JP2021150403A - Thermoelectric conversion module - Google Patents

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Abstract

To provide a thermoelectric conversion module which enhances followability to a heat source surface including a curved shape and can further improve thermoelectric performance.SOLUTION: A thermoelectric conversion module includes a first substrate having a first electrode, a second substrate having a second electrode, a chip of a thermoelectric conversion material composed of a thermoelectric semiconductor composition, and a joint material layer for joining one surface of the chip of the thermoelectric conversion material and the first electrode, and joining the other surface of the chip of the thermoelectric conversion material and the second electrode. The joint material layer is composed of a conductive adhesive containing a resin and a conductive material, and an elastic modulus at 25°C after curing of the joining material layer is 10-3,000 MPa.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、熱と電気との相互エネルギー変換を行う熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module that performs mutual energy conversion between heat and electricity.

従来から、エネルギーの有効利用手段の一つとして、ゼーベック効果やペルチェ効果などの熱電効果を有する熱電変換モジュールにより、熱エネルギーと電気エネルギーとを直接相互変換するようにした装置がある。
前記熱電変換モジュールとして、いわゆるπ型の熱電変換素子の使用が知られている。π型は、互いに離間するー対の電極を基板上に設け、例えば、―方の電極の上にP型熱電素子を、他方の電極の上にN型熱電素子を、同じく互いに離間して設け、両方の熱電半導体材料の上面を対向する基板の電極に接続することで構成されている。
このような中、近年、熱電変換モジュールが設置装着される熱源面が曲面形状を有する場合に、効率よく発電又は冷却する等の観点から、熱電変換モジュールを熱源面に追従させかつ密着性を向上させるために、熱電変換モジュールの屈曲性向上にかかる要求がある。
この要求を満たすために、例えば、特許文献1には、P型熱電半導体素子とN型熱電半導体素子とを含むπ型の熱電変換素子と、P型熱電半導体素子及びN型熱電半導体素子のそれぞれと直接的かつ電気的に接続されたフレキシブル配線とを備えた熱電変換モジュールが開示されている。ここで、フレキシブル配線は、P型熱電半導体素子及びN型熱電半導体素子の少なくとも一方の変位に伴って伸縮可能に構成され、熱電変換モジュールとしては、熱電半導体素子が伸縮性を有するフレキシブル基板と熱源に耐え得る耐熱性基板とで狭持されており、耐熱性基板はポリイミドを含み、フレキシブル基板はシリコーン樹脂を含み、フレキシブル配線は、導電性粒子及びシリコーン樹脂を含む構成としている。
Conventionally, as one of the effective utilization means of energy, there is a device in which thermal energy and electric energy are directly converted into each other by a thermoelectric conversion module having a thermoelectric effect such as the Seebeck effect and the Perche effect.
As the thermoelectric conversion module, the use of a so-called π-type thermoelectric conversion element is known. In the π-type, a pair of electrodes separated from each other are provided on the substrate, for example, a P-type thermoelectric element is provided on the-one electrode and an N-type thermoelectric element is provided on the other electrode, also separated from each other. , The upper surfaces of both thermoelectric semiconductor materials are connected to the electrodes of the opposing substrates.
Under these circumstances, in recent years, when the heat source surface on which the thermoelectric conversion module is installed has a curved surface shape, the thermoelectric conversion module is made to follow the heat source surface and the adhesion is improved from the viewpoint of efficient power generation or cooling. Therefore, there is a demand for improving the flexibility of the thermoelectric conversion module.
In order to satisfy this requirement, for example, Patent Document 1 describes a π-type thermoelectric conversion element including a P-type thermoelectric semiconductor element and an N-type thermoelectric semiconductor element, and a P-type thermoelectric semiconductor element and an N-type thermoelectric semiconductor element, respectively. A thermoelectric conversion module with a flexible wiring directly and electrically connected to the device is disclosed. Here, the flexible wiring is configured to be expandable and contractible according to the displacement of at least one of the P-type thermoelectric semiconductor element and the N-type thermoelectric semiconductor element, and as the thermoelectric conversion module, the flexible substrate in which the thermoelectric semiconductor element has elasticity and a heat source. The heat-resistant substrate contains polyimide, the flexible substrate contains silicone resin, and the flexible wiring contains conductive particles and silicone resin.

特開2011−91243号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-91243

しかしながら、特許文献1の熱電変換モジュールでは、熱源に装着される耐熱性基板側においては、熱電半導体素子の一方の面がハンダ合金を介し耐熱性基板上の銅箔配線(電極)と接合されている。通常、ハンダ合金は、比較的高い弾性率を有することから、曲面形状を含む熱源面への装着時には伸張性が十分ではなく、当該熱源面への追従性が抑制され、熱電性能が効率的に得られないことがある。 However, in the thermoelectric conversion module of Patent Document 1, on the heat-resistant substrate side mounted on the heat source, one surface of the thermoelectric semiconductor element is joined to the copper foil wiring (electrode) on the heat-resistant substrate via a solder alloy. There is. Normally, since a solder alloy has a relatively high elastic modulus, its extensibility is not sufficient when it is mounted on a heat source surface including a curved surface shape, its followability to the heat source surface is suppressed, and its thermoelectric performance is efficient. It may not be obtained.

本発明は、曲面形状を含む熱源面への追従性を高め、熱電性能をさらに向上させ得る熱電変換モジュールを提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion module capable of improving followability to a heat source surface including a curved surface shape and further improving thermoelectric performance.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、熱電変換モジュールを構成する熱電変換材料のチップと電極との接合において、硬化後の25℃における弾性率が特定の範囲にある、樹脂及び導電性材料を含む接合材料層を用いることにより、前記熱電変換材料のチップと電極との接合性はもとより、熱電変換モジュールの曲面形状を含む熱源面への追従性が高められることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の(1)〜(14)を提供するものである。
(1)第1の電極を有する第1の基板と、第2の電極を有する第2の基板と、熱電半導体組成物からなる熱電変換材料のチップと、該熱電変換材料のチップの一方の面と前記第1の電極、及び、該熱電変換材料のチップの他方の面と前記第2の電極、をそれぞれ接合する接合材料層と、を含む熱電変換モジュールであって、前記接合材料層が樹脂及び導電性材料を含む導電性接着剤からなり、前記接合材料層の硬化後の25℃における弾性率が10〜3000MPaである、熱電変換モジュール。
(2)前記樹脂が、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、及びポリウレタン樹脂から選ばれる、上記(1)に記載の熱電変換モジュール。
(3)前記導電性材料が金属粒子を含み、該金属粒子が、銀粒子、ニッケル粒子、金粒子、インジウム粒子、錫粒子、アルミニウム粒子、パラジウム粒子、チタン粒子及び銅粒子から選ばれる1種、又は2種以上の混合物である銀粒子、ニッケル粒子、及び銅粒子から選ばれる1種、又は2種以上の混合物である、上記(1)に記載の熱電変換モジュール。
(4)前記熱電変換モジュールの屈曲部の延在方向(屈曲方向と直交する方向)の隣接する熱電変換材料のチップ間の距離が、前記屈曲部の延在方向の前記熱電変換材料のチップの長さに対して0.1以上3倍未満である、上記(1)に記載の熱電変換モジュール。
(5)前記弾性率が、10〜1000MPaである、上記(1)に記載の熱電変換モジュール。
(6)前記接合材料層の厚さが、10〜1000μmである、上記(1)〜(5)のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
(7)前記熱電変換材料のチップと前記接合材料層との間に、さらに金属材料を含む接合材料受理層を含む、上記(1)〜(6)のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
(8)前記金属材料が、金、銀、ロジウム、白金、クロム、パラジウム、錫、ニッケル、及びこれらのいずれかの金属材料を含む合金から選ばれる少なくとも1種である、上記(7)に記載の熱電変換モジュール。
(9)前記接合材料受理層の厚さが、10nm〜50μmである、上記(7)又は(8)に記載の熱電変換モジュール。
(10)前記熱電半導体組成物は、熱電半導体材料、耐熱性樹脂、イオン液体及び無機イオン性化合物の一方又は双方を含む、上記(1)〜(9)のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
(11)前記耐熱性樹脂が、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、又はエポキシ樹脂である、上記(10)に記載の熱電変換モジュール。
(12)前記熱電半導体材料が、ビスマス−テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料、アンチモン−テルル系熱電半導体材料、又はビスマスセレナイド系熱電半導体材料である、上記(10)に記載の熱電変換モジュール。
(13)前記ビスマス−テルル系熱電半導体材料が、P型ビスマステルライド、N型ビスマステルライド、又はBiTeである、上記(12)に記載の熱電変換モジュール。
(14)前記第1の基板及び第2の基板がプラスチックフィルムからなり、該プラスチックフィルムがそれぞれ独立に、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリアラミドフィルム、又はポリアミドイミドフィルムである、上記(1)〜(13)のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have made the elastic modulus at 25 ° C. after curing within a specific range in the bonding between the chip and the electrode of the thermoelectric conversion material constituting the thermoelectric conversion module. By using a certain bonding material layer containing a resin and a conductive material, not only the bonding property between the chip and the electrode of the thermoelectric conversion material but also the followability to the heat source surface including the curved shape of the thermoelectric conversion module is enhanced. The present invention was completed.
That is, the present invention provides the following (1) to (14).
(1) One surface of a first substrate having a first electrode, a second substrate having a second electrode, a chip of a thermoelectric conversion material made of a thermoelectric semiconductor composition, and a chip of the thermoelectric conversion material. A thermoelectric conversion module comprising the first electrode and a bonding material layer for bonding the other surface of the chip of the thermoelectric conversion material and the second electrode, respectively, wherein the bonding material layer is a resin. A thermoelectric conversion module comprising a conductive adhesive containing a conductive material and having an elastic coefficient at 25 ° C. after curing of the bonding material layer of 10 to 3000 MPa.
(2) The thermoelectric conversion module according to (1) above, wherein the resin is selected from an epoxy resin, a silicone resin, a polyimide resin, and a polyurethane resin.
(3) The conductive material contains metal particles, and the metal particles are selected from silver particles, nickel particles, gold particles, indium particles, tin particles, aluminum particles, palladium particles, titanium particles and copper particles. The thermoelectric conversion module according to (1) above, which is one kind selected from silver particles, nickel particles, and copper particles which are a mixture of two or more kinds, or a mixture of two or more kinds.
(4) The distance between the chips of the thermoelectric conversion material adjacent to each other in the extending direction (direction orthogonal to the bending direction) of the bent portion of the thermoelectric conversion module is the distance between the chips of the thermoelectric conversion material in the extending direction of the bent portion. The thermoelectric conversion module according to (1) above, which is 0.1 or more and less than 3 times the length.
(5) The thermoelectric conversion module according to (1) above, wherein the elastic modulus is 10 to 1000 MPa.
(6) The thermoelectric conversion module according to any one of (1) to (5) above, wherein the bonding material layer has a thickness of 10 to 1000 μm.
(7) The thermoelectric conversion module according to any one of (1) to (6) above, further comprising a bonding material receiving layer containing a metal material between the chip of the thermoelectric conversion material and the bonding material layer.
(8) The above (7), wherein the metal material is at least one selected from an alloy containing gold, silver, rhodium, platinum, chromium, palladium, tin, nickel, and any of these metal materials. Thermoelectric conversion module.
(9) The thermoelectric conversion module according to (7) or (8) above, wherein the bonding material receiving layer has a thickness of 10 nm to 50 μm.
(10) The thermoelectric conversion module according to any one of (1) to (9) above, wherein the thermoelectric semiconductor composition contains one or both of a thermoelectric semiconductor material, a heat-resistant resin, an ionic liquid and an inorganic ionic compound.
(11) The thermoelectric conversion module according to (10) above, wherein the heat-resistant resin is a polyimide resin, a polyamide resin, a polyamide-imide resin, or an epoxy resin.
(12) The thermoelectric according to (10) above, wherein the thermoelectric semiconductor material is a bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material, a tellurium-based thermoelectric semiconductor material, an anti-montellurium-based thermoelectric semiconductor material, or a bismuth selenide-based thermoelectric semiconductor material. Conversion module.
(13) The thermoelectric conversion module according to (12) above, wherein the bismuth-tellurium thermoelectric semiconductor material is P-type bismuthtellide, N-type bismuthellide, or Bi 2 Te 3.
(14) The first substrate and the second substrate are made of a plastic film, and the plastic films are independently a polyimide film, a polyamide film, a polyetherimide film, a polyaramid film, or a polyamideimide film. The thermoelectric conversion module according to any one of (1) to (13).

本発明によれば、曲面形状を含む熱源面への追従性を高め、熱電性能をさらに向上させ得る熱電変換モジュールを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a thermoelectric conversion module capable of improving the followability to a heat source surface including a curved surface shape and further improving the thermoelectric performance.

本発明に用いた接合材料層を含む熱電変換モジュールの構成の一例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating an example of the structure of the thermoelectric conversion module including the bonding material layer used in this invention. 本発明に用いた接合材料層を含む熱電変換モジュールの構成の他の一例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating another example of the structure of the thermoelectric conversion module including the bonding material layer used in this invention.

[熱電変換モジュール]
本発明の熱電変換モジュールは、第1の電極を有する第1の基板と、第2の電極を有する第2の基板と、熱電半導体組成物からなる熱電変換材料のチップと、該熱電変換材料のチップの一方の面と前記第1の電極、及び、該熱電変換材料のチップの他方の面と前記第2の電極、をそれぞれ接合する接合材料層と、を含む熱電変換モジュールであって、前記接合材料層が樹脂及び導電性材料を含む導電性接着剤からなり、前記接合材料層の硬化後の25℃における弾性率が10〜3000MPaであることを特徴とする。
本発明の熱電変換モジュールにおいては、熱電変換材料のチップの上下面を弾性率が10〜3000MPaの接合材料層を用いそれぞれ対向する電極と接合することにより、熱電変換モジュール全体の屈曲性が向上し、曲面形状を含む熱源面への追従性を高めることができる。このため、当該熱源面への密着性が向上し効率的に熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与することが可能となり、熱電性能をさらに向上させることができる。
なお、本明細書において、「熱電変換材料のチップの一方の面」、「熱電変換材料のチップの他方の面」とは、例えば、熱電変換材料のチップの形状を直方体状又は円柱状等とした時に、それらを正面から見た時の対向する上下面を意味する。
[Thermoelectric conversion module]
The thermoelectric conversion module of the present invention comprises a first substrate having a first electrode, a second substrate having a second electrode, a chip of a thermoelectric conversion material composed of a thermoelectric semiconductor composition, and the thermoelectric conversion material. A thermoelectric conversion module comprising a bonding material layer for bonding one surface of a chip and the first electrode, and the other surface of the chip of the thermoelectric conversion material and the second electrode, respectively. The bonding material layer is made of a conductive adhesive containing a resin and a conductive material, and has an elastic coefficient of 10 to 3000 MPa at 25 ° C. after curing of the bonding material layer.
In the thermoelectric conversion module of the present invention, the flexibility of the entire thermoelectric conversion module is improved by joining the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion material chip to the opposing electrodes using a bonding material layer having an elastic modulus of 10 to 3000 MPa. , It is possible to improve the followability to the heat source surface including the curved surface shape. Therefore, the adhesion to the heat source surface is improved, the temperature difference can be efficiently applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module, and the thermoelectric performance can be further improved.
In the present specification, "one surface of the chip of the thermoelectric conversion material" and "the other surface of the chip of the thermoelectric conversion material" refer to, for example, the shape of the chip of the thermoelectric conversion material as a rectangular parallelepiped or a columnar shape. When viewed, it means the facing upper and lower surfaces when viewed from the front.

図1は、本発明に用いる接合材料層を含む熱電変換モジュールの構成の一例を説明するための断面図であり、熱電変換モジュール1Aは、いわゆるπ型の熱電変換素子から構成され、互いに対向する第1の基板2a及び第2の基板2bを有し、前記第1の基板2aに形成される第1の電極3a、前記第2の基板2bに形成される第2の電極3bとの間に、接合材料層6を介しP型熱電変換材料のチップ4及びN型熱電変換材料のチップ5を含む。
図2は、本発明に用いる接合材料層を含む熱電変換モジュールの構成の他の一例を説明するための断面図であり、熱電変換モジュール1Bは、図1において、P型熱電変換材料のチップ4及びN型熱電変換材料のチップ5と、接合材料層6との間に接合材料受理層7を含む。
本発明では、P型熱電変換材料のチップ4及びN型熱電変換材料のチップ5の一方の面と第1の電極3aとを、かつP型熱電変換材料のチップ4及びN型熱電変換材料のチップ5の他方の面と第2の電極3bとを、それぞれ接合材料層6を介し接合することにより、熱電変換材料のチップと電極との接合性はもとより、熱電変換モジュール全体の屈曲性が向上し、曲面形状を含む熱源面への追従性が高められる。
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining an example of the configuration of a thermoelectric conversion module including a bonding material layer used in the present invention. The thermoelectric conversion module 1A is composed of a so-called π-type thermoelectric conversion element and faces each other. It has a first substrate 2a and a second substrate 2b, and is between a first electrode 3a formed on the first substrate 2a and a second electrode 3b formed on the second substrate 2b. , The chip 4 of the P-type thermoelectric conversion material and the chip 5 of the N-type thermoelectric conversion material are included via the bonding material layer 6.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining another example of the configuration of the thermoelectric conversion module including the bonding material layer used in the present invention. The thermoelectric conversion module 1B is a chip 4 of a P-type thermoelectric conversion material in FIG. A bonding material receiving layer 7 is included between the chip 5 of the N-type thermoelectric conversion material and the bonding material layer 6.
In the present invention, one surface of the chip 4 of the P-type thermoelectric conversion material and the chip 5 of the N-type thermoelectric conversion material and the first electrode 3a are used, and the chip 4 of the P-type thermoelectric conversion material and the N-type thermoelectric conversion material are used. By joining the other surface of the chip 5 and the second electrode 3b via the bonding material layer 6, not only the bondability between the chip and the electrode of the thermoelectric conversion material but also the flexibility of the entire thermoelectric conversion module is improved. However, the followability to the heat source surface including the curved shape is improved.

<接合材料層>
本発明の熱電変換モジュールには、接合材料層を用いる。
接合材料層は、熱電変換材料のチップの上下面を、それぞれに対向する電極と電気的及び物理的に接合させるとともに、特定の弾性率を有することにより、熱電変換モジュール全体の屈曲性を向上させる。
接合材料層は、樹脂及び導電性材料を含む導電性接着剤(以下、「導電性組成物」ということがある。)からなる。
<Joining material layer>
A bonding material layer is used in the thermoelectric conversion module of the present invention.
The bonding material layer electrically and physically joins the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion material chip to the electrodes facing each other, and has a specific elastic modulus to improve the flexibility of the entire thermoelectric conversion module. ..
The bonding material layer is made of a conductive adhesive containing a resin and a conductive material (hereinafter, may be referred to as a "conductive composition").

導電性接着剤の樹脂としては、特に制限はなく、電子線、放射線、紫外線等のエネルギー線を照射することにより硬化するか、あるいは加熱により硬化するもの等が適用できる。本発明においては、熱電変換材料のチップ及び電極が紫外線等に対し透過性が低く、また、設備コストの観点から熱硬化性樹脂であることが好ましい。
具体的には、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、環状エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂;シリコーン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド樹脂及びポリウレタン樹脂等が挙げられる。
この中で、好ましくは、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、及びポリウレタン樹脂から選ばれる。耐熱性及び屈曲性の観点から、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂がより好ましい。これらの樹脂は1種類のみを単独で、又は2種類以上を混合して用いてもよい。
The resin of the conductive adhesive is not particularly limited, and those that are cured by irradiating with energy rays such as electron beam, radiation, and ultraviolet rays, or those that are cured by heating can be applied. In the present invention, it is preferable that the chips and electrodes of the thermoelectric conversion material have low transparency to ultraviolet rays and the like, and are thermosetting resins from the viewpoint of equipment cost.
Specifically, epoxy resins such as bisphenol type epoxy resin, novolak type epoxy resin, cyclic epoxy resin, and alicyclic epoxy resin; silicone resin, unsaturated polyester resin, phenol resin, melamine resin, polyimide resin, polyurethane resin, etc. Can be mentioned.
Among these, an epoxy resin, a silicone resin, a polyimide resin, and a polyurethane resin are preferably selected. From the viewpoint of heat resistance and flexibility, epoxy resin and silicone resin are more preferable. Only one type of these resins may be used alone, or two or more types may be used in combination.

導電性材料としては、特に制限はないが、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、金属粒子等が挙げられる。これらの中で、高い導電性が得られる観点から金属粒子であることが好ましい。金属粒子は、銀粒子、ニッケル粒子、金粒子、インジウム粒子、錫粒子、アルミニウム粒子、パラジウム粒子、チタン粒子及び銅粒子から選ばれる1種、又は2種以上の混合物であることが好ましく、より好ましくは銀粒子、ニッケル粒子、銅粒子である。
導電性材料の導電性組成物中の含有量は、導電性材料の種類に依存するものであり、本発明で規定する弾性率を満たし、かつ熱電性能が損なわれない範囲で、適宜調整する。通常、1〜90質量%、好ましくは20〜90質量%、より好ましくは30〜90質量%、さらに好ましくは40〜90質量%である。前記導電性材料の導電性組成物中の含有量が、上記の範囲内であれば、本発明で規定する弾性率を満たし、熱電性能が損なわれない導電性を有する接合材料層が得られる。
本明細書において導電性とは、電気抵抗率が1×10Ω・m未満の状態を指す。
The conductive material is not particularly limited, and examples thereof include carbon particles, carbon nanotubes, and metal particles. Among these, metal particles are preferable from the viewpoint of obtaining high conductivity. The metal particles are preferably one kind selected from silver particles, nickel particles, gold particles, indium particles, tin particles, aluminum particles, palladium particles, titanium particles and copper particles, or a mixture of two or more kinds, more preferably. Are silver particles, nickel particles, and copper particles.
The content of the conductive material in the conductive composition depends on the type of the conductive material, and is appropriately adjusted as long as it satisfies the elastic modulus specified in the present invention and does not impair the thermoelectric performance. Generally, it is 1 to 90% by mass, preferably 20 to 90% by mass, more preferably 30 to 90% by mass, and further preferably 40 to 90% by mass. When the content of the conductive material in the conductive composition is within the above range, a bonding material layer having conductivity that satisfies the elastic modulus specified in the present invention and does not impair thermoelectric performance can be obtained.
In the present specification, the conductivity means a state in which the electrical resistivity is less than 1 × 10 2 Ω · m.

前記導電性材料としての前記金属粒子の平均粒径が0.1〜10.00μmであることが好ましい。金属粒子の平均粒径が0.1〜10.00μmの範囲であると、粒子間での接触頻度、接触面積増大による低抵抗化や粒子を密に配合できることによる断線防止といった効果が得られる。金属粒子の粒子形状は、特に制限されないが、球状、針状、鱗片状、多面体状、不定形状等が挙げられる。
金属粒子の粒子形状が球状である場合の金属粒子の平均粒径は、レーザー回折式粒度分析装置(CILAS社製、1064型)にて測定することにより得られ、粒径分布の中央値とした。
The average particle size of the metal particles as the conductive material is preferably 0.1 to 10.00 μm. When the average particle size of the metal particles is in the range of 0.1 to 10.00 μm, the effects of contact frequency between the particles, reduction of resistance due to an increase in the contact area, and prevention of disconnection due to the fact that the particles can be densely mixed can be obtained. The particle shape of the metal particles is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape, a needle shape, a scaly shape, a polyhedral shape, and an indefinite shape.
The average particle size of the metal particles when the particle shape of the metal particles is spherical was obtained by measuring with a laser diffraction type particle size analyzer (CILAS, 1064 type), and was used as the median value of the particle size distribution. ..

接合材料層の硬化後の25℃における弾性率が10〜3000MPaである。接合材料層の弾性率が10MPa未満であると、導電性が低下しやすくなり十分な熱電性能が得られにくくなることがある。また、接合材料層の弾性率が3000MPa超であると、屈曲性が低下し熱電変換モジュールの曲面形状を含む熱源面への追従性が抑制されやすくなる。
接合材料層の弾性率は、好ましくは10〜1500MPaであり、より好ましくは10〜1000MPaであり、100〜500MPaであることがさらに好ましい。
接合材料層の弾性率がこの範囲にあると、導電性と屈曲性とのバランスが良好となり、結果的に熱電変換モジュールの曲面形状を含む熱源面への追従性が高まり熱電性能が向上する。
The elastic modulus of the bonding material layer at 25 ° C. after curing is 10 to 3000 MPa. If the elastic modulus of the bonding material layer is less than 10 MPa, the conductivity tends to decrease, and it may be difficult to obtain sufficient thermoelectric performance. Further, when the elastic modulus of the bonding material layer exceeds 3000 MPa, the flexibility is lowered and the followability to the heat source surface including the curved surface shape of the thermoelectric conversion module is easily suppressed.
The elastic modulus of the bonding material layer is preferably 10 to 1500 MPa, more preferably 10 to 1000 MPa, and even more preferably 100 to 500 MPa.
When the elastic modulus of the bonding material layer is within this range, the balance between conductivity and flexibility becomes good, and as a result, the followability of the thermoelectric conversion module to the heat source surface including the curved surface shape is enhanced, and the thermoelectric performance is improved.

接合材料層の形成は、例えば、前記樹脂、導電性材料を溶媒等に溶解しペースト状にし、所定の電極上又は熱電変換材料のチップ側に、ステンシル印刷法、スクリーン印刷法、ディスペンシング法等の公知の方法により行われる。加熱温度は、用いる樹脂及び導電性材料、基板材料等により異なるが、通常、80〜280℃で3〜20分間行う。 The bonding material layer is formed, for example, by dissolving the resin or the conductive material in a solvent or the like to form a paste, and stencil printing method, screen printing method, dispensing method or the like on a predetermined electrode or on the chip side of the thermoelectric conversion material. It is carried out by a known method of. The heating temperature varies depending on the resin used, the conductive material, the substrate material, and the like, but is usually carried out at 80 to 280 ° C. for 3 to 20 minutes.

接合材料層の厚さは、10〜1000μmであり、好ましくは10〜200μmであり、より好ましくは20〜150μm、さらに好ましくは30〜130μm、特に好ましくは40〜120μmである。
接合材料層の厚さがこの範囲にあると、熱電変換材料のチップと電極との接合性及び熱電変換モジュールの曲面形状を含む熱源面への追従性が良好となる。
The thickness of the bonding material layer is 10 to 1000 μm, preferably 10 to 200 μm, more preferably 20 to 150 μm, still more preferably 30 to 130 μm, and particularly preferably 40 to 120 μm.
When the thickness of the bonding material layer is within this range, the bonding property between the chip and the electrode of the thermoelectric conversion material and the followability to the heat source surface including the curved surface shape of the thermoelectric conversion module are good.

導電性接着剤の製品としては、例えば、SX−ECA48(商品名:セメダイン社製、弾性率:225MPa(25℃))、ECA300(商品名:ニホンハンダ社製、弾性率:430MPa(25℃))、EPS−110A(商品名:室町ケミカル社製、弾性率:14MPa(25℃))等を適用することが可能である。 Examples of conductive adhesive products include SX-ECA48 (trade name: Semedyne, elastic modulus: 225 MPa (25 ° C.)), ECA300 (trade name: Nihon Handa, elastic modulus: 430 MPa (25 ° C.)). , EPS-110A (trade name: manufactured by Muromachi Chemical Co., Ltd., elastic modulus: 14 MPa (25 ° C.)) and the like can be applied.

本発明の熱電変換モジュールにおいて、該熱電変換モジュールを、装着対象とする熱源となる物品に追従するよう屈曲させながら装着した際の、熱電変換モジュールの屈曲部の延在方向(屈曲方向と直交する方向;前記物品を、例えば円柱とした場合、熱電変換モジュールの屈曲部は円柱の径方向と直交する長さ方向に延在する)に配列されかつ隣接する熱電変換材料のチップ間の距離は、熱電変換モジュールの屈曲部の延在方向の熱電変換材料のチップの長さに対して、好ましくは0.1以上3倍未満であり、より好ましくは0.3以上2.6倍以下であり、さらに好ましくは、0.5以上2.2倍以下である。但し、熱電変換材料のチップはすべて略同一寸法とする。
熱電変換モジュールの屈曲部の延在方向の隣接する熱電変換材料のチップ間の距離が、屈曲部の延在方向の熱電変換材料のチップの長さに対して上記の範囲にあると、熱電変換材料のチップと電極との接合性が維持されるとともに、熱電変換モジュールの曲面形状を含む熱源面への追従性を高くすることができる。
In the thermoelectric conversion module of the present invention, when the thermoelectric conversion module is mounted while being bent so as to follow an article to be mounted as a heat source, the extending direction (orthogonal to the bending direction) of the bent portion of the thermoelectric conversion module is Direction: When the article is a cylinder, for example, the bent portion of the thermoelectric conversion module extends in the length direction orthogonal to the radial direction of the cylinder), and the distance between the chips of the adjacent thermoelectric conversion materials is It is preferably 0.1 or more and less than 3 times, more preferably 0.3 or more and 2.6 times or less with respect to the length of the chip of the thermoelectric conversion material in the extending direction of the bent portion of the thermoelectric conversion module. More preferably, it is 0.5 or more and 2.2 times or less. However, all the chips of the thermoelectric conversion material have substantially the same dimensions.
When the distance between the chips of the thermoelectric conversion material adjacent to each other in the extending direction of the bending portion of the thermoelectric conversion module is within the above range with respect to the length of the chips of the thermoelectric conversion material in the extending direction of the bending portion, the thermoelectric conversion is performed. The bondability between the material chip and the electrode can be maintained, and the followability to the heat source surface including the curved surface shape of the thermoelectric conversion module can be improved.

<接合材料受理層>
本発明の熱電変換モジュールには、接合材料受理層を用いることが好ましい。
接合材料受理層は、熱電変換材料のチップと対向する電極側の接合材料層の接合性を向上させる機能を有し、熱電変換材料のチップの一方の面及び熱電変換材料のチップの他方の面(上下面)に直接積層することが好ましい。
<Joining material receiving layer>
It is preferable to use a bonding material receiving layer for the thermoelectric conversion module of the present invention.
The bonding material receiving layer has a function of improving the bondability of the bonding material layer on the electrode side facing the chip of the thermoelectric conversion material, and has one surface of the chip of the thermoelectric conversion material and the other surface of the chip of the thermoelectric conversion material. It is preferable to laminate directly on (upper and lower surfaces).

接合材料受理層は、金属材料を含む。金属材料は、金、銀、ロジウム、白金、クロム、パラジウム、錫、ニッケル及びこれらのいずれかの金属材料を含む合金から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。この中で、より好ましくは、金、銀、ニッケル又は、錫及び金、ニッケル及び金の2層構成であり、材料コスト、高熱伝導性、接合安定性の観点から、銀がさらに好ましい。
さらに接合材料受理層には、金属材料に加えて、溶媒や樹脂成分を含むペースト材を用いて形成してもよい。ペースト材を用いる場合は、後述するように焼成等により溶媒や樹脂成分を除去することが好ましい。ペースト材としては、銀ペースト、アルミペーストが好ましい。
The bonding material receiving layer contains a metallic material. The metal material is preferably at least one selected from alloys containing gold, silver, rhodium, platinum, chromium, palladium, tin, nickel and any of these metal materials. Among these, more preferably, it has a two-layer structure of gold, silver, nickel or tin and gold, nickel and gold, and silver is further preferable from the viewpoint of material cost, high thermal conductivity and bonding stability.
Further, the bonding material receiving layer may be formed by using a paste material containing a solvent or a resin component in addition to the metal material. When a paste material is used, it is preferable to remove the solvent and the resin component by firing or the like as described later. As the paste material, silver paste and aluminum paste are preferable.

接合材料受理層の厚さは、好ましくは10nm〜50μmであり、より好ましくは50nm〜16μm、さらに好ましくは200nm〜4μm、特に好ましくは500nm〜3μmである。接合材料受理層の厚さがこの範囲にあると、熱電変換材料のチップの面との密着性、及び電極側の接合材料層の面との密着性が優れ、信頼性の高い接合が得られる。また、導電性はもとより、熱伝導性が高く維持できるため、結果的に熱電変換モジュールとしての熱電性能が低下することはなく、維持される。
接合材料受理層は、前記金属材料をそのまま成膜し単層で用いてもよいし、2以上の金属材料を積層し多層で用いてもよい。また、金属材料を溶媒、樹脂等に含有させた組成物として成膜してもよい。但し、この場合、高い導電性、高い熱伝導性を維持する(熱電性能を維持する)観点から、接合材料受理層の最終形態として、溶媒等を含め樹脂成分は焼成等により除去しておくことが好ましい。
The thickness of the bonding material receiving layer is preferably 10 nm to 50 μm, more preferably 50 nm to 16 μm, further preferably 200 nm to 4 μm, and particularly preferably 500 nm to 3 μm. When the thickness of the bonding material receiving layer is within this range, the adhesion of the thermoelectric conversion material to the chip surface and the adhesion to the surface of the bonding material layer on the electrode side are excellent, and highly reliable bonding can be obtained. .. Further, since the thermal conductivity can be maintained high as well as the conductivity, the thermoelectric performance of the thermoelectric conversion module is not deteriorated as a result and is maintained.
As the bonding material receiving layer, the metal material may be formed as it is and used as a single layer, or two or more metal materials may be laminated and used in multiple layers. Further, a film may be formed as a composition in which a metal material is contained in a solvent, a resin or the like. However, in this case, from the viewpoint of maintaining high conductivity and high thermal conductivity (maintaining thermoelectric performance), the resin component including the solvent should be removed by firing or the like as the final form of the bonding material receiving layer. Is preferable.

接合材料受理層の形成は、前述した金属材料を用いて行う。
接合材料受理層を形成する方法としては、熱電変換材料のチップ上にパターンが形成されていない接合材料受理層を設けた後、フォトリソグラフィー法を主体とした公知の物理的処理もしくは化学的処理、又はそれらを併用する等により、所定のパターン形状に加工する方法、または、スクリーン印刷法、ステンシル印刷法、インクジェット法等により直接接合材料受理層のパターンを形成する方法等が挙げられる。
パターンが形成されていない接合材料受理層の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等のPVD(物理気相成長法)、もしくは熱CVD、原子層蒸着(ALD)等のCVD(化学気相成長法)等の真空成膜法、又はディップコーティング法、スピンコーティング法、スプレーコーティング法、グラビアコーティング法、ダイコーティング法、ドクターブレード法等の各種コーティングや電着法等のウェットプロセス、銀塩法、電解めっき法、無電解めっき法、金属箔の積層等が挙げられ、接合材料受理層の材料に応じて適宜選択される。
本発明では、接合材料受理層には、熱電性能を維持する観点から、高い導電性、高い熱伝導性が求められるため、スクリーン印刷法、ステンシル印刷法、電解めっき法、無電解めっき法や真空成膜法で成膜した接合材料受理層を用いることが好ましい。
The bonding material receiving layer is formed using the above-mentioned metal material.
As a method of forming the bonding material receiving layer, after providing a bonding material receiving layer in which a pattern is not formed on the chip of the thermoelectric conversion material, a known physical treatment or chemical treatment mainly based on a photolithography method is performed. Alternatively, a method of processing into a predetermined pattern shape by using them in combination, or a method of forming a pattern of a direct bonding material receiving layer by a screen printing method, a stencil printing method, an inkjet method, or the like can be mentioned.
Examples of the method for forming the bonding material receiving layer in which the pattern is not formed include PVD (Physical Vapor Deposition) such as vacuum deposition, sputtering, and ion plating, thermal CVD, and atomic layer deposition (ALD). Vacuum film formation method such as CVD (Chemical Vapor Deposition Deposition), various coating methods such as dip coating method, spin coating method, spray coating method, gravure coating method, die coating method, doctor blade method, etc. Examples thereof include a process, a silver salt method, an electrolytic plating method, a electroless plating method, and laminating of metal foils, which are appropriately selected according to the material of the bonding material receiving layer.
In the present invention, the bonding material receiving layer is required to have high conductivity and high thermal conductivity from the viewpoint of maintaining thermoelectric performance. Therefore, the screen printing method, the stencil printing method, the electrolytic plating method, the electroless plating method and the vacuum It is preferable to use a bonding material receiving layer formed by a film forming method.

<熱電変換材料のチップ>
本発明の熱電変換モジュールに用いる熱電変換材料のチップは、熱電半導体組成物からなる薄膜からなる。好ましくは、熱電半導体材料(以下、「熱電半導体粒子」ということがある。)、後述する耐熱性樹脂、さらに、後述するイオン液体及び無機イオン性化合物の一方又は双方を含む熱電半導体組成物からなる薄膜からなる。
<Chip of thermoelectric conversion material>
The thermoelectric conversion material chip used in the thermoelectric conversion module of the present invention is made of a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition. Preferably, it comprises a thermoelectric semiconductor material (hereinafter, may be referred to as "thermoelectric semiconductor particles"), a heat-resistant resin described later, and a thermoelectric semiconductor composition containing one or both of an ionic liquid and an inorganic ionic compound described later. It consists of a thin film.

(熱電半導体材料)
本発明に用いる熱電半導体材料、すなわち、P型熱電変換材料のチップ及びN型熱電変換材料のチップを構成する熱電半導体材料としては、温度差を付与することにより、熱起電力を発生させることができる材料であれば特に制限されず、例えば、P型ビスマステルライド、N型ビスマステルライド等のビスマス−テルル系熱電半導体材料;GeTe、PbTe等のテルライド系熱電半導体材料;アンチモン−テルル系熱電半導体材料;ZnSb、ZnSb2、ZnSb等の亜鉛−アンチモン系熱電半導体材料;SiGe等のシリコン−ゲルマニウム系熱電半導体材料;BiSe等のビスマスセレナイド系熱電半導体材料;β―FeSi、CrSi、MnSi1.73、MgSi等のシリサイド系熱電半導体材料;酸化物系熱電半導体材料;FeVAl、FeVAlSi、FeVTiAl等のホイスラー材料、TiS等の硫化物系熱電半導体材料等が用いられる。
これらの中で、ビスマス−テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料、アンチモン−テルル系熱電半導体材料、又はビスマスセレナイド系熱電半導体材料が好ましい。
(Thermoelectric semiconductor material)
The thermoelectric semiconductor material used in the present invention, that is, the thermoelectric semiconductor material constituting the chip of the P-type thermoelectric conversion material and the chip of the N-type thermoelectric conversion material, can generate thermoelectromotive force by imparting a temperature difference. The material is not particularly limited as long as it can be used, and for example, a bismuth-tellu-based thermoelectric semiconductor material such as P-type bismasterlide and N-type bismasterlide; a telluride-based thermoelectric semiconductor material such as GeTe and PbTe; an antimony-tellu-based thermoelectric semiconductor material; Zinc-antimon thermoelectric semiconductor materials such as ZnSb, Zn 3 Sb 2, Zn 4 Sb 3 ; silicon-germanium thermoelectric semiconductor materials such as SiGe; bismus selenide thermoelectric semiconductor materials such as Bi 2 Se 3 ; β-FeSi 2 , CrSi 2 , MnSi 1.73 , Mg 2 Si and other VDD-based thermoelectric semiconductor materials; oxide-based thermoelectric semiconductor materials; FeVAL, FeVALSi, FeVTiAl and other Whistler materials, TiS 2 and other sulfide-based thermoelectric semiconductor materials Be done.
Among these, a bismuth-tellu-based thermoelectric semiconductor material, a telluride-based thermoelectric semiconductor material, an antimony-tellu-based thermoelectric semiconductor material, or a bismuth selenide-based thermoelectric semiconductor material is preferable.

さらに、P型ビスマステルライド又はN型ビスマステルライド等のビスマス−テルル系熱電半導体材料であることがより好ましい。
前記P型ビスマステルライドは、キャリアが正孔で、ゼーベック係数が正値であり、例えば、BiTeSb2−Xで表わされるものが好ましく用いられる。この場合、Xは、好ましくは0<X≦0.8であり、より好ましくは0.4≦X≦0.6である。Xが0より大きく0.8以下であるとゼーベック係数と電気伝導率が大きくなり、P型熱電素子としての特性が維持されるので好ましい。
また、前記N型ビスマステルライドは、キャリアが電子で、ゼーベック係数が負値であり、例えば、BiTe3−YSeで表わされるものが好ましく用いられる。この場合、Yは、好ましくは0≦Y≦3(Y=0の時:BiTe)であり、より好ましくは0<Y≦2.7である。Yが0以上3以下であるとゼーベック係数と電気伝導率が大きくなり、N型熱電素子としての特性が維持されるので好ましい。
Further, a bismuth-tellurium thermoelectric semiconductor material such as P-type bismuth telluride or N-type bismuth telluride is more preferable.
As the P-type bismuth telluride, one having a hole as a carrier and a positive Seebeck coefficient, for example, represented by Bi X Te 3 Sb 2-X is preferably used. In this case, X is preferably 0 <X ≦ 0.8, more preferably 0.4 ≦ X ≦ 0.6. When X is larger than 0 and 0.8 or less, the Seebeck coefficient and the electric conductivity become large, and the characteristics as a P-type thermoelectric element are maintained, which is preferable.
Further, as the N-type bismuth telluride, one having an electron carrier and a negative Seebeck coefficient, for example, represented by Bi 2 Te 3-Y Se Y is preferably used. In this case, Y is preferably 0 ≦ Y ≦ 3 (when Y = 0: Bi 2 Te 3 ), and more preferably 0 <Y ≦ 2.7. When Y is 0 or more and 3 or less, the Seebeck coefficient and the electric conductivity become large, and the characteristics as an N-type thermoelectric element are maintained, which is preferable.

熱電半導体材料または熱電半導体粒子の前記熱電半導体組成物中の配合量は、好ましくは、30〜99質量%である。より好ましくは、50〜96質量%であり、さらに好ましくは、70〜95質量%である。熱電半導体粒子の配合量が、上記範囲内であれば、ゼーベック係数(ペルチェ係数の絶対値)が大きく、また電気伝導率の低下が抑制され、熱伝導率のみが低下するため高い熱電性能を示すとともに、十分な皮膜強度、屈曲性を有する膜が得られ好ましい。 The blending amount of the thermoelectric semiconductor material or the thermoelectric semiconductor particles in the thermoelectric semiconductor composition is preferably 30 to 99% by mass. It is more preferably 50 to 96% by mass, and even more preferably 70 to 95% by mass. When the blending amount of the thermoelectric semiconductor particles is within the above range, the Seebeck coefficient (absolute value of the Perche coefficient) is large, the decrease in the electric conductivity is suppressed, and only the thermal conductivity is decreased, so that high thermoelectric performance is exhibited. At the same time, a film having sufficient film strength and flexibility can be obtained, which is preferable.

熱電半導体粒子の平均粒径は、好ましくは、10nm〜200μm、より好ましくは、10nm〜30μm、さらに好ましくは、50nm〜10μm、特に好ましくは、1〜6μmである。上記範囲内であれば、均一分散が容易になり、電気伝導率を高くすることができる。
熱電変換材料のチップに用いる熱電半導体粒子は、前述した熱電半導体材料を、微粉砕装置等により、所定のサイズまで粉砕したものが好ましい。
前記熱電半導体材料を粉砕して熱電半導体粒子を得る方法は特に限定されず、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル、コロイドミル、ローラーミル等の公知の微粉砕装置等により、所定のサイズまで粉砕すればよい。
なお、熱電半導体粒子の平均粒径は、レーザー回折式粒度分析装置(Malvern社製、マスターサイザー3000)にて測定することにより得られ、粒径分布の中央値とした。
The average particle size of the thermoelectric semiconductor particles is preferably 10 nm to 200 μm, more preferably 10 nm to 30 μm, still more preferably 50 nm to 10 μm, and particularly preferably 1 to 6 μm. Within the above range, uniform dispersion can be facilitated and the electrical conductivity can be increased.
The thermoelectric semiconductor particles used in the chip of the thermoelectric conversion material are preferably those obtained by pulverizing the above-mentioned thermoelectric semiconductor material to a predetermined size by a fine pulverizer or the like.
The method of pulverizing the thermoelectric semiconductor material to obtain thermoelectric semiconductor particles is not particularly limited, and it may be pulverized to a predetermined size by a known fine pulverizer such as a jet mill, a ball mill, a bead mill, a colloid mill, a roller mill or the like. ..
The average particle size of the thermoelectric semiconductor particles was obtained by measuring with a laser diffraction type particle size analyzer (Mastersizer 3000 manufactured by Malvern), and was used as the median value of the particle size distribution.

また、熱電半導体粒子は、アニール処理(以下、「アニール処理A」ということがある。)されたものであることが好ましい。アニール処理Aを行うことにより、熱電半導体粒子は、結晶性が向上し、さらに、熱電半導体粒子の表面酸化膜が除去されるため、熱電変換材料のゼーベック係数又はペルチェ係数が増大し、熱電性能指数をさらに向上させることができる。アニール処理Aは、特に限定されないが、熱電半導体組成物を調製する前に、熱電半導体粒子に悪影響を及ぼすことがないように、ガス流量が制御された、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、同じく水素等の還元ガス雰囲気下、または真空条件下で行うことが好ましく、不活性ガス及び還元ガスの混合ガス雰囲気下で行うことがより好ましい。具体的な温度条件は、用いる熱電半導体粒子に依存するが、通常、粒子の融点以下の温度で、かつ100〜1500℃で、数分〜数十時間行うことが好ましい。 Further, the thermoelectric semiconductor particles are preferably annealed (hereinafter, may be referred to as "annealing treatment A"). By performing the annealing treatment A, the crystallinity of the thermoelectric semiconductor particles is improved, and further, the surface oxide film of the thermoelectric semiconductor particles is removed, so that the Seebeck coefficient or the Perche coefficient of the thermoelectric conversion material is increased, and the thermoelectric performance index is increased. Can be further improved. The annealing treatment A is not particularly limited, but before preparing the thermoelectric semiconductor composition, the gas flow rate is controlled so as not to adversely affect the thermoelectric semiconductor particles, and the atmosphere is an inert gas such as nitrogen or argon. Similarly, it is preferably carried out in a reducing gas atmosphere such as hydrogen or under vacuum conditions, and more preferably in a mixed gas atmosphere of an inert gas and a reducing gas. The specific temperature condition depends on the thermoelectric semiconductor particles used, but it is usually preferable to carry out the temperature at a temperature equal to or lower than the melting point of the particles and at 100 to 1500 ° C. for several minutes to several tens of hours.

(耐熱性樹脂)
本発明に用いる耐熱性樹脂は、熱電半導体材料(熱電半導体粒子)間のバインダーとして働き、熱電変換モジュールの屈曲性を高めることができるとともに、塗布等による薄膜の形成が容易になる。該耐熱性樹脂は、特に制限されるものではないが、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理等により熱電半導体粒子を結晶成長させる際に、樹脂としての機械的強度及び熱伝導率等の諸物性が損なわれず維持される耐熱性樹脂が好ましい。
前記耐熱性樹脂は、耐熱性がより高く、且つ薄膜中の熱電半導体粒子の結晶成長に悪影響を及ぼさないという点から、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂が好ましく、屈曲性に優れるという点からポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂がより好ましい。後述する基板として、ポリイミドフィルムを用いた場合、該ポリイミドフィルムとの密着性などの点から、耐熱性樹脂としては、ポリイミド樹脂とポリアミドイミド樹脂がより好ましい。なお、本発明においてポリイミド樹脂とは、ポリイミド及びその前駆体を総称する。
(Heat resistant resin)
The heat-resistant resin used in the present invention acts as a binder between thermoelectric semiconductor materials (thermoelectric semiconductor particles), can enhance the flexibility of the thermoelectric conversion module, and facilitates the formation of a thin film by coating or the like. The heat-resistant resin is not particularly limited, but when a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition is subjected to crystal growth of thermoelectric semiconductor particles by annealing or the like, various factors such as mechanical strength and thermal conductivity as a resin are obtained. A heat-resistant resin that maintains its physical properties without being impaired is preferable.
The heat-resistant resin is preferably a polyamide resin, a polyamideimide resin, a polyimide resin, or an epoxy resin, and has excellent flexibility, because it has higher heat resistance and does not adversely affect the crystal growth of thermoelectric semiconductor particles in the thin film. From this point of view, polyamide resin, polyamideimide resin and polyimide resin are more preferable. When a polyimide film is used as the substrate to be described later, a polyimide resin and a polyamide-imide resin are more preferable as the heat-resistant resin from the viewpoint of adhesion to the polyimide film and the like. In the present invention, the polyimide resin is a general term for polyimide and its precursor.

前記耐熱性樹脂は、分解温度が300℃以上であることが好ましい。分解温度が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、バインダーとして機能が失われることなく、屈曲性を維持することができる。 The heat-resistant resin preferably has a decomposition temperature of 300 ° C. or higher. When the decomposition temperature is within the above range, the flexibility can be maintained without losing the function as a binder even when the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is annealed, as will be described later.

また、前記耐熱性樹脂は、熱重量測定(TG)による300℃における質量減少率が10%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましく、1%以下であることがさらに好ましい。質量減少率が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、バインダーとして機能が失われることなく、熱電変換材料のチップの屈曲性を維持することができる。 Further, the heat-resistant resin preferably has a mass reduction rate of 10% or less, more preferably 5% or less, and further preferably 1% or less at 300 ° C. by thermogravimetric analysis (TG). .. When the mass reduction rate is within the above range, as will be described later, even when the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is annealed, the flexibility of the chip of the thermoelectric conversion material is maintained without losing its function as a binder. Can be done.

前記耐熱性樹脂の前記熱電半導体組成物中の含有量は、0.1〜40質量%、好ましくは0.5〜20質量%、より好ましくは、1〜20質量%、さらに好ましくは2〜15質量%である。前記耐熱性樹脂の含有量が、上記範囲内であると、熱電半導体材料のバインダーとして機能し、薄膜の形成がしやすくなり、しかも高い熱電性能と皮膜強度が両立した膜が得られ、熱電変換材料のチップの外表面には樹脂部が存在する。 The content of the heat-resistant resin in the thermoelectric semiconductor composition is 0.1 to 40% by mass, preferably 0.5 to 20% by mass, more preferably 1 to 20% by mass, still more preferably 2 to 15%. It is mass%. When the content of the heat-resistant resin is within the above range, it functions as a binder for the thermoelectric semiconductor material, facilitates the formation of a thin film, and obtains a film having both high thermoelectric performance and film strength, and thermoelectric conversion. A resin portion is present on the outer surface of the material chip.

(イオン液体)
熱電半導体組成物に含まれ得るイオン液体は、カチオンとアニオンとを組み合わせてなる溶融塩であり、−50℃以上400℃未満のいずれかの温度領域において液体で存在し得る塩をいう。換言すれば、イオン液体は、融点が−50℃以上400℃未満の範囲にあるイオン性化合物である。イオン液体の融点は、好ましくは−25℃以上200℃以下、より好ましくは0℃以上150℃以下である。イオン液体は、蒸気圧が極めて低く不揮発性であること、優れた熱安定性及び電気化学安定性を有していること、粘度が低いこと、かつイオン伝導度が高いこと等の特徴を有しているため、導電補助剤として、熱電半導体材料間の電気伝導率の低減を効果的に抑制することができる。また、イオン液体は、非プロトン性のイオン構造に基づく高い極性を示し、耐熱性樹脂との相溶性に優れるため、熱電変換材料の電気伝導率を均一にすることができる。
(Ionic liquid)
The ionic liquid that can be contained in the thermoelectric semiconductor composition is a molten salt formed by combining a cation and an anion, and refers to a salt that can exist as a liquid in any temperature range of −50 ° C. or higher and lower than 400 ° C. In other words, the ionic liquid is an ionic compound having a melting point in the range of −50 ° C. or higher and lower than 400 ° C. The melting point of the ionic liquid is preferably −25 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and more preferably 0 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. Ionic liquids have features such as extremely low vapor pressure, non-volatility, excellent thermostability and electrochemical stability, low viscosity, and high ionic conductivity. Therefore, as a conductive auxiliary agent, it is possible to effectively suppress a decrease in electrical conductivity between thermoelectric semiconductor materials. Further, since the ionic liquid exhibits high polarity based on the aprotic ionic structure and has excellent compatibility with the heat-resistant resin, the electric conductivity of the thermoelectric conversion material can be made uniform.

イオン液体は、公知または市販のものが使用できる。例えば、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピラゾリウム、ピロリジニウム、ピペリジニウム、イミダゾリウム等の窒素含有環状カチオン化合物及びそれらの誘導体;テトラアルキルアンモニウム系のアミン系カチオン及びそれらの誘導体;ホスホニウム、トリアルキルスルホニウム、テトラアルキルホスホニウム等のホスフィン系カチオン及びそれらの誘導体;リチウムカチオン及びその誘導体等のカチオン成分と、Cl、Br、I、AlCl 、AlCl 、BF 、PF 、ClO 、NO 、CHCOO、CFCOO、CHSO 、CFSO 、(FSO、(CFSO、(CFSO、AsF 、SbF 、NbF 、TaF 、F(HF) 、(CN)、CSO 、(CSO、CCOO、(CFSO)(CFCO)N等のアニオン成分とから構成されるものが挙げられる。 As the ionic liquid, known or commercially available ones can be used. For example, nitrogen-containing cyclic cation compounds such as pyridinium, pyrimidinium, pyrazolium, pyrrolidinium, piperidinium, imidazolium and their derivatives; tetraalkylammonium-based amine-based cations and their derivatives; phosphonium, trialkylsulfonium, tetraalkylphosphonium and the like. Hosphin-based cations and their derivatives; cation components such as lithium cations and their derivatives, Cl , Br , I , AlCl 4 , Al 2 Cl 7 , BF 4 , PF 6 , ClO 4 , NO 3 , CH 3 COO , CF 3 COO , CH 3 SO 3 , CF 3 SO 3 , (FSO 2 ) 2 N , (CF 3 SO 2 ) 2 N , (CF 3 SO 2 ) 3 C , AsF 6 , SbF 6 , NbF 6 , TaF 6 , F (HF) n , (CN) 2 N , C 4 F 9 SO 3 , (C 2 F 5 SO 2 ) Examples thereof include those composed of anionic components such as 2 N , C 3 F 7 COO − , and (CF 3 SO 2 ) (CF 3 CO) N −.

上記のイオン液体の中で、高温安定性、熱電半導体材料及び樹脂との相溶性、熱電半導体材料間隙の電気伝導率の低下抑制等の観点から、イオン液体のカチオン成分が、ピリジニウムカチオン及びその誘導体、イミダゾリウムカチオン及びその誘導体から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。 Among the above ionic liquids, the cation component of the ionic liquid is a pyridinium cation and its derivatives from the viewpoints of high temperature stability, compatibility with thermoelectric semiconductor materials and resins, and suppression of decrease in electrical conductivity between thermoelectric semiconductor material gaps. , It is preferable to contain at least one selected from the imidazolium cation and its derivatives.

カチオン成分が、ピリジニウムカチオン及びその誘導体を含むイオン液体の具体的な例として、4−メチル−ブチルピリジニウムクロライド、3−メチル−ブチルピリジニウムクロライド、4−メチル−ヘキシルピリジニウムクロライド、3−メチル−ヘキシルピリジニウムクロライド、4−メチル−オクチルピリジニウムクロライド、3−メチル−オクチルピリジニウムクロライド、3、4−ジメチル−ブチルピリジニウムクロライド、3、5−ジメチル−ブチルピリジニウムクロライド、4−メチル−ブチルピリジニウムテトラフルオロボレート、4−メチル−ブチルピリジニウムヘキサフルオロホスフェート、1−ブチルピリジニウムブロミド、1−ブチル−4−メチルピリジニウムブロミド、1−ブチル−4−メチルピリジニウムヘキサフルオロホスファート等が挙げられる。この中で、1−ブチル−4−メチルピリジニウムブロミド、1−ブチルピリジニウムブロミド、1−ブチル−4−メチルピリジニウムヘキサフルオロホスファートが好ましい。 Specific examples of ionic liquids in which the cation component contains a pyridinium cation and a derivative thereof include 4-methyl-butylpyridinium chloride, 3-methyl-butylpyridinium chloride, 4-methyl-hexylpyridinium chloride, and 3-methyl-hexylpyridinium. Chloride, 4-methyl-octylpyridinium chloride, 3-methyl-octylpyridinium chloride, 3,4-dimethyl-butylpyridinium chloride, 3,5-dimethyl-butylpyridinium chloride, 4-methyl-butylpyridiniumtetrafluoroborate, 4- Examples thereof include methyl-butylpyridinium hexafluorophosphate, 1-butylpyridinium bromide, 1-butyl-4-methylpyridinium bromide, 1-butyl-4-methylpyridinium hexafluorophosphate and the like. Of these, 1-butyl-4-methylpyridinium bromide, 1-butylpyridinium bromide, and 1-butyl-4-methylpyridinium hexafluorophosphate are preferable.

また、カチオン成分が、イミダゾリウムカチオン及びその誘導体を含むイオン液体の具体的な例として、[1−ブチル−3−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウムブロミド]、[1−ブチル−3−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウムテトラフルオロボレイト]、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムブロミド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムブロミド、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−テトラデシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフロオロボレート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフロオロボレート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムテトラフロオロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−メチル−3−ブチルイミダゾリウムメチルスルフェート、1、3−ジブチルイミダゾリウムメチルスルフェート等が挙げられる。この中で、[1−ブチル−3−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウムブロミド]、[1−ブチル−3−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウムテトラフルオロボレイト]が好ましい。 Further, as specific examples of the ionic liquid in which the cation component contains an imidazolium cation and a derivative thereof, [1-butyl-3- (2-hydroxyethyl) imidazolium bromide], [1-butyl-3- (2) -Hydroxyethyl) imidazolium tetrafluoroborate], 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-hexyl-3 − Methyl imidazolium chloride, 1-octyl-3-methyl imidazolium chloride, 1-decyl-3-methyl imidazolium chloride, 1-decyl-3-methyl imidazolium bromide, 1-dodecyl-3-methyl imidazolium chloride, 1-Tetradecyl-3-methylimidazolium chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborolate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborobolate, 1-hexyl-3-methylimidazolium tetraflolate Orobolate, 1-ethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-methyl-3-butylimidazolium methyl sulfate, 1,3-dibutylimidazolium methyl Sulfate and the like can be mentioned. Of these, [1-butyl-3- (2-hydroxyethyl) imidazolium bromide] and [1-butyl-3- (2-hydroxyethyl) imidazolium tetrafluoroborate] are preferable.

上記のイオン液体は、電気伝導度が10−7S/cm以上であることが好ましい。イオン伝導度が上記範囲であれば、導電補助剤として、熱電半導体材料間の電気伝導率の低減を効果的に抑制することができる。 The above ionic liquid preferably has an electrical conductivity of 10-7 S / cm or more. When the ionic conductivity is within the above range, the reduction of the electrical conductivity between the thermoelectric semiconductor materials can be effectively suppressed as a conductive auxiliary agent.

また、上記のイオン液体は、分解温度が300℃以上であることが好ましい。分解温度が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、導電補助剤としての効果を維持することができる。 Further, the above-mentioned ionic liquid preferably has a decomposition temperature of 300 ° C. or higher. As long as the decomposition temperature is within the above range, the effect as a conductive auxiliary agent can be maintained even when the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is annealed, as will be described later.

また、上記のイオン液体は、熱重量測定(TG)による300℃における質量減少率が10%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましく、1%以下であることが更に好ましい。質量減少率が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、導電補助剤としての効果を維持することができる。 Further, the above-mentioned ionic liquid preferably has a mass reduction rate of 10% or less, more preferably 5% or less, and further preferably 1% or less at 300 ° C. by thermogravimetric analysis (TG). .. As long as the mass reduction rate is within the above range, the effect as a conductive auxiliary agent can be maintained even when the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is annealed, as will be described later.

イオン液体の熱電半導体組成物中の配合量は、好ましくは0.01〜50質量%、より好ましくは0.5〜30質量%、更に好ましくは1.0〜20質量%である。イオン液体の配合量が、上記範囲内であれば、電気伝導率の低下が効果的に抑制され、高い熱電性能を有する膜が得られる。 The blending amount of the ionic liquid in the thermoelectric semiconductor composition is preferably 0.01 to 50% by mass, more preferably 0.5 to 30% by mass, and further preferably 1.0 to 20% by mass. When the blending amount of the ionic liquid is within the above range, the decrease in electrical conductivity is effectively suppressed, and a film having high thermoelectric performance can be obtained.

(無機イオン性化合物)
本発明で用いる無機イオン性化合物は、少なくともカチオンとアニオンから構成される化合物である。無機イオン性化合物は室温において固体であり、400〜900℃の温度領域のいずれかの温度に融点を有し、イオン伝導度が高いこと等の特徴を有しているため、導電補助剤として、熱電半導体粒子間の電気伝導率の低減を抑制することができる。
(Inorganic ionic compound)
The inorganic ionic compound used in the present invention is a compound composed of at least cations and anions. The inorganic ionic compound is solid at room temperature, has a melting point in any temperature in the temperature range of 400 to 900 ° C., and has characteristics such as high ionic conductivity. Therefore, it can be used as a conductive auxiliary agent. It is possible to suppress a decrease in electrical conductivity between thermoelectric semiconductor particles.

カチオンとしては、金属カチオンを用いる。
金属カチオンとしては、例えば、アルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン、典型金属カチオン及び遷移金属カチオンが挙げられ、アルカリ金属カチオン又はアルカリ土類金属カチオンがより好ましい。
アルカリ金属カチオンとしては、例えば、Li、Na、K、Rb、Cs及びFr等が挙げられる。
アルカリ土類金属カチオンとしては、例えば、Mg2+、Ca2+、Sr2+及びBa2+等が挙げられる。
As the cation, a metal cation is used.
Examples of the metal cation include alkali metal cations, alkaline earth metal cations, typical metal cations and transition metal cations, and alkali metal cations or alkaline earth metal cations are more preferable.
Examples of the alkali metal cation include Li + , Na + , K + , Rb + , Cs +, Fr + and the like.
Examples of the alkaline earth metal cation include Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ and Ba 2+ .

アニオンとしては、例えば、F、Cl、Br、I、OH、CN、NO 、NO 、ClO、ClO 、ClO 、ClO 、CrO 2−、HSO 、SCN、BF 、PF 等が挙げられる。 The anion such as, F -, Cl -, Br -, I -, OH -, CN -, NO 3 -, NO 2 -, ClO -, ClO 2 -, ClO 3 -, ClO 4 -, CrO 4 2 -, HSO 4 -, SCN - , BF 4 -, PF 6 - , and the like.

無機イオン性化合物は、公知または市販のものが使用できる。例えば、カリウムカチオン、ナトリウムカチオン、又はリチウムカチオン等のカチオン成分と、Cl、AlCl 、AlCl 、ClO 等の塩化物イオン、Br等の臭化物イオン、I等のヨウ化物イオン、BF 、PF 等のフッ化物イオン、F(HF) 等のハロゲン化物アニオン、NO 、OH、CN等のアニオン成分とから構成されるものが挙げられる。 As the inorganic ionic compound, known or commercially available ones can be used. For example, cation components such as potassium cation, sodium cation, or lithium cation, chloride ion such as Cl − , AlCl 4 , Al 2 Cl 7 , ClO 4 , bromide ion such as Br − , I − and the like. iodide ion, BF 4 -, PF 6 - fluoride ions, F (HF) n, such as - such as halide anions of, NO 3 -, OH -, CN - and the ones mentioned consists the anion component of such Be done.

上記の無機イオン性化合物の中で、高温安定性、熱電半導体粒子及び樹脂との相溶性、熱電半導体粒子間隙の電気伝導率の低下抑制等の観点から、無機イオン性化合物のカチオン成分が、カリウム、ナトリウム、及びリチウムから選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。また、無機イオン性化合物のアニオン成分が、ハロゲン化物アニオンを含むことが好ましく、Cl、Br、及びIから選ばれる少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。 Among the above-mentioned inorganic ionic compounds, the cationic component of the inorganic ionic compound is potassium from the viewpoints of high temperature stability, compatibility with thermoelectric semiconductor particles and resins, and suppression of decrease in electrical conductivity between thermoelectric semiconductor particle gaps. , Sodium, and lithium are preferably included. Further, the anion component of the inorganic ionic compound preferably contains a halide anion, and more preferably contains at least one selected from Cl − , Br , and I −.

カチオン成分が、カリウムカチオンを含む無機イオン性化合物の具体的な例として、KBr、KI、KCl、KF、KOH、KCO等が挙げられる。この中で、KBr、KIが好ましい。
カチオン成分が、ナトリウムカチオンを含む無機イオン性化合物の具体的な例として、NaBr、NaI、NaOH、NaF、NaCO等が挙げられる。この中で、NaBr、NaIが好ましい。
カチオン成分が、リチウムカチオンを含む無機イオン性化合物の具体的な例として、LiF、LiOH、LiNO等が挙げられる。この中で、LiF、LiOHが好ましい。
Cationic component is, as a specific example of the inorganic ionic compound containing a potassium cation, KBr, KI, KCl, KF , KOH, K 2 CO 3 and the like. Of these, KBr and KI are preferable.
Specific examples of the inorganic ionic compound whose cation component contains a sodium cation include NaBr, NaI, NaOH, NaF, Na 2 CO 3 and the like. Of these, NaBr and NaI are preferable.
Specific examples of the inorganic ionic compound whose cation component contains a lithium cation include LiF, LiOH, and LiNO 3 . Of these, LiF and LiOH are preferable.

上記の無機イオン性化合物は、電気伝導率が10−7S/cm以上であることが好ましく、10−6S/cm以上であることがより好ましい。電気伝導率が上記範囲であれば、導電補助剤として、熱電半導体粒子間の電気伝導率の低減を効果的に抑制することができる。 The above-mentioned inorganic ionic compound preferably has an electric conductivity of 10-7 S / cm or more, and more preferably 10-6 S / cm or more. When the electric conductivity is within the above range, the reduction of the electric conductivity between the thermoelectric semiconductor particles can be effectively suppressed as a conductivity auxiliary agent.

また、上記の無機イオン性化合物は、分解温度が400℃以上であることが好ましい。分解温度が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、導電補助剤としての効果を維持することができる。 Further, the decomposition temperature of the above-mentioned inorganic ionic compound is preferably 400 ° C. or higher. As long as the decomposition temperature is within the above range, the effect as a conductive auxiliary agent can be maintained even when the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is annealed, as will be described later.

また、上記の無機イオン性化合物は、熱重量測定(TG)による400℃における質量減少率が10%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましく、1%以下であることがさらに好ましい。質量減少率が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、導電補助剤としての効果を維持することができる。 Further, the above-mentioned inorganic ionic compound preferably has a mass reduction rate of 10% or less, more preferably 5% or less, and preferably 1% or less at 400 ° C. by thermogravimetric analysis (TG). More preferred. As long as the mass reduction rate is within the above range, the effect as a conductive auxiliary agent can be maintained even when the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is annealed, as will be described later.

前記無機イオン性化合物の前記熱電半導体組成物中の配合量は、好ましくは0.01〜50質量%、より好ましくは0.5〜30質量%、さらに好ましくは1.0〜10質量%である。前記無機イオン性化合物の配合量が、上記範囲内であれば、電気伝導率の低下を効果的に抑制でき、結果として熱電性能が向上した膜が得られる。
なお、無機イオン性化合物とイオン液体とを併用する場合においては、前記熱電半導体組成物中における、無機イオン性化合物及びイオン液体の含有量の総量は、好ましくは0.01〜50質量%、より好ましくは0.5〜30質量%、さらに好ましくは1.0〜10質量%である。
The blending amount of the inorganic ionic compound in the thermoelectric semiconductor composition is preferably 0.01 to 50% by mass, more preferably 0.5 to 30% by mass, and further preferably 1.0 to 10% by mass. .. When the blending amount of the inorganic ionic compound is within the above range, the decrease in electrical conductivity can be effectively suppressed, and as a result, a film having improved thermoelectric performance can be obtained.
When the inorganic ionic compound and the ionic liquid are used in combination, the total content of the inorganic ionic compound and the ionic liquid in the thermoelectric semiconductor composition is preferably 0.01 to 50% by mass. It is preferably 0.5 to 30% by mass, more preferably 1.0 to 10% by mass.

(熱電半導体組成物の調製方法)
本発明で用いる熱電半導体組成物の調製方法は、特に制限はなく、超音波ホモジナイザー、スパイラルミキサー、プラネタリーミキサー、ディスパーサー、ハイブリッドミキサー等の公知の方法により、例えば、前記熱電半導体粒子、前記イオン液体、前記無機イオン性化合物(イオン液体と併用する場合)及び前記耐熱性樹脂、必要に応じて前記その他の添加剤、さらに溶媒を加えて、混合分散させ、当該熱電半導体組成物を調製すればよい。
前記溶媒としては、例えば、トルエン、酢酸エチル、メチルエチルケトン、アルコール、テトラヒドロフラン、メチルピロリドン、エチルセロソルブ等の溶媒などが挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。熱電半導体組成物の固形分濃度としては、該組成物が塗工に適した粘度であればよく、特に制限はない。
(Method for preparing thermoelectric semiconductor composition)
The method for preparing the thermoelectric semiconductor composition used in the present invention is not particularly limited, and the thermoelectric semiconductor particles, the ions, and the like can be prepared by a known method such as an ultrasonic homogenizer, a spiral mixer, a planetary mixer, a disperser, and a hybrid mixer. If a liquid, the inorganic ionic compound (when used in combination with an ionic liquid), the heat-resistant resin, the other additives if necessary, and a solvent are added and mixed and dispersed to prepare the thermoelectric semiconductor composition. good.
Examples of the solvent include solvents such as toluene, ethyl acetate, methyl ethyl ketone, alcohol, tetrahydrofuran, methylpyrrolidone, and ethyl cellosolve. One of these solvents may be used alone, or two or more of these solvents may be mixed and used. The solid content concentration of the thermoelectric semiconductor composition is not particularly limited as long as the composition has a viscosity suitable for coating.

前記熱電半導体組成物からなる熱電変換材料のチップは、特に制限はないが、例えば、ガラス、アルミナ、シリコン等の基材上、又は後述する犠牲層を形成した側の基材上に、前記熱電半導体組成物を塗布し塗膜を得、乾燥することで形成することができる。このように、形成することで、簡便に低コストで多数の熱電変換材料のチップを得ることができる。
熱電半導体組成物を塗布し、熱電変換材料のチップを得る方法としては、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、グラビア印刷法、スピンコート法、ディップコート法、ダイコート法、スプレーコート法、バーコート法、ドクターブレード法等の公知の方法が挙げられ、特に制限されない。塗膜をパターン状に形成する場合は、所望のパターンを有するスクリーン版を用いて簡便にパターン形成が可能なスクリーン印刷法、スロットダイコート法等が好ましく用いられる。
次いで、得られた塗膜を乾燥することにより、熱電変換材料のチップが形成されるが、乾燥方法としては、熱風乾燥法、熱ロール乾燥法、赤外線照射法等、従来公知の乾燥方法が採用できる。加熱温度は、通常、80〜150℃であり、加熱時間は、加熱方法により異なるが、通常、数秒〜数十分である。
また、熱電半導体組成物の調製において溶媒を使用した場合、加熱温度は、使用した溶媒を乾燥できる温度範囲であれば、特に制限はない。
The chip of the thermoelectric conversion material made of the thermoelectric semiconductor composition is not particularly limited, but is, for example, on a substrate such as glass, alumina, or silicon, or on a substrate on the side on which the sacrificial layer is formed, which will be described later. It can be formed by applying a semiconductor composition to obtain a coating film and drying it. By forming in this way, a large number of chips of thermoelectric conversion material can be easily obtained at low cost.
As a method of applying a thermoelectric semiconductor composition to obtain a chip of a thermoelectric conversion material, a screen printing method, a flexographic printing method, a gravure printing method, a spin coating method, a dip coating method, a die coating method, a spray coating method, a bar coating method, etc. Known methods such as the doctor blade method can be mentioned and are not particularly limited. When the coating film is formed into a pattern, a screen printing method, a slot die coating method, or the like, which enables easy pattern formation using a screen plate having a desired pattern, is preferably used.
Next, the obtained coating film is dried to form chips of the thermoelectric conversion material. As the drying method, conventionally known drying methods such as a hot air drying method, a hot roll drying method, and an infrared irradiation method are adopted. can. The heating temperature is usually 80 to 150 ° C., and the heating time varies depending on the heating method, but is usually several seconds to several tens of minutes.
When a solvent is used in the preparation of the thermoelectric semiconductor composition, the heating temperature is not particularly limited as long as the used solvent can be dried.

前記熱電半導体組成物からなる薄膜の厚さは、特に制限はないが、熱電性能と皮膜強度の点から、好ましくは100nm〜1000μm、より好ましくは300nm〜600μm、さらに好ましくは5〜400μmである。 The thickness of the thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is not particularly limited, but is preferably 100 nm to 1000 μm, more preferably 300 nm to 600 μm, and further preferably 5 to 400 μm from the viewpoint of thermoelectric performance and film strength.

熱電半導体組成物からなる薄膜としての熱電変換材料のチップは、さらにアニール処理(以下、「アニール処理B」ということがある。)を行うことが好ましい。該アニール処理Bを行うことで、熱電性能を安定化させるとともに、薄膜中の熱電半導体粒子を結晶成長させることができ、熱電性能をさらに向上させることができる。アニール処理Bは、特に限定されないが、通常、ガス流量が制御された、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、還元ガス雰囲気下、または真空条件下で行われ、用いる樹脂及びイオン性化合物の耐熱温度等に依存するが、100〜500℃で、数分〜数十時間行われる。 It is preferable that the chip of the thermoelectric conversion material as a thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is further subjected to an annealing treatment (hereinafter, may be referred to as “annealing treatment B”). By performing the annealing treatment B, the thermoelectric performance can be stabilized, and the thermoelectric semiconductor particles in the thin film can be crystal-grown, so that the thermoelectric performance can be further improved. The annealing treatment B is not particularly limited, but is usually carried out under an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, a reducing gas atmosphere, or a vacuum condition in which the gas flow rate is controlled, and the resin and the ionic compound to be used are used. Although it depends on the heat-resistant temperature and the like, it is carried out at 100 to 500 ° C. for several minutes to several tens of hours.

<基板>
本発明に用いる熱電変換モジュールの基板としては、すなわち、第1の基板及び第2の基板としては、熱電変換材料のチップの電気伝導率の低下、熱伝導率の増加に影響を及ぼさないプラスチックフィルムを用いることが好ましい。なかでも、屈曲性に優れ、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、基板が熱変形することなく、熱電変換モジュールの性能を維持することができ、耐熱性及び寸法安定性が高いという点から、プラスチックフィルムとしては、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリアラミドフィルム、ポリアミドイミドフィルムが好ましく、さらに、汎用性が高いという点から、ポリイミドフィルムが特に好ましい。
<Board>
As the substrate of the thermoelectric conversion module used in the present invention, that is, as the first substrate and the second substrate, a plastic film that does not affect the decrease in the electric conductivity and the increase in the thermal conductivity of the chip of the thermoelectric conversion material. Is preferably used. Among them, it has excellent flexibility, and even when a thin film made of a thermoelectric semiconductor composition is annealed, the performance of the thermoelectric conversion module can be maintained without thermal deformation of the substrate, and heat resistance and dimensional stability are high. From this point of view, as the plastic film, a polyimide film, a polyamide film, a polyetherimide film, a polyaramid film, and a polyamideimide film are preferable, and a polyimide film is particularly preferable from the viewpoint of high versatility.

前記基板に使用されるプラスチックフィルムの厚さは、屈曲性、耐熱性及び寸法安定性の観点から、1〜1000μmが好ましく、10〜500μmがより好ましく、20〜100μmがさらに好ましい。
また、上記プラスチックフィルムは、熱重量分析で測定される5%重量減少温度が300℃以上であることが好ましく、400℃以上であることがより好ましい。JIS K7133(1999)に準拠して200℃で測定した加熱寸法変化率が0.5%以下であることが好ましく、0.3%以下であることがより好ましい。JIS K7197(2012)に準拠して測定した平面方向の線膨脹係数が0.1ppm・℃−1〜50ppm・℃−1であり、0.1ppm・℃−1〜30ppm・℃−1であることがより好ましい。
The thickness of the plastic film used for the substrate is preferably 1 to 1000 μm, more preferably 10 to 500 μm, still more preferably 20 to 100 μm, from the viewpoint of flexibility, heat resistance and dimensional stability.
Further, the plastic film preferably has a 5% weight loss temperature of 300 ° C. or higher, more preferably 400 ° C. or higher, as measured by thermogravimetric analysis. The heating dimensional change rate measured at 200 ° C. in accordance with JIS K7133 (1999) is preferably 0.5% or less, and more preferably 0.3% or less. JIS K7197 (2012) linear expansion coefficient in the planar direction was measured in accordance with is 0.1ppm · ℃ -1 ~50ppm · ℃ -1 , it is 0.1ppm · ℃ -1 ~30ppm · ℃ -1 Is more preferable.

<電極>
本発明に用いる熱電変換モジュールの第1の電極及び第2の電極の金属材料としては、金、ニッケル、アルミニウム、ロジウム、白金、クロム、パラジウム、ステンレス鋼、モリブデン又はこれらのいずれかの金属を含む合金等が挙げられる。
前記電極の層の厚さは、好ましくは10nm〜200μm、より好ましくは30nm〜150μm、さらに好ましくは50nm〜120μmである。電極の層の厚さが、上記範囲内であれば、電気伝導率が高く低抵抗となり、電極として十分な強度が得られる。
<Electrode>
The metal material of the first electrode and the second electrode of the thermoelectric conversion module used in the present invention includes gold, nickel, aluminum, rhodium, platinum, chromium, palladium, stainless steel, molybdenum, or any of these metals. Examples include alloys.
The thickness of the electrode layer is preferably 10 nm to 200 μm, more preferably 30 nm to 150 μm, and even more preferably 50 nm to 120 μm. When the thickness of the electrode layer is within the above range, the electric conductivity is high and the resistance is low, and sufficient strength as an electrode can be obtained.

電極の形成は、上記電極の金属材料を用いて行う。電極を形成する方法としては、前述した接合材料受理層を形成する方法と同様である。
本発明に用いる電極には、接合材料層と同様、高い導電性が求められ、めっき法や真空成膜法で成膜した電極は、高い導電性を容易に実現できることから、真空蒸着法、スパッタリング法等の真空成膜法、および電解めっき法、無電解めっき法が好ましい。形成パターンの寸法、寸法精度の要求にもよるが、メタルマスク等のハードマスクを介し、容易にパターンを形成することもできる。また、真空成膜法で成膜を行う場合は、用いる基板との密着性の向上、水分除去等の目的で、用いる基板を、基板の特性が損なわれない範囲で、加熱しながら行ってもよい。めっき法で成膜する場合は、無電解めっき法で成膜した膜上に電解めっき法で成膜してもよい。
The electrode is formed using the metal material of the electrode. The method of forming the electrode is the same as the method of forming the bonding material receiving layer described above.
Similar to the bonding material layer, the electrode used in the present invention is required to have high conductivity, and the electrode formed by the plating method or the vacuum film forming method can easily realize high conductivity. Therefore, the vacuum vapor deposition method and sputtering can be performed. A vacuum film forming method such as a method, an electrolytic plating method, and a non-electrolytic plating method are preferable. Although it depends on the dimensional and dimensional accuracy requirements of the forming pattern, the pattern can be easily formed through a hard mask such as a metal mask. Further, when the film is formed by the vacuum film forming method, the substrate to be used may be heated while being used for the purpose of improving the adhesion to the substrate to be used, removing water, etc., as long as the characteristics of the substrate are not impaired. good. When the film is formed by the plating method, the film may be formed by the electrolytic plating method on the film formed by the electroless plating method.

本発明の熱電変換モジュールは、熱電変換材料のチップの上下面を、弾性率が10〜3000MPaの導電性を有する接合材料層を用い、それぞれ対向する電極と接合することにより、熱電変換モジュール全体の屈曲性が向上し、曲面形状を含む熱源面への追従性を高めることができることから、従来の屈曲性を有する熱電変換モジュールに比べ、熱電性能をさらに向上させることができる。 In the thermoelectric conversion module of the present invention, the upper and lower surfaces of the chip of the thermoelectric conversion material are bonded to the electrodes facing each other by using a bonding material layer having an elastic modulus of 10 to 3000 MPa, thereby forming the entire thermoelectric conversion module. Since the flexibility is improved and the followability to the heat source surface including the curved shape can be improved, the thermoelectric performance can be further improved as compared with the conventional thermoelectric conversion module having flexibility.

(熱電変換モジュールの製造方法)
本発明の熱電変換モジュールの製造は、熱電変換材料のチップを複数用いた熱電変換モジュールの製造方法であって、
(a)熱電変換材料のチップを形成する工程、
(b)第1の基板上に第1の電極を形成する工程、
(c)第2の基板上に第2の電極を形成する工程、
(d)前記(b)の工程で得られた前記第1の電極上に接合材料層を形成する工程、
(e)前記熱電変換材料のチップの一方の面を、前記(d)の工程で得られた前記接合材料層上に載置する工程、
(f)前記(e)の工程で載置した前記熱電変換材料のチップの一方の面を、前記(d)の工程で得られた前記接合材料層を介在して前記第1の電極と接合する工程、及び
(g)前記(f)の工程後の前記熱電変換材料のチップの他方の面と、前記(c)の工程で得られた前記第2の電極とを接合材料層を介在して接合する工程を含む、ことが好ましい。
以下、前記(a)の工程を「熱電変換材料のチップ形成工程」、前記(b)及び(c)の工程を「電極形成工程」、前記(d)の工程を「接合材料層形成工程」、前記(e)の工程を「熱電変換材料チップ載置工程」、及び前記(f)及び(g)の工程を「接合工程」ということがある。
以下、本発明に含まれる工程について、順次説明する。
(Manufacturing method of thermoelectric conversion module)
The production of the thermoelectric conversion module of the present invention is a method for producing a thermoelectric conversion module using a plurality of chips of a thermoelectric conversion material.
(A) Step of forming chips of thermoelectric conversion material,
(B) A step of forming the first electrode on the first substrate,
(C) A step of forming a second electrode on the second substrate,
(D) A step of forming a bonding material layer on the first electrode obtained in the step (b).
(E) A step of placing one surface of the chip of the thermoelectric conversion material on the bonding material layer obtained in the step (d).
(F) One surface of the chip of the thermoelectric conversion material placed in the step (e) is joined to the first electrode via the bonding material layer obtained in the step (d). And (g) the other surface of the chip of the thermoelectric conversion material after the step (f) and the second electrode obtained in the step (c) are interposed with a bonding material layer. It is preferable to include a step of joining.
Hereinafter, the step (a) is referred to as a "thermoelectric conversion material chip forming step", the steps (b) and (c) are referred to as an "electrode forming step", and the step (d) is referred to as a "bonding material layer forming step". The step (e) may be referred to as a "thermoelectric conversion material chip mounting step", and the steps (f) and (g) may be referred to as a "joining step".
Hereinafter, the steps included in the present invention will be sequentially described.

<熱電変換材料のチップ形成工程>
熱電変換材料のチップ形成工程は、本発明の熱電変換モジュールの製造方法の、前記(a)の工程である。例えば、前述したガラス等の基材上に後述する犠牲層を形成し、得られた犠牲層上に前述した方法で熱電変換材料のチップを形成する。次いで、得られた熱電変換材料のチップをアニール処理(前記アニール処理Bの条件に準じる)し、基材上の犠牲層から、熱電変換材料のチップを剥離することにより、複数の個片として、熱電変換材料のチップを製造する。
犠牲層を用いると、ガラス等の基材上に形成された熱電変換材料のチップが、アニール処理後に前記ガラス等から容易に剥離できる。犠牲層として、ポリメタクリル酸メチルもしくはポリスチレン等の樹脂、又は、フッ素系離型剤もしくはシリコーン系離型剤等の離型剤、を用いることができる。犠牲層の形成は、特に制限されず、フレキソ印刷法、スピンコート法等、公知の方法で行うことができる。
<Chip forming process of thermoelectric conversion material>
The chip forming step of the thermoelectric conversion material is the step (a) of the method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention. For example, a sacrificial layer to be described later is formed on a base material such as glass described above, and a chip of a thermoelectric conversion material is formed on the obtained sacrificial layer by the method described above. Next, the obtained chips of the thermoelectric conversion material are annealed (according to the conditions of the annealing treatment B), and the chips of the thermoelectric conversion material are peeled off from the sacrificial layer on the base material to form a plurality of pieces. Manufactures chips for thermoelectric conversion materials.
When the sacrificial layer is used, the chips of the thermoelectric conversion material formed on the base material such as glass can be easily peeled off from the glass or the like after the annealing treatment. As the sacrificial layer, a resin such as polymethyl methacrylate or polystyrene, or a release agent such as a fluorine-based release agent or a silicone-based release agent can be used. The formation of the sacrificial layer is not particularly limited, and can be performed by a known method such as a flexographic printing method or a spin coating method.

<電極形成工程>
電極形成工程は、本発明の熱電変換モジュールの製造方法において、(b)の工程において、第1の基板上に第1の電極を形成する工程であり、また、(c)の工程において、第2の基板上に第2の電極を形成する工程である。例えば、基板上に金属層を成膜して、それらを所定のパターンに加工し、電極を形成する工程である。
第1の基板及び第2の基板は、前述した基板を用いる。また、基板の材料、厚さ等も前述したとおりである。
第1の電極及び第2の電極は、前述した電極を用いる。また、電極に用いる金属材料、電極の層の厚さ、電極を形成する方法等は前述したとおりである。
<Electrode forming process>
The electrode forming step is a step of forming the first electrode on the first substrate in the step (b) in the method for manufacturing the thermoelectric conversion module of the present invention, and in the step (c), the first electrode forming step. This is a step of forming a second electrode on the substrate of 2. For example, it is a step of forming a metal layer on a substrate and processing them into a predetermined pattern to form an electrode.
The above-mentioned substrate is used as the first substrate and the second substrate. Further, the material, thickness, etc. of the substrate are also as described above.
As the first electrode and the second electrode, the above-mentioned electrodes are used. The metal material used for the electrode, the thickness of the electrode layer, the method for forming the electrode, and the like are as described above.

<接合材料層形成工程>
接合材料層形成工程は、本発明の熱電変換モジュールの製造方法の、前記(d)の工程であり、第1の電極上に接合材料層を形成する工程である。また、前記(g)の工程に含まれるものであり、第2の電極上に接合材料層を形成する工程である。
接合材料層は、熱電変換材料のチップと電極とを接合するために用いられる。本発明では、前述した導電性接着剤が用いられ、接合材料層として電極上に形成されてもよいし、前述した接合材料受理層上に形成されてもよい。
接合材料層の厚さ、基板上に塗布する方法等は、前述したとおりである。
<Joint material layer forming process>
The bonding material layer forming step is the step (d) of the method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention, and is a step of forming a bonding material layer on the first electrode. Further, it is included in the step (g) and is a step of forming a bonding material layer on the second electrode.
The bonding material layer is used to bond the chip of the thermoelectric conversion material to the electrode. In the present invention, the above-mentioned conductive adhesive may be used and may be formed on the electrode as the bonding material layer, or may be formed on the above-mentioned bonding material receiving layer.
The thickness of the bonding material layer, the method of coating on the substrate, and the like are as described above.

<熱電変換材料チップ載置工程>
熱電変換材料チップ載置工程は、本発明の熱電変換モジュールの製造方法の、前記(e)の工程であり、(a)の工程で得られた熱電変換材料のチップの一方の面を、前記(d)の工程で得られた前記接合材料層上に載置する工程である。例えば、基板の電極上の接合材料層上に、チップマウンター等のハンド部を用い、P型熱電変換材料のチップの一方の面及びN型熱電変換材料のチップの一方の面を、対応する接合材料層の上面に載置する工程である。
P型熱電変換材料のチップ、N型熱電変換材料のチップの配置は、用途により、同じ型もの同士を組み合わせてもよいし、例えば、「・・・NPPN・・・」、「・・・PNPP・・・」等、ランダムに組み合わせてもよい。理論的に高い熱電性能が得られる観点から、P型熱電変換材料のチップ及びN型熱電変換材料のチップの対を電極を介し複数配置することが好ましい。
熱電変換材料のチップを、接合材料層上に載置する方法としては、特に制限はなく、公知の方法が用いられる。例えば、熱電変換材料のチップ1つを、又は複数を、前述したチップマウンター等でハンドリングし、カメラ等で位置合わせを行い、載置する等の方法が挙げられる。
熱電変換材料のチップは、ハンドリング性、載置精度、量産性の観点から、チップマウンターにより載置することが好ましい。
<Thermoelectric conversion material chip mounting process>
The thermoelectric conversion material chip mounting step is the step (e) of the method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention, and one surface of the thermoelectric conversion material chip obtained in the step (a) is pressed. This is a step of placing the bonding material layer on the bonding material layer obtained in the step (d). For example, on the bonding material layer on the electrode of the substrate, one surface of the chip of the P-type thermoelectric conversion material and one surface of the chip of the N-type thermoelectric conversion material are bonded to each other by using a hand portion such as a chip mounter. This is a step of placing the material layer on the upper surface.
The chips of the P-type thermoelectric conversion material and the chips of the N-type thermoelectric conversion material may be arranged in combination with each other depending on the application. For example, "... NPPN ...", "... PNPP". ... ", etc. may be combined randomly. From the viewpoint of theoretically obtaining high thermoelectric performance, it is preferable to arrange a plurality of pairs of P-type thermoelectric conversion material chips and N-type thermoelectric conversion material chips via electrodes.
The method for placing the chip of the thermoelectric conversion material on the bonding material layer is not particularly limited, and a known method is used. For example, one or a plurality of chips of the thermoelectric conversion material may be handled by the above-mentioned chip mounter or the like, aligned with a camera or the like, and placed.
The chip of the thermoelectric conversion material is preferably mounted by a chip mounter from the viewpoint of handleability, mounting accuracy, and mass productivity.

<接合工程>
接合工程は、本発明の熱電変換モジュールの製造方法の、前記(f)の工程であり、前記(e)の工程で載置した前記熱電変換材料のチップの一方の面を前記(d)の工程で得られた前記接合材料層を介在して前記第1の電極と接合する工程であり、例えば、接合材料層を所定の温度に加熱し所定の時間保持後、室温に戻す工程である。
また、本発明の熱電変換モジュールの製造方法の、前記(g)の工程であり、前記(f)の工程後の前記熱電変換材料のチップの他方の面と、前記(c)の工程で得られた前記第2の電極とを接合材料層を介在して接合する工程である。例えば、P型熱電変換材料のチップの他方の面及びN型熱電変換材料のチップの他方の面と、それぞれ対応する接合材料層とを介在し、第2の基板上の第2の電極とを接合する工程である。
接合条件である加熱温度、保持時間等については、前述した通りである。
<Joining process>
The joining step is the step (f) of the method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention, and one surface of the chip of the thermoelectric conversion material mounted in the step (e) of the above (d). It is a step of joining the first electrode via the bonding material layer obtained in the step, for example, a step of heating the bonding material layer to a predetermined temperature, holding the bonding material layer for a predetermined time, and then returning the bonding material layer to room temperature.
Further, in the step (g) of the method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention, the other surface of the chip of the thermoelectric conversion material after the step (f) and the step (c) can be obtained. This is a step of joining the second electrode to the second electrode via a bonding material layer. For example, the other surface of the chip of the P-type thermoelectric conversion material, the other surface of the chip of the N-type thermoelectric conversion material, and the corresponding bonding material layer are interposed, and the second electrode on the second substrate is formed. This is the process of joining.
The heating temperature, holding time, etc., which are the joining conditions, are as described above.

〈接合材料受理層形成工程〉
本発明の熱電変換モジュールの製造方法において、接合材料受理層形成工程をさらに含むことが好ましい。
接合材料受理層形成工程は、(a)の工程で得られた、熱電変換材料のチップの上下面に接合材料受理層を設ける工程である。
接合材料受理層の材料、厚さ、熱電変換材料のチップの上下面に形成する方法等は、前述したとおりである。
例えば、一つの好ましい態様として、熱電変換材料のチップに接合材料受理層を形成する方法は以下のようである。
上面、下面及び側面を有する、熱電変換材料のチップのすべての面に接合材料受理層を形成した後、得られた接合材料受理層のうち、熱電変換材料のチップの側面に形成された接合材料受理層を、例えば、機械研磨法、すなわち、サンドペーパー(番手2000)等を用いて除去し、全部除去する、又は、一部を除去することにより形成する。
<Matching material receiving layer forming process>
In the method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention, it is preferable to further include a step of forming a bonding material receiving layer.
The bonding material receiving layer forming step is a step of providing a bonding material receiving layer on the upper and lower surfaces of the chip of the thermoelectric conversion material obtained in the step (a).
The material and thickness of the bonding material receiving layer, the method of forming on the upper and lower surfaces of the chip of the thermoelectric conversion material, and the like are as described above.
For example, as one preferred embodiment, the method of forming the bonding material receiving layer on the chip of the thermoelectric conversion material is as follows.
After forming the bonding material receiving layer on all the surfaces of the thermoelectric conversion material chip having the upper surface, the lower surface and the side surface, the bonding material formed on the side surface of the thermoelectric conversion material chip among the obtained bonding material receiving layers. The receiving layer is formed by, for example, removing it by a mechanical polishing method, that is, using sandpaper (count 2000) or the like, and removing all or part of it.

本発明の熱電変換モジュールの製造方法によれば、曲面形状を含む熱源面への高い追従性を有する熱電変換モジュールを容易に得ることができる。 According to the method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention, it is possible to easily obtain a thermoelectric conversion module having high followability to a heat source surface including a curved surface shape.

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。 Next, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例及び比較例で用いた接合材料層の弾性率の評価、実施例及び比較例で作製した熱電変換モジュールの熱電性能、及び曲面及び平面熱源への追従性の評価は、以下の方法で行った。 The elastic modulus of the bonding material layer used in Examples and Comparative Examples, the thermoelectric performance of the thermoelectric conversion module produced in Examples and Comparative Examples, and the followability to curved and planar heat sources are evaluated by the following methods. rice field.

<接合材料層の弾性率>
実施例及び比較例で用いた接合材料層について、厚さ200μm、幅10mm、長さ20mmの接合材料層のサンプルを作製し、ダイナミック超微小硬度計(島津製作所社製,商品名「DUH−W201S」)を使用して、以下の測定条件で負荷−除荷試験を行い、得られた除荷曲線の傾きから弾性率を算出した。
<ダイナミック超微小硬度計測定条件>
圧子:三角錐圧子 稜間角115°
試験モード:負荷−除荷モード
試験力:1mN
負荷速度:0.142mN/sec
保持時間:5sec
測定温度:25℃
<Elastic modulus of bonding material layer>
For the bonding material layer used in Examples and Comparative Examples, a sample of the bonding material layer having a thickness of 200 μm, a width of 10 mm, and a length of 20 mm was prepared, and a dynamic ultrafine hardness tester (manufactured by Shimadzu Corporation, trade name “DUH-”) was prepared. Using W201S ”), a load-unloading test was performed under the following measurement conditions, and the elastic modulus was calculated from the slope of the obtained unloading curve.
<Dynamic ultra-micro hardness tester measurement conditions>
Indenter: Triangular pyramid indenter Ridge angle 115 °
Test mode: Load-unload mode Test force: 1mN
Load speed: 0.142mN / sec
Retention time: 5 sec
Measurement temperature: 25 ° C

<熱電性能評価>
(曲面熱源の熱電性能評価)
(a)熱電変換モジュールの電気抵抗評価
フレキシブルヒーターを巻き付けることにより50℃に加熱した、曲面熱源としての円柱(φ75mm、長さ200mm、材料:アクリル樹脂)に、得られた熱電変換モジュールを巻き付け、前記円柱に追従する屈曲性を有するヒートシンクを用いることで、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、熱電変換モジュールの取り出し電極間のモジュール抵抗R(電気抵抗)を、低抵抗測定装置(日置電機社製、型名:RM3545)を用いて、25℃×50%RHの環境下で測定した。
<Thermoelectric performance evaluation>
(Evaluation of thermoelectric performance of curved heat source)
(A) Evaluation of Electrical Resistance of Thermoelectric Conversion Module The obtained thermoelectric conversion module is wound around a cylinder (φ75 mm, length 200 mm, material: acrylic resin) as a curved heat source heated to 50 ° C. by winding a flexible heater. By using a heat sink having flexibility that follows the cylinder, a temperature difference is applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module, and the module resistance R (electrical resistance) between the extraction electrodes of the thermoelectric conversion module is set to a low resistance measuring device ( It was measured in an environment of 25 ° C. × 50% RH using a model name: RM3545) manufactured by Hioki Electric Co., Ltd.

(b)熱電変換モジュールの出力電圧及び最大出力評価(曲面)
(a)において、熱電変換モジュールの出力取り出し電極間の出力電圧V(起電力)を、ディジタルハイテスタ(日置電機社製、型名:3801−50)を用いて、25℃×50%RHの環境下で測定した。
また、得られたモジュール抵抗R及び出力電圧Vから、最大出力P(=V/4R)を算出した。
(B) Output voltage and maximum output evaluation of thermoelectric conversion module (curved surface)
In (a), the output voltage V (electromotive force) between the output extraction electrodes of the thermoelectric conversion module was set to 25 ° C. × 50% RH using a digital high tester (manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., model name: 3801-50). Measured in the environment.
Further, the maximum output P (= V 2 / 4R) was calculated from the obtained module resistance R and output voltage V.

(平面熱源の熱電性能評価)
(c)熱電変換モジュールの電気抵抗評価
フレキシブルヒーターを巻き付けることにより50℃に加熱した、平面熱源としての平板(材料:アクリル樹脂)に、得られた熱電変換モジュールを装着し、該熱電変換モジュール上にヒートシンクを設けることにより、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、熱電変換モジュールの取り出し電極間のモジュール抵抗R(電気抵抗)を、低抵抗測定装置(日置電機社製、型名:RM3545)を用いて、25℃×50%RHの環境下で測定した。
(Evaluation of thermoelectric performance of flat heat source)
(C) Evaluation of Electrical Resistance of Thermoelectric Conversion Module The obtained thermoelectric conversion module is mounted on a flat plate (material: acrylic resin) as a flat heat source heated to 50 ° C. by winding a flexible heater, and the thermoelectric conversion module is mounted on the flat plate (material: acrylic resin). By providing a heat sink in the module, a temperature difference is applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module, and the module resistance R (electrical resistance) between the extraction electrodes of the thermoelectric conversion module is set to a low resistance measuring device (manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., model name: It was measured using RM3545) in an environment of 25 ° C. × 50% RH.

(d)熱電変換モジュールの出力電圧及び最大出力評価(平面)
(c)において、熱電変換モジュールの出力取り出し電極間の出力電圧V(起電力)を、ディジタルハイテスタ(日置電機社製、型名:3801−50)を用いて、25℃×50%RHの環境下で測定した。
また、得られたモジュール抵抗R及び出力電圧Vから、最大出力P(=V/4R)を算出した。
(D) Output voltage and maximum output evaluation of thermoelectric conversion module (plane)
In (c), the output voltage V (electromotive force) between the output extraction electrodes of the thermoelectric conversion module was set to 25 ° C. × 50% RH using a digital high tester (manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., model name: 3801-50). Measured in the environment.
Further, the maximum output P (= V 2 / 4R) was calculated from the obtained module resistance R and output voltage V.

<熱電変換モジュールの曲面熱源への追従性評価>
(a)、(b)の評価で得られた、曲面熱源に巻き付け装着した場合の熱電変換モジュールの最大出力と、(c)、(d)の評価で得られた平面熱源に装着した場合の熱電変換モジュールの最大出力とから、下記の基準に従い、熱電変換モジュールの曲面熱源への追従性を評価した。
A:平面熱源への装着時の熱電変換モジュールの最大出力に対する、曲面熱源への装着時の熱電変換モジュールの最大出力の減少が50%未満である場合
B:平面熱源への装着時の熱電変換モジュールの最大出力に対する、曲面熱源への装着時の熱電変換モジュールの最大出力の減少が50%以上80%未満である場合
C:平面熱源への装着時の熱電変換モジュールの最大出力に対する、曲面熱源への装着時の熱電変換モジュールの最大出力の減少が80%以上である場合
<Evaluation of followability of thermoelectric conversion module to curved surface heat source>
The maximum output of the thermoelectric conversion module when wound around a curved heat source obtained in the evaluations of (a) and (b) and the flat heat source obtained in the evaluations of (c) and (d). From the maximum output of the thermoelectric conversion module, the followability of the thermoelectric conversion module to the curved surface heat source was evaluated according to the following criteria.
A: When the decrease in the maximum output of the thermoelectric conversion module when mounted on a curved surface heat source is less than 50% of the maximum output of the thermoelectric conversion module when mounted on a flat surface heat source B: Thermoelectric conversion when mounted on a flat surface heat source When the decrease in the maximum output of the thermoelectric conversion module when mounted on a curved surface heat source is 50% or more and less than 80% with respect to the maximum output of the module C: Curved surface heat source with respect to the maximum output of the thermoelectric conversion module when mounted on a flat surface heat source When the decrease in the maximum output of the thermoelectric conversion module when mounted on is 80% or more

(実施例1)
(1)熱電半導体組成物の作製
(熱電半導体粒子の作製)
ビスマス−テルル系熱電半導体材料であるP型ビスマステルライドBi0.4TeSb1.6(高純度化学研究所製、粒径:90μm)を、遊星型ボールミル(フリッチュジャパン社製、Premium line P−7)を使用し、大気雰囲気下で粉砕することで、平均粒径2.5μmの熱電半導体粒子T1を作製した。
また、ビスマス−テルル系熱電半導体材料であるN型ビスマステルライドBiTe(高純度化学研究所製、粒径:90μm)を上記と同様の方法で、平均粒径2.5μmの熱電半導体粒子T2を作製した。
粉砕して得られた熱電半導体粒子T1及びT2に関して、レーザー回折式粒度分析装置(Malvern社製、マスターサイザー3000)により粒度分布測定を行った。
(熱電半導体組成物の塗工液の調製)
塗工液(P)
上記で得られたP型ビスマステルライドBi0.4Te3.0Sb1.6の粒子T1を83.3質量部、耐熱性樹脂としてポリアミドイミド(荒川化学工業社製、製品名:コンポセランAI301、溶媒:N−メチルピロリドン、固形分濃度:18質量%)2.7質量部、及びイオン液体としてN−ブチルピリジニウムブロミド14.0質量部を混合分散した熱電半導体組成物からなる塗工液(P)を調製した。
塗工液(N)
上記で得られたN型ビスマステルライドBiTeの粒子T2を91.6質量部、耐熱性樹脂としてポリアミドイミド(荒川化学工業社製、製品名:コンポセランAI301、溶媒:N−メチルピロリドン、固形分濃度:18質量%)3.6質量部、及びイオン液体として1−ブチルピリジニウムブロミド4.8質量部を混合分散した熱電半導体組成物からなる塗工液(N)を調製した。
(2)熱電変換材料のチップの作製
厚さ0.7mmのガラス基板(ソーダライムガラス)上に犠牲層として、ポリメチルメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)(シグマアルドリッチ社製、商品名:ポリメタクリル酸メチル)をトルエンに溶解した、固形分濃度10質量%のポリメチルメタクリル酸メチル樹脂溶液をスピンコート法により、乾燥後の厚さが10.0μmとなるように成膜した。
次いで、メタルマスクを介在して、犠牲層上に上記(1)で調製した塗工液(P)を、スクリーン印刷法により塗布し、温度120℃で、大気雰囲気下で7分間乾燥(厚さ:350μm)した。その後、大気雰囲気下250℃にて110MPaで10分間加圧することで、厚さが200μmのP型熱電半導体材料の粒子を含む熱電半導体組成物からなる薄膜を形成した。得られた薄膜に対し、水素とアルゴンの混合ガス(水素:アルゴン=3体積%:97体積%)雰囲気下で、加温速度5K/minで昇温し、430℃で1時間保持し、前記薄膜をアニール処理し、熱電半導体材料の粒子を結晶成長させ、P型ビスマステルライドBi0.4TeSb1.6を含む、上下面がそれぞれ1.65mm×1.65mmで厚さが200μmの直方体状のP型熱電変換材料のチップを得た。
また、上記(1)で調製した塗工液(N)に変更し、加圧条件が大気雰囲気下250℃で37MPa、360℃で1時間、水素とアルゴンの混合ガス雰囲気下で薄膜をアニール処理した以外は同様の方法で、N型ビスマステルライドBiTeを含む、上下面がそれぞれ1.65mm×1.65mmで厚さが200μm(加圧前の厚さ:390μm)の直方体状のN型熱電変換材料のチップを得た。
(Example 1)
(1) Preparation of thermoelectric semiconductor composition (production of thermoelectric semiconductor particles)
P-type bismuth tellurium Bi 0.4 Te 3 Sb 1.6 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory, particle size: 90 μm), which is a bismuth-tellurium thermoelectric semiconductor material, is used in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch Japan, Premium line P). Thermoelectric semiconductor particles T1 having an average particle size of 2.5 μm were produced by pulverizing in an air atmosphere using −7).
Further, N-type bismuth tellurium Bi 2 Te 3 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory, particle size: 90 μm), which is a bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material, is subjected to thermoelectric semiconductor particles having an average particle size of 2.5 μm by the same method as described above. T2 was prepared.
The particle size distribution of the thermoelectric semiconductor particles T1 and T2 obtained by pulverization was measured by a laser diffraction type particle size analyzer (Mastersizer 3000 manufactured by Malvern).
(Preparation of coating liquid for thermoelectric semiconductor composition)
Coating liquid (P)
83.3 parts by mass of particles T1 of P-type bismasterlide Bi 0.4 Te 3.0 Sb 1.6 obtained above, polyamide-imide as a heat-resistant resin (manufactured by Arakawa Chemical Industry Co., Ltd., product name: Composelan AI301, Solvent: N-methylpyrrolidone, solid content concentration: 18% by mass) 2.7 parts by mass, and N-butylpyridinium bromide 14.0 parts by mass as an ionic liquid are mixed and dispersed in a coating liquid (P). ) Was prepared.
Coating liquid (N)
91.6 parts by mass of the particles T2 of the N-type bismuth sterlide Bi 2 Te 3 obtained above, polyamide-imide as a heat-resistant resin (manufactured by Arakawa Chemical Industry Co., Ltd., product name: composelan AI301, solvent: N-methylpyrrolidone, solid) A coating liquid (N) composed of a thermoelectric semiconductor composition in which 3.6 parts by mass (concentration: 18% by mass) and 4.8 parts by mass of 1-butylpyridinium bromide as an ionic liquid were mixed and dispersed was prepared.
(2) Preparation of Chip for Thermoelectric Conversion Material Polymethylmethylmethacrylate resin (PMMA) (manufactured by Sigma Aldrich Co., Ltd., trade name: polymethacrylic acid) as a sacrificial layer on a glass substrate (soda lime glass) having a thickness of 0.7 mm. A polymethylmethyl methacrylate resin solution in which methyl) was dissolved in toluene and having a solid content concentration of 10% by mass was formed into a film by a spin coating method so that the thickness after drying was 10.0 μm.
Next, the coating liquid (P) prepared in (1) above was applied onto the sacrificial layer via a metal mask by a screen printing method, and dried at a temperature of 120 ° C. for 7 minutes in an air atmosphere (thickness). : 350 μm). Then, by pressurizing at 250 ° C. at 110 MPa for 10 minutes in an atmospheric atmosphere, a thin film composed of a thermoelectric semiconductor composition containing particles of a P-type thermoelectric semiconductor material having a thickness of 200 μm was formed. The temperature of the obtained thin film was raised at a heating rate of 5 K / min in an atmosphere of a mixed gas of hydrogen and argon (hydrogen: argon = 3% by volume: 97% by volume), and held at 430 ° C. for 1 hour. The thin film is annealed to grow particles of the thermoelectric semiconductor material into crystals, and the upper and lower surfaces are 1.65 mm × 1.65 mm and the thickness is 200 μm, including P-type bismuth telluride Bi 0.4 Te 3 Sb 1.6. A rectangular P-type thermoelectric conversion material chip was obtained.
Further, the coating liquid (N) prepared in the above (1) was changed, and the thin film was annealed under an atmospheric atmosphere of 250 ° C. for 37 MPa and 360 ° C. for 1 hour in a mixed gas atmosphere of hydrogen and argon. A rectangular N with an upper and lower surface of 1.65 mm x 1.65 mm and a thickness of 200 μm (thickness before pressurization: 390 μm), including the N-type bismuth sterlide Bi 2 Te 3, respectively. A chip of type thermoelectric conversion material was obtained.

(3)接合材料受理層の形成
アニール処理後のP型及びN型熱電変換材料のチップをガラス基板上から剥離し、無電解メッキ法によって、P型及びN型熱電変換材料のチップのすべての面に接合材料受理層として、ニッケル層(厚さ:3μm)及び金層(厚さ:40nm)をこの順に積層した。
次いで、チップが1.5mm×1.5mmの寸法となるように、P型及びN型熱電変換材料のチップの側面の接合材料受理層を機械研磨法、すなわち、サンドペーパー(番手2000)を用いて除去し、上下面のみに接合材料受理層を有するP型及びN型熱電変換材料のチップを得た。なお、接合材料受理層を完全に除去するために、P型及びN型熱電変換材料のチップの側面の壁の一部も含め研磨した。
(3) Formation of bonding material receiving layer All the chips of P-type and N-type thermoelectric conversion materials after annealing are peeled off from the glass substrate, and all the chips of P-type and N-type thermoelectric conversion materials are subjected to electroless plating. A nickel layer (thickness: 3 μm) and a gold layer (thickness: 40 nm) were laminated in this order on the surface as a bonding material receiving layer.
Next, the bonding material receiving layer on the side surface of the chip of P-type and N-type thermoelectric conversion material is machine-polished, that is, sandpaper (count 2000) is used so that the chip has a size of 1.5 mm × 1.5 mm. To obtain chips of P-type and N-type thermoelectric conversion materials having bonding material receiving layers only on the upper and lower surfaces. In addition, in order to completely remove the bonding material receiving layer, a part of the side wall of the chip of the P-type and N-type thermoelectric conversion material was also polished.

(4)電極の形成
まず、両面に銅箔を貼付したポリイミドフィルム基板(宇部エクシモ社製、製品名:ユピセルN、ポリイミド基板、厚さ:12.5μm、銅箔、厚さ:12μm)を準備し、該ポリイミドフィルム基板の銅箔上に、無電解めっきにより、ニッケル層(厚さ:3μm)及び金層(厚さ:40nm)をこの順に積層し、次いで片面にのみ電極パターン(5.5×1.75mm、18個、隣接する各電極間の距離:2mm、6列×3行)を形成し、電極を有する基板を作製した(第1の電極を有する第1の基板、以下、「第1電極基板」ということがある。)。
同様に、第1電極基板と貼り合わせた時にπ型の熱電変換モジュールが得られるよう、電極をパターン配置した基板を作製した(第2の電極を有する第2の基板、以下、「第2電極基板」ということがある。)。なお、基板、電極の材料、厚さを含む寸法等は第1電極基板と同一とした。
(4) Electrode formation First, prepare a polyimide film substrate (manufactured by Ube Eximo Co., Ltd., product name: Iupicel N, polyimide substrate, thickness: 12.5 μm, copper foil, thickness: 12 μm) in which copper foil is attached to both sides. Then, a nickel layer (thickness: 3 μm) and a gold layer (thickness: 40 nm) were laminated in this order on the copper foil of the polyimide film substrate by electroless plating, and then an electrode pattern (5.5) was laminated on only one side. × 1.75 mm, 18 pieces, distance between adjacent electrodes: 2 mm, 6 columns × 3 rows) were formed to prepare a substrate having electrodes (first substrate having first electrodes, hereinafter, “1st substrate”. It is sometimes called "first electrode substrate").
Similarly, a substrate in which electrodes are arranged in a pattern is produced so that a π-type thermoelectric conversion module can be obtained when the first electrode substrate is bonded (second substrate having a second electrode, hereinafter referred to as “second electrode”. Sometimes called "board"). The substrate, the electrode material, the dimensions including the thickness, and the like were the same as those of the first electrode substrate.

<熱電変換モジュールの作製>
上記で得られた上下面のみに接合材料受理層を有するP型及びN型熱電変換材料のチップを用い、接合材料層を介し電極とを接合したP型及びN型熱電変換材料のチップそれぞれ18対からなるπ型の熱電変換素子モジュールを以下のように作製した。
<Manufacturing of thermoelectric conversion module>
Using the P-type and N-type thermoelectric conversion material chips having the bonding material receiving layer only on the upper and lower surfaces obtained above, the P-type and N-type thermoelectric conversion material chips bonded to the electrodes via the bonding material layer are 18 respectively. A pair of π-type thermoelectric conversion element modules was manufactured as follows.

〈熱電変換材料のチップの実装及び組み立て〉
前記第1電極基板の電極上に、接合材料層としてフレキシブル導電接着剤(セメダイン社製、SX−ECA48、導電性材料:銀粒子、樹脂:シリコーン樹脂、弾性率:225MPa(25℃))を用い、ステンシル印刷により接合材料層(硬化前の厚さ:50μm)を形成した。
次いで、接合材料層上に、上記で得られたP型及びN型熱電変換材料のチップのそれぞれの接合材料受理層を有する一方の面を、屈曲部の延在方向のチップ間距離2mm、屈曲部の延在方向とは直交する方向のチップ間距離0.2mmとなるように載置し、100℃で1時間加熱硬化(接合材料層の厚さ:30μm)することで、P型及びN型熱電変換材料のチップをそれぞれ第1電極基板の電極上に実装した。このとき、屈曲部の延在方向のチップ長さに対する、チップの屈曲部の延在方向のチップ間距離は、1.33倍となる。
さらに、P型及びN型熱電変換材料のチップのそれぞれの接合材料受理層を有する他方の面上に、接合材料層として前記フレキシブル導電接着剤をステンシル印刷(硬化前の厚さ:50μm)し、得られた接合材料層と、前記第2電極基板の電極とを貼り合わせ、100℃で1時間加熱することで、接合材料受理層を有するP型及びN型熱電変換材料のチップと第2電極基板の電極である対向電極とを接合材料層(加熱後厚さ:30μm)を介し接合し組み立てを行うことにより熱電変換モジュールを得た。
<Mounting and assembly of thermoelectric conversion material chips>
A flexible conductive adhesive (manufactured by Cemedyne, SX-ECA48, conductive material: silver particles, resin: silicone resin, elastic modulus: 225 MPa (25 ° C.)) is used as a bonding material layer on the electrode of the first electrode substrate. , A bonding material layer (thickness before curing: 50 μm) was formed by stencil printing.
Next, on the bonding material layer, one surface having the bonding material receiving layers of the P-type and N-type thermoelectric conversion material chips obtained above is bent at a distance of 2 mm between the chips in the extending direction of the bent portion. P-type and N-type and N-type and N-type and N-type and N-type and N Chips of the type thermoelectric conversion material were mounted on the electrodes of the first electrode substrate, respectively. At this time, the distance between the chips in the extending direction of the bent portion is 1.33 times the length of the chips in the extending direction of the bent portion.
Further, the flexible conductive adhesive is stencil-printed (thickness before curing: 50 μm) as the bonding material layer on the other surface of the P-type and N-type thermoelectric conversion material chips having the bonding material receiving layers, respectively. The obtained bonding material layer and the electrode of the second electrode substrate are bonded together and heated at 100 ° C. for 1 hour to obtain chips and a second electrode of P-type and N-type thermoelectric conversion materials having a bonding material receiving layer. A thermoelectric conversion module was obtained by joining the counter electrode, which is an electrode of the substrate, via a bonding material layer (thickness after heating: 30 μm) and assembling.

前述した熱電性能評価に従い、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、モジュール抵抗R及び出力電圧Vを測定した。モジュール抵抗Rと得られた出力電圧Vとから最大出力P(μW)を算出(P=V/4R)した。結果を表1に示す。 According to the thermoelectric performance evaluation described above, a temperature difference was applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module, and the module resistance R and the output voltage V were measured. The maximum output P (μW) was calculated (P = V 2 / 4R) from the module resistance R and the obtained output voltage V. The results are shown in Table 1.

(実施例2)
P型及びN型熱電変換材料の屈曲部の延在方向のチップ間距離を1mmにした以外は、実施例1と同様にして熱電変換モジュールを作製した。得られた熱電変換モジュールについて、実施例1と同様の方法で、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、モジュール抵抗R及び出力電圧Vを測定した。次いで、モジュール抵抗Rと得られた出力電圧Vとから最大出力P(=V/4R)を算出した。結果を表1に示す。このとき、屈曲部の延在方向のチップ長さに対する、チップの屈曲部の延在方向のチップ間距離は、0.667倍となる。
(Example 2)
A thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 1 except that the distance between the chips in the extending direction of the bent portion of the P-type and N-type thermoelectric conversion materials was set to 1 mm. With respect to the obtained thermoelectric conversion module, a temperature difference was applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module in the same manner as in Example 1, and the module resistance R and the output voltage V were measured. Next, the maximum output P (= V 2 / 4R) was calculated from the module resistance R and the obtained output voltage V. The results are shown in Table 1. At this time, the distance between the chips in the extending direction of the bent portion is 0.667 times the length of the chips in the extending direction of the bent portion.

(実施例3)
P型及びN型熱電変換材料の屈曲部の延在方向のチップ間距離を0.2mmにした以外は、実施例1と同様にして熱電変換モジュールを作製した。得られた熱電変換モジュールについて、実施例1と同様の方法で、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、モジュール抵抗R及び出力電圧Vを測定した。次いで、モジュール抵抗Rと得られた出力電圧Vとから最大出力P(=V/4R)を算出した。結果を表1に示す。このとき、屈曲部の延在方向のチップ長さに対する、チップの屈曲部の延在方向のチップ間距離は、0.133倍となる。
(Example 3)
A thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 1 except that the distance between the chips in the extending direction of the bent portion of the P-type and N-type thermoelectric conversion materials was set to 0.2 mm. With respect to the obtained thermoelectric conversion module, a temperature difference was applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module in the same manner as in Example 1, and the module resistance R and the output voltage V were measured. Next, the maximum output P (= V 2 / 4R) was calculated from the module resistance R and the obtained output voltage V. The results are shown in Table 1. At this time, the distance between the chips in the extending direction of the bent portion is 0.133 times the tip length in the extending direction of the bent portion.

(実施例4)
実施例1において、実装側及び組み立て側の接合材料層に導電接着剤(二ホンハンダ社製、ECA300、導電性材料:銀粒子、樹脂:エポキシ樹脂、弾性率:430MPa(25℃))を用い、200℃で1時間加熱硬化(接合材料層の厚さ:30μm)した以外は、実施例1と同様にして熱電変換モジュールを作製した。得られた熱電変換モジュールについて、実施例1と同様の方法で、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、モジュール抵抗R及び出力電圧Vを測定した。次いで、モジュール抵抗Rと得られた出力電圧Vとから最大出力P(=V/4R)を算出した。結果を表1に示す。
(Example 4)
In Example 1, a conductive adhesive (manufactured by Nihon Handa Co., Ltd., ECA300, conductive material: silver particles, resin: epoxy resin, elastic modulus: 430 MPa (25 ° C.)) was used for the bonding material layers on the mounting side and the assembling side. A thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 1 except that it was heat-cured at 200 ° C. for 1 hour (thickness of the bonding material layer: 30 μm). With respect to the obtained thermoelectric conversion module, a temperature difference was applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module in the same manner as in Example 1, and the module resistance R and the output voltage V were measured. Next, the maximum output P (= V 2 / 4R) was calculated from the module resistance R and the obtained output voltage V. The results are shown in Table 1.

(実施例5)
実施例1において、実装側及び組み立て側の接合材料層に導電接着剤(室町ケミカル社製、EPS−110A、導電性材料:銀粒子、樹脂:エポキシ樹脂、弾性率:14MPa(25℃))を用い、180℃で0.5時間加熱硬化(接合材料層の厚さ:30μm)した以外は、実施例1と同様にして熱電変換モジュールを作製した。得られた熱電変換モジュールについて、実施例1と同様の方法で、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、モジュール抵抗R及び出力電圧Vを測定した。次いで、モジュール抵抗Rと得られた出力電圧Vとから最大出力P(=V/4R)を算出した。結果を表1に示す。
(Example 5)
In Example 1, a conductive adhesive (manufactured by Muromachi Chemical Co., Ltd., EPS-110A, conductive material: silver particles, resin: epoxy resin, elastic modulus: 14 MPa (25 ° C.)) was applied to the bonding material layers on the mounting side and the assembling side. A thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 1 except that it was heat-cured at 180 ° C. for 0.5 hours (thickness of bonding material layer: 30 μm). With respect to the obtained thermoelectric conversion module, a temperature difference was applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module in the same manner as in Example 1, and the module resistance R and the output voltage V were measured. Next, the maximum output P (= V 2 / 4R) was calculated from the module resistance R and the obtained output voltage V. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
実施例1において、実装側の接合材料層にハンダを用いた以外は、実施例1と同様にして熱電変換モジュールを作製した。得られた熱電変換モジュールについて、実施例1と同様の方法で、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、モジュール抵抗R及び出力電圧Vを測定した。次いで、モジュール抵抗Rと得られた出力電圧Vとから最大出力P(=V/4R)を算出した。結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
In Example 1, a thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 1 except that solder was used for the bonding material layer on the mounting side. With respect to the obtained thermoelectric conversion module, a temperature difference was applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module in the same manner as in Example 1, and the module resistance R and the output voltage V were measured. Next, the maximum output P (= V 2 / 4R) was calculated from the module resistance R and the obtained output voltage V. The results are shown in Table 1.

(比較例2)
実施例1において、組み立て側の接合材料層にハンダを用いた以外は、実施例1と同様にして熱電変換モジュールを作製した。得られた熱電変換モジュールについて、実施例1と同様の方法で、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、モジュール抵抗R及び出力電圧Vを測定した。次いで、モジュール抵抗Rと得られた出力電圧Vとから最大出力P(=V/4R)を算出した。結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
In Example 1, a thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 1 except that solder was used for the bonding material layer on the assembly side. With respect to the obtained thermoelectric conversion module, a temperature difference was applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module in the same manner as in Example 1, and the module resistance R and the output voltage V were measured. Next, the maximum output P (= V 2 / 4R) was calculated from the module resistance R and the obtained output voltage V. The results are shown in Table 1.

(比較例3)
実施例1において、実装側及び組み立て側の接合材料層にハンダを用いた以外は、実施例1と同様にして熱電変換モジュールを作製した。得られた熱電変換モジュールについて、実施例1と同様の方法で、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、モジュール抵抗R及び出力電圧Vを測定した。次いで、モジュール抵抗Rと得られた出力電圧Vとから最大出力P(=V/4R)を算出した。結果を表1に示す。
(Comparative Example 3)
In Example 1, a thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 1 except that solder was used for the bonding material layers on the mounting side and the assembling side. With respect to the obtained thermoelectric conversion module, a temperature difference was applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module in the same manner as in Example 1, and the module resistance R and the output voltage V were measured. Next, the maximum output P (= V 2 / 4R) was calculated from the module resistance R and the obtained output voltage V. The results are shown in Table 1.

(比較例4)
実施例1において、実装側及び組み立て側の接合材料層にフレキシブル導電接着剤(室町ケミカル社製、K−72−1 LV、導電性材料:銀粒子、樹脂:エポキシ樹脂、弾性率:3490 MPa(25℃))を用いた以外は、実施例1と同様にして熱電変換モジュールを作製した。得られた熱電変換モジュールについて、実施例1と同様の方法で、熱電変換モジュールの上下面に温度差を付与し、モジュール抵抗R及び出力電圧Vを測定した。次いで、モジュール抵抗Rと得られた出力電圧Vとから最大出力P(=V/4R)を算出した。結果を表1に示す。
(Comparative Example 4)
In Example 1, a flexible conductive adhesive (manufactured by Muromachi Chemical Co., Ltd., K-72-1 LV, conductive material: silver particles, resin: epoxy resin, elastic modulus: 3490 MPa) was applied to the bonding material layer on the mounting side and the assembling side. A thermoelectric conversion module was produced in the same manner as in Example 1 except that 25 ° C.)) was used. With respect to the obtained thermoelectric conversion module, a temperature difference was applied to the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module in the same manner as in Example 1, and the module resistance R and the output voltage V were measured. Next, the maximum output P (= V 2 / 4R) was calculated from the module resistance R and the obtained output voltage V. The results are shown in Table 1.

Figure 2021150403
Figure 2021150403

熱源が平面でなく曲面である場合、電極上に本発明の特定の範囲の弾性率を有する接合材料層を実装側及び組み立て側に設けた実施例1〜5では、電極上に規定外となる弾性率を有する接合材料層を実装側及び/又は組み立て側に設けた比較例1〜4に比べて、追従性が優れ、3.0〜3.9倍の最大出力が得られることがわかる。 When the heat source is not a flat surface but a curved surface, in Examples 1 to 5 in which a bonding material layer having an elastic modulus in a specific range of the present invention is provided on the mounting side and the assembling side on the electrode, the specification is not specified on the electrode. It can be seen that the followability is excellent and the maximum output of 3.0 to 3.9 times can be obtained as compared with Comparative Examples 1 to 4 in which the bonding material layer having an elastic modulus is provided on the mounting side and / or the assembling side.

本発明の熱電変換モジュールは、熱源が曲面形状等を有していても追従性が優れることから、追従性が十分でない従来品に比べ高い熱電性能を有する。
このため、本発明の熱電変換モジュールは、特に、工場等で冷却用途で用い排水された配管等からの排熱、ボイラー等の配管からの排熱、自動車の燃焼ガス排熱装置の排熱等、曲面形状等を有する熱源に装着し、温度差を電気に変換する発電用途に適用することが考えられる。
The thermoelectric conversion module of the present invention has excellent followability even if the heat source has a curved surface shape or the like, and therefore has higher thermoelectric performance than conventional products having insufficient followability.
Therefore, the thermoelectric conversion module of the present invention is particularly capable of exhausting heat from pipes and the like drained for cooling purposes in factories and the like, exhausting heat from piping such as boilers, exhausting heat from combustion gas exhausting devices of automobiles, and the like. It is conceivable to attach it to a heat source having a curved shape or the like and apply it to a power generation application that converts a temperature difference into electricity.

1A,1B:熱電変換モジュール
2a:第1の基板
2b:第2の基板
3a:第1の電極
3b:第2の電極
4:P型熱電変換材料のチップ
5:N型熱電変換材料のチップ
6:接合材料層
7:接合材料受理層
1A, 1B: Thermoelectric conversion module 2a: First substrate 2b: Second substrate 3a: First electrode 3b: Second electrode 4: P-type thermoelectric conversion material chip 5: N-type thermoelectric conversion material chip 6 : Joining material layer 7: Joining material receiving layer

Claims (14)

第1の電極を有する第1の基板と、第2の電極を有する第2の基板と、熱電半導体組成物からなる熱電変換材料のチップと、該熱電変換材料のチップの一方の面と前記第1の電極、及び、該熱電変換材料のチップの他方の面と前記第2の電極、をそれぞれ接合する接合材料層と、を含む熱電変換モジュールであって、前記接合材料層が樹脂及び導電性材料を含む導電性接着剤からなり、前記接合材料層の硬化後の25℃における弾性率が10〜3000MPaである、熱電変換モジュール。 A first substrate having a first electrode, a second substrate having a second electrode, a chip of a thermoelectric conversion material made of a thermoelectric semiconductor composition, one surface of the chip of the thermoelectric conversion material, and the first. A thermoelectric conversion module including an electrode 1 and a bonding material layer for bonding the other surface of the chip of the thermoelectric conversion material and the second electrode, respectively, wherein the bonding material layer is made of resin and conductive. A thermoelectric conversion module made of a conductive adhesive containing a material and having an elastic coefficient of 10 to 3000 MPa at 25 ° C. after curing of the bonding material layer. 前記樹脂が、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、及びポリウレタン樹脂から選ばれる、請求項1に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the resin is selected from an epoxy resin, a silicone resin, a polyimide resin, and a polyurethane resin. 前記導電性材料が金属粒子を含み、該金属粒子が、銀粒子、ニッケル粒子、金粒子、インジウム粒子、錫粒子、アルミニウム粒子、パラジウム粒子、チタン粒子及び銅粒子から選ばれる1種、又は2種以上の混合物である銀粒子、ニッケル粒子、及び銅粒子から選ばれる1種、又は2種以上の混合物である、請求項1に記載の熱電変換モジュール。 The conductive material contains metal particles, and the metal particles are one or two selected from silver particles, nickel particles, gold particles, indium particles, tin particles, aluminum particles, palladium particles, titanium particles and copper particles. The thermoelectric conversion module according to claim 1, which is one kind or a mixture of two or more kinds selected from silver particles, nickel particles, and copper particles which are the above-mentioned mixtures. 前記熱電変換モジュールの屈曲部の延在方向(屈曲方向と直交する方向)の隣接する熱電変換材料のチップ間の距離が、前記屈曲部の延在方向の前記熱電変換材料のチップの長さに対して0.1以上3倍未満である、請求項1に記載の熱電変換モジュール。 The distance between the chips of the thermoelectric conversion material adjacent to each other in the extending direction (direction orthogonal to the bending direction) of the bent portion of the thermoelectric conversion module is the length of the chips of the thermoelectric conversion material in the extending direction of the bent portion. The thermoelectric conversion module according to claim 1, which is 0.1 or more and less than 3 times. 前記弾性率が、10〜1000MPaである、請求項1に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the elastic modulus is 10 to 1000 MPa. 前記接合材料層の厚さが、10〜1000μmである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 5, wherein the bonding material layer has a thickness of 10 to 1000 μm. 前記熱電変換材料のチップと前記接合材料層との間に、さらに金属材料を含む接合材料受理層を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 6, further comprising a bonding material receiving layer containing a metal material between the chip of the thermoelectric conversion material and the bonding material layer. 前記金属材料が、金、銀、ロジウム、白金、クロム、パラジウム、錫、ニッケル、及びこれらのいずれかの金属材料を含む合金から選ばれる少なくとも1種である、請求項7に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 7, wherein the metal material is at least one selected from an alloy containing gold, silver, rhodium, platinum, chromium, palladium, tin, nickel, and any of these metal materials. .. 前記接合材料受理層の厚さが、10nm〜50μmである、請求項7又は8に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 7 or 8, wherein the bonding material receiving layer has a thickness of 10 nm to 50 μm. 前記熱電半導体組成物は、熱電半導体材料、耐熱性樹脂、イオン液体及び無機イオン性化合物の一方又は双方を含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 9, wherein the thermoelectric semiconductor composition contains one or both of a thermoelectric semiconductor material, a heat-resistant resin, an ionic liquid and an inorganic ionic compound. 前記耐熱性樹脂が、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、又はエポキシ樹脂である、請求項10に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 10, wherein the heat-resistant resin is a polyimide resin, a polyamide resin, a polyamide-imide resin, or an epoxy resin. 前記熱電半導体材料が、ビスマス−テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料、アンチモン−テルル系熱電半導体材料、又はビスマスセレナイド系熱電半導体材料である、請求項10に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 10, wherein the thermoelectric semiconductor material is a bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material, a tellurium-based thermoelectric semiconductor material, an antimony-tellurium-based thermoelectric semiconductor material, or a bismuth selenide-based thermoelectric semiconductor material. 前記ビスマス−テルル系熱電半導体材料が、P型ビスマステルライド、N型ビスマステルライド、又はBiTeである、請求項12に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 12, wherein the bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material is P-type bismuth tellurium, N-type bismuth tellurium, or Bi 2 Te 3. 前記第1の基板及び第2の基板がプラスチックフィルムからなり、該プラスチックフィルムがそれぞれ独立に、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリアラミドフィルム、又はポリアミドイミドフィルムである、請求項1〜13のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。 Claims 1 to 1, wherein the first substrate and the second substrate are made of a plastic film, and the plastic films are independently a polyimide film, a polyamide film, a polyetherimide film, a polyaramid film, or a polyamideimide film. 13. The thermoelectric conversion module according to any one of 13.
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