JP2015228498A - 伸縮性熱電複合体、及びそれを含む熱電素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】伸縮性熱電複合体、及びそれを含む熱電素子を提供する。
【解決手段】伸縮性ポリマーに、熱電無機物と導電性物質とが混合されてなる熱電複合体である。これにより、該熱電複合体は、伸縮性と共に、優秀な熱電変換効率を示すので、自家発電型ウェアラブル電子機器に効果的に適用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、伸縮性熱電複合体、及びそれを含む熱電素子に関する。
熱電変換（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）とは、熱エネルギーと電気エネルギーとのエネルギー変換を意味する。熱電材料に電流を流すとその両端間に温度勾配が発生する効果をペルチェ効果（Ｐｅｌｔｉｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）といい、逆に、熱電材料の両端に温度差があるとき、電気が発生する効果をゼーベック効果（Ｓｅｅｂｅｃｋ ｅｆｆｅｃｔ）という。
ペルチェ効果を利用すれば、冷媒が不要な各種冷却システムを具現することができる。ペルチェ効果を利用した冷却システムは、既存の冷却システム（受動型冷却システム、冷媒ガス圧縮方式のシステム）では解決し難い発熱問題を解決するのに有用に適用される。熱電冷却は、環境問題を誘発する冷媒ガスを使用しない親環境冷却技術であり、高効率の熱電冷却材料の開発を介して熱電冷却効率を向上させれば、冷蔵庫、エアコンなど汎用冷却分野にまで応用幅を拡大させることができる。
一方、ゼーベック効果を利用すれば、コンピュータ、自動車エンジン部、産業用工場などで発生した熱を電気エネルギーに変換することができる。このようなゼーベック効果を利用した熱電発電は、新再生エネルギー源として活用される。最近、新エネルギー開発、廃エネルギー回収、環境保護などへの関心が高まりながら、熱電素子に対する関心も高くなっている。
また、最近では、大面積熱電素子またはウェアラブル熱電素子への適用のために、ポリマー熱電素材やフレキシブル熱電素材に対する関心が高くなっている。
そのようなポリマー熱電素材、フレキシブル熱電素材は、熱電無機物と比較して非毒性、低価格、大面積熱電素子を具現しやすいというような長所があるが、熱電変換効率が低い場合が多い。
本発明が解決しようとする課題は、熱電変換性能に優れる熱電材料を提供することである。
本発明が解決しようとする課題はまた、該熱電材料を利用して熱電素子を形成し、それをウェアラブル電子機器に適用することである。
前記課題を解決するために、本発明の熱電複合体は、伸縮性（ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ）ポリマーに、熱電無機物と導電性物質とが混合されてなる。
前記伸縮性ポリマーは、ＳＩＳ（ポリスチレン‐イソプレン‐スチレン）（、ＳＢＳ（ポリスチレン‐ブタジエン‐スチレン）、ＳＥＢＳ（ポリスチレン‐エチレン／ブチレン‐スチレン）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、ポリウレタン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）ポリウレタンアクリレート（ＰＵＡ）、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）またはポリエステル（ＰＥ）を含んでもよい。
前記熱電無機物は、Ｓｂ−Ｔｅ系、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅ系、Ｃｏ−Ｓｂ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、Ｇｅ−Ｔｂ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｓｍ−Ｃｏ系または炭素系の材料を含んでもよい。
前記炭素系材料は、炭素ナノチューブ、グラフェンまたは黒鉛を含んでもよい。
前記導電性物質は、炭素ナノ物質または金属物質を含んでもよい。
前記炭素ナノ物質は、炭素ナノチューブ、グラフェン、グラフェンナノ粒子を含んでもよい。
前記導電性物質は、炭素ナノチューブの表面に、金属ナノ粒子が吸着された形態によってなる。
前記金属物質は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）またはルテニウム（Ｒｕ）を含んでもよい。
前記熱電無機物と前記導電性物質とが混合された形態は、炭素ナノチューブの表面に、金属ナノ粒子が吸着された形態でもある。
前記熱電無機物及び前記導電性物質として炭素ナノチューブが採用されてもよい。
前記炭素ナノチューブは、一方向に整列された多層炭素ナノチューブ（ＭＷＣＮＴ：ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）アレイでもある。
前記多層炭素ナノチューブアレイは、前記伸縮性ポリマー内に埋め込まれた（ｅｍｂｅｄｄｅｄ）形態に配置されてもよい。
前記伸縮性ポリマーは、一方向性（ｕｎｉａｘｉａｌ）伸縮性を有し、前記多層炭素ナノチューブアレイは、長手方向が、前記一方向と平行になるように配置されてもよい。
または、前記伸縮性ポリマーは、一方向性伸縮性を有し、前記多層炭素ナノチューブアレイは、長手方向が、前記一方向と垂直になるように配置されてもよい。
また、前記課題を解決するために本発明の一類型による熱電素子は、前述のいずれか１つの熱電複合体；並びに前記熱電複合体の両側にそれぞれ電気的に連結された第１電極及び第２電極；を含んでもよい。
前記熱電素子は、前記第１電極及び第２電極に電気的に連結された電子装置をさらに含んでもよい。
前記電子装置は、電気消耗装置、電気保存装置または電気供給装置でもある。
また、前記課題を解決するために本発明の一類型によるウェアラブル電子機器は、対象体に着用され、対象体の状態を検査するウェアラブル電子機器であって、前述のいずれか１つの熱電複合体；前記熱電複合体の両側に、それぞれ電気的に連結された第１電極及び第２電極；前記第１電極及び第２電極に連結され、前記対象体が提供する熱が、前記熱電複合体の両端に形成する温度差によって、前記熱電複合体内に発生する電気エネルギーを蓄積する電気保存装置；並びに前記電気保存装置から電気エネルギーを供給され、対象体に対して必要な検査を行う動作部；を含む。
前記動作部は、前記対象体の健康状態または運動状態を測定することができる。
また、該電子機器は、前記熱電複合体の両側に、それぞれ電気的に連結された第１電極及び第２電極；並びに前記熱電複合体に電流を印加し、前記熱電複合体の一側に、局所冷却領域を形成するように、前記第１電極及び第２電極に連結された電気供給装置；を含む。
本発明の熱電複合体は、伸縮性を有し、また優秀な熱電性能を示す。
従って、前述の熱電複合体は、電気消耗装置、電気保存装置または電気供給装置と共に、熱電変換性能に優れる熱電素子を具現することができる。
前述の熱電素子は、自家発電が可能なウェアラブル電子素子に適用され、または局所冷却が必要な多様な電子素子にも適用される。
一実施形態による熱電複合体の概略的な構成を示す図面である。 一実施形態による熱電複合体のサンプルを製造し、その伸びた状態を観察した写真である。 製造された熱電複合体サンプルの表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で拡大観察した写真である。 一実施形態による熱電複合体に加えられた引っ張り応力による導電率を示したグラフである。 一実施形態による熱電複合体に加えられた引っ張り応力によるゼーベック係数を示したグラフである。 一実施形態による熱電複合体に加えられた引っ張り応力によるパワーファクターを示したグラフである。 他の実施形態による熱電複合体の概略的な構造を示す図面である。 図７の熱電複合体に採用されたナノ構造体の詳細な構造を示す図面である。 さらに他の実施形態による熱電複合体の概略的な構造を示す図面である。 さらに他の実施形態による熱電複合体の概略的な構造を示す図面である。 一実施形態による熱電素子の概略的な構造を示す図面である。 他の実施形態による熱電素子の概略的な構造を示す図面である。 さらに他の実施形態による熱電素子の概略的な構造を示す図面である。 一実施形態によるウェアラブル電子機器の概略的な構成を示したブロック図である。
以下、添付された図面を参照し、本発明の実施形態による熱電複合体、及びそれを含む熱電素子について詳細に説明する。以下の図面において、同一の参照符号は、同一の構成要素を指し、図面上で各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜性のために誇張されてもいる。一方、以下で説明する実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、そのような実施形態から、多様な変形が可能である。以下で、「上部」や「上」と記載されたところは、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものを含んでもよい。
図１は、一実施形態による熱電複合体１００の概略的な構成を示している。
一実施形態による熱電複合体１００は、熱電変換効率を高め、また伸縮性（ｓｔｒｅｔｃｈａｂｉｌｉｔｙ）を付与する熱電材質を具現することができる構成を有する。
熱電材料の熱電性能指数（ｚＴ）は、次の数式１のように定義される。
（数式１）
ｚＴ＝（α２σＴ）／κ
ここで、αは、ゼーベック係数（Ｓｅｅｂｅｃｋ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり、σは、導電率であり、Ｔは、絶対温度であり、κは、熱伝導度である。
前記式で、α２σは、パワーファクター（ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ）という。
前記数式１を参照すると、熱電性能指数を高めるためには、ゼーベック係数と導電率とを高め、熱伝導度を低くすることが必要である。
本実施形態による熱電複合体１００は、そのような要件によって、熱電変換効率を高めながらも、伸縮性を示すことができる伸縮性熱電素材を模索した結果として、それを具現するように、伸縮性（ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ）ポリマー１２０に、熱電無機物１４０と導電性物質１６０とが混合されてなる。
伸縮性ポリマー１２０としては、伸縮性がある全種のポリマーが使用されてもよい。例えば、ＳＩＳ（ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅ−ｉｓｏｐｒｅｎｅ−ｓｔｙｒｅｎｅ））、ＳＢＳ（ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅ−ｂｕｔａｄｉｅｎｅ−ｓｔｙｒｅｎｅ））、ＳＥＢＳ（（ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅ−ｅｔｈｙｌｅｎｅ／ｂｕｔｙｌｅｎｅ−ｓｔｙｒｅｎｅ））、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＮＢＲ（ｎｉｔｒｉｌｅ ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ）、ポリウレタン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリウレタンアクリレート（ＰＵＡ）、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）またはポリエステル（ＰＥ）が使用されてもよい。
熱電無機物１４０としては、Ｓｂ−Ｔｅ系、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅ系、Ｃｏ−Ｓｂ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、Ｇｅ−Ｔｂ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｓｍ−Ｃｏ系または炭素系の材料が使用されてもよい。
Ｓｂ−Ｔｅ系熱電無機物の例としては、Ｓｂ２Ｔｅ３、ＡｇＳｂＴｅ２、ＣｕＳｂＴｅ２などが使用され、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電無機物の例としては、Ｂｉ２Ｔｅ３、（Ｂｉ，Ｓｂ）２（Ｔｅ，Ｓｅ）３系熱電無機物などが使用されてもよい。Ｃｏ−Ｓｂ系熱電無機物の例としては、ＣｏＳｂ３系熱電無機物が使用され、Ｐｂ−Ｔｅ系熱電無機物の例としては、ＰｂＴｅ、（ＰｂＴｅ）ｍＡｇＳｂＴｅ２などが使用されてもよい。それ以外にも、熱電材料分野で使用可能な無機物であるならば、いずれも熱電無機物として適用される。
炭素系材料としては、炭素ナノチューブ（ＣＮＣ）、グラフェンまたは黒鉛を含んでもよい。具体的に、単層炭素ナノチューブ（ｓｉｎｇｌｅ ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）、二層炭素ナノチューブ（ｄｏｕｂｌｅ ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）、多層炭素ナノチューブ（ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）、束型炭素ナノチューブ、グラフェンオキサイド、グラフェンナノリボン、カーボンブラックまたはカーボンナノファイバを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。
導電性物質１６０としては、金属物質または炭素ナノ物質が使用される。金属物質としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）またはルテニウム（Ｒｕ）が使用され、炭素ナノ物質としては、炭素ナノチューブ、グラフェン、グラフェンナノ粒子などが使用されてもよい。
熱電複合体１００は、多様な混合方法を使用して製造される。
例えば、熱電無機物１４０、導電性物質１６０を粉末体、例えば、フレーク（ｆｌａｋｅ）状またはパウダー（ｐｏｗｄｅｒ）状に成形し、液状の伸縮性ポリマー１２０内に分散させた後、溶媒を蒸発させる過程によって製造される。溶媒としては、水または多様な種類の有機溶媒を使用することができる。溶媒の蒸発は、自然蒸発または加熱工程にもよる。
または、伸縮性ポリマー１２０、熱電無機物１４０、導電性物質１６０を粉末体の形態で準備した後、それらを溶媒に混合し、溶媒を蒸発させる方法を使用することができる。
または、乾式混合方法を使用することができ、すなわち、粒子状の伸縮性ポリマー１２０、熱電無機物１４０、導電性物質１６０を、通常のミキサー（ｍｉｘｅｒ）を使用して混合し、圧縮する方法を使用することができる。
図２は、一実施形態による熱電複合体１００のサンプルを製造し、その伸びた状態を観察した写真であり、図３は、製造された熱電複合体サンプルの表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で拡大観察した写真である。
該サンプルは、Ａｇフレーク（ｆｌａｋｅ）、炭素ナノチューブ、ＳＩＳポリマーを混合して製造され、図２のような伸張実験結果として、７０％ほどの伸張性能を示している。
前記サンプルの製造過程について簡単に記述すれば、次の通りである。ただし、下記製造過程は、例示的なものである。
まず、ＳＩＳポリマー２ｇを、トルエン溶液５０ｍｌに入れ、６０℃に加熱しながら、一時間程度撹拌する。
次に、その分散液に、導電性材料と無機熱電材料とを混合する段階であり、Ａｇフレーク０．８ｇ、炭素ナノチューブ０．１ｇを、前記分散液に入れ、超音波分散器（ｔｉｐ ｓｏｎｉｃａｔｏｒ）を使用して、７００Ｗで１０分間混合する。
次に、常温で自然蒸発で分散媒を乾燥させれば、フィルム状の熱電複合体サンプルを得ることができる。
図４ないし図６は、一実施形態による熱電複合体１００に加えられた引っ張り応力による導電率（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）、ゼーベック係数、パワーファクターを示したグラフである。
図４を参照すれば、引っ張り応力の増大によって、導電率が低下する傾向を示し、約５０％以上の引っ張り応力では、低下率が若干急激になる。
図５を参照すれば、ゼーベック係数は、引っ張り応力が変わっても、ほぼ一定に維持されている。
図６を参照すれば、パワーファクターは、引っ張り応力によって低減し、２０％程度以上の引っ張り応力では、低減幅が非常に小さく、ほぼ一定値を示す。
パワーファクターは、熱電性能指数ｚＴに係わる前記数式１に示されたσα２を指す。
前述の実験結果は、熱電複合体１００を構成する要素の適切な組み合わせにより、所望するほどの伸縮性と熱電性能とを具現することが可能であるということを例示したものである。
以下、熱電複合体に係わる多様な実施形態について説明する。
図７は、他の実施形態による熱電複合体２００の概略的な構造を示し、図８は、図７の熱電複合体に採用されたナノ構造体２００の詳細な構造を示した拡大図である。
一実施形態による熱電複合体２００は、伸縮性ポリマー１２０に、伝導性と熱電特性とを有するナノ構造体２５０が混合された構造によってなる。
図８に図示されているように、該ナノ構造体２５０は、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）の表面に、金属ナノ粒子が吸着された形態によってなる。
炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）は、熱電特性と伝導性とをいずれも有する材質であり、その表面に、金属ナノ粒子（ＭＮＰ）を結合することにより、熱電性能と共に、高い伝導性を示すことができる。また、該ナノ構造体２５０を伸縮性ポリマー１２０に分散させて混合することにより、伸縮性熱電素材が具現される。
本実施形態に採用されたナノ構造体２５０は、図１の熱電複合体１００に、熱電無機物１４０の例として適用されもする。すなわち、伸縮性ポリマー１２０に、前述のナノ構造体２５０と導電性材料１６０とが混合され、熱電複合体１００が構成されもする。
以下、熱電複合体をなす具体的な構成要素の種類と量とを変更した多様なサンプルに係わる導電率、ゼーベック係数、パワーファクターについて説明する。
下記表１は、熱電無機物と導電性物質との相対比率を異ならせたサンプルに係わる熱電特性を示す。
前記サンプルは、伸縮性ポリマーとしてＳＩＳポリマーを使用し、熱電無機物として、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）及び／またはＳｂ２Ｔｅ３を使用し、導電性物質として、Ａｇ及び／または炭素ナノチューブを使用している。すなわち、炭素ナノチューブは、導電性と熱電特性とをいずれも示す材質として使用される。伸縮性ポリマーの含量を同一に維持し、熱電無機物と導電性物質との含量比は、異なって調節された。前記結果では、Ａｇの含有によって、導電性の違いが大きく示され、それがパワーファクターに主な影響を与えると分析される。
下記表２は、熱電無機物と導電性物質との相対比率を異ならせたサンプルであり、ＡｇフレークとＳＩＳポリマーとの量を一定にしたサンプルに係わる熱電特性を示す。
前記サンプルは、伸縮性ポリマーとして、ＳＩＳポリマーを使用し、熱電無機物として、炭素ナノチューブを使用し、導電性物質として、Ａｇと炭素ナノチューブとを使用している。サンプル７のＡｇ／炭素ナノチューブは、図７の実施形態に採用されたナノ構造体であり、炭素ナノチューブの表面に、Ａｇナノ粒子が吸着されたナノ構造体を意味する。表２の結果について説明すれば、炭素ナノチューブ含量が少ない場合、ゼーベック係数が低く示されるが、相対的にＡｇ含量比が大きくなるので、導電率が高く示され、結果的として、高いパワーファクターを示す。
図９は、さらに他の実施形態による熱電複合体３００の概略的な構造を示している。
一実施形態の熱電複合体３００は、熱電特性と導電性とを同時に示す炭素ナノチューブを採用している。すなわち、熱電複合体３００は、伸縮性ポリマー１２０と、多層炭素ナノチューブアレイ３５０と、を含む。
多層炭素ナノチューブアレイ３５０は、一方向に整列された形態を有することができ、すなわち、多層炭素ナノチューブアレイ３５０をなす多数の多層炭素ナノチューブの長手方向が互いに平行になるように配置されてもよい。多層炭素ナノチューブアレイ３５０は、伸縮性ポリマー１２０内に埋め込まれた（ｅｍｂｅｄｄｅｄ）形態に配置されてもよい。伸縮性ポリマー１２０は、一方向性（ｕｎｉａｘｉａｌ）伸縮性を示すことができ、矢印Ａ１は、伸縮性方向を示す。多層炭素ナノチューブアレイ３５０は、長手方向Ａ２が伸縮性方向Ａ１と垂直になるように配置されてもよい。
図１０は、さらに他の実施形態による熱電複合体４００の概略的な構造を示している。
本実施形態の熱電複合体４００も、図８の熱電複合体３００と類似しており、一方向性Ａ１伸縮性を示す伸縮性ポリマー１２０内に、一方向に整列された多層炭素ナノチューブアレイ４５０が埋め込まれた構造を有する。本実施形態の熱電複合体４００は、多層炭素ナノチューブアレイ４５０の長手方向Ａ３が伸縮性方向Ａ１と平行になるように配置される。
前述の熱電複合体１００，２００，３００，４００は、熱電複合体１００，２００，３００，４００内に熱電変換を誘導するための電流を供給したり、あるいは熱電変換によって発生した電気を使用または収集するための電極構造をさらに具備することができる。該電極構造は、熱電複合体１００，２００，３００，４００の両側に、熱電複合体１００，２００，３００，４００と電気的に連結されるように、それぞれ配置された２つの電極によってなる。また、そのような電極に連結された電子装置、例えば、電気消耗装置、電気保存装置または電気供給装置のように、多様な機能の熱電素子に適用されてもよい。
図１１は、一実施形態による熱電素子１０００の概略的な構造を示している。
熱電素子１０００は、熱電複合体ＴＭの両端にそれぞれ形成された第１電極ＥＬ１、第２電極ＥＬ２、及び第１電極ＥＬ１と第２電極ＥＬ２との間に配置された電気消耗装置ＥＤ１を含む。
熱電構造体ＴＭの一端、例えば、第１電極ＥＬ１が形成された端部は、相対的に温度が高い高温領域Ｈ１に接しており、他端、例えば、第２電極ＥＬ２が形成された端部側は、相対的に温度が低い低温領域Ｌ１に接している。その場合、熱電効果によって、熱電複合体ＴＭで電気が発生する。例えば、高温領域Ｈ１に接している一端から、低温領域Ｌ１に接している他端に、電子（ｅ−）（あるいは、正孔）が移動することができる。電子（ｅ−）（あるいは、正孔）は、電気消耗装置ＥＤ１に流れ、電気消耗装置ＥＤ１において、熱電複合体ＴＭで形成された電気エネルギーが消耗される。
電気消耗装置ＥＤ１は、電球として図示されているが、それは例示的なものであり、熱電複合体ＴＭで発生した電気を消耗することができる多種の負荷装置が採用されてもよい。
熱電複合体ＴＭとしては、前述例の熱電複合体１００，２００，３００，４００のうちいずれか、またはそれらが組み合わされた形態であり、伸縮性を具備し、さらに優秀な熱電特性を示すので、熱電素子１０００は、優秀な熱電変換性能を有することができる。
図１２は、他の実施形態による熱電素子２０００の概略的な構造を示している。
本実施形態の熱電素子２０００は、熱電素子２０００の両端に連結された電子装置が電気保存装置ＥＤ２である点で、図１０の熱電素子１０００と違いがある。例えば、電気保存装置ＥＤ２は、蓄電池でもあり、熱電複合体ＴＭで発生した電気が電気保存装置ＥＤ２に保存される。
図１３は、さらに他の実施形態による熱電素子３０００の概略的な構造を示している。
本実施形態の熱電素子３０００は、熱電冷却素子の一例を示している。
図１３を参照すれば、熱電複合体ＴＭの両端に、第１電極ＥＬ１、第２電極ＥＬ２が具備され、第１電極ＥＬ１、第２電極ＥＬ２の間に電気供給装置ＥＤ３が連結される。電気供給装置ＥＤ３から熱電複合体ＴＭに電流を印加すれば、ペルチェ効果によって、熱電複合体ＴＭの一端は、周囲の熱を吸収することができる。すなわち、熱電複合体ＴＭの一端において、熱電複合体ＴＭによって、周囲の熱が吸収される。従って、熱電複合体ＴＭの一端周辺は、冷却される。電気供給装置ＥＤ３の具体的な構成は、多様に変形されてもよい。
本実施形態の熱電素子３０００は、局所冷却（ｈｏｔ ｓｐｏｔ ｃｏｏｌｉｎｇ）が必要な多様な電子機器に採用されてもよい。例えば、スマートフォン、タブレットＰＣ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、マイクロパッケージなど携帯用電子機器に採用され、またウェアラブル小型電子機器にも採用される。
図１ないし図３の熱電素子１０００，２０００，３０００に採用される熱電複合体ＴＭは、前述例の熱電複合体１００，２００，３００，４００、またはそれらの組み合わせによってなる。
また、図１１ないし図１３の熱電素子１０００，２０００，３０００に具備される電極構造は、平板型として図示されたが、それは、例示的なものであり、例えば、ワイヤ状などに多様に変更されてもよい。また、熱電複合体ＴＭにおいて、図９または図１０のように、伸縮性ポリマー１２０内に埋め込まれた多層炭素ナノチューブアレイ３５０，４５０からなる熱電複合体３００，４００が採用される場合、第１電極ＥＬ１、第２電極ＥＬ２が多層炭素ナノチューブアレイ３５０，４５０と電気的に接するように、すなわち、多層炭素ナノチューブアレイ３５０，４５０を、伸縮性ポリマー１２０の外部に、電気的に露出させるワイヤ構造をさらに含んでもよい。例えば、多層炭素ナノチューブアレイ３５０，４５０に、金属フレークなどを利用して、外部に露出させるワイヤを形成した後、伸縮性ポリマー１２０に埋め込む方法で、熱電複合体３００，４００が製造される。
一実施形態による熱電素子１０００，２０００，３０００は、伸縮性がある熱電複合体ＴＭを採用しているので、ウェアラブル機器に適用されやすく、また自家発電型ウェアラブル機器に適用される。
図１４は、一実施形態によるウェアラブル電子機器７０００の概略的な構成を示したブロック図である。
ウェアラブル電子機器７０００は、対象体ＯＢＪに着用され、対象体の状態を検査することができる電子機器であって、熱電素子７２００と動作部７４００とを含む。
熱電素子７０００は、前述の実施形態による熱電複合体を具備する構成であり、また図１２で例示されたように、熱電複合体で生成された電気エネルギーを蓄積する電気保存装置を具備する。
熱電素子７２００は、対象体ＯＢＪが提供する熱エネルギーＴＥから電気を生成する自家発電素子として機能することができる。すなわち、対象体ＯＢＪが提供する熱エネルギーＴＥによって、対象体ＯＢＪに隣接した領域と、相対的にそれと遠い外部側領域との間に温度差が形成され、そのような温度勾配内に配置された熱電複合体に電気が生成され、熱電素子７２００は、それを電気エネルギーとして保存する。
動作部７４００は、熱電素子７２００から電気エネルギーを供給され、対象体ＯＢＪに対して必要な検査を行うことができる。例えば、動作部７４００は、対象体ＯＢＪに対して、所定の入力信号Ｓ１を印加し、対象体ＯＢＪとの相互作用によって変換された出力信号Ｓ２を受信し、対象体ＯＢＪの状態を分析することができる。入力信号Ｓ１は、例えば、光または超音波などでもあり、出力信号Ｓ２は、対象体ＯＢＪとの相互作用によって、入力信号Ｓ２とは異なる性質を有する光または超音波でもある。
動作部７４００は、対象体の健康状態または運動状態を検査することができる。動作部７４００は、入力信号Ｓ１を生成するための装置、例えば、光源装置、超音波装置などを具備することができる。また、動作部７４００は、出力信号Ｓ２を受信するために必要な多様なセンサを具備することができる。例えば、光センサ、超音波センサ、圧力センサ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ）または応力センサ（ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｏｒ）などを具備することができる。
動作部７４００は、有線または無線で制御され、例えば、遠隔から対象体ＯＢＪの健康状態を測定する健診システムの構成要素でもある。
前述のウェアラブル電子機器７０００は、一例として説明したものであり、それらに限定されるものではなく、多様な形態を有することができる。例えば、熱電素子を自家発電エネルギー源として使用する全ての可能なウェアラブル素子として適用されてもよい。すなわち、体温と周辺環境との温度差を利用した自家発電方式で電力を生産し、生産された電気エネルギーをエネルギー源として使用する電子ゴーグル（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｇｏｇｇｌｅ）、時計、衣服の形態で適用されてもよい。また、ウェアラブル電子素子が装着されている軍服の形態で適用されもする。
以上、本発明の理解の一助とするために、例示的な実施形態について説明し、添付された図面に図示した。しかし、そのような実施形態は、単に本発明を例示するためのものであり、それらを制限するものではないという点が理解されなければならない。発明は、図示されて説明された説明に限られるものではないという点が理解されなければならない。それは、多様な異なる変形が本技術分野で当業者によって可能であるためである。
本発明の伸縮性熱電複合体、及びそれを含む熱電素子は、例えば、ウェアラブル電子機器関連の技術分野に効果的に適用可能である。
１００，２００，３００，４００，ＴＭ 熱電複合体
１２０ 伸縮性ポリマー
１４０ 熱電無機物
１６０ 導電性物質
２５０ ナノ構造体
３５０，４５０ 多層炭素ナノチューブアレイ
１０００，２０００，３０００，４０００，７２００ 熱電素子
７０００ ウェアラブル電子機器
７４００ 動作部
Ｈ１ 高温領域
Ｌ１ 低温領域
Ｓ１ 入力信号
Ｓ２ 出力信号
ＴＥ 熱エネルギー
ＥＤ１ 電気消耗装置
ＥＤ２ 電気保存装置
ＥＤ３ 電気供給装置
ＥＬ１ 第１電極
ＥＬ２ 第２電極
ＯＢＪ 対象体

Claims (20)

  1. 伸縮性ポリマーに、熱電無機物と導電性物質とが混合された熱電複合体。
  2. 前記伸縮性ポリマーは、ＳＩＳ（ポリスチレン‐イソプレン‐スチレン）、ＳＢＳ（ポリスチレン‐ブタジエン‐スチレン）、ＳＥＢＳ（ポリスチレン‐エチレン／ブチレン‐スチレン）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、ポリウレタン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリウレタンアクリレート（ＰＵＡ）、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）またはポリエステル（ＰＥ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電複合体。
  3. 前記熱電無機物は、Ｓｂ−Ｔｅ系、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅ系、Ｃｏ−Ｓｂ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、Ｇｅ−Ｔｂ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｓｍ−Ｃｏ系または炭素系の材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の熱電複合体。
  4. 前記炭素系材料は、炭素ナノチューブ、グラフェンまたは黒鉛を含むことを特徴とする請求項３に記載の熱電複合体。
  5. 前記導電性物質は、炭素ナノ物質または金属物質を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱電複合体。
  6. 前記炭素ナノ物質は、炭素ナノチューブ、グラフェン、グラフェンナノ粒子を含むことを特徴とする請求項５に記載の熱電複合体。
  7. 前記導電性物質は、炭素ナノチューブの表面に、金属ナノ粒子が吸着された形態によってなることを特徴とする請求項５に記載の熱電複合体。
  8. 前記金属物質は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）またはルテニウム（Ｒｕ）を含むことを特徴とする請求項５に記載の熱電複合体。
  9. 前記熱電無機物と前記導電性物質とが混合された形態は、
    炭素ナノチューブの表面に、金属ナノ粒子が吸着された形態であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の熱電複合体。
  10. 前記熱電無機物及び前記導電性物質として、炭素ナノチューブが採用されることを特徴とする請求項１に記載の熱電複合体。
  11. 前記炭素ナノチューブは、一方向に整列された多層炭素ナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）アレイであることを特徴とする請求項１０に記載の熱電複合体。
  12. 前記多層炭素ナノチューブアレイは、前記伸縮性ポリマー内に埋め込まれた形態に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の熱電複合体。
  13. 前記伸縮性ポリマーは、一方向性伸縮性を有し、
    前記多層炭素ナノチューブアレイは、長手方向が、前記一方向と平行になるように配置されることを特徴とする請求項１２に記載の熱電複合体。
  14. 前記伸縮性ポリマーは、一方向性伸縮性を有し、
    前記多層炭素ナノチューブアレイは、長手方向が、前記一方向と垂直になるように配置されることを特徴とする請求項１２に記載の熱電複合体。
  15. 請求項１ないし１４のうちいずれか１項に記載の熱電複合体と、
    前記熱電複合体の両側に、それぞれ電気的に連結された第１電極及び第２電極と、を含む熱電素子。
  16. 前記第１電極及び第２電極に電気的に連結された電子装置をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の熱電素子。
  17. 前記電子装置は、電気消耗装置、電気保存装置または電気供給装置であることを特徴とする請求項１６に記載の熱電素子。
  18. 対象体に着用され、対象体の状態を検査するウェアラブル電子機器であって、
    請求項１ないし１４のうちいずれか１項に記載の熱電複合体と、
    前記熱電複合体の両側に、それぞれ電気的に連結された第１電極及び第２電極と、
    前記第１電極及び第２電極に連結され、前記対象体が提供する熱が、前記熱電複合体の両端に形成される温度差によって、前記熱電複合体内に発生する電気エネルギーを蓄積する電気保存装置と、
    前記電気保存装置から電気エネルギーを供給され、対象体に対して必要な検査を行う動作部と、を含むウェアラブル電子機器。
  19. 前記動作部は、前記対象体の健康状態または運動状態を測定することを特徴とする請求項１８に記載のウェアラブル電子機器。
  20. 請求項１ないし１４のうちいずれか１項に記載の熱電複合体と、
    前記熱電複合体の両側に、それぞれ電気的に連結された第１電極及び第２電極と、
    前記熱電複合体に電流を印加し、前記熱電複合体の一側に、局所冷却領域を形成するように、前記第１電極及び第２電極に連結された電気供給装置と、を含む電子機器。
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