる。

尚、絶縁部材１３は、熱収縮チューブに限定する必要はなく、導電線３ａ，３ｂに熱硬化性樹脂を塗布して熱硬化することで形成しても良い。即ち、絶縁部材１３として、例えば絶縁ワニス（シリコーン、エポキシ等）を使用しても良い。半導体機能素子付き機能糸１を、液状の絶縁ワニスに含浸コーティングし、赤外線ランプ等で絶縁が必要とされる領域（導電線領域１２）のみ加熱硬化させることで、導電領域の導電線３ａ，３ｂを絶縁部材１３で被覆する。

絶縁部材１３として絶縁ワニスを使用する場合、絶縁ワニスは、薄層コーティングが可能である。導電線領域１２を素子実装領域１１と同等以下のサイズに容易に構成することができるので、通常の糸材と同程度の扱いを可能とし、連続的に且つ自動的に製織加工又は製編加工を行うことができる。さらに、屈曲及び伸長変形に対する耐久性も向上する。絶縁部材１３は、可撓性、伸縮性、伸長性のある材料を使用するのであれば、適宜変更可能である。

次に、素子実装領域１１と導電線領域１２とのサイズ関係について説明する。
図４に示すように、絶縁部材１３が被覆された導電線領域１２の導電方向の線幅α１は、素子実装領域１１の導電方向の線幅β１より小さくなるように設定される。即ち、導電線領域１２の絶縁部材１３の厚みを含めた線幅α１は、平均１．７４ｍｍ程度（最大１．８４ｍｍ）に設定し、素子実装領域１１の導電接合材４を含めた導電方向の線幅β１は、平均１．８４ｍｍ程度に設定することで、導電線領域１２のサイズが、素子実装領域１１のサイズと同等以下になるように設定される。

尚、球状太陽電池セル２の導電方向と直交し且つ１対の導電線３ａ，３ｂを含む平面と直交する高さ方向においては、素子実装領域１１に球状太陽電池セル２が実装されている構造上、絶縁部材１３が被覆された導電線領域１２の高さα２は、素子実装領域１１の高さβ２（球状太陽電池セル２の直径）と同等もしくは低くなる。

このように、導電線領域１２のサイズ（導電方向の幅）を、素子実装領域１１のサイズ（導電方向の幅）と同等以下になるように設定することで、導電線領域１２が素子実装領域１１より太くなることがない。従って、テキスタイル加工（製織加工、製編加工）を行う場合、半導体機能素子付き機能糸１を通常の糸材を使用する場合と同様に使用することができるので、連続的に且つ自動的にテキスタイル加工を行うことができる。テキスタイル加工後においてもフレキシブル性や伸長特性が損なわれない半導体機能素子付き機能糸１を実現できる。

次に、本発明の半導体機能素子付き機能糸１の作用及び効果について説明する。
経糸として汎用繊維を使用し、緯糸として汎用繊維と半導体機能素子付き機能糸１を使用して行うテキスタイル加工の段階では、張力付加やローラー等での押圧、繊維構造体内での屈曲及び伸長変形がおこるが、導電線部分１２ａ，１２ｂが絶縁加工されているので、隣接する導電線３ａ，３ｂ同士が電気的な接触をして短絡するのを防止することができ、受光機能や発光機能等を確実に維持した状態でテキスタイル加工を行うことができる。

また、素子実装領域１１の導電線３ａ，３ｂ及び導電接合材４は被覆されていないので、テキスタイル状態であっても隣接する機能糸同士を電気的に容易に接続することができる。従って、繊維構造体における半導体機能素子付き機能糸１の直列接続及び並列接続の調整によって発電性能（又は発光性能）を任意に構成することができる。

この半導体機能素子付き機能糸１によれば、光の入射方向に関係なく、光が半導体機能素子付き機能糸１に入射し、この光が極性を揃えて配置された複数の球状太陽電池セル２に照射されると、球状太陽電池セル２に形成されたほぼ球面状のｐｎ接合２ｆで光が受光され、球状太陽電池セル２の光起電力発生機能（受光機能）によって電気エネルギーに変換される。

この変換された電気エネルギーは、ｐｎ接合２ｆの両極に接続されて球状太陽電池セル２の中心を挟んで対向する正負の電極２ａ，２ｂを介して導電線３ａ，３ｂを通って外部へ出力される。半導体機能素子付き機能糸１は、光を受光すると約０．６Ｖの出力電圧を出力する。半導体機能素子付き機能糸１の出力電流の大きさは、球状太陽電池セル２の数に比例する。

即ち、半導体機能素子付き機能糸１を使用して製作された繊維構造体においては、直列接続される素子数を介して発電電圧を自由に設定し、並列接続される素子数を介して発電電流を自由に設定することができる。繊維構造体を製作した際に複数の半導体機能素子付き機能糸１を直列・並列接続した場合、部分的に日陰となる部分が発生しても、日陰でない他の部分の球状太陽電池セル２の出力への影響を最小限に留めることができる。しかも、この繊維構造体は、その上下両面が同じ効率で受光可能である。

この半導体機能素子付き機能糸１は、長い糸状に連続的に製造することが可能である。素子実装領域１１における球状太陽電池セル２（半導体機能素子２）の数、球状太陽電池セル２の大きさ、隣接する球状太陽電池セル２間の間隔等は、仕様に応じて適宜設定可能である。

尚、隣接する球状太陽電池セル２間の設定間隔は、球状太陽電池セル２の幅の１／２倍以上且つ２倍以下の間隔であることが望ましい。この設定間隔にすることで、半導体機能素子付き機能糸１の光透過性と可撓性を確保することができ、また、テキスタイル加工時にこの半導体機能素子付き機能糸１と交差する経糸又は緯糸の配設スペースを設けることができる。

この半導体機能素子付き機能糸１を使用して製作された繊維構造体は、フレキシブルであり、球状太陽電池セル２同士間の隙間や導電線３ａ，３ｂや絶縁糸からなる網目等を調整することで光透過性能（光透過率）を調整することができる。多量の球状太陽電池セル２を組み込んだ繊維構造体を製作することができ、繊維構造体の受光性能を向上させることができる。尚、半導体機能素子２として球状太陽電池セル２を発光ダイオードに置き換えた場合は、発光性能を向上させることができる。

次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
［１］前記実施例において、半導体機能素子付き機能糸１Ａの１対の導電線部分１２ａ，１２ｂの両方の表面を絶縁部材１３で被覆しているが、特にこの構造に限定する必要はなく、図５に示すように、導電線領域１２の１対の導電線部分１２ａ，１２ｂの少なくとも一方（導電線部分１２ｂ）の表面を絶縁部材１３で被覆するようにしても良い。この構造によれば、隣接する導電線３ａ，３ｂ同士が電気的な接触をして短絡するのを防止すると共に、絶縁部材１３の材料を低減することで低コスト化を図れる。

［２］前記実施例において、導電線領域１２の１対の導電線部分１２ａ，１２ｂの両方の表面を色が異なる絶縁部材１３で夫々被覆しても良い。この構造によれば、絶縁領域の正極側の導電線３ａを被覆した熱収縮チューブと負極側の導電線３ｂを被覆した熱収縮チューブに異なる色を使用することで、テキスタイル加工後の繊維構造体の正極と負極の判断を容易に行うこと可能となる。

［３］前記実施例において、導電線領域１２の１対の導電線部分１２ａ，１２ｂのうちの一方の表面だけを絶縁部材１３で被覆して絶縁した状態にし、導電線部分１２ａ，１２ｂのうちの絶縁されていない他方から発電した電力を取り出すようにしても良い。

即ち、正極側の導電線部分１２ａが被覆されていない場合、複数の半導体機能素子付き機能糸１の正極側の導電線部分１２ａに正極電源ラインが接触するように、正極電源ラインを半導体機能素子付き機能糸１と直交するように織り込むことで繊維構造体を製作し、負極側の導電線部分１２ｂが被覆されていない場合、複数の半導体機能素子付き機能糸１の負極側の導電線部分１２ｂに負極電源ラインが接触するように、負極電源ラインを半導体機能素子付き機能糸１と直交するように織り込むことで繊維構造体を製作する。この構造によれば、繊維構造体の発電した電力を１か所で取り出すことが可能となる。

［４］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例の種々の変更を付加した形態で実施可能で本発明はそのような変更形態を包含するものである。

半導体機能素子付き機能糸及び半導体機能素子付き機能糸による繊維構造体は、軽量で可撓性および伸長特性に優れている。そこで、曲面形状の建造物や車体の外面に設置することが可能となる。また、張力を付与して設置する膜構造建造物の屋根や壁、テントや店舗型サンシェード等の太陽光を遮蔽する目的で使用されるテキスタイル部材として、建築分野の他にも、カーテンやブラインド等のインテリア分野、自動車や列車、船舶等の移動体分野、アウトドアウエアや帽子、バック等のスポーツ分野、一般的なウエアや帽子、バックでは衣料分野、雑貨分野等で幅広く利用することができる。さらに、単に折り畳む等のコンパクトな形状で保管して、災害等の必要時に電源を得る手段としても使用することができる。

１ 半導体機能素子付き機能糸
２ 球状太陽電池セル（半導体機能素子）
３ａ，３ｂ １対の導電線
４ 導電接合材
１１ 素子実装領域
１１ａ，１１ｂ １対の導電線部分
１２ 導電線領域
１２ａ，１２ｂ １対の導電線部分
１３ 絶縁部材

Claims (5)

1. 両端に正負の電極を有する粒状の複数の半導体機能素子と、これら複数の半導体機能素子を並列接続する可撓性のある１対の導電線とを備え、平行状態に配置された前記１対の導電線の間に正負の電極を結ぶ導電方向を揃えた前記複数の半導体機能素子が配置され、前記複数の半導体機能素子の正電極が一方の導電線に導電接合材を介して電気的に接続されると共に前記複数の半導体機能素子の負電極が他方の導電線に導電接合材を介して電気的に接続された紐状の半導体機能素子付き機能糸において、
   複数の半導体機能素子と、前記１対の導電線のうちの複数の半導体機能素子が配置され且つ絶縁加工されていない導電線部分とで構成された素子実装領域と、
   前記１対の導電線のうちの素子実装領域と素子実装領域の間に導電線部分のみで構成された導電線領域とを備え、
   前記導電線領域の１対の導電線部分の少なくとも一方の表面を絶縁部材で被覆したことを特徴とする半導体機能素子付き機能糸。
2. 前記絶縁部材は、前記導電線部分に装着された熱収縮チューブを収縮させることで形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体機能素子付き機能糸。
3. 前記絶縁部材は、前記導電線部分に熱硬化性樹脂を塗布して熱硬化することで形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体機能素子付き機能糸。
4. 前記導電線領域の１対の導電線部分の両方の表面を色が異なる絶縁部材で夫々被覆したことを特徴とする請求項１に記載の半導体機能素子付き機能糸。
5. 前記絶縁部材が被覆された前記導電線領域の導電方向の線幅は、前記素子実装領域の導電方向の線幅より小さくなるように設定されたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体機能素子付き機能糸。

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