JP2014146681A - Thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion device and article for thermoelectric power generation and power source for sensor using the same - Google Patents

Thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion device and article for thermoelectric power generation and power source for sensor using the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion device which have excellent thermoelectric conversion performance and good electrode adhesion; and an article for thermoelectric power generation and a power source for a sensor using the same.SOLUTION: A thermoelectric conversion device 1 has, on a base material 12, a first electrode 13, a thermoelectric conversion layer 14, and a second electrode 15. In the thermoelectric conversion device 1, the thermoelectric conversion layer 14 includes a nano conductive material, and copolymer expressed by the general formula (1). Also provided are an article for thermoelectric power generation and a power source for a sensor using the thermoelectric conversion device 1, and a thermoelectric conversion material comprising the polymer and the nano conductive material. (In the general formula (1) below, A and B represent an aniline derivative-originating copolymer unit or pyrrole derivative-originating copolymer unit independently of each other, where the copolymer units represented by A and B respectively are different from each other.)

Description

本発明は、熱電変換材料並びにこれを用いた熱電発電用物品及びセンサー用電源に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material, an article for thermoelectric power generation using the thermoelectric conversion material, and a sensor power source.

熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することが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。熱電変換材料や熱電変換素子を応用した熱電発電は、熱エネルギーを直接電力に変換することができ、可動部を必要とせず、体温で作動する腕時計や僻地用電源、宇宙用電源等に用いられている。   Thermoelectric conversion materials that can mutually convert thermal energy and electrical energy are used in thermoelectric conversion elements such as thermoelectric power generation elements and Peltier elements. Thermoelectric power generation using thermoelectric conversion materials and thermoelectric conversion elements can directly convert thermal energy into electric power, does not require moving parts, and is used for wristwatches that operate at body temperature, power supplies for remote areas, power supplies for space, etc. ing.

熱電変換素子の熱電変換性能を評価する指標の1つとして、無次元性能指数ZT(以下、単に性能指数ZTということがある)がある。この性能指数ZTは、下記式(A)で示され、熱電変換性能の向上には、絶対温度1K当りの熱起電力(以下、熱起電力ということがある)S及び導電率σの向上、熱伝導率κの低減が重要である。
性能指数ZT=S・σ・T/κ (A)
式(A)において、 S(V/K):絶対温度1K当りの熱起電力(ゼーベック係数)
σ(S/m):導電率
κ(W/mK):熱伝導率
T(K):絶対温度
One of the indexes for evaluating the thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion element is a dimensionless figure of merit ZT (hereinafter, simply referred to as a figure of merit ZT). This figure of merit ZT is expressed by the following formula (A). For improvement of thermoelectric conversion performance, improvement of thermoelectromotive force (hereinafter sometimes referred to as thermoelectromotive force) S and conductivity σ per absolute temperature 1K, Reduction of thermal conductivity κ is important.
Figure of merit ZT = S 2 · σ · T / κ (A)
In the formula (A), S (V / K): thermoelectromotive force per 1 K absolute temperature (Seebeck coefficient)
σ (S / m): conductivity
κ (W / mK): thermal conductivity
T (K): Absolute temperature

熱電変換材料には良好な熱電変換性能が要求されるため、熱電変換素子への加工工程が複雑で、また高価で有害物質を含むこともあるものの、現在主に実用化されているのは無機材料である。
一方、有機熱電変換素子は、比較的廉価に製造でき、成膜等の加工も容易であること等から、近年、盛んに研究が進められ、導電性高分子を用いた熱電変換材料や熱電変換素子が報告されるに至っている。例えば、特許文献1にはエメラルジン型導電性ポリアニリン類が、特許文献2にはエメラルジン型導電性ポリアニリン類製膜状物が記載されている。
Thermoelectric conversion materials are required to have good thermoelectric conversion performance, so the processing process for thermoelectric conversion elements is complicated, and expensive and may contain harmful substances. Material.
On the other hand, organic thermoelectric conversion elements can be manufactured at a relatively low cost, and processing such as film formation is easy. Therefore, research has been actively conducted in recent years, such as thermoelectric conversion materials and thermoelectric conversions using conductive polymers. Devices have been reported. For example, Patent Document 1 describes emeraldine-type conductive polyanilines, and Patent Document 2 describes an emeraldine-type conductive polyaniline film-like product.

ところで、熱電変換材料及び熱電変換素子において、導電性高分子の1つとしてポリアニリンをカーボンナノチューブと共に用いたものが知られている。例えば、非特許文献1には、多孔質ポリアニリンで被覆された多層カーボンナノチューブのナノ複合体(ナノメートルサイズの複合体)が、また非特許文献2にはポリアニリン被覆層で被覆されたカーボンナノチューブのナノ複合物が記載されている。   By the way, in a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element, one using polyaniline together with carbon nanotubes as one of conductive polymers is known. For example, Non-Patent Document 1 discloses a nanocomposite of multi-walled carbon nanotubes coated with porous polyaniline (a nanometer-sized composite), and Non-Patent Document 2 discloses a carbon nanotube coated with a polyaniline coating layer. Nanocomposites are described.

特開2001−326393号公報JP 2001-326393 A 特開2002−100815号公報JP 2002-100815 A

Nanotechnology,23(2012),385701Nanotechnology, 23 (2012), 385701 Adv. Mater 2010,22,535−539Adv. Mater 2010, 22, 535-539

特許文献1に記載のエメラルジン型導電性ポリアニリン類及び特許文献2に記載のエメラルジン型導電性ポリアニリン類製膜状物は、いずれも、ポリアニリンを含有するものの、物理的内部因子(TPF)が5(10−6Wm−1−2)程度、又は、300Kのときの無次元熱電性能指数が0.12程度に過ぎない。また、特許文献3及び4のように、ポリアニリン又はポリピロールとカーボンナノチューブとを併用すると熱電変換性能の向上がある程度期待できるものの、さらなる改善の余地がある。
加えて、熱電変換素子の熱電変換層は電極表面に接して配置されるから、熱電変換層が電極に高度に密着していることが、熱電変換特性及び品質の安定性等の観点から、要求されている。
The emeraldine type conductive polyaniline described in Patent Document 1 and the emeraldine type conductive polyaniline film-formed product described in Patent Document 2 both contain polyaniline but have a physical internal factor (TPF) of 5 ( The dimensionless thermoelectric figure of merit at about 10 −6 Wm −1 K −2 ) or 300 K is only about 0.12. Further, as in Patent Documents 3 and 4, when polyaniline or polypyrrole and a carbon nanotube are used in combination, thermoelectric conversion performance can be expected to some extent, but there is room for further improvement.
In addition, since the thermoelectric conversion layer of the thermoelectric conversion element is disposed in contact with the electrode surface, the thermoelectric conversion layer is required to be highly adhered to the electrode from the viewpoint of thermoelectric conversion characteristics and quality stability. Has been.

したがって、本発明は、熱電変換性能に優れ、電極との高い密着性を発現する熱電変換材料、電極との密着性(電極密着性ともいう)及び熱電変換性能に優れた熱電変換層を有する熱電変換素子、並びに、該熱電変換素子を用いた熱電発電用物品及びセンサー用電源を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention provides a thermoelectric conversion material that is excellent in thermoelectric conversion performance and exhibits high adhesion to the electrode, a thermoelectric conversion layer having excellent adhesion to the electrode (also referred to as electrode adhesion) and thermoelectric conversion performance. It is an object of the present invention to provide a conversion element, a thermoelectric power generation article using the thermoelectric conversion element, and a sensor power source.

本発明者等は、上記課題を達成するため、熱電変換素子の熱電変換層にナノ導電性材料(ナノメートルサイズの導電性材料)と共存させる導電性高分子として、種々の導電性高分子を検討した結果、互いに異なる、アニリン由来の共重合体単位又はピロール由来の共重合体単位を少なくとも2種有する、ポリアニリン共重合体及びポリピロール共重合体(ポリ(アニリン−ピロール)共重合体を含む)が、ナノ導電性材料の存在下における分散性を高まること等によって、熱電変換層に優れた熱電変換性能及び電極密着性を発現させることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成された。   In order to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have used various conductive polymers as conductive polymers that coexist with a nanoconductive material (a nanometer-sized conductive material) in a thermoelectric conversion layer of a thermoelectric conversion element. As a result of investigation, polyaniline copolymer and polypyrrole copolymer (including poly (aniline-pyrrole) copolymer) having at least two kinds of copolymer units derived from aniline or copolymer derived from pyrrole, which are different from each other. However, it has been found that, by increasing dispersibility in the presence of the nano-conductive material, the thermoelectric conversion layer has excellent thermoelectric conversion performance and electrode adhesion. The present invention has been completed based on these findings.

すなわち、上記の課題は以下の手段により達成された。
<1>基材上に、第1の電極、熱電変換層及び第2の電極を有する熱電変換素子であって、該熱電変換層が、ナノ導電性材料、及び、下記一般式(1)で表される共重合体を含有する熱電変換素子。
That is, said subject was achieved by the following means.
<1> A thermoelectric conversion element having a first electrode, a thermoelectric conversion layer, and a second electrode on a substrate, wherein the thermoelectric conversion layer is a nano-conductive material and the following general formula (1) A thermoelectric conversion element containing the represented copolymer.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

(一般式(1)中、A及びBは、各々独立に、アニリン誘導体由来の共重合体単位又はピロール誘導体由来の共重合体単位を表す。ただし、AとBとは互いに異なる共重合体単位を表す。m及びnは重合度を表す。) (In general formula (1), A and B each independently represent a copolymer unit derived from an aniline derivative or a copolymer unit derived from a pyrrole derivative, provided that A and B are different from each other. M and n represent the degree of polymerization.)

<2>共重合体単位A及びBの重合度の比(m/n)が、1/99〜99/1である<1>に記載の熱電変換素子。 <2> The thermoelectric conversion element according to <1>, wherein the ratio (m / n) of the degree of polymerization of the copolymer units A and B is 1/99 to 99/1.

<3>共重合体単位A及びBが、各々独立に、下記一般式(2)〜(5)で表される共重合体単位からなる群より選択される共重合体単位である<1>又は<2>に記載の熱電変換素子。 <3> Copolymer units A and B are each independently a copolymer unit selected from the group consisting of copolymer units represented by the following general formulas (2) to (5) <1> Or the thermoelectric conversion element as described in <2>.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

(一般式(2)〜(5)中、R11〜R14は各々独立に1価の置換基を表す。a1及びc1は各々独立に0〜4の整数を表し、b1は0〜2の整数を表し、d1は0〜6の整数を表す。X11〜X14は、各々独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、ヘテロアリール基を表す。*は共重合体単位の連結部位を表す。) (In the general formulas (2) to (5), R 11 to R 14 each independently represents a monovalent substituent. A 1 and c 1 each independently represent an integer of 0 to 4, and b 1 represents an integer of 0 to 2. Represents an integer, and d1 represents an integer of 0 to 6. X 11 to X 14 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or a heteroaryl group, and * represents a connecting site of a copolymer unit. Represents.)

<4>共重合体単位Aが、a1が0である一般式(2)で表される共重合体単位、b1が0である一般式(3)で表される共重合体単位、c1が0である一般式(4)で表される共重合体単位及びd1が0である一般式(5)で表される共重合体単位からなる群より選択される共重合体単位であり、共重合体単位Bが、a1が1〜4の整数である一般式(2)で表される共重合体単位、b1が1又は2である一般式(3)で表される共重合体単位、c1が1〜4の整数である一般式(4)で表される共重合体単位及びd1が1〜6の整数である一般式(5)で表される共重合体単位からなる群より選択される共重合体単位である<3>に記載の熱電変換素子。
<5>X11〜X14が、水素原子である<3>又は<4>に記載の熱電変換素子。
<6>共重合体単位A及びBが、いずれも、一般式(2)で表される共重合体単位である<3>〜<5>のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
<7>共重合体単位A及びBが、いずれも、一般式(3)で表される共重合体単位である<3>〜<5>のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
<8>共重合体単位Aが、共重合体単位Bよりも小さな分子量を有している<1>〜<7>のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
<9><1>〜<8>のいずれか1項に記載の熱電変換素子を用いた熱電発電用物品。
<10><1>〜<8>のいずれか1項に記載の熱電変換素子を用いたセンサー用電源。
<11>ナノ導電性材料、及び、下記一般式(1)で表される共重合体を含有する、熱電変換素子の熱電変換層を形成するための熱電変換材料。
<4> Copolymer unit A is a copolymer unit represented by general formula (2) in which a1 is 0, a copolymer unit represented by general formula (3) in which b1 is 0, and c1 is A copolymer unit selected from the group consisting of a copolymer unit represented by general formula (4) being 0 and a copolymer unit represented by general formula (5) wherein d1 is 0, The polymer unit B is a copolymer unit represented by the general formula (2) in which a1 is an integer of 1 to 4, a copolymer unit represented by the general formula (3) in which b1 is 1 or 2, Selected from the group consisting of a copolymer unit represented by the general formula (4) wherein c1 is an integer of 1-4 and a copolymer unit represented by the general formula (5) wherein d1 is an integer of 1-6 The thermoelectric conversion element according to <3>, which is a copolymer unit.
<5> The thermoelectric conversion element according to <3> or <4>, in which X 11 to X 14 are hydrogen atoms.
<6> The thermoelectric conversion element according to any one of <3> to <5>, wherein the copolymer units A and B are both copolymer units represented by the general formula (2).
<7> The thermoelectric conversion element according to any one of <3> to <5>, wherein the copolymer units A and B are both copolymer units represented by the general formula (3).
<8> The thermoelectric conversion element according to any one of <1> to <7>, wherein the copolymer unit A has a molecular weight smaller than that of the copolymer unit B.
<9> An article for thermoelectric power generation using the thermoelectric conversion element according to any one of <1> to <8>.
<10> A power supply for sensors using the thermoelectric conversion element according to any one of <1> to <8>.
<11> A thermoelectric conversion material for forming a thermoelectric conversion layer of a thermoelectric conversion element, comprising a nano-conductive material and a copolymer represented by the following general formula (1).

Figure 2014146681
Figure 2014146681

(一般式(1)中、A及びBは、各々独立に、アニリン誘導体由来の共重合体単位又はピロール誘導体由来の共重合体単位を表す。ただし、AとBとは互いに異なる共重合体単位を表す。) (In general formula (1), A and B each independently represent a copolymer unit derived from an aniline derivative or a copolymer unit derived from a pyrrole derivative, provided that A and B are different from each other. Represents.)

<12>有機溶媒を含む<11>に記載の熱電変換材料。
<13>有機溶媒が、ハロゲン系溶媒から選択される少なくとも1種である<12>に記載の熱電変換材料。
<12> The thermoelectric conversion material according to <11>, which contains an organic solvent.
<13> The thermoelectric conversion material according to <12>, wherein the organic solvent is at least one selected from halogenated solvents.

本発明において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
また、本発明において、置換基に関してxxx基というときには、そのxxx基に任意の置換基を有していてもよい。また、同一の符号で示された基が複数ある場合は、互いに同じであっても異なっていてもよい。
In the present invention, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
In the present invention, when the xxx group is referred to as a substituent, the xxx group may have an arbitrary substituent. In addition, when there are a plurality of groups indicated by the same reference numerals, they may be the same or different.

本発明の熱電変換材料は、高いゼーベック係数、すなわち性能指数ZTを有し、熱電変換性能に優れ、電極との高い密着性を発現する。
また、本発明の熱変換素子及び本発明の熱変換素子を用いた本発明の熱電発電用物品及びセンサー用電源等は、優れた熱電変換性能及び電極密着性を発揮する。
The thermoelectric conversion material of the present invention has a high Seebeck coefficient, that is, a figure of merit ZT, is excellent in thermoelectric conversion performance, and exhibits high adhesion to an electrode.
In addition, the heat conversion element of the present invention, the thermoelectric power generation article of the present invention using the heat conversion element of the present invention, the sensor power supply, and the like exhibit excellent thermoelectric conversion performance and electrode adhesion.

本発明の熱電変換素子の一例を模式的に示す図である。図1中の矢印は素子の使用時に付与される温度差の方向を示す。It is a figure which shows typically an example of the thermoelectric conversion element of this invention. The arrows in FIG. 1 indicate the direction of the temperature difference applied when the element is used. 本発明の熱電変換素子の別の一例を模式的に示す図である。図2中の矢印は素子の使用時に付与される温度差の方向を示す。It is a figure which shows typically another example of the thermoelectric conversion element of this invention. The arrows in FIG. 2 indicate the direction of the temperature difference applied when the element is used.

本発明の熱電変換素子は、基材上に、第1の電極、熱電変換層及び第2の電極を有し、該熱電変換層がナノ導電性材料及び上述の一般式(1)で表される共重合体を含有している。この熱電変換層は、ナノ導電性材料及び該共重合体を含有する本発明の熱電変換材料によって基材上に成形されている。   The thermoelectric conversion element of the present invention has a first electrode, a thermoelectric conversion layer, and a second electrode on a substrate, and the thermoelectric conversion layer is represented by the nanoconductive material and the general formula (1). Containing a copolymer. This thermoelectric conversion layer is formed on a substrate by the thermoelectric conversion material of the present invention containing a nano-conductive material and the copolymer.

本発明の熱電変換材料及び熱電変換素子の熱電変換性能は、下記式(A)で示される性能指数ZTによりはかることができる。
性能指数ZT=S・σ・T/κ (A)
式(A)において、 S(V/K):絶対温度1K当りの熱起電力(ゼーベック係数)
σ(S/m):導電率
κ(W/mK):熱伝導率
T(K):絶対温度
The thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion material and the thermoelectric conversion element of the present invention can be measured by a figure of merit ZT represented by the following formula (A).
Figure of merit ZT = S 2 · σ · T / κ (A)
In the formula (A), S (V / K): thermoelectromotive force per 1 K absolute temperature (Seebeck coefficient)
σ (S / m): conductivity
κ (W / mK): thermal conductivity
T (K): Absolute temperature

上記式(A)から明らかなように、熱電変換性能の向上には、熱起電力S及び導電率σを高めるとともに、熱伝導率κを下げることが重要となる。このように熱電変換性能には、導電率σ以外のファクターが大きく影響するため、一般的に導電率σが高いとされる材料であっても、熱電変換材料として有効に機能するかは実際のところ未知数である。また、かりに熱電変換材料の熱電変換性能が優れていても、熱電変換材料が電極に密着しにくいと、熱電変換層としたときの熱電変換性能が低下し、また熱電変換層が電極から剥離しやすく、熱電変換材料として好適に使用できないことがある。したがって、上述のように、熱電変換材料及び熱電変換素子には高い電極密着性も要求されている。
本発明は、このような熱電変換特性及び電極密着性に関する要求に応えるものである。すなわち、本発明の熱電変換材料及び本発明の熱電変換素子は、後述の実施例で示されているように、熱電変換材料として用いるに足る高い電極密着性を有し、かつ熱電変換材料として用いるに足る高い熱電変換性能、具体的には、単位温度差当りの熱起電力S及び性能指数ZTを備えている。本発明の熱電変換材料は、電極密着性が高く、電極から剥離しにくいから、本発明の熱電変換素子を製造する際に歩留まりが向上し、製造コストを低減する効果をも奏する。
As is clear from the above formula (A), it is important to increase the thermoelectromotive force S and the conductivity σ and decrease the thermal conductivity κ for improving the thermoelectric conversion performance. In this way, factors other than the conductivity σ greatly affect the thermoelectric conversion performance, so even if it is a material that is generally considered to have a high conductivity σ, whether it functions effectively as a thermoelectric conversion material is actually However, it is unknown. In addition, even if the thermoelectric conversion material is excellent in thermoelectric conversion material, if the thermoelectric conversion material is difficult to adhere to the electrode, the thermoelectric conversion performance when the thermoelectric conversion layer is formed decreases, and the thermoelectric conversion layer peels off from the electrode. It is easy to use as a thermoelectric conversion material. Therefore, as described above, high electrode adhesion is also required for thermoelectric conversion materials and thermoelectric conversion elements.
The present invention responds to such requirements regarding thermoelectric conversion characteristics and electrode adhesion. That is, the thermoelectric conversion material of the present invention and the thermoelectric conversion element of the present invention have high electrode adhesion enough to be used as a thermoelectric conversion material and are used as a thermoelectric conversion material as shown in Examples described later. High thermoelectric conversion performance, specifically, a thermoelectromotive force S per unit temperature difference and a figure of merit ZT. Since the thermoelectric conversion material of the present invention has high electrode adhesion and is difficult to peel from the electrode, the yield is improved when the thermoelectric conversion element of the present invention is manufactured, and the production cost is also reduced.

また、本発明の熱電変換素子は、後述するように、熱電変換層の厚さ方向又は面方向に温度差が生じている状態で、厚さ方向又は面方向に温度差を伝達するように機能するため、本発明の熱電変換材料をある程度の厚みを持った形状に成形して熱電変換層を形成する必要がある。そのため、熱電変換層を塗布により成膜する場合には、熱電変換材料には良好な塗布性や成膜性が要求される。本発明は、このような塗布性及び成膜性に関する要求にも応えることができる。すなわち、本発明の熱電変換材料は、ナノ導電性材料及び共重合体の分散性が良好で塗布性や成膜性にも優れ、熱電変換層への成形・加工に適するものである。また、ナノ導電性材料存在下における共重合体の分散にハロゲン系溶媒を用いても良好な塗布性、成膜成を損なうことなく、熱電特性及び電極密着性に優れた熱電変換層を成膜できる。   Further, as will be described later, the thermoelectric conversion element of the present invention functions to transmit a temperature difference in the thickness direction or the surface direction in a state where a temperature difference is generated in the thickness direction or the surface direction of the thermoelectric conversion layer. Therefore, it is necessary to form the thermoelectric conversion layer by forming the thermoelectric conversion material of the present invention into a shape having a certain thickness. For this reason, when the thermoelectric conversion layer is formed by coating, the thermoelectric conversion material is required to have good coatability and film formability. The present invention can also meet such requirements for coating properties and film forming properties. That is, the thermoelectric conversion material of the present invention has good dispersibility of the nano-conductive material and the copolymer, is excellent in coating property and film forming property, and is suitable for molding and processing into a thermoelectric conversion layer. In addition, a thermoelectric conversion layer with excellent thermoelectric properties and electrode adhesion can be formed without impairing coating properties and film formation even when a halogen-based solvent is used to disperse the copolymer in the presence of a nano-conductive material. it can.

以下、本発明の熱電変換材料、次いで本発明の熱電変換素子等について、説明する。   Hereinafter, the thermoelectric conversion material of the present invention and then the thermoelectric conversion element of the present invention will be described.

[熱電変換材料]
本発明の熱電変換材料は、熱電変換素子の熱電変換層を形成するための熱電変換組成物であって、ナノ導電性材料及び上述の一般式(1)で表される共重合体を含有している。
[Thermoelectric conversion material]
The thermoelectric conversion material of the present invention is a thermoelectric conversion composition for forming a thermoelectric conversion layer of a thermoelectric conversion element, and contains a nano-conductive material and a copolymer represented by the above general formula (1). ing.

まず、本発明の熱電変換材料に用いる各成分について説明する。   First, each component used for the thermoelectric conversion material of this invention is demonstrated.

<ナノ導電性材料>
本発明に用いるナノ導電性材料は、ナノメートルサイズの大きさで、導電性を有する材料であればよく、ナノメートルサイズの大きさの導電性を有する炭素材料(以下、ナノ炭素材料ということがある)、ナノメートルサイズの大きさの金属材料(以下、ナノ金属材料ということがある)等が挙げられる。
本発明に用いるナノ導電性材料は、ナノ炭素材料及びナノ金属材料の中でも、それぞれ後述する、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラファイト、グラフェン及びカーボンナノ粒子のナノ炭素材料、並びに、金属ナノワイヤーが好ましく、導電性向上及び溶媒中での分散性向上の観点で、カーボンナノチューブが特に好ましい。
<Nano conductive material>
The nano-conductive material used in the present invention may be a nanometer-sized and conductive material, and may be a nanometer-sized conductive carbon material (hereinafter referred to as nano-carbon material). And a metal material having a nanometer size (hereinafter sometimes referred to as a nano metal material).
The nano conductive material used in the present invention is preferably a carbon nanotube, carbon nanofiber, graphite, graphene and carbon nanoparticle nanocarbon material, and metal nanowire, which will be described later, among nanocarbon materials and nanometal materials. Carbon nanotubes are particularly preferable from the viewpoints of improving conductivity and improving dispersibility in a solvent.

熱電変換材料中のナノ導電性材料の含有量は、熱電変換材料の全固形分中、すなわち熱電変換層中、2〜60質量%であることが好ましく、5〜55質量%であることがより好ましく、10〜50質量%であることが特に好ましい。
ナノ導電性材料は、1種のみを単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。ナノ導電性材料として2種以上を併用する場合には、少なくとも1種ずつのナノ炭素材料及びナノ金属材料を併用してもよく、ナノ炭素材料又はナノ金属材料それぞれを2種併用してもよい。
The content of the nano conductive material in the thermoelectric conversion material is preferably 2 to 60% by mass in the total solid content of the thermoelectric conversion material, that is, in the thermoelectric conversion layer, and more preferably 5 to 55% by mass. Preferably, it is 10-50 mass%, and it is especially preferable.
A nano electroconductivity material may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When using 2 or more types together as a nano electroconductive material, you may use together at least 1 type of nano carbon material and nano metal material, and may use together 2 types of nano carbon materials or nano metal materials, respectively. .

1.ナノ炭素材料
ナノ炭素材料は、上述の通り、ナノメートルサイズの大きさで導電性を有する炭素材料であって、その一例を挙げると、炭素原子のsp混成軌道で構成される炭素−炭素結合によって炭素原子同士が化学結合してなるナノメートルサイズの導電性材料等である。具体的には、フラーレン(金属内包フラーレン及び玉葱状フラーレンを含む。)、カーボンナノチューブ(ピーポッドを含む。)、カーボンナノチューブの片側が閉じた形をしたカーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、カーボンナノウォール、カーボンナノフィラメント、カーボンナノコイル、気相成長カーボン(VGCF)、グラファイト、グラフェン、カーボンナノ粒子、カーボンナノチューブの頭部に穴があいたコップ型のナノカーボン物質等が挙げられる。また、ナノ炭素材料として、グラファイト型の結晶構造を持ち導電性を示す各種カーボンブラックも用いることができ、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、バルカン等が挙げられる。
1. Nanocarbon material As described above, a nanocarbon material is a carbon material having a size of nanometer size and conductivity. For example, a carbon-carbon bond composed of sp 2 hybrid orbitals of carbon atoms. Is a nanometer-sized conductive material formed by chemically bonding carbon atoms together. Specifically, fullerenes (including metal-encapsulated fullerenes and onion-like fullerenes), carbon nanotubes (including peapods), carbon nanohorns with one side closed, carbon nanofibers, carbon nanowalls, carbon Examples thereof include nanofilaments, carbon nanocoils, vapor grown carbon (VGCF), graphite, graphene, carbon nanoparticles, and cup-shaped nanocarbon materials having holes at the heads of carbon nanotubes. Various carbon blacks having a graphite-type crystal structure and exhibiting conductivity can be used as the nanocarbon material, and examples thereof include ketjen black, acetylene black, and vulcan.

これらのナノ炭素材料は、従来の製造方法によって製造できる。具体的には、二酸化炭素の接触水素還元、アーク放電法、レーザー蒸発法、CVD法、気相成長法、気相流動法、一酸化炭素を高温高圧化で鉄触媒と共に反応させて気相で成長させるHiPco法等が挙げられる。このようにして製造されたナノ炭素材料は、そのまま用いることもでき、また、洗浄、遠心分離、ろ過、酸化、クロマトグラフ等によって精製されたものを用いることもできる。さらに、ナノ炭素材料は、必要に応じて、ボールミル、振動ミル、サンドミル、ロールミル等のボール型混練装置等を用いて粉砕したもの、化学的、物理的処理によって短く切断されたもの等を用いることもできる。   These nanocarbon materials can be manufactured by a conventional manufacturing method. Specifically, catalytic hydrogen reduction of carbon dioxide, arc discharge method, laser evaporation method, CVD method, vapor phase growth method, gas phase flow method, carbon monoxide is reacted with iron catalyst at high temperature and high pressure in the gas phase. Examples include HiPco method for growth. The nanocarbon material produced in this way can be used as it is, or a material purified by washing, centrifugation, filtration, oxidation, chromatography, or the like can be used. Furthermore, the nanocarbon material should be pulverized using a ball-type kneading device such as a ball mill, vibration mill, sand mill, roll mill, etc., or cut short by chemical or physical treatment, etc., as necessary. You can also.

本発明で用いるナノ導電性材料のサイズはナノメートルサイズであれば特に限定されない。ナノ導電性材料が、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、カーボンナノフィラメント、カーボンナノコイル、気相成長カーボン(VGCF)、コップ型のナノカーボン物質等である場合、特にCNTである場合は、平均長さは特に限定されないが、製造容易性、成膜性、導電性等の観点から、平均長さが0.01μm以上1000μm以下であることが好ましく、0.1μm以上100μm以下であることがより好ましい。また、直径は特に限定されないが、耐久性、透明性、成膜性、導電性等の観点から、0.4nm以上100nm以下であることが好ましく、より好ましくは50nm以下、さらに好ましくは15nm以下である。   The size of the nano conductive material used in the present invention is not particularly limited as long as it is a nanometer size. When the nano conductive material is a carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanofiber, carbon nanofilament, carbon nanocoil, vapor grown carbon (VGCF), cup-shaped nanocarbon substance, etc. The average length is not particularly limited, but the average length is preferably 0.01 μm or more and 1000 μm or less, and preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less, from the viewpoints of manufacturability, film formability, conductivity, and the like. More preferred. The diameter is not particularly limited, but is preferably 0.4 nm or more and 100 nm or less, more preferably 50 nm or less, and still more preferably 15 nm or less from the viewpoint of durability, transparency, film formability, conductivity, and the like. is there.

ナノ炭素材料は、上述の中でも、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラファイト、グラフェン及びカーボンナノ粒子が好ましく、カーボンナノチューブが特に好ましい。   Among the above-mentioned nanocarbon materials, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphite, graphene, and carbon nanoparticles are preferable, and carbon nanotubes are particularly preferable.

以下、カーボンナノチューブ(以下、CNTともいう)について説明する。CNTは、1枚の炭素膜(グラフェン・シート)が円筒状に巻かれた単層CNT、2枚のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた2層CNT、及び複数のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた多層CNTがある。本発明においては、単層CNT、2層CNT、多層CNTを各々単独で用いてもよく、2種以上を併せて用いてもよい。特に、導電性及び半導体特性において優れた性質を持つ単層CNT及び2層CNTを用いることが好ましく、単層CNTを用いることがより好ましい。
単層CNTの場合、グラフェンシートのグラフェンの六角形の向きに基づく螺旋構造の対称性を軸性カイラルといい、グラフェン上のある6員環の基準点からの2次元格子ベクトルのことをカイラルベクトルという。このカイラルベクトルを指数化した(n,m)をカイラル指数といい、このカイラル指数によって金属性と半導体性に分かれる。具体的には、n−mが3の倍数であるものが金属性を示し、3の倍数でないものが半導体を示す。
本発明で用いることのできる単層CNTは、半導体性のものであっても、金属性のものであってもよく、両者を併せて用いてもよい。また、CNTには金属等が内包されていてもよく、フラーレン等の分子が内包されたもの(特にフラーレンを内包したものをピーポッドという)を用いてもよい。
Hereinafter, the carbon nanotube (hereinafter also referred to as CNT) will be described. CNT is a single-layer CNT in which a single carbon film (graphene sheet) is wound in a cylindrical shape, a double-layer CNT in which two graphene sheets are wound in a concentric shape, and a plurality of graphene sheets in a concentric shape There are multi-walled CNTs wound around. In the present invention, single-walled CNTs, double-walled CNTs, and multilayered CNTs may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. In particular, it is preferable to use single-walled CNT and double-walled CNT having excellent properties in terms of conductivity and semiconductor properties, and more preferably single-walled CNT.
In the case of single-walled CNT, the symmetry of the helical structure based on the hexagonal orientation of graphene on the graphene sheet is called axial chiral, and the two-dimensional lattice vector from the reference point of a 6-membered ring on graphene is a chiral vector. That's it. The (n, m) obtained by indexing this chiral vector is called a chiral index, and is divided into metallicity and semiconductivity by this chiral index. More specifically, a material having nm that is a multiple of 3 indicates metallicity, and a semiconductor material that is not a multiple of 3 indicates a semiconductor.
The single-walled CNT that can be used in the present invention may be semiconductive or metallic, and both may be used in combination. In addition, a metal or the like may be included in the CNT, and a substance in which a molecule such as fullerene is included (in particular, a substance in which fullerene is included is referred to as a peapod) may be used.

CNTはアーク放電法、化学気相成長法(以下、CVD法という)、レーザー・アブレーション法等によって製造することができる。本発明に用いられるCNTは、いずれの方法によって得られたものであってもよいが、好ましくはアーク放電法及びCVD法により得られたものである。
CNTを製造する際には、同時にフラーレンやグラファイト、非晶性炭素が副生成物として生じることがある。これら副生成物を除去するために精製してもよい。CNTの精製方法は特に限定されないが、上述の精製法の他に、硝酸、硫酸等による酸処理、超音波処理が不純物の除去には有効である。併せて、フィルターによる分離除去を行うことも、純度を向上させる観点からより好ましい。
CNT can be produced by an arc discharge method, a chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as a CVD method), a laser ablation method, or the like. The CNT used in the present invention may be obtained by any method, but is preferably obtained by an arc discharge method and a CVD method.
When producing CNTs, fullerenes, graphite, and amorphous carbon may be produced as by-products at the same time. You may refine | purify in order to remove these by-products. The method for purifying CNTs is not particularly limited. In addition to the above-described purification methods, acid treatment with nitric acid, sulfuric acid or the like and ultrasonic treatment are effective for removing impurities. In addition, it is more preferable to perform separation and removal using a filter from the viewpoint of improving purity.

精製の後、得られたCNTをそのまま用いることもできる。また、CNTは一般に紐状で生成されるため、用途に応じて所望の長さにカットして用いてもよい。CNTは、硝酸、硫酸等による酸処理、超音波処理、凍結粉砕法等により短繊維状にカットすることができる。また、併せてフィルターによる分離を行うことも、純度を向上させる観点から好ましい。
本発明においては、カットしたCNTだけではなく、あらかじめ短繊維状に作製したCNTも同様に使用できる。このような短繊維状CNTは、例えば、基板上に鉄、コバルト等の触媒金属を形成し、その表面にCVD法により700〜900℃で炭素化合物を熱分解してCNTを気相成長させることによって、基板表面に垂直方向に配向した形状で得られる。このようにして作製された短繊維状CNTは基板から剥ぎ取る等の方法で取り出すことができる。また、短繊維状CNTはポーラスシリコンのようなポーラスな支持体や、アルミナの陽極酸化膜上に触媒金属を担持させ、その表面にCNTをCVD法にて成長させることもできる。触媒金属を分子内に含む鉄フタロシアニンのような分子を原料とし、アルゴン/水素のガス流中でCVDを行うことによって基板上にCNTを作製する方法でも配向した短繊維状のCNTを作製することもできる。さらには、SiC単結晶表面にエピタキシャル成長法によって配向した短繊維状CNTを得ることもできる。
After purification, the obtained CNT can be used as it is. Moreover, since CNT is generally produced in a string shape, it may be cut into a desired length depending on the application. CNTs can be cut into short fibers by acid treatment with nitric acid, sulfuric acid or the like, ultrasonic treatment, freeze pulverization method or the like. In addition, it is also preferable to perform separation using a filter from the viewpoint of improving purity.
In the present invention, not only cut CNTs but also CNTs produced in the form of short fibers in advance can be used in the same manner. Such short fibrous CNTs form, for example, a catalytic metal such as iron or cobalt on a substrate, and thermally decompose carbon compounds on the surface at 700 to 900 ° C. by CVD to cause vapor growth of the CNTs. Thus, a shape oriented in the direction perpendicular to the substrate surface is obtained. The short fiber CNTs thus produced can be taken out by a method such as peeling off from the substrate. In addition, the short fibrous CNTs can be obtained by supporting a catalytic metal on a porous support such as porous silicon or an anodic oxide film of alumina and growing the CNTs on the surface by the CVD method. Using oriented molecules such as iron phthalocyanine containing a catalytic metal in the molecule as a raw material and producing CNTs on a substrate by performing CVD in an argon / hydrogen gas flow, producing oriented short fiber CNTs You can also. Furthermore, it is also possible to obtain short fiber CNTs oriented on the SiC single crystal surface by an epitaxial growth method.

2.ナノ金属材料
ナノ金属材料は、ナノメートルサイズの繊維状又は粒子状の金属材料等であり、具体的には、繊維状の金属材料(金属繊維ともいう)、粒子状の金属材料(金属ナノ粒子ともいう)等が挙げられる。ナノ金属材料は、後述する金属ナノワイヤーが好ましい。
2. Nano metal material A nano metal material is a nanometer-sized fibrous or particulate metal material. Specifically, a fibrous metal material (also referred to as metal fiber), a particulate metal material (metal nanoparticle). Also). The metal nanowire described later is preferable as the nanometal material.

金属繊維は、中実構造又は中空構造であるのが好ましい。平均短軸長さが1〜1,000nmであって平均長軸長さが1〜100μmの中実構造を持つ金属繊維を金属ナノワイヤーといい、平均短軸長さが1〜1,000nm、平均長軸長さが0.1〜1,000μmであって中空構造を持つ金属繊維を金属ナノチューブという。   The metal fiber preferably has a solid structure or a hollow structure. A metal fiber having a solid structure with an average minor axis length of 1 to 1,000 nm and an average major axis length of 1 to 100 μm is referred to as a metal nanowire, and an average minor axis length of 1 to 1,000 nm. A metal fiber having an average major axis length of 0.1 to 1,000 μm and having a hollow structure is called a metal nanotube.

金属繊維の材料としては、導電性を有する金属であればよく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、長周期律表(国際純正及び応用化学連合(IUPAC)、1991改訂)の第4周期、第5周期及び第6周期からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属が好ましく、第2族〜第14族から選ばれる少なくとも1種の金属がより好ましく、第2族、第8族、第9族、第10族、第11族、第12族、第13族、及び第14族から選ばれる少なくとも1種の金属が更に好ましく、主成分として含むことが特に好ましい。
このような金属として、例えば、銅、銀、金、白金、パラジウム、ニッケル、錫、コバルト、ロジウム、イリジウム、鉄、ルテニウム、オスミウム、マンガン、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンテル、チタン、ビスマス、アンチモン、鉛、又はこれらの合金等が挙げられる。これらの中でも、導電性に優れる点で、銀、及び銀との合金が好ましい。銀との合金で使用する金属としては、白金、オスミウム、パラジウム、イリジウム等が挙げられる。金属は、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
The metal fiber material may be any metal having electrical conductivity, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, the long period table (International Pure and Applied Chemical Association (IUPAC), 1991 revision) At least one metal selected from the group consisting of 4 periods, 5th period and 6th period is preferable, at least one metal selected from Group 2 to Group 14 is more preferable, Group 2 and Group 8 At least one metal selected from Group 9, Group 10, Group 11, Group 12, Group 12, Group 13 and Group 14 is more preferable, and it is particularly preferable that it contains as a main component.
Examples of such metals include copper, silver, gold, platinum, palladium, nickel, tin, cobalt, rhodium, iridium, iron, ruthenium, osmium, manganese, molybdenum, tungsten, niobium, tantel, titanium, bismuth, antimony, Lead or an alloy thereof can be used. Among these, silver and an alloy with silver are preferable in terms of excellent conductivity. Examples of the metal used in the alloy with silver include platinum, osmium, palladium, and iridium. A metal may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together.

金属ナノワイヤーは、上述の金属で中実構造に形成されていれば、その形状は特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、円柱状、直方体状、断面が多角形となる柱状など任意の形状をとることができ、熱電変換層の透明性が高くなる点で、円柱状、断面の多角形の角が丸まっている断面形状が好ましい。金属ナノワイヤーの断面形状は、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察することにより調べることができる。   The shape of the metal nanowire is not particularly limited as long as the metal nanowire is made of the above-described metal and has a solid structure, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, it can take any shape such as a columnar shape, a rectangular parallelepiped shape, a columnar shape with a polygonal cross section, and the corners of the cylindrical shape and the polygonal shape of the cross section are rounded in that the transparency of the thermoelectric conversion layer is increased. A cross-sectional shape is preferred. The cross-sectional shape of the metal nanowire can be examined by observing with a transmission electron microscope (TEM).

金属ナノワイヤーの平均短軸長さ(「平均短軸径」又は「平均直径」と称することがある)は、上述のナノ導電性材料と同じ観点から、50nm以下が好ましく、1〜50nmがより好ましく、10〜40nmがさらに好ましく、15〜35nmが特に好ましい。平均短軸長さは、例えば透過型電子顕微鏡(TEM;日本電子株式会社製、JEM−2000FX)を用い、300個の金属ナノワイヤーの短軸長さを求め、これらの平均値として算出できる。なお、金属ナノワイヤーの短軸が円形でない場合の短軸長さは、最も長いものを短軸長さとする。
金属ナノワイヤーの平均長軸長さ(平均長さと称することがある)は、同様に、1μm以上が好ましく、1〜40μmがより好ましく、3〜35μmがさらに好ましく、5〜30μmが特に好ましい。平均長軸長さは、例えば透過型電子顕微鏡(TEM;日本電子株式会社製、JEM−2000FX)を用い、300個の金属ナノワイヤーの長軸長さを求め、これらの平均値として算出できる。なお、金属ナノワイヤーが曲がっている場合、それを弧とする円を考慮し、その半径及び曲率から算出される値を長軸長さとする。
The average minor axis length of the metal nanowire (sometimes referred to as “average minor axis diameter” or “average diameter”) is preferably 50 nm or less, more preferably 1 to 50 nm, from the same viewpoint as the above-described nanoconductive material. Preferably, 10 to 40 nm is more preferable, and 15 to 35 nm is particularly preferable. The average short axis length can be calculated as an average value of the short axis lengths of 300 metal nanowires using, for example, a transmission electron microscope (TEM; manufactured by JEOL Ltd., JEM-2000FX). In addition, the shortest axis length when the short axis of the metal nanowire is not circular is the longest axis.
Similarly, the average major axis length (sometimes referred to as the average length) of the metal nanowire is preferably 1 μm or more, more preferably 1 to 40 μm, still more preferably 3 to 35 μm, and particularly preferably 5 to 30 μm. The average major axis length can be calculated as an average value of the major axis lengths of 300 metal nanowires using, for example, a transmission electron microscope (TEM; manufactured by JEOL Ltd., JEM-2000FX). In addition, when the metal nanowire is bent, the value calculated from the radius and the curvature is taken as the major axis length in consideration of a circle having the arc.

金属ナノワイヤーは、いかなる製造方法で製造してもよいが、特開2012−230881号公報に記載されている、ハロゲン化合物と分散添加剤とを溶解した溶媒中で加熱しながら金属イオンを還元する製造方法であるのが好ましい。ハロゲン化合物、分散添加剤及び溶媒並びに加熱条件等の詳細は特開2012−230881号公報に記載されている。また、この製造方法以外にも、例えば、特開2009−215594号公報、特開2009−242880号公報、特開2009−299162号公報、特開2010−84173号公報、特開2010−86714号公報等にそれぞれ記載の製造方法によって、金属ナノワイヤーを製造することもできる。   Metal nanowires may be produced by any production method, but metal ions are reduced while heating in a solvent in which a halogen compound and a dispersion additive are dissolved, as described in JP2012-230881A. A manufacturing method is preferred. Details of halogen compounds, dispersion additives and solvents, heating conditions, and the like are described in JP 2012-230881 A. In addition to this manufacturing method, for example, JP 2009-215594 A, JP 2009-242880 A, JP 2009-299162 A, JP 2010-84173 A, and JP 2010-86714 A. A metal nanowire can also be manufactured by the manufacturing method described in each of the above.

金属ナノチューブは、上述の金属で中空構造に形成されていれば、その形状は特に限定されず、単層であっても多層であってもよい。導電性及び熱伝導性に優れる点で、金属ナノチューブは単層であるのが好ましい。
金属ナノチューブの厚み(外径と内径との差)は、耐久性、透明性、成膜性、導電性等の観点から、3〜80nmが好ましく、3〜30nmがより好ましい。金属ナノチューブの平均長軸長さは、上述のナノ導電性材料と同じ観点から、1〜40μmが好ましく、3〜35μmがより好ましく、5〜30μmがさらに好ましい。金属ナノチューブの平均短軸長さは金属ナノワイヤーの平均短軸長さと同様であるのが好ましい。
The shape of the metal nanotube is not particularly limited as long as it is formed of the above-described metal in a hollow structure, and may be a single layer or a multilayer. It is preferable that the metal nanotube is a single wall from the viewpoint of excellent conductivity and heat conductivity.
The thickness of the metal nanotube (difference between the outer diameter and the inner diameter) is preferably 3 to 80 nm, more preferably 3 to 30 nm, from the viewpoints of durability, transparency, film formability, conductivity, and the like. The average major axis length of the metal nanotube is preferably 1 to 40 μm, more preferably 3 to 35 μm, and still more preferably 5 to 30 μm, from the same viewpoint as the above-described nanoconductive material. The average minor axis length of the metal nanotube is preferably the same as the average minor axis length of the metal nanowire.

金属ナノチューブは、いかなる製造方法で製造してもよく、例えば、米国特許出願公開第2005/0056118号明細書に記載の製造方法等で製造することができる。   The metal nanotube may be manufactured by any manufacturing method, for example, by the manufacturing method described in US Patent Application Publication No. 2005/0056118.

金属ナノ粒子は、上述の金属形成された、粒子状又は粉末状の金属微粒子であればよく、金属微粒子、金属微粒子の表面を保護剤で被覆したものでもよく、さらに、表面を被覆したものを分散媒体中に分散させたものでもよい。金属ナノ粒子に使用される金属としては、上述した中でも、銀、銅、金、パラジウム、ニッケル、ロジウムなどが好ましく挙げられる。また、これらの少なくとも2種からなる合金、これらの少なくとも1種と鉄との合金等も使用できる。2種からなる合金としては、例えば、白金−金合金、白金−パラジウム合金、金−銀合金、銀−パラジウム合金、パラジウム−金合金、白金−金合金、ロジウム−パラジウム合金、銀−ロジウム合金、銅−パラジウム合金、ニッケル−パラジウム合金等が挙げられる。また、鉄との合金としては、例えば、鉄−白金合金、鉄−白金−銅合金、鉄−白金−スズ合金、鉄−白金−ビスマス合金および鉄−白金−鉛合金等が挙げられる。これらの金属又は合金は、単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。   The metal nanoparticles may be any of the above-mentioned metal-formed, particulate or powdered metal fine particles. The metal fine particles and the metal fine particles may have a surface coated with a protective agent. It may be dispersed in a dispersion medium. Preferred examples of the metal used for the metal nanoparticles include silver, copper, gold, palladium, nickel, rhodium and the like. Also, an alloy composed of at least two of these, an alloy of at least one of these and iron, and the like can be used. As an alloy consisting of two kinds, for example, platinum-gold alloy, platinum-palladium alloy, gold-silver alloy, silver-palladium alloy, palladium-gold alloy, platinum-gold alloy, rhodium-palladium alloy, silver-rhodium alloy, Examples thereof include a copper-palladium alloy and a nickel-palladium alloy. Examples of the alloy with iron include an iron-platinum alloy, an iron-platinum-copper alloy, an iron-platinum-tin alloy, an iron-platinum-bismuth alloy, and an iron-platinum-lead alloy. These metals or alloys can be used alone or in combination of two or more.

金属ナノ粒子の平均粒径(動的光散乱法)は、導電性に優れる点で、1〜150nmが好ましい。   The average particle diameter (dynamic light scattering method) of the metal nanoparticles is preferably 1 to 150 nm in terms of excellent conductivity.

金属微粒子の保護剤は、例えば、特開2012−222055号公報に記載の保護剤が好適に挙げられ、炭素数10〜20の直鎖状又は分枝状のアルキル鎖を有する保護剤、特に脂肪酸類又は脂肪族アミン類、脂肪族チオール類若しくは脂肪族アルコール類等がさらに好適に挙げられる。ここで、炭素数が10〜20であると、金属ナノ粒子の保存安定性が高く、かつ導電性にも優れる。脂肪酸類脂肪族アミン類、脂肪族チオール類及び脂肪族アルコール類は、特開2012−222055号公報に記載のものが好適である。   As the protective agent for metal fine particles, for example, a protective agent described in JP2012-2222055 is preferably exemplified, and a protective agent having a linear or branched alkyl chain having 10 to 20 carbon atoms, particularly a fatty acid. More preferable examples include aliphatic amines, aliphatic amines, aliphatic thiols, and aliphatic alcohols. Here, when the carbon number is 10 to 20, the storage stability of the metal nanoparticles is high and the conductivity is also excellent. The fatty acids, aliphatic amines, aliphatic thiols and aliphatic alcohols are preferably those described in JP-A-2012-2222055.

金属ナノ粒子は、いかなる製造方法で製造されてもよく、製造方法として、例えば、ガス中蒸着法、スパッタリング法、金属蒸気合成法、コロイド法、アルコキシド法、共沈法、均一沈殿法、熱分解法、化学還元法、アミン還元法及び溶媒蒸発法等が挙げられる。これら製造方法は、それぞれ特有の特徴を備えるが、特に大量生産を目的とする場合には化学還元法、アミン還元法を用いるのが好ましい。これらの製造方法を実施するに当たっては、必要に応じて上述の保護剤を選択して使用するほか、公知の還元剤等を適宜用いることができる。   The metal nanoparticles may be produced by any production method, for example, gas deposition method, sputtering method, metal vapor synthesis method, colloid method, alkoxide method, coprecipitation method, uniform precipitation method, thermal decomposition. Method, chemical reduction method, amine reduction method, solvent evaporation method and the like. Each of these production methods has unique characteristics, but it is preferable to use a chemical reduction method or an amine reduction method particularly for the purpose of mass production. In carrying out these production methods, a known reducing agent or the like can be appropriately used in addition to selecting and using the above-mentioned protective agent as necessary.

<共重合体>
本発明に用いる共重合体は、下記一般式(1)で表される共重合体である。
<Copolymer>
The copolymer used in the present invention is a copolymer represented by the following general formula (1).

Figure 2014146681
Figure 2014146681

(一般式(1)中、A及びBは、各々独立に、アニリン誘導体由来の共重合体単位又はピロール誘導体由来の共重合体単位を表す。ただし、AとBとは互いに異なる共重合体単位を表す。) (In general formula (1), A and B each independently represent a copolymer unit derived from an aniline derivative or a copolymer unit derived from a pyrrole derivative, provided that A and B are different from each other. Represents.)

すなわち、本発明に用いる共重合体は、互いに異なる2種の共重合体単位A及びBを有する、ポリアニリン共重合体及びポリピロール共重合体である。したがって、本発明に用いる共重合体は、単一の繰り返し単位からなるホモポリマーを含有しない。
ここで、互いに異なる共重合体単位は、基本骨格、又は、置換基の種類、数若しくは置換位置が異なる共重合体単位をいい、共重合単位の結合様式(例えば、Head to Head、Head to Tail、Tail to Tail)によって共重合体に見かけ上生じる共重合体単位の相違を含まない。例えば、2−メチルアニリン単位がHead to Tailで結合してなるポリアニリンは、見かけ上、共重合単位が2種存在するが、本発明においては、2−メチルアニリン共重合体単位1種のみを有しているとする。
That is, the copolymer used in the present invention is a polyaniline copolymer and a polypyrrole copolymer having two different copolymer units A and B. Therefore, the copolymer used for this invention does not contain the homopolymer which consists of a single repeating unit.
Here, the copolymer units different from each other refer to copolymer units having different basic skeletons or types, numbers, or substitution positions of substituents, and the bonding mode of the copolymer units (for example, Head to Head, Head to Tail). , Tail to Tail) does not include the difference in copolymer units apparently produced in the copolymer. For example, polyaniline formed by bonding 2-methylaniline units with Head to Tail apparently has two types of copolymer units, but in the present invention, it has only one type of 2-methylaniline copolymer unit. Suppose you are.

このような、互いに異なる2種の共重合体単位A及びBを有するこれらの共重合体は、ナノ導電性材料の共存下における優れた分散性を発揮し、熱電変換層に高い熱電変換性能及び電極密着性を発現させることができる。   Such copolymers having two different copolymer units A and B exhibit excellent dispersibility in the coexistence of the nanoconductive material, and have high thermoelectric conversion performance in the thermoelectric conversion layer. Electrode adhesion can be expressed.

一般式(1)において、共重合体の共重合体単位になるアニリン誘導体は、アニリン構造を有していれば特に制限されないが、無置換アニリン及び置換アニリンを含む。アニリン誘導体は、好ましくは後述する一般式(2)で表される共重合体単位の前駆体になるアニリン誘導体が挙げられる。また、共重合体の共重合体単位になるピロール誘導体は、ピロール構造を有していれば特に制限されないが、無置換ピロール、置換ピロール及び縮合型ピロールを含む。ピロール誘導体は、好ましくは後述する一般式(3)〜(5)で表される共重合体単位の前駆体になるピロール誘導体が挙げられ、熱電変換特性及び電極密着性の点で、より好ましくは後述する一般式(3)及び(4)で表される共重合体単位の前駆体になるピロール誘導体が挙げられ、さらに好ましくは後述する一般式(3)で表される共重合体単位の前駆体になるピロール誘導体が挙げられる。   In the general formula (1), the aniline derivative that becomes a copolymer unit of the copolymer is not particularly limited as long as it has an aniline structure, but includes unsubstituted aniline and substituted aniline. The aniline derivative is preferably an aniline derivative that becomes a precursor of a copolymer unit represented by the general formula (2) described later. Moreover, the pyrrole derivative which becomes a copolymer unit of the copolymer is not particularly limited as long as it has a pyrrole structure, but includes unsubstituted pyrrole, substituted pyrrole and condensed pyrrole. The pyrrole derivative is preferably a pyrrole derivative that becomes a precursor of a copolymer unit represented by the general formulas (3) to (5) described later, and more preferably in terms of thermoelectric conversion characteristics and electrode adhesion. Examples include pyrrole derivatives that are precursors of copolymer units represented by general formulas (3) and (4) described below, and more preferably precursors of copolymer units represented by general formula (3) described below. The pyrrole derivative which becomes a body is mentioned.

共重合体単位A及びBは、上述の共重合体単位から異なるものが選択される。このとき、共重合体単位A及びBとして、熱電変換特性及び電極密着性の点で、上述の共重合体単位から分子量が異なる2種の共重合体単位が選択されるのが好ましく、共重合体単位Aとして小さな分子量の共重合体単位が、共重合体単位Bとして大きな分子量の共重合体単位がそれぞれ選択されるのが好ましい。ここで、共重合体単位の分子量は、共重合体単位の基本骨格の異同、置換基の異同、置換基数等によって、調整できる。分子量の相違は、置換基の異同、置換基数によるのが好ましく、置換基の異同によるのがさらに好ましい。共重合体単位A及びBの分子量の差は特に限定されないが、例えば、置換基を構成する炭素原子でいうと1〜20個分である。
共重合体単位A及びBは、さらに、熱電変換特性及び電極密着性の点で、いずれも、アニリン誘導体由来の共重合体単位又はピロール誘導体由来の共重合体単位から選択されるのが好ましく、アニリン誘導体由来の共重合体単位から選択されるのがより好ましい。このとき、共重合体単位Aは無置換アニリン由来の共重合体単位又はピロール誘導体由来の共重合体単位であるのが特に好ましい。
As the copolymer units A and B, those different from the above-mentioned copolymer units are selected. At this time, as copolymer units A and B, it is preferable to select two copolymer units having different molecular weights from the above copolymer units in terms of thermoelectric conversion characteristics and electrode adhesion. It is preferable that a copolymer unit having a small molecular weight is selected as the coalescing unit A, and a copolymer unit having a large molecular weight is selected as the copolymer unit B. Here, the molecular weight of the copolymer unit can be adjusted by the difference in the basic skeleton of the copolymer unit, the difference in substituents, the number of substituents, and the like. The difference in molecular weight is preferably due to the difference in substituents and the number of substituents, and more preferably due to differences in substituents. The difference in the molecular weights of the copolymer units A and B is not particularly limited, but is, for example, 1 to 20 in terms of carbon atoms constituting the substituent.
Copolymer units A and B are preferably selected from aniline derivative-derived copolymer units or pyrrole derivative-derived copolymer units, both in terms of thermoelectric conversion characteristics and electrode adhesion. More preferably, it is selected from copolymer units derived from aniline derivatives. At this time, the copolymer unit A is particularly preferably an unsubstituted aniline-derived copolymer unit or a pyrrole derivative-derived copolymer unit.

共重合体単位A及びBの重合度の比(m/n)は、熱電変換特性及び電極密着性の点で、99/1〜1/99が好ましく、より好ましくは80/20〜10/90であり、さらに好ましくは75/25〜20/80である。
本発明に用いる共重合体は、少なくとも2種の上述の共重合単位の、ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体のいずれであってもよく、ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体が好ましい。
The ratio (m / n) of the degree of polymerization of the copolymer units A and B is preferably 99/1 to 1/99, more preferably 80/20 to 10/90 in terms of thermoelectric conversion characteristics and electrode adhesion. More preferably, it is 75/25 to 20/80.
The copolymer used in the present invention may be any of a random copolymer, an alternating copolymer, a block copolymer, and a graft copolymer of at least two kinds of the above-mentioned copolymer units. Polymers, alternating copolymers and block copolymers are preferred.

本発明に用いる共重合体はドープされていてもドープいなくてもよいが、ドープされていていることが好ましい。共重合体がドープされていると、さらに高い熱電変換性能を発揮する。ここで、ドープとは、共重合体の主鎖の一部、すなわち共重合体単位A及びBが、好ましくは後述するドーパントで酸化されていることをいう。共重合体の主鎖を形成する共重合体単位の、酸化された割合をドープ率といい、本発明において、ドープ率は、熱電変換性能がさらに向上する点で、主鎖を形成する共重合体単位A及びBの全モル数に対して、好ましくは10〜90モル%であり、より好ましくは20〜80モル%である。   The copolymer used in the present invention may be doped or undoped, but is preferably doped. When the copolymer is doped, higher thermoelectric conversion performance is exhibited. Here, the dope means that a part of the main chain of the copolymer, that is, the copolymer units A and B are preferably oxidized with a dopant described later. The proportion of the copolymer units that form the main chain of the copolymer is referred to as the doping ratio, and in the present invention, the doping ratio is the copolymer weight that forms the main chain in that the thermoelectric conversion performance is further improved. Preferably it is 10-90 mol% with respect to the total number of moles of united unit A and B, More preferably, it is 20-80 mol%.

一般式(1)において、共重合単位A及びBは、各々独立に、下記一般式(2)〜(5)で表される共重合体単位からなる群より選択されるのが好ましい。本発明に用いる共重合体がこれら一般式で表される2種の共重合体単位を有していると、従来のポリアニリン及びポリピロール、特にホモポリアニリン及びホモポリピロールでは実現できなかった、ナノ導電性材料存在下における共重合体の高度な分散性を発揮する。   In the general formula (1), the copolymer units A and B are preferably each independently selected from the group consisting of copolymer units represented by the following general formulas (2) to (5). When the copolymer used in the present invention has two kinds of copolymer units represented by these general formulas, nanoconductivity that cannot be realized by conventional polyaniline and polypyrrole, particularly homopolyaniline and homopolypyrrole. Highly dispersible copolymer in the presence of materials.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

(一般式(2)〜(5)中、R11〜R14は各々独立に1価の置換基を表す。a1及びc1は各々独立に0〜4の整数を表し、b1は0〜2の整数を表し、d1は0〜6の整数を表す。X11〜X14は、各々独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、ヘテロアリール基を表す。*は共重合体単位の連結部位を表す。)
一般式(5)の置換基R14は、2つのベンゼン環のいずれに置換してもよい。
(In the general formulas (2) to (5), R 11 to R 14 each independently represents a monovalent substituent. A 1 and c 1 each independently represent an integer of 0 to 4, and b 1 represents an integer of 0 to 2. Represents an integer, and d1 represents an integer of 0 to 6. X 11 to X 14 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or a heteroaryl group, and * represents a connecting site of a copolymer unit. Represents.)
The substituent R 14 in the general formula (5) may be substituted on any of the two benzene rings.

上述の一般式(2)で表される共重合体単位において、連結部位は、通常、ベンゼン環の4位及び窒素原子であるが、ベンゼン環の2位及び窒素原子であってもよい。また、同様に、一般式(3)で表される共重合体単位において、連結部位は、通常、ピロール環の2位及び5位にあるが、ピロール環の2位及び3位であってもよい。さらに、一般式(5)で表される共重合体単位において、連結部位は、通常、カルバゾール環の2位及び7位にあるが、これら以外の位置にあってもよい。   In the copolymer unit represented by the general formula (2), the linking site is usually the 4-position and nitrogen atom of the benzene ring, but may be the 2-position and nitrogen atom of the benzene ring. Similarly, in the copolymer unit represented by the general formula (3), the connecting site is usually at the 2nd and 5th positions of the pyrrole ring, but may be at the 2nd and 3rd positions of the pyrrole ring. Good. Furthermore, in the copolymer unit represented by the general formula (5), the linking site is usually located at the 2nd and 7th positions of the carbazole ring, but may be located at other positions.

11〜R14としての1価の置換基は、フッ素及び塩素等のハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルキルオキシカルボニル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、クラウンエーテル環基、アリール基、ヘテロアリール基、ジアルキルアミノ基等が挙げられる。また、1価の置換基は、さらに同じ置換基又は異なる置換基で置換されていてもよく、置換基で置換された1価の置換基として、例えば、フルオロアルキル基、置換アルキル基、置換アルコキシ基等が挙げられる。
1価の置換基は、これらの中でも、特に電極密着性に優れる点で、R11〜R14は、ハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アリール基、ヘテロアリール基が好ましく、アルキル基、アルコキシ基、アリール基がさらに好ましい。
Monovalent substituents as R 11 to R 14 are halogen atoms such as fluorine and chlorine, alkyl groups, alkoxy groups, aryloxy groups, alkyloxycarbonyl groups, alkylthio groups, arylthio groups, crown ether ring groups, aryl groups , Heteroaryl group, dialkylamino group and the like. In addition, the monovalent substituent may be further substituted with the same substituent or different substituents, and examples of the monovalent substituent substituted with the substituent include a fluoroalkyl group, a substituted alkyl group, and a substituted alkoxy group. Groups and the like.
Among these, the monovalent substituent is particularly excellent in electrode adhesion, and R 11 to R 14 are preferably a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, an aryloxy group, an aryl group, or a heteroaryl group. A group, an alkoxy group, and an aryl group are more preferable.

アルキル基は、それを構成する炭素数が1〜20であるのが好ましく、2〜20であるのがより好ましく、4〜10であるのがさらに好ましい。アルキル基は、直鎖、分岐又は環状のアルキル基が含まれ、直鎖又は分岐のアルキル基が好ましい。直鎖のアルキル基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ドデシルが挙げられる。分岐のアルキル基としては、例えば、i−プロピル、sec−ブチル、t−ブチル、2−エチルヘキシルが挙げられる。環状のアルキル基(シクロアルキル基)としては、炭素数3〜14であるのが好ましく、例えば、シクロプロピ、シクロペンチル、シクロヘキシル、ビシクロオクチル、ノルボルニル、アダマンチルが挙げられる。   The alkyl group preferably has 1 to 20 carbon atoms, more preferably 2 to 20 carbon atoms, and still more preferably 4 to 10 carbon atoms. The alkyl group includes a linear, branched or cyclic alkyl group, and a linear or branched alkyl group is preferable. Examples of the linear alkyl group include methyl, ethyl, propyl, butyl, hexyl, heptyl, octyl and dodecyl. Examples of the branched alkyl group include i-propyl, sec-butyl, t-butyl, and 2-ethylhexyl. The cyclic alkyl group (cycloalkyl group) preferably has 3 to 14 carbon atoms, and examples thereof include cyclopropy, cyclopentyl, cyclohexyl, bicyclooctyl, norbornyl, and adamantyl.

アルコキシ基は、それを構成する炭素数が1〜20であるのが好ましく、4〜15であるのがさらに好ましい。アルコキシ基のアルキル部位は、炭素数が異なること以外は上述のアルキル基と同義である。このようなアルコキシ基として、直鎖又は分岐のアルコキシ基が好ましく、好ましいアルコキシ基として、メトキシ、ブトキシ、ヘキシルオキシ、オクチルオキシ、2−エチルヘキシルオキシ、ペンタデシルオキシが挙げられる。
アリールオキシ基は、それを構成する炭素数が6〜26であるのが好ましく、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシが挙げられる。
The alkoxy group preferably has 1 to 20 carbon atoms, more preferably 4 to 15 carbon atoms. The alkyl part of the alkoxy group has the same meaning as the above-described alkyl group except that the number of carbon atoms is different. Such an alkoxy group is preferably a linear or branched alkoxy group, and preferred alkoxy groups include methoxy, butoxy, hexyloxy, octyloxy, 2-ethylhexyloxy, and pentadecyloxy.
The aryloxy group preferably has 6 to 26 carbon atoms, and examples thereof include phenoxy and 1-naphthyloxy.

アルキルオキシカルボニル基は、アルコキシカルボニル基とも称され、炭素数が2〜20であるのが好ましく、例えば、メトキシカルボニル、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等が挙げられる。
アルキルチオ基は、炭素数が1〜20であるのが好ましく、例えば、メチルチオ、エチルチオ、プロピルチオ等が挙げられる。
アリールチオ基は、炭素数が6〜20であるのが好ましく、例えば、フェニルチオ、ナフチルチオ等が挙げられる。
The alkyloxycarbonyl group is also called an alkoxycarbonyl group and preferably has 2 to 20 carbon atoms, and examples thereof include methoxycarbonyl, ethoxycarbonyl, 2-ethylhexyloxycarbonyl and the like.
The alkylthio group preferably has 1 to 20 carbon atoms, and examples thereof include methylthio, ethylthio, propylthio and the like.
The arylthio group preferably has 6 to 20 carbon atoms, and examples thereof include phenylthio and naphthylthio.

クラウンエーテル環基としては、それを構成する炭素数が8〜20であるのが好ましく、少なくとも1つの酸素原子が硫黄原子又は窒素原子で置換されたチアクラウンエーテル、アザクラウンエーテルを含む。このようなクラウンエーテル環基としては、例えば、12−クラウン−4、15−クラウン−5、18−クラウン−6、ジベンゾ−18−クラウン−6、ジアザ−18−クラウン−6等が挙げられる。   The crown ether ring group preferably has 8 to 20 carbon atoms, and includes a thia crown ether or an aza crown ether in which at least one oxygen atom is substituted with a sulfur atom or a nitrogen atom. Examples of such a crown ether ring group include 12-crown-4, 15-crown-5, 18-crown-6, dibenzo-18-crown-6, diaza-18-crown-6 and the like.

アリール基としては、単環であっても縮環であってもよく、アリール基を構成する炭素数が4〜50であるのが好ましく、6〜40であるのがさらに好ましく、例えば、ベンゼン環基、ナフタレン環基、アントラセン環基、フェナントレン環基、インダセン環基、フルオレン環基、ピレン環基等が挙げられ、ベンゼン環基が好ましい。
ヘテロアリール基としては、単環であっても縮環であってもよく、ヘテロアリール基を構成する炭素数が4〜50であるのが好ましく、6〜40であるのがさらに好ましく、環構成原子としてのヘテロ原子として少なくとも1つの窒素原子、硫黄原子、酸素原子、ケイ素原子、リン原子、セレン原子、テルル原子を有する5又は6員環のヘテロ環基が挙げられる。このようなヘテロアリール基として、例えば、芳香族ヘテロアリール基、脂肪族ヘテロアリール基、並びに、これらのベンゾ縮環体及びジベンゾジ縮環体が挙げられる。芳香族ヘテロアリール基及びこれらのベンゾ又はジベンゾ縮環体としては、例えば、ピロール環基、チオフェン環基、フラン環基、セレノフェン環基、テルロフェン環基、イミダゾール環基、ピラゾール環基、オキサゾール環基、イソオキサゾール環基、チアゾール環基、イソチアゾール環基、チアジアゾール環基、ピリジン環基、2−ピリドン環基、ピリミジン環基、ピリダジン環基、ピラジン環基、トリアジン環基、セレノピラン環基、テルロピラン環基、ベンゾチオフェン環基、ジベンゾチオフェン環基、カルバゾール環基等が挙げられる。
脂肪族ヘテロアリール基は、芳香族ではないヘテロアリール環の基であり、飽和又は不飽和のヘテロアリール基である。このような脂肪族ヘテロアリール基及びその縮環としては、例えば、ピロリジン環基、ピペリジン環基、ピペラジン環基、モルホリン環基が挙げられる。これらの中でも、ヘテロアリール基は、チオフェン環基、フラン環基、ピロール環基、イミダゾール環基、オキサゾール環基、チアゾール環基、ベンゾチオフェン環基、ピリジン環基、ジベンゾチオフェン環基及びカルバゾール環基が好ましい。
上述のアリール基及びヘテロアリール基は、オニウム塩等のカチオン状態であってもよいが、上述の共重合体の主鎖を構成する共役構造と共役する点で、中性状態であるのが好ましい。
The aryl group may be a single ring or a condensed ring. The aryl group preferably has 4 to 50 carbon atoms, more preferably 6 to 40 carbon atoms, such as a benzene ring. Group, naphthalene ring group, anthracene ring group, phenanthrene ring group, indacene ring group, fluorene ring group, pyrene ring group and the like, and benzene ring group is preferable.
The heteroaryl group may be a single ring or a condensed ring, and the heteroaryl group preferably has 4 to 50 carbon atoms, more preferably 6 to 40 carbon atoms. Examples of the hetero atom as the atom include a 5- or 6-membered heterocyclic group having at least one nitrogen atom, sulfur atom, oxygen atom, silicon atom, phosphorus atom, selenium atom, or tellurium atom. Examples of such heteroaryl groups include aromatic heteroaryl groups, aliphatic heteroaryl groups, and benzo- and dibenzodi-fused rings thereof. Examples of the aromatic heteroaryl group and these benzo or dibenzo condensed rings include, for example, a pyrrole ring group, a thiophene ring group, a furan ring group, a selenophene ring group, a tellurophen ring group, an imidazole ring group, a pyrazole ring group, and an oxazole ring group. , Isoxazole ring group, thiazole ring group, isothiazole ring group, thiadiazole ring group, pyridine ring group, 2-pyridone ring group, pyrimidine ring group, pyridazine ring group, pyrazine ring group, triazine ring group, selenopyran ring group, telluropyran Examples thereof include a ring group, a benzothiophene ring group, a dibenzothiophene ring group, and a carbazole ring group.
An aliphatic heteroaryl group is a heteroaryl ring group that is not aromatic and is a saturated or unsaturated heteroaryl group. Examples of such aliphatic heteroaryl groups and condensed rings thereof include pyrrolidine ring groups, piperidine ring groups, piperazine ring groups, and morpholine ring groups. Among these, the heteroaryl group includes a thiophene ring group, a furan ring group, a pyrrole ring group, an imidazole ring group, an oxazole ring group, a thiazole ring group, a benzothiophene ring group, a pyridine ring group, a dibenzothiophene ring group, and a carbazole ring group. Is preferred.
The aryl group and heteroaryl group described above may be in a cationic state such as an onium salt, but are preferably in a neutral state in that they are conjugated with the conjugated structure constituting the main chain of the copolymer. .

ジアルキルアミノ基としては、上述のアルキル基を有するアミノ基が好ましく、例えば、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N,N−ジブチルアミノ、N,N−ジヘキシルアミノ等が挙げられる。   The dialkylamino group is preferably an amino group having the above-described alkyl group, and examples thereof include N, N-dimethylamino, N, N-diethylamino, N, N-dibutylamino, N, N-dihexylamino and the like.

11〜R14として採用しうる、上述の、置換基で置換された1価の置換基として、例えば、フルオロアルキル基、置換アルコキシ基、置換アルキル基が挙げられる。 Examples of the above-described monovalent substituent substituted with a substituent that can be employed as R 11 to R 14 include a fluoroalkyl group, a substituted alkoxy group, and a substituted alkyl group.

フルオロアルキル基は、上述のアルキル基の少なくとも1つの水素原子をフッ素原子で置換した基であり、アルキル基のすべての水素原子をフッ素原子で置換したペルフルオロアルキル基が好ましい。フルオロアルキル基のアルキル基は上述のアルキル基と同義であり、好ましいものも同じである。フルオロアルキル基としては、例えば、トリフルオロメチル、ペンタフルオロエチル、ヘキサフルオロプロピル等が挙げられる。   The fluoroalkyl group is a group in which at least one hydrogen atom of the above alkyl group is substituted with a fluorine atom, and a perfluoroalkyl group in which all the hydrogen atoms of the alkyl group are substituted with fluorine atoms is preferable. The alkyl group of the fluoroalkyl group has the same meaning as the above-described alkyl group, and preferred ones are also the same. Examples of the fluoroalkyl group include trifluoromethyl, pentafluoroethyl, hexafluoropropyl, and the like.

置換アルコキシ基として、アルコキシアルキレンオキシ基が挙げられる。アルコキシアルキレンオキシ基を構成する炭素数は2〜20であるのが好ましく、2〜7であるのがさらに好ましい。アルコキシアルキレンオキシ基として、例えば、メトキシエチレンオキシ(2−メトキシ−1−エトキシ)が挙げられる。
置換アルキル基として、アリール基、アルコキシカルボニル基、アルキルチオ基で置換されたアルキル基、アルコキシアルキレンオキシアルキル基が挙げられる。アリール基で置換されたアルキル(アラルキル基ともいう)として、例えば、ベンジル、フェネチル等が挙げられる。アルコキシカルボニル基で置換されたアルキル基として、2−メトキシカルボニルエチル等が挙げられる。アルキルチオ基で置換されたアルキル基として、2−プロピルチオエチルが挙げられる。アルコキシアルキレンオキシアルキル基を構成する炭素数は2〜20であるのが好ましい。
Examples of the substituted alkoxy group include an alkoxyalkyleneoxy group. The number of carbon atoms constituting the alkoxyalkyleneoxy group is preferably 2-20, and more preferably 2-7. Examples of the alkoxyalkyleneoxy group include methoxyethyleneoxy (2-methoxy-1-ethoxy).
Examples of the substituted alkyl group include an aryl group, an alkoxycarbonyl group, an alkyl group substituted with an alkylthio group, and an alkoxyalkyleneoxyalkyl group. Examples of the alkyl substituted with an aryl group (also referred to as an aralkyl group) include benzyl and phenethyl. Examples of the alkyl group substituted with an alkoxycarbonyl group include 2-methoxycarbonylethyl. Examples of the alkyl group substituted with an alkylthio group include 2-propylthioethyl. The number of carbon atoms constituting the alkoxyalkyleneoxyalkyl group is preferably 2-20.

また、上述のアリール基、及び、ヘテロアリール基の縮環体における各縮合環構造の末端又は1価の置換基が置換される、上述の、「1価の置換基と異なる置換基」としては、例えば、カルボン酸基、スルホン酸基、水酸基、リン酸基等の親水性基が挙げられる。   In addition, as the above-mentioned “substituent different from the monovalent substituent” in which the terminal of each condensed ring structure or the monovalent substituent in the condensed ring of the above-mentioned aryl group and heteroaryl group is substituted, Examples thereof include hydrophilic groups such as a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a hydroxyl group, and a phosphoric acid group.

一般式(2)中、a1は、0〜4の整数を表し、共重合体単位Aとして選択される場合は電極密着性に優れる点で0であるのが好ましく、共重合体単位Bとして選択される場合は熱電変換特性に優れる点で1〜4の整数であるのが好ましく、1又は2であるのがさらに好ましい。1価の置換基R11の数にかかわらず、置換基R11の置換位置は、特に限定されない。 In general formula (2), a1 represents an integer of 0 to 4, and when it is selected as copolymer unit A, it is preferably 0 in terms of excellent electrode adhesion, and is selected as copolymer unit B. When it is, it is preferably an integer of 1 to 4 and more preferably 1 or 2 in terms of excellent thermoelectric conversion characteristics. Regardless of the number of monovalent substituents R 11, substituted position of the substituent R 11 is not particularly limited.

一般式(3)中、b1は、0〜2の整数を表し、共重合体単位Aとして選択される場合は電極密着性に優れる点で0であるのが好ましく、共重合体単位Bとして選択される場合は熱電変換特性に優れる点で1又は2であるのが好ましい。1価の置換基R12の数にかかわらず、置換基R12の置換位置は、特に限定されない。 In general formula (3), b1 represents an integer of 0 to 2, and when it is selected as the copolymer unit A, it is preferably 0 in terms of excellent electrode adhesion, and is selected as the copolymer unit B. When it is, it is preferably 1 or 2 in terms of excellent thermoelectric conversion characteristics. Regardless of the number of monovalent substituents R 12, substituted position of the substituent R 12 is not particularly limited.

一般式(4)中、c1は、0〜4の整数を表し、共重合体単位Aとして選択される場合は電極密着性に優れる点で0であるのが好ましく、共重合体単位Bとして選択される場合は熱電変換特性に優れる点で1〜4の整数であるのが好ましく、1又は2であるのがさらに好ましい。1価の置換基R13の数にかかわらず、置換基R13の置換位置は、特に限定されない。 In the general formula (4), c1 represents an integer of 0 to 4, and when it is selected as the copolymer unit A, it is preferably 0 in terms of excellent electrode adhesion, and is selected as the copolymer unit B. When it is, it is preferably an integer of 1 to 4 and more preferably 1 or 2 in terms of excellent thermoelectric conversion characteristics. Regardless of the number of monovalent substituents R 13, substituted position of the substituent R 13 is not particularly limited.

一般式(5)中、d1は、0〜6の整数を表し、共重合体単位Aとして選択される場合は電極密着性に優れる点で0であるのが好ましく、共重合体単位Bとして選択される場合は熱電変換特性に優れる点で1〜6の整数であるのが好ましく、1又は2であるのがさらに好ましい。1価の置換基R14の数にかかわらず、置換基R14は、2つのベンゼン環のいずれに置換してもよく、各ベンゼン環における置換基R14の置換位置は、特に限定されないが、例えば、3位及び6位が好ましい。 In general formula (5), d1 represents an integer of 0 to 6, and when it is selected as copolymer unit A, it is preferably 0 in terms of excellent electrode adhesion, and is selected as copolymer unit B. When it is, it is preferable that it is an integer of 1-6 by the point which is excellent in a thermoelectric conversion characteristic, and it is more preferable that it is 1 or 2. Regardless of the number of monovalent substituents R 14 , the substituent R 14 may be substituted with any of the two benzene rings, and the substitution position of the substituent R 14 in each benzene ring is not particularly limited, For example, the 3rd and 6th positions are preferred.

一般式(2)〜(5)において、1価の置換基R11〜R14を複数有する場合は、これら1価の置換基は互いに結合して環構造を形成してもよい。 In the general formulas (2) to (5), when having a plurality of monovalent substituents R 11 to R 14 , these monovalent substituents may be bonded to each other to form a ring structure.

一般式(2)〜(5)において、X11〜X14は、各々独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、ヘテロアリール基であり、好ましくは、水素原子である。これらX11〜X14におけるアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基は、上述の置換基R11〜R14におけるアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基と同義であり、好ましいものも同じである。また、X11〜X14は、各々独立に、置換基R11〜R14と同様に、さらに置換基R11〜R14がさらに有する上述の置換基、例えば、アルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、親水性基を有していてもよい。 In the general formulas (2) to (5), X 11 to X 14 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or a heteroaryl group, preferably a hydrogen atom. The alkyl group, aryl group and heteroaryl group in X 11 to X 14 have the same meanings as the alkyl group, aryl group and heteroaryl group in the substituents R 11 to R 14 described above, and preferred ones are also the same. X 11 to X 14 are each independently the same as the substituents R 11 to R 14 described above, and the substituents further included in the substituents R 11 to R 14 , for example, alkyl groups, aryl groups, heteroaryls. Group and a hydrophilic group.

共重合単位A及びBは、上述の一般式(2)〜(5)で表される共重合体単位から互いに異なるものが選択される。このとき、共重合体単位A及びBとして、熱電変換特性及び電極密着性の点で、分子量が異なる2種の共重合体単位が選択されるのが好ましく、共重合体単位Aとして小さな分子量の共重合体単位が、共重合体単位Bとして大きな分子量の共重合体単位がそれぞれ選択されるのが好ましい。   As the copolymer units A and B, those different from the copolymer units represented by the above general formulas (2) to (5) are selected. At this time, it is preferable to select two copolymer units having different molecular weights in terms of thermoelectric conversion characteristics and electrode adhesion as the copolymer units A and B, and the copolymer unit A has a small molecular weight. As the copolymer unit, a copolymer unit having a large molecular weight is preferably selected as the copolymer unit B.

具体的には、共重合体単位A及びBの1価の置換基R11〜R14の有無に着目すると、共重合体単位Aが1価の置換基R11〜R14を有しない共重合体単位であり、共重合体単位Bが1価の置換基R11〜R14を1又は複数有する共重合体単位であるのが好ましい。例えば、共重合体単位Aが、a1が0である一般式(2)で表される共重合体単位、b1が0である一般式(3)で表される共重合体単位、c1が0である一般式(4)で表される共重合体単位及びd1が0である一般式(5)で表される共重合体単位からなる群より選択され、共重合体単位Bが、a1が1〜4の整数である一般式(2)で表される共重合体単位、b1が1又は2である一般式(3)で表される共重合体単位、c1が1〜4の整数である一般式(4)で表される共重合体単位及びd1が1〜6の整数である一般式(5)で表される共重合体単位からなる群より選択されるのが、優れた熱電変換特性及び高い電極密着性をバランスよく発現する点で、好ましい。このようにして選択される共重合体単位A及び共重合体単位Bは、いずれも、X11〜X14が水素原子であるのが特に好ましい。 Specifically, paying attention to the presence or absence of monovalent substituents R 11 to R 14 of copolymer units A and B, copolymer unit A in which copolymer unit A does not have monovalent substituents R 11 to R 14 It is a unit, and the copolymer unit B is preferably a copolymer unit having one or more monovalent substituents R 11 to R 14 . For example, the copolymer unit A is a copolymer unit represented by the general formula (2) in which a1 is 0, a copolymer unit represented by the general formula (3) in which b1 is 0, and c1 is 0. Selected from the group consisting of a copolymer unit represented by the general formula (4) and a copolymer unit represented by the general formula (5) in which d1 is 0, and the copolymer unit B is a1 A copolymer unit represented by the general formula (2) which is an integer of 1 to 4, a copolymer unit represented by the general formula (3) wherein b1 is 1 or 2, and c1 is an integer of 1 to 4 An excellent thermoelectric power is selected from the group consisting of a copolymer unit represented by a general formula (4) and a copolymer unit represented by a general formula (5) in which d1 is an integer of 1 to 6. This is preferable in that the conversion characteristics and high electrode adhesion are expressed in a balanced manner. As for the copolymer unit A and the copolymer unit B which are selected in this way, it is particularly preferable that X 11 to X 14 are hydrogen atoms.

一方、共重合体単位A及びBの基本構造に着目すると、共重合体単位A及びBは、熱電変換特性及び電極密着性に優れる点で、いずれも、同じ基本構造を有しているのが好ましい。例えば、共重合体単位A及びBは、いずれも、アニリン誘導体由来の共重合体単位、又は、ピロール誘導体由来の共重合体単位から選択されるのが好ましい。共重合体単位A及びBが、ピロール誘導体由来の共重合体単位から選択される場合には、上述の一般式(3)〜(5)で表される共重合体単位から選択されるのが好ましく、上述の一般式(3)又は(4)で表される共重合体単位から選択されるのがより好ましく、上述の一般式(3)で表される共重合体単位から選択されるのがさらに好ましい。このように、共重合体単位A及びBは、同じ基本構造でありながらも互いに異なる構造を有するものが好ましく、具体的には、上述の一般式(2)で表される互いに異なる2種の共重合体単位を有するアニリン共重合体、上述の一般式(3)で表される互いに異なる2種の共重合体単位を有するピロール共重合体、上述の一般式(4)で表される互いに異なる2種の共重合体単位を有するベンゾピロール共重合体、上述の一般式(5)で表される互いに異なる2種の共重合体単位を有するカルバゾール共重合体であるのが好ましく、アニリン共重合体及びピロール共重合体がさらに好ましい。   On the other hand, when paying attention to the basic structure of the copolymer units A and B, the copolymer units A and B both have the same basic structure in that they are excellent in thermoelectric conversion characteristics and electrode adhesion. preferable. For example, the copolymer units A and B are preferably both selected from a copolymer unit derived from an aniline derivative or a copolymer unit derived from a pyrrole derivative. When the copolymer units A and B are selected from copolymer units derived from pyrrole derivatives, they are selected from the copolymer units represented by the above general formulas (3) to (5). Preferably, it is more preferably selected from the copolymer units represented by the above general formula (3) or (4), and is selected from the copolymer units represented by the above general formula (3). Is more preferable. As described above, the copolymer units A and B preferably have the same basic structure but different structures from each other. Specifically, the copolymer units A and B have two different kinds represented by the general formula (2). An aniline copolymer having a copolymer unit, a pyrrole copolymer having two different copolymer units represented by the above general formula (3), and each other represented by the above general formula (4) A benzopyrrole copolymer having two different types of copolymer units and a carbazole copolymer having two different types of copolymer units represented by the general formula (5) are preferable, and an aniline copolymer is preferable. More preferred are polymers and pyrrole copolymers.

本発明で用いる共重合体は、上述の共重合体単位以外に、共重合体の主鎖を形成する第3の共重合体単位として、他の共重合体単位を含んでいてもよい。他の共重合体単位としては、共役系の構造であることが好ましい。このような第3の共重合体単位として、上述の一般式(2)〜(5)で表される共重合体単位が挙げられる。また、共役系の構造を有する共重合体単位を含む化合物(共役化合物ということがある)として、例えば、チオフェン系化合物、ピロール系化合物、アニリン系化合物、アセチレン系化合物、p−フルオレニレン系化合物、ポリアセン系化合物、ポリフェナントレン系化合物、金属フタロシアニン系化合物、p−キシリレン系化合物、ビニレンスルフィド系化合物、m−フェニレン系化合物、ナフタレンビニレン系化合物、p−フェニレンオキシド系化合物、フェニレンスルフィド系化合物、フラン系化合物、セレノフェン系化合物、アゾ系化合物、ベンゾチアジアゾール系化合物、カルバゾール系化合物、ベンゾイミダゾール系化合物、イミダゾール系化合物、ピリミジン系化合物、並びに、これらの共役化合物の誘導体や縮合体から導かれる化合物、これらの共役化合物と金属イオンとの錯体である金属錯体系化合物が挙げられる。
本発明で用いられる共重合体は、上述の他の構造を、上述の各式で表される共重合単位の合計100モルに対して30モル%以下含んでいるのが好ましい。
The copolymer used in the present invention may contain other copolymer units as the third copolymer unit that forms the main chain of the copolymer, in addition to the copolymer units described above. The other copolymer unit preferably has a conjugated structure. Examples of the third copolymer unit include copolymer units represented by the above general formulas (2) to (5). In addition, as a compound containing a copolymer unit having a conjugated structure (sometimes referred to as a conjugated compound), for example, a thiophene compound, a pyrrole compound, an aniline compound, an acetylene compound, a p-fluorenylene compound, a polyacene Compounds, polyphenanthrene compounds, metal phthalocyanine compounds, p-xylylene compounds, vinylene sulfide compounds, m-phenylene compounds, naphthalene vinylene compounds, p-phenylene oxide compounds, phenylene sulfide compounds, furan compounds , Selenophene compounds, azo compounds, benzothiadiazole compounds, carbazole compounds, benzimidazole compounds, imidazole compounds, pyrimidine compounds, and derivatives and condensates of these conjugated compounds That compounds, metal complex compounds which are complexes of these conjugated compound and a metal ion.
The copolymer used in the present invention preferably contains 30 mol% or less of the above-mentioned other structure with respect to a total of 100 mol of the copolymerized units represented by the above formulas.

本発明に用いられる共重合体の末端は、特に限定されず、水素原子や上述の1価の置換基等のような置換基が挙げられ、例えば、水素原子、無置換アニリン又はアニリン誘導体、無置換ピロール又はピロール誘導体、アミノ基NHX11、ハロゲン原子(塩素原子、臭素原子及びヨウ素原子)、公知のホウ酸誘導体、親水性基(カルボン酸基、スルホン酸基、水酸基及びリン酸基等)を有していてもよい。ここで、アニリン誘導体は上述の一般式(2)で表される共重合単位となるもの、ピロール誘導体上述の一般式(3)〜(5)で表される共重合単位となるものが挙げられる。また、アミノ基NHX11のX11は上述のX11と同義である。 The terminal of the copolymer used in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a hydrogen atom and a substituent such as the above-described monovalent substituent, such as a hydrogen atom, an unsubstituted aniline or aniline derivative, Substituted pyrrole or pyrrole derivative, amino group NHX 11 , halogen atom (chlorine atom, bromine atom and iodine atom), known boric acid derivative, hydrophilic group (carboxylic acid group, sulfonic acid group, hydroxyl group, phosphoric acid group, etc.) You may have. Here, the aniline derivative may be a copolymer unit represented by the above general formula (2), or a pyrrole derivative may be a copolymer unit represented by the above general formulas (3) to (5). . Furthermore, X 11 amino groups NHX 11 has the same meaning as X 11 described above.

本発明で用いる共重合体の分子量は、特に限定されず、高分子量のものはもちろん、それ未満の分子量のオリゴマー(例えば重量平均分子量1,000〜10,000程度)であってもよい。熱電変換材料の導電性及び熱電変換性能に優れる点で、分子量は、重量平均分子量で5,000〜100,000であることが好ましく、8,000〜50,000であることがより好ましく、10,000〜20,000であることがさらに好ましい。当該重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定された値を、標準ポリスチレンに換算して求めることができる。   The molecular weight of the copolymer used in the present invention is not particularly limited, and may be a high molecular weight oligomer or a lower molecular weight oligomer (for example, a weight average molecular weight of about 1,000 to 10,000). In terms of excellent conductivity and thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion material, the molecular weight is preferably 5,000 to 100,000, more preferably 8,000 to 50,000 in terms of weight average molecular weight. More preferably, it is 2,000-20,000. The weight average molecular weight can be obtained by converting a value measured by gel permeation chromatography (GPC) into standard polystyrene.

上述の共重合体が、熱電変換性能に優れ、かつ電極との高い密着性を熱電変換層に発現させることができる理由を、以下のように推測している。すなわち、共重合体が互いに異なる2種の共重合単位、好ましくは上述のように選択された互いに異なる2種の共重合単位を有することにより、ナノ導電性材料の存在下においても高度に分散して凝集体を形成しにくく、高い熱電変換性能及び電極密着性を発揮すると推測している。   The reason why the above-mentioned copolymer is excellent in thermoelectric conversion performance and allows the thermoelectric conversion layer to exhibit high adhesion with the electrode is presumed as follows. That is, since the copolymer has two different copolymer units, preferably two different copolymer units selected as described above, the copolymer is highly dispersed even in the presence of the nanoconductive material. Therefore, it is presumed that aggregates are hardly formed and high thermoelectric conversion performance and electrode adhesion are exhibited.

本発明に用いられる共重合体の具体例を、共重合体単位A及びBの組合せとして、以下に示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。下記具体例において、*は共重合体単位の連結部位を表す。なお、共重合体単位A及びBのモル比は上述した範囲にある。
下記具体例において、PhはCを表す。
Although the specific example of the copolymer used for this invention is shown below as a combination of the copolymer units A and B, this invention is not limited to these. In the following specific examples, * represents a linking site of copolymer units. The molar ratio of copolymer units A and B is in the above-described range.
In the following specific examples, Ph represents C 6 H 5 .

Figure 2014146681
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上述の共重合体単位A及びBを有する共重合体は、一般式(2)〜(5)で表される共重合体単位を有するアニリン誘導体又はピロール誘導体を、通常の酸化重合法、又はカップリング重合法により、重合させて製造できる。   The copolymer having copolymer units A and B described above is prepared by subjecting an aniline derivative or pyrrole derivative having a copolymer unit represented by the general formulas (2) to (5) to a normal oxidative polymerization method or a cup. It can be produced by polymerization by a ring polymerization method.

本発明の熱電変換材料中の共重合体の含有量は、熱電変換材料の全固形分中、3〜80質量%であることが好ましく、5〜60質量%であることがより好ましく、10〜50質量%であることが特に好ましい。
また、熱電変換材料が後述する非共役高分子を含む場合、当該熱電変換材料中の共重合体の含有量は、材料の全固形分中、3〜70質量%であることが好ましく、5〜60質量%であることがより好ましく、10〜50質量%であることが特に好ましい。
さらに、熱電変換材料が上述の一般式(1)で表される共重合体以外の導電性高分子を含む場合、当該熱電変換材料中の、上述の一般式(1)で表される共重合体単位を繰り返し単位とする共重合体の含有量は、材料の全固形分中、0〜70質量%であることが好ましく、3〜50質量%であることがより好ましく、5〜20質量%であることが特に好ましい。ここで、他の導電性高分子としては、例えば、繰り返し単位として上述の他の共重合体単位を少なくとも1種有する高分子が挙げられる。
The content of the copolymer in the thermoelectric conversion material of the present invention is preferably 3 to 80% by mass, more preferably 5 to 60% by mass, based on the total solid content of the thermoelectric conversion material. It is especially preferable that it is 50 mass%.
Moreover, when the thermoelectric conversion material contains the nonconjugated polymer mentioned later, it is preferable that content of the copolymer in the said thermoelectric conversion material is 3-70 mass% in the total solid of material, More preferably, it is 60 mass%, and it is especially preferable that it is 10-50 mass%.
Furthermore, when the thermoelectric conversion material contains a conductive polymer other than the copolymer represented by the above general formula (1), the copolymer represented by the above general formula (1) in the thermoelectric conversion material. The content of the copolymer having a combined unit as a repeating unit is preferably 0 to 70% by mass, more preferably 3 to 50% by mass, and more preferably 5 to 20% by mass in the total solid content of the material. It is particularly preferred that Here, examples of the other conductive polymer include a polymer having at least one other copolymer unit as a repeating unit.

<非共役高分子>
本発明の熱電変換材料は、熱電変換特性がさらに向上する点で、非共役高分子を含有することが好ましい。非共役高分子は共役系の分子構造を有しない高分子化合物、すなわち、主鎖がπ電子又は孤立電子対のローンペアで共役しないものである。
本発明では、非共役高分子の種類は特に限定されず、通常知られている非共役高分子を用いることができる。好ましくは、ビニル化合物を重合してなるポリビニル系高分子、ポリ(メタ)アクリレート、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド及びポリシロキサンからなる群より選ばれる高分子を用いる。本発明において、「(メタ)アクリレート」はアクリレート及びメタクリレートの双方又はいずれかを表すものであり、これらの混合物をも包含するものである。
<Non-conjugated polymer>
The thermoelectric conversion material of the present invention preferably contains a non-conjugated polymer in that the thermoelectric conversion characteristics are further improved. The non-conjugated polymer is a polymer compound having no conjugated molecular structure, that is, a compound in which the main chain is not conjugated with a lone pair of π electrons or lone electrons.
In the present invention, the type of the non-conjugated polymer is not particularly limited, and a conventionally known non-conjugated polymer can be used. Preferably, a polymer selected from the group consisting of a polyvinyl polymer obtained by polymerizing a vinyl compound, poly (meth) acrylate, polycarbonate, polyester, polyamide, polyimide, and polysiloxane is used. In the present invention, “(meth) acrylate” represents either or both of acrylate and methacrylate, and includes a mixture thereof.

ポリビニル系高分子を形成するビニル化合物として、具体的には、スチレン、ビニルピロリドン、ビニルカルバゾール、ビニルピリジン、ビニルナフタレン、ビニルフェノール、酢酸ビニル、スチレンスルホン酸、ビニルトリフェニルアミン等のビニルアリールアミン類、ビニルトリブチルアミン等のビニルトリアルキルアミン類等が挙げられる。
ポリ(メタ)アクリレートを形成する(メタ)アクリレート化合物として、具体的には、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、ブチルアクリレート等の疎水性のアクリル酸アルキルエステル、2−ヒドロキシエチルアクリレート、1−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレート、3−ヒドロキシプロピルアクリレート、1−ヒドロキシプロピルアクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、3−ヒドロキシブチルアクリレート、2−ヒドロキシブチルアクリレート、1−ヒドロキシブチルアクリレート等のアクリル酸ヒドロキシアルキルエステル等のアクリレート系モノマー、これらのモノマーのアクリロイル基をメタクリロイル基に換えたメタクリレート系モノマー等が挙げられる。
ポリカーボネートの具体例として、ビスフェノールAとホスゲンからなる汎用ポリカーボネート、ユピゼータ(商品名、三菱ガス化学株式会社製)、パンライト(商品名、帝人化成株式会社製)等が挙げられる。
ポリエステルを形成する化合物として、ポリアルコール及びポリカルボン酸、乳酸等のヒドロキシ酸が挙げられる。ポリエステルの具体例として、バイロン(商品名、東洋紡績株式会社製)等が挙げられる。
ポリアミドの具体例として、PA−100(商品名、株式会社T&K TOKA製)等が挙げられる。
ポリイミドの具体例として、ソルピー6,6−PI(商品名、ソルピー工業株式会社製)等が挙げられる。
ポリシロキサンとして、具体的には、ポリジフェニルシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサン等が挙げられる。
非共役高分子は、可能であれば、単独重合体でも、上述の各化合物等との共重合体であってもよい。
本発明では、非共役高分子として、ビニル化合物を重合してなるポリビニル系高分子を用いることがより好ましい。
Specific examples of vinyl compounds that form polyvinyl polymers include styrene, vinyl pyrrolidone, vinyl carbazole, vinyl pyridine, vinyl naphthalene, vinyl phenol, vinyl acetate, styrene sulfonic acid, and vinyl arylamines such as vinyl triphenylamine. And vinyltrialkylamines such as vinyltributylamine.
Specific examples of (meth) acrylate compounds that form poly (meth) acrylates include hydrophobic alkyl acrylates such as methyl acrylate, ethyl acrylate, propyl acrylate, and butyl acrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, and 1-hydroxy Hydroxyalkyl acrylates such as ethyl acrylate, 2-hydroxypropyl acrylate, 3-hydroxypropyl acrylate, 1-hydroxypropyl acrylate, 4-hydroxybutyl acrylate, 3-hydroxybutyl acrylate, 2-hydroxybutyl acrylate, 1-hydroxybutyl acrylate Examples include acrylate monomers such as esters, and methacrylate monomers obtained by replacing the acryloyl group of these monomers with methacryloyl groups. It is.
Specific examples of the polycarbonate include general-purpose polycarbonate composed of bisphenol A and phosgene, Iupizeta (trade name, manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.), Panlite (trade name, manufactured by Teijin Chemicals Ltd.), and the like.
Examples of the compound forming the polyester include polyalcohols, polycarboxylic acids, and hydroxy acids such as lactic acid. Specific examples of polyester include Byron (trade name, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) and the like.
Specific examples of polyamide include PA-100 (trade name, manufactured by T & K TOKA Corporation).
Specific examples of polyimide include Solpy 6,6-PI (trade name, manufactured by Solpy Kogyo Co., Ltd.).
Specific examples of the polysiloxane include polydiphenylsiloxane and polyphenylmethylsiloxane.
If possible, the non-conjugated polymer may be a homopolymer or a copolymer with each of the above-described compounds.
In the present invention, it is more preferable to use a polyvinyl polymer obtained by polymerizing a vinyl compound as the non-conjugated polymer.

非共役高分子は、疎水性であることが好ましく、スルホン酸や水酸基等の親水性基を分子内に有しないことがより好ましい。また、溶解度パラメータ(SP値)が11以下の非共役高分子が好ましい。本発明において、溶解度パラメータはヒルデブランドのSP値を示し、Fedorsの推算法による値を採用する。   The non-conjugated polymer is preferably hydrophobic, and more preferably has no hydrophilic group such as sulfonic acid or hydroxyl group in the molecule. Further, a non-conjugated polymer having a solubility parameter (SP value) of 11 or less is preferable. In the present invention, the solubility parameter indicates the Hildebrand SP value, and a value based on the Fedors estimation method is adopted.

熱電変換材料中に、上述の一般式(1)で表される共重合体と共に非共役高分子を含有させることで、熱電変換材料の熱電変換性能の向上を図ることができる。そのメカニズムについては、まだ定かではないが、(1)非共役高分子はHOMO準位とLUMO準位の間のギャップ(バンドギャップ)が広いため、上述の共重合体中のキャリア濃度を適度に低く保てる点で、非共役高分子を含まない系よりもゼーベック係数を高いレベルで保持でき、(2)一方で、上述の共重合体とナノ導電性材料との共存によりキャリアの輸送経路が形成され、高い導電率を保持できるため、と推測される。すなわち、材料中に、ナノ導電性材料、非共役高分子及び芳香族高分子の3成分を共存させることで、ゼーベック係数と導電率の双方を向上させることが可能となり、結果として熱電変換性能(ZT値)が大きく向上する。   The thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion material can be improved by including a non-conjugated polymer together with the copolymer represented by the general formula (1) in the thermoelectric conversion material. Although the mechanism is not yet clear, (1) since the non-conjugated polymer has a wide gap (band gap) between the HOMO level and the LUMO level, the carrier concentration in the above-mentioned copolymer is appropriately set. In view of the fact that it can be kept low, the Seebeck coefficient can be maintained at a higher level than a system that does not contain a non-conjugated polymer. It is presumed that high conductivity can be maintained. That is, it is possible to improve both the Seebeck coefficient and the conductivity by coexisting three components of the nano-conductive material, the non-conjugated polymer and the aromatic polymer in the material. As a result, the thermoelectric conversion performance ( ZT value) is greatly improved.

熱電変換材料中の非共役高分子の含有量は、上述の一般式(1)で表される共重合体100質量部に対して、10〜1500質量部であることが好ましく、30〜1200質量部で有ることがより好ましく、80〜1000質量部で有ることが特に好ましい。非共役高分子の含有量が上記範囲内であると、キャリア濃度の増加によるゼーベック係数の低下及び熱電変換性能(ZT値)の低下がなく、また、非共役高分子の混合によるナノ導電性材料分散性の悪化と導電率及び熱電変換性能の低下もないため、好ましい。   The content of the non-conjugated polymer in the thermoelectric conversion material is preferably 10 to 1500 parts by mass, and 30 to 1200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the copolymer represented by the general formula (1). More preferably, it is more preferably 80 to 1000 parts by mass. When the content of the non-conjugated polymer is within the above range, there is no decrease in Seebeck coefficient and thermoelectric conversion performance (ZT value) due to an increase in carrier concentration, and nano conductive material due to mixing of non-conjugated polymers. This is preferable because there is no deterioration in dispersibility and deterioration in conductivity and thermoelectric conversion performance.

<溶媒>
本発明の熱電変換材料は、溶媒を含有することが好ましい。本発明の熱電変換材料は、溶媒中にナノ導電性材料が分散されたナノ導電性材料分散液であることがより好ましい。
溶媒は、各成分を良好に分散又は溶解できればよく、水、有機溶媒及びこれらの混合溶媒を用いることができる。好ましくは有機溶媒であり、アルコール、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、二塩化エタン、トリクロロエチレン、トリクロロエタン、テトラクロロエチレン等の脂肪族ハロゲン系溶媒、DMF、NMP、DMSO等の非プロトン性の極性溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の芳香族ハロゲン系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、テトラメチルベンゼン、ピリジン等の芳香族系溶媒、シクロヘキサノン、アセトン、メチルエチルケントン等のケトン系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、t−ブチルメチルエーテル、ジメトキシエタン、ジグライム等のエーテル系溶媒等が好ましく、脂肪族ハロゲン系溶媒、芳香族ハロゲン系溶媒、非プロトン性の極性溶媒、芳香族系溶媒、エーテル系溶媒等がより好ましく、脂肪族ハロゲン系溶媒及び芳香族ハロゲン系溶媒がさらに好ましい。
本発明において、ハロゲン系溶媒とは、溶媒となる化合物の少なくとも1つの水素原子がハロゲン原子で置換されたものである。なお、ハロゲン系溶剤は、上述のように、脂肪族ハロゲン系溶媒と芳香族ハロゲン系溶媒とに分類される。したがって、本発明において、脂肪族ハロゲン系溶媒及び芳香族ハロゲン系溶媒を併せてハロゲン系溶媒ということがある。
<Solvent>
The thermoelectric conversion material of the present invention preferably contains a solvent. The thermoelectric conversion material of the present invention is more preferably a nanoconductive material dispersion in which a nanoconductive material is dispersed in a solvent.
The solvent should just be able to disperse | distribute or melt | dissolve each component favorably and can use water, an organic solvent, and these mixed solvents. Preferably an organic solvent, alcohol, dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, ethane dichloride, aliphatic halogen solvents such as trichloroethylene, trichloroethane, tetrachloroethylene, aprotic polar solvents such as DMF, NMP, DMSO, chlorobenzene, Aromatic halogen solvents such as dichlorobenzene, aromatic solvents such as benzene, toluene, xylene, mesitylene, tetralin, tetramethylbenzene and pyridine, ketone solvents such as cyclohexanone, acetone and methylethylkenton, diethyl ether, tetrahydrofuran ( THF), ether solvents such as t-butyl methyl ether, dimethoxyethane, diglyme and the like are preferable, aliphatic halogen solvents, aromatic halogen solvents, aprotic polar solvents, aromatic solvents Medium, ether solvents are more preferred, even more preferably aliphatic halogenated solvents and aromatic halogenated solvent.
In the present invention, the halogen-based solvent is one in which at least one hydrogen atom of a compound serving as a solvent is substituted with a halogen atom. As described above, the halogen-based solvent is classified into an aliphatic halogen-based solvent and an aromatic halogen-based solvent. Therefore, in the present invention, the aliphatic halogen solvent and the aromatic halogen solvent may be collectively referred to as a halogen solvent.

また、溶媒は、あらかじめ脱気しておくことが好ましい。溶媒中における溶存酸素濃度を、10ppm以下とすることが好ましい。脱気の方法としては、減圧下超音波を照射する方法、アルゴン等の不活性ガスをバブリングする方法等が挙げられる。
さらに、溶媒は、あらかじめ脱水しておくことが好ましい。溶媒中における水分量を、1000ppm以下とすることが好ましく、100ppm以下とすることがより好ましい。溶媒中の水分量を予め上述の範囲内にしておくと、熱電変換材料及び熱電変換層の含水量を0.01〜15質量%に調整できる。溶媒の脱水方法としては、モレキュラーシーブを用いる方法、蒸留等、公知の方法を用いることができる。
The solvent is preferably degassed in advance. The dissolved oxygen concentration in the solvent is preferably 10 ppm or less. Examples of the degassing method include a method of irradiating ultrasonic waves under reduced pressure, a method of bubbling an inert gas such as argon, and the like.
Further, the solvent is preferably dehydrated in advance. The amount of water in the solvent is preferably 1000 ppm or less, and more preferably 100 ppm or less. When the water content in the solvent is set in the above range in advance, the water content of the thermoelectric conversion material and the thermoelectric conversion layer can be adjusted to 0.01 to 15% by mass. As a method for dehydrating the solvent, a known method such as a method using molecular sieve or distillation can be used.

熱電変換材料中の溶媒量は、熱電変換材料の全量に対して、25〜99.99質量%であることが好ましく、30〜99.95質量%であることがより好ましく、30〜99.9質量%であることがさらに好ましい。   The amount of the solvent in the thermoelectric conversion material is preferably 25 to 99.99% by mass, more preferably 30 to 99.95% by mass, and more preferably 30 to 99.9% with respect to the total amount of the thermoelectric conversion material. More preferably, it is mass%.

上述の共重合体と共に、ナノ導電性材料、溶媒、特に有機溶媒を含んでなる本発明の熱導電性材料は、良好なナノ導電性材料分散性を示し、有機溶媒がハロゲン系溶媒であると、本発明の共重合体はナノ導電性材料の存在下における顕著な分散性を示す。この観点から、本発明の熱導電性材料の別の態様として、上述の共重合体、ナノ導電性材料及び溶媒、好ましくは有機溶媒、特に好ましくはハロゲン系溶媒を含有し、ナノ導電性材料を溶媒、有機溶媒又はハロゲン系溶媒中に分散してなるナノ導電性材料分散物を包含する。当該分散物は、ナノ導電性材料の分散性がよいため、ナノ導電性材料本来の高い導電性を発揮でき、熱電変換材料をはじめとする各種の導電性材料に好適に用いることができる。このように、本発明に用いる共重合体は、熱電変換材料の塗布性、成膜性を大きく損なうことなく、製造設備、用途及び製造環境等に好適な溶媒をハロゲン系溶媒から適宜に選択して用いることができる。   The thermally conductive material of the present invention comprising a nanoconductive material and a solvent, particularly an organic solvent, together with the above-mentioned copolymer exhibits good nanoconductive material dispersibility, and the organic solvent is a halogen-based solvent. The copolymer of the present invention exhibits remarkable dispersibility in the presence of a nanoconductive material. From this viewpoint, as another embodiment of the thermally conductive material of the present invention, the above-mentioned copolymer, nanoconductive material and solvent, preferably an organic solvent, particularly preferably a halogen-based solvent, The nano electroconductive material dispersion dispersed in a solvent, an organic solvent or a halogen-based solvent is included. Since the dispersion has good dispersibility of the nano-conductive material, the nano-conductive material can exhibit high original conductivity, and can be suitably used for various conductive materials including a thermoelectric conversion material. As described above, the copolymer used in the present invention appropriately selects a solvent suitable for the production equipment, application, production environment, etc. from the halogen-based solvent without significantly impairing the coating property and film forming property of the thermoelectric conversion material. Can be used.

<ドーパント>
本発明の熱電変換材料は、本発明の熱電変換材料においてキャリア濃度の増加によって導電性をさらに向上させるために、適宜ドーパントを含有してもよい。ドーパントは、上述の一般式(1)で表される共重合体にドープされる化合物で、この共重合体をプロトン化する或いは芳香族高分子のπ共役系から電子を取り除くことで、該共重合体を正の電荷でドーピング(p型ドーピング)することができるものであればよい。具体的には、下記のオニウム塩化合物、酸化剤、酸性化合物、電子受容体化合物等を用いることができる。
<Dopant>
The thermoelectric conversion material of the present invention may contain a dopant as appropriate in order to further improve conductivity by increasing the carrier concentration in the thermoelectric conversion material of the present invention. The dopant is a compound doped in the copolymer represented by the above general formula (1), and the copolymer is protonated or electrons are removed from the π-conjugated system of the aromatic polymer. Any polymer that can dope the polymer with positive charge (p-type doping) may be used. Specifically, the following onium salt compounds, oxidizing agents, acidic compounds, electron acceptor compounds and the like can be used.

1.オニウム塩化合物
ドーパントとして用いるオニウム塩化合物は、活性エネルギー線(放射線や電磁波等)の照射、熱の付与等のエネルギー付与によって酸を発生する化合物(酸発生剤、酸前駆体)であることが好ましい。このようなオニウム塩化合物として、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、アンモニウム塩、カルボニウム塩、ホスホニウム塩等が挙げられる。なかでも、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、アンモニウム塩、カルボニウム塩が好ましく、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、カルボニウム塩がより好ましく、スルホニウム塩、ヨードニウム塩が特に好ましい。当該塩を構成するアニオン部分としては、強酸の対アニオンが挙げられる。
1. Onium salt compound The onium salt compound used as a dopant is preferably a compound (acid generator, acid precursor) that generates an acid upon application of energy such as irradiation of active energy rays (radiation, electromagnetic waves, etc.) or application of heat. . Examples of such onium salt compounds include sulfonium salts, iodonium salts, ammonium salts, carbonium salts, phosphonium salts, and the like. Of these, sulfonium salts, iodonium salts, ammonium salts and carbonium salts are preferable, sulfonium salts, iodonium salts and carbonium salts are more preferable, and sulfonium salts and iodonium salts are particularly preferable. Examples of the anion moiety constituting the salt include a strong acid counter anion.

具体的には、スルホニウム塩としては下記一般式(I)又は(II)で表される化合物が、ヨードニウム塩としては下記一般式(III)で表される化合物が、アンモニウム塩としては下記一般式(IV)で表される化合物が、カルボニウム塩としては下記一般式(V)で表される化合物がそれぞれ挙げられ、本発明において好ましく用いられる。   Specifically, the compound represented by the following general formula (I) or (II) is used as the sulfonium salt, the compound represented by the following general formula (III) is used as the iodonium salt, and the following general formula is used as the ammonium salt. Examples of the compound represented by (IV) and the carbonium salt include compounds represented by the following general formula (V), which are preferably used in the present invention.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

上記一般式(I)〜(V)中、R21〜R23、R25〜R26及びR31〜R33は、それぞれ独立にアルキル基、アラルキル基、アリール基、芳香族へテロ環基を表す。R27〜R30は、それぞれ独立に水素原子、アルキル基、アラルキル基、アリール基、芳香族へテロ環基、アルコキシ基、アリールオキシ基を表す。R24は、アルキレン基、アリーレン基を示す。R21〜R33の置換基は、さらに置換基で置換されていてもよい。Xは、強酸のアニオンを表す。
一般式(I)においてR21〜R23のいずれか2つの基が、一般式(II)においてR21及びR23が、一般式(III)においてR25及びR26が、一般式(IV)においてR27〜R30のいずれか2つの基が、一般式(V)においてR31〜R33のいずれか2つの基が、それぞれ結合して脂肪族環、芳香族環、ヘテロ環を形成してもよい。
In the general formulas (I) to (V), R 21 to R 23 , R 25 to R 26 and R 31 to R 33 each independently represent an alkyl group, an aralkyl group, an aryl group, or an aromatic heterocyclic group. Represent. R 27 to R 30 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group, an aralkyl group, an aryl group, an aromatic heterocyclic group, an alkoxy group, or an aryloxy group. R 24 represents an alkylene group or an arylene group. The substituents of R 21 to R 33 may be further substituted with a substituent. X represents an anion of a strong acid.
Any two groups of R 21 to R 23 in the general formula (I) is, R 21 and R 23 in the general formula (II) is, the R 25 and R 26 in formula (III), general formula (IV) Any two groups of R 27 to R 30 are bonded to any two groups of R 31 to R 33 in the general formula (V) to form an aliphatic ring, an aromatic ring, or a heterocyclic ring. May be.

21〜R23、R25〜R33において、アルキル基には直鎖、分岐、環状のアルキル基が含まれ、直鎖又は分岐のアルキル基としては、炭素数1〜20のアルキル基が好ましく、具体的には、メチル、エチル、プロピル、n−ブチル、sec−ブチル、t−ブチル、ヘキシル、オクチル、ドデシル等が挙げられる。
環状アルキル基としては、炭素数3〜20のアルキル基が好ましく、具体的には、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、ビシクロオクチル、ノルボルニル、アダマンチル等が挙げられる。
アラルキル基としては、炭素数7〜15のアラルキル基が好ましく、具体的には、ベンジル、フェネチル等が挙げられる。
アリール基としては、炭素数6〜20のアリール基が好ましく、具体的には、フェニル、ナフチル、アントラニル、フェナンシル、ピレニル等が挙げられる。
芳香族へテロ環基としては、ピリジン環基、ピラゾール環基、イミダゾール環基、ベンゾイミダゾール環基、インドール環基、キノリン環基、イソキノリン環基、プリン環基、ピリミジン環基、オキサゾール環基、チアゾール環基、チアジン環基等が挙げられる。
In R 21 to R 23 and R 25 to R 33 , the alkyl group includes a linear, branched or cyclic alkyl group, and the linear or branched alkyl group is preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. Specific examples include methyl, ethyl, propyl, n-butyl, sec-butyl, t-butyl, hexyl, octyl, dodecyl and the like.
The cyclic alkyl group is preferably an alkyl group having 3 to 20 carbon atoms, and specific examples include cyclopropyl, cyclopentyl, cyclohexyl, bicyclooctyl, norbornyl, adamantyl and the like.
The aralkyl group is preferably an aralkyl group having 7 to 15 carbon atoms, and specific examples include benzyl and phenethyl.
As the aryl group, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms is preferable, and specific examples include phenyl, naphthyl, anthranyl, phenanthyl, pyrenyl and the like.
As aromatic heterocyclic group, pyridine ring group, pyrazole ring group, imidazole ring group, benzimidazole ring group, indole ring group, quinoline ring group, isoquinoline ring group, purine ring group, pyrimidine ring group, oxazole ring group, Examples include a thiazole ring group and a thiazine ring group.

27〜R30において、アルコキシ基としては、炭素数1〜20の直鎖又は分岐のアルコキシ基が好ましく、具体的には、メトキシ、エトキシ、iso−プロポキシ、ブトキシ、ヘキシルオキシ等が挙げられる。
アリールオキシ基としては、炭素数6〜20のアリールオキシ基が好ましく、具体的には、フェノキシ、ナフチルオキシ等が挙げられる。
In R 27 to R 30 , the alkoxy group is preferably a linear or branched alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and specific examples include methoxy, ethoxy, iso-propoxy, butoxy, hexyloxy and the like.
The aryloxy group is preferably an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, and specific examples include phenoxy and naphthyloxy.

24において、アルキレン基には直鎖、分岐、環状のアルキレン基が含まれ、炭素数2〜20のアルキレン基が好ましい。具体的には、エチレン、プロピレン、ブチレン、へキシレン等が挙げられる。環状アルキレン基としては、炭素数3〜20の環状アルキレン基が好ましく、具体的には、シクロペンチレン、シクロへキシレン、ビシクロオクチレン、ノルボニレン、アダマンチレン等が挙げられる。
アリーレン基としては、炭素数6〜20のアリーレン基が好ましく、具体的には、フェニレン、ナフチレン、アントラニレン等が挙げられる。
In R 24 , the alkylene group includes linear, branched and cyclic alkylene groups, and an alkylene group having 2 to 20 carbon atoms is preferable. Specific examples include ethylene, propylene, butylene, hexylene and the like. As the cyclic alkylene group, a cyclic alkylene group having 3 to 20 carbon atoms is preferable, and specific examples include cyclopentylene, cyclohexylene, bicyclooctylene, norbornylene, adamantylene and the like.
As the arylene group, an arylene group having 6 to 20 carbon atoms is preferable, and specific examples include phenylene, naphthylene, and anthranylene.

21〜R33の置換基が更に置換基を有する場合、置換基として好ましくは、炭素数1〜4のアルキル基、炭素数1〜4のアルコキシ基、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、沃素原子)、炭素数6〜10のアリール基、炭素数6〜10のアリールオキシ基、炭素数2〜6のアルケニル基、シアノ基、ヒドロキシ基、カルボキシ基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アルキルカルボニルアルキル基、アリールカルボニル基、アリールカルボニルアルキル基、ニトロ基、アルキルスルホニル基、トリフルオロメチル基、−S−R41等が挙げられる。なお、R41の置換基は上述のR21と同義である。 When the substituent of R 21 to R 33 further has a substituent, the substituent is preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 4 carbon atoms, a halogen atom (fluorine atom, chlorine atom, iodine). Atom), aryl group having 6 to 10 carbon atoms, aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms, alkenyl group having 2 to 6 carbon atoms, cyano group, hydroxy group, carboxy group, acyl group, alkoxycarbonyl group, alkylcarbonylalkyl Group, arylcarbonyl group, arylcarbonylalkyl group, nitro group, alkylsulfonyl group, trifluoromethyl group, -S- R41 and the like. Incidentally, the substituents of R 41 has the same meaning as above R 21.

としては、アリールスルホン酸のアニオン、パーフルオロアルキルスルホン酸のアニオン、過ハロゲン化ルイス酸のアニオン、パーフルオロアルキルスルホンイミドのアニオン、過ハロゲン酸アニオン、又は、アルキル若しくはアリールボレートアニオンが好ましい。これらは、さらに置換基を有してもよく、置換基としてはフルオロ基が挙げられる。
アリールスルホン酸のアニオンとして具体的には、p−CHSO 、CSO 、ナフタレンスルホン酸のアニオン、ナフトキノンスルホン酸のアニオン、ナフタレンジスルホン酸のアニオン、アントラキノンスルホン酸のアニオンが挙げられる。
パーフルオロアルキルスルホン酸のアニオンとして具体的には、CFSO 、CSO 、C17SO が挙げられる。
過ハロゲン化ルイス酸のアニオンとして具体的には、PF 、SbF 、BF 、AsF 、FeCl が挙げられる。
パーフルオロアルキルスルホンイミドのアニオンとして具体的には、CFSO−N−SOCF、CSO−N−SOが挙げられる。
過ハロゲン酸アニオンとして具体的には、ClO 、BrO 、IO が挙げられる。
アルキル若しくはアリールボレートアニオンとして具体的には、(C、(C、(p−CH、(CF)が挙げられる。
X is preferably an anion of an aryl sulfonic acid, an anion of a perfluoroalkyl sulfonic acid, an anion of a perhalogenated Lewis acid, an anion of a perfluoroalkylsulfonimide, a perhalogenate anion, or an alkyl or aryl borate anion. These may further have a substituent, and examples of the substituent include a fluoro group.
Specific examples of anions of aryl sulfonic acid include p-CH 3 C 6 H 4 SO 3 , C 6 H 5 SO 3 , an anion of naphthalene sulfonic acid, an anion of naphthoquinone sulfonic acid, an anion of naphthalenedisulfonic acid, anthraquinone Examples include sulfonic acid anions.
Specific examples of the anion of perfluoroalkylsulfonic acid include CF 3 SO 3 , C 4 F 9 SO 3 , and C 8 F 17 SO 3 .
Specific examples of the anion of the perhalogenated Lewis acid include PF 6 , SbF 6 , BF 4 , AsF 6 , and FeCl 4 .
Specific examples of the anion of perfluoroalkylsulfonimide include CF 3 SO 2 —N SO 2 CF 3 and C 4 F 9 SO 2 —N SO 2 C 4 F 9 .
Specific examples of the perhalogenate anion include ClO 4 , BrO 4 and IO 4 .
Specific examples of the alkyl or aryl borate anion include (C 6 H 5 ) 4 B , (C 6 F 5 ) 4 B , (p-CH 3 C 6 H 4 ) 4 B , (C 6 H 4 F) 4 B -, and the like.

オニウム塩の具体例を以下に示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Specific examples of the onium salt are shown below, but the present invention is not limited thereto.

Figure 2014146681
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Figure 2014146681
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なお、上記具体例中のXは、PF 、SbF 、CFSO 、p−CHSO 、BF 、(C、RfSO 、(C、又は下記式で表されるアニオンを表し、Rfはパーフルオロアルキル基を表す。 In the above specific examples, X represents PF 6 , SbF 6 , CF 3 SO 3 , p-CH 3 C 6 H 4 SO 3 , BF 4 , (C 6 H 5 ) 4 B −. , RfSO 3 , (C 6 F 5 ) 4 B , or an anion represented by the following formula, Rf represents a perfluoroalkyl group.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

Figure 2014146681
Figure 2014146681

本発明においては、特に下記一般式(VI)又は(VII)で表されるオニウム塩化合物が好ましい。   In the present invention, an onium salt compound represented by the following general formula (VI) or (VII) is particularly preferable.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

一般式(VI)中、Yは炭素原子又は硫黄原子を表し、Arはアリール基を表し、Ar〜Arは、それぞれ独立にアリール基、芳香族へテロ環基を表す。Ar〜Arは、さらに置換基で置換されていてもよい。
Arとしては、好ましくはフルオロ置換アリール基又は少なくとも1つのパーフルオロアルキル基で置換されたアリール基であり、より好ましくはペンタフルオロフェニル基、又は少なくとも1つのパーフルオロアルキル基で置換されたフェニル基であり、特に好ましくはペンタフルオロフェニル基である。
Ar〜Arのアリール基、芳香族へテロ環基は、上述のR21〜R23、R25〜R33のアリール基、芳香族へテロ環基と同義であり、好ましくはアリール基であり、より好ましくはフェニル基である。これらの基は、さらに置換基で置換されていてもよく、置換基としては上述のR21〜R33の置換基が挙げられる。
In general formula (VI), Y represents a carbon atom or a sulfur atom, Ar 1 represents an aryl group, and Ar 2 to Ar 4 each independently represents an aryl group or an aromatic heterocyclic group. Ar 1 to Ar 4 may be further substituted with a substituent.
Ar 1 is preferably a fluoro-substituted aryl group or an aryl group substituted with at least one perfluoroalkyl group, more preferably a pentafluorophenyl group or a phenyl group substituted with at least one perfluoroalkyl group And particularly preferably a pentafluorophenyl group.
The aryl group and aromatic heterocyclic group of Ar 2 to Ar 4 have the same meanings as the aryl group and aromatic heterocyclic group of R 21 to R 23 and R 25 to R 33 described above, preferably an aryl group. Yes, more preferably a phenyl group. These groups may be further substituted with a substituent, and examples of the substituent include the above-described substituents R 21 to R 33 .

Figure 2014146681
Figure 2014146681

一般式(VII)中、Arはアリール基を表し、Ar及びArは、それぞれ独立にアリール基、芳香族へテロ環基を表す。Ar、Ar及びArは、さらに置換基で置換されていてもよい。
Arは、上記一般式(VI)のArと同義であり、好ましい範囲も同様である。
Ar及びArは、上記一般式(VI)のAr〜Arと同義であり、好ましい範囲も同様である。
In General Formula (VII), Ar 1 represents an aryl group, and Ar 5 and Ar 6 each independently represent an aryl group or an aromatic heterocyclic group. Ar 1 , Ar 5 and Ar 6 may be further substituted with a substituent.
Ar 1 has the same meaning as Ar 1 in the general formula (VI), and the preferred range is also the same.
Ar 5 and Ar 6 are synonymous with Ar 2 to Ar 4 in the general formula (VI), and preferred ranges thereof are also the same.

上記オニウム塩化合物は、通常の化学合成により製造することができる。また、市販の試薬等を用いることもできる。
オニウム塩化合物の合成方法の一実施態様として、トリフェニルスルホニウム テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートの合成方法を下記に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。他のオニウム塩に関しても、同様の手法により合成することができる。
トリフェニルスルホニウムブロミド(東京化成製)2.68g、リチウム テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート−エチルエ−テルコンプレックス(東京化成製)5.00g及びエタノール146mlを500ml容三口フラスコに入れ、室温にて2時間撹拌した後、純水200mlを添加し、析出した白色固形物を濾過により分取する。この白色固体を純水及びエタノールにて洗浄及び真空乾燥することにより、オニウム塩としてトリフェニルスルホニウム テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートを6.18g得ることができる。
The said onium salt compound can be manufactured by normal chemical synthesis. Moreover, a commercially available reagent etc. can also be used.
As an embodiment of the method for synthesizing the onium salt compound, a method for synthesizing triphenylsulfonium tetrakis (pentafluorophenyl) borate is shown below, but the present invention is not limited to this. Other onium salts can be synthesized by the same method.
2.68 g of triphenylsulfonium bromide (manufactured by Tokyo Chemical Industry), 5.00 g of lithium tetrakis (pentafluorophenyl) borate-ethyl ether complex (manufactured by Tokyo Chemical Industry) and 146 ml of ethanol were placed in a 500 ml three-necked flask and kept at room temperature for 2 hours. After stirring, 200 ml of pure water is added, and the precipitated white solid is collected by filtration. By washing the white solid with pure water and ethanol and vacuum drying, 6.18 g of triphenylsulfonium tetrakis (pentafluorophenyl) borate can be obtained as an onium salt.

2.酸化剤、酸性化合物、電子受容体化合物
本発明でドーパントとして用いる酸化剤としては、ハロゲン(Cl,Br,I,ICl,ICl,IBr,IF)、ルイス酸(PF,AsF,SbF,BF,BCl,BBr,SO)、遷移金属化合物(FeCl,FeOCl,TiCl,ZrCl,HfCl,NbF,NbCl,TaCl,MoF,MoCl,WF,WCl,UF,LnCl(Ln=La,Ce,Pr,Nd,Sm等のランタノイド)、その他、O,O,XeOF,(NO )(SbF ),(NO )(SbCl ),(NO )(BF ),FSOOOSOF,AgClO,HIrCl,La(NO・6HO等が挙げられる。
2. Oxidizing agent, acidic compound, electron acceptor compound As the oxidizing agent used as a dopant in the present invention, halogen (Cl 2 , Br 2 , I 2 , ICl, ICl 3 , IBr 3 , IF), Lewis acid (PF 5 , AsF 5) , SbF 5, BF 3, BCl 3, BBr 3, SO 3), the transition metal compound (FeCl 3, FeOCl, TiCl 4 , ZrCl 4, HfCl 4, NbF 5, NbCl 5, TaCl 5, MoF 5, MoCl 5, WF 6 , WCl 6 , UF 6 , LnCl 3 (Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm and other lanthanoids), O 2 , O 3 , XeOF 4 , (NO 2 + ) (SbF 6 ), (NO 2 + ) (SbCl 6 ), (NO 2 + ) (BF 4 ), FSO 2 OOSO 2 F, AgClO 4 , H 2 IrCl 6 , La (NO 3 ) 3 · 6H 2 O, and the like.

酸性化合物としては、下記に示すポリリン酸、ヒドロキシ化合物、カルボキシ化合物、又はスルホン酸化合物、プロトン酸(HF,HCl,HNO,HSO,HClO,FSOH,CISOH,CFSOH,各種有機酸,アミノ酸等)が挙げられる。 Examples of the acidic compound include polyphosphoric acid, hydroxy compound, carboxy compound, or sulfonic acid compound, protonic acid (HF, HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 , HClO 4 , FSO 3 H, CISO 3 H, CF 3) SO 3 H, various organic acids, amino acids, etc.).

電子受容体化合物としては、TCNQ(テトラシアノキノジメタン)、テトラフルオロテトラシアノキノジメタン、ハロゲン化テトラシアノキノジメタン、1,1−ジシアノビニレン、1,1,2−トリシアノビニレン、ベンゾキノン、ペンタフルオロフェノール、ジシアノフルオレノン、シアノ−フルオロアルキルスルホニル−フルオレノン、ピリジン、ピラジン、トリアジン、テトラジン、ピリドピラジン、ベンゾチアジアゾール、ヘテロサイクリックチアジアゾール、ポルフィリン、フタロシアニン、ボロンキノレート系化合物、ボロンジケトネート系化合物、ボロンジイソインドメテン系化合物、カルボラン系化合物、その他ホウ素原子含有化合物、又は、Chemistry Letters,1991,p.1707−1710に記載の電子受容性化合物等が挙げられる。   Examples of electron acceptor compounds include TCNQ (tetracyanoquinodimethane), tetrafluorotetracyanoquinodimethane, halogenated tetracyanoquinodimethane, 1,1-dicyanovinylene, 1,1,2-tricyanovinylene, benzoquinone. , Pentafluorophenol, dicyanofluorenone, cyano-fluoroalkylsulfonyl-fluorenone, pyridine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyridopyrazine, benzothiadiazole, heterocyclic thiadiazole, porphyrin, phthalocyanine, boron quinolate compound, boron diketonate compound, Boron diisoindomethene compounds, carborane compounds, other boron atom-containing compounds, or Chemistry Letters, 1991, p. And electron accepting compounds described in 1707-1710.

−ポリリン酸−
ポリリン酸には、二リン酸、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸、メタリン酸及ポリリン酸、及びこれらの塩が含まれる。これらの混合物であってもよい。本発明ではポリリン酸は、二リン酸、ピロリン酸、三リン酸、ポリリン酸であることが好ましく、ポリリン酸であることがより好ましい。ポリリン酸は、HPOを充分なP10(無水リン酸)とともに加熱することにより、或いはHPOを加熱して水を除去することにより合成できる。
-Polyphosphoric acid-
Polyphosphoric acid includes diphosphoric acid, pyrophosphoric acid, triphosphoric acid, tetraphosphoric acid, metaphosphoric acid and polyphosphoric acid, and salts thereof. A mixture thereof may be used. In the present invention, the polyphosphoric acid is preferably diphosphoric acid, pyrophosphoric acid, triphosphoric acid, or polyphosphoric acid, and more preferably polyphosphoric acid. Polyphosphoric acid can be synthesized by heating H 3 PO 4 with sufficient P 4 O 10 (anhydrous phosphoric acid) or by heating H 3 PO 4 to remove water.

−ヒドロキシ化合物−
ヒドロキシ化合物は水酸基を少なくとも1つ有する化合物であればよく、フェノール性水酸基を有することが好ましい。ヒドロキシ化合物としては、下記一般式(VIII)で表される化合物が好ましい。
-Hydroxy compounds-
The hydroxy compound may be a compound having at least one hydroxyl group, and preferably has a phenolic hydroxyl group. As the hydroxy compound, a compound represented by the following general formula (VIII) is preferable.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

一般式(VIII)中、Rはスルホ基、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、カルボキシ基、アルコキシカルボニル基を表し、nは1〜6を示し、mは0〜5を示す。
Rとしては、スルホ基、アルキル基、アリール基、カルボキシ基、アルコキシカルボニル基が好ましく、スルホ基がより好ましい。
nは、1〜5が好ましく、1〜4がより好ましく、1〜3が更に好ましい。
mは、0〜5であり、0〜4が好ましく、0〜3が更に好ましい。
In general formula (VIII), R represents a sulfo group, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a carboxy group, or an alkoxycarbonyl group, n represents 1 to 6, and m represents 0 to 5.
R is preferably a sulfo group, an alkyl group, an aryl group, a carboxy group, or an alkoxycarbonyl group, and more preferably a sulfo group.
n is preferably 1 to 5, more preferably 1 to 4, and still more preferably 1 to 3.
m is 0-5, 0-4 are preferable and 0-3 are more preferable.

−カルボキシ化合物−
カルボキシ化合物としてはカルボキシ基を少なくとも1つ有する化合物であればよく、下記一般式(IX)又は(X)で表される化合物が好ましい。
-Carboxy compound-
The carboxy compound may be a compound having at least one carboxy group, and a compound represented by the following general formula (IX) or (X) is preferable.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

一般式(IX)中、Aは二価の連結基を表す。該二価の連結基としては、アルキレン基、アリーレン基又はアルケニレン基と、酸素原子、硫黄原子又は窒素原子との組み合わせが好ましく、アルキレン基又はアリーレン基と、酸素原子又は硫黄原子との組み合わせがより好ましい。なお、二価の連結基がアルキレン基と硫黄原子との組み合わせの場合、当該化合物はチオエーテル化合物にも該当する。このようなチオエーテル化合物の使用も好適である。
Aで表される二価の連結基がアルキレン基を含むとき、該アルキレン基は置換基を有していてもよい。該置換基としては、アルキル基が好ましく、カルボキシ基を置換基として有することがより好ましい。
In general formula (IX), A represents a divalent linking group. The divalent linking group is preferably a combination of an alkylene group, an arylene group or an alkenylene group and an oxygen atom, a sulfur atom or a nitrogen atom, and more preferably a combination of an alkylene group or an arylene group and an oxygen atom or a sulfur atom. preferable. When the divalent linking group is a combination of an alkylene group and a sulfur atom, the compound also corresponds to a thioether compound. The use of such a thioether compound is also suitable.
When the divalent linking group represented by A includes an alkylene group, the alkylene group may have a substituent. As the substituent, an alkyl group is preferable, and a carboxy group is more preferable as a substituent.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

一般式(X)中、Rはスルホ基、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、ヒドロキシ基、アルコキシカルボニル基を表し、nは1〜6を示し、mは0〜5を示す。
Rとしては、スルホ基、アルキル基、アリール基、ヒドロキシ基、アルコキシカルボニル基が好ましく、スルホ基、アルコキシカルボニル基がより好ましい。
nは、1〜5が好ましく、1〜4がより好ましく、1〜3が更に好ましい。
mは、0〜5であり、0〜4が好ましく、0〜3が更に好ましい。
In general formula (X), R represents a sulfo group, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a hydroxy group, or an alkoxycarbonyl group, n represents 1 to 6, and m represents 0 to 5.
R is preferably a sulfo group, an alkyl group, an aryl group, a hydroxy group or an alkoxycarbonyl group, more preferably a sulfo group or an alkoxycarbonyl group.
n is preferably 1 to 5, more preferably 1 to 4, and still more preferably 1 to 3.
m is 0-5, 0-4 are preferable and 0-3 are more preferable.

−スルホン酸化合物−
スルホン酸化合物は、スルホ基を少なくとも1つ有する化合物であり、スルホ基を2つ以上有する化合物が好ましい。スルホン酸化合物として好ましくは、アリール基、アルキル基に置換されたものであり、より好ましくは、アリール基に置換されたものである。
なお、上記で説明したヒドロキシ化合物及びカルボキシ化合物において、置換基としてスルホ基を有する化合物は、上述のように、ヒドロキシ化合物及びカルボキシ化合物に分類する。したがって、スルホン酸化合物は、スルホ基を有するヒドロキシ化合物及びカルボキシ化合物を包含しない。
-Sulphonic acid compound-
The sulfonic acid compound is a compound having at least one sulfo group, and a compound having two or more sulfo groups is preferable. The sulfonic acid compound is preferably one substituted with an aryl group or an alkyl group, and more preferably one substituted with an aryl group.
In addition, in the hydroxy compound and carboxy compound demonstrated above, the compound which has a sulfo group as a substituent is classified into a hydroxy compound and a carboxy compound as mentioned above. Therefore, the sulfonic acid compound does not include a hydroxy compound having a sulfo group and a carboxy compound.

本発明において、これらのドーパントを用いることは必須ではないが、ドーパントを使用すると導電率向上により熱電変換特性の更なる向上が期待でき、好ましい。ドーパントを使用する場合、1種類単独で又は2種類以上を組み合わせて使用することができる。ドーパントの使用量は、最適なキャリア濃度のコントロールの観点から、上述の一般式(1)で表される共重合体100質量部に対して0質量部を超え60質量部以下の割合で使用することが好ましく、2〜50質量部使用することがより好ましく、5〜40質量部使用することがさらに好ましい。   In the present invention, it is not essential to use these dopants. However, the use of dopants is preferable because further improvement in thermoelectric conversion characteristics can be expected due to improvement in conductivity. When using a dopant, it can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. The dopant is used in an amount of more than 0 parts by mass and 60 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the copolymer represented by the general formula (1) from the viewpoint of controlling the optimum carrier concentration. It is preferable to use 2 to 50 parts by mass, and it is more preferable to use 5 to 40 parts by mass.

熱電変換材料の分散性や成膜性向上の観点から、上記ドーパントの中でも、オニウム塩化合物を用いることが好ましい。オニウム塩化合物は、酸放出前の状態では中性で、光や熱等のエネルギー付与により分解して酸を発生し、この酸によりドーピング効果が発現する。そのため、熱電変換材料を所望の形状に成形・加工した後に、光照射等によりドーピングを行って、ドーピング効果を発現させることができる。さらに、酸放出前は中性であるため、上述の共重合体を凝集・析出等させることなく、該共重合体やナノ導電性材料等の各成分が熱電変換材料中に均一に溶解又は分散する。この熱電変換材料の均一溶解性又は分散性により、ドーピング後には優れた導電性を発揮でき、さらに、良好な塗布性や成膜性が得られるため、熱電変換層等の成形・加工性にも優れる。   Of the above dopants, it is preferable to use an onium salt compound from the viewpoint of improving the dispersibility of the thermoelectric conversion material and the film formability. The onium salt compound is neutral in a state before acid release, and decomposes upon application of energy such as light and heat to generate an acid, and this acid exhibits a doping effect. Therefore, after the thermoelectric conversion material is formed and processed into a desired shape, doping can be performed by light irradiation or the like to develop a doping effect. Furthermore, since it is neutral before acid release, each component such as the copolymer and nano-conductive material is uniformly dissolved or dispersed in the thermoelectric conversion material without agglomerating and precipitating the above-mentioned copolymer. To do. Due to the uniform solubility or dispersibility of this thermoelectric conversion material, it is possible to exhibit excellent conductivity after doping, and furthermore, good applicability and film formability can be obtained. Excellent.

<励起アシスト剤>
本発明の熱電変換材料は、熱電変換特性がさらに向上する点で、熱励起アシスト剤を含有することが好ましい。熱励起アシスト剤は、上述の一般式(1)で表される共重合体の分子軌道のエネルギー準位に対して特定のエネルギー準位差の分子軌道を持った物質であり、該共重合体とともに用いることで、熱励起効率を高め、熱電変換材料の熱起電力を向上させることができる。
<Excitation assist agent>
The thermoelectric conversion material of the present invention preferably contains a thermal excitation assisting agent in terms of further improving thermoelectric conversion characteristics. The thermal excitation assist agent is a substance having a molecular orbital having a specific energy level difference with respect to the energy level of the molecular orbital of the copolymer represented by the general formula (1). By using together, thermal excitation efficiency can be improved and the thermoelectromotive force of a thermoelectric conversion material can be improved.

本発明で用いる熱励起アシスト剤とは、上述の共重合体のLUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital;最低空軌道)よりもエネルギー準位の低いLUMOを有する化合物であって、共重合体にドープ準位を形成しない化合物をいう。前述のドーパントは共重合体にドープ準位を形成する化合物であり、熱励起アシスト剤の有無にかかわらずドープ準位を形成するものである。
共重合体にドープ準位が形成されるか否かは吸収スペクトルの測定により評価でき、本発明におけるドープ準位を形成する化合物及びドープ準位を形成しない化合物とは、下記の方法によって評価されたものをいう。
The thermal excitation assisting agent used in the present invention is a compound having a LUMO having a lower energy level than the LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) of the above-mentioned copolymer, Refers to a compound that does not form The aforementioned dopant is a compound that forms a dope level in the copolymer, and forms a dope level regardless of the presence or absence of a thermal excitation assisting agent.
Whether or not a doped level is formed in the copolymer can be evaluated by measuring an absorption spectrum. In the present invention, the compound that forms the doped level and the compound that does not form the doped level are evaluated by the following method. Say something.

−ドープ準位形成の有無の評価法−
ドーピング前の共重合体Aと別成分Bとを質量比1:1で混合し、薄膜化したサンプルの吸収スペクトルを観測する。その結果、共重合体A単独又は成分B単独の吸収ピークとは異なる新たな吸収ピークが発生し、かつこの新たな吸収ピーク波長が共重合体Aの吸収極大波長よりも長波長側である場合にドープ準位が発生したと判断する。この場合、成分Bをドーパントと定義する。一方、サンプルの吸収スペクトルに新たな吸収ピークが存在しない場合、成分Bを励起アシスト剤と定義する。
-Evaluation method for the presence or absence of doped level formation-
The copolymer A before doping and the other component B are mixed at a mass ratio of 1: 1, and the absorption spectrum of the thinned sample is observed. As a result, when a new absorption peak different from the absorption peak of copolymer A alone or component B alone is generated, and this new absorption peak wavelength is longer than the absorption maximum wavelength of copolymer A It is determined that a doping level is generated in In this case, component B is defined as a dopant. On the other hand, when a new absorption peak does not exist in the absorption spectrum of the sample, component B is defined as an excitation assist agent.

熱励起アシスト剤のLUMOは、上述の共重合体のLUMOよりもエネルギー準位が低く、該共重合体のHOMO(Highest Occupied Molecular Orbital;最高被占軌道)から発生した熱励起電子のアクセプター準位として機能する。
さらに、該共重合体のHOMOのエネルギー準位の絶対値と熱励起アシスト剤のLUMOのエネルギー準位の絶対値とが下記数式(I)を満たす関係にあるとき、熱電変換材料は優れた熱起電力を備えたものとなる。
The LUMO of the thermal excitation assisting agent has a lower energy level than the LUMO of the above-mentioned copolymer, and the acceptor level of thermally excited electrons generated from the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) of the copolymer. Function as.
Furthermore, when the absolute value of the HOMO energy level of the copolymer and the absolute value of the LUMO energy level of the thermal excitation assist agent satisfy the following formula (I), the thermoelectric conversion material has excellent heat Equipped with an electromotive force.

数式(I)
0.1eV≦|共重合体のHOMO|−|熱励起アシスト剤のLUMO|≦1.9eV
Formula (I)
0.1 eV ≦ | HOMO of copolymer |-| LUMO of thermal excitation assist agent | ≦ 1.9 eV

上記数式(I)は、熱励起アシスト剤のLUMOと共重合体のHOMOとのエネルギー差を表し、これが0.1eVよりも小さい場合(熱励起アシスト剤のLUMOのエネルギー準位が共重合体のHOMOのエネルギー準位よりも低い場合を含む)、共重合体のHOMO(ドナー)と熱励起アシスト剤のLUMO(アクセプター)との間の電子移動の活性化エネルギーが非常に小さくなるため、共重合体と熱励起アシスト剤との間で酸化還元反応が起きて凝集が発生してしまうことがある。その結果、材料の成膜性の悪化や導電率の悪化を招くこととなる。逆に、両軌道のエネルギー差が1.9eVよりも大きい場合、当該エネルギー差が熱励起エネルギーよりも遙かに大きくなってしまうために熱励起キャリアがほとんど発生しない、すなわち熱励起アシスト剤の添加効果がほとんどなくなってしまうことがある。熱電変換材料の熱起電力が向上には、両軌道のエネルギー差が上記数式(I)の範囲内であることが好ましい。
なお、共重合体及び熱励起アシスト剤のHOMO及びLUMOのエネルギー準位は、HOMOエネルギーレベルに関しては、単一の各成分の塗布膜(ガラス基板)をそれぞれ作製し、光電子分光法によりHOMO準位を測定できる。LUMO準位に関しては、紫外可視分光光度計を用いてバンドギャップを測定した後、上記で測定したHOMOエネルギーに加えることにより、LUMOエネルギーを算出できる。本発明において共重合体及び熱励起アシスト剤のHOMO及びLUMOのエネルギー準位は、当該方法により測定・算出された値を用いる。
The above formula (I) represents the energy difference between the LUMO of the thermal excitation assist agent and the HOMO of the copolymer, and when this is smaller than 0.1 eV (the LUMO energy level of the thermal excitation assist agent is that of the copolymer). Since the activation energy of electron transfer between the HOMO (donor) of the copolymer and the LUMO (acceptor) of the thermal excitation assisting agent is very small, Aggregation may occur due to an oxidation-reduction reaction between the coalescence and the thermal excitation assist agent. As a result, the film formability of the material is deteriorated and the conductivity is deteriorated. On the contrary, when the energy difference between both orbits is larger than 1.9 eV, the energy difference becomes much larger than the thermal excitation energy, so that almost no thermally excited carriers are generated, that is, the addition of the thermal excitation assisting agent. The effect may be almost lost. In order to improve the thermoelectromotive force of the thermoelectric conversion material, it is preferable that the energy difference between both orbits is within the range of the above formula (I).
Regarding the HOMO and LUMO energy levels of the copolymer and the thermal excitation assist agent, regarding the HOMO energy level, a single coating film (glass substrate) of each component was prepared, and the HOMO level was determined by photoelectron spectroscopy. Can be measured. Regarding the LUMO level, the LUMO energy can be calculated by measuring the band gap using an ultraviolet-visible spectrophotometer and then adding it to the HOMO energy measured above. In the present invention, the values measured and calculated by the method are used for the energy levels of HOMO and LUMO of the copolymer and the thermal excitation assist agent.

熱励起アシスト剤を用いると、熱励起効率が向上し、熱励起キャリア数が増加するため、熱電変換材料の熱起電力が向上する。このような熱励起アシスト剤による熱起電力向上効果は、共重合体のドーピング効果によって熱電変換性能を向上させる手法とは異なるものである。
上述の式(A)からわかるように、熱電変換材料の熱電変換性能を高めるためには、熱電変換材料のゼーベック係数Sの絶対値及び導電率σを大きくし、熱伝導率κを小さくすればよい。なお、ゼーベック係数は、絶対温度1Kあたりの熱起電力である。
熱励起アシスト剤はゼーベック係数を高めることで、熱電変換性能を向上させるものである。熱励起アシスト剤を用いた場合には、熱励起によって発生した電子がアクセプター準位である熱励起アシスト剤のLUMOに存在するため、共重合体上の正孔と熱励起アシスト剤上の電子とが物理的に離れて存在している。そのため、共重合体のドープ準位が熱励起によって発生した電子によって飽和されにくくなり、ゼーベック係数を高めることができる。
When the thermal excitation assist agent is used, the thermal excitation efficiency is improved and the number of thermally excited carriers is increased, so that the thermoelectromotive force of the thermoelectric conversion material is improved. Such an effect of improving the thermoelectromotive force by the thermal excitation assisting agent is different from the method of improving the thermoelectric conversion performance by the doping effect of the copolymer.
As can be seen from the above formula (A), in order to increase the thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion material, the absolute value of the Seebeck coefficient S and the conductivity σ of the thermoelectric conversion material are increased, and the thermal conductivity κ is decreased. Good. The Seebeck coefficient is a thermoelectromotive force per 1 K absolute temperature.
The thermal excitation assist agent improves the thermoelectric conversion performance by increasing the Seebeck coefficient. When a thermal excitation assist agent is used, electrons generated by thermal excitation exist in the LUMO of the thermal excitation assist agent, which is the acceptor level, so that the holes on the copolymer and the electrons on the thermal excitation assist agent Exists physically apart. Therefore, the doped level of the copolymer is less likely to be saturated by electrons generated by thermal excitation, and the Seebeck coefficient can be increased.

熱励起アシスト剤としては、ベンゾチアジアゾール骨格、ベンゾチアゾール骨格、ジチエノシロール骨格、シクロペンタジチオフェン骨格、チエノチオフェン骨格、チオフェン骨格、フルオレン骨格、及びフェニレンビニレン骨格から選ばれる少なくとも1種の構造を含む高分子化合物、フラーレン系化合物、フタロシアニン系化合物、ペリレンジカルボキシイミド系化合物、又はテトラシアノキノジメタン系化合物が好ましく、ベンゾチアジアゾール骨格、ベンゾチアゾール骨格、ジチエノシロール骨格、シクロペンタジチオフェン骨格、及びチエノチオフェン骨格から選ばれる少なくとも1種の構造を含む高分子化合物、フラーレン系化合物、フタロシアニン系化合物、ペリレンジカルボキシイミド系化合物、又はテトラシアノキノジメタン系化合物がより好ましい。   As the thermal excitation assist agent, a polymer containing at least one structure selected from a benzothiadiazole skeleton, a benzothiazole skeleton, a dithienosilol skeleton, a cyclopentadithiophene skeleton, a thienothiophene skeleton, a thiophene skeleton, a fluorene skeleton, and a phenylene vinylene skeleton Compounds, fullerene compounds, phthalocyanine compounds, perylene dicarboxyimide compounds, or tetracyanoquinodimethane compounds are preferred, and are from benzothiadiazole skeleton, benzothiazole skeleton, dithienosilole skeleton, cyclopentadithiophene skeleton, and thienothiophene skeleton. Polymer compound, fullerene compound, phthalocyanine compound, perylene dicarboxyimide compound, or tetracyanoquinodime containing at least one selected structure Emissions-based compounds are more preferable.

上述の特徴を満たす熱励起アシスト剤の具体例として下記のものが例示できるが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、下記の例示化合物中、nは整数(好ましくは10以上の整数)を、Meはメチル基を表す。   Although the following can be illustrated as a specific example of the thermal excitation assist agent which satisfy | fills the above-mentioned characteristic, this invention is not limited to these. In the following exemplary compounds, n represents an integer (preferably an integer of 10 or more), and Me represents a methyl group.

Figure 2014146681
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Figure 2014146681
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Figure 2014146681
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本発明の熱電変換材料には上記熱励起アシスト剤を1種単独で又は2種以上組み合わせて使用することができる。
熱電変換材料中の熱励起アシスト剤の含有量は、全固形分中、0〜35質量%であることが好ましく、3〜25質量%であることがより好ましく、5〜20質量%であることが特に好ましい。
また、熱励起アシスト剤は、上述の共重合体100質量部に対して0〜100質量部使用することが好ましく、5〜70質量部使用することがより好ましく、10〜50質量部使用することがさらに好ましい。
In the thermoelectric conversion material of the present invention, the thermal excitation assisting agent can be used alone or in combination of two or more.
The content of the thermal excitation assisting agent in the thermoelectric conversion material is preferably 0 to 35% by mass, more preferably 3 to 25% by mass, and 5 to 20% by mass in the total solid content. Is particularly preferred.
The thermal excitation assist agent is preferably used in an amount of 0 to 100 parts by weight, more preferably 5 to 70 parts by weight, and more preferably 10 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the copolymer. Is more preferable.

<金属元素>
本発明の熱電変換材料は、金属元素を、単体、イオン等として、含有しているのが、熱電変換特性の向上の観点で、好ましい。金属元素を添加すると、形成される熱電変換層中において、金属元素により電子の輸送が促進されるため、熱電変換特性が向上すると考えられる。金属元素は、特に限定されないが、熱電変換特性の点で、原子量45〜200の金属元素が好ましく、遷移金属元素が更に好ましく、亜鉛、鉄、パラジウム、ニッケル、コバルト、モリブデン、白金、スズであることが特に好ましい。金属元素の添加量に関しては、添加量が少なすぎると熱電変換特性の向上効果が十分に発現せず、逆に多すぎると熱電変換層の物理強度が低下してクラック発生等により熱電変換特性が低下することがある。したがって、本発明の熱電変換材料の固形分中、すなわち熱電変換層中の金属元素の濃度は、50〜30000ppmであることが好ましく、100〜10000ppmであることが更に好ましく、200〜5000ppmであることが特に好ましい。
本発明の熱電変換材料の中の金属元素濃度の測定方法に関しては、例えば、ICP質量分析装置(例えば、株式会社島津製作所製「ICPM−8500」(商品名))、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(例えば、株式会社島津製作所製「EDX−720」(商品名))等の公知の分析法により定量することができる。
<Metal element>
The thermoelectric conversion material of the present invention preferably contains a metal element as a simple substance, ions, or the like from the viewpoint of improving thermoelectric conversion characteristics. When a metal element is added, the transport of electrons is promoted by the metal element in the formed thermoelectric conversion layer, so that it is considered that the thermoelectric conversion characteristics are improved. The metal element is not particularly limited, but is preferably a metal element having an atomic weight of 45 to 200, more preferably a transition metal element, and zinc, iron, palladium, nickel, cobalt, molybdenum, platinum, and tin in terms of thermoelectric conversion characteristics. It is particularly preferred. Regarding the addition amount of the metal element, if the addition amount is too small, the effect of improving the thermoelectric conversion characteristics will not be sufficiently manifested. May decrease. Therefore, the concentration of the metal element in the solid content of the thermoelectric conversion material of the present invention, that is, in the thermoelectric conversion layer is preferably 50 to 30000 ppm, more preferably 100 to 10000 ppm, and 200 to 5000 ppm. Is particularly preferred.
Regarding the method for measuring the metal element concentration in the thermoelectric conversion material of the present invention, for example, an ICP mass spectrometer (for example, “ICPM-8500” (trade name) manufactured by Shimadzu Corporation), energy dispersive X-ray fluorescence analysis It can be quantified by a known analysis method such as an apparatus (for example, “EDX-720” (trade name) manufactured by Shimadzu Corporation).

<他の成分>
本発明の熱電変換材料は、上記成分の他に、酸化防止剤、対光安定剤、耐熱安定剤、可塑剤等を適宜含有してもよい。これらの成分の含有量は、材料の全固形分中、5質量%以下であることが好ましく、0〜2質量%であることがより好ましい。
酸化防止剤としては、イルガノックス1010(日本チガバイギー製)、スミライザーGA−80(住友化学工業(株)製)、スミライザーGS(住友化学工業(株)製)、スミライザーGM(住友化学工業(株)製)等が挙げられる。耐光安定剤としては、TINUVIN 234(BASF製)、CHIMASSORB 81(BASF製)、サイアソーブUV−3853(サンケミカル製)等が挙げられる。耐熱安定剤としては、IRGANOX 1726(BASF製)が挙げられる。可塑剤としては、アデカサイザーRS(アデカ製)等が挙げられる。
<Other ingredients>
The thermoelectric conversion material of the present invention may appropriately contain an antioxidant, a light stabilizer, a heat stabilizer, a plasticizer and the like in addition to the above components. The content of these components is preferably 5% by mass or less, and more preferably 0 to 2% by mass in the total solid content of the material.
Antioxidants include Irganox 1010 (manufactured by Cigabi Nippon), Sumilizer GA-80 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), Sumilizer GS (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), Sumilizer GM (Sumitomo Chemical Industries, Ltd.) Manufactured) and the like. Examples of the light-resistant stabilizer include TINUVIN 234 (manufactured by BASF), CHIMASSORB 81 (manufactured by BASF), and Siasorb UV-3853 (manufactured by Sun Chemical). IRGANOX 1726 (made by BASF) is mentioned as a heat-resistant stabilizer. Examples of the plasticizer include Adeka Sizer RS (manufactured by Adeka).

<熱電変換材料の調製>
本発明の熱電変換材料は、上記の各成分を混合して調製することができる。好ましくは、溶媒にナノ導電性材料、上述の一般式(1)で表される共重合体を添加して混合し、各成分を溶解又は分散させて調製する。このとき、熱電変換材料中の各成分は、ナノ導電性材料が分散状態で、共重合体等の他の成分が分散又は溶解状態であることが好ましく、ナノ導電性材料以外の成分が溶解状態であることがより好ましい。ナノ導電性材料以外の成分が溶解状態であると、粒界による導電率の低下抑制効果が得られるため好ましい。なお、上記分散状態とは、長時間(目安としては1ヶ月以上)保存しても溶媒中で沈降しない程度の粒径を有する分子の集合状態であり、また、溶解状態とは溶媒中にて1個の分子状態で溶媒和している状態を言う。
熱電変換材料の調製方法に特に制限はなく、通常の混合装置等を用いて常温常圧下で行うことができる。例えば、各成分を溶媒中で撹拌、振とう、混練して溶解又は分散させて調製すればよい。溶解や分散を促進するため超音波処理を行ってもよい。
また、上記分散工程において溶媒を室温以上沸点以下の温度まで加熱する、分散時間を延ばす、又は撹拌、浸とう、混練、超音波等の印加強度を上げる等によって、ナノ導電性材料の分散性を高めることができる。
<Preparation of thermoelectric conversion material>
The thermoelectric conversion material of the present invention can be prepared by mixing the above components. Preferably, the nanoconductive material and the copolymer represented by the above general formula (1) are added to a solvent and mixed, and each component is dissolved or dispersed. At this time, each component in the thermoelectric conversion material is preferably in a dispersed state of the nano-conductive material, and other components such as the copolymer are dispersed or dissolved, and the components other than the nano-conductive material are dissolved. It is more preferable that It is preferable that components other than the nano-conductive material are in a dissolved state because an effect of suppressing the decrease in conductivity due to the grain boundary can be obtained. The dispersed state is an aggregate state of molecules having a particle size that does not settle in a solvent even when stored for a long time (generally 1 month or longer), and a dissolved state is in a solvent. A state in which one molecule is solvated.
There is no restriction | limiting in particular in the preparation method of a thermoelectric conversion material, It can carry out under normal temperature normal pressure using a normal mixing apparatus etc. For example, each component may be prepared by stirring, shaking, kneading, dissolving or dispersing in a solvent. Sonication may be performed to promote dissolution and dispersion.
Further, in the dispersion step, the dispersibility of the nano-conductive material is increased by heating the solvent to a temperature not lower than the room temperature and not higher than the boiling point, extending the dispersion time, or increasing the applied strength of stirring, soaking, kneading, ultrasonic waves, etc. Can be increased.

このようにして調製される本発明の熱電変換材料は、含水率が0.01質量%以上15質量%以下であることが好ましい。上述した共重合体とナノ導電性材料とを必須成分として含有する熱電変換材料において、含水率を上記範囲とすると、優れた塗布性及び成膜性を維持したまま、高い熱電変換性能を得ることができる。さらに、熱電変換材料として高温条件下での使用に際しても、電極の腐食や材料自身の分解を抑制することができる。熱電変換材料は、長時間にわたり高温状態で使用されるため、熱電変換材料中の水分の影響によって電極の腐食や材料自身の分解反応が生じやすいという問題を有しており、含水率を上記範囲とすることで、このような熱電変換材料中の水分に起因する諸問題を改善することができる。   The thermoelectric conversion material of the present invention thus prepared preferably has a moisture content of 0.01% by mass to 15% by mass. In the thermoelectric conversion material containing the above-described copolymer and nanoconductive material as essential components, when the moisture content is in the above range, high thermoelectric conversion performance can be obtained while maintaining excellent coatability and film formability. Can do. Further, even when the thermoelectric conversion material is used under high temperature conditions, corrosion of the electrode and decomposition of the material itself can be suppressed. Since thermoelectric conversion materials are used in a high temperature state for a long time, there is a problem that electrode corrosion or decomposition reaction of the material itself is likely to occur due to the influence of moisture in the thermoelectric conversion material. By doing so, various problems caused by moisture in the thermoelectric conversion material can be improved.

熱電変換材料の含水率は、0.01質量%以上10質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以上5質量%以下であることがさらに好ましい。
熱電変換材料の含水率は、一定温湿度における平衡含水率を測定することにより評価することができる。平衡含水率は、25℃、60%RHにおいて6時間放置して平衡に達した後、水分測定器、試料乾燥装置(CA−03、VA−05、共に三菱化学(株))にてカールフィッシャー法で測定し、水分量(g)を試料重量(g)で除して算出することができる。
The moisture content of the thermoelectric conversion material is more preferably 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, and further preferably 0.1% by mass or more and 5% by mass or less.
The moisture content of the thermoelectric conversion material can be evaluated by measuring the equilibrium moisture content at a constant temperature and humidity. The equilibrium moisture content was allowed to stand for 6 hours at 25 ° C. and 60% RH, and then reached equilibrium. Then, Karl Fischer was used with a moisture meter and a sample drying apparatus (CA-03, VA-05, both Mitsubishi Chemical Corporation). The water content (g) can be calculated by dividing the moisture content (g) by the sample weight (g).

熱電変換材料の含水率は、熱電変換材料を恒温恒湿器(温度25℃、湿度85%RH)の中に放置(含水率を向上させる場合)又は真空乾燥機(温度25℃)の中で乾燥(含水率を低下させる場合)させることにより制御することができる。また、熱電変換材料を調製する際、溶媒に必要量の水を添加(含水率を向上させる場合)して、又は、脱水溶媒(例えば、和光純薬工業株式会社製の各種脱水溶媒が挙げられる。)を用いて窒素雰囲気下のグローブボックス中にて各成分を混合(含水率を低下させる場合)することによって、含水率を制御することも可能である。   The moisture content of the thermoelectric conversion material is determined by leaving the thermoelectric conversion material in a constant temperature and humidity chamber (temperature 25 ° C., humidity 85% RH) (in the case of improving the moisture content) or in a vacuum dryer (temperature 25 ° C.). It can control by making it dry (when water content is reduced). Further, when preparing the thermoelectric conversion material, a necessary amount of water is added to the solvent (in order to improve the water content), or a dehydrating solvent (for example, various dehydrating solvents manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) can be mentioned. The water content can also be controlled by mixing each component (when reducing the water content) in a glove box under a nitrogen atmosphere using.

[熱電変換素子]
本発明の熱電変換素子は、基材上に、第1の電極、熱電変換層及び第2の電極を有し、該熱電変換層は、ナノ導電性材料及び上述の一般式(1)で表される共重合体を含有している。
[Thermoelectric conversion element]
The thermoelectric conversion element of the present invention has a first electrode, a thermoelectric conversion layer, and a second electrode on a substrate, and the thermoelectric conversion layer is represented by the nano-conductive material and the general formula (1) described above. Containing a copolymer.

本発明の熱電変換素子は、基材上に、第1の電極、熱電変換層及び第2の電極を有するものであればよく、第1の電極及び第2の電極と熱電変換層との位置関係等、その他の構成については特に限定されない。本発明の熱電変換素子において、熱電変換層は、その少なくとも一方の面に第1の電極及び第2の電極に接するように配置されていればよい。例えば、熱電変換層が第1の電極及び第2の電極で挟まれる態様、すなわち、本発明の熱電変換素子が基材上に第1の電極、熱電変換層及び第2の電極をこの順に有している態様であってもよい。また、熱電変換層がその一方の面に第1の電極及び第2の電極に接するように配置される態様、すなわち、本発明の熱電変換素子が基材上に互いに離間して形成された第1の電極及び第2の電極に積層された熱電変換層を有している態様であってもよい。
本発明の熱電変換素子の構造の一例として、図1及び図2に示す素子の構造が挙げられる。図1及び図2中、矢印は、熱電変換素子の使用時における温度差の向きを示す。
図1に示す熱電変換素子1は、第1の基材12上に、第1の電極13及び第2の電極15を含む一対の電極と、該電極13及び15間に本発明の熱電変換材料で形成された熱電変換層14を備えている。第2の電極15の他方の表面には第2の基材16が配設されており、第1の基材12及び第2の基材16の外側には互いに対向して金属板11及び17が配設されている。
本発明の熱電変換素子は、基材上に電極を介して本発明の熱電変換材料で熱電変換層を膜(フィルム)状に設け、この基材を第1の基材として機能させることが好ましい。すなわち、熱電変換素子1は、2枚の基材12及び16の表面(熱電変換層14の形成面)に、第1の電極13又は第2の電極15を設け、これら電極13及び15の間に本発明の熱電変換材料で形成された熱電変換層14を有する構造であることが好ましい。
The thermoelectric conversion element of this invention should just have a 1st electrode, a thermoelectric conversion layer, and a 2nd electrode on a base material, The position of a 1st electrode, a 2nd electrode, and a thermoelectric conversion layer There are no particular limitations on other configurations such as relationships. In the thermoelectric conversion element of the present invention, the thermoelectric conversion layer may be disposed on at least one surface thereof so as to be in contact with the first electrode and the second electrode. For example, the thermoelectric conversion layer is sandwiched between the first electrode and the second electrode, that is, the thermoelectric conversion element of the present invention has the first electrode, the thermoelectric conversion layer, and the second electrode in this order on the base material. It may be an embodiment. Further, the thermoelectric conversion layer is disposed on one surface thereof so as to be in contact with the first electrode and the second electrode, that is, the thermoelectric conversion element of the present invention is formed on the substrate so as to be separated from each other. The aspect which has the thermoelectric conversion layer laminated | stacked on the 1st electrode and the 2nd electrode may be sufficient.
As an example of the structure of the thermoelectric conversion element of the present invention, the structure of the element shown in FIGS. 1 and 2, the arrows indicate the direction of temperature difference when the thermoelectric conversion element is used.
The thermoelectric conversion element 1 shown in FIG. 1 includes a pair of electrodes including a first electrode 13 and a second electrode 15 on a first base 12, and the thermoelectric conversion material of the present invention between the electrodes 13 and 15. The thermoelectric conversion layer 14 formed by is provided. A second base material 16 is disposed on the other surface of the second electrode 15, and the metal plates 11 and 17 face each other outside the first base material 12 and the second base material 16. Is arranged.
In the thermoelectric conversion element of the present invention, it is preferable to provide a thermoelectric conversion layer in the form of a film (film) with the thermoelectric conversion material of the present invention on the base material via an electrode, and this base material functions as the first base material. . That is, the thermoelectric conversion element 1 is provided with the first electrode 13 or the second electrode 15 on the surface of the two base materials 12 and 16 (formation surface of the thermoelectric conversion layer 14), and between these electrodes 13 and 15. It is preferable that the structure has a thermoelectric conversion layer 14 formed of the thermoelectric conversion material of the present invention.

図2に示す熱電変換素子2は、第1の基材22上に、第1の電極23及び第2の電極25が配設され、その上に本発明の熱電変換材料で形成された熱電変換層24が設けられている。   The thermoelectric conversion element 2 shown in FIG. 2 is provided with a first electrode 23 and a second electrode 25 on a first base material 22, and a thermoelectric conversion formed on the thermoelectric conversion material of the present invention on the first electrode 23 and the second electrode 25. A layer 24 is provided.

熱電変換素子1の熱電変換層14は、一方の表面が第1の電極13を介して第1の基材12で覆われているが、また、熱電変換素子2の熱電変換層24は、一方の表面が第1の電極23及び第2の電極25並びに第1の基材22で覆われているが、他方の表面にも第2の基材16又は26を第2の電極15を介して、又は、電極を介さず、圧着させることが、熱電変換層14及び24の保護の観点から好ましい。すなわち、熱電変換素子1に使用される第2の基材16の表面(熱電変換層14の圧着面)には第2の電極15が予め形成されているのが好ましい。また、熱電変換素子1及び2において、電極と熱電変換層との圧着は、密着性向上の観点から100℃〜200℃程度に加熱して行うことが好ましい。   One surface of the thermoelectric conversion layer 14 of the thermoelectric conversion element 1 is covered with the first base material 12 via the first electrode 13, while the thermoelectric conversion layer 24 of the thermoelectric conversion element 2 is Is covered with the first electrode 23, the second electrode 25 and the first base material 22, but the second base material 16 or 26 is also applied to the other surface via the second electrode 15. Alternatively, it is preferable to perform pressure bonding without using an electrode from the viewpoint of protecting the thermoelectric conversion layers 14 and 24. That is, it is preferable that the second electrode 15 is formed in advance on the surface of the second base material 16 used for the thermoelectric conversion element 1 (the pressure contact surface of the thermoelectric conversion layer 14). Moreover, in the thermoelectric conversion elements 1 and 2, it is preferable to perform the crimping | compression-bonding with an electrode and a thermoelectric conversion layer by heating to about 100 to 200 degreeC from a viewpoint of adhesive improvement.

本発明の熱電変換素子の基材、熱電変換素子1における第1の基材12及び第2の基材16は、ガラス、透明セラミックス、金属、プラスチックフィルム等の基材を用いることができる。本発明の熱電変換素子において、基材はフレキシビリティーを有しているのが好ましく、具体的には、ASTM D2176に規定の測定法による耐屈曲回数MITが1万サイクル以上であるフレキシビリティーを有しているのが好ましい。このようなフレキシビリティーを有する基材は、プラスチックフィルムが好ましく、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ(1,4−シクロヘキシレンジメチレンテレフタレート)、ポリエチレン−2,6−フタレンジカルボキシレート、ビスフェノールAとイソ及びテレフタル酸のポリエステルフィルム等のポリエステルフィルム、ゼオノアフィルム(商品名、日本ゼオン社製)、アートンフィルム(商品名、JSR社製)、スミライトFS1700(商品名、住友ベークライト社製)等のポリシクロオレフィンフィルム、カプトン(商品名、東レ・デュポン社製)、アピカル(商品名、カネカ社製)、ユーピレックス(商品名、宇部興産社製)、ポミラン(商品名、荒川化学社製)等のポリイミドフィルム、ピュアエース(商品名、帝人化成社製)、エルメック(商品名、カネカ社製)等のポリカーボネートフィルム、スミライトFS1100(商品名、住友ベークライト社製)等のポリエーテルエーテルケトンフィルム、トレリナ(商品名、東レ社製)等のポリフェニルスルフィドフィルム等が挙げられる。使用条件や環境により適宜選択させるが入手の容易性、好ましくは100℃以上の耐熱性、経済性及び効果の観点から、市販のポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、各種ポリイミドやポリカーボネートフィルム等が好ましい。   As the base material of the thermoelectric conversion element of the present invention and the first base material 12 and the second base material 16 in the thermoelectric conversion element 1, base materials such as glass, transparent ceramics, metal, and plastic film can be used. In the thermoelectric conversion element of the present invention, it is preferable that the base material has flexibility. Specifically, the flexibility in which the number of bending resistances MIT according to the measurement method specified in ASTM D2176 is 10,000 cycles or more. It is preferable to have. The substrate having such flexibility is preferably a plastic film, specifically, polyethylene terephthalate, polyethylene isophthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene terephthalate, poly (1,4-cyclohexylenedimethylene terephthalate), Polyethylene-2,6-phthalenedicarboxylate, polyester film such as polyester film of bisphenol A and iso and terephthalic acid, ZEONOR film (trade name, manufactured by Zeon Corporation), ARTON film (trade name, manufactured by JSR Corporation), Sumilite Polycycloolefin films such as FS1700 (trade name, manufactured by Sumitomo Bakelite), Kapton (trade name, manufactured by Toray DuPont), Apical (trade name, manufactured by Kaneka), Upilex (trade name, Ube Ko) Polyimide films such as Pomilan (trade name, manufactured by Arakawa Chemical Co., Ltd.), polycarbonate films such as Pure Ace (trade name, manufactured by Teijin Kasei Co., Ltd.), Elmec (trade name, manufactured by Kaneka Corporation), Sumilite FS1100 (trade name) Polyether ether ketone films such as Sumitomo Bakelite Co., Ltd., and polyphenyl sulfide films such as Torelina (trade name, manufactured by Toray Industries, Inc.). Although it is appropriately selected depending on the use conditions and environment, commercially available polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, various polyimides, polycarbonate films, and the like are preferable from the viewpoints of availability, preferably heat resistance of 100 ° C. or higher, economy, and effects.

特に、熱電変換層との圧着面に電極を設けた基材を用いることが好ましい。この基材上に設ける第1の電極及び第2の電極を形成する電極材料としては、ITO、ZnO等の透明電極、銀、銅、金、アルミニウム等の金属電極、CNT、グラフェン等の炭素材料、PEDOT/PSS等の有機材料、銀、カーボン等の導電性微粒子を分散した導電性ペースト、銀、銅、アルミニウム等の金属ナノワイヤーを含有する導電性ペースト等が使用できる。これらの中でも、アルミニウム、金、銀又は銅であるのが好ましい。この時、熱電変換素子1は、基材11、第1の電極13、熱電変換層14及び第2の電極15の順に構成されており、第2の電極15の外側には第2の基材16が隣接していても、第2の基材16を設けることなく第2の電極15が最表面として空気に晒されていてもよい。また、熱電変換素子2は、基材22、第1の電極23及び第2の電極25、熱電変換層24の順に構成されており、熱電変換層24の外側には第2の基材26が隣接していても、第2の基材26を設けることなく熱電変換層24が最表面として空気に晒されていてもよい。   In particular, it is preferable to use a base material in which an electrode is provided on the pressure-bonding surface with the thermoelectric conversion layer. As electrode materials for forming the first electrode and the second electrode provided on the base material, transparent electrodes such as ITO and ZnO, metal electrodes such as silver, copper, gold and aluminum, and carbon materials such as CNT and graphene An organic material such as PEDOT / PSS, a conductive paste in which conductive fine particles such as silver and carbon are dispersed, and a conductive paste containing metal nanowires such as silver, copper, and aluminum can be used. Among these, aluminum, gold, silver or copper is preferable. At this time, the thermoelectric conversion element 1 is configured in the order of the base material 11, the first electrode 13, the thermoelectric conversion layer 14, and the second electrode 15, and the second base material is disposed outside the second electrode 15. Even if 16 adjoins, the 2nd electrode 15 may be exposed to air as the outermost surface, without providing the 2nd substrate 16. The thermoelectric conversion element 2 includes a base material 22, a first electrode 23, a second electrode 25, and a thermoelectric conversion layer 24 in this order. A second base material 26 is disposed outside the thermoelectric conversion layer 24. Even if it adjoins, the thermoelectric conversion layer 24 may be exposed to air as the outermost surface, without providing the 2nd base material 26. FIG.

基材の厚さは、取り扱い性、耐久性等の点から、好ましくは30〜3000μm、より好ましくは50〜1000μm、さらに好ましくは100〜1000μm、特に好ましくは200〜800μmである。基材が厚すぎると熱伝導率が低下することがあり、薄すぎると外部衝撃により膜が損傷しやすくなることがある。   The thickness of the substrate is preferably 30 to 3000 μm, more preferably 50 to 1000 μm, still more preferably 100 to 1000 μm, and particularly preferably 200 to 800 μm, from the viewpoints of handleability and durability. If the substrate is too thick, the thermal conductivity may decrease, and if it is too thin, the film may be easily damaged by external impact.

本発明の熱電変換素子の熱電変換層は、本発明の熱電変換材料で形成され、これらに加えて、上述の非共役高分子及び熱励起アシスト剤の少なくとも一方を含有しているのが好ましく、ドーパント又はその分解物、金属元素、その他の成分を含有していてもよい。熱電変換層におけるこれら成分及び含有率は上述した通りである。   The thermoelectric conversion layer of the thermoelectric conversion element of the present invention is preferably formed of the thermoelectric conversion material of the present invention, and in addition to these, preferably contains at least one of the non-conjugated polymer and the thermal excitation assist agent described above, A dopant or a decomposition product thereof, a metal element, and other components may be contained. These components and contents in the thermoelectric conversion layer are as described above.

熱電変換層の層厚は、0.1〜1000μmであることが好ましく、1〜100μmであることがより好ましい。層厚が薄いと温度差を付与しにくくなることと、層内の抵抗が増大してしまうため好ましくない。
一般に、熱電変換素子では、有機薄膜太陽電池用素子等の光電変換素子と比べて、簡便に素子を製造できる。特に、本発明の熱電変換材料を用いると有機薄膜太陽電池用素子と比較して光吸収効率を考慮する必要がないため100〜1000倍程度の厚膜化が可能であり、空気中の酸素や水分に対する化学的な安定性が向上する。
The layer thickness of the thermoelectric conversion layer is preferably 0.1 to 1000 μm, and more preferably 1 to 100 μm. If the layer thickness is thin, it is not preferable because it is difficult to provide a temperature difference and the resistance in the layer increases.
In general, a thermoelectric conversion element can be easily manufactured as compared with a photoelectric conversion element such as an organic thin film solar cell element. In particular, when the thermoelectric conversion material of the present invention is used, it is not necessary to consider the light absorption efficiency as compared with the element for an organic thin film solar cell, so that it is possible to increase the film thickness by about 100 to 1000 times. Chemical stability against moisture is improved.

熱電変換層は、含水率が0.01質量%以上15質量%以下であることが好ましい。熱電変換層の含水率を上記範囲とすると、高い熱電変換性能を得ることができる。さらに、熱電変換素子が高温条件下で使用されても、電極の腐食や熱電変換層自身の分解を抑制することができる。熱電変換層の含水率は、0.01質量%以上10質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以上5質量%以下であることがさらに好ましい。
熱電変換層の含水率は、一定温湿度における平衡含水率を測定することにより評価することができる。平衡含水率は、25℃、60%RHにおいて6時間放置して平衡に達した後、水分測定器、試料乾燥装置(CA−03、VA−05、共に三菱化学(株))にてカールフィッシャー法で測定し、水分量(g)を試料質量(g)で除して算出することができる。
The thermoelectric conversion layer preferably has a moisture content of 0.01% by mass to 15% by mass. When the moisture content of the thermoelectric conversion layer is within the above range, high thermoelectric conversion performance can be obtained. Furthermore, even if the thermoelectric conversion element is used under high temperature conditions, corrosion of the electrode and decomposition of the thermoelectric conversion layer itself can be suppressed. The moisture content of the thermoelectric conversion layer is more preferably 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, and further preferably 0.1% by mass or more and 5% by mass or less.
The moisture content of the thermoelectric conversion layer can be evaluated by measuring the equilibrium moisture content at a constant temperature and humidity. The equilibrium moisture content was allowed to stand for 6 hours at 25 ° C. and 60% RH, and then reached equilibrium. Then, Karl Fischer was used with a moisture meter and a sample drying apparatus (CA-03, VA-05, both Mitsubishi Chemical Corporation). It can be calculated by measuring by the method and dividing the amount of water (g) by the sample mass (g).

熱電変換層の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スピンコート、エクストルージョンダイコート、ブレードコート、バーコート、スクリーン印刷、ステンシル印刷、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、ディップコート等、公知の塗布方法を用いることができる。この中でも特に、スクリーン印刷が熱電変換層の電極への密着性に優れる観点で特に好ましい。
塗布後は、必要に応じて乾燥工程を行う。例えば、加熱乾燥、熱風を吹き付けることにより、溶媒を揮発、乾燥させることができる。
The method for forming the thermoelectric conversion layer is not particularly limited. For example, spin coating, extrusion die coating, blade coating, bar coating, screen printing, stencil printing, roll coating, curtain coating, spray coating, dip coating, and the like are known. A coating method can be used. Among these, screen printing is particularly preferable from the viewpoint of excellent adhesion of the thermoelectric conversion layer to the electrode.
After application, a drying process is performed as necessary. For example, the solvent can be volatilized and dried by spraying with heat and hot air.

(含水率制御処理)
含水率制御処理は、熱電変換材料を成膜加工した後であって、後述するエネルギー付与によるドーピングの前又は後に実施されるのが好ましく、ドーピングの前に実施されるのがさらに好ましい。例えば、ナノ導電性材料、共重合体の各成分を溶媒中で混合、分散等させ、当該混合物を成形・成膜等した後、含水率制御処理を行って、上記範囲の含水率とすることが好ましい。含水率制御処理は上述の方法を適宜に採用できる。
含水率制御処理は、本発明の熱電変換材料の含水量を制御する方法は、塗布した本発明の熱電変換材料を真空乾燥機(温度25℃)の中で乾燥(含水率を低下させる場合)させる方法が好ましい。
(Moisture content control processing)
The moisture content control process is preferably performed after the thermoelectric conversion material is formed into a film and before or after doping by applying energy, which will be described later, and more preferably before doping. For example, each component of the nano-conductive material and copolymer is mixed and dispersed in a solvent, and the mixture is molded, formed into a film, etc., and then subjected to a moisture content control treatment to obtain a moisture content within the above range. Is preferred. The moisture content control process can employ the above-mentioned method as appropriate.
The moisture content control process is a method for controlling the moisture content of the thermoelectric conversion material of the present invention. The applied thermoelectric conversion material of the present invention is dried in a vacuum dryer (temperature 25 ° C.) (when the moisture content is reduced). The method of making it preferable is.

(エネルギー付与によるドーピング)
熱電変換材料がドーパントとして上述のオニウム塩化合物を含有する場合は、成膜後、又は、含水率制御処理後に、当該膜に活性エネルギー線を照射又は加熱してドーピング処理を行い、導電性を向上させることが好ましい。この処理によって、オニウム塩化合物から酸が発生し、この酸が上述の共重合体をプロトン化することにより当該共重合体が正の電荷でドーピング(p型ドーピング)される。
活性エネルギー線には、放射線や電磁波が包含され、放射線には粒子線(高速粒子線)と電磁放射線が包含される。粒子線としては、アルファ線(α線)、ベータ線(β線)、陽子線、電子線(原子核崩壊によらず加速器で電子を加速するものを指す)、重陽子線等の荷電粒子線、非荷電粒子線である中性子線、宇宙線等が挙げられ、電磁放射線としては、ガンマ線(γ線)、エックス線(X線、軟X線)が挙げられる。電磁波としては、電波、赤外線、可視光線、紫外線(近紫外線、遠紫外線、極紫外線)、X線、ガンマ線等が挙げられる。本発明において用いる線種は特に限定されず、例えば、使用するオニウム塩化合物(酸発生剤)の極大吸収波長付近の波長を有する電磁波を適宜選べばよい。
これらの活性エネルギー線のうち、ドーピング効果及び安全性の観点から好ましいのは紫外線、可視光線、赤外線であり、具体的には240〜1100nm、好ましくは240〜850nm、より好ましくは240〜670nmに極大発光波長を有する光線である。
(Doping by applying energy)
When the thermoelectric conversion material contains the above-described onium salt compound as a dopant, after film formation or after moisture content control treatment, the film is irradiated or heated to perform doping treatment to improve conductivity. It is preferable to make it. By this treatment, an acid is generated from the onium salt compound, and this acid protonates the above-described copolymer, thereby doping the copolymer with a positive charge (p-type doping).
Active energy rays include radiation and electromagnetic waves, and radiation includes particle beams (high-speed particle beams) and electromagnetic radiation. Particle rays include alpha rays (α rays), beta rays (β rays), proton rays, electron rays (which accelerates electrons with an accelerator regardless of nuclear decay), charged particle rays such as deuteron rays, Examples of the electromagnetic radiation include gamma rays (γ rays) and X-rays (X rays, soft X rays). Examples of the electromagnetic wave include radio waves, infrared rays, visible rays, ultraviolet rays (near ultraviolet rays, far ultraviolet rays, extreme ultraviolet rays), X-rays, gamma rays, and the like. The line type used in the present invention is not particularly limited. For example, an electromagnetic wave having a wavelength near the maximum absorption wavelength of the onium salt compound (acid generator) to be used may be appropriately selected.
Among these active energy rays, ultraviolet rays, visible rays, and infrared rays are preferable from the viewpoint of doping effect and safety, specifically, 240 to 1100 nm, preferably 240 to 850 nm, and more preferably 240 to 670 nm. It is a light beam having an emission wavelength.

活性エネルギー線の照射には、放射線又は電磁波照射装置が用いられる。照射する放射線又は電磁波の波長は特に限定されず、使用するオニウム塩化合物の感応波長に対応する波長領域の放射線または電磁波を照射できるものを選べばよい。
放射線又は電磁波を照射できる装置としては、LEDランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、DeepUVランプ、低圧UVランプ等の水銀ランプ、ハライドランプ、キセノンフラッシュランプ、メタルハライドランプ、ArFエキシマランプ、KrFエキシマランプ等のエキシマランプ、極端紫外光ランプ、電子ビーム、X線ランプを光源とする露光装置がある。紫外線照射は、通常の紫外線照射装置、例えば、市販の硬化/接着/露光用の紫外線照射装置(ウシオ電機株式会社SP9−250UB等)を用いて行うことができる。
Radiation or an electromagnetic wave irradiation device is used for irradiation with active energy rays. The wavelength of the radiation or electromagnetic wave to be irradiated is not particularly limited, and a radiation or electromagnetic wave in a wavelength region corresponding to the sensitive wavelength of the onium salt compound to be used may be selected.
Examples of devices that can irradiate radiation or electromagnetic waves include LED lamps, high-pressure mercury lamps, ultra-high-pressure mercury lamps, deep UV lamps, low-pressure UV lamps and other mercury lamps, halide lamps, xenon flash lamps, metal halide lamps, ArF excimer lamps, and KrF excimer lamps. There are exposure apparatuses using a light source such as an excimer lamp, an extreme ultraviolet light lamp, an electron beam, or an X-ray lamp. The ultraviolet irradiation can be performed using a normal ultraviolet irradiation apparatus, for example, a commercially available ultraviolet irradiation apparatus for curing / adhesion / exposure (USHIO INC. SP9-250UB, etc.).

露光時間及び光量は、用いるオニウム塩化合物の種類及びドーピング効果を考慮して適宜選択すればよい。具体的には、光量10mJ/cm〜10J/cm、好ましくは50mJ/cm〜5J/cmで行うことが挙げられる。 The exposure time and the amount of light may be appropriately selected in consideration of the type of onium salt compound to be used and the doping effect. Specifically, the light intensity is 10 mJ / cm 2 to 10 J / cm 2 , preferably 50 mJ / cm 2 to 5 J / cm 2 .

加熱によってドーピングを行う場合は、成膜した膜を、オニウム塩化合物が酸を発生する温度以上で加熱すればよい。加熱温度として、好ましくは50〜200℃、より好ましくは70〜150℃である。加熱時間は、好ましくは1〜60分、より好ましくは3〜30分である。   When doping is performed by heating, the formed film may be heated above the temperature at which the onium salt compound generates an acid. The heating temperature is preferably 50 to 200 ° C, more preferably 70 to 150 ° C. The heating time is preferably 1 to 60 minutes, more preferably 3 to 30 minutes.

ドーピング処理の時期は特に限定されないが、本発明の熱電変換材料を成膜等、加工処理した後に行うことが好ましい。   Although the timing of the doping treatment is not particularly limited, it is preferably performed after the thermoelectric conversion material of the present invention is processed, such as film formation.

本発明の熱電変換材料で形成される熱電変換層(熱電変換膜ともいう)及び本発明の熱電変換素子は、高い熱電変換性能指数ZTを有し、初期の熱電変換性能に優れ、かつ高温高湿のような過酷な環境下においても熱電変換性能の経時安定性が良好で高い初期の熱電変換性能を長期にわたって維持できる。
したがって、本発明の熱電変換素子は、熱電発電用物品の発電素子として好適に用いることができる。このような発電素子として、具体的には、温泉熱発電機、太陽熱発電機、廃熱発電機等の発電機、腕時計用電源、半導体駆動電源、(小型)センサー用電源等が挙げられる。
また、本発明の熱電変換材料及び本発明の熱電変換材料で形成される熱電変換層は、本発明の熱電変換素子、熱電発電素子用材料、熱電発電用膜又は各種導電性膜として好適に用いられ、具体的には、上述の発電素子用の熱電変換材料又は熱電発電用膜等として好適に用いられる。
The thermoelectric conversion layer (also referred to as thermoelectric conversion film) formed of the thermoelectric conversion material of the present invention and the thermoelectric conversion element of the present invention have a high thermoelectric conversion performance index ZT, excellent initial thermoelectric conversion performance, and high temperature and high temperature. Even in a severe environment such as humidity, the thermoelectric conversion performance is stable over time and high initial thermoelectric conversion performance can be maintained over a long period of time.
Therefore, the thermoelectric conversion element of the present invention can be suitably used as a power generation element of an article for thermoelectric power generation. Specific examples of such power generation elements include power generators such as hot spring thermal generators, solar thermal generators, waste heat generators, wristwatch power supplies, semiconductor drive power supplies, (small) sensor power supplies, and the like.
The thermoelectric conversion material of the present invention and the thermoelectric conversion layer formed of the thermoelectric conversion material of the present invention are suitably used as the thermoelectric conversion element, thermoelectric power generation element material, thermoelectric power generation film, or various conductive films of the present invention. Specifically, it is suitably used as the above-described thermoelectric conversion material for a power generation element or a film for thermoelectric power generation.

以下、実施例によって本発明をより詳しく説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not limited to them.

[共重合体及びホモポリマーの合成]
共重合体1〜7及びホモポリマー1〜4を、アニリン誘導体又はピロール誘導体として下記モノマーを用いて、以下のようにして合成した。
[Synthesis of copolymer and homopolymer]
Copolymers 1 to 7 and homopolymers 1 to 4 were synthesized as follows using the following monomers as aniline derivatives or pyrrole derivatives.

Figure 2014146681
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合成例1(共重合体1の合成)
上記モノマー1(1mmol)と上記モノマー2(99mmol)をトルエン/酢酸ブチル混合溶媒(体積比80/20)100mLに溶解して、アニリン誘導体溶液1を調製した。
酸化剤としてFeCl(300mmol)をトルエン/酢酸ブチル混合溶媒(体積比80/20)250mLに溶解し、温度計、攪拌機、空気導入管を付した反応器にろ過して不溶物を除きつつ、仕込んだ。この反応溶液に空気を60mL/hで吹き込みながら、アニリン誘導体溶液1を滴下ロートより滴下し、反応温度25±5℃で5時間反応させ、反応後メタノールを加えて反応を停止させた。反応スラリー液をろ過、洗浄、中和処理することにより、下記共重合体1を得た。この共重合体1の重量平均分子量は25,000であった。この分子量はジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン混合液を溶媒にGPC測定により、ポリスチレンを標準試料として求めた。以下の分子量も同様にして求めた。
Synthesis Example 1 (Synthesis of Copolymer 1)
The monomer 1 (1 mmol) and the monomer 2 (99 mmol) were dissolved in 100 mL of a toluene / butyl acetate mixed solvent (volume ratio 80/20) to prepare an aniline derivative solution 1.
As an oxidizing agent, FeCl 3 (300 mmol) was dissolved in 250 mL of a toluene / butyl acetate mixed solvent (volume ratio 80/20) and filtered through a reactor equipped with a thermometer, a stirrer, and an air introduction tube to remove insoluble matters. Prepared. While blowing air into the reaction solution at 60 mL / h, the aniline derivative solution 1 was dropped from the dropping funnel and reacted at a reaction temperature of 25 ± 5 ° C. for 5 hours. After the reaction, methanol was added to stop the reaction. The following copolymer 1 was obtained by filtering, washing and neutralizing the reaction slurry. The weight average molecular weight of this copolymer 1 was 25,000. This molecular weight was determined by GPC measurement using a mixed solution of dimethylformamide and tetrahydrofuran as a solvent and polystyrene as a standard sample. The following molecular weights were determined in the same manner.

Figure 2014146681
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合成例2(共重合体2の合成)
アニリン誘導体溶液1に代えて、上記モノマー1(99mmol)と上記モノマー2(1mmol)をトルエン/酢酸ブチル混合溶媒(体積比80/20)100mLに溶解して調製したアニリン誘導体溶液2を用いた以外は合成例1と同様にして下記共重合体2を得た。この共重合体2の重量平均分子量は35,000であった。
Synthesis Example 2 (Synthesis of Copolymer 2)
Instead of the aniline derivative solution 1, the aniline derivative solution 2 prepared by dissolving the monomer 1 (99 mmol) and the monomer 2 (1 mmol) in 100 mL of a toluene / butyl acetate mixed solvent (volume ratio 80/20) was used. The following copolymer 2 was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1. The weight average molecular weight of this copolymer 2 was 35,000.

Figure 2014146681
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合成例3(共重合体3の合成)
アニリン誘導体溶液1に代えて、上記モノマー3(50mmol)と上記モノマー4(50mmol)をトルエン/酢酸ブチル混合溶媒(体積比80/20)100mLに溶解して調製したアニリン誘導体溶液3を用いた以外は合成例1と同様にして下記共重合体3を得た。この共重合体3の重量平均分子量は27,000であった。
Synthesis Example 3 (Synthesis of Copolymer 3)
Instead of the aniline derivative solution 1, the aniline derivative solution 3 prepared by dissolving the monomer 3 (50 mmol) and the monomer 4 (50 mmol) in 100 mL of a toluene / butyl acetate mixed solvent (volume ratio 80/20) was used. Produced the following copolymer 3 in the same manner as in Synthesis Example 1. The weight average molecular weight of this copolymer 3 was 27,000.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

合成例4(共重合体4の合成)
アニリン誘導体溶液1に代えて、上記モノマー5(75mmol)と上記モノマー6(25mmol)をトルエン/酢酸ブチル混合溶媒(体積比80/20)100mLに溶解して調製したピロール誘導体溶液1を用いた以外は合成例1と同様にして下記共重合体4を得た。この共重合体4の重量平均分子量は38,000であった。
Synthesis Example 4 (Synthesis of Copolymer 4)
Instead of aniline derivative solution 1, pyrrole derivative solution 1 prepared by dissolving monomer 5 (75 mmol) and monomer 6 (25 mmol) in 100 mL of a toluene / butyl acetate mixed solvent (volume ratio 80/20) was used. The following copolymer 4 was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1. The weight average molecular weight of this copolymer 4 was 38,000.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

合成例5(共重合体5の合成)
アニリン誘導体溶液1に代えて、上記モノマー5(25mmol)と上記モノマー7(75mmol)をトルエン/酢酸ブチル混合溶媒(体積比80/20)100mLに溶解して調製したピロール誘導体溶液2を用いた以外は合成例1と同様にして下記共重合体5を得た。この共重合体5の重量平均分子量は33,000であった。
Synthesis Example 5 (Synthesis of Copolymer 5)
Instead of aniline derivative solution 1, pyrrole derivative solution 2 prepared by dissolving monomer 5 (25 mmol) and monomer 7 (75 mmol) in 100 mL of a toluene / butyl acetate mixed solvent (volume ratio 80/20) was used. The following copolymer 5 was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1. The weight average molecular weight of this copolymer 5 was 33,000.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

合成例6(共重合体6の合成)
アニリン誘導体溶液1に代えて、上記モノマー8(75mmol)と上記モノマー9(25mmol)をトルエン/酢酸ブチル混合溶媒(体積比80/20)100mLに溶解して調製したピロール誘導体溶液3を用いた以外は合成例1と同様にして下記共重合体6を得た。この共重合体6の重量平均分子量は31,000であった。
Synthesis Example 6 (Synthesis of copolymer 6)
Instead of the aniline derivative solution 1, the pyrrole derivative solution 3 prepared by dissolving the monomer 8 (75 mmol) and the monomer 9 (25 mmol) in 100 mL of a toluene / butyl acetate mixed solvent (volume ratio 80/20) was used. Produced the following copolymer 6 in the same manner as in Synthesis Example 1. The weight average molecular weight of this copolymer 6 was 31,000.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

合成例7(共重合体7の合成)
窒素雰囲気下、上記モノマー10(50mmol)と上記モノマー11(50mmol)をPddba(1mmol)、トリス(o−トリル)ホスフィン(4mmol、20質量%テトラエチルアンモニウム ヒドロキシド(0.5mL)を加え、トルエン中にて5時間加熱還流した。反応後メタノール300mLを加えて反応を停止させた。反応スラリー液をろ過、洗浄、中和処理、脱保護処理をすることにより、下記共重合体7を得た。この共重合体7の重量平均分子量は12,000であった。
Synthesis Example 7 (Synthesis of Copolymer 7)
Under a nitrogen atmosphere, the monomer 10 (50 mmol) and the monomer 11 (50 mmol) were added to Pd 2 dba 3 (1 mmol), tris (o-tolyl) phosphine (4 mmol, 20 mass% tetraethylammonium hydroxide (0.5 mL). After the reaction, the reaction was stopped by adding 300 mL of methanol, and the reaction slurry was filtered, washed, neutralized, and deprotected to give the following copolymer 7. This copolymer 7 had a weight average molecular weight of 12,000.

Figure 2014146681
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比較合成例1(ホモポリマー1の合成)
上記モノマー1(100mmol)のみを用いて合成例1と同様にして反応を行い、ホモポリマー1を得た。このホモポリマー1はオルトジクロロベンゼンに不溶性で、重量平均分子量を求められなかった。
Comparative Synthesis Example 1 (Synthesis of homopolymer 1)
A reaction was carried out in the same manner as in Synthesis Example 1 using only the monomer 1 (100 mmol) to obtain a homopolymer 1. This homopolymer 1 was insoluble in orthodichlorobenzene, and the weight average molecular weight could not be determined.

比較合成例2(ホモポリマー2の合成)
上記モノマー2(100mmol)のみを用いて実施例1と同様にして反応を行い、重量平均分子量が25,000のホモポリマー2を得た。
Comparative Synthesis Example 2 (Synthesis of homopolymer 2)
Reaction was carried out in the same manner as in Example 1 using only the monomer 2 (100 mmol) to obtain a homopolymer 2 having a weight average molecular weight of 25,000.

比較合成例3(ホモポリマー3の合成)
上記モノマー5(100mmol)のみを用いて実施例1と同様にして反応を行い、ホモポリマー3を得た。このホモポリマー3はオルトジクロロベンゼンに不溶性で、重量平均分子量を求められなかった。
Comparative Synthesis Example 3 (Synthesis of homopolymer 3)
A reaction was carried out in the same manner as in Example 1 using only the monomer 5 (100 mmol) to obtain a homopolymer 3. This homopolymer 3 was insoluble in orthodichlorobenzene, and the weight average molecular weight could not be determined.

比較合成例4(ホモポリマー4の合成)
上記モノマー9(15mmol)のみを用いて実施例1と同様にして反応を行い、ホモポリマー4を得た。このホモポリマー4はオルトジクロロベンゼンに不溶性で、重量平均分子量を求められなかった。
Comparative Synthesis Example 4 (Synthesis of homopolymer 4)
A reaction was carried out in the same manner as in Example 1 using only the monomer 9 (15 mmol) to obtain a homopolymer 4. This homopolymer 4 was insoluble in orthodichlorobenzene, and the weight average molecular weight could not be determined.

実施例1 [テープ剥離試験]
共重合体1 4mg、単層CNT(ASP−100F、Hanwha Nanotech社製、分散物(CNT濃度60質量%)、CNTの平均長さ10μm、直径1.1nm)3mg及び下記に示すドーパント2mgを、オルトジクロロベンゼン4.0mL中に添加し、超音波水浴にて70分間分散させた。この混合液を、電極として金(厚み20nm、長さ1cm、幅:1cm)を片側表面に有するポリエチレンテレフタレートフィルム(厚み:125μm)の電極表面に、ガラス棒を用いてバー塗布し、80℃にて80分間加熱して溶媒を除去した後。その後、80℃の真空下にて8時間乾燥させることにより熱電変換層14である本発明の熱電変換層101を成膜した。なお、実施例1で用いたポリエチレンテレフタレートフィルムは、上述のASTM D2176に規定の測定法による耐屈曲回数MITが5万サイクル以上のフレキシビリティーを有していた。
Example 1 [Tape peeling test]
Copolymer 1 4 mg, single-walled CNT (ASP-100F, manufactured by Hanwha Nanotech, dispersion (CNT concentration 60% by mass), CNT average length 10 μm, diameter 1.1 nm) 3 mg and dopant 2 mg shown below, It was added to 4.0 mL of orthodichlorobenzene and dispersed in an ultrasonic water bath for 70 minutes. This mixed solution was applied as a bar to the electrode surface of a polyethylene terephthalate film (thickness: 125 μm) having gold (thickness 20 nm, length 1 cm, width 1 cm) as an electrode on one side surface, and heated to 80 ° C. After removing the solvent by heating for 80 minutes. Then, the thermoelectric conversion layer 101 of this invention which is the thermoelectric conversion layer 14 was formed into a film by making it dry under a 80 degreeC vacuum for 8 hours. In addition, the polyethylene terephthalate film used in Example 1 had the flexibility that the number of bending resistances MIT by the measurement method specified in the above-mentioned ASTM D2176 was 50,000 cycles or more.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

共重合体の種類、ドーパントの有無及び/又は溶媒の種類を表1に示すように変更した以外は熱電変換層101と同様にして、本発明の熱電変換層102〜111及び比較の熱電変換層c101〜c104を成膜した。   The thermoelectric conversion layers 102 to 111 of the present invention and the comparative thermoelectric conversion layer are the same as the thermoelectric conversion layer 101 except that the type of copolymer, the presence or absence of dopants, and / or the type of solvent are changed as shown in Table 1. c101 to c104 were deposited.

上記のようにして作製した各熱電変換層101〜111(108を除く。)及びc101〜c104を、乾燥後に、紫外線照射機(アイグラフィックス株式会社製、ECS−401GX)により紫外線を照射して(光量:1.06J/cm)、ドーピングした。その後、熱電変換層の表面に、スコッチテープ(商品名、住友スリーエム株式会社製)を熱電変換層の表面に気泡の入らないように貼り付けて、勢い良くスコッチテープを剥がして、剥離テストを行った。
剥離テストの評価は、熱電変換層の剥離面積によって5段階で評価した。すなわち、熱電変換層がまったく剥離しなかった場合をA、面積にして0%を超え25%以下剥離した場合をB、面積にして25%を超え75%以下剥離した場合をC、75%を超え100%未満剥離した場合をD、全面剥離した場合をEとした。テープ剥離試験は剥離した熱電変換層の面積が小さいほど、第1の電極12に対する密着性が優れていると判断でき、評価結果がB以上であると、実用上十分な電極密着性を発揮する。結果を表1に示す。
Each of the thermoelectric conversion layers 101 to 111 (excluding 108) and c101 to c104 produced as described above is dried and then irradiated with ultraviolet rays using an ultraviolet irradiation machine (ECS-401GX, manufactured by Eye Graphics Co., Ltd.). (Light amount: 1.06 J / cm 2 ) was doped. Then, scotch tape (trade name, manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd.) is affixed to the surface of the thermoelectric conversion layer so that bubbles do not enter, and the scotch tape is peeled off vigorously to perform a peel test. It was.
The peel test was evaluated in five stages according to the peel area of the thermoelectric conversion layer. That is, A when the thermoelectric conversion layer was not peeled at all, B when the area was peeled off more than 0% and 25% or less, and C and 75% when the area was peeled more than 25% and 75% or less. The case where it exceeded and less than 100% peeled was set to D, and the case where it peeled the whole surface was set to E. In the tape peeling test, it can be determined that the smaller the area of the peeled thermoelectric conversion layer is, the better the adhesion to the first electrode 12 is. When the evaluation result is B or more, practically sufficient electrode adhesion is exhibited. . The results are shown in Table 1.

Figure 2014146681
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表1から明らかなように、アニリン由来又はピロール由来の共重合体単位を2種有するポリアニリン共重合体及びポリピロール共重合体を含有する共重合体1〜7とCNTとを含有する本発明の熱電変換層101〜111は、いずれも、第1の電極12に対する密着性が高かった。これは、アニリン由来の共重合体単位又はピロール由来の共重合体単位を2種有するポリアニリン共重合体及びポリピロール共重合体が好適なナノ導電性材料であるカーボンナノチューブの存在下においても高度に分散して凝集体を形成しにくく、これらポリアニリン共重合体及びポリピロール共重合体とカーボンナノチューブとを含有する熱電変換層に高い電極密着性を発揮させたものと考えられる。
また、共重合体1及びハロゲン系溶媒を用いた本発明の熱電変換層101、108〜110はテープ剥離試験の評価結果がAであり、共重合体1及びテトラヒドロフランを用いた本発明の熱電変換層111の評価結果Bよりも優れ、高い密着性を有していた。
これに対し、ホモポリマー1、3及び4は、いずれも、オルトジクロロベンゼンに不溶解であるため、またホモポリマー2はオルトジクロロベンゼンに溶解するものの疎水性を有する置換基の影響が大きいため、ホモポリマー1〜4を用いた比較の熱電変換層c101〜c104は、いずれも、第1の電極12に対する密着性に劣っていた。
As is clear from Table 1, the thermoelectric of the present invention comprising a polyaniline copolymer having two types of copolymer units derived from aniline or pyrrole, copolymers 1 to 7 containing a polypyrrole copolymer, and CNTs. All of the conversion layers 101 to 111 had high adhesion to the first electrode 12. This is highly dispersed even in the presence of carbon nanotubes, which are suitable nano-conductive materials for polyaniline copolymers and polypyrrole copolymers having two types of copolymer units derived from aniline or pyrrole. Thus, it is difficult to form aggregates, and it is considered that the thermoelectric conversion layer containing these polyaniline copolymer and polypyrrole copolymer and carbon nanotubes exhibited high electrode adhesion.
The thermoelectric conversion layers 101 and 108 to 110 of the present invention using the copolymer 1 and the halogen-based solvent have an evaluation result of A for the tape peeling test, and the thermoelectric conversion of the present invention using the copolymer 1 and tetrahydrofuran. It was superior to the evaluation result B of the layer 111 and had high adhesion.
On the other hand, since homopolymers 1, 3 and 4 are all insoluble in orthodichlorobenzene, and homopolymer 2 is soluble in orthodichlorobenzene, the influence of hydrophobic substituents is large. The comparative thermoelectric conversion layers c101 to c104 using the homopolymers 1 to 4 were all inferior in adhesion to the first electrode 12.

実施例2 [熱電特性(熱起電力S)の測定]
上記共重合体1 4mg、単層CNT(ASP−100F、Hanwha Nanotech社製)3mg及び上述のドーパント2mgを、オルトジクロロベンゼン4.0mL中に添加し、超音波水浴にて70分間分散させた。この混合液を、第1の電極12(厚み20nm、長さ1cm、幅:1cm)として金を片側表面に有するポリエチレンテレフタレートフィルム(厚み:125μm)製の基材11の電極12表面に、ガラス棒を用いてバー塗布し、80℃にて80分間加熱して溶媒を除去した後。その後、80℃の真空下にて8時間乾燥させることにより熱電変換層14を形成した。この熱電変換層14を、乾燥後に、紫外線照射機(アイグラフィックス株式会社製、ECS−401GX)により紫外線を照射して(光量:1.06J/cm)、ドーピングした。その後、熱電変換層14の上部に、第2の電極15(厚み20nm、長さ1cm、幅:1cm)として金を蒸着したポリエチレンテレフタレートフィルム(厚み:125μm)製の基材16を、第2の電極15が熱電変換層14に対向するように、80℃にて貼り合わせて、図1に示される熱電変換素子1である本発明の熱電変換素子201を作製した。なお、実施例2で用いたポリエチレンテレフタレートフィルムは、上述のASTM D2176に規定の測定法による耐屈曲回数MITが5万サイクル以上のフレキシビリティーを有していた。
Example 2 [Measurement of Thermoelectric Characteristics (Thermoelectric Power S)]
4 mg of the copolymer 1, 3 mg of single-walled CNT (ASP-100F, manufactured by Hanwha Nanotech) and 2 mg of the above-mentioned dopant were added to 4.0 mL of orthodichlorobenzene, and dispersed in an ultrasonic water bath for 70 minutes. This mixed solution is used as a first electrode 12 (thickness 20 nm, length 1 cm, width: 1 cm) on a surface of the electrode 12 of a base material 11 made of a polyethylene terephthalate film (thickness: 125 μm) having gold on one surface. After removing the solvent by heating at 80 ° C. for 80 minutes. Then, the thermoelectric conversion layer 14 was formed by making it dry under a 80 degreeC vacuum for 8 hours. After drying, the thermoelectric conversion layer 14 was doped by irradiating with ultraviolet rays (light quantity: 1.06 J / cm 2 ) with an ultraviolet irradiator (ECS-401GX, manufactured by Eye Graphics Co., Ltd.). Thereafter, a base material 16 made of a polyethylene terephthalate film (thickness: 125 μm) on which gold was vapor-deposited as a second electrode 15 (thickness 20 nm, length 1 cm, width: 1 cm) was formed on the thermoelectric conversion layer 14. The thermoelectric conversion element 201 of the present invention, which is the thermoelectric conversion element 1 shown in FIG. 1, was manufactured by bonding at 80 ° C. so that the electrode 15 was opposed to the thermoelectric conversion layer 14. In addition, the polyethylene terephthalate film used in Example 2 had the flexibility that the number of bending resistances MIT according to the measurement method specified in ASTM D2176 was 50,000 cycles or more.

共重合体の種類又は有無、ドーパントの有無及び/又は溶媒の種類を表2に示すように変更した以外は熱電変換素子201と同様にして、本発明の熱電変換層202〜211及び比較の熱電変換層c201〜c205を成膜した。なお、ドーパントを用いていない場合は上述の紫外線照射によるドーピング処理は実施していない。   The thermoelectric conversion layers 202 to 211 of the present invention and comparative thermoelectrics are the same as the thermoelectric conversion element 201 except that the type or presence of the copolymer, the presence or absence of the dopant, and / or the type of the solvent are changed as shown in Table 2. Conversion layers c201 to c205 were formed. In addition, when the dopant is not used, the doping process by the above-mentioned ultraviolet irradiation is not implemented.

上記のようにして作製した各熱電変換素子201〜211及びc201〜c205について、下記の方法により、単位温度差当たりの熱起電力(熱電特性ともいう)を測定した。
熱電変換素子の第1の電極13を一定温度に保ったホットプレート上に設置し、第2の電極15上に温度制御用のペルチェ素子を設置した。ホットプレートの温度を一定(100℃)に保ちつつ、ペルチェ素子の温度を低下させることにより両電極間に温度差(0Kを超え10K以下の範囲)を付与した。この時、両電極間に発生した熱起電力(μV)を両電極間に生じた特定の温度差(K)で除することにより、単位温度差当たりの熱起電力S(μV/K)を算出し、この値を熱電変換素子の熱電特性値とした。算出した熱電特性値を、比較の熱電変換素子c205の算出値に対する相対値(熱電変換素子c205の算出値を「50」に設定した。)として、表2に示す。
About each thermoelectric conversion element 201-211 and c201-c205 produced as mentioned above, the thermoelectromotive force per unit temperature difference (it is also called a thermoelectric characteristic) was measured with the following method.
The first electrode 13 of the thermoelectric conversion element was placed on a hot plate maintained at a constant temperature, and a temperature control Peltier element was placed on the second electrode 15. While maintaining the temperature of the hot plate constant (100 ° C.), the temperature of the Peltier element was lowered to give a temperature difference (over 0K to 10K or less) between both electrodes. At this time, the thermoelectromotive force S (μV / K) per unit temperature difference is obtained by dividing the thermoelectromotive force (μV) generated between both electrodes by the specific temperature difference (K) generated between both electrodes. This value was calculated as the thermoelectric characteristic value of the thermoelectric conversion element. The calculated thermoelectric characteristic values are shown in Table 2 as relative values to the calculated values of the comparative thermoelectric conversion element c205 (the calculated value of the thermoelectric conversion element c205 is set to “50”).

Figure 2014146681
Figure 2014146681

表2から明らかなように、アニリン由来又はピロール由来の共重合体単位を2種有するポリアニリン共重合体及びポリピロール共重合体を含有する共重合体1〜7とCNTとを含有する本発明の熱電変換素子201〜211は、いずれも、高い熱電変換性能を発揮した。その理由は、実施例1で述べた通り、共重合体1〜7が好適なカーボンナノチューブの存在下においても高度に分散していることによるものと、考えられる。
また、共重合体1及びハロゲン系溶媒を用いた本発明の熱電変換層201、208〜210は、共重合体1及びテトラヒドロフランを用いた本発明の熱電変換層211よりも、高い熱電変換性能を有していた。
一方、ホモポリマー1、3及び4は、いずれも、オルトジクロロベンゼン等の溶媒に不溶解で、カーボンナノチューブとの混合時に十分に分散せず、凝集した。その結果、比較の熱電変換素子c201、c203及びc204は熱電特性に劣っていた。ホモポリマー2はオルトジクロロベンゼンに溶解するものの、疎水性を有する置換基の影響が大きく、熱電変換素子c202は熱電特性に劣っていた。
As is apparent from Table 2, the thermoelectric of the present invention comprising a polyaniline copolymer having two types of copolymer units derived from aniline or pyrrole, copolymers 1 to 7 containing a polypyrrole copolymer, and CNT. All of the conversion elements 201 to 211 exhibited high thermoelectric conversion performance. The reason for this is considered to be that the copolymers 1 to 7 are highly dispersed even in the presence of suitable carbon nanotubes as described in Example 1.
Moreover, the thermoelectric conversion layers 201 and 208 to 210 of the present invention using the copolymer 1 and the halogen-based solvent have higher thermoelectric conversion performance than the thermoelectric conversion layer 211 of the present invention using the copolymer 1 and tetrahydrofuran. Had.
On the other hand, homopolymers 1, 3 and 4 were all insoluble in a solvent such as orthodichlorobenzene, and were not sufficiently dispersed when mixed with carbon nanotubes and aggregated. As a result, the comparative thermoelectric conversion elements c201, c203, and c204 were inferior in thermoelectric characteristics. Although the homopolymer 2 was dissolved in orthodichlorobenzene, the influence of the hydrophobic substituent was great, and the thermoelectric conversion element c202 was inferior in thermoelectric characteristics.

実施例3 [金属元素の添加]
共重合体1 4mg、単層CNT(ASP−100F、Hanwha Nanotech社製)3mg及び表3に示される添加量で塩化パラジウムを、オルトジクロロベンゼン4.0mL中に添加し、超音波水浴にて70分間分散させた。この混合液を、第1の電極12(厚み20nm、長さ1cm、幅:1cm)として金を片側表面に有するポリエチレンテレフタレートフィルム(厚み:125μm)製の基材11の電極12表面に、ガラス棒を用いてバー塗布し、80℃にて80分間加熱して溶媒を除去した後。その後、80℃の真空下にて8時間乾燥させることにより熱電変換層14を形成した。その後、熱電変換層14の上部に、第2の電極15(厚み20nm、長さ1cm、幅:1cm)として金を蒸着したポリエチレンテレフタレートフィルム(厚み:125μm)製の基材16を、第2の電極15が熱電変換層14に対向するように、80℃にて貼り合わせて、図1に示される熱電変換素子1である本発明の熱電変換素子301を作製した。なお、実施例3で用いたポリエチレンテレフタレートフィルムは、上述のASTM D2176に規定の測定法による耐屈曲回数MITが5万サイクル以上のフレキシビリティーを有していた。
Example 3 [Addition of metal element]
Copolymer 1 4 mg, single-walled CNT (ASP-100F, manufactured by Hanwha Nanotech) 3 mg, and palladium chloride at an addition amount shown in Table 3 were added to 4.0 mL of orthodichlorobenzene, and 70 times in an ultrasonic water bath. Dispersed for minutes. This mixed solution is used as a first electrode 12 (thickness 20 nm, length 1 cm, width: 1 cm) on a surface of the electrode 12 of a base material 11 made of a polyethylene terephthalate film (thickness: 125 μm) having gold on one surface. After removing the solvent by heating at 80 ° C. for 80 minutes. Then, the thermoelectric conversion layer 14 was formed by making it dry under a 80 degreeC vacuum for 8 hours. Thereafter, a base material 16 made of a polyethylene terephthalate film (thickness: 125 μm) on which gold was vapor-deposited as a second electrode 15 (thickness 20 nm, length 1 cm, width: 1 cm) was formed on the thermoelectric conversion layer 14. The thermoelectric conversion element 301 of the present invention, which is the thermoelectric conversion element 1 shown in FIG. 1, was produced by bonding at 80 ° C. so that the electrode 15 faces the thermoelectric conversion layer 14. In addition, the polyethylene terephthalate film used in Example 3 had the flexibility that the number of bending resistances MIT by the measurement method specified in the above-mentioned ASTM D2176 was 50,000 cycles or more.

金属塩の種類又は添加量を表3に示すように変更した以外は熱電変換素子301と同様にして、本発明の熱電変換素子302〜304を作製した。   Thermoelectric conversion elements 302 to 304 of the present invention were produced in the same manner as the thermoelectric conversion element 301 except that the type or addition amount of the metal salt was changed as shown in Table 3.

上記のようにして作製した各熱電変換素子301〜304について、実施例2と同様にして、熱電特性を測定し、算出した熱電特性値を、比較の熱電変換素子c205の算出値に対する相対値として、結果を表3に示す。   For each of the thermoelectric conversion elements 301 to 304 manufactured as described above, the thermoelectric characteristics were measured in the same manner as in Example 2, and the calculated thermoelectric characteristic value was used as a relative value with respect to the calculated value of the comparative thermoelectric conversion element c205. The results are shown in Table 3.

Figure 2014146681
Figure 2014146681

表3から明らかなように、アニリン由来又はピロール由来の共重合体単位を2種有するポリアニリン共重合体及びポリピロール共重合体及びCNTに加えて金属元素を含有する本発明の熱電変換素子301〜304は、いずれも比較の熱電変換素子c205の相対値に対して、熱電変換特性が向上していた。   As is apparent from Table 3, the thermoelectric conversion elements 301 to 304 of the present invention containing a metal element in addition to a polyaniline copolymer having two types of copolymer units derived from aniline or pyrrole, a polypyrrole copolymer, and CNT. In both cases, the thermoelectric conversion characteristics were improved with respect to the relative value of the comparative thermoelectric conversion element c205.

1、2 熱電変換素子
11、17 金属板
12、22 第1の基材
13、23 第1の電極
14、24 熱電変換層
15、25 第2の電極
16、26 第2の基材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Thermoelectric conversion element 11, 17 Metal plate 12, 22 1st base material 13, 23 1st electrode 14, 24 Thermoelectric conversion layer 15, 25 2nd electrode 16, 26 2nd base material

Claims (13)

基材上に、第1の電極、熱電変換層及び第2の電極を有する熱電変換素子であって、該熱電変換層が、ナノ導電性材料、及び、下記一般式(1)で表される共重合体を含有する熱電変換素子。
Figure 2014146681
(一般式(1)中、A及びBは、各々独立に、アニリン誘導体由来の共重合体単位又はピロール誘導体由来の共重合体単位を表す。ただし、AとBとは互いに異なる共重合体単位を表す。m及びnは重合度を表す。)
A thermoelectric conversion element having a first electrode, a thermoelectric conversion layer, and a second electrode on a substrate, wherein the thermoelectric conversion layer is represented by a nano-conductive material and the following general formula (1) A thermoelectric conversion element containing a copolymer.
Figure 2014146681
(In general formula (1), A and B each independently represent a copolymer unit derived from an aniline derivative or a copolymer unit derived from a pyrrole derivative, provided that A and B are different from each other. M and n represent the degree of polymerization.)
前記共重合体単位A及びBの重合度の比(m/n)が、1/99〜99/1である請求項1に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein a ratio (m / n) of the degree of polymerization of the copolymer units A and B is from 1/99 to 99/1. 前記共重合体単位A及びBが、各々独立に、下記一般式(2)〜(5)で表される共重合体単位からなる群より選択される共重合体単位である請求項1又は2に記載の熱電変換素子。
Figure 2014146681
(一般式(2)〜(5)中、R11〜R14は各々独立に1価の置換基を表す。a1及びc1は各々独立に0〜4の整数を表し、b1は0〜2の整数を表し、d1は0〜6の整数を表す。X11〜X14は、各々独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、ヘテロアリール基を表す。*は共重合体単位の連結部位を表す。)
The copolymer units A and B are each independently a copolymer unit selected from the group consisting of copolymer units represented by the following general formulas (2) to (5). The thermoelectric conversion element according to 1.
Figure 2014146681
(In the general formulas (2) to (5), R 11 to R 14 each independently represents a monovalent substituent. A 1 and c 1 each independently represent an integer of 0 to 4, and b 1 represents an integer of 0 to 2. Represents an integer, and d1 represents an integer of 0 to 6. X 11 to X 14 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or a heteroaryl group, and * represents a connecting site of a copolymer unit. Represents.)
前記共重合体単位Aが、a1が0である一般式(2)で表される共重合体単位、b1が0である一般式(3)で表される共重合体単位、c1が0である一般式(4)で表される共重合体単位及びd1が0である一般式(5)で表される共重合体単位からなる群より選択される共重合体単位であり、
前記共重合体単位Bが、a1が1〜4の整数である一般式(2)で表される共重合体単位、b1が1又は2である一般式(3)で表される共重合体単位、c1が1〜4の整数である一般式(4)で表される共重合体単位及びd1が1〜6の整数である一般式(5)で表される共重合体単位からなる群より選択される共重合体単位である請求項3に記載の熱電変換素子。
The copolymer unit A is a copolymer unit represented by the general formula (2) in which a1 is 0, a copolymer unit represented by the general formula (3) in which b1 is 0, and c1 is 0. A copolymer unit selected from the group consisting of a copolymer unit represented by a general formula (4) and a copolymer unit represented by a general formula (5) in which d1 is 0;
The copolymer unit B is a copolymer unit represented by the general formula (2) in which a1 is an integer of 1 to 4, and a copolymer represented by the general formula (3) in which b1 is 1 or 2. A group consisting of a unit, a copolymer unit represented by the general formula (4) wherein c1 is an integer of 1 to 4, and a copolymer unit represented by the general formula (5) wherein d1 is an integer of 1 to 6 The thermoelectric conversion element according to claim 3, wherein the thermoelectric conversion element is a copolymer unit further selected.
前記X11〜X14が、水素原子である請求項3又は4のいずれか1項に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to claim 3, wherein the X 11 to X 14 are hydrogen atoms. 前記共重合体単位A及びBが、いずれも、前記一般式(2)で表される共重合体単位である請求項3〜5のいずれか1項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to any one of claims 3 to 5, wherein each of the copolymer units A and B is a copolymer unit represented by the general formula (2). 前記共重合体単位A及びBが、いずれも、前記一般式(3)で表される共重合体単位である請求項3〜5のいずれか1項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to any one of claims 3 to 5, wherein each of the copolymer units A and B is a copolymer unit represented by the general formula (3). 前記共重合体単位Aが、前記共重合体単位Bよりも小さな分子量を有している請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7, wherein the copolymer unit A has a molecular weight smaller than that of the copolymer unit B. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱電変換素子を用いた熱電発電用物品。   The article for thermoelectric power generation using the thermoelectric conversion element of any one of Claims 1-8. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱電変換素子を用いたセンサー用電源。   The power supply for sensors using the thermoelectric conversion element of any one of Claims 1-8. ナノ導電性材料、及び、下記一般式(1)で表される共重合体を含有する、熱電変換素子の熱電変換層を形成するための熱電変換材料。
Figure 2014146681
(一般式(1)中、A及びBは、各々独立に、アニリン誘導体由来の共重合体単位又はピロール誘導体由来の共重合体単位を表す。ただし、AとBとは互いに異なる共重合体単位を表す。)
A thermoelectric conversion material for forming a thermoelectric conversion layer of a thermoelectric conversion element, comprising a nano-conductive material and a copolymer represented by the following general formula (1).
Figure 2014146681
(In general formula (1), A and B each independently represent a copolymer unit derived from an aniline derivative or a copolymer unit derived from a pyrrole derivative, provided that A and B are different from each other. Represents.)
有機溶媒を含む請求項11に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 11, comprising an organic solvent. 前記有機溶媒が、ハロゲン系溶媒から選択される少なくとも1種である請求項12に記載の熱電変換材料。
The thermoelectric conversion material according to claim 12, wherein the organic solvent is at least one selected from halogenated solvents.
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