JP7559428B2 - Thermoelectric conversion materials and thermoelectric conversion elements - Google Patents
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Description
本発明は、熱電変換材料及び熱電変換素子に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element.
熱電変換材料を用いて熱を電気に変換する熱電変換技術は、自然界における様々な熱に加え、工場・車・家庭から排出される排熱や体温等の微小熱エネルギーを電気として有効活用できるクリーンエネルギーとして注目されている。熱電変換技術に活用される熱電効果は様々存在するが、半導体や金属の組合せにより構成される材料の両端に2つの異なる温度を与えた際、その温度差に応じて材料内に生じた電子勾配により起電力が発生するゼーベック効果を活用したシステムが主流である。 Thermoelectric conversion technology, which converts heat into electricity using thermoelectric conversion materials, has been attracting attention as a clean energy source that can effectively convert minute amounts of thermal energy, such as body heat and exhaust heat from factories, cars, and homes, as well as various types of heat in nature, into electricity. There are various thermoelectric effects that can be used in thermoelectric conversion technology, but the most common system uses the Seebeck effect, in which an electromotive force is generated by an electron gradient that occurs within a material in response to the temperature difference when two different temperatures are applied to both ends of the material, which is made up of a combination of semiconductors and metals.
熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換できる熱電変換材料は、熱電発電素子やペルチェ素子のような熱電変換素子に用いられている。熱電変換素子は、熱を電力に変換する素子であり、半導体や金属の組合せによって構成される。代表的な熱電変換素子としては、p型半導体単独、n型半導体単独、又はp型半導体とn型半導体との組合せ、に分類される。より大きな電位差を得るために、熱電変換素子では、一般的に、材料としてp型半導体とn型半導体とを組合せて用いられる。 Thermoelectric conversion materials that can convert between thermal energy and electrical energy are used in thermoelectric conversion elements such as thermoelectric power generation elements and Peltier elements. Thermoelectric conversion elements are elements that convert heat into electricity and are made up of a combination of semiconductors and metals. Representative thermoelectric conversion elements are classified into p-type semiconductors alone, n-type semiconductors alone, and combinations of p-type and n-type semiconductors. To obtain a larger potential difference, thermoelectric conversion elements generally use a combination of p-type and n-type semiconductors as materials.
また、熱電変換素子は、ペルチェ素子に代表されるように、多数の素子を板状、又は円筒状に組合せてなる熱電モジュールとして使用される。熱エネルギーを直接電力に変換することができるため、例えば、体温で作動する腕時計、地上用発電及び人工衛星用発電における電源として利用できる。熱電変換素子の性能は、熱電変換材料の性能等に依存する。 Thermoelectric conversion elements, such as Peltier elements, are used as thermoelectric modules that combine a number of elements into a plate or cylinder shape. Because they can directly convert thermal energy into electricity, they can be used, for example, as a power source for wristwatches that operate with body heat, and for terrestrial and satellite power generation. The performance of a thermoelectric conversion element depends on the performance of the thermoelectric conversion material, etc.
非特許文献1に記載されているとおり、熱電変換材料の性能を表す指標として、無次元熱電性能指数ZTが用いられる。また、熱電変換材料の性能を表す指標として、パワーファクターPF(=S2・σ)を用いる場合もある。
上記、無次元熱電性能指数ZTは、下記式(1)により表される。
ZT=((S2・σ)/к)・T 式(1)
ここで、Sはゼーベック係数(V/K)、σは導電率(S/m)、Tは絶対温度(K)、及びкは熱伝導率(W/(m・K))である。熱伝導率кは下記式(2)で表される。
к=α・ρ・C 式(2)
ここで、αは熱拡散率(m2/s)、ρは密度(kg/m3)、及びCは比熱容量(J/(kg・K))である。
すなわち、熱電変換の性能(以下、熱電特性とも称す)を向上させるには、ゼーベック係数又は導電率を向上させ、その一方で熱伝導率を低下させることが重要である。
As described in Non-Patent Document 1, a dimensionless thermoelectric figure of merit ZT is used as an index representing the performance of a thermoelectric conversion material. In addition, a power factor PF (= S2 ·σ) is sometimes used as an index representing the performance of a thermoelectric conversion material.
The dimensionless thermoelectric figure of merit ZT is expressed by the following formula (1).
ZT=((S 2・σ)/к)・T Formula (1)
Here, S is the Seebeck coefficient (V/K), σ is the electrical conductivity (S/m), T is the absolute temperature (K), and κ is the thermal conductivity (W/(m·K)). The thermal conductivity κ is expressed by the following formula (2).
к=α・ρ・C Formula (2)
Here, α is the thermal diffusivity (m 2 /s), ρ is the density (kg/m 3 ), and C is the specific heat capacity (J/(kg·K)).
That is, in order to improve the thermoelectric conversion performance (hereinafter also referred to as thermoelectric properties), it is important to increase the Seebeck coefficient or electrical conductivity while decreasing the thermal conductivity.
代表的な熱電変換材料として、例えば、常温から500Kまではビスマス・テルル系(Bi-Te系)、常温から800Kまでは鉛・テルル系(Pb-Te系)、常温から1000Kまではシリコン・ゲルマニウム系(Si-Ge系)などの無機材料が使用されている。 Typical thermoelectric conversion materials include inorganic materials such as bismuth-tellurium (Bi-Te) for temperatures from room temperature to 500 K, lead-tellurium (Pb-Te) for temperatures from room temperature to 800 K, and silicon-germanium (Si-Ge) for temperatures from room temperature to 1000 K.
しかし、これらの無機材料を含む熱電変換材料は、しばしば希少元素を含み高コストであるか、又は有害物質を含む場合がある。また、無機材料は加工性に乏しいため、製造工程が複雑となる。そのため、無機材料を含む熱電変換材料については、製造エネルギー及び製造コストが高くなり、汎用化が困難である。さらに無機材料を含むは剛直であるため、平面ではない形状に加工したり、フレキシブル性を有する熱電変換素子を製造することは困難である。また、一般的に無機材料を含む熱電変換材料は比重が高いため、重量化しやすい点でも課題を有している。 However, thermoelectric conversion materials containing these inorganic materials often contain rare elements and are therefore expensive, or may contain harmful substances. In addition, inorganic materials are difficult to process, which makes the manufacturing process complicated. As a result, thermoelectric conversion materials containing inorganic materials require high manufacturing energy and costs, making them difficult to generalize. Furthermore, since materials containing inorganic materials are rigid, it is difficult to process them into shapes that are not flat, or to manufacture thermoelectric conversion elements that are flexible. In addition, thermoelectric conversion materials containing inorganic materials generally have a high specific gravity, which presents an issue in that they tend to be heavy.
これに対し、従来の無機材料に代えて、有機材料を用いた熱電変換素子に関する検討が進められている。有機材料は、軽量である上に優れた成型性を有し、かつ無機材料よりも優れた可撓性を有するため、それ自身が分解しない温度範囲での汎用性に優れている。また、印刷技術等を活用して素子を製造できるため、製造エネルギーや製造コストの面でも無機材料より有利である。 In response to this, research is underway into thermoelectric conversion elements that use organic materials instead of conventional inorganic materials. Organic materials are lightweight, have excellent moldability, and are more flexible than inorganic materials, making them versatile within the temperature range in which they do not decompose. In addition, because the elements can be manufactured using printing technology, etc., they are also more advantageous than inorganic materials in terms of manufacturing energy and costs.
例えば、特許文献1には、有機色素骨格を有する高分子分散剤とカーボンナノチューブ(CNT)とを含有する熱電変換材料及びそれを用いた熱電変換素子が開示されている。しかしながら、特許文献1の発明に開示されている熱電変換素子では、十分な熱電変換性能を有しておらず、高温高湿下での安定性に欠けるという問題があった。 For example, Patent Document 1 discloses a thermoelectric conversion material containing a polymer dispersant having an organic dye skeleton and carbon nanotubes (CNTs), and a thermoelectric conversion element using the same. However, the thermoelectric conversion element disclosed in the invention of Patent Document 1 does not have sufficient thermoelectric conversion performance, and has a problem of lacking stability under high temperature and high humidity conditions.
本発明が解決しようとする課題は、熱電変換性能と高温高湿下での安定性を両立できる熱電変換材料を提供することである。 The problem that this invention aims to solve is to provide a thermoelectric conversion material that can achieve both thermoelectric conversion performance and stability under high temperature and high humidity conditions.
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明に至った。
すなわち、本発明は、導電材料(A)と、環状脂肪族炭化水素構造を有する粘着付与剤(B)とを含んでなることを特徴とする熱電変換材料に関する。
The present inventors have conducted extensive research to solve the above problems and have arrived at the present invention.
That is, the present invention relates to a thermoelectric conversion material comprising a conductive material (A) and a tackifier (B) having a cyclic aliphatic hydrocarbon structure.
また、本発明は、導電材料(A)が、炭素材料を含んでなる上記熱電変換材料に関する。 The present invention also relates to the above thermoelectric conversion material, in which the conductive material (A) contains a carbon material.
また、本発明は、環状脂肪族炭化水素構造を有する粘着付与剤(B)の含有量が、導電材料(A)100質量部に対して1質量部以上200質量部以下である上記熱電変換材料に関する。 The present invention also relates to the above thermoelectric conversion material, in which the content of the tackifier (B) having a cyclic aliphatic hydrocarbon structure is 1 part by mass or more and 200 parts by mass or less per 100 parts by mass of the conductive material (A).
また、本発明は、上記熱電変換材料を含んでなる熱電変換膜と、電極とを有し、熱電変換膜及び電極が互いに電気的に接続されている熱電変換素子に関する。 The present invention also relates to a thermoelectric conversion element having a thermoelectric conversion film containing the above-mentioned thermoelectric conversion material and electrodes, in which the thermoelectric conversion film and the electrodes are electrically connected to each other.
本発明により、熱電変換性能と高温高湿下での安定性を両立できる熱電変換材料を提供することができるようになった。 The present invention makes it possible to provide a thermoelectric conversion material that combines thermoelectric conversion performance with stability under high temperature and high humidity conditions.
<導電材料(A)>
導電材料(A)とは、電気を通じる材料を指す。
導電材料(A)は、導電性を有する材料(炭素材料、金属材料、導電性高分子等)であれば、特に制限されず、例えば、炭素材料としては、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェン(グラフェンナノプレートを含む)等が挙げられる。また、金属材料としては、金、銀、銅、ニッケル、クロム、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、インジウム、ケイ素、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ゲルマニウム、ガリウム、白金等の金属が挙げられる。また、これら金属の合金や、核体物質を核体物質とは異なる物質で被覆した金属を含有する微粒子、例えば、銅を核体とし、その表面を銀で被覆した銀コート銅粉等の微粒子が挙げられる。また、酸化銀、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化ルテニウム、ITO(スズドープ酸化インジウム)、AZO(アルミドープ酸化亜鉛)、及びGZO(ガリウムドープ酸化亜鉛)等の金属酸化物や、ZnSe、CdS、InP、GaN、SiC、SiGe等の金属酸化物以外の金属化合物が挙げられる。導電性高分子としては、PEDOT/PSS(ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)とポリスチレンスルホン酸から成る複合物)、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン等が挙げられる。
<Conductive Material (A)>
The conductive material (A) refers to a material that conducts electricity.
The conductive material (A) is not particularly limited as long as it is a material having electrical conductivity (carbon material, metal material, conductive polymer, etc.), and examples of the carbon material include graphite, carbon nanotubes, carbon black, graphene (including graphene nanoplates), etc. Examples of the metal material include gold, silver, copper, nickel, chromium, palladium, rhodium, ruthenium, indium, silicon, aluminum, tungsten, molybdenum, germanium, gallium, platinum, etc. Examples of the metal material include alloys of these metals and fine particles containing metals in which a core substance is coated with a substance different from the core substance, for example, fine particles such as silver-coated copper powder in which a core substance is copper and its surface is coated with silver. Other examples include metal oxides such as silver oxide, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, ruthenium oxide, ITO (tin-doped indium oxide), AZO (aluminum-doped zinc oxide), and GZO (gallium-doped zinc oxide), as well as metal compounds other than metal oxides such as ZnSe, CdS, InP, GaN, SiC, and SiGe. Examples of conductive polymers include PEDOT/PSS (a composite of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and polystyrene sulfonic acid), polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, polythiophene, and polyparaphenylene.
黒鉛としては、薄片状黒鉛として、日本黒鉛工業社製のCMX、UP-5、UP-10、UP-20、UP-35N、CSSP、CSPE、CSP、CP、CB-150、CB-100、ACP、ACP-1000、ACB-50、ACB-100、ACB-150、SP-10、SP-20、J-SP、SP-270、HOP、GR-60、LEP、F#1、F#2、F#3、中越黒鉛工業所社製のBF-3AK、FBF、BF-15AK、CBR、CPB-6S、CPB-3、96L、96L-3、K-3、SC-120、SC-60、HLP、CP-150、SB-1、伊藤黒鉛工業社製のEC1500、EC1000、EC500、EC300、EC100、EC50、西村黒鉛社製の10099M、PB-99等が挙げられる。球状天然黒鉛としては、日本黒鉛工業社製のCGC-20、CGC-50、CGB-20、CGB-50等が挙げられる。土状黒鉛としては、日本黒鉛工業社製の青P、AP、AOP、P#1、中越黒鉛社製のAPR、K-5、AP-2000、AP-6、300F、150F等が挙げられる。人造黒鉛としては、日本黒鉛工業社製のPAG-60、PAG-80、PAG-120、PAG-5、HAG-10W、HAG-150、中越黒鉛社製のG-4AK、G-6S、G-3G-150、G-30、G-80、G-50、SMF、EMF、SFF、SFF-80B、SS-100、BSP-15AK、BSP-100AK、WF-15C、SECカーボン社製のSGP-100、SGP-50、SGP-25、SGP-15、SGP-5、SGP-1、SGO-100、SGO-50、SGO-25、SGO-15、SGO-5、SGO-1、SGX-100、SGX-50、SGX-25、SGX-15、SGX-5、SGX-1等が挙げられる。 Graphite includes flake graphite such as CMX, UP-5, UP-10, UP-20, UP-35N, CSSP, CSPE, CSP, CP, CB-150, CB-100, ACP, ACP-1000, ACB-50, ACB-100, ACB-150, SP-10, SP-20, J-SP, SP-270, HOP, GR-60, LEP, F#1, F#2, manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd. Examples of the spherical natural graphite include BF-3AK, FBF, BF-15AK, CBR, CPB-6S, CPB-3, 96L, 96L-3, K-3, SC-120, SC-60, HLP, CP-150, and SB-1 manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd., EC1500, EC1000, EC500, EC300, EC100, and EC50 manufactured by Ito Graphite Co., Ltd., and 10099M and PB-99 manufactured by Nishimura Graphite Co., Ltd. Examples of the spherical natural graphite include CGC-20, CGC-50, CGB-20, and CGB-50 manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd. Examples of amorphous graphite include Blue P, AP, AOP, and P#1 manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., and APR, K-5, AP-2000, AP-6, 300F, and 150F manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd. Examples of artificial graphite include PAG-60, PAG-80, PAG-120, PAG-5, HAG-10W, and HAG-150 manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., and G-4AK, G-6S, G-3G-150, G-30, G-80, G-50, SMF, EMF, SFF, SFF-80B, SS-100, BSP-15AK, and BSP-100AK manufactured by Chuetsu Graphite Co., Ltd. , WF-15C, and SEC Carbon's SGP-100, SGP-50, SGP-25, SGP-15, SGP-5, SGP-1, SGO-100, SGO-50, SGO-25, SGO-15, SGO-5, SGO-1, SGX-100, SGX-50, SGX-25, SGX-15, SGX-5, and SGX-1.
導電性炭素繊維やカーボンナノチューブとしては、昭和電工社製のVGCF等の気相法炭素繊維、名城ナノカーボン社製のEC1.5,EC1.5-P、OCSiAl社製のTUBALL、ゼオンナノテクノロジー社製のZEONANO等の単層カーボンナノチューブ、CNano社製のFloTube9000、FloTube7000、FloTube2000、Nanocyl社製のNC7000、Knano社製の100T、200P等が挙げられる。 Examples of conductive carbon fibers and carbon nanotubes include vapor grown carbon fibers such as VGCF manufactured by Showa Denko K.K., single-walled carbon nanotubes such as EC1.5 and EC1.5-P manufactured by Meijo Nano Carbon Co., Ltd., TUBALL manufactured by OCSiAl Corporation, and ZEONANO manufactured by Zeon Nano Technology Co., Ltd., FloTube 9000, FloTube 7000, and FloTube 2000 manufactured by CNano Corporation, NC7000 manufactured by Nanocyl Corporation, and 100T and 200P manufactured by Knano Corporation.
カーボンブラックとしては、東海カーボン社製のトーカブラック#4300、#4400、#4500、#5500、デグサ社製のプリンテックスL、コロンビヤン社製のRaven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA、Conductex SC ULTRA、Conductex 975 ULTRA、PUERBLACK100、115、205、三菱化学社製の#2350、#2400B、#2600B、#3050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B、キャボット社製のMONARCH1400、1300、900、VulcanXC-72R、BlackPearls2000、TIMCAL社製のEnsaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、SuperP-Li等のファーネスブラック)、ライオン社製のEC-300J、EC-600JD等のケッチェンブラック、電気化学工業社製のデンカブラック、デンカブラックHS-100、FX-35等のアセチレンブラックが挙げられる。 Carbon black includes Tokai Carbon's Toka Black #4300, #4400, #4500, and #5500, Degussa's Printex L, and Colombian's Raven 7000, 5750, 5250, 5000 ULTRA III, 5000 ULTRA, Conductex SC ULTRA, and Conductex 975. ULTRA, PUERBLACK 100, 115, 205, Mitsubishi Chemical Corporation's #2350, #2400B, #2600B, #3050B, #3030B, #3230B, #3350B, #3400B, #5400B, Cabot Corporation's MONARCH 1400, 1300, 900, Vulcan XC-72R, Black Pearls 2000, Examples include furnace blacks such as Ensaco 250G, Ensaco 260G, Ensaco 350G, and Super P-Li manufactured by Timcal Corporation; ketjen blacks such as EC-300J and EC-600JD manufactured by Lion Corporation; and acetylene blacks such as Denka Black, Denka Black HS-100, and FX-35 manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.
上記導電材料(A)の内、ゼーベック係数と導電率との両立の観点で、導電材料(A)は炭素材料を含んでなることが好ましい。また、炭素材料は、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェンを含んでなることが好ましく、カーボンナノチューブを含んでなることがより好ましい。また、カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブを含んでなることが好ましい。 Of the above conductive materials (A), from the viewpoint of achieving both a high Seebeck coefficient and high electrical conductivity, it is preferable that the conductive material (A) contains a carbon material. The carbon material preferably contains carbon nanotubes, carbon black, and graphene, and more preferably contains carbon nanotubes. The carbon nanotubes preferably contain single-walled carbon nanotubes.
導電材料(A)の形状は、特に限定されず、不定形、凝集状、鱗片状、微結晶状、球状、フレーク状、ワイヤー状等を適宜用いることができる。また、導電材料(A)は1種のみでもよいし、2種以上を含んでいても良い。 The shape of the conductive material (A) is not particularly limited, and amorphous, aggregated, scaly, microcrystalline, spherical, flake, wire, etc. may be used as appropriate. In addition, the conductive material (A) may contain only one type, or two or more types.
<環状脂肪族炭化水素構造を有する粘着付与剤(B)>
環状脂肪族炭化水素構造を有する粘着付与剤(B)(以下、粘着付与剤(B)と略記することがある)としては、環状脂肪族炭化水素構造を含む粘着付与剤であれば、特に限定されないが、例えば、芳香族変性ロジン系樹脂、芳香族変性テルペン樹脂、C5系石油樹脂、C9系石油樹脂、C5C9系石油樹脂等の石油樹脂が挙げられる。更にこれら石油樹脂の不飽和結合や芳香環が水素添加された水添石油樹脂が挙げられる。水添石油樹脂としては、不飽和結合や芳香環の一部が水素添加された部分水添石油樹脂、石油樹脂の不飽和結合や芳香環が全て水素添加された不飽和結合を有さない完全水添石油樹脂等が挙げられる。上記粘着付与剤(B)の内、C5系石油樹脂、C9系石油樹脂及びC5C9系石油樹脂並びにこれらの水添石油樹脂が好ましい。
<Tackifier (B) Having a Cyclic Aliphatic Hydrocarbon Structure>
The tackifier (B) having a cyclic aliphatic hydrocarbon structure (hereinafter sometimes abbreviated as tackifier (B)) is not particularly limited as long as it is a tackifier containing a cyclic aliphatic hydrocarbon structure, but examples thereof include petroleum resins such as aromatic modified rosin resins, aromatic modified terpene resins, C5 petroleum resins, C9 petroleum resins, and C5C9 petroleum resins. Further examples include hydrogenated petroleum resins in which the unsaturated bonds and aromatic rings of these petroleum resins are hydrogenated. Examples of hydrogenated petroleum resins include partially hydrogenated petroleum resins in which unsaturated bonds and aromatic rings of petroleum resins are partially hydrogenated, and fully hydrogenated petroleum resins in which the unsaturated bonds and aromatic rings of petroleum resins are all hydrogenated and have no unsaturated bonds. Among the above tackifiers (B), C5 petroleum resins, C9 petroleum resins, and C5C9 petroleum resins, as well as these hydrogenated petroleum resins, are preferred.
また、粘着付与剤は、しばしば「タッキファイヤー」と称呼されることがあり、従ってタッキファイヤーの内、環状脂肪族炭化水素構造を有するものも粘着付与剤(B)に含まれる。 Tackifiers are also often called "tackifiers," and therefore tackifiers having a cyclic aliphatic hydrocarbon structure are also included in tackifier (B).
C5系石油樹脂とは石油(ナフサ)のC5留分を原料とした石油樹脂、C9系石油樹脂とは石油のC9留分を原料とした石油樹脂、C5C9系石油樹脂とは石油のC5留分とC9留分とを原料とした石油樹脂を指す。C5留分としては、イソプレン、シクロペンタジエン、ペンタン等が挙げられる。C9留分としては、スチレン、ビニルトルエン、インデン等が挙げられる。C5C9留分としては、C5留分の一種であるシクロペンタジエンが二量化したジシクロペンタジエン(DCPD)等が挙げられる。例えば、C5系石油樹脂としては、C5留分のオレフィンとジオレフィンとの共重合体であっても良い。C9系石油樹脂及びC5C9系石油樹脂についても同様である。 C5 petroleum resin refers to petroleum resin made from the C5 fraction of petroleum (naphtha), C9 petroleum resin refers to petroleum resin made from the C9 fraction of petroleum, and C5C9 petroleum resin refers to petroleum resin made from the C5 and C9 fractions of petroleum. Examples of C5 fractions include isoprene, cyclopentadiene, and pentane. Examples of C9 fractions include styrene, vinyltoluene, and indene. Examples of C5C9 fractions include dicyclopentadiene (DCPD), which is a dimerization of cyclopentadiene, a type of C5 fraction. For example, C5 petroleum resin may be a copolymer of an olefin and a diolefin from a C5 fraction. The same applies to C9 petroleum resin and C5C9 petroleum resin.
粘着付与剤(B)として市販されているものとしては、例えば、ヤスハラケミカル社製のクリアロンK110、YSポリスターUH115、エクソン社製のEscorez5300、Escorez5600、日本ゼオン社製のQuintone1325、Quintone1345、荒川化学工業社製のアルコンP-90、アルコンP-100、アルコンP-125、アルコンP-140、アルコンM-90、アルコンM-100、アルコンM-115、アルコンM135、KOLON社製のSUKOREZ SU-100、SUKOREZ SU-120、SUKOREZ SU-130、SUKOREZ SU-210、SUKOREZ SU-420、SUKOREZ SU-500、SUKOREZ SU-640、出光興産社製のアイマーブS-100、アイマーブS-110、アイマーブP-100、アイマーブP125等が挙げられる。 Examples of commercially available tackifiers (B) include Clearon K110 and YS Polystar UH115 manufactured by Yasuhara Chemical Co., Ltd., Escorez 5300 and Escorez 5600 manufactured by Exxon Corp., Quintone 1325 and Quintone 1345 manufactured by Zeon Corp., Arcon P-90, Arcon P-100, Arcon P-125, Arcon P-140, Arcon M-90, Arcon M-100, Arcon M-115 and Arcon M135 manufactured by Arakawa Chemical Industries Co., Ltd., and SUKOREZ SU-100, SUKOREZ SU-120, SUKOREZ SU-130, SUKOREZ SU-210 and SUKOREZ SU-220 manufactured by KOLON Corp. Examples include SU-420, SUKOREZ SU-500, SUKOREZ SU-640, and Idemitsu Kosan's Imav S-100, Imav S-110, Imav P-100, and Imav P125.
粘着付与剤(B)の水素化率は、耐候性の観点から20%以上が好ましく、35%以上がより好ましく、50%以上がさらに好ましい。 From the viewpoint of weather resistance, the hydrogenation rate of the tackifier (B) is preferably 20% or more, more preferably 35% or more, and even more preferably 50% or more.
粘着付与剤(B)の軟化点は、熱安定性がより一層優れる点で、80℃以上が好ましく、90℃以上がより好ましく、100℃以上が特に好ましい。また、熱電変換膜の柔軟性を維持することができる点で、200℃以下が好ましい。なお、本明細書において、粘着付与樹脂の軟化点は、JIS K2207に準拠して環球法で測定された値である。 The softening point of the tackifier (B) is preferably 80°C or higher, more preferably 90°C or higher, and particularly preferably 100°C or higher, in terms of even better thermal stability. Also, in terms of maintaining the flexibility of the thermoelectric conversion film, it is preferably 200°C or lower. In this specification, the softening point of the tackifier resin is a value measured by the ring and ball method in accordance with JIS K2207.
環状脂肪族炭化水素構造を有する粘着付与剤(B)の重量平均分子量(Mw)は100~200000が好ましく、200~20000がより好ましく、300~5000がさらに好ましい。 The weight average molecular weight (Mw) of the tackifier (B) having a cyclic aliphatic hydrocarbon structure is preferably 100 to 200,000, more preferably 200 to 20,000, and even more preferably 300 to 5,000.
環状脂肪族炭化水素構造を有する粘着付与剤(B)の含有量は、導電材料(A)100質量部に対して、1質量部以上200質量部以下が好ましく、10質量部以上200質量部以下が好ましく、20質量部以上200質量部以下が特に好ましい。 The content of the tackifier (B) having a cyclic aliphatic hydrocarbon structure is preferably 1 part by mass or more and 200 parts by mass or less, more preferably 10 parts by mass or more and 200 parts by mass or less, and particularly preferably 20 parts by mass or more and 200 parts by mass or less, per 100 parts by mass of the conductive material (A).
(溶剤)
溶剤は、導電材料(A)と粘着付与剤(B)を混合する際の媒体として使用することができる。使用できる溶剤としては、導電材料(A)と粘着付与剤(B)を溶解又は分散できれば特に限定されず、有機溶剤や水を挙げることができ、2種以上を組み合わせて用いてもよい。有機溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ターピネオール、ジヒドロターピネオール、2,4-ジエチル-1,5-ペンタンジオール、1、3-ブチレングリコール、イソボルニルシクロヘキサノール、エチレングリコール、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、トリフルオロエタノール、m-クレゾール、及びチオジグリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、クメン等の芳香族類、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類、N-メチルピロリドン等から、必要に応じて適宜選択することができる。
溶剤としては、N-メチルピロリドンが好ましい。
(solvent)
The solvent can be used as a medium when mixing the conductive material (A) and the tackifier (B). The solvent that can be used is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the conductive material (A) and the tackifier (B), and examples of the solvent that can be used include organic solvents and water, and two or more of them may be used in combination. Examples of the organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol methyl ether, diethylene glycol methyl ether, terpineol, dihydroterpineol, 2,4-diethyl-1,5-pentanediol, 1,3-butylene glycol, isobornylcyclohexanol, ethylene glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, diethylene glycol, triethylene glycol, glycerin, polyethylene glycol, polypropylene glycol, trifluoroethanol, m-cresol, and thiodiglycol, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone, ethers such as tetrahydrofuran, dioxane, ethylene glycol dimethyl ether, and diethylene glycol dimethyl ether, hydrocarbons such as hexane, heptane, and octane, aromatics such as benzene, toluene, xylene, and cumene, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and N-methylpyrrolidone. These can be appropriately selected as needed.
The solvent is preferably N-methylpyrrolidone.
本発明の熱電変換材料は、無機塩基、無機金属塩、又は有機塩基を含有することが好ましい。これにより、導電材料(A)と粘着付与剤(B)を混合する際、分散性がより向上する。無機塩基及び無機金属塩としては、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含有することが好ましい。例えば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の、塩化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、タングステン酸塩、バナジウム酸塩、モリブデン酸塩、ニオブ酸塩、ホウ酸塩等が挙げられる。これらの中でも、容易にカチオンを供給できる面で、アルカリ金属、アルカリ土類金属の塩化物、水酸化物、炭酸塩が好ましい。 The thermoelectric conversion material of the present invention preferably contains an inorganic base, an inorganic metal salt, or an organic base. This improves dispersibility when the conductive material (A) and the tackifier (B) are mixed. The inorganic base and inorganic metal salt preferably contain an alkali metal or an alkaline earth metal. Examples of the inorganic base and inorganic metal salt include chlorides, hydroxides, carbonates, nitrates, sulfates, phosphates, tungstates, vanadates, molybdates, niobates, borates, and the like of alkali metals or alkaline earth metals. Among these, chlorides, hydroxides, and carbonates of alkali metals and alkaline earth metals are preferred in terms of the ease with which cations can be supplied.
アルカリ金属の水酸化物は、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。アルカリ土類金属の水酸化物は、例えば、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等が挙げられる。アルカリ金属の炭酸塩は、例えば、炭酸リチウム、炭酸水素リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられる。アルカリ土類金属の炭酸塩は、例えば、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等が挙げられる。これらの中でも、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウムが好ましい。尚、無機塩基又は無機金属塩中の金属は、遷移金属であってもよい。 Examples of alkali metal hydroxides include lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc. Examples of alkaline earth metal hydroxides include calcium hydroxide, magnesium hydroxide, etc. Examples of alkali metal carbonates include lithium carbonate, lithium hydrogen carbonate, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc. Examples of alkaline earth metal carbonates include calcium carbonate, magnesium carbonate, etc. Among these, lithium hydroxide, sodium hydroxide, lithium carbonate, and sodium carbonate are preferred. The metal in the inorganic base or inorganic metal salt may be a transition metal.
有機塩基としては、例えば、以下に示すような、一級、二級又は三級のアルキルアミンや塩基性窒素原子を含有する化合物等が挙げられる。
一級アルキルアミンとしては、プロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、オクチルアミン、2-エチルヘキシルアミン、ラウリルアミン、ステアリルアミン、オレイルアミン、2-アミノエタノール、3-アミノプロパノール、3-エトキシプロピルアミン、3-ラウリルオキシプロピルアミン等が挙げられる。
二級アルキルアミンとしては、ジブチルアミン、ジイソブチルアミン、N-メチルヘキシルアミン、ジオクチルアミン、ジステアリルアミン、2-メチルアミノエタノール等が挙げられる。
Examples of the organic base include primary, secondary or tertiary alkylamines and compounds containing a basic nitrogen atom, as shown below.
Examples of primary alkylamines include propylamine, butylamine, isobutylamine, octylamine, 2-ethylhexylamine, laurylamine, stearylamine, oleylamine, 2-aminoethanol, 3-aminopropanol, 3-ethoxypropylamine, and 3-lauryloxypropylamine.
Examples of secondary alkylamines include dibutylamine, diisobutylamine, N-methylhexylamine, dioctylamine, distearylamine, and 2-methylaminoethanol.
三級アルキルアミンとしては、トリエチルアミン、トリブチルアミン、N,N-ジメチルブチルアミン、N,N-ジイソプロピルエチルアミン、ジメチルオクチルアミン、トリオクチルアミン、ジメチルデシルアミン、ジメチルラウリルアミン、ジメチルミリスチルアミン、ジメチルパルミチルアミン、ジメチルステアリルアミン、ジラウリルモノメチルアミン、トリエタノールアミン、2-(ジメチルアミノ)エタノール等が挙げられる。上記アルキルアミンの炭素数は、1~30が好ましく、1~20がより好ましい。 Tertiary alkylamines include triethylamine, tributylamine, N,N-dimethylbutylamine, N,N-diisopropylethylamine, dimethyloctylamine, trioctylamine, dimethyldecylamine, dimethyllaurylamine, dimethylmyristylamine, dimethylpalmitylamine, dimethylstearylamine, dilaurylmonomethylamine, triethanolamine, 2-(dimethylamino)ethanol, etc. The number of carbon atoms in the alkylamines is preferably 1 to 30, more preferably 1 to 20.
また、有機塩基として、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン-7(DBU)、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノネン-5(DBN)、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(DABCO)、トリ-n-ブチルアミン、ジメチルベンジルアミン、モノエタノールアミン、イミダゾール、1-メチルイミダゾール、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム等の塩基性窒素原子を含有する化合物も挙げられる。 Other examples of organic bases include compounds containing a basic nitrogen atom, such as 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undecene-7 (DBU), 1,5-diazabicyclo[4.3.0]nonene-5 (DBN), 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO), tri-n-butylamine, dimethylbenzylamine, monoethanolamine, imidazole, 1-methylimidazole, tetramethylammonium hydroxide, and tetraethylammonium hydroxide.
無機塩基、無機金属塩、有機塩基の配合量は、導電材料(A)100質量部に対して、1~50質量部が好ましい。このような配合量とすることで分散性がより向上する。 The amount of inorganic base, inorganic metal salt, and organic base to be mixed is preferably 1 to 50 parts by mass per 100 parts by mass of conductive material (A). By using such amounts, dispersibility is further improved.
熱電変換材料を含む分散液を製造する場合には、例えば、熱電変換材料と溶剤と必要に応じてその他成分とを混合した後、分散機や超音波を用いて分散することで得ることができる。分散機としては、特に制限はなく、例えば、ニーダー、アトライター、ボールミル、ガラスビーズやジルコニアビーズ等を使用したサンドミル、スキャンデックス、アイガーミル、ペイントコンディショナー、ペイントシェイカー等のメディア分散機、コロイドミル等を使用することができる。 When producing a dispersion containing a thermoelectric conversion material, for example, the thermoelectric conversion material, the solvent, and other components as necessary are mixed, and then dispersed using a disperser or ultrasonic waves. There are no particular limitations on the disperser, and for example, a kneader, an attritor, a ball mill, a sand mill using glass beads or zirconia beads, a media disperser such as a Scandex, an Eiger mill, a paint conditioner, or a paint shaker, or a colloid mill can be used.
<熱電変換素子>
本発明の熱電変換素子は、上記熱電変換材料を含んでなる熱電変換膜と、電極とを有し、上記熱電変換膜及び上記電極が互いに電気的に接続されているものを指す。熱電変換膜は、導電性及び熱電特性に加えて、耐熱性及び可撓性の点でも優れる。そのため、高品質な熱電変換素子を容易に作製することができる。
<Thermoelectric conversion element>
The thermoelectric conversion element of the present invention has a thermoelectric conversion film containing the above-mentioned thermoelectric conversion material and electrodes, and the thermoelectric conversion film and the electrodes are electrically connected to each other. The thermoelectric conversion film is excellent in heat resistance and flexibility in addition to electrical conductivity and thermoelectric properties. Therefore, a high-quality thermoelectric conversion element can be easily produced.
熱電変換膜は、基材上に熱電変換材料を塗布して得られる膜であってもよい。熱電変換材料は優れた成形性を有するため、塗布法によって良好な膜を得ることが容易である。熱電変換膜の形成には、主に湿式製膜法が用いられる。具体的には、スピンコート法、スプレー法、ローラーコート法、グラビアコート法、ダイコート法、コンマコート法、ロールコート法、カーテンコート法、バーコート法、インクジェット法、ディスペンサー法、シルクスクリーン印刷、フレキソ印刷等の各種手段を用いた方法が挙げられる。塗布する厚み、及び材料の粘度等に応じて、上記方法から適宜選択することができる。 The thermoelectric conversion film may be a film obtained by applying a thermoelectric conversion material onto a substrate. Since the thermoelectric conversion material has excellent formability, it is easy to obtain a good film by the application method. A wet film formation method is mainly used to form the thermoelectric conversion film. Specifically, there are methods using various means such as spin coating, spraying, roller coating, gravure coating, die coating, comma coating, roll coating, curtain coating, bar coating, inkjet, dispenser, silk screen printing, and flexographic printing. An appropriate method can be selected from the above methods depending on the thickness to be applied and the viscosity of the material.
熱電変換膜の膜厚は、特に限定されるものではないが、後述するように、熱電変換膜の厚さ方向又は面方向に温度差を生じ、かつ伝達できるように、一定以上の厚みを有することが好ましい。熱電特性の点から、熱電変換膜の膜厚は、0.1~500μmの範囲が好ましく、1~300μmの範囲が好ましく、1~200μmの範囲がさらに好ましい。 The thickness of the thermoelectric conversion film is not particularly limited, but as described below, it is preferable that the film has a certain thickness or more so that a temperature difference can be generated and transmitted in the thickness direction or surface direction of the thermoelectric conversion film. From the viewpoint of thermoelectric properties, the film thickness of the thermoelectric conversion film is preferably in the range of 0.1 to 500 μm, more preferably in the range of 1 to 300 μm, and even more preferably in the range of 1 to 200 μm.
基材の材料としては、特に制限はないが、不織布、紙、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、ポリイミド、ボリカーボネート、セルローストリアセテート等のプラスチックフィルム、又はガラス等を用いることができる。これら基材は、熱電変換材料の水や酸素の影響による劣化を防ぐために、基材表面にアルミ蒸着層やバリア層を有するものであっても良い。 The material of the substrate is not particularly limited, but examples include nonwoven fabric, paper, plastic films such as polyethylene, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate, polyethersulfone, polypropylene, polyimide, polycarbonate, and cellulose triacetate, and glass. These substrates may have an aluminum deposition layer or a barrier layer on the substrate surface to prevent deterioration of the thermoelectric conversion material due to the effects of water and oxygen.
基材と熱電変換膜との密着性を向上させる目的で、基材表面に様々な処理を行うことができる。具体的には、熱電変換材料の塗布に先立ち、UVオゾン処理、コロナ処理、プラズマ処理、又は易接着処理を行ってもよい。 In order to improve the adhesion between the substrate and the thermoelectric conversion film, various treatments can be performed on the substrate surface. Specifically, prior to application of the thermoelectric conversion material, UV ozone treatment, corona treatment, plasma treatment, or easy-adhesion treatment may be performed.
熱電変換膜は、基材と積層されていてもよく、基材を有さない自立膜であってもよい。自立膜を作製する場合には、特に制限はないが、例えば、剥離性シート上に熱電変換膜を形成した後に、剥離コートを除去することで得ることができる。 The thermoelectric conversion film may be laminated with a substrate, or may be a free-standing film without a substrate. There are no particular limitations on how a free-standing film can be produced, but it can be obtained, for example, by forming a thermoelectric conversion film on a release sheet and then removing the release coat.
剥離性シートとしては、例えば、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、及びポリイミドフィルム等のプラスチックフィルムに離型処理したもの等が挙げられる。 Examples of release sheets include plastic films such as polyester film, polyethylene film, polypropylene film, and polyimide film that have been subjected to a release treatment.
熱電変換素子は、上記熱電変換材料を用いて構成されることを除き、当技術分野で周知の技術を適用して構成することができる。熱電変換素子のより具体的な構成、及びその製造方法について説明する。 The thermoelectric conversion element can be constructed using techniques well known in the art, except that it is constructed using the above-mentioned thermoelectric conversion material. A more specific configuration of the thermoelectric conversion element and its manufacturing method will be described below.
熱電変換素子は、熱電変換膜と電極とが電気的に接続している。ここで、「電気的に接続する」とは、互いに接合しているか、又はワイヤー等の他の構成部分を介して通電できる状態であることを意味する。 In a thermoelectric conversion element, the thermoelectric conversion film and the electrodes are electrically connected. Here, "electrically connected" means that they are joined together or can conduct electricity through other components such as wires.
電極の材料は、電極として働くものであれば特に制限はないが、金属、合金、半導体等から選択することができる。一実施形態において、導電率が高く、熱電変換膜の接触抵抗が低いほうが好ましいことから、金属又は合金が好ましい。例えば、金、銀、銅、白金、ニッケル、及びアルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種を含むことが好ましく、銀を含むものがさらに好ましい。 The material of the electrode is not particularly limited as long as it functions as an electrode, and can be selected from metals, alloys, semiconductors, etc. In one embodiment, a metal or alloy is preferred because it has high electrical conductivity and low contact resistance of the thermoelectric conversion film. For example, it is preferred that the material contains at least one selected from the group consisting of gold, silver, copper, platinum, nickel, and aluminum, and it is even more preferred that the material contains silver.
電極の形成方法は、特に限定されず、真空蒸着法、電極材料箔や電極材料膜を有するフィルムの熱圧着、電極材料の微粒子を分散したペーストの塗布等の方法によって形成することができる。プロセスの簡便さの観点から、電極材料箔や電極材料膜を有するフィルムの熱圧着、電極材料を分散したペーストの塗布による方法が好ましい。 The method for forming the electrodes is not particularly limited, and they can be formed by methods such as vacuum deposition, thermocompression bonding of an electrode material foil or a film having an electrode material film, or application of a paste in which fine particles of the electrode material are dispersed. From the viewpoint of process simplicity, methods using thermocompression bonding of an electrode material foil or a film having an electrode material film, or application of a paste in which the electrode material is dispersed are preferred.
熱電変換素子の構造の典型例としては、熱電変換膜と一対の電極との位置関係から、(1)本発明による熱電変換膜の両端に電極が形成されている構造と、(2)本発明の熱電変換膜が2つの電極で挟持されている構造とに大別される。
上記(1)の構造を有する熱電変換素子は、例えば、基材上に熱電変換膜を形成した後に、その両端にそれぞれ銀ペーストを塗布して第1及び第2の電極を形成することによって得ることができる。このように熱電変換膜の両端に電極が形成された熱電変換素子は、2つの電極間の距離を広くすることが容易である。そのため、2つの電極間で大きな温度差を発生させて、効率よく熱電変換を行うことが容易にできる。
Typical examples of the structure of a thermoelectric conversion element can be broadly classified into (1) a structure in which electrodes are formed on both ends of the thermoelectric conversion film of the present invention, and (2) a structure in which the thermoelectric conversion film of the present invention is sandwiched between two electrodes, based on the positional relationship between the thermoelectric conversion film and a pair of electrodes.
The thermoelectric conversion element having the structure (1) above can be obtained, for example, by forming a thermoelectric conversion film on a substrate, and then applying silver paste to both ends of the film to form the first and second electrodes. In this way, a thermoelectric conversion element having electrodes formed on both ends of the thermoelectric conversion film can easily increase the distance between the two electrodes. Therefore, it is easy to generate a large temperature difference between the two electrodes and perform efficient thermoelectric conversion.
上記(2)の構造を有する熱電変換素子は、例えば、基材上に銀ペーストを塗布して第1の電極を形成し、その上に本発明の熱電変換膜を形成し、さらにその上に銀ペーストを塗工して第2の電極を形成することによって得ることができる。このように2つの電極で本発明の熱電変換膜を挟持する熱電変換素子では、熱電変換膜の膜厚方向、つまり基材に対して垂直な方向の温度差を利用できることから、発熱原に貼り付ける形態での利用が可能である。そのため、熱源から広範囲で熱を取り出すことができる等の利点があるため好ましい。上記(2)の構造を有する熱電変換素子では、膜厚を厚くすることで2つの電極間の距離を広くし、温度差を確保することも可能である。 A thermoelectric conversion element having the structure of (2) above can be obtained, for example, by applying silver paste onto a substrate to form a first electrode, forming the thermoelectric conversion film of the present invention on top of that, and then applying silver paste on top of that to form a second electrode. In this way, a thermoelectric conversion element in which the thermoelectric conversion film of the present invention is sandwiched between two electrodes can utilize the temperature difference in the film thickness direction of the thermoelectric conversion film, i.e., in the direction perpendicular to the substrate, and can be used in a form attached to a heat source. This is preferable because it has the advantage of being able to extract heat from a wide range from the heat source. In a thermoelectric conversion element having the structure of (2) above, it is also possible to ensure a temperature difference by increasing the film thickness to increase the distance between the two electrodes.
熱電変換素子は、直列に接続することで高い電圧を発生させることが可能であり、並列に接続することで大きな電流を発生させることが可能である。また、熱電変換素子は、2つ以上の熱電変換素子を接続したものであってもよい。本発明によれば、熱電変換素子が優れた可撓性を有するため、平面ではない形状を有する熱源に対しても追随して良好に設置することが可能である。 Thermoelectric conversion elements can generate a high voltage when connected in series, and can generate a large current when connected in parallel. The thermoelectric conversion element may be a combination of two or more thermoelectric conversion elements. According to the present invention, the thermoelectric conversion element has excellent flexibility, so that it can be well installed even on a heat source that is not flat.
熱電変換素子は、熱源から効率良く熱を伝えるための吸熱層や蓄熱層を有していても良く、また、温度差を確保するために断熱層や放熱層を有していても良い。更に、用途や必要な電力量に応じ、取り出した電気を昇圧回路を用いて昇圧したり、取り出した電気エネルギーをコンデンサーやキャパシタ、あるいは二次電池等に一時的に溜めて使用することもできる。 Thermoelectric conversion element may have a heat absorption layer or heat storage layer to efficiently transfer heat from the heat source, and may also have a heat insulation layer or heat dissipation layer to ensure a temperature difference. Furthermore, depending on the application and the amount of power required, the extracted electricity can be boosted using a boost circuit, or the extracted electrical energy can be temporarily stored in a condenser, capacitor, or secondary battery for use.
以下、実験例により、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下に限定されない。尚、例中、特に断りのない限り、「部」は「質量部」を、「%」は「質量%」をそれぞれ意味するものとする。また、「NMP」とは、N-メチルピロリドンを示す。 The present invention will be explained in more detail below with reference to experimental examples, but the present invention is not limited thereto. In the examples, unless otherwise specified, "parts" means "parts by mass" and "%" means "% by mass." In addition, "NMP" refers to N-methylpyrrolidone.
<熱電変換材料を含む分散液の製造>
[実施例1]
(分散液1)
粘着付与剤(B)としてSU-100(KOLON社製粘着付与樹脂「SUKOREZ SU-100」)0.3部、導電材料(A)としてSWCNT(OCSiAl社製単層カーボンナノチューブ「TUBALL」)0.4部、無機塩基として水酸化ナトリウム0.03部、溶剤としてNMP79.3部をそれぞれ秤量して混合した。さらにビーズを加え、スキャンデックスで4時間振とう後、ろ過してビーズを取り除き、熱電変換材料の分散液1を得た。
<Production of Dispersion Containing Thermoelectric Conversion Material>
[Example 1]
(Dispersion 1)
0.3 parts of SU-100 (tackifier resin "SUKOREZ SU-100" manufactured by KOLON Corporation) as the tackifier (B), 0.4 parts of SWCNT (single-walled carbon nanotubes "TUBALL" manufactured by OCSiAl Corporation) as the conductive material (A), 0.03 parts of sodium hydroxide as the inorganic base, and 79.3 parts of NMP as the solvent were weighed and mixed. Beads were further added, and the mixture was shaken with a Scandex for 4 hours, and then the beads were removed by filtration, thereby obtaining a dispersion liquid 1 of a thermoelectric conversion material.
[実施例2~17、比較例1]
(分散液2~17、101)
材料の種類及び配合量を、表1に示す内容にそれぞれ変更した以外は、分散液1の製造方法と同様にして、熱電変換材料の分散液2~17をそれぞれ得た。分散液101は、導電材料(A)としてSWCNT(OCSiAl社製単層カーボンナノチューブ「TUBALL」)0.4部、無機塩基として水酸化ナトリウム0.03部、溶剤としてNMP79.3部をそれぞれ秤量して混合、さらにビーズを加え、スキャンデックスで4時間振とう後、ろ過してビーズを取り除き、熱電変換材料の分散液101を得た。
[Examples 2 to 17, Comparative Example 1]
(Dispersions 2-17, 101)
Dispersions 2 to 17 of thermoelectric conversion material were obtained in the same manner as in Dispersion 1, except that the types and amounts of materials were changed as shown in Table 1. Dispersion 101 was obtained by weighing and mixing 0.4 parts of SWCNT (single-walled carbon nanotubes "TUBALL" manufactured by OCSiAl Corporation) as the conductive material (A), 0.03 parts of sodium hydroxide as the inorganic base, and 79.3 parts of NMP as the solvent, and further adding beads. After shaking with a Scandex for 4 hours, the mixture was filtered to remove the beads, and thus dispersion 101 of thermoelectric conversion material was obtained.
表1に記載した略号の材料を以下に示す。
(導電材料(A))
A1:OCSiAl社製単層カーボンナノチューブ「TUBALL」
A2:KUMHO PETROCHEMICAL社製多層カーボンナノチューブ「Knanos100P」
A3:XG Sciences社製 グラフェンナノプレートレット「xGNP M5」
The abbreviations for the materials listed in Table 1 are as follows.
(Conductive Material (A))
A1: OCSiAl single-walled carbon nanotube "TUBALL"
A2: Multi-walled carbon nanotube "Knanos100P" manufactured by Kumho Petrochemical Co., Ltd.
A3: Graphene nanoplatelets "xGNP M5" manufactured by XG Sciences
(環状脂肪族炭化水素構造を有する粘着付与剤(B))
B1:KOLON社製粘着付与樹脂「SUKOREZ SU-100」(軟化点105℃、C5系石油樹脂を含む水添石油樹脂、Mw400)
B2:KOLON社製粘着付与樹脂「SUKOREZ SU-210」(軟化点110℃、C5系石油樹脂を含む水添石油樹脂、Mw620)
B3:KOLON社製粘着付与樹脂「SUKOREZ SU-420」(軟化点120℃、C5系石油樹脂とC9系石油樹脂とを含む水添石油樹脂、Mw680)
B4:KOLON社製粘着付与樹脂「SUKOREZ SU-640」(軟化点136℃、C5系石油樹脂を含む水添石油樹脂、Mw550)
B5:荒川化学工業社製粘着付与樹脂「アルコンP-125」(軟化点125℃、C9系石油樹脂を含む水添石油樹脂、Mw700~900)
B6:荒川化学工業社製粘着付与樹脂「アルコンP-140」(軟化点140℃、C9系石油樹脂を含む水添石油樹脂、Mw900)
B7:荒川化学工業社製粘着付与樹脂「アルコンM-135」(軟化点135℃、C9系石油樹脂を含む部分水添石油樹脂、Mw700~900)
(Tackifier (B) Having a Cycloaliphatic Hydrocarbon Structure)
B1: Tackifier resin "SUKOREZ SU-100" manufactured by KOLON (softening point 105°C, hydrogenated petroleum resin containing C5 petroleum resin, Mw 400)
B2: Tackifying resin "SUKOREZ SU-210" manufactured by KOLON (softening point 110°C, hydrogenated petroleum resin containing C5 petroleum resin, Mw 620)
B3: Tackifier resin "SUKOREZ SU-420" manufactured by KOLON (softening point 120°C, hydrogenated petroleum resin containing C5 petroleum resin and C9 petroleum resin, Mw 680)
B4: Tackifier resin "SUKOREZ SU-640" manufactured by KOLON (softening point 136°C, hydrogenated petroleum resin containing C5 petroleum resin, Mw 550)
B5: Arakawa Chemical Industries Co., Ltd. tackifier resin "Arcon P-125" (softening point 125°C, hydrogenated petroleum resin including C9 petroleum resin, Mw 700-900)
B6: Arakawa Chemical Industries Co., Ltd. tackifier resin "Arcon P-140" (softening point 140°C, hydrogenated petroleum resin containing C9 petroleum resin, Mw 900)
B7: Arakawa Chemical Industries Co., Ltd. tackifier resin "Arcon M-135" (softening point 135°C, partially hydrogenated petroleum resin including C9 petroleum resin, Mw 700-900)
<熱電変換材料の評価>
得られた分散液1~17、101を、それぞれ基材としてシート状基材である厚さ75μmのPETフィルムにアプリケータを用いて塗布した後、120℃で30分間乾燥して、膜厚2μmの熱電変換膜を有する積層体それぞれを得た。得られた熱電変換膜(以下、塗膜ともいう)を有する積層体について、以下の方法に従って、熱電変換性能を表す特性の一つであるゼーベック係数と、高温高湿下での安定性を評価した。結果を表1に示す。
<Evaluation of Thermoelectric Conversion Materials>
The obtained dispersions 1 to 17 and 101 were each applied to a 75 μm thick PET film, which was a sheet-like substrate, using an applicator, and then dried at 120° C. for 30 minutes to obtain a laminate having a thermoelectric conversion film with a thickness of 2 μm. The Seebeck coefficient, which is one of the characteristics that indicate thermoelectric conversion performance, and the stability under high temperature and high humidity were evaluated for the obtained laminates having thermoelectric conversion films (hereinafter also referred to as coating films) according to the following method. The results are shown in Table 1.
(ゼーベック係数)
得られた積層体を25mm×50mmの大きさに切り取り、アドバンス理工社製のZEM-3LWを用いて、80℃におけるゼーベック係数(μV/K)を測定した。比較例1のゼーベック係数の絶対値を1.0としたときの、比較例1に対する各積層体の絶対値の相対値を表1に示す。
(Seebeck coefficient)
The obtained laminate was cut into a size of 25 mm × 50 mm, and the Seebeck coefficient (μV/K) at 80° C. was measured using a ZEM-3LW manufactured by Advance Riko Co., Ltd. Table 1 shows the relative absolute values of the Seebeck coefficient of each laminate to Comparative Example 1, where the absolute value of the Seebeck coefficient of Comparative Example 1 was set to 1.0.
(安定性)
作製直後の積層体を、85℃85%の条件下で1日間静置した後にゼーベック係数を測定した。作製直後の積層体のゼーベック係数(表1に挙げたゼーベック係数の絶対値)に対するゼーベック係数の変化率を求め、下記基準に基づいて評価した。
A:ゼーベック係数の変化率が10%以内。(非常に良好)
B:ゼーベック係数の変化率が10%より大きく20%以内。(良好)
C:ゼーベック係数の変化率が20%より大きく50%以内。(使用可能)
D:ゼーベック係数の変化率が50%より大きい。(不良)
(Stability)
The laminate immediately after preparation was left to stand for one day under conditions of 85°C and 85% humidity, and then the Seebeck coefficient was measured. The rate of change in the Seebeck coefficient relative to the Seebeck coefficient of the laminate immediately after preparation (the absolute value of the Seebeck coefficient listed in Table 1) was determined and evaluated based on the following criteria.
A: The rate of change in the Seebeck coefficient is within 10%. (Very good)
B: The rate of change in the Seebeck coefficient is greater than 10% and less than 20% (good).
C: The rate of change in the Seebeck coefficient is greater than 20% and less than 50% (usable).
D: The rate of change in the Seebeck coefficient is more than 50% (poor).
表1が示すように、本発明の熱電変換材料は、高いゼーベック係数を示した。更に、高温高湿(85℃、85%)下での安定性が高いことが確認された。これは、粘着付与剤(B)を含有することによって、空気中の水分等による劣化が防がれるものと推察される。 As shown in Table 1, the thermoelectric conversion material of the present invention exhibited a high Seebeck coefficient. Furthermore, it was confirmed that the material had high stability under high temperature and high humidity conditions (85°C, 85%). This is presumably because the inclusion of tackifier (B) prevents deterioration due to moisture in the air, etc.
<熱電変換素子の製造>
厚さ50μmのPETフィルム上に、上記分散液をそれぞれ塗布し、厚さ20μm、5mm×30mmの形状を有する熱電変換層を、それぞれ10mm間隔に5つ作製した。次いで、各熱電変換層がそれぞれ直列に接続されるように、銀ペーストを用いて、厚さ10μm、5mm×33mmの形状を有する銀回路(電極)を4つ作製して熱電変換素子をそれぞれ製造した。上記銀ペーストとしては、東洋インキ株式会社製のREXALPHA RA-FS 074を使用した。各熱電変換素子について起電力を測定したところ、実施例1~17で製造した分散液を用いて製造した熱電変換素子は、いずれも比較例101で製造した分散液を用いて製造した熱電変換素子よりも起電力が優れていることを確認した。
<Manufacture of Thermoelectric Conversion Element>
The above dispersions were applied onto a PET film having a thickness of 50 μm, and five thermoelectric conversion layers having a thickness of 20 μm and a shape of 5 mm × 30 mm were prepared at intervals of 10 mm. Next, four silver circuits (electrodes) having a thickness of 10 μm and a shape of 5 mm × 33 mm were prepared using silver paste so that each thermoelectric conversion layer was connected in series, and thermoelectric conversion elements were manufactured. As the above silver paste, REXALPHA RA-FS 074 manufactured by Toyo Ink Co., Ltd. was used. When the electromotive force of each thermoelectric conversion element was measured, it was confirmed that the thermoelectric conversion elements manufactured using the dispersions manufactured in Examples 1 to 17 had a superior electromotive force to the thermoelectric conversion element manufactured using the dispersion manufactured in Comparative Example 101.
Claims (4)
A thermoelectric conversion element comprising a thermoelectric conversion film comprising the thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 3 and electrodes, the thermoelectric conversion film and the electrodes being electrically connected to each other.
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