JP6547163B2 - Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element - Google Patents

Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element Download PDF

Info

Publication number
JP6547163B2
JP6547163B2 JP2013119423A JP2013119423A JP6547163B2 JP 6547163 B2 JP6547163 B2 JP 6547163B2 JP 2013119423 A JP2013119423 A JP 2013119423A JP 2013119423 A JP2013119423 A JP 2013119423A JP 6547163 B2 JP6547163 B2 JP 6547163B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric conversion
cnt
type
conversion element
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013119423A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014239092A (en
Inventor
豊 真庭
豊 真庭
和宏 柳
和宏 柳
祐介 中井
祐介 中井
和也 本田
和也 本田
片浦 弘道
弘道 片浦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Tokyo Metropolitan University
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Tokyo Metropolitan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST, Tokyo Metropolitan University filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP2013119423A priority Critical patent/JP6547163B2/en
Publication of JP2014239092A publication Critical patent/JP2014239092A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6547163B2 publication Critical patent/JP6547163B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、熱電変換材料及び熱電変換素子に関し、さらに詳しくは、発電効率が高く、高成型性で柔軟性を有し、資源量が多く、重金属のような高環境負荷材料を用いない熱電変換材料及びそれを用いてなる熱電変換素子に関するものである。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element, and more specifically, a thermoelectric conversion that has high power generation efficiency, high formability, flexibility, a large amount of resources, and does not use a high environmental load material such as heavy metal. The present invention relates to a material and a thermoelectric conversion element using the same.

近年、利用できずに廃棄していた熱を回収するために、温度差により起電力を発生させる熱電変換素子を用いて、廃熱を電気エネルギーに変換して回収することが行われている。
たとえば、特許文献1には、Bi−Te系の熱電材料の性能指数を高く保ちながらその機械的強度を向上させた熱電変換材料と熱電変換素子として、Bi−Te系熱電変換材料の溶融固化又はホットプレスの際に、一軸性の温度勾配をかけて冷却すると、温度勾配の方向に垂直な面で測定した特定面の反射のX線回折強度比が特定値を示し、性能指数を大きく向上させ発電効率を向上させた熱電変換素子が提案されている。
また、たとえば、特許文献2には、フレキシビリティーと高い熱電変換能力を両立しうる熱電変換材料、及び該材料を用いた熱電変換素子、並びに該素子を用いた電子機器、自動車等の排熱を利用する装置として、フィルム基板上に、カーボンナノチューブ微粒子を分散させた、フレキシビリティーを有し、好ましくは、高いガラス転移温度、及び低い熱伝導率を有する有機材料によって構成され、かつ、有機材料に対するカーボンナノチューブの質量比が50〜90質量%である層をもうけた熱電変換素子、及び該熱電変換素子を機器の排熱部に設置した装置が提案されている。
また、たとえば、非特許文献1には、柔軟性を有する高い変換効率を示す熱電変換素子として、乾燥焼成過程の制御などを通じてカーボンナノチューブ−高分子複合材料中の微細構造を制御することで高性能化を図ったカーボンナノチューブ−高分子複合材料としてのインクを用いて、厚さ20μmのプラスチックフィルム基板上にステンシル印刷法でカーボンナノチューブ−高分子複合材料のパターンを形成した後、乾燥焼成させてなるフレキシブルな熱電変換素子が提案されている。
In recent years, in order to recover heat that has not been used and was discarded, waste heat is converted into electrical energy and recovered using a thermoelectric conversion element that generates an electromotive force due to a temperature difference.
For example, Patent Document 1 discloses a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element in which the mechanical strength is improved while keeping the performance index of a Bi-Te-based thermoelectric material high, and the solidification or solidification of the Bi-Te-based thermoelectric conversion material During hot pressing, when cooling is applied with a uniaxial temperature gradient, the X-ray diffraction intensity ratio of the reflection of a specific surface measured on a plane perpendicular to the direction of the temperature gradient indicates a specific value, and the performance index is greatly improved. A thermoelectric conversion element with improved power generation efficiency has been proposed.
Further, for example, Patent Document 2 discloses a thermoelectric conversion material compatible with flexibility and high thermoelectric conversion ability, a thermoelectric conversion element using the material, an electronic device using the element, exhaust heat of an automobile, etc. As a device utilizing a carbon nanotube, carbon nanotube fine particles are dispersed on a film substrate, having flexibility, preferably composed of an organic material having a high glass transition temperature, and a low thermal conductivity, and an organic material There have been proposed a thermoelectric conversion element having a layer in which the mass ratio of carbon nanotubes to the material is 50 to 90 mass%, and an apparatus in which the thermoelectric conversion element is installed in the exhaust heat section of the device.
Further, for example, Non-Patent Document 1 discloses a thermoelectric conversion element having flexibility and high conversion efficiency, and controlling the fine structure in the carbon nanotube-polymer composite material through control of the drying and baking process etc. A pattern of carbon nanotube-polymer composite material is formed on a 20 μm-thick plastic film substrate by stencil printing using an ink as a carbon nanotube-polymer composite material, which is intended to be stabilized, and then dried and fired. Flexible thermoelectric conversion elements have been proposed.

特開2007−013000号公報JP 2007-013000 A

国際公開第2012/55333号公報International Publication No. 2012/55333

産総研プレスリリース「印刷して作る柔らかい熱電変換素子」、2011年9月30日、独立行政法人産業技術総合研究所ホームページ(http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2011/pr20110930/pr20110930.html)AIST press release "soft thermoelectric conversion element made by printing", September 30, 2011, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology website (http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2011/ pr20110930 / pr20110930.html)

しかしながら、特許文献1にかかる熱電変換素子は、BiTeなどのレアメタルを材料として用いており資源の供給の観点から不安があること、重金属を主成分とするため高環境負荷が懸念されること、及び、無機固体であるため成形性が乏しく且つ柔軟性も劣るため複雑な発熱体の表面や可動部分へ適切に実装させることができないことなどの問題があった。
また、特許文献2や非特許文献1にかかる熱電変換素子は、柔軟性は有するものの発電効率(ゼーベック係数)が低いという問題があった。
このため、発電効率が高く、高成型性で柔軟性を有し、資源量が多く、重金属のような高環境負荷材料ではない熱電変換材料及びそれを用いてなる熱電変換素子の開発が要望されている。
However, the thermoelectric conversion element according to Patent Document 1 uses a rare metal such as Bi 2 Te 3 as a material, and there is concern from the viewpoint of the supply of resources. In addition, there are problems such as that it can not be properly mounted on the surface or movable part of a complex heating element because it is an inorganic solid and has poor formability and poor flexibility.
Moreover, the thermoelectric conversion elements according to Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 have a problem that although they have flexibility, power generation efficiency (Seebeck coefficient) is low.
Therefore, there is a demand for development of a thermoelectric conversion material that has high power generation efficiency, high formability, flexibility, a large amount of resources, and is not a high environmental load material such as heavy metals, and a thermoelectric conversion element using the same. ing.

したがって、本発明の目的は、発電効率が高く、高成型性で柔軟性を有し、資源量が多く、重金属のような高環境負荷材料を用いない熱電変換材料及びそれを用いてなる熱電変換素子を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion material which has high power generation efficiency, high moldability, flexibility, a large amount of resources, and does not use a high environmental load material such as heavy metal, and thermoelectric conversion using the same. It is in providing an element.

本発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意検討した結果、熱電変換材料としてのカーボンナノチューブについて検討し、半導体型のカーボンナノチューブが起電力の高い熱電変換材料であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下の各発明を提供するものである。
1.金属型と半導体型の総和に対し半導体型を70%以上の純度で含有するカーボンナノチューブ混合物を含有してなる熱電変換材料。
2.上記カーボンナノチューブ混合物は、半導体型と金属型とが混合されたカーボンナノチューブ混合物を精製して半導体型の純度を70%以上とした半導体型リッチ混合物である1記載の熱電変換材料。
3.1記載の熱電変換材料からなる熱電変換部材を具備する熱電変換素子。
4.上記熱電変換部材と、
上記熱電変換材料とは熱電変換能の異なる第二の熱電変換材料からなる第二の熱電変換部材とを電気的に接触させて形成された3記載の熱電変換素子。
5.上記第二の熱電変換材料は、金属型と半導体型の総和に対し金属型を33%以上の純度で含有することを特徴とする4記載の熱電変換素子。
6.上記熱電変換部材は、上記半導体型リッチ混合物をポリマーと均一に混合して得られる半導体型リッチカーボンナノチューブコンポジットを用いて形成されている3記載の熱電変換素子。
7.3記載の熱電変換素子の製造方法であって、
熱電変換部材成型工程を具備し、
上記熱電変換部材成型工程が、
半導体型と金属型が混合された状態のカーボンナノチューブ混合物を精製して半導体型リッチ分散液を製造する工程を含み、
上記精製が、
カーボンナノチューブの分散処理を行い、カーボンナノチューブを孤立状態とする工程、該分散処理の後、孤立状態のカーボンナノチューブを超遠心分離法により分離処理し、沈殿物の除去を行う工程、及び超遠心分離の後、密度勾配超遠心分離法により再分離処理を行う工程
を含む
ことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors examined carbon nanotubes as a thermoelectric conversion material, and found that a semiconductor-type carbon nanotube is a thermoelectric conversion material having a high electromotive force, and the present invention It came to complete.
That is, the present invention provides the following inventions.
1. A thermoelectric conversion material comprising a carbon nanotube mixture containing a semiconductor type with a purity of 70% or more based on the sum of the metal type and the semiconductor type.
2. The thermoelectric conversion material according to 1, wherein the carbon nanotube mixture is a semiconductor type rich mixture in which the semiconductor type purity is 70% or more by purifying the carbon nanotube mixture in which the semiconductor type and the metal type are mixed.
The thermoelectric conversion element which comprises the thermoelectric conversion member which consists of a thermoelectric conversion material of 3.1.
4. The above-mentioned thermoelectric conversion member,
The thermoelectric conversion element according to 3, wherein the thermoelectric conversion material is formed by electrically contacting a second thermoelectric conversion member made of a second thermoelectric conversion material having different thermoelectric conversion capabilities.
5. 4. The thermoelectric conversion element according to 4, wherein the second thermoelectric conversion material contains a metal type with a purity of 33% or more based on the total of the metal type and the semiconductor type.
6. 3. The thermoelectric conversion element according to 3, wherein the thermoelectric conversion member is formed using a semiconductor-type rich carbon nanotube composite obtained by uniformly mixing the semiconductor-type rich mixture with a polymer.
It is a manufacturing method of a thermoelectric conversion element given in 7.3,
Equipped with a thermoelectric conversion member molding process,
The above-mentioned thermoelectric conversion member molding process
Purifying the carbon nanotube mixture in a state in which the semiconductor type and the metal type are mixed to produce a semiconductor type rich dispersion,
The above purification is
A process of dispersing carbon nanotubes to form carbon nanotubes in an isolated state, separating the separated carbon nanotubes by ultracentrifugation after the dispersion process, and removing precipitates, and ultracentrifugation A method of manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising the step of performing re-separation processing by density gradient ultracentrifugation after the step c).

本発明の熱電変換材料及び熱電変換素子は、発電効率が高く、高成型性で柔軟性を有し、資源量が多く、重金属のような高環境負荷材料を用いないものである。
また、本発明の熱電変換素子は、微細化プロセスを必要とせず、本発明の熱電変換材料を高分子などの媒質中に分散させ、それを塗布することにより、容易に熱電変換素子としての性能を発揮できる熱電変換素子である。
また、本発明の熱電変換素子は、p型あるいはn型の素子が得られるので、熱勾配による発電の仕方が異なる熱電変換素子を種々構成することが可能となる。
また、本発明の熱電変換素子は、現在有望視されているビスマス系の熱電変換素子に匹敵する高発電効率(ゼーベック係数)が得られる。
The thermoelectric conversion material and the thermoelectric conversion element of the present invention have high power generation efficiency, high moldability, flexibility, a large amount of resources, and do not use a high environmental load material such as heavy metal.
In addition, the thermoelectric conversion element of the present invention does not require a miniaturization process, and the performance of the thermoelectric conversion element of the present invention is easily dispersed by dispersing the thermoelectric conversion material in a medium such as a polymer and coating it. It is a thermoelectric conversion element that can
In addition, since the thermoelectric conversion element of the present invention can obtain a p-type or n-type element, various thermoelectric conversion elements having different power generation methods due to thermal gradient can be configured.
In addition, the thermoelectric conversion element of the present invention can obtain a high power generation efficiency (Seebeck coefficient) comparable to that of a bismuth-based thermoelectric conversion element considered to be promising at present.

図1は、本発明の熱電変換素子の一実施形態の例を示した図である。FIG. 1 is a view showing an example of an embodiment of the thermoelectric conversion element of the present invention. 図2は、本発明の熱電変換素子の他の実施形態の例を示した図である。FIG. 2 is a view showing an example of another embodiment of the thermoelectric conversion element of the present invention. 図3は、実施例1、比較例1及び2で得られた精製後のCNTの光吸収スペクトルである。FIG. 3 is a light absorption spectrum of the purified CNT obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. 図4は、実施例1及び2で得られた熱電変換素子、並びに、比較例1及び2で得られたCNTフィルムおける温度とゼーベック係数との関係を示す図である。FIG. 4 is a view showing the relationship between the temperature and the Seebeck coefficient in the thermoelectric conversion elements obtained in Examples 1 and 2 and in the CNT films obtained in Comparative Examples 1 and 2. 図5は、実施例1及び2で得られた熱電変換素子、比較例1及び2で得られたCNTフィルム、並びに文献に記載のCNT試料の300Kにおけるゼーベック係数を示す図である。FIG. 5 is a view showing the Seebeck coefficients at 300 K of the thermoelectric conversion elements obtained in Examples 1 and 2, the CNT films obtained in Comparative Examples 1 and 2, and the CNT sample described in the literature. 図6は、実施例4及び5で得られた半導体型リッチ混合物、金属型リッチ混合物、及び未分離CNTの光吸収スペクトルを示す図(チャート)である。FIG. 6 is a chart (chart) showing light absorption spectra of the semiconductor-type rich mixture, the metal-type rich mixture, and the unseparated CNT obtained in Examples 4 and 5. 図7は、実施例4で得られた本発明の熱電変換素子を示す平面図である。FIG. 7 is a plan view showing the thermoelectric conversion element of the present invention obtained in Example 4. 図8は、実施例4の測定時の様子を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the state at the time of measurement of the fourth embodiment. 図9は、実施例5の測定時の様子を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the state at the time of measurement of the fifth embodiment. 図10は、実施例6で得られた本発明の熱電変換素子を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing the thermoelectric conversion element of the present invention obtained in Example 6. 図11は、実施例6の測定時の様子を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the state at the time of measurement of the sixth embodiment.

1:熱電変換素子、10:熱電変換部材、10’:熱電変換ライン、20:金属ブロック、30:配線、31:銅線、40:CNTライン、50:接点、60:電極、70:柔軟性材料、100:テスター 1: Thermoelectric conversion element, 10: Thermoelectric conversion member, 10 ': thermoelectric conversion line, 20: metal block, 30: wiring, 31: copper wire, 40: CNT line, 50: contact point, 60: electrode, 70: flexibility Material, 100: Tester

以下、本発明をさらに詳細に説明する。 本発明の熱電変換素子は、特定の熱電変換材料からなる熱電変換部材を具備することを特徴とする。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The thermoelectric conversion element of the present invention is characterized by comprising a thermoelectric conversion member made of a specific thermoelectric conversion material.

<熱電変換素子>
本明細書において熱電変換素子とは熱を電力に変換する素子をいい、例えば、ゼーベック効果を利用して熱と電力とを変換する素子などをいう。
ここで、ゼーベック効果とは、物質の両端に温度差を設けた場合、その両端には温度差に応じた電圧が生じるという現象をいい、その熱起電力Vは下記式(I)で示され、ゼーベック係数が大きいほど起電力が高くなる。
V=S(T−T)・・・(I)
(式中、Vは電圧を表し、Sはゼーベック係数を示し、T及びTは両端の温度を意味する。)
<Thermoelectric conversion element>
In the present specification, a thermoelectric conversion element is an element that converts heat to electric power, and for example, an element that converts heat and electric power using the Seebeck effect.
Here, the Seebeck effect is a phenomenon in which when a temperature difference is provided at both ends of a substance, a voltage corresponding to the temperature difference is generated at both ends, and the thermoelectromotive force V is represented by the following formula (I) The larger the Seebeck coefficient, the higher the electromotive force.
V = S (T 2 −T 1 ) (I)
(Wherein, V represents a voltage, S represents a Seebeck coefficient, and T 1 and T 2 represent temperatures at both ends).

本発明の熱電変換素子は、後述する熱電変換材料を用いて形成された熱電変換部材を具備していれば、p型やn型などの電気特性が異なる複数種類の熱電変換部材を電気的に多数接続したものや、熱電変換部材と他の部材とを電気的に接続したもの、熱電変換部材のみからなるものなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな構成をとることができ、他の電気材料との接続のための電極などを備えてもよい。好ましい形態については図面を参照し後述する。   If the thermoelectric conversion element of the present invention comprises a thermoelectric conversion member formed using a thermoelectric conversion material described later, a plurality of types of thermoelectric conversion members such as p-type and n-type having different electric characteristics are electrically Various configurations can be adopted without departing from the scope of the present invention, such as those connected in large numbers, those electrically connected between the thermoelectric conversion member and other members, and those consisting only of the thermoelectric conversion member, etc. An electrode for connection with the electrical material of Preferred embodiments will be described later with reference to the drawings.

<熱電変換材料>
本発明の熱電変換材料は、金属型と半導体型の総和に対し半導体型を70%以上の純度で含有するカーボンナノチューブ混合物を含有してなるものである。
本明細書においてカーボンナノチューブ混合物とは、多数のカーボンナノチューブ(多数の金属型のカーボンナノチューブと多数の半導体型のカーボンナノチューブ等)が混合されたものをいう。
上記カーボンナノチューブ(以下、CNTと呼ぶこともある。)混合物の上記の特定の純度は金属型と半導体型の総和に対し半導体型が70%以上であり、好ましくは87%以上である。
70%以上の純度とすることにより、本発明の熱電変換材料により形成した熱電変換部材のゼーベック係数が大きくなり、本発明の熱電変換素子の発電効率が高くなる。一方、70%未満であると熱電変換素子の発電効率が低くなる。
ここで「%」とは、全CNT個数中の所定のCNTの個数を意味する。
<Thermoelectric conversion material>
The thermoelectric conversion material of the present invention comprises a carbon nanotube mixture containing the semiconductor type at a purity of 70% or more based on the total of the metal type and the semiconductor type.
In the present specification, a carbon nanotube mixture refers to a mixture of a large number of carbon nanotubes (a large number of metallic carbon nanotubes and a large number of semiconductive carbon nanotubes, etc.).
The specific purity of the mixture of carbon nanotubes (hereinafter sometimes referred to as CNT) is 70% or more, preferably 87% or more , of the semiconductor type with respect to the total of the metal type and the semiconductor type.
By setting the purity to 70% or more, the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion member formed of the thermoelectric conversion material of the present invention becomes large, and the power generation efficiency of the thermoelectric conversion element of the present invention becomes high. On the other hand, if it is less than 70%, the power generation efficiency of the thermoelectric conversion element is lowered.
Here, “%” means the number of predetermined CNTs in the total number of CNTs.

ここで、上記純度とはCNTの総分子数に対する所定のCNTの分子数の割合をいい、半導体型CNTの純度という場合は、CNTの総分子数に対する半導体型CNTの分子数の割合をいう。
上記純度は、例えば、単層カーボンナノチューブ(以下、SWCNTと呼ぶこともある。)の場合、光吸収スペクトル法(Nairら,”Estimation of the (n,m) Concentration Distribution of Single−Walled Carbon Nanotubes from Photoabsorption Spectra”, Analytical Chemistry, 2006,Vol.78, Issue.22, p7589−7596.)などの方法により測定することができる。
上記純度は、後述する精製法等により上記の特定の範囲内に調製することができる。
また、上記カーボンナノチューブ混合物は、半導体型と金属型とが混合されたカーボンナノチューブ混合物を精製して半導体型の純度を70%以上とした半導体型リッチ混合物であるのが更に好ましい。
製造方法などについては後述する。
Here, the purity refers to the ratio of the number of predetermined CNT molecules to the total number of CNTs, and the term "purity of semiconducting CNT" refers to the ratio of the number of semiconductor CNTs to the total number of CNT molecules.
For example, in the case of single-walled carbon nanotubes (hereinafter sometimes referred to as SWCNTs), the above-mentioned purity is determined by light absorption spectroscopy (Nair et al., “Estimation of the (n, m) Concentration Distribution of Single-Walled Carbon Nanotubes from It can measure by methods, such as Photoabsorbtion Spectra ", Analytical Chemistry, 2006, Vol. 78, Issue. 22, p7589-7596.).
The above-mentioned purity can be prepared within the above-mentioned specific range by the purification method described later and the like.
Further, it is more preferable that the carbon nanotube mixture is a semiconductor rich mixture in which the semiconductor nanotube purity is 70% or more by purifying the carbon nanotube mixture in which the semiconductor and metal substrates are mixed.
The manufacturing method and the like will be described later.

<カーボンナノチューブ(CNT)>
本明細書において用いられるCNTとしては、炭素によって作られる六員環ネットワーク(グラフェンシート)が単層あるいは多層の同軸管状になった物質であり、上記の半導体型の特定の純度を満たせば、単層、2層、多層のものが単独種で多数集合したもの、またはそれらの混合物を用いることができる。半導体型CNTは、半導体型であれば特に制限されずに用いることができ、具体的にはドーピング処理などにより作製したp型やn型の半導体型CNT、表面を化学修飾したCNT、CNTの円筒空洞内に原子や分子を内包したCNTなどが用いられる。
また、本発明で用いられるCNTの直径は、標準的には0.6〜5nmであるが、この範囲に限定されるものではない。
また、本発明で用いられるCNTの長さは、標準的には200〜20000nmであるが、この範囲に限定されるものではない。
<Carbon nanotube (CNT)>
The CNT used in the present specification is a substance in which a six-membered ring network (graphene sheet) made of carbon is a single layer or a multilayer coaxial tube, and if it satisfies the specific purity of the above-mentioned semiconductor type, Layers, two layers, and multiple layers may be used singly or in combination of many, or mixtures thereof. The semiconducting CNT can be used without particular limitation as long as it is semiconducting, and specifically, p-type or n-type semiconducting CNT prepared by doping treatment, CNT having a chemically modified surface, and a cylinder of CNT The CNT etc. which included the atom and molecule | numerator in the cavity are used.
In addition, the diameter of the CNT used in the present invention is typically 0.6 to 5 nm, but is not limited to this range.
In addition, the length of CNT used in the present invention is typically 200 to 20000 nm, but is not limited to this range.

(半導体型CNT)
本発明で用いられる半導体型CNTは、電気的に半導体の性質をもつCNTであれば特に制限なく用いることができる。
一般的に単層CNTは、その構造が(n,m)と言う2つの整数の組からなるカイラル指数により一義的に定義される。半導体型CNTは上記カイラル指数がn−m=3の倍数でないものをいい、後述する金属型CNTはn−m=(3の倍数)であるものをいう。2層や多層のカーボンナノチューブは、複数の単層CNTからなり、その組み合わせにより、電気的に半導体の性質をもつ場合があり、このようなCNTを半導体型CNTと定義される。
上記、半導体型を70%以上の純度で含有するCNTとしては、半導体型と金属型とが混合されたCNT混合物を精製して半導体型の純度を70%以上としたもの、製造過程での作り分けにより半導体型の純度70%以上としたものなどを挙げることができ、市販品で半導体型リッチとされたCNT混合物を用いることもできる。
(Semiconductor-type CNT)
The semiconducting CNT used in the present invention can be used without particular limitation as long as it is an electrically semiconducting CNT.
In general, single-walled CNT is uniquely defined by a chiral index consisting of a set of two integers whose structure is (n, m). The semiconducting CNT refers to one in which the chiral index is not a multiple of n−m = 3, and the metallic CNT described later refers to one in which n−m = (a multiple of 3). A two-layered or multi-layered carbon nanotube is composed of a plurality of single-walled CNTs, and depending on the combination thereof, it may have an electrically semiconducting property, and such a CNT is defined as a semiconducting CNT.
As the CNT containing the semiconductor type at a purity of 70% or more, a CNT mixture in which the semiconductor type and the metal type are mixed is refined to make the semiconductor type have a purity of 70% or more, The thing which made the purity of semiconductor type 70% or more etc. can be mentioned by division, etc. can also be used and the CNT mixture made into semiconductor type rich with a commercial item can also be used.

CNT混合物を精製して本発明で用いられる上記純度のCNTを得る場合に用いられる上記CNT混合物としては、例えば、CNTの製造により得られる反応生成物の混合物であって、半導体型と金属型が混合された状態のCNT混合物などが挙げられ、水や有機溶媒などの溶媒や各種の塩、界面活性剤などの他の構成成分を含んでもよい。
そして、本発明において用いられる上記熱電変換部材は、上記CNT混合物を精製して得られる半導体型リッチ混合物、換言すると、半導体型と金属型とが混合されたCNT混合物を精製して半導体型の純度を70%以上とした半導体型リッチ混合物を用いて形成されてなるのが好ましい。
精製により、金属型CNT以外の不純物なども除去することができるため、より性能の高い熱電変換部材及び熱電変換素子を作製することができる。
本発明で用いられる上記半導体型リッチ混合物は、上記のものであれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、水や有機溶媒などの溶媒や塩、界面活性剤などの他の構成成分を含んでもよい。
The CNT mixture used when purifying a CNT mixture to obtain CNTs of the above purity used in the present invention is, for example, a mixture of reaction products obtained by the production of CNTs, and the semiconductor type and the metal type are Examples thereof include CNT mixtures in a mixed state, and may contain solvents such as water and organic solvents, various salts, and other components such as surfactants.
The thermoelectric conversion member used in the present invention is a semiconductor-type rich mixture obtained by purifying the CNT mixture, in other words, the purity of the semiconductor-type by purifying a CNT mixture in which a semiconductor-type and a metal-type are mixed. Preferably, it is formed using a semiconductor-type rich mixture of 70% or more.
By the purification, impurities other than metal type CNTs can also be removed, so that a thermoelectric conversion member and a thermoelectric conversion element with higher performance can be manufactured.
The above-mentioned semiconductor-type rich mixture used in the present invention, as long as it is the above-mentioned one, includes solvents such as water and organic solvents, salts, and other constituents such as surfactants within the scope of the present invention. May be.

(精製)
上記の精製としては、密度勾配超遠心(DGU)法(K.Yanagiら、Applied Physics Express, 2008, Vol.1, No3, 034003など)、アガロースゲルを用いた処理(電気泳動による分離、アガロースゲルを充填したカラムによる分離など)、NO 処理、H2処理、アミン抽出処理、イオンクロマトグラフィー処理、樹脂への吸着を利用した処理などが挙げられ、半導体型を濃縮できるのであればいかなる方法を用いても良い。
精製の一例として、上記密度勾配超遠心(DGU)法(K.Yanagiら、Applied Physics Express, 2008, Vol.1, No3, 034003)を説明する。
まず、最初にCNTの分散処理を行う。
CNTの分散処理は、製造により得られる半導体型と金属型が混合された状態のCNT混合物溶液などをデオキシコール酸ナトリウム、ドデシル酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、などの界面活性剤の水溶液中で超音波を照射するなどにより行う。
溶液とする際に用いられる溶剤としては、水が好ましく挙げられ、有機溶媒を含んでいてもよい。
上記界面活性剤としては、デオキシコール酸ナトリウム、ドデシル硫酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、などを挙げることができる。
上記界面活性剤溶液中の界面活性剤濃度は1.8〜2.2質量%とするのが好ましく、界面活性剤溶液の使用量は、CNT混合物1質量部に対して800〜1200質量部とするのが好ましい。
超音波処理は、該CNT分散液の入ったガラス容器をバス型超音波洗浄機で約30分分散させ、均一なCNT分散液を得たのち、約16℃の冷水に浸した状態で、チップ式超音波ホモジナイザー(装置名:Digital Sonifier 250DA、BRANSON社製)を該CNT分散液中に挿入し、超音波を照射してさらなる分散処理を行い、CNTを孤立性の高い分散状態する。超音波ホモジナイザーの超音波出力は0.25〜0.3W/cm、超音波処理時間は4〜8時間とするのが好ましい。
これにより、製造後に凝集していたCNTが孤立状態のCNTになる。
分散処理の後、上記の孤立状態のCNTを超遠心分離法により分離処理し、沈殿物の除去を行う。
超遠心分離法において、スウィング型ローターを使用し、遠心分離処理の遠心加速度は95,000〜230,000g、回転数は36,000rpmとするのが好ましい。また、処理時間は、30〜60分とするのが好ましい。
これにより、半導体型CNTを濃縮することができ、また、CNT以外の不純物カーボンやCNT製造時に使用された触媒金属、分散時に使用した超音波ホモジナイザーの先端チップ片、孤立分散しなかった束状CNTなども取り除くこともできるため、得られる熱電変換材料を用いて形成される熱電変換素子の発電効率が高くなる。
超遠心分離の後、密度勾配超遠心分離法により再分離処理を行う。これにより、半導体型CNTの割合が高いCNTを分離することができる。
密度勾配超遠心分離法は、上記分離処理により得られた、沈殿物を除去したCNTが孤立状態の溶液を、ドデシル硫酸ナトリウムやコール酸ナトリウムなどの界面活性剤を2.2〜2.4質量%の濃度で溶解してなる水溶液にイオデキサノールなどの密度勾配剤を該水溶液100質量部に対して24〜32質量部添加してなる溶液をそれぞれ異なる濃度で5種類調整し、これらの5種類の溶液を密度勾配ができるように密度が大きい溶液から順番に所定の容器に投入し、各濃度の溶液が重層されるようにして、密度勾配溶液を調整し、これを超遠心分離することにより行う。
密度勾配超遠心分離において、バーティカル型ローターを使用し、遠心分離処理の遠心加速度は170,000〜240,000gとするのが好ましい。また、処理時間は、6〜9時間とするのが好ましい。
密度勾配超遠心分離では、CNTの金属型と半導体型の割合により密度が異なるので、密度勾配溶液によりCNTの金属型と半導体型の割合が異なったCNTを分離することができる。
(Refining)
As the above purification, density gradient ultracentrifugation (DGU) (K. Yanagi et al., Applied Physics Express, 2008, Vol. 1, No. 3, 034003, etc.), agarose gel treatment (electrophoretic separation, agarose gel) Separation with a column packed with water, etc.), NO 2 + treatment, H 2 O 2 treatment, amine extraction treatment, ion chromatography treatment, treatment using adsorption to resin, etc., and if the semiconductor type can be concentrated Any method may be used.
As an example of purification, the above-mentioned density gradient ultracentrifugation (DGU) method (K. Yanagi et al., Applied Physics Express, 2008, Vol. 1, No. 3, 034003) will be described.
First, CNT dispersion processing is performed.
Dispersion treatment of CNTs is performed by ultrasonication of an aqueous solution of a surfactant such as sodium deoxycholate, sodium dodecylate, sodium cholate, etc., in a mixed solution of CNTs in a mixed state of semiconductor type and metal type obtained by manufacture. Irradiation, etc.
As a solvent used when setting it as a solution, water is mentioned preferably, and it may contain the organic solvent.
Examples of the surfactant include sodium deoxycholate, sodium dodecyl sulfate, sodium cholate and the like.
The surfactant concentration in the surfactant solution is preferably 1.8 to 2.2% by mass, and the amount of the surfactant solution used is 800 to 1200 parts by mass with respect to 1 part by mass of the CNT mixture. It is preferable to do.
In ultrasonication, a glass container containing the CNT dispersion is dispersed for about 30 minutes with a bath-type ultrasonic cleaner to obtain a uniform CNT dispersion and then the chip is immersed in cold water at about 16 ° C. An ultrasonic homogenizer (apparatus name: Digital Sonifier 250 DA, manufactured by BRANSON Co., Ltd.) is inserted into the CNT dispersion, and ultrasonic waves are applied for further dispersion treatment to disperse CNTs in a highly dispersed state. The ultrasonic output of the ultrasonic homogenizer is preferably 0.25 to 0.3 W / cm 3 , and the ultrasonic treatment time is preferably 4 to 8 hours.
As a result, the CNTs aggregated after production become CNTs in an isolated state.
After the dispersion treatment, the above isolated CNTs are separated by ultracentrifugation to remove precipitates.
In the ultracentrifugation method, it is preferable to use a swing type rotor, and the centrifugal acceleration in the centrifugation process is 95,000 to 230,000 g and the rotation speed is 36,000 rpm. Moreover, it is preferable to make processing time into 30 to 60 minutes.
As a result, semiconducting CNTs can be concentrated, and impurity carbons other than CNTs, catalytic metals used at the time of CNT production, tip pieces of ultrasonic homogenizers used at the time of dispersion, bundle-like CNTs not isolated and dispersed And the like can also be removed, so that the power generation efficiency of the thermoelectric conversion element formed using the resulting thermoelectric conversion material is increased.
After ultracentrifugation, re-separation is performed by density gradient ultracentrifugation. Thereby, CNTs having a high proportion of semiconducting CNTs can be separated.
The density gradient ultracentrifugation method uses a solution in which CNTs in isolated state from which precipitates have been removed obtained by the separation process is 2.2 to 2.4 mass of surfactant such as sodium dodecyl sulfate or sodium cholate. The solution obtained by adding a density gradient agent such as iodexanol in an amount of 24 to 32 parts by mass to 100 parts by mass of the aqueous solution is adjusted to five types at different concentrations. The solutions are placed in order from the solution with the highest density so that the density gradient can be obtained, and the solution of each concentration is overlaid to prepare the density gradient solution, which is performed by ultracentrifugation. .
In density gradient ultracentrifugation, it is preferable to use a vertical type rotor, and the centrifugal acceleration of the centrifugation process is 170,000 to 240,000 g. Moreover, it is preferable to make processing time into 6 to 9 hours.
In density gradient ultracentrifugation, the density is different depending on the ratio of the metal type and the semiconductor type of CNT, and therefore, it is possible to separate CNT having different ratio of the metal type and the semiconductor type of CNT by the density gradient solution.

また、上記熱電変換部材としては、上記半導体型リッチ混合物をポリマー溶液に分散して得られる半導体型リッチ分散液を用いてシート化して形成されたものでもよい。
これにより、柔軟性があり、成形性に優れ、任意の形状の熱電変換素子を作製することが可能となる。
The thermoelectric conversion member may be formed into a sheet using a semiconductor rich dispersion obtained by dispersing the semiconductor rich mixture in a polymer solution.
Thereby, it is possible to manufacture a thermoelectric conversion element having flexibility, excellent moldability, and an arbitrary shape.

<ポリマー>
本発明においては、熱電変換部材を、上記半導体型リッチ混合物をポリマー溶液に分散して得られる半導体型リッチ分散液を用いて形成することができる。
この際用いることができるポリマーは、絶縁性を有するポリマーであれば特に制限はなく、例えば、カルボキシメチルセルロース、ポリスチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルアルコールなどが挙げられ、カルボキシメチルセルロースが好ましく挙げられる。
これにより、塗布して乾燥することでシート化させることができ、任意の形状の上記熱電変換部材を極めて簡易に作製することができる。
上記ポリマーを用いる場合の上記ポリマーとCNTとの配合割合は、ポリマーとCNTの100質量部に対してCNT20〜80質量部とするのがシートの成形性と熱電変換効率との両立の観点から好ましい。
<Polymer>
In the present invention, the thermoelectric conversion member can be formed using a semiconductor rich dispersion obtained by dispersing the above-mentioned semiconductor rich mixture in a polymer solution.
The polymer that can be used at this time is not particularly limited as long as it is an insulating polymer, and includes, for example, carboxymethylcellulose, polystyrene, polyvinylcarbazole, polyvinyl alcohol and the like, with preference given to carboxymethylcellulose.
Thereby, it can be made to be a sheet by apply | coating and drying, and the said thermoelectric conversion member of arbitrary shapes can be produced very easily.
The blending ratio of the polymer and the CNT in the case of using the polymer is preferably 20 to 80 parts by mass of CNT per 100 parts by mass of the polymer and CNT from the viewpoint of coexistence of the sheet formability and the thermoelectric conversion efficiency. .

上記半導体型リッチ分散液に用いられる上記溶媒としては、ポリマーを溶解させうる溶媒であれば特に限定されないが、たとえば、水やトルエン等を用いることができる。溶媒の使用量は作成するシートの厚さや用途に応じて任意である。   The solvent used for the semiconductor-type rich dispersion is not particularly limited as long as it is a solvent capable of dissolving a polymer, and, for example, water, toluene or the like can be used. The amount of solvent used is optional depending on the thickness of the sheet to be produced and the application.

ポリマー溶液への上記分散の方法としては、超音波処理、撹拌などの方法が挙げられる。
これにより、CNTが均一に分散し安定した性能の熱電変換部材およびそれを用いた熱電変換素子を作成することができる。
上述のCNTが分散されたポリマー溶液には本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、界面活性剤、酸素、窒素、水などの他の成分を含んでもよい。
As the method of the said dispersion | distribution to a polymer solution, methods, such as ultrasonication and stirring, are mentioned.
As a result, it is possible to produce a thermoelectric conversion member having uniform performance and stable dispersion of CNTs and a thermoelectric conversion element using the same.
The polymer solution in which the above-mentioned CNTs are dispersed may contain other components such as surfactant, oxygen, nitrogen, water and the like within the scope of the present invention.

<熱電変換部材>
本発明の熱電変換素子は、上記熱電変換材料からなる熱電変換部材を具備する。
本発明で用いられる熱電変換部材は、上記熱電変換材料を用いて形成されていれば、特に制限されず、たとえば上記CNTで作製したいわゆるバッキーペーパー(図1の形態参照)、ポリマーをバインダーとして用いてなるCNTとポリマーとからなるシート(後述する半導体型リッチ分散液を用いて形成されてなるシート)、ポリマー以外の低分子材料をバインダーとして用いてなるCNTと低分子材料からなるシートやテープ、線状部材、柔軟性を有し絶縁性を有する樹脂や紙などの材料にCNTを種々形状にて固定化したシートやテープ、線状部材(図2の形態参照)、などが挙げられる。
上記熱電変換部材の形成方法は、特に制限されず、例えば、公知のCNTからバッキーペーパーを形成する方法や、バインダーとして用いられるポリマーにCNTを分散させた分散液を用いてシートを形成する方法、樹脂や紙や低分子材料などにCNTを分散させ圧着して固定化する方法などを用いて形成することができ、上記半導体型リッチ混合物をポリマーと均一に混合して得られる半導体型リッチカーボンナノチューブコンポジットを用いて形成されているのが好ましい。
上記熱電変換部材における上記CNTの含有量は、CNTのみでシートを形成した場合には、上記熱電変換部材100質量部中CNT(総CNT量)95〜100質量部となる。100質量部でない場合は多少の不純物や分散剤が残留している場合であるが、この程度の量残留していても熱発電効果に影響はない。
上記熱電変換部材の厚さは、特に制限されないが、10〜500μmが好ましい。
また、上記熱電変換部材の大きさは、用途に応じて任意であり、その使用形態も特に制限されず、用途に応じて任意であるが、四角形状、円形状、線状、曲線状、などの任意の形状を用いることができる。また、シートを重ねてなる柱状CNTブロックを用いることもできる。
<Thermoelectric conversion member>
The thermoelectric conversion element of the present invention comprises a thermoelectric conversion member made of the above-mentioned thermoelectric conversion material.
The thermoelectric conversion member used in the present invention is not particularly limited as long as it is formed using the above-mentioned thermoelectric conversion material, for example, so-called bucky paper (see the embodiment of FIG. 1) made of the above CNT A sheet of CNT and a polymer (a sheet formed using a semiconductor-type rich dispersion described later), a sheet or a tape of CNT and a low-molecular material using a low-molecular material other than the polymer as a binder, A linear member, a sheet, a tape, a linear member (see the embodiment in FIG. 2), etc., in which CNTs are fixed in various shapes to materials such as flexible and insulating resin or paper, etc. may be mentioned.
The method of forming the thermoelectric conversion member is not particularly limited. For example, a method of forming buckypaper from known CNTs, a method of forming a sheet using a dispersion of CNTs dispersed in a polymer used as a binder, A semiconductor rich carbon nanotube which can be formed by dispersing CNTs in resin, paper, low molecular weight material, etc. and press-adhering it for immobilization, etc., and obtained by uniformly mixing the above-mentioned semiconductor rich mixture with a polymer Preferably, they are formed using a composite.
The content of the CNTs in the thermoelectric conversion member is 95 to 100 parts by mass of CNT (total CNT amount) in 100 parts by mass of the thermoelectric conversion member when the sheet is formed only of the CNTs. When the amount is not 100 parts by mass, some impurities and dispersant remain, but even if this amount remains, the thermal power generation effect is not affected.
Although the thickness in particular of the said thermoelectric conversion member is not restrict | limited, 10-500 micrometers is preferable.
Moreover, the size of the above-mentioned thermoelectric conversion member is arbitrary according to the use, and the form of use thereof is not particularly limited and is arbitrary according to the use, but it may be rectangular, circular, linear, curvilinear, etc. Any shape of can be used. Also, columnar CNT blocks formed by stacking sheets can be used.

<熱電変換素子>
本発明の熱電変換素子は、上述の熱電変換部材のみからなるものでもよいし、他の構成要素を含んでなるものでもよい。
好ましい態様を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の熱電変換素子の一実施形態の例を示した図である。
本実施形態の熱電変換素子1は、いわゆる半導体型CNT95%のCNT混合物からなるバッキーペーパーである熱電変換部材10が3枚重ねられて構成されている。3枚の熱電変換部材10は互いに密着し、2つの金属ブロック20により挟持されている。2つの金属ブロック20を異なる温度を与えると、その温度差により熱電変換部材10から電力が生じる。生じた電力は、金属ブロック20と接続される配線30を介して利用することができる。
<Thermoelectric conversion element>
The thermoelectric conversion element of the present invention may be composed only of the above-mentioned thermoelectric conversion member, or may be composed of other components.
Preferred embodiments are described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view showing an example of an embodiment of the thermoelectric conversion element of the present invention.
The thermoelectric conversion element 1 of the present embodiment is configured by stacking three thermoelectric conversion members 10 which are bucky papers made of a so-called CNT mixture of 95% of semiconductor type CNTs. The three thermoelectric conversion members 10 are in close contact with each other and are held by two metal blocks 20. When the two metal blocks 20 are given different temperatures, the temperature difference generates electric power from the thermoelectric conversion member 10. The generated power can be utilized through the wiring 30 connected to the metal block 20.

図2は、本発明の熱電変換素子の他の実施形態の例を示した図である。
本実施形態の熱電変換素子1’は、紙などの柔軟性材料70の表面に、ポリマーをバインダーとして用いてなる半導体型リッチ分散液を用いて熱電変換ラインを形成してなる例であり、半導体型CNT95%のCNT混合物とポリマーとからなる熱電変換ライン10’と、半導体型67%金属型33%のCNT混合物とポリマーとからなるCNTライン40とを固定化し、10個の熱電変換ライン10’と10個のCNTライン40とが接点50を介し接続されたものである。また、ライン10‘とライン40とが連結されてなるラインの末端に電極60を具備する。
すなわち、この実施形態の熱電変換素子1’は、本発明の熱電変換材料からなる熱電変換部材と、上記熱電変換材料とは熱電変換能の異なる第二の熱電変換材料(CNTライン40)とからなる第二の熱電変換部材とを電気的に接触させて形成されたものである。
第二の熱電変換材料としては、種々のものを用いることができるが、好ましくは本実施形態のように、金属型と半導体型の総和に対し金属型を33%以上の純度で含有するCNT混合物が用いられる。
このように熱電変換ライン10’と異なる電気特性をもつ第二の熱電変換部材としてのCNTライン40とを接続することで、素子の幅や厚みを大きくすることなく熱電変換により生じる電力を大きくすることができる。
すなわち、一つの熱電変換ライン10’では例えば0.1mVの起電力であっても、この熱電変換ライン10’が10個連結されているので、結果的に1.0mVの電圧を得ることができる。これは仮に同じ並べ方で熱電変換ライン10‘をジグザグに連結すると斜めに連結された方ではマイナスの起電力が生じて結局得られる電力がなくなるところ、本実施形態のように熱起電力がほぼないCNTライン40を介して連結することで電力の損失をほとんどなくすことができ、結果大きな電力を得ることができる。
図中に矢印で示す柔軟性材料70の短軸方向に対して電極と反対側の接点に温度を与えると、熱電変換ライン10’の2つの末端に温度差が生じ熱電変換ライン10’から電力が生じる。生じる電力は、電極60と接続される配線30を介して利用することができる。
図7は、本発明の熱電変換素子の他の実施形態の例を示した図である。
図7に示す本発明の熱電変換素子1’’は、柔軟性材料としての紙70の表面に、半導体型95%のCNT混合物とポリマーとからなる熱電変換ライン10’と、金属型95%のCNT混合物とポリマーとからなるCNTライン40とを固定化し、6個の熱電変換部材10’と6個のCNTライン40とが接点50を介し接続されたものである。また、その末端に電極60を具備する。この点以外は上述した図2に示す実施形態と同じであり、図2に示す実施形態と同じように大きな起電力を少ない面積で得ることができる。
図10は、本発明の熱電変換素子の他の実施形態の例を示した図である。
図10に示す本発明の熱電変換素子1’’’は、半導体型95%のCNT混合物とポリマーとからなる熱電変換ライン10’を固定化し、6個の熱電変換ライン10’が銅線31を介し接続されたものである。また、その末端に電極60を具備し、柔軟性材料70はポリエチレンテレフタラート製の基板を用いている。この点以外は図2に示す実施形態と同じであり、図2に示す実施形態と同様に大きな起電力を少ない面積で得ることができる。
FIG. 2 is a view showing an example of another embodiment of the thermoelectric conversion element of the present invention.
The thermoelectric conversion element 1 ′ of the present embodiment is an example in which a thermoelectric conversion line is formed on the surface of a flexible material 70 such as paper using a semiconductor-type rich dispersion liquid using a polymer as a binder. A thermoelectric conversion line 10 'consisting of a CNT mixture of 95% type CNT and a polymer, and a CNT line 40 consisting of a CNT mixture of 33% of a semiconductor type 67% metal type and a polymer are immobilized, 10 thermoelectric conversion lines 10'. And ten CNT lines 40 are connected via contact points 50. In addition, an electrode 60 is provided at the end of the line formed by connecting the line 10 'and the line 40.
That is, the thermoelectric conversion element 1 'of this embodiment includes the thermoelectric conversion member made of the thermoelectric conversion material of the present invention, and the second thermoelectric conversion material (CNT line 40) having a thermoelectric conversion ability different from that of the thermoelectric conversion material. The second thermoelectric conversion member is formed in electrical contact with the second thermoelectric conversion member.
Although various things can be used as a 2nd thermoelectric conversion material, Preferably it is a CNT mixture which contains a metal type with a purity of 33% or more with respect to the sum total of a metal type and a semiconductor type like this embodiment. Is used.
By thus connecting the thermoelectric conversion line 10 'and the CNT line 40 as a second thermoelectric conversion member having different electrical characteristics, the power generated by the thermoelectric conversion can be increased without increasing the width or thickness of the element. be able to.
That is, even if the electromotive force is, for example, 0.1 mV in one thermoelectric conversion line 10 ′, ten thermoelectric conversion lines 10 ′ are connected, and as a result, a voltage of 1.0 mV can be obtained. . In this case, if the thermoelectric conversion lines 10 'are connected in a zigzag manner in the same way, a negative electromotive force will be generated in the diagonally connected one and eventually the electric power obtained will disappear, so there is almost no thermoelectromotive force as in this embodiment. By connecting via the CNT line 40, power loss can be almost eliminated, and as a result, large power can be obtained.
When a temperature is applied to the contact point opposite to the electrode with respect to the minor axis direction of the flexible material 70 indicated by an arrow in the figure, a temperature difference occurs at the two ends of the thermoelectric conversion line 10 ' Will occur. The generated power can be utilized through the wiring 30 connected to the electrode 60.
FIG. 7 is a view showing an example of another embodiment of the thermoelectric conversion element of the present invention.
The thermoelectric conversion element 1 ′ ′ of the present invention shown in FIG. 7 has a thermoelectric conversion line 10 ′ consisting of a 95% mixture of semiconductor-type CNTs and a polymer, and a metal-type 95% on the surface of a paper 70 as a flexible material. A CNT line 40 composed of a CNT mixture and a polymer is fixed, and six thermoelectric conversion members 10 ′ and six CNT lines 40 are connected via contact points 50. Also, an electrode 60 is provided at its end. Except this point, it is the same as the embodiment shown in FIG. 2 described above, and as in the embodiment shown in FIG. 2, a large electromotive force can be obtained with a small area.
FIG. 10 is a view showing an example of another embodiment of the thermoelectric conversion element of the present invention.
In the thermoelectric conversion element 1 ′ ′ of the present invention shown in FIG. 10, a thermoelectric conversion line 10 ′ consisting of a 95% semiconductive-type CNT mixture and a polymer is immobilized, and six thermoelectric conversion lines 10 ′ are copper wires 31. It is connected via. Further, an electrode 60 is provided at the end, and the flexible material 70 uses a substrate made of polyethylene terephthalate. Except for this point, the embodiment is the same as the embodiment shown in FIG. 2 and, like the embodiment shown in FIG. 2, a large electromotive force can be obtained with a small area.

<製造方法>
本発明の熱電変換素子の製造方法を説明する。
本発明の熱電変換素子は、上記熱電変換部材から形成され、上記熱電変換部材は上記熱電変換材料としての半導体型CNTの純度を70%以上とした半導体型CNTをシート化するなどして製造することができる。
上記熱電変換部材の形成方法は、特に限定されず、例えば、CNTからバッキーペーパーを形成する方法、ポリマーにCNTを分散させてシートを形成する方法、絶縁性を有する樹脂や紙などの材料にCNTを固定化してシート化する方法などを用いることができる。
上記CNTからバッキーペーパーを形成する方法は、公知の方法を用いることができ、詳細については実施例に記載する。
上記分散は、上記ポリマーに上記熱電変換材料としての上記半導体型リッチ混合物を混合した後、超音波照射などにより行うことができる。
上記分散後、上記ポリマーと上記半導体型リッチ混合物との混合物をシート化することで、熱電変換部材を得ることができる。
上記シート化の方法は、特に制限なく、公知のポリマーをシート化する方法を用いることができ、例えば、カルボキシメチルセルロースを用いた場合、上記分散後の混合液を塗布し乾燥することでシート化を行うことができる。
また、上記熱電変換部材の厚さ、大きさ、形状は、特に制限されず、用途に応じて適宜選択することができ、シート化前に成形を行うことなどにより任意の形状のものを得ることができる。
このようにして得られた上記熱電変換部材は、本発明の熱電変換素子として使用することができるが、異なる電気特性をもつ熱電変換部材や他の材料との接続や、必要に応じて電極などを形成してもよい。
<Manufacturing method>
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element of this invention is demonstrated.
The thermoelectric conversion element of the present invention is formed from the above-mentioned thermoelectric conversion member, and the above-mentioned thermoelectric conversion member is produced by sheeting semiconductive CNTs having a purity of 70% or more of semiconducting CNT as the above thermoelectric conversion material. be able to.
The method of forming the thermoelectric conversion member is not particularly limited. For example, a method of forming a bucky paper from CNTs, a method of dispersing CNTs in a polymer to form a sheet, and materials such as insulating resin and paper A method of immobilizing and forming a sheet can be used.
The method of forming bucky paper from said CNT can use a well-known method, and it describes it in the Example for details.
The above-mentioned dispersion can be performed by ultrasonic irradiation etc., after mixing the above-mentioned polymer with the above-mentioned semiconductor type rich mixture as the above-mentioned thermoelectric conversion material.
The thermoelectric conversion member can be obtained by sheeting the mixture of the polymer and the semiconductor-type rich mixture after the dispersion.
The method of forming the sheet is not particularly limited, and any known method of forming a sheet can be used. For example, when carboxymethyl cellulose is used, the sheet is formed by applying and drying the mixed liquid after the dispersion. It can be carried out.
Further, the thickness, size and shape of the thermoelectric conversion member are not particularly limited and can be appropriately selected according to the application, and it is possible to obtain an arbitrary shape by performing molding before sheeting or the like. Can.
The thermoelectric conversion member obtained in this manner can be used as the thermoelectric conversion element of the present invention, but connection with thermoelectric conversion members having different electric characteristics or other materials, electrodes as required, etc. May be formed.

以下、本発明の製造方法を説明する。
本発明の製造方法は、熱電変換素子の製造方法であって、熱電変換部材成型工程を行うことにより実施できる。
また、本発明においては、上記熱電変換部材成型工程の前に、CNT製造工程を行ってもよく、また、上記熱電変換部材成型工程の後に得られた熱電変換部材を用いて常法に準じて熱電変換素子を製造する素子製造工程を行う。
そして、本発明においては、「上記熱電変換部材成型工程として、半導体型と金属型が混合された状態のCNT混合物を精製して半導体型リッチ分散液を製造する工程を行い、上記精製が、CNTの前述の分散処理を行い、CNTを孤立状態とする工程、該分散処理の後、孤立状態のカーボンナノチューブを超遠心分離法により前述の分離処理し、沈殿物の除去を行う工程、及び超遠心分離の後、密度勾配超遠心分離法により前述の再分離処理を行う工程を行う。
ここで、上記の半導体型と金属型が混合された状態のCNT混合物を精製して半導体型リッチ分散液を製造する工程は、上述の精製の一例で密度勾配超遠心(DGU)法に記載した各処理を行う工程である。
これにより、上述したようにCNT混合物中の不純物を少なくすることができ発電効率が高い熱電変換素子を製造することができる。また、CNT混合物における半導体型の割合を高くすることができ、より発電効率が高い熱電変換素子を製造することができる。
上記半導体リッチ分散液を製造する工程の終了後、上述した熱電変換部材の形成方法に従って熱電変換部材を成型する熱電変換部材製造工程を行い、上記素子製造工程を行うことにより、本発明の熱電変換素子を得ることができる。
Hereafter, the manufacturing method of this invention is demonstrated.
The manufacturing method of this invention is a manufacturing method of a thermoelectric conversion element, Comprising: It can implement by performing a thermoelectric conversion member shaping | molding process.
In the present invention, the CNT production process may be carried out before the above-mentioned thermoelectric conversion member molding process, and the thermoelectric conversion member obtained after the above-mentioned thermoelectric conversion member molding process is used according to a conventional method. An element manufacturing process for manufacturing a thermoelectric conversion element is performed.
Then, in the present invention, “The step of purifying the CNT mixture in a state in which the semiconductor type and the metal type are mixed as the above-mentioned thermoelectric conversion member molding step is carried out to produce a semiconductor type rich dispersion liquid. The step of separating the CNTs into the isolated state, the step of separating the isolated carbon nanotubes by the ultracentrifugation after the dispersion treatment, and removing the precipitate, and the ultracentrifugation After separation, the above-mentioned reseparation process is performed by density gradient ultracentrifugation.
Here, the step of purifying the CNT mixture in a state in which the above-mentioned semiconductor type and metal type are mixed to produce a semiconductor-type rich dispersion is described in the density gradient ultracentrifugation (DGU) method as an example of the above-mentioned purification. It is a process of performing each process.
Thereby, as described above, the impurities in the CNT mixture can be reduced, and a thermoelectric conversion element having high power generation efficiency can be manufactured. Moreover, the ratio of the semiconductor type in the CNT mixture can be increased, and a thermoelectric conversion element with higher power generation efficiency can be manufactured.
After completion of the step of producing the semiconductor rich dispersion, the thermoelectric conversion member production step of molding the thermoelectric conversion member is performed according to the above-described method of forming the thermoelectric conversion member, and the element production step is carried out. An element can be obtained.

<使用方法>
本発明の熱電変換素子は、発熱する機器や部材又は熱を帯びる屋根や壁等種々の場所において適用することができる。そして、一面とその反対側の面との間の温度差を利用することで自動車や機器の廃熱部などに添付することなどで設置することができ、本発明の熱電変換素子を蓄電池や他の電子機器と接続することで本発明の熱電変換素子により得られた電気を、蓄電することができ、また、直接使用することができる。
<How to use>
The thermoelectric conversion element of the present invention can be applied to various places such as heat generating devices and members, or roofs and walls that carry heat. Then, by utilizing the temperature difference between one surface and the opposite surface, the thermoelectric conversion element of the present invention can be installed by attaching it to a waste heat part of a car or a device, etc. The electricity obtained by the thermoelectric conversion element of the present invention can be stored by connecting with the electronic device of the present invention, and can be used directly.

以下、本発明について実施例及び比較例を示してさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに何ら制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be more specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.

〔実施例1〕熱電変換素子(熱電変換部材(半導体型95%))の作製とゼーベック係数の測定
(熱電変換材料の作製)
(半導体型リッチ分散液の製造工程)
CNT原料としてのSWCNTの凝集体(商品名:SO、名城ナノカーボン社製、半導体型:金属型=67:33、製造方法:アーク放電法)25mgを、2質量%濃度のデオキシコール酸ナトリウム(DOC)水溶液25mLで満たしたガラス容器に入れ、200Wのバス型超音波洗浄機で約1時間分散させ、均一なCNT分散液を得た。
該CNT分散液の入ったガラス容器を16℃の冷水に浸した状態で、チップ式超音波ホモジナイザー(装置名:Digital Sonifier 250DA、BRANSON社製)を該CNT分散液中に挿入し、出力20%(8W)の超音波を8時間照射してさらなる分散処理を行い、CNTを孤立性の高い分散状態にした(CNTを孤立状態とする工程)。
分散処理後、不純物を沈降させ除去するために、以下の条件で超遠心分離法により分離処理を行った(沈殿物の除去を行う工程)。
条件:
装置名:装置名:himac CP100WX,HITACHI社製
回転数:36,000rpm(平均16万×g)
温度:22℃
時間:1時間
加減:ACCEL=9
減速:DECEL=9
ローター:スウィングロータ
超遠心分離後、孤立SWCNTの成分の多い上澄み部分を中心に分離液の80%を採取し不要な下部20%部分を除去し、沈殿物を除去したCNTが孤立状態の溶液を得た。
得られた沈殿物を除去したCNTが孤立状態の溶液を密度勾配超遠心(DGU)法(K.Yanagiら、Applied Physics Express, 2008, Vol.1, No3, 034003)により処理した。
密度勾配剤としての濃度が24〜32質量%の間にある5種類のイオデキサノール(IO)水溶液に、界面活性剤として最終濃度が2.2〜2.4質量%になるようにドデシル硫酸ナトリウム(SDS)水溶液を添加した溶液(密度勾配:24〜32質量%(IO))を調整し、該溶液を濃度の高い4種類については各7mL,もっとも薄いものについては6mL遠心管に加え、その上部に上記沈殿物を除去したCNTが孤立状態の溶液6mLを重層し、以下の条件にて密度勾配超遠心を行った(再分離処理を行う工程)。
条件:
遠心機:装置名:himac CP100WX,HITACHI社製
回転数:50,000rpm(平均21万×g)
温度:22℃
時間:9時間
加減:ACCEL=3
減速:DECEL=1
ローター:バーティカルロータ
密度勾配超遠心の終了後、遠心管を取り出し、その上部より約2mm間隔で密度勾配超遠心処理後の溶液を取り分けた。
密度勾配超遠心処理後の溶液は、取り出す位置により、半導体型CNTと金属型CNTの割合が異なるCNTを含有する。
よって、取り出す位置により半導体型CNTを多く含むCNTと、金属型CNTを多く含むCNTと、その中間濃度のCNTとに分離した。
以上の作業を必要量のCNTが得られるまで3回(各回に8本の遠心管をセット)繰り返して行い、本発明の熱電変換材料としての半導体型リッチ混合物(半導体型CNT純度95%)約200mLを得た。
金属型CNTと半導体型CNTの割合の評価は、半導体型リッチ混合物の光吸収スペクトルを紫外可視近赤外分光光度計(装置名:UV−3600、島津製作所社製)により測定し、光吸収スペクトルの面積を解析することで評価した。得られた光吸収スペクトルを図3に示す。
[Example 1] Preparation of thermoelectric conversion element (thermoelectric conversion member (semiconductor type 95%)) and measurement of Seebeck coefficient (production of thermoelectric conversion material)
(Production process of semiconductor type rich dispersion)
An aggregate of SWCNT as a CNT raw material (trade name: SO, manufactured by Meijo Nano Carbon Co., Ltd., semiconductor type: metal type = 67: 33, manufacturing method: arc discharge method) 25 mg, sodium deoxycholate (2 mass% concentration) DOC) The solution was placed in a glass container filled with 25 mL of an aqueous solution, and dispersed by a 200 W bath ultrasonic cleaner for about 1 hour to obtain a uniform CNT dispersion.
A chip type ultrasonic homogenizer (apparatus name: Digital Sonifier 250DA, manufactured by BRANSON) is inserted into the CNT dispersion while the glass container containing the CNT dispersion is immersed in cold water at 16 ° C., and the output 20% Further dispersion treatment was carried out by irradiating ultrasonic waves of (8 W) for 8 hours to make CNTs in a highly isolated dispersed state (step of making CNTs in isolated state).
After dispersion treatment, in order to precipitate and remove impurities, separation treatment was performed by ultracentrifugation under the following conditions (step of removing precipitates).
conditions:
Device name: Device name: himac CP100WX, manufactured by HITACHI Revolution speed: 36,000 rpm (average 160,000 × g)
Temperature: 22 ° C
Time: 1 hour change: ACCEL = 9
Deceleration: DECEL = 9
Rotor: Swing rotor After ultracentrifugation, collect 80% of the separated solution centering on the supernatant part with many isolated SWCNT components, remove unnecessary lower 20% part, remove the precipitate-removed solution of CNT in isolated state Obtained.
The solution in the isolated state from which the obtained precipitate was removed was processed by the density gradient ultracentrifugation (DGU) method (K. Yanagi et al., Applied Physics Express, 2008, Vol. 1, No. 3, 034003).
Sodium dodecyl sulfate (final concentration of 2.2 to 2.4 mass% as a surfactant) in five types of aqueous iodexanol (IO) solution having a concentration of 24 to 32 mass% as a density gradient agent. Adjust the solution (density gradient: 24 to 32% by mass (IO)) to which the aqueous solution is added, and add the solution to 7 mL each for 4 types of high concentration and 6 mL for the thinnest one, and the upper part On the other hand, 6 mL of the solution in which the CNTs from which the precipitates had been removed were in an isolated state was overlaid, and density gradient ultracentrifugation was performed under the following conditions (step of performing re-separation treatment).
conditions:
Centrifuge: Device name: himac CP100WX, manufactured by HITACHI Rotation speed: 50,000 rpm (average: 210,000 × g)
Temperature: 22 ° C
Time: 9 hours Moderate: ACCEL = 3
Deceleration: DECEL = 1
Rotor: Vertical Rotor After completion of density gradient ultracentrifugation, the centrifuge tube was taken out, and the solution after density gradient ultracentrifugation was separated at intervals of about 2 mm from the top.
The solution after density gradient ultracentrifugation contains CNTs in which the proportions of semiconducting CNT and metallic CNT differ depending on the removal position.
Therefore, it separated into CNT containing many semiconducting CNTs according to the position to take out, CNT containing many metallic CNTs, and CNT having an intermediate concentration.
The above operation is repeated three times (8 centrifugal tubes are set at each time) until the required amount of CNT is obtained, and a semiconductor-type rich mixture (semiconductor-type CNT purity 95%) as a thermoelectric conversion material of the present invention is about 200 mL was obtained.
The ratio of metallic CNT and semiconducting CNT is evaluated by measuring the light absorption spectrum of the semiconducting rich mixture with a UV-visible near-infrared spectrophotometer (device name: UV-3600, manufactured by Shimadzu Corporation), and a light absorption spectrum. It evaluated by analyzing the area of. The obtained light absorption spectrum is shown in FIG.

(熱電変換素子の作成)
ついで以下の方法で熱電変換部材を作製した。
得られた熱電変換材料としての半導体型リッチ混合物50mLにメタノールを50mL加え、CNTをバンドル化させてバンドル溶液を得た。
次にCNTを凝縮するステップとして、上記バンドル溶液を、減圧濾過し、メンブランフィルター(商品名:オムニポアメンブレンフィルターJGWP、メルクミリポア社製)上にCNTを凝縮させ凝集液を得た。
その後、CNTを洗浄するステップとして、この凝集液にお湯50mLを注ぎ、減圧濾過し、CNT凝集体に含まれる界面活性剤やIOを洗い流した。
そして最終に、CNTを分散するステップとして、洗浄後にメンブランフィルター上にシート状に凝縮されたCNTをメンブランフィルターより剥がし、メタノール30mLを入れたガラス瓶に入れ、そのガラス瓶を出力200Wのバス型超音波洗浄機に入れて超音波を30分間照射する事により、CNTをメタノールに分散させて再度分散液を得た。
この分散液を用い上記CNTを凝縮するステップからCNTを分散するステップまでの工程をさらに3回繰り返した。この3回のプロセスにおける超音波処理時間は10分とした。
次に、この3回のステップを行い得られた分散液を再度上述の凝縮するステップと同様にして凝縮し、このメンブランフィルター上に凝縮したCNTを得、得られたCNTをトルエンにより洗浄し、次いで上述のCNTを分散するステップと同様にしてトルエン中にCNTを分散した。このトルエンによる分散と凝縮ステップとを、お湯を使うことなく2回繰り返して凝縮されたCNTを得た。
次に、メンブランフィルター上に凝縮したCNTをメタノールで洗浄した後、メンブランフィルターより剥がし、上記の凝縮ステップと同様にしてメタノールに分散した。以上の処理では超音波照射時間を10分とした。最後に、このメタノール溶液中のCNTをメンブランフィルター上に凝縮した。
凝縮されたCNTをメンブランフィルターより剥がして回収し、本発明の熱電変換素子としての直径1cmの円盤状で厚さが120μmのCNTフィルム(バッキーペーパー)からなる熱電変換部材を得た。得られた熱電変換部材は室温で真空乾燥を行い乾燥させた。
得られた熱電変換部材を図1に示す構成で用い本発明の熱電変換素子を作製した。
(Creating a thermoelectric conversion element)
Subsequently, a thermoelectric conversion member was produced by the following method.
50 mL of methanol was added to 50 mL of the semiconductor-type rich mixture as a thermoelectric conversion material obtained, and CNT was bundled to obtain a bundle solution.
Next, as a step of condensing the CNTs, the bundle solution was subjected to vacuum filtration, and the CNTs were condensed on a membrane filter (trade name: Omnipore membrane filter JGWP, manufactured by Merck Millipore) to obtain an aggregation liquid.
Thereafter, as a step of washing the CNTs, 50 mL of hot water was poured into this flocculation solution, followed by filtration under reduced pressure to wash out the surfactant and IO contained in the CNT agglomerates.
Finally, as a step of dispersing the CNTs, after washing, the sheet-condensed CNTs are peeled off from the membrane filter, put in a glass bottle containing 30 mL of methanol, and the glass bottle is subjected to ultrasonic cleaning with 200 W output. The CNTs were dispersed in methanol by irradiation with ultrasonic waves for 30 minutes, and a dispersion was obtained again.
The steps from the step of condensing the CNTs to the step of dispersing the CNTs using this dispersion were repeated three more times. The sonication time in these three processes was 10 minutes.
Next, the dispersion obtained by performing the three steps is condensed again in the same manner as the above-mentioned condensing step to obtain the condensed CNT on the membrane filter, and the obtained CNT is washed with toluene, Then, CNTs were dispersed in toluene in the same manner as in the step of dispersing CNTs described above. The toluene dispersion and condensation steps were repeated twice without hot water to obtain condensed CNTs.
Next, the CNTs condensed on the membrane filter were washed with methanol, peeled off from the membrane filter, and dispersed in methanol in the same manner as the above condensation step. The ultrasonic irradiation time was 10 minutes in the above processing. Finally, the CNTs in this methanol solution were condensed on a membrane filter.
The condensed CNTs were peeled off from the membrane filter and recovered to obtain a thermoelectric conversion member made of a disk-shaped 1 cm diameter disc having a thickness of 120 μm (bucky paper) as a thermoelectric conversion element of the present invention. The obtained thermoelectric conversion member was dried by vacuum drying at room temperature.
The thermoelectric conversion element of the present invention was produced using the obtained thermoelectric conversion member in the configuration shown in FIG.

(熱電変換素子のゼーベック係数測定)
熱電変換部材(熱電変換素子)の面方向のゼーベック係数を、汎用物性評価装置(装置名:Physical Property Measurement System(PPMS)、Quantum Design社製)のThermal Transport Optionを用い、以下の条件で測定した。
条件:
試料サイズ:8mm×3mm
測定方法:4端子法
電極間ギャップ:2mm
電極間に与える温度差:5K以下
得られた結果を図4(各温度におけるゼーベック係数)、及び図5(300Kにおけるゼーベック係数)に示す。
(Seebeck coefficient measurement of thermoelectric conversion element)
The Seebeck coefficient of the surface direction of the thermoelectric conversion member (thermoelectric conversion element) was measured using the Thermal Transport Option of a general-purpose physical property evaluation system (apparatus name: Physical Property Measurement System (PPMS), manufactured by Quantum Design) under the following conditions. .
conditions:
Sample size: 8 mm × 3 mm
Measurement method: 4 terminal method gap between electrodes: 2 mm
Temperature difference given between electrodes: 5 K or less The obtained results are shown in FIG. 4 (Seebeck coefficient at each temperature) and FIG. 5 (Seebeck coefficient at 300 K).

〔実施例2〕熱電変換材料及び熱電変換部材(半導体型87%)の作製とゼーベック係数の測定
精製して得られる半導体型リッチ分散液における半導体型の割合を87%に変えた以外は、実施例1と同様にして、本発明の熱電変換材料及びCNTフィルムからなる熱電変換部材を得た。
次いで、室温(300K)において、上記熱電変換部材に1K程度の温度差をつけることにより生ずる熱起電力を、配線を介して接続したナノボルトメーター(装置名:2182型ナノボルトメーター、Keithley社製)で測定し、ゼーベック係数を得た。得られた結果を図4及び図5に示す。
Example 2 Preparation of Thermoelectric Conversion Material and Thermoelectric Conversion Member (Semiconductor Type 87%) and Measurement of Seebeck Coefficient Except that the ratio of the semiconductor type in the semiconductor type rich dispersion obtained by purification was changed to 87% In the same manner as in Example 1, a thermoelectric conversion member comprising the thermoelectric conversion material of the present invention and a CNT film was obtained.
Next, at room temperature (300 K), a nanovoltmeter (apparatus name: Model 2182 nanovoltmeter, manufactured by Keithley) connected via a wire the thermoelectromotive force generated by giving a temperature difference of about 1 K to the thermoelectric conversion member The Seebeck coefficient was obtained by The obtained result is shown in FIG. 4 and FIG.

〔比較例1〕CNTフィルム(金属型)の作製とゼーベック係数の測定
用いるCNTを金属型リッチのCNT(半導体型5%以下)に変えた以外は、実施例1と同様にして、CNTフィルムを得、そのゼーベック係数を測定した。用いたCNTの光吸収スペクトルデータを測定し、得られた結果を図3(光吸収スペクトルデータ)に示す。また、実施例1と同様にゼーベック係数を測定した。その結果を図4及び図5に示す。
Comparative Example 1 Preparation of CNT Film (Metal Type) and Measurement of Seebeck Coefficient A CNT film was prepared in the same manner as Example 1, except that the CNT used was changed to a metal type rich CNT (semiconductor type 5% or less). The Seebeck coefficient was obtained. The light absorption spectrum data of the used CNT was measured, and the obtained result is shown in FIG. 3 (light absorption spectrum data). Also, the Seebeck coefficient was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. 4 and FIG.

〔比較例2〕CNTフィルム(半導体型44%)の作製とゼーベック係数の測定
CNTの精製において精製したCNTを半導体型44%に変えた以外は、実施例1と同様にして、CNTフィルムを得、そのゼーベック係数を測定した。用いたCNTの光吸収スペクトルデータを測定し、得られた結果を図3(光吸収スペクトルデータ)に示す。また、実施例1と同様にゼーベック係数を測定した。その結果を図4及び図5に示す。
Comparative Example 2 Preparation of CNT Film (Semiconductor Type 44%) and Measurement of Seebeck Coefficient A CNT film was obtained in the same manner as Example 1, except that the purified CNT was changed to semiconductor type 44% in the purification of CNT. , Its Seebeck coefficient was measured. The light absorption spectrum data of the used CNT was measured, and the obtained result is shown in FIG. 3 (light absorption spectrum data). Also, the Seebeck coefficient was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. 4 and FIG.

〔実施例3〕熱電変換素子(半導体型87%)の厚さ方向での熱電変換
本発明の熱電変換素子としての熱電変換部材は柔軟性があるため、自動車のマフラーなどの発熱体の表面に張り付けて、廃熱を利用した熱電変換素子として利用できると考えられる。そこで、実際そのように配置できる熱電変換素子を形成した。
実施例2で得られた熱電変換部材(半導体型87%)を3枚重ねた後、2つの金属ブロックで挟持し、図1に示す熱電変換素子を得た。
得られた熱電変換素子の熱電変換による起電力を評価するため、一方の金属ブロックをヒーターで加熱して2つの金属ブロック間に1K程度の温度差をつけることにより金属ブロック間に生ずる熱起電力を、配線を介して接続したナノボルトメーター(装置名:2182型ナノボルトメーター、Keithley社製)を用いて測定し、ゼーベック係数を算出した。
その結果、ゼーベック係数は100μV/Kであった。
なお、金属ブロックとしてはゼーベック係数が小さいステンレスを用い、測定は室温(300K)近傍で行った。
[Example 3] Thermoelectric conversion in the thickness direction of the thermoelectric conversion element (semiconductor type 87%) The thermoelectric conversion member as the thermoelectric conversion element of the present invention is flexible, so it is formed on the surface of a heating element such as a muffler of an automobile. It is thought that it can be stuck and can be used as a thermoelectric conversion element using waste heat. Therefore, a thermoelectric conversion element that can be arranged as such is actually formed.
After three thermoelectric conversion members (87% of semiconductor type) obtained in Example 2 were stacked, they were sandwiched between two metal blocks to obtain a thermoelectric conversion element shown in FIG.
In order to evaluate the electromotive force by thermoelectric conversion of the obtained thermoelectric conversion element, the thermoelectromotive force generated between the metal blocks by heating one metal block with a heater and giving a temperature difference of about 1 K between the two metal blocks Was measured using a nanovoltmeter (apparatus name: Model 2182 nanovoltmeter, manufactured by Keithley) connected via a wire to calculate the Seebeck coefficient.
As a result, the Seebeck coefficient was 100 μV / K.
In addition, as a metal block, stainless steel with a small Seebeck coefficient was used, and the measurement was performed at room temperature (300 K) vicinity.

〔実施例4〕半導体型リッチ分散液を用いた熱電変換素子の作製と熱発電
(半導体型リッチおよび金属型リッチ混合物の分散液の調整)
100mgのHiPco(登録商標)(ナノインテグリス社、未精製カーボンナノチューブ、直径1.0±0.3nm)に、1質量%ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)水溶液(100mL)を加え、良く懸濁させてCNT懸濁液を得た。得られた懸濁液をチップ型超音波破砕機(ソニファイアー、ブランソン社製、チップ先端径:0.5インチ)を用いて、冷水中で冷却しながら、出力30%で3時間超音波処理し分散液を得た。得られた分散液を、超遠心分離処理(210,000×g、1時間)した後、分離液の80%に該当する上清を回収し、回収した上清液をCNT分散液とした。
[Example 4] Preparation of thermoelectric conversion element using semiconductor type rich dispersion liquid and thermal power generation (Preparation of dispersion liquid of semiconductor type rich and metal type rich mixture)
To 100 mg of HiPco (registered trademark) (Nano Integris, unrefined carbon nanotube, diameter 1.0 ± 0.3 nm), add 1% by mass sodium dodecyl sulfate (SDS) aqueous solution (100 mL) and suspend well. A suspension was obtained. The obtained suspension is sonicated at a power of 30% for 3 hours while cooling in cold water using a tip-type ultrasonic crusher (Sonifera, manufactured by Branson, tip diameter: 0.5 inch) And a dispersion was obtained. The obtained dispersion was subjected to ultracentrifugation (210,000 × g, 1 hour), and then the supernatant corresponding to 80% of the separated liquid was collected, and the collected supernatant was used as a CNT dispersion.

(分離容器の調製と分離)
ゲルビーズ(GEヘルスケア社、商品名「セファクリルS−200」)を水に懸濁させた懸濁液を容量50mLのプラスチック製の容器に充填し、CNTの分離容器を作製した(充填後のゲルビーズの容量は約20mLであった)。
上記分離容器を1質量%SDS水溶液で平衡化し、ここに2mLの上記CNT分散液を添加した後、1質量%SDS水溶液を40mL添加し、未吸着画分を回収し、金属型リッチ混合物の分散液(第二の熱電変換材料)を得た。
次に、1質量%デオキシコール酸ナトリウム(DOC)水溶液を分離容器内に40mL投入して溶出してくるCNTを回収し、本発明の熱電変換材料としての半導体型リッチ混合物の分散液を得た。
得られた半導体型リッチCNT、金属型リッチCNT、分離前のCNTそれぞれの分散液の光吸収スペクトルを実施例1と同様にして測定した。
その結果を図6に示す。
図中、「細線」、「灰色太線」及び「黒色太線」は、それぞれ、分離前のCNT、金属型リッチ混合物、半導体型リッチ混合物の分散液の各スペクトルを示す。
分離前のCNTの分散液におけるスペクトルの半導体型リッチ混合物の吸収(S22)と金属型リッチ混合物の吸収(M11)の比率に比べ、金属型リッチ混合物では金属型リッチ混合物の吸収(M11)の割合が半導体型リッチ混合物の吸収(S22)に比べて顕著に増えており、一方、半導体型リッチ混合物ではM11に比べS22の割合が顕著に増加しており、半導体型CNTが濃縮されて濃度が高くなっていることが確認できた。
S22およびM11の吸収スペクトルの強度比から金属型リッチ混合物の分散液の金属型CNTの含有率は95%、半導体型リッチ混合物の分散液の半導体型CNTの含有率は95%と見積もられた。
(Preparation and separation of separation container)
A suspension of gel beads (GE Healthcare, trade name "Sephacryl S-200") suspended in water was filled in a plastic container with a volume of 50 mL to prepare a CNT separation container (gel beads after filling) Volume was about 20 mL).
The separation vessel is equilibrated with a 1% by mass aqueous SDS solution, and 2 mL of the above CNT dispersion is added thereto, and then 40 mL of a 1% by mass aqueous SDS solution is added, the non-adsorbed fraction is recovered, and the metal type rich mixture is dispersed A liquid (second thermoelectric conversion material) was obtained.
Next, 40 mL of a 1% by mass aqueous solution of sodium deoxycholate (DOC) was introduced into the separation vessel and CNTs eluted were recovered to obtain a dispersion liquid of the semiconductor rich mixture as the thermoelectric conversion material of the present invention. .
The light absorption spectra of the dispersion liquid of each of the obtained semiconductor-type rich CNT, metal-type rich CNT, and CNT before separation were measured in the same manner as in Example 1.
The results are shown in FIG.
In the figure, "thin line", "grey thick line" and "black thick line" respectively show the respective spectra of dispersion liquid of CNT, metal-type rich mixture, and semiconductor-type rich mixture before separation.
The ratio of the absorption of the metallic rich mixture (M11) in the metallic rich mixture as compared to the ratio of the absorption (S22) of the semiconducting rich mixture in the spectrum in the dispersion of CNTs before separation (S22) to the absorption of the metallic rich mixture (M11) Is significantly increased as compared to the absorption of the semiconducting rich mixture (S22), while the ratio of S22 is significantly increased in the semiconducting rich mixture compared to M11, and the semiconducting CNT is concentrated and the concentration is high. It has been confirmed that it has become.
From the intensity ratio of absorption spectra of S22 and M11, the content of metallic CNT in the dispersion of metallic rich mixture was estimated to be 95%, and the content of semiconducting CNT in the dispersion of semiconductive rich mixture was 95%. .

(熱電変換素子の作製)
上記精製により得られた正味量10mgのCNTを含む金属型リッチCNTの分散液(半導体型:金属型=0.5:9.5)を濾過し、SDS水溶液を取り除いた後、濃度0.2質量%のカルボキシメチルセルロース(CMC:シグマアルドリッチ製)水溶液10mLに混合し、ポリトロン(ポリトロン社製)による攪拌をすることで均一に分散させ、金属型リッチ分散液を作製した。
次に正味量10mgのCNTを含むHiPco(登録商標)(ナノインテグリス社、未精製カーボンナノチューブ)を精製して得られた半導体型リッチCNTの分散液(半導体型:金属型=9.5:0.5)を濾過し、DOC水溶液を取り除いた後、濃度0.2質量%のCMC水溶液10mLに混合し、ポリトロンによる攪拌をすることで均一に分散させ、半導体型リッチ分散液を作製した。
(Fabrication of thermoelectric conversion element)
A dispersion of metal-type rich CNT (semiconductor type: metal type = 0.5: 9.5) containing 10 mg net amount of CNT obtained by the above purification is filtered to remove the aqueous SDS solution, and the concentration is 0.2 The mixture was mixed with 10 mL of a mass% aqueous solution of carboxymethylcellulose (CMC: Sigma-Aldrich), and uniformly dispersed by stirring with Polytron (manufactured by Polytron) to prepare a metal-type rich dispersion.
Next, a dispersion of a semiconducting rich CNT obtained by purifying HiPco (registered trademark) (Nano Integris, unrefined carbon nanotube) containing a net amount of 10 mg of CNT (a semiconducting type: metallic type = 9.5: 0) .5) was filtered to remove the DOC aqueous solution, and then mixed with 10 mL of a 0.2% by mass aqueous CMC solution and uniformly dispersed by stirring with a polytron to prepare a semiconductor-type rich dispersion.

(半導体型リッチ分散液を用いて形成した半導体型リッチCNTポリマーコンポジットからなるラインと金属型リッチCNTポリマーコンポジットからなるラインとの接合により形成された熱電変換素子の製造)
紙の上に上記半導体型リッチ分散液と上記金属型リッチ分散液とを6回交互に塗って、乾燥させることで、半導体型リッチCNTポリマーコンポジットからなるライン(線状の熱電変換部材)と金属型リッチCNTポリマーコンポジットからなるライン(線状の第二の熱電変換部材)とをそれぞれ交互に接合して、図7に示す本発明の熱電変換素子1’’を得た。
(起電力の測定)
作製した本発明の熱電変換素子の末端の電極にテスターを接続し、起電力の測定を行った。
図7に示す本発明の熱電変換素子1’’の下方の接点(図中、矢印で示した部分)を手のひらで温めると全体で室温が24℃において1.2mV、14℃において2.2mVの起電力が発生した。
測定時の様子を図8に示す。
なお、体温が36℃程度であるので、温度差は室温が24℃において約12℃、14℃において約22℃である。
(Production of a thermoelectric conversion element formed by joining a line formed of a semiconductor-type rich CNT polymer composite formed using a semiconductor-type rich dispersion liquid and a line formed of a metal-type rich CNT polymer composite)
The above-mentioned semiconductor-type rich dispersion and the above-mentioned metal-type rich dispersion are alternately applied six times on paper and dried, thereby forming a line (linear thermoelectric conversion member) and metal composed of a semiconductor-type rich CNT polymer composite The lines (linear second thermoelectric conversion members) made of the mold-rich CNT polymer composite were alternately joined to obtain thermoelectric conversion elements 1 ′ ′ of the present invention shown in FIG.
(Measurement of electromotive force)
A tester was connected to the terminal electrode of the produced thermoelectric conversion element of the present invention, and the electromotive force was measured.
When the lower contact (portion indicated by the arrow in the figure) of the thermoelectric conversion element 1 ′ ′ of the present invention shown in FIG. 7 is warmed with a palm, the room temperature is 1.2 mV at room temperature 24 ° C. and 2.2 mV at 14 ° C. An electromotive force has occurred.
The state at the time of measurement is shown in FIG.
In addition, since the body temperature is about 36 ° C., the temperature difference is about 22 ° C. at 14 ° C. and about 12 ° C. at 24 ° C., respectively.

〔実施例5〕(半導体型リッチCNTポリマーコンポジットからなるラインと未分離CNTポリマーコンポジットからなるラインとの接合による熱電変換素子)
eDIPS法で作製された未分離CNT(日機装製社、直径1.8nm、半導体型:金属型=6.7:3.3)を用い実施例4と同様にして未分離CNTをポリマーに均一に分散させ未分離CNT分散液を調整した。紙の上に実施例4と同様にして得られた半導体型リッチCNT分散液と上記未分離CNT分散液とを交互に塗って、乾燥させることで、半導体型リッチCNTポリマーコンポジットからなるライン(線状の熱電変換部材)と未分離CNTポリマーコンポジット(線状の第二の熱電変換材部材)からなるラインとをそれぞれ交互に接合して、紙の上に熱電変換ラインが形成された、図2に示す本発明の熱電変換素子1’を得た。
(起電力の測定)
図2に示す本発明の熱電変換素子1’の下方の接点(図中、矢印で示した部分)を手のひらで温めると全体で室温が24℃において1.5mV、14℃において2.6mVの起電力が発生した。
測定時の様子を図9に示す。
[Example 5] (Thermoelectric conversion element by the junction of a line composed of a semiconductor-type rich CNT polymer composite and a line composed of an unseparated CNT polymer composite)
In the same manner as in Example 4 using undivided CNTs (Nikkiso Co., Ltd., diameter 1.8 nm, semiconductor type: metal type = 6.7: 3.3) prepared by the eDIPS method, the unseparated CNTs are uniformly converted into a polymer It disperse | distributed and prepared the unseparated CNT dispersion liquid. A line (a line made of a semiconductor-type rich CNT polymer composite is obtained by alternately coating the non-separated CNT dispersion liquid with the semiconductor-type rich CNT dispersion liquid obtained in the same manner as in Example 4 on paper and drying. -Like thermoelectric conversion members) and lines composed of unseparated CNT polymer composites (linear second thermoelectric conversion material members) are alternately joined to form thermoelectric conversion lines on paper, as shown in FIG. The thermoelectric conversion element 1 'of the present invention shown in FIG.
(Measurement of electromotive force)
When the lower contact (portion indicated by the arrow in the figure) of the thermoelectric conversion element 1 'of the present invention shown in FIG. 2 is warmed with a palm, a total room temperature of 1.5mV at 24 ° C and 2.6mV at 14 ° C Power has been generated.
The state at the time of measurement is shown in FIG.

〔実施例6〕
(半導体型リッチCNTポリマーコンポジットからなるラインと銅線との接合による熱電変換素子)
実施例4と同様にして調整した上記半導体型リッチ分散液を、ポリエチレンテレフタレート製の基板の全面に塗り乾燥させた後、不要な部分を除去することでストライプ状の熱電変換ライン(線状の熱電変換部材)を形成した。その熱電変換ラインのストライプ間を導電性ペースト(藤倉化成株式会社、商品名「ドータイトD−362」)を使って銅線(第二の熱電変換部材)でつなぎ、上記基板の上に熱電変換ラインが形成された図10に示す本発明の熱電変換素子1’’’を得た。
(起電力の測定)
図10に示す本発明の熱電変換素子1’’’の下方の接点(図中、矢印で示した部分)を手のひらで温めると全体で室温が24℃において1.9mV,14℃において3.0mVの起電力が発生した。
測定時の様子を図11に示す。
[Example 6]
(Thermoelectric conversion element by the junction of the line consisting of semiconductor type rich CNT polymer composite and copper wire)
The above-mentioned semiconductor type rich dispersion prepared in the same manner as in Example 4 is coated on the entire surface of a substrate made of polyethylene terephthalate and dried, and then unnecessary portions are removed to form a stripe-shaped thermoelectric conversion line (linear thermoelectric conversion line (Conversion member) was formed. Between the stripes of the thermoelectric conversion line are connected by a copper wire (second thermoelectric conversion member) using a conductive paste (Fujikura Kasei Co., Ltd., trade name "Dotite D-362"), and the thermoelectric conversion line is placed on the substrate The thermoelectric conversion element 1 ′ ′ ′ of the present invention shown in FIG. 10 is obtained.
(Measurement of electromotive force)
When the lower contact (portion indicated by the arrow in the figure) of the thermoelectric conversion element 1 ′ ′ ′ of the present invention shown in FIG. 10 is warmed with a palm, the room temperature is 1.9 mV at 24 ° C. and 3.0 mV at 14 ° C. EMF occurred.
The state at the time of measurement is shown in FIG.

以下、結果を考察する。
図3は、実施例1、比較例1及び2で得られた精製後のCNTの光吸収スペクトルを示す。
なお、図中のスペクトルは、見やすいように上下にシフトして記載している。
半導体型CNT、金属型CNTは、光吸収スペクトルが明確に異なり、半導体型CNTと金属型CNTとの混合物における光吸収スペクトルは半導体型CNTと金属型CNTとが混合したスペクトルであることがわかる。
また、実施例1で用いた半導体型リッチ混合物(半導体型:95%)は、半導体型の純度が高いことがわかる。
The results are discussed below.
FIG. 3 shows the light absorption spectra of the purified CNTs obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
Note that the spectra in the figure are shown shifted up and down for easy viewing.
The light absorption spectrum of the semiconducting CNT and the metallic CNT is distinctly different, and it is understood that the light absorption spectrum of the mixture of the semiconducting CNT and the metallic CNT is a spectrum in which the semiconducting CNT and the metallic CNT are mixed.
Further, it can be seen that the semiconductor-type rich mixture (semiconductor type: 95%) used in Example 1 has high purity of the semiconductor type.

図4には、実施例1及び2で得られた熱電変換素子、並びに、比較例1及び2で得られたCNTシートおける温度とゼーベック係数との関係を示す。
ゼーベック係数は、半導体型の割合が増えるに従い、増大することが分かる。
本発明の熱電変換素子で用いた80%以上が半導体型の半導体型リッチCNTでは、BiTe系のゼーベック係数に匹敵する巨大ゼーベック係数を示すことが分かる。
FIG. 4 shows the relationship between the temperature and the Seebeck coefficient in the thermoelectric conversion elements obtained in Examples 1 and 2 and in the CNT sheet obtained in Comparative Examples 1 and 2.
The Seebeck coefficient is found to increase as the proportion of semiconductor types increases.
In the semiconductor-type rich CNT of 80% or more used in the thermoelectric conversion element of the present invention, it can be seen that a giant Seebeck coefficient comparable to that of the BiTe system is exhibited.

図5には、実施例1及び2で得られた熱電変換素子、比較例1及び2で得られたCNTシートの、温度300Kにおけるゼーベック係数と半導体型CNTの割合との関係を示す。さらに、文献値(半導体型67%の半導体型リッチCNT、文献名:J.Honeら、Physical Review Letters、1998年、80号、1042〜1045ページ、におけるFig2に示されている値)を併せて図5に示す。
なお、図中の破線は、上記実施例1及び2、比較例1及び2、並びに文献値のゼーベック係数を近似した多項式によるフィッティングカーブを示す。
図5より、本発明の熱電変換素子(実施例1及び2)は、従来の熱電変換材料(文献値)と比較して高いゼーベック係数を示すことがわかる。
FIG. 5 shows the relationship between the Seebeck coefficient and the ratio of semiconducting CNTs at a temperature of 300 K in the thermoelectric conversion elements obtained in Examples 1 and 2 and the CNT sheets obtained in Comparative Examples 1 and 2. Furthermore, the document values (Semiconductor type 67% semiconducting type rich CNT, literature name: J. Hone et al., Physical Review Letters, 1998, No. 80, pages 1042-1045, values shown in FIG. 2) are combined together. It is shown in FIG.
In addition, the broken line in a figure shows the fitting curve by the polynomial which approximated the Seebeck coefficient of the said Example 1 and 2, the comparative examples 1 and 2, and a literature value.
From FIG. 5, it can be seen that the thermoelectric conversion elements (Examples 1 and 2) of the present invention exhibit a high Seebeck coefficient as compared to the conventional thermoelectric conversion materials (the values in the literature).

実施例3では、本発明の熱電変換素子(半導体型87%)を厚さ方向の熱電変換を評価した。
その結果、本発明の熱電変換素子は高いゼーベック係数(100μV/K)を示し、高い発電能力をもつ熱電変換素子であることが分かる。
In Example 3, the thermoelectric conversion in the thickness direction of the thermoelectric conversion element (semiconductor type 87%) of the present invention was evaluated.
As a result, it is understood that the thermoelectric conversion element of the present invention exhibits a high Seebeck coefficient (100 μV / K) and is a thermoelectric conversion element having a high power generation capacity.

実施例4、5,6では、半導体型リッチ分散液と金属型リッチ分散液とからなる熱電変換素子、半導体型リッチ分散液と未分離CNT分散液とからなる熱電変換素子、半導体型リッチ分散液と銅線による熱電変換素子の熱発電を比較した。
その結果、実施例4の熱電変換素子では全体で、温度差12℃において1.2mV、温度差22℃において2.2mVの起電力が発生した。これは、実施例4の熱電変換素子の熱起電力が1接合あたりに温度差12℃において0.2mV、温度差22℃において約0.37mVである事を示している。
実施例5の熱電変換素子では全体で、温度差12℃において1.5mV、温度差22℃において2.6mVの起電力が発生した。これは、実施例5の熱電変換素子の熱起電力が1接合あたり、温度差12℃において0.15mV、温度差22℃において0.26mVである事を示している。
実施例6の熱電変換素子では全体で、温度差12℃において1.9mV、温度差22℃において3.0mVの起電力が発生した。これは、実施例6の熱電変換素子の熱起電力が1接合あたり、温度差12℃において0.32mV、温度差22℃において0.5mVである事を示している。
また、これまでに未分離のCNTと他の素材(金属材料)との接合で発生する熱起電力を利用した熱電素子(第59回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集 講演番号16p−E7−7)が開発されているが、約26℃の温度差で、1接合毎に起電力が0.11mVであり(実施例6の1/5〜1/6程度)、このことからも未分離CNTよりも半導体型CNTの方が、熱起電力が高いことがわかる。
また、このように半導体型を濃縮したCNTを用いると容易に発電効率が高い熱電変換素子を作ることができる。
本発明の熱電変換素子は、接合を作製する他方の材料を最適化する事により、さらに高い起電力の発生が期待できる。また、p型とn型の半導体型リッチCNTコンポジットを接合した素子構造とすることにより、発生した熱起電力を最も有効に利用可能であると期待できる。
また、半導体型CNTの割合を変えたCNTを分散したポリマー液を用いることにより、他の導電材料を用いることなく、CNTを分散したポリマー液のみで熱電変換素子を作製する事が可能であり、高感度温度センサー等に応用できるものと考えられる。
また、本発明の熱電変換素子は、微細化プロセスを必要とせず、本発明の熱電変換材料を高分子などの媒質中に分散させ、それを塗布するだけで容易に熱電変換素子としての性能を発揮できる熱電変換素子であることがわかる。
In Examples 4, 5 and 6, a thermoelectric conversion element comprising a semiconductor rich dispersion and a metal rich dispersion, a thermoelectric conversion element comprising a semiconductor rich dispersion and an unseparated CNT dispersion, and a semiconductor rich dispersion Thermal power of thermoelectric conversion elements by copper wire and copper wire was compared.
As a result, in the thermoelectric conversion element of Example 4, an electromotive force of 1.2 mV was generated at a temperature difference of 12 ° C. and 2.2 mV at a temperature difference of 22 ° C. This indicates that the thermoelectromotive force of the thermoelectric conversion element of Example 4 is 0.2 mV at a temperature difference of 12 ° C. and about 0.37 mV at a temperature difference of 22 ° C. per junction.
In the thermoelectric conversion element of Example 5, an electromotive force of 1.5 mV at a temperature difference of 12 ° C. and 2.6 mV at a temperature difference of 22 ° C. was generated as a whole. This indicates that the thermoelectromotive force of the thermoelectric conversion element of Example 5 is 0.15 mV at a temperature difference of 12 ° C. and 0.26 mV at a temperature difference of 22 ° C. per junction.
In the thermoelectric conversion element of Example 6, an electromotive force of 1.9 mV at a temperature difference of 12 ° C. and 3.0 mV at a temperature difference of 22 ° C. was generated as a whole. This indicates that the thermoelectromotive force of the thermoelectric conversion element of Example 6 is 0.32 mV at a temperature difference of 12 ° C. and 0.5 mV at a temperature difference of 22 ° C. per junction.
In addition, thermoelectric elements that use the thermoelectric power generated at the junction of unseparated CNTs and other materials (metallic materials) so far (The 59th Annual Conference of the Association of Applied Physics Conference Conference No. 16p-E7 7) has been developed, but with a temperature difference of about 26 ° C., the EMF is 0.11 mV per junction (about 1/5 to 1/6 of Example 6), which also indicates It can be seen that the thermo-electromotive force is higher in the semiconducting CNT than in the separated CNT.
In addition, by using such a semiconductor type enriched CNT, a thermoelectric conversion element with high power generation efficiency can be easily made.
The thermoelectric conversion element of the present invention can be expected to generate a higher electromotive force by optimizing the other material for producing a junction. Moreover, it can be expected that the generated thermoelectromotive force can be most effectively used by forming an element structure in which p-type and n-type semiconductor-type rich CNT composites are joined.
In addition, by using a polymer liquid in which CNTs in which the ratio of semiconductor type CNTs is dispersed is dispersed, it is possible to manufacture a thermoelectric conversion element only with a polymer liquid in which CNTs are dispersed, without using other conductive materials, It is considered to be applicable to high sensitivity temperature sensors and the like.
In addition, the thermoelectric conversion element of the present invention does not require a miniaturization process, and the thermoelectric conversion material of the present invention is dispersed in a medium such as a polymer and the performance thereof as a thermoelectric conversion element can be easily achieved simply by applying it. It turns out that it is a thermoelectric conversion element which can be demonstrated.

以上から、本発明の熱電変換素子は、発電効率が高く、高成型性で柔軟性を有する熱電変換素子であることがわかる。   From the above, it is understood that the thermoelectric conversion element of the present invention is a thermoelectric conversion element having high power generation efficiency, high moldability and flexibility.

本発明の熱電変換素子は、半導体型CNTを濃縮することにより、熱電特性の著しい改善が可能であることを示した点が重要であり、今後、半導体型リッチのCNTを用いて、キャリヤードーピングによる熱電特性制御やポリマー分散による機械的特性改善などの最適化が行われることは当然期待されている。また、分離精製されたCNTには酸素、水、有機溶媒などが含まれており、これらの不純物を含む半導体型CNTも対象材料に含まれる。   The thermoelectric conversion element of the present invention is important in that it can significantly improve the thermoelectric characteristics by concentrating the semiconducting CNTs, and it is important to use carrier rich doping using semiconducting rich CNTs in the future. It is naturally expected that optimization such as control of thermoelectric properties or improvement of mechanical properties by polymer dispersion is performed. In addition, the separated and purified CNT contains oxygen, water, an organic solvent, and the like, and a semiconducting CNT containing these impurities is also included in the target material.

本発明の熱電変換素子は、大きなゼーベック係数を有し、廃熱による熱発電素子としての応用のほか、熱電対として温度測定素子としても利用できる。本発明の熱電変換素子に用いられるCNTは通常の金属に比べ熱容量を小さくできるので、高速・高精度の温度計測や、微小質量素材の温度計測などにも応用できる。
The thermoelectric conversion element of the present invention has a large Seebeck coefficient, and can be used as a thermo couple as a thermometry element as well as an application as a thermoelectric power generation element by waste heat. The CNT used in the thermoelectric conversion element of the present invention can be made smaller in heat capacity than ordinary metals, and therefore, it can be applied to high-speed, high-precision temperature measurement, temperature measurement of a minute mass material, and the like.

Claims (2)

金属型と半導体型の総和に対し半導体型を70%以上の純度で含有するカーボンナノチューブ混合物を含有してなる熱を電力に変換する熱電変換材料からなる熱電変換部材と、
上記熱電変換材料とは熱を電力に変換する熱電変換能の異なる第二の熱電変換材料からなる第二の熱電変換部材とを電気的に接触させて形成されており、
上記熱電変換部材と上記の第二の熱電変換部材とは、上記熱電変換部材からなるラインと上記の第二の熱電変換部材からなるラインとを交互に且つジグザグに複数個、接点を介して連結されてなり、その末端に電極を具備する、熱電変換素子であって、
上記第二の熱電変換部材は、金属型と半導体型の総和に対し金属型を33%以上の純度で含有するカーボンナノチューブである、熱電変換素子。
A thermoelectric conversion member comprising a thermoelectric conversion material for converting heat into electric power which comprises a carbon nanotube mixture containing a semiconductor type with a purity of 70% or more based on the sum of the metal type and the semiconductor type ;
The thermoelectric conversion material is formed by electrically contacting a second thermoelectric conversion member made of a second thermoelectric conversion material having different thermoelectric conversion ability to convert heat into electric power,
The thermoelectric conversion member and the second thermoelectric conversion member are connected alternately through a plurality of contact lines and a plurality of lines of the thermoelectric conversion members and the lines of the second thermoelectric conversion members alternately in a zigzag manner. A thermoelectric conversion element having an electrode at its end,
The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the second thermoelectric conversion member is a carbon nanotube containing a metal type with a purity of 33% or more with respect to the total of the metal type and the semiconductor type.
請求項記載の熱電変換素子の製造方法であって、
熱電変換部材成型工程を具備し、
上記熱電変換部材成型工程が、
半導体型と金属型が混合された状態のカーボンナノチューブ混合物を精製して半導体型リッチ分散液を製造する工程を含み、
上記精製が、カーボンナノチューブの分散処理を行い、カーボンナノチューブを孤立状態とする工程、該分散処理の後、孤立状態のカーボンナノチューブを超遠心分離法により分離処理し、沈殿物の除去を行う工程、及び超遠心分離の後、密度勾配超遠心分離法により再分離処理を行う工程
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to claim 1 ,
Equipped with a thermoelectric conversion member molding process,
The above-mentioned thermoelectric conversion member molding process
Purifying the carbon nanotube mixture in a state in which the semiconductor type and the metal type are mixed to produce a semiconductor type rich dispersion,
A step of dispersing the carbon nanotubes to bring the carbon nanotubes into an isolated state, separating the isolated carbon nanotubes by ultracentrifugation after the dispersion treatment, and removing the precipitates; And a step of performing re-separation treatment by density gradient ultracentrifugation after ultracentrifugation.
JP2013119423A 2013-06-06 2013-06-06 Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element Active JP6547163B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013119423A JP6547163B2 (en) 2013-06-06 2013-06-06 Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013119423A JP6547163B2 (en) 2013-06-06 2013-06-06 Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014239092A JP2014239092A (en) 2014-12-18
JP6547163B2 true JP6547163B2 (en) 2019-07-24

Family

ID=52136038

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013119423A Active JP6547163B2 (en) 2013-06-06 2013-06-06 Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6547163B2 (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015005340A1 (en) * 2013-07-08 2015-01-15 富士フイルム株式会社 Thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion element, and thermoelectricity-generating article and sensor-use power source in which same is used
KR101695226B1 (en) * 2015-04-01 2017-01-12 한국화학연구원 Preparation method of thermoelectric material comprising carbon nanotube and conductive polymer, and the thermoelectric material thereby
WO2017104757A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 富士フイルム株式会社 Thermoelectric conversion layer, thermoelectric conversion element, and composition for forming thermoelectric conversion layer
JP6626708B2 (en) * 2015-12-18 2019-12-25 富士フイルム株式会社 Method for producing dispersion composition and method for producing thermoelectric conversion layer
CN108963077B (en) 2017-05-17 2020-03-17 清华大学 Thin film transistor
CN108946658B (en) 2017-05-17 2020-03-17 清华大学 Carbon nanotube structure
CN108963078B (en) * 2017-05-17 2020-03-17 清华大学 Photoelectric conversion device
CN108946700B (en) 2017-05-17 2020-03-17 清华大学 Method for preparing carbon nano tube
CN108963079B (en) 2017-05-17 2020-03-17 清华大学 Photodetector and photodetector
JP6806898B2 (en) * 2017-07-06 2021-01-06 富士フイルム株式会社 Conductive film, thermoelectric conversion layer, thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion module, method for manufacturing conductive film, composition
WO2019021908A1 (en) * 2017-07-25 2019-01-31 国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学 Carbon nanotube composite body and method for producing same
KR102154895B1 (en) * 2018-03-07 2020-09-10 윤세원 Fabricating method for electronic components magazine
CN114495736A (en) * 2020-11-12 2022-05-13 深圳市奥拓电子股份有限公司 Micro LED display panel, display module and LED display screen

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3196823B2 (en) * 1997-06-11 2001-08-06 日本電気株式会社 Semiconductor device
JP2002296117A (en) * 2001-03-30 2002-10-09 Toshiba Corp Image pickup device
JP4606268B2 (en) * 2005-07-26 2011-01-05 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device
WO2012049801A1 (en) * 2010-10-13 2012-04-19 日本電気株式会社 Method for manufacturing infrared sensor material, infrared sensor material, infrared sensor element and infrared image sensor
JP5854462B2 (en) * 2010-12-24 2016-02-09 公立大学法人首都大学東京 Crystal production method of single-walled carbon nanotube
CN103403900B (en) * 2011-03-04 2016-08-17 独立行政法人产业技术综合研究所 Thermo-electric converting material and the flexible thermal electric transition element of this material of use
JP2013095821A (en) * 2011-10-31 2013-05-20 Fujifilm Corp Conductive composition, and conductive film and conductive laminate using the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014239092A (en) 2014-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6547163B2 (en) Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element
Zheng et al. Highly stable and conductive microcapsules for enhancement of joule heating performance
Kholmanov et al. Optical, electrical, and electromechanical properties of hybrid graphene/carbon nanotube films
Sun et al. Large-area self-assembled reduced graphene oxide/electrochemically exfoliated graphene hybrid films for transparent electrothermal heaters
Hou et al. Flexible graphene–graphene composites of superior thermal and electrical transport properties
Lee et al. High performance flexible supercapacitor electrodes composed of ultralarge graphene sheets and vanadium dioxide
Hansora et al. Graphite to graphene via graphene oxide: an overview on synthesis, properties, and applications
Hwang et al. Highly tunable charge transport in layer-by-layer assembled graphene transistors
Dun et al. Layered Bi2Se3 nanoplate/polyvinylidene fluoride composite based n-type thermoelectric fabrics
Braga et al. Structure and dynamics of carbon nanoscrolls
Lu et al. Synthesis of ultrathin silicon nanosheets by using graphene oxide as template
Zhao et al. Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals
Mehta et al. Seebeck and figure of merit enhancement in nanostructured antimony telluride by antisite defect suppression through sulfur doping
Pham et al. Comparative electron paramagnetic resonance investigation of reduced graphene oxide and carbon nanotubes with different chemical functionalities for quantum dot attachment
Nguyen et al. Recent trends in preparation and application of carbon nanotube–graphene hybrid thin films
Roh et al. Observation of anisotropy in thermal conductivity of individual single-crystalline bismuth nanowires
Wang et al. Enhanced in-plane thermal conductance of thin films composed of coaxially combined single-walled carbon nanotubes and boron nitride nanotubes
Zanella et al. Electronic and magnetic properties of Ti and Fe on graphene
US20150248972A1 (en) Linked stacks of partly reduced graphene, method for producing linked stacks of partly reduced graphene, powder comprising linked stacks of partly reduced graphene, film comprising linked stacks of partly reduced graphene, graphene electrode film, method for producing graphene electrode film, and graphene capacitor
Xu et al. Graphene–silver nanowire hybrid films as electrodes for transparent and flexible loudspeakers
Li et al. Preparation of 2D MoSe2/PEDOT: PSS composite and its thermoelectric properties
Sun et al. High-quality monolithic graphene films via laterally stitched growth and structural repair of isolated flakes for transparent electronics
Chowdhury et al. Graphene oxide/carbon nanoparticle thin film based IR detector: Surface properties and device characterization
Kalita et al. A photoinduced charge transfer composite of graphene oxide and ferrocene
Singh et al. Graphene: Potential material for nanoelectronics applications

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160421

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160520

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170217

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170228

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170428

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170711

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170911

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20180109

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190329

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190603

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6547163

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350