JP2020511791A - 変換材料 - Google Patents

Abstract

本発明は、マトリックスを提供する第１相と、電子の移動を提供するナノスケールまたはマイクロスケール材料を含む第２相とを含む変換材料を提供する。変換材料は、単一の巨視的なリザーバーからの熱を電圧に変換する。【選択図】図３

Description

本出願は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる変換材料、その製造方法、およびこれを用いた装置に関する。

熱電発電機および熱電変換材料が知られている。これらの材料は主に、他に用途が無いために無駄となっている熱エネルギーを利用するためのエネルギー源として、重要視されている。これらの材料の１つの特徴は、温度差を利用して発電することにある。

このような材料は既に知られており、セラミック複合材料や金属間化合物が含まれる。しかしながら、一般的にこれらの材料は高価であり、また簡単な方法では加工できないため、製造コストが増大している。このため、全体として、熱電発電機（ＴＥＧ）の使用はまだ普及していない。このような材料の例として、NANO LETTERS, 2008, Vol.8, No.12, 4428-4432; APPLIED PHYSICS LETTERS 98, 183110 (2011); US 2013/0312806 A1; US 2015/0380625A1; および US 2014/0042373A1に開示されている、ポリマーマトリックスとこれに分散された炭素粒子との複合体などがある。EP2832689A1にはグラフェン粉末が開示されている。しかし、本技術分野においては、廃熱エネルギーが豊富に利用可能であることや、太陽熱を利用しようとする試みが行われていることから、熱エネルギーを利用して発電を可能とする新しい方法の提供が望まれている。この点に関して、一般的にナノスケールで存在し、熱エネルギーの起因下で動作し得るブラウンモーターに科学的評価が集まっている。このようなブラウンモーターは、例えば、in the scientific report of Lesovik et al., published on www.nature.com under the DOI: 10.1038/srep32815 (H-theorem in quantum physics). や、 Physical Review Letters, 104, 248001 (2010) by Eshuis et al., Experimental Realization of a Rotational Ratchet in a Granular Gas.にて考察されている。さらに、カーボンナノチューブなどのナノスケールおよびマイクロスケール材料、ナノロッドなどの他のタイプのナノ物質、グラフェンなどに関連して、材料科学の進歩が見られ、新しいタイプの材料に利用できる材料がさらに広がっている。好ましくは、電気エネルギーを生成することができるこのような変換材料での用途に適した材料および組成物は、従来の材料よりも安価であって、熱電装置の製造を容易にする加工経路をも提供する必要がある。

本発明の目的は、上記の問題を克服し、適切な変換性能を備えた変換材料を提供することである。

本発明者が徹底的な調査を行った結果、驚くべきことに、従来の出発原料に基づいた新たなタイプの変換材料を、低コストで提供することが可能であることが見出された。以下にさらに説明するように、本発明による変換材料は、空間的に均一な熱エネルギーを電圧（電気エネルギー）に変換することが可能であって、従来の熱電変換材料などのように温度差を必要としないことから、本発明による新規材料はイグネオ電気変換材料と呼ばれる。その効果を適切に定義し、熱電効果などの、類似するが異なる概念から区別するため、また、本明細書にて開示されている効果と、本明細書にて説明およびクレームされている素材とを説明および定義するために、用語「イグネオ電気」（「イグネオ電気効果」、「イグネオ電気材料」、「イグネオ電気挙動」など）を使用する。本発明により実現される新規なコンセプトは、変換材料内に電気的接続を付与する、（電子を伝導することができる）導電性材料を用いた複合変換材料である。導電性材料は粒子で構成されており、通常、アスペクト比が１を超えるマイクロスケールまたはナノスケール材料（以下で定義する）である。したがって、粒子は、特定の方向の寸法が他の方向の寸法よりも大きい。好ましい形状の典型的な例は、チューブ、ロッド、フレークである。以下でさらに説明する特定の製造プロセスにより、優先配向を示す集合粒子を含むこれらの粒子は、変換材料の電気パーコレーションチャネル内に形成され、その結果、バーブの大部分が一方向に配向するバーブドテンドリル（barbed tendrils、かかりを有するつる）（以下、さらに図解する）に類似する構造が得られる。この特定の構造が、本発明により提供されるイグネオ電気材料が、巨視的に均一な熱エネルギーからの発電を可能にするという、驚くべき効果を担うものである考えられる。

一の実施形態では、請求項１で定義される、マトリックスを提供する第１相と、電子の移動を提供するナノスケールまたはマイクロスケール材料を含む第２相とを含む、イグネオ電気変換材料が提供される。

他の実施形態では、イグネオ電気変換材料と２つの電極とを含むイグネオ電気変換素子が提供される。

さらに別の実施形態では、イグネオ電気変換素子を含むイグネオ電気変換モジュールが提供される。

さらに別の実施形態では、イグネオ電気変換モジュールを含むイグネオ電気発電機が提供される。

上記で簡単に説明した材料と装置について、以下に詳細に説明する。

さらに別の実施形態では、イグネオ電気変換材料を製造する方法が提供される。本方法には、未硬化状態のマトリックス相（硬化前のモノマー混合物または固化前のポリマー溶液など）の提供、電子の移動を提供するナノスケールまたはマイクロスケール材料の提供、混合物の片側または極を電子で帯電しながらの固化、が含まれる。このような帯電の１つの適切な例は、直流電流の印加である。

本発明の実施形態によれば、容易に調製することができ、多種多様な応用形態を可能にし、適切なイグネオ電気変換性能を提供し得るイグネオ電気変換材料を提供することができる。

本発明における上記および他の目的、利点および特徴は、添付の図面と併せて、以下の特定の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
図１は、温度の関数として、本発明による材料により生じる電圧を示す。 図２は、本発明における材料のオーム挙動を示しており、電圧は外部から印加され、サンプル温度は６０℃であり、材料そのものに生じる電圧により補正されている。 図３は、材料内に存在する導電性のバーブドテンドリルの断面の概略図を示す。

ここで、例示的な実施形態を参照して本発明を説明する。当業者であれば、本発明の教示を利用して多くの他の実施形態を達成することができ、本発明が、説明の目的で示されたこの実施形態に限定されないということを認識するであろう。

本発明のイグネオ電気変換材料の一部は、第１相、すなわちマトリックスを提供する相である。マトリックスそのものは絶縁体であることが好ましい。典型的な例は、多くの産業分野で一般的に使用されるポリマー材料であり、上記で特定されており、以下にさらに説明されるように、その中に分散された第２相を含むマトリックスを提供することが可能である。

適切な例は、アクリルポリマー、ゴム材料、ビニルポリマー、およびオレフィンポリマーである。本明細書で使用されるポリマーという用語は、ホモポリマーおよびコポリマーを含む。本発明では、任意の種類のマトリックス材料を使用することができるが、本明細書で説明する製造方法によってイグネオ電気変換材料の調製が可能である材料が好ましい。これは、本明細書で定義される第２相との混合を可能にしつつ、マトリックス相の固化前に第２相の特定の移動を可能にして、イグネオ電気変換材料を提供する方法で、マトリックス材料またはその前駆体を含む混合物を提供することを含む。

したがって、第１相に好ましい材料としては、適切な溶媒に溶解することができるポリマー、および硬化機構に起因して固化するモノマー混合物である。上記の通り、このような材料の主な例の１つは、溶液で処理でき、溶媒の蒸発により固化する、ＰＭＭＡなどのアクリルである。別の有効な例は、溶媒の非存在によるものではなく、架橋により固化する樹脂を第１相として使用することである。しかし、本発明はこれに限定されない。

本発明に従って使用される第２相は、ナノスケールまたはマイクロスケール材料である。本明細書で使用されるナノスケールまたはマイクロスケール材料という用語は、１ｍｍ未満、典型的には５００μｍ未満、より好ましくは２５０μｍ未満の寸法を有する材料と定義される。これらの例としては、１００μｍ未満の範囲、例えば５から５０μｍの範囲の寸法のものがある。上述の通り、ナノスケール材料、すなわち１μｍ未満の寸法を有する材料も使用することができる。ただし、多くの場合、コスト上の理由からマイクロスケール材料を使用することが適切である。

第２相に使用される材料は、アスペクト比が１以上の材料である。すなわち、材料の粒子は、粒子の最小寸法よりもその長さ（粒子の最長寸法）が長いことを示す。その典型的な例は、繊維とフレークであり、それぞれの粒子の厚さをはるかに超える長さを示す。好ましい実施形態はアスペクト比が１をはるかに超え、例えば２〜１００の粒子である。そのようなアスペクト比を有する粒子を使用することにより、本明細書で説明されるバーブドテンドリル（barbed tendrils、かかりを有するつる）の形成が可能となる。

また、繊維およびフレークに加えて、ポリマーの主鎖（バックボーン）の長さよりも実質的に短い側鎖を有する分岐ポリマーなどの樹枝状材料を使用することも可能である。同様に、必要に応じて、自己集合の際にバーブドテンドリルを形成するために、非対称な分岐構造または樹枝状構造などの特定の幾何学的形状（また、必ずしも特定のサイズ／アスペクト比を有しない）を有する粒子を使用できる。しかしながら、少なくとも製造の目的からは、繊維および／またはフレークの形状を有する粒子などの特定の材料の使用が好ましい。

第２相に使用される材料は、電子の移動を提供する必要がある。したがって、第２相における典型的な材料は、導電性または半導電性材料である。その例としては、グラフェンまたはカーボンナノチューブなどの炭素由来材料、金、銀などの金属、および銅または鉄などの他の導電性金属が含まれる。材料の選択は、多くの場合、所望の形状（つまり、アスペクト比が１を超える粒子）を持つマイクロスケールまたはナノスケール材料の入手可能性に依存する。

すでに概説したように、本発明のイグネオ電気変換材料を調製する適切な方法は、以下の工程を含む：
マトリックス材料（またはその前駆体）の用意、
第２相の材料とマトリックス材料（またはその前駆体）との混合、および
好ましくは直流電流を印加することによる、電子などの電荷キャリアの電位差を印加しながらの混合物の固化。

上述のように、マトリックス相はまず、第２相の材料との良好な混合を可能にする形で提供されると同時に、混合物中の第２相材料に一定の流動性を提供する。これは、典型的には、マトリックス材料溶液または液体モノマーなどの液体の形態でマトリックス材料を提供することにより達成される。上記の通り、好ましくは電流を印加しながらの固化中において、特定の配向を可能にするため、第２相の材料が混合物中でもわずかでも動くことができる限り、液体は粘性液体であってもよい。本発明のこの態様は、直流電流の使用を参照して以下のように説明される。しかしながら、本明細書において定義される意味での電位差を提供する他の手段も、説明された効果、すなわち本明細書で開示される自己集合の形成に適していることは明らかである。印加される電流は、直流（非交流）電流である。電流の印加の開始時において、第１相と第２相の混合物内（特に第２相の粒子間）で、電気的接続が形成されていても、されていなくてもよい。したがって、この方法工程の初期段階は、組成物の片側に電子を提供するものとして説明できる。本明細書に開示される第２相の形状に起因して、電子の供給により自己集合プロセスが開始され、粒子が負に帯電している側から徐々に相互に付着し、その結果として組成物全体に、第２相の特異的に配向した粒子形状で導電性チャネルが形成されることがわかった。上記のように、非常に適切なマトリックス相の１つは、ＰＭＭＡなどのアクリルからなるマトリックスであり、適切な溶媒中において、溶液の形態で提供することができる。

このタイプのプロセスを採用すると、電流の印加により、第２相の材料は固化中にある程度の配向を受ける。第２相の材料は、金などの導体やグラフェンなどの半導体内で電子の移動が可能であるため、アスペクト比が１を超える第２相の粒子は、前の段落で説明した自己集合を経て、電荷キャリア（電子）の移動方向に接続を形成する（電子が移動し得る）。その結果、第２相を構成する粒子の３次元集合体が形成され、マトリックスを通じて、つまり、接続された第２相の粒子に沿って、電子の移動を可能にする特定の接続形態を提供する、バーブドテンドリル（粒子が主として粒子の１軸に沿って互いにランダムに接触したもの）と説明し得るものが形成される。この製造プロセスにより、図３に示すとおり、バーブは主に一方向、つまり、印加電流の方向、すなわち、印加された直流電流によって特定される電子運動の反対方向に配向する。

このような方法で本発明の材料を調製することの利点は、第１相と第２相の混合物が従来のポリマー処理装置を使用して調製できることにある。さらに、固化前の混合物は、印刷などの多種多様な従来の技術の使用に適用されてもよい。これにより、様々な形状の最終的なイグネオ電気変換材料を容易に提供することができる。例えば、イグネオ電気変換材料の薄層を印刷し、大きなパネルを提供することができる。あるいは、固化する前に混合物をキャストして、より厚いイグネオ電気変換材料のブロックを作成することが可能である。

驚くべきことに、実験データにより、本発明によるイグネオ電気変換材料を用い、単一の熱リザーバーを使用することにより電気を生成することが可能であることが見出され、また確認された。第２相にナノまたはマイクロスケール材料を採用し、上記のように材料全体への導電チャネル形成を確保することにより、単一の熱リザーバーのみが提供されるという事実にもかかわらず、温度が特定のしきい値を超える場合であって、変換材料が周囲の温度以上であれば、安定且つ連続的な発電が可能となる。現在のところ、イグネオ電気効果の説明は、主として、ある一方向に配向するバーブの優位性は、その方向のバーブドテンドリルに沿った電荷キャリアの自発的な熱媒介運動を妨げ、他の方向の正味の巨視的な電荷移動の減算によって生じる、という事実に基づいている。この効果は、電荷がブラウン運動（軌道に依存しない）ではなく弾道運動（軌道に依存する）で移動し、またバーブが自発的な電荷移動のブラインドアレイに相当する長さスケールにおいて生じる。イグネオ電気効果は電荷の弾道運動の長さスケールにおいて局所的に生じるため、その効果は第２相を構成する粒子間の接合部の周囲でのみ（以下の接続（接合部）の概略図を参照）、また、粒子材料の電荷の弾道運動の長さスケールに匹敵する前記接合部からの距離内でのみ生じる。このため、第２相を構成する粒子が粒子材料の電荷の弾道運動の長さスケールに匹敵するか、それよりも小さい典型的な長さスケールを示すほど、効果は巨視的に顕著となる。たとえば、金では、ナノメートルの距離で、グラフェンでは、マイクロメートルまでの距離で、電荷の弾道運動が生じる。実施例において作り出され、また説明されている実験データは、両方の場合（ナノメートル距離とマイクロメートル距離）で機能システム、すなわち第２相が金ナノロッドとグラフェンマイクロフレークとでそれぞれ構成されたシステムを形成できることを示している。

そのような変換材料の機能を可能にするためには、第１相内の第２相の分散が、第２相のバルク凝集体を含むセグメントの発生を防ぐのに十分であることが必要である。これは通常、固化する前に２つの相を完全に混合し、第２相の含有量を調整するだけで実現できる。第２相の粒子の最小量は、電子移動を可能にする上記のパーコレーションチャネル（バーブドテンドリル）を提供する量である。この最小含有量は、使用する材料の種類および使用する系の種類（第１相および第２相）によって異なるが、変換材料を作成し、発電する能力を確認するだけで、当業者であれば容易に設定することができる。この含有量は、例えば０．０１重量％から７０重量％であってもよい。しかしながら、この範囲は本発明を限定するものと解釈されるべきではなく、他の重量が採用されてもよい。適切な範囲は、０．１〜５０重量％であり、さらなる例は、１〜２５重量％または５〜１０重量％である。必要に応じて、マトリックス内の第２相の分散を改善する表面改質粒子の使用、粘性の低いマトリックス材料の溶液の使用、または界面活性剤／分散剤の使用により、マトリックス内の第２相の十分な分散を確保できる。

本発明のイグネオ電気変換材料の分析、例えば、ＳＥＭを用いた分析により、実際に第２相の自己集合構造が本明細書に記載の方法にしたがって得られることが明らかになった。複合材料の第２相の含有量が低い場合、自己集合プロセスにより、主にＡ＞Ｂ方向（電荷キャリア方向）に離れたテンドリルが得られる。この場合、自己集合プロセスは、図３に示されるように、バーブドテンドリルをもたらす。図３に示されるように、バーブの大部分は一方向に配向している。すなわち、上記の場合ではＡ方向に配向している。このような構造は、本発明によって提供されるイグネオ電気効果を可能にすると思われる。第２相のより高い充填では、異なるテンドリル間の特定の相互接続を示す構造も生成されるが、これは、第２相の十分な分散が確保される限り、複合材料の機能にとって有害ではない。より一般的には、第２相の導電性セグメント間の角度において、十分な程度の異方性が維持される限り、システムの機能は維持される。この意味で、機能システムは、隣接するテンドリルが突出したバーブを介して接続するように十分に密に詰まったテンドリルによって、部分的または完全に構成することもでき、この構成では、バーブはチャージ移動のブラインドアレイ（袋小路、行き詰まり）ではなく、隣接するテンドリルのブリッジとして機能する。この意味で、前述の角度の異方性は、例えば、湾曲したバーブ/ブリッジ、および/またはテンドリルの全体的な方向の発散/収束によって得ることができる。説明されている２つの追加の構成（湾曲したバーブ／ブリッジ、および／またはテンドリルの全体的な方向の発散／収束）の両方において、電荷移動ためのブラインドアレイとしてのバーブの機能は、バーブ／ブリッジがテンドリルと異なる角度を形成するため、任意の一方向へのゼロ以外の寄与、バーブと隣接する２つのテンドリルの間の２つの接合部での弾道電荷移動に置き換えられる。説明されている２つの追加の構成（湾曲したバーブ／ブリッジおよび／またはテンドリルの全体的な方向の発散／収束）は両方とも、前述のバーブドテンドリルの最密充填として元に戻って、また取得できる。第２相の含有量が多いといった特定の場合において、段落００２４にて説明された自己集合プロセスによって作成されたバーブ付きテンドリルは、段落００２４で説明されているものと反対の方向を指す接合部において、大部分のバーブ／角度に寄与し得る分岐または分岐構造により影響を受ける可能性がある。これにより、最終的なシステムによって生成される電圧が、製造中に印加される電圧と反対になる機能システムも作成可能である。この反対の構成は、付着粒子の端での第１相の局所的な熱誘起架橋などの特定の条件の結果である可能性もあり、これにより、すでに付着した粒子が、その表面または長い側面のみを新しく付着する粒子のための接触可能な位置として提供することに繋がる可能性がある。これにより、図３の構造の方向が反転する。このような反転したシステムも当然、機能する。また、図３の概略図は、第２相の材料（導電性材料相）が、相互に関連した、また材料の巨視的形状に関連した配向が発揮されるように、幾何学的に明確なサイズ比（つまり、アスペクト比が１以上）であるオブジェクト／粒子の形状で存在する必要があることを示している。例えば、金属またはグラフェンを使用でき、オブジェクトは、ロッドからフレーク、チューブなどにまで及ぶ。パイロット実験では、金ナノロッドを使用した機能システムが得られ、同様にグラフェンのマイクロフレークを使用した別のシステムが得られた。

次に、本実施形態に係るイグネオ電気変換素子について説明する。

イグネオ電気変換素子は、イグネオ電気変換材料と２つの電極を含む。詳細については後述する。

本実施形態に係るイグネオ電気変換素子は、イグネオ電気変換材料を含む。加えて、イグネオ電気変換素子は、複数の電極（少なくとも陽極および陰極）、および必要に応じて、複数のイグネオ電気変換素子の接合を可能にするイグネオ電気変換材料または素子のカバーなどの追加の構成要素をさらに含む。熱エネルギーは、イグネオ電気変換素子を使用することで、直接電気エネルギーに変換できる。

電極として、イグネオ電気変換素子は、イグネオ電気変換材料の一端に電気的に接続する第１の電極と、イグネオ電気変換材料の他の一端に接続される第２の電極とを含む。

イグネオ電気変換材料と各電極とは、接合部材および拡散防止部材を介して接合されていてもよい。接合部材および拡散防止部材は、イグネオ電気変換材料と各電極との間に積層されるように設けられていてもよい。

特に限定されないが、電極は、Ｆｅ合金、Ｃｏ合金、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金、Ｔｉ合金、およびＡｌ合金からなる群から選択される少なくとも１種の合金からなることが好ましい。加えて、電極は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、銅、チタン、およびアルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種類の金属であってもよい。また、電極の材料として、接合部材の合金層と同じ組成の合金を用いることがより好ましい。これによれば、電極と接合部材との密着性を高めることができる。

熱応力を緩和する観点から、接合部材は、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、およびＡｌ合金からなる群から選択される少なくとも１種の合金からなることが好ましい。

イグネオ電気変換材料の構成元素の拡散防止の観点から、拡散防止部材が設けられていることが好ましく、このような部材としては、Ｆｅ−Ｍ１合金（Ｍ１は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃ、Ｓｉ、およびＧｅからなる群から選択される少なくとも１種類の元素を表す）、Ｃｏ−Ｍ１合金、Ｎｉ−Ｍ１合金、Τｉ−Μ２合金（Ｍ２は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、およびＭｇからなる群から選択される少なくとも１種の合金を表す）、Ｚｒ−Ｍ２合金、Ｈｆ−Ｍ２合金、Ｖ−Ｍ２合金、Ｎｂ−Ｍ２合金、Ｔａ−Ｍ２合金、Ｃｒ−Ｍ２合金、Ｍｏ−Ｍ２合金、ならびにＷ−Ｍ２合金からなる群から選択される少なくとも１種の合金から構成されていてもよい。

また、接合部材および拡散防止部材は、それぞれ１種類の合金層で構成されていてもよいが、それぞれ２種類以上の合金層で構成されていてもよい。

接合部材および拡散防止部材は、はんだ付け、スパッタリング、蒸着、溶射、および放電プラズマ焼結法などの方法により、イグネオ電気変換材料に積層することができる。

電極は、はんだ付け、スパッタリング、蒸着、溶射、放電プラズマ焼結法、およびマイクロレーザー溶接などの公知の方法により接合部材に積層することができる。

また、本実施形態では、接合部材と拡散防止部材とを備えたイグネオ電気変換素子について説明したが、接合部材および拡散防止部材のいずれか一方または両方を省略してもよい。

イグネオ電気変換素子は、イグネオ電気変換モジュールに使用することができ、これは、当業者に知られている標準的な手順にしたがって組み立てることができる。また、当業者は、本明細書に記載の材料を使用するイグネオ電気発電機およびシステムの製造方法についても知っている。本明細書で言及されるモジュールは、典型的には、素子の性能を制御するために必要な手段、および電気などの素子の状態に関する情報を提供するための手段、また、必要に応じてモジュールを送電網に接続するための手段、さらに、生じた電気を使用する装置（ライトニングペインなど）および／または蓄電手段（バッテリー）に接続するための手段を含む。上記の発電機は、モジュールを、配電網または生じた電気を使用する装置（ライトニングペインなど）及び蓄電手段（バッテリー）に接続する手段を含む。本発明によるイグネオ電気変換材料を製造するのに必要な構成要素が単純であるため、また標準的な手順を使用して材料を処理および成形することができるため、本発明は幅広い種類の潜在的用途を可能にする。例えば、暖房設備の屋内で光を提供するために、本材料の大きなパネルを印刷し、エネルギーを収集することができる。このようなパネルは、他の電力源が不足している南部地域での光発電に電力を供給するのにも適している可能性がある。本発明によるイグネオ電気変換材料は複雑な形状であっても容易に成形することが可能なため、パネルなどの単純なパターンが不可能な場合でも、ポリマーマトリックス材料を使用により、熱成形などの製造後の成形プロセスが可能になるため、あらゆるタイプの熱リサイクルが可能である。本発明のイグネオ電気変換材料の第１相および第２相に使用される材料は適正なコストで入手可能であるため、利用可能な地熱エネルギーを有する地域または利用可能な太陽熱を有する地域において、パネルのより大きなアレイだけでなく、バルク複合材料も発電に使用することができる。

以上、イグネオ電気変換素子およびイグネオ電気変換モジュールについて説明したが、これらは例示に過ぎず、その構造は上記の構造に限定されない。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態に係るイグネオ電気変換材料は、変換性能に優れている。また、本実施形態に係るイグネオ電気変換材料を用いることにより、変換性能に優れたイグネオ電気変換素子、イグネオ電気変換モジュール、イグネオ電気発電装置、イグネオ電気変換システムを実現することができる。

また、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

以下、実施例を参照して本発明を詳細に説明する。また、本発明は実施例の記載に限定されない。
［イグネオ電気変換材料の調製］
（実施例１）

ＮＭＰ中におけるグラファイトの超音波処理によって得られた、約１０μｍの幅を有するグラフェンフレークを、ＰＭＭＡのＮＭＰ溶液と混合した。混合物をガラスモールドに流し込み、電流を印加しながら固化することにより、体積が２．５ｃｍ³のサンプルを作成した。得られたサンプルは導電性オーム系であり、２０°Ｃを超えるしきい値温度以上においては、印加された電圧と温度の間でほぼ線形の依存性を示した（図１を参照）。これらの実験結果は、単一の熱リザーバーとしての本発明のイグネオ電気変換材料の一般的な機能を示している。同様のサンプルも、第２相の材料として金ナノロッドを使用することにより準備した。サンプルの帯電は、Ａ極とＢ極をFuG GmbH（http://www.fuq-elektronik.de/en/products/hiqh-voltaqe/hcp.html）の高電圧ＤＣ電源に接続することによって行った。サンプルに応じて、初期電圧の範囲を１〜３ｋＶ、対応する電流を０．１〜１ｍＡとして帯電を行った。電極は、金を保持する領域を制限および制御するため、マスクした後、モールドを金の層で金スパッタリングすることによって準備した。これにより、モールドの限られた領域、具体的にはＡ極とＢ極を構成する領域であって、両方がモールドの内部（後に前駆体溶液が接触する場所）からエッジを越えてモールドの外側に連続的に延びる領域に金のマイクロメートル厚の層を付与することが可能となった。Ａ極とＢ極に対応する金スパッタ表面の外側に、アルミニウム箔をテープで貼り付けた。最後に、標準の電気ケーブルを、ワニ口クランプを介してアルミニウムに接続した。この機構は、製造の一部としての帯電と、完成した試作品の特性の測定の両方に使用された。サンプルに使用されている金ナノロッドは、公開されている手順を使用して準備できる。例えば、(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854505000287)、またはSigma-Aldrich(http://www.siqmaaldrich.com/technical-documents/articles/rnaterials-science/nanomaterials/qold-nanostructures.html)などの様々な企業から購入できる。製造された材料の分析および評価は、複合材料が上記で特定されたイグネオ電気効果を発揮することを示した。図１は、本発明による材料が温度の上昇とともにＯＣ電圧が増加しており、単一の熱貯蔵器を使用して熱エネルギーを変換することで電気が得られる可能性が確認されたことを示している。図２では材料のオーミック挙動（６０°ＣでKeithley 2400 SourceMeterを使用して取得したデータ）が表され、図１においてすでに表された効果が再度確認された。両方の図は、最適化されていない方法を使用して調製された、非常に低い負荷の第２相材料を使用して得られた結果を示している。第２相の負荷を増やし、生産方法を最適化すること（第１粗と第２相の混合を改善するための追加の超音波処理ステップと、固化中に使用される電流の調整）により、変換効率が向上することが示されている。

Claims (13)

1. マトリックスを提供する第１相と、
   電子の移動を提供するナノスケールまたはマイクロスケール材料を含み、アスペクト比が１より大きい粒子を含む第２相を含む（熱から電気への）エネルギー変換材料であって、
   第２相は組成物全体に導電チャネルを提供し、
   第２相はバーブドテンドリルを含み、前記のバーブが略同一方向に配向してなるエネルギー変換材料。
2. 前記第１相は、ポリマーなどの絶縁体を含む、請求項１に記載の変換材料。
3. 前記第２相は、半導体材料または導電材料を含む、請求項１または２に記載の変換材料。
4. 前記半導体材料は、カーボンナノチューブおよびグラフェンなどの材料から選択され、
   前記導電材料は、金、銀、銅、および鉄などの金属、共役ポリマー、または定常構造内で電荷キャリアが自由に移動する材料から選択される、請求項３に記載の変換材料。
5. 前記マトリックス相は、非導電性ポリマー、好ましくはアクリルポリマーを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の変換材料。
6. 前記第２相は、１００μｍ以下の寸法を有する粒子を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の変換材料。
7. 第１相の材料溶液を第２相の材料と混合し、電流を印加しながら混合物を固化することを含む方法により得られる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の変換材料。
8. アクリルポリマーのマトリックス相と、その中に分散されたグラフェンフレークとを第２相として含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の変換材料。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の変換材料と、２つの電極とを含む変換素子。
10. 請求項９に記載の変換素子を含む変換モジュール。
11. 請求項９に記載の変換素子を含む発電機。
12. マトリックス相の液状前駆体の調製、
    これと第２相の材料との混合、および
    混合物の固化を含み、
    固化中に直流電流を印加する、
    請求項１〜８に記載の変換材料の製造方法。
13. 前記第２相の重量含有量が、パーコレーションチャネルを確立するのに必要な量以上である、請求項１２に記載の変換材料の製造方法。

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