JP2016001711A - Thermoelectric conversion material and method of manufacturing the same - Google Patents
Thermoelectric conversion material and method of manufacturing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016001711A JP2016001711A JP2014121864A JP2014121864A JP2016001711A JP 2016001711 A JP2016001711 A JP 2016001711A JP 2014121864 A JP2014121864 A JP 2014121864A JP 2014121864 A JP2014121864 A JP 2014121864A JP 2016001711 A JP2016001711 A JP 2016001711A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoelectric conversion
- film
- conversion material
- mixed solution
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Description
本発明は、熱電変換材料およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric conversion material and a method for producing the same.
地球温暖化の主因として大気中の二酸化炭素濃度の増加が挙げられ、二酸化炭素排出量の削減は世界規模での長期的課題となっている。一方で、エネルギー問題として、短期的には電力供給量不足が生じ、社会全体の省エネや消費電力のピークカットが必要とされ、中長期的には、電源供給源の見直しがせまられ、自律分散型電源を確保することが求められている。これらのため、二酸化炭素の排出を抑制してエネルギーを得る手段として、未利用エネルギー(排熱・雪氷熱・振動・電磁波など)や、再生可能エネルギー(太陽光や風力などの自然エネルギー)を活用することで、周囲の環境から発電する技術が切望されている。 Increasing the concentration of carbon dioxide in the atmosphere is a major cause of global warming, and reducing carbon dioxide emissions has become a long-term challenge on a global scale. On the other hand, as an energy problem, there will be a shortage of power supply in the short term, which will require energy savings and peak cuts in power consumption in the whole society. It is required to secure a mold power supply. For these reasons, unused energy (exhaust heat, snow and ice heat, vibration, electromagnetic waves, etc.) and renewable energy (natural energy such as sunlight and wind power) are used as a means of obtaining energy by suppressing carbon dioxide emissions. As a result, technology for generating electricity from the surrounding environment is eagerly desired.
未利用エネルギーを回収して利用するエネルギー変換技術として、熱電変換技術が注目されている。この熱電変換技術は、熱電変換素子に温度差を与え、発生する熱起電力を利用することで発電する技術である。熱電変換素子は、正孔をキャリアとするp型半導体と電子をキャリアとするn型半導体をπ型に直列接続して構成されていることが多い。 Thermoelectric conversion technology has attracted attention as an energy conversion technology that recovers and uses unused energy. This thermoelectric conversion technique is a technique for generating electric power by giving a temperature difference to a thermoelectric conversion element and using the generated thermoelectromotive force. Thermoelectric conversion elements are often configured by connecting a p-type semiconductor having holes as carriers and an n-type semiconductor having electrons as carriers in series in a π-type.
熱電変換素子の両端に温度差を与え、素子内に温度勾配を形成すると、正孔の移動および電子の移動が起こり、キャリア濃度の勾配が形成され、起電力が発生する。熱電変換素子による発電は、この効果すなわちゼーベック効果を利用するものである。このため、熱電変換素子の材料には、熱絶縁性が高く、かつ導電性が高い材料が適している。この熱電変換技術の特長としては、可動部分がないため信頼性が高く、メンテナンスフリーで長寿命であること、小規模でも効率が低下しないことなどが挙げられる。
ここで、熱電変換材料の効率ηは次の数式で示される。
When a temperature difference is given to both ends of the thermoelectric conversion element to form a temperature gradient in the element, hole movement and electron movement occur, a carrier concentration gradient is formed, and an electromotive force is generated. The power generation by the thermoelectric conversion element uses this effect, that is, the Seebeck effect. For this reason, a material having high thermal insulation and high conductivity is suitable for the material of the thermoelectric conversion element. Features of this thermoelectric conversion technology include high reliability because there are no moving parts, maintenance-free and long life, and low efficiency even at a small scale.
Here, the efficiency η of the thermoelectric conversion material is expressed by the following equation.
なお、Tcは低熱源温度、Thは高熱源温度である。また、ΔT/Thはカルノー効率であり、熱源を固定すれば高温側の温度は決定される。したがって、ηは材料の物理的性質によって決まり、数式(1)の第2項は、ZTのみの関数となる。ZTは、熱電変換材料の無次元性能指数(Dimensionless Figure of Merit)と呼ばれる材料パラメータである。Tc=25℃、Th=150℃と仮定すると、ZTと材料効率、すなわちηは単調増加の関係にある。無次元性能指数ZTは、以下の数式(4)で表される。 T c is a low heat source temperature, and Th is a high heat source temperature. Further, [Delta] T / T h is Carnot efficiency, temperature of the high temperature side be fixed to the heat source is determined. Therefore, η is determined by the physical properties of the material, and the second term of the formula (1) is a function of only ZT. ZT is a material parameter called dimensionless figure of merit of thermoelectric conversion materials. Assuming that T c = 25 ° C. and T h = 150 ° C., ZT and material efficiency, that is, η are in a monotonically increasing relationship. The dimensionless figure of merit ZT is expressed by the following formula (4).
ここで、Sはゼーベック係数、σは電気伝導度、κは熱伝導率、Tは絶対温度である。 Here, S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, κ is the thermal conductivity, and T is the absolute temperature.
数式(4)から、熱電変換性能を上げるためには、ゼーベック係数Sと電気伝導度σが高く、熱伝導率κが低い材料が、望ましい熱電変換材料となる。しかしながら、Tを除くS、σ、κの3物性値はいずれもキャリア濃度nの関数であり、nに対してSとσは逆の依存性を持ち、さらに分子に含まれるσと分母のκは比例する(Widemann−Frantz則)(非特許文献1参照)。このため、大きなZTの熱電変換材料を得ることは容易ではない。 From the formula (4), in order to improve the thermoelectric conversion performance, a material having a high Seebeck coefficient S and electrical conductivity σ and a low thermal conductivity κ is a desirable thermoelectric conversion material. However, all three physical property values of S, σ, and κ excluding T are functions of the carrier concentration n, and S and σ have opposite dependence on n, and σ contained in the numerator and κ of the denominator. Is proportional (Widemann-Frantz rule) (see Non-Patent Document 1). For this reason, it is not easy to obtain a large ZT thermoelectric conversion material.
従来の熱電変換材料としては、Bi−Te系、Mn−Si系、Zn−Sb系、TAGS系、Pb−Te系、スクッテルダイト化合物、La−Te系の化合物などの無機物質から構成されたものが知られている(非特許文献2参照)。これらの中でも、Bi−Te系、Pb−Te系、Si−Ge系の化合物半導体は、低温域で高い無次元性能指数ZTを示している。 Conventional thermoelectric conversion materials are composed of inorganic substances such as Bi-Te, Mn-Si, Zn-Sb, TAGS, Pb-Te, skutterudite compounds, La-Te compounds, etc. The thing is known (refer nonpatent literature 2). Among these, Bi—Te, Pb—Te, and Si—Ge compound semiconductors exhibit a high dimensionless figure of merit ZT at low temperatures.
また、近年、電子の移動度が高いことから、高分子の直鎖に共役二重結合を有し、π結合上を電子が移動する共役系導電性高分子が、熱電変換材料として注目されている(非特許文献3参照)。共役系導電性高分子は、キャリア移動度を高めるため、ドーパントとともに用いることでキャリアを注入することが一般的である。共役系導電性高分子の中でも、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリカルバゾレンビニレン、ポリ(3、4−エチレンジオキシチオフェン)が、高い熱電変換特性を示すことが判っている(非特許文献4参照)。 In recent years, conjugated conductive polymers that have conjugated double bonds in the linear chain of the polymer and electrons move on the π bond have attracted attention as thermoelectric conversion materials due to high electron mobility. (See Non-Patent Document 3). In order to increase carrier mobility, a conjugated conductive polymer is generally used together with a dopant to inject carriers. Among conjugated conductive polymers, polythiophene, polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, polycarbazolen vinylene, and poly (3,4-ethylenedioxythiophene) have been shown to exhibit high thermoelectric conversion characteristics (non-patent) Reference 4).
しかしながら、上述した熱電変換材料には、次に示すような問題がある。まず、Bi−Te系、Pb−Te系、Zn−Sb系の化合物半導体は、Pb、Te、Sbなどの環境負荷元素を多く含んでいる。また、環境負荷元素を含まない材料は、いわゆるレアメタルを材料とするものが多く、近年のレアメタル供給不足を原因とするレアメタル価格の高騰から、レアメタルを熱電変換素子の材料として使用することは資源リスクの観点より望ましくない。また、これらの無機材料は素子作製にあたり、粉砕・圧縮・焼結・成型などの過程を経るため、多くのエネルギーが必要であり、製造コストも多くかかる。 However, the thermoelectric conversion material described above has the following problems. First, Bi-Te-based, Pb-Te-based, and Zn-Sb-based compound semiconductors contain a large amount of environmental load elements such as Pb, Te, and Sb. In addition, many materials that do not contain environmentally harmful elements are so-called rare metals, and the use of rare metals as a material for thermoelectric conversion elements is a resource risk due to the recent rise in rare metal prices caused by a shortage of rare metals. It is not desirable from the point of view. In addition, since these inorganic materials go through processes such as pulverization, compression, sintering, and molding in manufacturing the element, a lot of energy is required and the manufacturing cost is also high.
次に、上述した無機熱電変換材料は、熱から電気へ変換する出力が小さいという問題がある。上述した無機熱電変換材料の変換効率は低く、宇宙用などの一部の系を除いては実用化に至っていない。そのため、実用化するには、安価に作製可能な熱電変換素子を大面積に設置することが必要であるが、上述した無機熱電変換材料を、曲面を持つ熱源に設置することは、材料が柔軟性に乏しいために難しい。 Next, the inorganic thermoelectric conversion material mentioned above has a problem that the output which converts from heat to electricity is small. The conversion efficiency of the inorganic thermoelectric conversion material described above is low, and it has not been put into practical use except for some systems for space use. Therefore, in order to put it into practical use, it is necessary to install a thermoelectric conversion element that can be manufactured at low cost over a large area. However, the above-described inorganic thermoelectric conversion material can be installed flexibly in a heat source having a curved surface. Difficult because of lack of sex.
このような無機熱電変換材料に対し、導電性高分子を用いた有機熱電変換材料は、水や有機溶媒に可溶であり、大面積に塗布して用いることが容易である。また、プラスチックなどの可撓性のある基板に塗布して用いれば、曲面の上にも設置でき、大面積に設置することが可能である。 In contrast to such an inorganic thermoelectric conversion material, an organic thermoelectric conversion material using a conductive polymer is soluble in water or an organic solvent and can be easily applied to a large area. Moreover, if it is applied to a flexible substrate such as plastic, it can be installed on a curved surface and can be installed in a large area.
ところが、導電性高分子を用いた熱電変換材料は、材料物性としての性能の観点と実装の観点から、現時点では、熱電変換素子に用いることが難しい。材料物性としての観点では、無機熱電変換材料に比較して、熱伝導率κは低いが、ゼーベック係数Sと電気伝導度σが低く、数式(4)で示されるように無次元性能指数ZTは著しく劣っている。また、実装の観点では、スピンコート法やバーコート法など大面積に塗布する技術は確立されており、液晶テレビ、有機ELテレビ等の製品として実用化されているが、これらの技術に共通するのは、有機溶媒を用いていることである。一部、水溶媒を用いているが、溶質の濃度が高くするか、スラリー量を多くするかし、溶液の粘性を増加させ、後述する表面張力による膜厚ムラの影響を軽減させてから用いていることが一般的である。導電性高分子溶液は溶媒中での分散性が悪いために低濃度であり、10μm以上の厚膜を膜厚ムラがないように塗布する方法は、以下の簡易な計算結果からもこれを実現させることは困難であることが判る。 However, thermoelectric conversion materials using conductive polymers are currently difficult to use for thermoelectric conversion elements from the viewpoint of performance as material properties and the viewpoint of mounting. From the viewpoint of material properties, the thermal conductivity κ is lower than that of the inorganic thermoelectric conversion material, but the Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ are low, and the dimensionless figure of merit ZT is Remarkably inferior. From the viewpoint of mounting, technologies for coating large areas, such as spin coating and bar coating, have been established and have been put into practical use as products such as liquid crystal televisions and organic EL televisions. Is that an organic solvent is used. Some use an aqueous solvent, but use it after increasing the solute concentration or increasing the amount of slurry, increasing the viscosity of the solution, and reducing the effects of film thickness unevenness due to surface tension described later. It is common to have. The conductive polymer solution has a low concentration due to poor dispersibility in the solvent, and the method of coating a thick film of 10 μm or more with no film thickness unevenness is realized from the following simple calculation results. It turns out to be difficult.
計算例として、市販されている導電性高分子であるポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)およびポリスチレンスルホン酸(以下、PEDOT・PSS)を用いる。例えば、重量濃度は1.3重量%(エイチ・シー・スタルク製、商品名CleviosRP)、重量濃度は2.8重量%(シグマアルドリッチ製、製品番号:560596)、重量濃度は0.54重量%(シグマアルドリッチ製、製品番号:739340)である。 As a calculation example, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and polystyrene sulfonic acid (hereinafter, PEDOT / PSS), which are commercially available conductive polymers, are used. For example, the weight concentration is 1.3% by weight (manufactured by H.C. Starck, trade name Clevios RP), the weight concentration is 2.8% by weight (manufactured by Sigma Aldrich, product number: 560596), and the weight concentration is 0.54% by weight. (Manufactured by Sigma Aldrich, product number: 733340).
このうち、重量濃度0.54重量%(シグマアルドリッチ製、製品番号:739340)を使用し、膜密度を1g/cm3と仮定する。1cm×1cmの大きさの基板上に膜厚50μmのPEDOT・PSS膜を塗布するために必要な薄膜の体積は、
1cm×1cm×50μm=50×10−4cm3
重量に換算すると、
50×10−4cm3×1g/cm3=50×10−4g
重量濃度は0.54重量%であるから、この塗膜を形成するのに必要な溶液の重量は、
50×10−4g/0.54重量%=0.93g
溶液の密度を1g/cm3とすると、必要な溶液の体積は、
0.93g/1g/cm3=0.93cm3
基板の面積1cm2で除すと、溶液の高さは、
0.93cm3/1cm2=0.93cm
Of these, a weight concentration of 0.54% by weight (manufactured by Sigma Aldrich, product number: 733340) is used, and the film density is assumed to be 1 g / cm 3 . The volume of the thin film necessary to apply a 50 μm thick PEDOT / PSS film on a 1 cm × 1 cm substrate is as follows:
1 cm × 1 cm × 50 μm = 50 × 10 −4 cm 3
In terms of weight,
50 × 10 −4 cm 3 × 1 g / cm 3 = 50 × 10 −4 g
Since the weight concentration is 0.54% by weight, the weight of the solution required to form this coating film is
50 × 10 −4 g / 0.54 wt% = 0.93 g
If the density of the solution is 1 g / cm 3 , the required volume of the solution is
0.93 g / 1 g / cm 3 = 0.93 cm 3
When divided by the substrate area of 1 cm 2 , the height of the solution is
0.93cm 3 / 1cm 2 = 0.93cm
つまり、50μmの導電性高分子の薄膜を形成するには、基板の上に、0.93cmの厚さの溶液を均一に形成しなければならず、これに水の表面張力を考慮すると、実現不可能である。 In other words, in order to form a thin film of conductive polymer of 50 μm, a 0.93 cm thick solution must be uniformly formed on the substrate, which is realized considering the surface tension of water. Impossible.
PEDOT・PSSに代表される水溶性の有機材料を、大面積に、膜厚のムラなく製膜することが困難なのは、その悪い分散性と低溶解性だけでなく、溶媒である水の物性も一因となっている。 It is difficult to form a water-soluble organic material typified by PEDOT / PSS over a large area without unevenness in film thickness, as well as its poor dispersibility and low solubility, as well as the physical properties of water as a solvent. It is a factor.
まず、水は一般的な有機溶媒と異なり、分子同士が水素結合を形成しているために表面張力が高い。そのため、ガラス基板等の基板上に水溶性の高分子溶液を滴下すると、溶液自体が凝集しようとする力が働き、基板の中心部のみ盛り上がり、溶液の形状が不均一となる。この不均一性を保ったまま乾燥すると、膜厚ムラが生じる。そのため、キャストコート法では、膜厚を均一にして塗膜を形成することは困難である。 First, unlike ordinary organic solvents, water has a high surface tension because molecules form hydrogen bonds. For this reason, when a water-soluble polymer solution is dropped onto a substrate such as a glass substrate, a force that causes the solution itself to agglomerate acts, and only the central portion of the substrate rises, and the shape of the solution becomes non-uniform. When dried while maintaining this non-uniformity, film thickness unevenness occurs. Therefore, it is difficult to form a coating film with a uniform film thickness by the cast coating method.
また、前述のように、水は水素結合を有しているため、有機溶媒と比較して、沸点が高く室温での成膜速度が遅い。キシレンやホルムアルデヒドに代表される有機溶剤を有機溶媒として用いれば、室温においても容易に揮発しやすく、例えば、バーコーター、ディップコーター、スピンコーター、を用いれば、大面積をムラなく成膜することは容易であった。 Further, as described above, since water has a hydrogen bond, its boiling point is higher and the film formation rate at room temperature is slower than that of an organic solvent. If an organic solvent typified by xylene or formaldehyde is used as the organic solvent, it will easily evaporate even at room temperature. For example, if a bar coater, dip coater, or spin coater is used, a large area can be formed uniformly. It was easy.
しかし、水を溶媒として用いた場合、基板を高分子溶液に浸漬したあと一定速度で基板を引き上げて塗膜するディップコートでは、乾燥速度が遅いために、成膜中に溶液の重力で膜厚ムラが生じるという問題がある。また、基板に溶液を滴下した後、一定速度で基板を回転させることで塗膜を乾燥するスピンコートでは、大部分の溶液が回転中に遠心力で飛散するため、厚膜を形成することは困難である。 However, when water is used as the solvent, the dip coating method, in which the substrate is dipped in the polymer solution and then pulled up at a constant rate to coat the film, has a low drying rate. There is a problem that unevenness occurs. In addition, in spin coating in which the coating is dried by rotating the substrate at a constant speed after dropping the solution on the substrate, most of the solution is scattered by centrifugal force during rotation, so forming a thick film Have difficulty.
また、水を溶媒とする高分子は、成膜後に硬化等の処理がなければ、積層時に2回目塗布の溶液の溶媒が、1回目の薄膜を溶かしてしまうため、前記手法のディップコートやスピンコートなどの方法では積層が困難であった。 In addition, in the case of a polymer using water as a solvent, if there is no treatment such as curing after film formation, the solvent of the solution applied for the second time will dissolve the first thin film at the time of lamination. Lamination was difficult by methods such as coating.
熱電材料は、材料内の温度差が形成されると発電するため、材料の厚さも重要な因子となる。熱電材料の厚膜化が進めば、数式(1)に示すように、熱電材料内の温度差ΔTが向上するために、効率の面で優位になる。以下に、簡単な計算の手順を示す。 Since the thermoelectric material generates power when a temperature difference in the material is formed, the thickness of the material is also an important factor. If the thickness of the thermoelectric material is increased, the temperature difference ΔT in the thermoelectric material is improved as shown in Equation (1), which is advantageous in terms of efficiency. A simple calculation procedure is shown below.
図16は、熱電素子の一部を拡大した模式図である。熱電素子は、基板フィルム(厚さ500μm、熱伝導度0.3W/m/K)、前記基板フィルム上に蒸着されたITO電極(厚さ0.1μm、熱伝導度8.2W/m/K)、前記ITO電極上に形成した有機熱電フィルム(ゼーベック係数30μV/K、熱伝導度0.3W/m/K)から構成されている。 FIG. 16 is an enlarged schematic view of a part of the thermoelectric element. The thermoelectric element has a substrate film (thickness 500 μm, thermal conductivity 0.3 W / m / K), an ITO electrode (thickness 0.1 μm, thermal conductivity 8.2 W / m / K) deposited on the substrate film. ), An organic thermoelectric film (Seebeck coefficient 30 μV / K, thermal conductivity 0.3 W / m / K) formed on the ITO electrode.
基板フィルムと高温熱源との界面の温度をT1、基板フィルムとITO電極の界面の温度をT2、ITO電極と有機熱電フィルムの界面の温度をT3、有機熱電フィルムと低温熱源との界面の温度をT4とする。 The temperature at the interface between the substrate film and the high temperature heat source is T1, the temperature at the interface between the substrate film and the ITO electrode is T2, the temperature at the interface between the ITO electrode and the organic thermoelectric film is T3, and the temperature at the interface between the organic thermoelectric film and the low temperature heat source is T4.
次の数式(5)は熱伝導の基本式である。 The following formula (5) is a basic formula of heat conduction.
qは単位時間当たりの移動する熱量、Aは断面積、λは熱伝導度である。各材料では断面積は一定であると仮定し、それぞれの層での熱伝導度をλ1、λ2、λ3、温度差をΔT1、ΔT2、ΔT3、膜厚をd1、d2、d3とすると、次の数式(6)が成り立つ。 q is the amount of heat transferred per unit time, A is the cross-sectional area, and λ is the thermal conductivity. Assuming that the cross-sectional area of each material is constant, assuming that the thermal conductivity in each layer is λ1, λ2, λ3, the temperature differences are ΔT1, ΔT2, ΔT3, and the film thicknesses are d1, d2, d3, Formula (6) is established.
表1は、計算により求めた、有機熱電フィルムに形成される温度差と発生する熱起電力の膜厚依存性を示す表である。表1においては、上記材料パラメータを用い、T1=50℃、T4=35℃と仮定したとき、有機熱電フィルムの厚さと、有機熱電フィルム内に形成される温度差および熱起電力が示されている。表1の結果より、前述したように、熱電材料の厚膜化は熱電材料内の温度差ΔTを向上させ、効率の面で優位にできる。 Table 1 is a table showing the film thickness dependence of the temperature difference formed in the organic thermoelectric film and the generated thermoelectromotive force, which are obtained by calculation. Table 1 shows the thickness of the organic thermoelectric film, the temperature difference formed in the organic thermoelectric film, and the thermoelectromotive force, assuming that T1 = 50 ° C. and T4 = 35 ° C. using the above material parameters. Yes. From the results of Table 1, as described above, increasing the thickness of the thermoelectric material can improve the temperature difference ΔT in the thermoelectric material, and can be advantageous in terms of efficiency.
また、熱電素子に用いる薄膜の形状は、作製した膜の表面は滑らかで密であるほうがよい。非特許文献5によると、π共役系導電性高分子であるポリ(チオフェン)を、電解重合により作製し、膜密度と表面の凹凸写真と電気伝導度の関係を議論している。これによると、電気伝導度が大きい膜ほど緻密で膜密度が大きく、表面の凹凸が小さいという結果が得られている。さらに、同文献では、この原因として、ポリ(チオフェン)の伝導機構に触れており、伝導機構は膜の緻密化と共に変化すると述べている。電気伝導の担い手であるキャリアは、ポリ(チオフェン)の主鎖間をホッピングすることにより移動する。実験結果より、低密度ポリ(チオフェン)は、キャリアの熱運動が激しい200K以上の高温領域でしか、電気伝導に有利なバリアブルレンジホッピングが発現しないが、高密度ポリ(チオフェン)では、88K以上の領域でもバリアブルレンジホッピングが発現している。これは、高密度の膜では、熱運動が激しくない低温の領域でも電気伝導に有利なホッピングをしており、電気伝導度が高いことを示す。 In addition, the shape of the thin film used for the thermoelectric element should be such that the surface of the produced film is smooth and dense. According to Non-Patent Document 5, poly (thiophene), which is a π-conjugated conductive polymer, is produced by electrolytic polymerization, and the relationship between film density, surface irregularities and electrical conductivity is discussed. According to this, a result is obtained that a film having a higher electric conductivity is denser and has a higher film density and smaller surface irregularities. Furthermore, the same document mentions the conduction mechanism of poly (thiophene) as the cause, and states that the conduction mechanism changes with the densification of the film. Carriers that are responsible for electrical conduction move by hopping between the main chains of poly (thiophene). From the experimental results, low-density poly (thiophene) exhibits variable range hopping advantageous for electric conduction only in a high-temperature region of 200K or higher where the thermal motion of the carrier is intense, but high-density poly (thiophene) has 88K or higher. Variable range hopping is also present in the region. This indicates that the high-density film hops advantageous for electric conduction even in a low temperature region where the thermal motion is not intense, and has high electric conductivity.
従って、前記数式(1)、(3)、(4)に示すように、熱電変換効率ηを向上させるには、電気伝導度を向上させる必要があり、非特許文献5によると、膜密度を増加させ、表面荒れの少ない導電性高分子を塗膜する方法が必要である。 Therefore, as shown in the mathematical formulas (1), (3), and (4), in order to improve the thermoelectric conversion efficiency η, it is necessary to improve the electrical conductivity. There is a need for a method of coating a conductive polymer that is increased and has less surface roughness.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、高い性能指数を示す熱電変換材料を提供できるようにすることを目的とする。本発明の別の目的は、成膜条件を調整することで塗膜の表面粗さを平坦化し、電気伝導度を向上させた熱電変換材料を提供できるようにすることである。本発明の更に別の目的は、導電性高分子を積層させることで、膜厚を増加させ、膜厚方向の温度差を増加することで、熱起電力を増加させた熱電変換材料を提供できるようにすることである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a thermoelectric conversion material exhibiting a high performance index. Another object of the present invention is to make it possible to provide a thermoelectric conversion material in which the surface roughness of the coating film is flattened by adjusting the film forming conditions and the electric conductivity is improved. Still another object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion material having an increased thermoelectromotive force by increasing the film thickness by laminating conductive polymers and increasing the temperature difference in the film thickness direction. Is to do so.
本発明の課題を解決するための手段の一例は、π共役系導電性高分子および水を含む混合溶液を調製する調製工程と、前記混合溶液を霧化して前記混合溶液の微粒子を形成する微粒子形成工程と、前記微粒子を基板に付着させる付着工程と、前記基板を乾燥させる乾燥工程と、を含む、熱電変換材料の製造方法である。 An example of means for solving the problems of the present invention includes a preparation step of preparing a mixed solution containing a π-conjugated conductive polymer and water, and fine particles that atomize the mixed solution to form fine particles of the mixed solution A method for producing a thermoelectric conversion material, which includes a forming step, an attaching step for attaching the fine particles to a substrate, and a drying step for drying the substrate.
ここで、前記混合溶液が、エチレングリコール、グリセロール、1,3−プロパンジオール、および1,4−ペンタンジオールからなる群から選択された多価アルコールを更に含むことが好ましい。 Here, it is preferable that the mixed solution further includes a polyhydric alcohol selected from the group consisting of ethylene glycol, glycerol, 1,3-propanediol, and 1,4-pentanediol.
また、前記混合溶液が、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、エタノール、およびメタノールからなる群から選択された有機溶媒を更に含むことが好ましい。 The mixed solution preferably further contains an organic solvent selected from the group consisting of dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, tetrahydrofuran, ethanol, and methanol.
更に、前記多価アルコールの量が、前記混合溶液の総量に対して0.1〜91重量%の範囲にあることが好ましい。 Furthermore, the amount of the polyhydric alcohol is preferably in the range of 0.1 to 91% by weight with respect to the total amount of the mixed solution.
更に、前記付着工程および前記乾燥工程を更に繰り返して行なうことが好ましい。 Furthermore, it is preferable to repeat the adhesion step and the drying step.
本発明の課題を解決するための手段の別の例は、π共役系導電性高分子、水、および多価アルコールを含む、熱電変換材料である。この場合、前記多価アルコールが、エチレングリコール、グリセロール、1,3−プロパンジオール、および1,4−ペンタンジオールからなる群から選択されることが好ましい。 Another example of means for solving the problems of the present invention is a thermoelectric conversion material containing a π-conjugated conductive polymer, water, and a polyhydric alcohol. In this case, the polyhydric alcohol is preferably selected from the group consisting of ethylene glycol, glycerol, 1,3-propanediol, and 1,4-pentanediol.
本発明の課題を解決するための手段の更に別の例は、π共役系導電性高分子、水、および有機溶媒を含む、熱電変換材料である。この場合、前記有機溶媒が、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、エタノール、およびメタノールからなる群から選択されることが好ましい。 Yet another example of means for solving the problems of the present invention is a thermoelectric conversion material containing a π-conjugated conductive polymer, water, and an organic solvent. In this case, the organic solvent is preferably selected from the group consisting of dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, tetrahydrofuran, ethanol, and methanol.
本発明によれば、高い性能指数を示す熱電変換材料を提供できる。例えば、成膜条件を調整することで塗膜の表面粗さを平坦化し、電気伝導度を向上させた熱電変換材料を提供できる。また、好適には導電性高分子を積層させることで、膜厚を増加させ、膜厚方向の温度差を増加することで、熱起電力を増加させた熱電変換材料を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thermoelectric conversion material which shows a high performance index can be provided. For example, it is possible to provide a thermoelectric conversion material in which the surface roughness of the coating film is flattened by adjusting the film forming conditions and the electric conductivity is improved. Moreover, the thermoelectric conversion material which increased the thermoelectromotive force can be provided by increasing a film thickness suitably by laminating | stacking a conductive polymer, and increasing the temperature difference of a film thickness direction.
以下、本発明を実施するための形態の例を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
π共役系導電性高分子
π共役系導電性高分子は、典型的には高分子の直鎖にπ共役二重結合を有する導電性の高分子である。高い熱電変換特性を示すπ共役系導電性高分子として、例えばポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリカルバゾレンビニレン、ポリ(3、4−エチレンジオキシチオフェン)(以下、PEDOT)を使用できる。π共役系導電性高分子に正の帯電を付与するドーパントとして、典型的にはポリ(スチレンスルホン酸)(以下、PSS)が用いられる。
π-Conjugated Conductive Polymer The π-conjugated conductive polymer is typically a conductive polymer having a π-conjugated double bond in the linear chain of the polymer. For example, polythiophene, polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, polycarbazolenvinylene, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (hereinafter, PEDOT) can be used as the π-conjugated conductive polymer that exhibits high thermoelectric conversion characteristics. Typically, poly (styrenesulfonic acid) (hereinafter referred to as PSS) is used as a dopant that imparts positive charge to the π-conjugated conductive polymer.
混合溶液
混合溶液は、少なくとも上記π共役系導電性高分子および水を含む。水の量は、混合溶液の総量に対して例えば95〜99.5重量%である。混合溶液は、更に下記の多価アルコール、有機溶媒、および添加剤を含むことができる。
The mixed solution mixed solution contains at least the π-conjugated conductive polymer and water. The amount of water is, for example, 95 to 99.5% by weight with respect to the total amount of the mixed solution. The mixed solution can further contain the following polyhydric alcohol, organic solvent, and additives.
多価アルコール
霧化した混合溶液が基板の表面に付着する際、溶媒の極性を下げ、表面張力を下げ、表面の凹凸を少なくするため、多価アルコールを用いることができる。多価アルコールとして、例えばエチレングリコール、グリセロール、1,3−プロパンジオール、および1,4−ペンタンジオールからなる群から選択された1つを用いることができる。
When the polyhydric alcohol atomized mixed solution adheres to the surface of the substrate, polyhydric alcohol can be used in order to lower the polarity of the solvent, lower the surface tension, and reduce surface irregularities. As the polyhydric alcohol, for example, one selected from the group consisting of ethylene glycol, glycerol, 1,3-propanediol, and 1,4-pentanediol can be used.
なお、多価アルコールは、混合溶液の総量、例えばπ共役系導電性高分子、ドーパント、および水の合計量に対して0.1〜91重量%の範囲とするのが好ましい。導電性高分子の重量を1としたとき、多価アルコールの重量が10の比、すなわち混合溶液の総重量に対して多価アルコール重量比が91重量%以下とすると、塗膜の機械的強度の減少を防止しやすくなり、塗膜として自立できやすくなる。この原因としては、91重量%を超えて多価アルコールを添加すると、塗膜の主成分は多価アルコールが支配的になり、主鎖間の距離が離れ、塗膜の状態が、液体に近くなったためと考えられる。他方で、多価アルコールの添加による効果を発現させるためには、多価アルコールの含有量は、混合溶液の総量に対して0.1重量%以上であることが好ましい。なお、完成品の熱電変換材料における多価アルコールの含有量は、任意の検出器(例えばAgilent社製ガスクロマトグラフ、型番H6890)で検出できる程度の含有量(例えば0.001重量%)となる。これは、後述の乾燥工程において、多価アルコールは水とともにほぼ蒸発するものの、完成品の熱電変換材料においては、水も多価アルコールも完全に除去されておらず、これらがある程度(上記検出可能な程度)熱電変換材料に残っているためである。 The polyhydric alcohol is preferably in the range of 0.1 to 91% by weight with respect to the total amount of the mixed solution, for example, the total amount of the π-conjugated conductive polymer, the dopant, and water. When the weight of the conductive polymer is 1, the weight of the polyhydric alcohol is 10; that is, the polyhydric alcohol weight ratio is 91% by weight or less with respect to the total weight of the mixed solution. It becomes easy to prevent the decrease of the film, and it becomes easy to be independent as a coating film. As a cause of this, when polyhydric alcohol is added exceeding 91% by weight, the main component of the coating film is dominated by the polyhydric alcohol, the distance between the main chains is increased, and the state of the coating film is close to the liquid. It is thought that it became. On the other hand, in order to express the effect of the addition of the polyhydric alcohol, the content of the polyhydric alcohol is preferably 0.1% by weight or more with respect to the total amount of the mixed solution. The polyhydric alcohol content in the finished thermoelectric conversion material is a content (eg, 0.001% by weight) that can be detected by an arbitrary detector (eg, Agilent gas chromatograph, model number H6890). This is because, in the drying process described later, the polyhydric alcohol evaporates with water, but in the finished thermoelectric conversion material, neither water nor polyhydric alcohol has been completely removed, and some of these (the above detection is possible). This is because it remains in the thermoelectric conversion material.
有機溶媒
霧化した混合溶液が基板の表面に付着する際、溶媒の極性を下げ、表面張力を下げ、表面の凹凸を少なくするため、有機溶媒を用いることができる。有機溶媒として、例えばジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、エタノール、およびメタノールからなる群から選択された1つを用いることができる。
When the organic solvent atomized mixed solution adheres to the surface of the substrate, an organic solvent can be used in order to lower the polarity of the solvent, lower the surface tension, and reduce surface irregularities. As the organic solvent, for example, one selected from the group consisting of dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, tetrahydrofuran, ethanol, and methanol can be used.
添加剤
添加剤としては、溶媒である極性を変化させる目的として用いられているものが適用でき、ラウリル硫酸ナトリウムやドデシル硫酸ナトリウムなどの界面活性剤を用いることができる。
As the additive additive, those used for the purpose of changing the polarity as a solvent can be applied, and a surfactant such as sodium lauryl sulfate or sodium dodecyl sulfate can be used.
基板
基板として、ガラス、石英ガラス、シリコンウエハ、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド等を用いることができる。
As the substrate substrate, glass, quartz glass, silicon wafer, polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, polyimide, or the like can be used.
製造方法
次に、本実施の形態に係る熱電変換材料の製造方法について説明する。
Manufacturing Method Next, a manufacturing method of the thermoelectric conversion material according to the present embodiment will be described.
調製工程
調整工程において、π共役系導電性高分子および水を含む混合溶液を調製する。例えば、上記π共役系導電性高分子を溶解した水溶液に多価アルコールを加えて混合して混合溶液を調製することができる。混合溶液を調製する過程では、上記水溶液に所定量の多価アルコールを加え、例えば室温(23℃程度)にて30分以上攪拌することで混合する。なお、混合する方法は、特に限定されるものではなく、溶液が均一になればよい。例えば、ガラス容器中の溶液にスターラーチップを入れ、マグネチックスターラーを用いてスターラーチップを400rpmの速さで回転させ、ガラス容器内の溶液を攪拌する方法がある。
In the preparation step adjustment step, a mixed solution containing a π-conjugated conductive polymer and water is prepared. For example, a mixed solution can be prepared by adding and mixing a polyhydric alcohol to an aqueous solution in which the π-conjugated conductive polymer is dissolved. In the process of preparing the mixed solution, a predetermined amount of polyhydric alcohol is added to the aqueous solution, and the mixture is mixed, for example, by stirring at room temperature (about 23 ° C.) for 30 minutes or more. In addition, the method of mixing is not specifically limited, The solution should just be uniform. For example, there is a method of putting a stirrer chip into a solution in a glass container, rotating the stirrer chip at a speed of 400 rpm using a magnetic stirrer, and stirring the solution in the glass container.
微粒子形成工程
微粒子形成工程では、膜密度を増加させて表面荒れを少なくするために、霧化する溶液の粒子サイズを小さくすることが好ましい。後述するが、混合溶液を微粒化し、微粒子の径が減少すれば、微粒子の体積当たりの表面積の値は増加するため、乾燥しやすくなる。微粒化が足りないと、表面荒れが著しくなり、電気伝導度を低下させてしまう。前記混合溶液を例えば50μm以下の微粒子に霧化する。微粒子を形成するために、例えばスプレーコーター(旭サナック製rCoater)を用いることができるが、インクジェット法やエレクトロスプレー法などを用いてもよく、溶液が微粒化すれば他の方法を用いてもよい。
In the fine particle forming step, it is preferable to reduce the particle size of the atomized solution in order to increase the film density and reduce the surface roughness. As will be described later, if the mixed solution is atomized and the diameter of the fine particles decreases, the surface area value per volume of the fine particles increases, and therefore, it becomes easy to dry. If the atomization is insufficient, the surface becomes very rough and the electrical conductivity is lowered. The mixed solution is atomized into fine particles of, for example, 50 μm or less. In order to form fine particles, for example, a spray coater (rCoater manufactured by Asahi Sunac Co., Ltd.) can be used, but an ink jet method or an electrospray method may be used, and other methods may be used if the solution is atomized. .
付着工程
付着工程において、上記微粒子を基板に付着させる。基板の表面温度は50℃以上に保持するのが好ましい。なお、当然ではあるが、分解温度以上に加熱すると、各々の構成材料における各機能が失われるため、加熱する温度は、分解温度を超えないようにすることが重要である。
In the attaching step , the fine particles are attached to the substrate. The surface temperature of the substrate is preferably maintained at 50 ° C. or higher. As a matter of course, since each function of each constituent material is lost when heated to the decomposition temperature or higher, it is important that the heating temperature does not exceed the decomposition temperature.
乾燥工程
乾燥工程では、混合溶液の微粒子または基板を乾燥させて溶媒を蒸発させる。溶媒である水の沸点は100℃であるが、微粒子形成工程で基板が乾燥しやすくなっているため、沸点以下の基板温度、例えば50℃以上70℃以下でも製膜が可能である。なお、当然ではあるが、分解温度以上に加熱すると、各々の構成材料における各機能が失われるため、加熱する温度は、分解温度を超えないようにすることが重要である。なお、乾燥工程において、水(および場合により多価アルコール)は蒸発しているが、厳密に言えば完成品の熱電変換材料において水(および場合により多価アルコール)も完全には除去されておらず、ある程度は残っている場合がある。しかしながら、本願においては熱電変換材料中での水(および場合により多価アルコール)の割合よりも、蒸発前の混合溶液中の割合がより重要となる。
Drying step In the drying step, the fine particles of the mixed solution or the substrate is dried to evaporate the solvent. Although the boiling point of water, which is a solvent, is 100 ° C., since the substrate is easily dried in the fine particle formation step, film formation is possible even at a substrate temperature below the boiling point, for example, 50 ° C. or more and 70 ° C. or less. As a matter of course, since each function of each constituent material is lost when heated to the decomposition temperature or higher, it is important that the heating temperature does not exceed the decomposition temperature. In the drying process, water (and possibly polyhydric alcohol) is evaporated, but strictly speaking, water (and possibly polyhydric alcohol) is not completely removed in the finished thermoelectric conversion material. There may be some remaining. However, in the present application, the ratio in the mixed solution before evaporation is more important than the ratio of water (and possibly a polyhydric alcohol) in the thermoelectric conversion material.
なお、単層膜の塗布では以上の乾燥工程までで製造できるが、基板表面に前記π共役系導電性高分子を堆積させるには、前記付着工程と乾燥工程を繰り返す工程が好ましい。 In addition, although it can manufacture by the above drying process by application | coating of a single layer film, the process of repeating the said adhesion process and a drying process is preferable in order to deposit the said (pi) conjugated system conductive polymer on the substrate surface.
[実験例A]
まず、シグマアルドリッチ社製のPEDOT・PSSの混合水溶液(製品番号:483095、ポリマー比率1.3重量%)に、成膜性を向上させるためにエチレングリコール(関東化学社製、純度99%以上)を0.1重量%混合し、混合溶液を作製した。
[Experiment A]
First, ethylene glycol (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., purity of 99% or more) was added to a mixed aqueous solution of PEDOT / PSS (product number: 483095, polymer ratio: 1.3% by weight) manufactured by Sigma-Aldrich. Was mixed to prepare a mixed solution.
以下の化学式(1)に示すPEDOTが、π共役系導電性高分子であり、化学式(2)に示すPSSが、ドーパントとなるスルホ基を有する高分子である。また、化学式(3)に示すエチレングリコールが、多価アルコールである。 PEDOT represented by the following chemical formula (1) is a π-conjugated conductive polymer, and PSS represented by the chemical formula (2) is a polymer having a sulfo group serving as a dopant. Further, ethylene glycol represented by the chemical formula (3) is a polyhydric alcohol.
基板は、市販の汎用ポリエチレンテレフタレート(厚さ:500μm)を用い、純水で洗浄した後、UV/オゾンクリーナーにて20分間照射し、表面を親水化して成膜性を向上させた。
本実験例では、0.1重量%のエチレングリコールを添加して成膜したが、エチレングリコール重量比の定義は次のような数式7になる。
The substrate used was commercially available general-purpose polyethylene terephthalate (thickness: 500 μm), washed with pure water, and then irradiated with a UV / ozone cleaner for 20 minutes to hydrophilize the surface and improve the film formability.
In this experimental example, 0.1 wt% ethylene glycol was added to form a film, but the definition of the ethylene glycol weight ratio is as follows.
本実験例では、0.1重量%の濃度で添加して成膜したが、PEDOT・PSS重量1に対してエチレングリコール重量が10の比、すなわちエチレングリコール重量比が91重量%を超えると、塗膜の機械的強度が減少し、塗膜として自立できなくなる。この原因としては、91重量%以上添加すると、塗膜の主成分はエチレングリコールが支配的になり、主鎖間の距離が離れ、塗膜の状態が、液体に近くなったためと考えられる。 In this experimental example, the film was added at a concentration of 0.1% by weight, but when the ratio of ethylene glycol weight to PEDOT / PSS weight 1 was 10, that is, the ethylene glycol weight ratio exceeded 91% by weight, The mechanical strength of the coating film is reduced and the coating film cannot be self-supporting. The reason for this is considered to be that when 91% by weight or more is added, ethylene glycol is dominant as the main component of the coating film, the distance between the main chains is increased, and the state of the coating film becomes close to a liquid.
作製した混合溶液を、スプレーコーター(旭サナック製rCoater)で成膜を行った。当該スプレーコーターでは、基板フィルム上に塗布する微粒子の霧化条件を制御することができる。当該スプレーコーターのノズルはAGB−40Nを用い、このノズル口径は0.8mmの円状である。溶液の吐出量の制御はシリンジポンプで行っており、吐出量は12ml/min、スプレーノズル先端と基板フィルムの距離は120mmで固定した。当該装置は、スプレーの霧化圧力を制御することができ、このスプレー霧化圧力を増加させると、塗布溶液の微粒化を促進することができる。 The prepared mixed solution was formed into a film using a spray coater (rCoater manufactured by Asahi Sunac Co., Ltd.). In the spray coater, the atomization conditions of the fine particles applied on the substrate film can be controlled. The nozzle of the spray coater uses AGB-40N, and the nozzle diameter is a circle of 0.8 mm. The discharge amount of the solution was controlled by a syringe pump, the discharge amount was 12 ml / min, and the distance between the spray nozzle tip and the substrate film was fixed at 120 mm. The apparatus can control the atomization pressure of the spray, and increasing the spray atomization pressure can promote atomization of the coating solution.
数式(8)によると、塗布溶液の微粒化が進み、微粒子の半径rが減少すれば、微粒子の体積V当たりの表面積Sの値は増加するため、乾燥しやすくなる。 According to the equation (8), if the coating solution is atomized and the radius r of the fine particles is decreased, the value of the surface area S per volume V of the fine particles is increased, so that it becomes easy to dry.
形成した塗膜の厚さは、触針式形状測定器(アルバック製Dektak150)を用い、フィルム基板と有機熱電フィルムの段差を測定することにより算出した。この測定結果は、後述する電気伝導度の測定(算出)に用いた。 The thickness of the formed coating film was calculated by measuring the level difference between the film substrate and the organic thermoelectric film using a stylus shape measuring instrument (Dektak 150 manufactured by ULVAC). This measurement result was used for measurement (calculation) of electric conductivity described later.
ゼーベック係数の測定
ゼーベック係数Sは、アルバック理工製ZEM−3を用い、測定した。有機熱電フィルムの上下に温度勾配を形成し、発生した熱起電力を測定した。
Measurement of Seebeck coefficient Seebeck coefficient S was measured using ZERU-3 manufactured by ULVAC-RIKO. A temperature gradient was formed above and below the organic thermoelectric film, and the generated thermoelectromotive force was measured.
電気伝導度の測定
電気伝導度σは、電気抵抗測定器(三菱化学アナリテック製ロレスターGP)を用い、四端針法により測定した。
Measurement of electric conductivity The electric conductivity σ was measured by a four-end needle method using an electric resistance measuring instrument (Lorestar GP manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech).
この測定の結果と別途熱伝導率を測定することにより、数式(4)を用いて熱電変換性能を評価する指数である無次元性能指数ZTを算出することができる。 By measuring the thermal conductivity separately from the result of this measurement, the dimensionless performance index ZT, which is an index for evaluating the thermoelectric conversion performance, can be calculated using Equation (4).
実験例1
ここで、基板温度が不足しているために、均一な塗膜を形成できない場合の実験例を示す。なお、本実験例において以下に特記する事項以外は、実験例Aで用いられた手段が採用された。
Experimental example 1
Here, an experimental example is shown in the case where a uniform coating film cannot be formed because the substrate temperature is insufficient. In this experimental example, the means used in experimental example A were adopted except for the matters specifically described below.
前述しているように、従来の塗布方法では水溶媒の沸点が高いために、塗布時間が短いスピンコート法やディップコート法、キャスト法、バーコート法などは水溶媒の蒸発速度が遅く、また水の表面張力のために、均一に厚膜を形成することができなかった。一般的な解決方法は、スラリーを大量に混ぜて、溶媒中の溶質の割合を増加させる方法があるが、本実験例の材料にスラリーを大量に混ぜると、スラリーがπ共役系導電性高分子の分子間のホッピングを阻害して、著しく性能が劣化する。 As described above, since the boiling point of the water solvent is high in the conventional coating method, the evaporation rate of the water solvent is slow in the spin coating method, the dip coating method, the casting method, the bar coating method, etc., in which the coating time is short. A uniform thick film could not be formed due to the surface tension of water. A general solution is to mix a large amount of slurry to increase the proportion of solute in the solvent. However, when a large amount of slurry is mixed with the material of this experimental example, the slurry becomes a π-conjugated conductive polymer. This hinders intermolecular hopping and significantly deteriorates performance.
そこで、前記スプレーコート装置を用い、霧化エア圧は0.25MPaとして設定した。30℃に加熱したホットプレート上に基板フィルムを設置し、この基板フィルム上に1回成膜したのちの外観図(図1)を示す。基板温度が低いために、基板への塗布直後は表面が乾かなかった。 Therefore, the atomizing air pressure was set as 0.25 MPa using the spray coating apparatus. A substrate film is set on a hot plate heated to 30 ° C., and an external view (FIG. 1) after the film is formed once on the substrate film is shown. Due to the low substrate temperature, the surface did not dry immediately after application to the substrate.
外観図(図1)より、ガラス基板の周辺部(図1中央部)の濃度が濃くなっている一方、中心部(図1上部)の濃度は薄くなっており、濃度むらが発生していることが明らかである。また、この濃度むらが不均一に形成していることは、均一に塗膜を形成することの困難であることを示している。 From the external view (FIG. 1), the concentration in the peripheral part (center part of FIG. 1) of the glass substrate is high, while the density in the central part (upper part of FIG. 1) is low, resulting in uneven density. It is clear. Further, the uneven formation of the density unevenness indicates that it is difficult to form a coating film uniformly.
実験例2
基板温度は十分だが、霧化エア圧が不足しており、噴霧微粒子の微粒化が不十分なため、表面荒れが目立った場合の実験例を示す。なお、本実験例において以下に特記する事項以外は、実験例Aで用いられた手段が採用された。
Experimental example 2
Although the substrate temperature is sufficient, the atomizing air pressure is insufficient, and the atomization of the spray fine particles is insufficient. In this experimental example, the means used in experimental example A were adopted except for the matters specifically described below.
霧化エア圧は0.025MPaとして設定した。70℃に加熱したホットプレート上に基板フィルムを設置し、この基板フィルム上に1回成膜したのちの外観図(図2)と膜厚の測定結果(図3)を示す。 The atomization air pressure was set as 0.025 MPa. An external view (FIG. 2) and a film thickness measurement result (FIG. 3) after a substrate film is placed on a hot plate heated to 70 ° C. and formed once on the substrate film are shown.
この塗膜は目視でも表面荒れを確認できるが、熱電膜としての熱電特性は発現していた。表2は、実験例2、3、4における熱電変換材料における電気伝導度とゼーベック係数をまとめた表である。表2においては、電気伝導度とゼーベック係数の測定結果が示されている。 Although the surface roughness of this coating film can be confirmed by visual observation, thermoelectric properties as a thermoelectric film have been developed. Table 2 summarizes the electrical conductivity and Seebeck coefficient in the thermoelectric conversion materials in Experimental Examples 2, 3, and 4. In Table 2, measurement results of electrical conductivity and Seebeck coefficient are shown.
導電性高分子材料は、非特許文献5に示すように、ホッピング伝導が主である。この文献では、高分子の粒径が大きいと電気伝導を阻害するため、電界重合の条件を調整すると、平坦な塗膜が形成され、電気伝導度が向上したという報告がある。前述するように、塗膜として熱電特性を向上させるには、電気伝導度を増加させる必要がある。そのため、塗膜の平坦化は熱電性能を向上させるための手段として好適である。 As shown in Non-Patent Document 5, the conductive polymer material is mainly hopping conduction. In this document, there is a report that, when the polymer particle size is large, electric conduction is hindered. Therefore, when the conditions for electric field polymerization are adjusted, a flat coating film is formed and the electric conductivity is improved. As described above, in order to improve thermoelectric properties as a coating film, it is necessary to increase electrical conductivity. Therefore, the flattening of the coating film is suitable as a means for improving the thermoelectric performance.
実験例3
実験例1と実験例2を踏まえ、基板加熱温度と霧化エア圧を調整し、塗膜条件を整えた場合の実験例を示す。なお、本実験例において下記に特記する事項以外は、実験例Aで用いられた手段が採用された。
Experimental example 3
Based on Experimental Example 1 and Experimental Example 2, an experimental example in which the substrate heating temperature and the atomizing air pressure are adjusted to adjust the coating film conditions is shown. In this experimental example, the means used in Experimental Example A were adopted except for the matters specifically described below.
基板加熱温度は70℃、霧化エア圧は0.25MPaとして設定した。70℃に加熱したホットプレート上に基板フィルムを設置し、この基板フィルム上に1回成膜したのちの外観図(図4)と膜厚の測定結果(図5)を示す。 The substrate heating temperature was set to 70 ° C., and the atomizing air pressure was set to 0.25 MPa. An external view (FIG. 4) and a film thickness measurement result (FIG. 5) after the substrate film is placed on a hot plate heated to 70 ° C. and formed once on the substrate film are shown.
実験例2と比較し、平坦性が向上した。電気伝導度とゼーベック係数の測定結果は表2に示した。実験例2の結果と比較して、ゼーベック係数には大きな変化はないが、電気伝導度は向上した。 Compared with Experimental Example 2, the flatness was improved. The measurement results of electrical conductivity and Seebeck coefficient are shown in Table 2. Compared with the result of Experimental Example 2, the Seebeck coefficient was not significantly changed, but the electrical conductivity was improved.
1回目の成膜にて、平坦な薄膜を形成できたので、さらに2回、10回、20回と、重ね塗りを実行した。20回重ね塗りした時の外観図(図6)と膜厚の測定結果(図7)を示す。また、1回、2回、10回、20回積層させたときの膜厚依存性を図8、電気伝導度依存性を図9に示す。重ね塗り回数が増加するにつれ、膜厚はほぼ線形に増加し、電気伝導度は増加した。 Since a flat thin film could be formed in the first film formation, overcoating was performed twice, 10 times, and 20 times. An external view (FIG. 6) and a film thickness measurement result (FIG. 7) when it is overcoated 20 times are shown. Also, FIG. 8 shows the film thickness dependency when the layers are laminated once, twice, 10 times, and 20 times, and FIG. 9 shows the electric conductivity dependency. As the number of overcoats increased, the film thickness increased almost linearly and the electrical conductivity increased.
実験例4
実験例1、実験例3の結果を踏まえると、さらに塗膜の表面荒れを低減すると電気伝導度を向上できると考え、PEDOT・PSSに多価アルコールであるエチレングリコールを添加して塗膜した場合の実験例を示す。本実験例は、エチレングリコールを添加することで、表面荒れが少なくなり、電気伝導度が向上した例である。なお、本実験例において以下に特記する事項以外は、実験例Aで用いられた手段が採用された。
Experimental Example 4
Based on the results of Experimental Example 1 and Experimental Example 3, it is thought that the electrical conductivity can be improved by further reducing the surface roughness of the coating film, and when PEDOT / PSS is added with a polyhydric alcohol, ethylene glycol. An experimental example is shown. In this experimental example, by adding ethylene glycol, the surface roughness is reduced and the electrical conductivity is improved. In this experimental example, the means used in experimental example A were adopted except for the matters specifically described below.
材料はPEDOT・PSS水溶液にエチレングリコールを0.1重量%混合したもの、基板加熱温度は70℃、霧化エア圧は0.25MPaとして設定した。この場合、PEDOTとPSSとの合計量の割合は1.3重量%、水の割合は98.7重量%、エチレングリコールの割合は0.1重量%(合計が100重量%を超えるのは端数の誤差に基づく)となる。70℃に加熱したホットプレート上に基板フィルムを設置し、この基板フィルム上に1回成膜したのちの外観図(図10)と膜厚の測定結果(図11)を示す。 The material was a mixture of 0.1% by weight of ethylene glycol in a PEDOT / PSS aqueous solution, the substrate heating temperature was set to 70 ° C., and the atomizing air pressure was set to 0.25 MPa. In this case, the ratio of the total amount of PEDOT and PSS is 1.3% by weight, the ratio of water is 98.7% by weight, and the ratio of ethylene glycol is 0.1% by weight (the total exceeds 100% by weight) Based on the error). An external view (FIG. 10) and a film thickness measurement result (FIG. 11) after the substrate film is placed on a hot plate heated to 70 ° C. and formed once on the substrate film are shown.
実験例3と比較し、平坦性が向上した。電気伝導度とゼーベック係数の測定結果は表2に示した。実験例3の結果と比較して、ゼーベック係数には大きな変化はないが、電気伝導度は向上した。 Compared with Experimental Example 3, the flatness was improved. The measurement results of electrical conductivity and Seebeck coefficient are shown in Table 2. Compared with the result of Experimental Example 3, the Seebeck coefficient was not significantly changed, but the electrical conductivity was improved.
1回目の成膜にて、平坦な薄膜を形成できたので、さらに2回、10回、20回と、重ね塗りを実行した。20回重ね塗りした時の外観図(図12)と膜厚の測定結果(図13)を示す。また、1回、2回、10回、20回積層させたときの膜厚依存性を図14、電気伝導度依存性を図15に示す。重ね塗り回数が増加するにつれ、膜厚はほぼ線形に増加し、電気伝導度は増加した。 Since a flat thin film could be formed in the first film formation, overcoating was performed twice, 10 times, and 20 times. An external view (FIG. 12) and a measurement result (FIG. 13) of the film thickness when it is overcoated 20 times are shown. Further, FIG. 14 shows the film thickness dependency when the layers are laminated once, twice, 10 times, and 20 times, and FIG. 15 shows the electric conductivity dependency. As the number of overcoats increased, the film thickness increased almost linearly and the electrical conductivity increased.
以上に説明したように、本発明では、高い性能指数を示す熱電変換材料が構成できるようになる。好適には、水溶性の導電性高分子薄膜の表面荒れを低減できるようになる。更に好適には、前記高分子薄膜を積層することにより、膜厚方向の温度差を増大することで熱電変換の出力を向上するという優れた効果が得られる。 As described above, in the present invention, a thermoelectric conversion material exhibiting a high performance index can be configured. Preferably, the surface roughness of the water-soluble conductive polymer thin film can be reduced. More preferably, by laminating the polymer thin film, an excellent effect of improving the output of thermoelectric conversion by increasing the temperature difference in the film thickness direction can be obtained.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態および実験例に限定されるものではない。本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせを採用可能である。 Note that the present invention is not limited to the embodiment and experimental examples described above. Many variations and combinations can be employed by persons having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention.
T1 基板フィルムと高温熱源との界面の温度
T2 基板フィルムとITO電極の界面の温度
T3 ITO電極と有機熱電フィルムの界面の温度
T4 有機熱電フィルムと低温熱源との界面の温度
T1 Temperature at the interface between the substrate film and the high temperature heat source T2 Temperature at the interface between the substrate film and the ITO electrode T3 Temperature at the interface between the ITO electrode and the organic thermoelectric film T4 Temperature at the interface between the organic thermoelectric film and the low temperature heat source
Claims (9)
前記混合溶液を霧化して前記混合溶液の微粒子を形成する微粒子形成工程と、
前記微粒子を基板に付着させる付着工程と、
前記基板を乾燥させる乾燥工程と、
を含む、熱電変換材料の製造方法。 a preparation step of preparing a mixed solution containing a π-conjugated conductive polymer and water;
A fine particle forming step of atomizing the mixed solution to form fine particles of the mixed solution;
An attaching step for attaching the fine particles to the substrate;
A drying step of drying the substrate;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion material containing this.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014121864A JP2016001711A (en) | 2014-06-12 | 2014-06-12 | Thermoelectric conversion material and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014121864A JP2016001711A (en) | 2014-06-12 | 2014-06-12 | Thermoelectric conversion material and method of manufacturing the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016001711A true JP2016001711A (en) | 2016-01-07 |
Family
ID=55077164
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014121864A Pending JP2016001711A (en) | 2014-06-12 | 2014-06-12 | Thermoelectric conversion material and method of manufacturing the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2016001711A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018125511A (en) * | 2016-10-20 | 2018-08-09 | 株式会社豊田中央研究所 | Composite thermoelectric material and method for producing the same |
JP2021158237A (en) * | 2020-03-27 | 2021-10-07 | リンテック株式会社 | Thermoelectric conversion module |
JP2023052032A (en) * | 2017-08-23 | 2023-04-11 | 国立大学法人 名古屋工業大学 | Method for producing thermoelectric conversion material |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011207751A (en) * | 2010-03-11 | 2011-10-20 | Mitsubishi Chemicals Corp | Method for producing porous siliceous film |
JP2012146961A (en) * | 2010-12-10 | 2012-08-02 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Deposition of thermoelectric materials by printing |
WO2013141065A1 (en) * | 2012-03-21 | 2013-09-26 | リンテック株式会社 | Thermoelectric conversion material and method for manufacturing same |
JP2014033190A (en) * | 2012-07-11 | 2014-02-20 | Fujifilm Corp | Thermoelectric conversion material, article for thermoelectric power generation and thermoelectric conversion element using the same, and manufacturing method for thermoelectric conversion element |
WO2014034258A1 (en) * | 2012-08-30 | 2014-03-06 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Thermoelectric material and thermoelectric module |
-
2014
- 2014-06-12 JP JP2014121864A patent/JP2016001711A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011207751A (en) * | 2010-03-11 | 2011-10-20 | Mitsubishi Chemicals Corp | Method for producing porous siliceous film |
JP2012146961A (en) * | 2010-12-10 | 2012-08-02 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Deposition of thermoelectric materials by printing |
WO2013141065A1 (en) * | 2012-03-21 | 2013-09-26 | リンテック株式会社 | Thermoelectric conversion material and method for manufacturing same |
JP2014033190A (en) * | 2012-07-11 | 2014-02-20 | Fujifilm Corp | Thermoelectric conversion material, article for thermoelectric power generation and thermoelectric conversion element using the same, and manufacturing method for thermoelectric conversion element |
WO2014034258A1 (en) * | 2012-08-30 | 2014-03-06 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Thermoelectric material and thermoelectric module |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018125511A (en) * | 2016-10-20 | 2018-08-09 | 株式会社豊田中央研究所 | Composite thermoelectric material and method for producing the same |
JP2023052032A (en) * | 2017-08-23 | 2023-04-11 | 国立大学法人 名古屋工業大学 | Method for producing thermoelectric conversion material |
JP7470334B2 (en) | 2017-08-23 | 2024-04-18 | 国立大学法人 名古屋工業大学 | Method for producing thermoelectric conversion material |
JP2021158237A (en) * | 2020-03-27 | 2021-10-07 | リンテック株式会社 | Thermoelectric conversion module |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Fan et al. | Thermoelectric properties of PEDOT: PSS | |
Lindorf et al. | Organic-based thermoelectrics | |
Wang et al. | Organic thermoelectrics: materials preparation, performance optimization, and device integration | |
Guan et al. | Enhancement of the Seebeck coefficient of organic thermoelectric materials via energy filtering of charge carriers | |
Zang et al. | Printed flexible thermoelectric materials and devices | |
Hossain et al. | Recent advances in printable thermoelectric devices: materials, printing techniques, and applications | |
We et al. | Hybrid composite of screen-printed inorganic thermoelectric film and organic conducting polymer for flexible thermoelectric power generator | |
TWI618271B (en) | Thermoelectric conversion material and method for producing the same | |
Na et al. | Preparation of bismuth telluride films with high thermoelectric power factor | |
Ferhat et al. | Flexible thermoelectric device based on TiS2 (HA) x n-type nanocomposite printed on paper | |
Ramakrishnan et al. | Nanostructured semiconducting PEDOT–TiO2/ZnO hybrid composites for nanodevice applications | |
Jon et al. | Flexible perovskite solar cells based on AgNW/ATO composite transparent electrodes | |
Zhang et al. | Thermoelectric properties of PEDOT films prepared by electrochemical polymerization | |
Zhao et al. | Efficient perovskite light-emitting diodes by buried interface modification with triphenylphosphine oxide | |
Jang et al. | Enhanced thermoelectric properties of F4TCNQ doped P3HT and its use as a binder for Sb2Te3 based printed thermoelectric films | |
Lim et al. | Optimum thermoelectric performance of bismuth–antimony–telluride alloy/PEDOT: PSS nanocomposites prepared by an innovative redox process | |
Wang et al. | Enhanced thermoelectric performance of conjugated polymer/single-walled carbon nanotube composites with strong stacking | |
Sarbajna et al. | Inorganic‐based printed thermoelectric materials and devices | |
Kausar | Review on structure, properties and appliance of essential conjugated polymers | |
Shi et al. | Electrochemical fabrication and thermoelectric performance of the PEDOT: PSS electrode based bilayered organic nanofilms | |
Chen et al. | Utilization of nanoporous nickel oxide as the hole injection layer for quantum dot light-emitting diodes | |
Shen et al. | Advances in efficient polymerization of solid-state trithiophenes for organic thermoelectric thin-film | |
Serrano-Claumarchirant et al. | PEDOT thin films with n-type thermopower | |
Kato et al. | Organic-inorganic thermoelectric material for a printed generator | |
JP2015115447A (en) | Power generation device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160913 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170406 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170509 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170613 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170725 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20180130 |