JP7348192B2 - semiconductor element - Google Patents

semiconductor element Download PDF

Info

Publication number
JP7348192B2
JP7348192B2 JP2020539461A JP2020539461A JP7348192B2 JP 7348192 B2 JP7348192 B2 JP 7348192B2 JP 2020539461 A JP2020539461 A JP 2020539461A JP 2020539461 A JP2020539461 A JP 2020539461A JP 7348192 B2 JP7348192 B2 JP 7348192B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric
element layer
thermoelectric element
dmax
thickness
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
JP2020539461A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2020045378A1 (en
Inventor
亘 森田
邦久 加藤
豪志 武藤
祐馬 勝田
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.)
Lintec Corp
Original Assignee
Lintec Corp
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 Lintec Corp filed Critical Lintec Corp
Publication of JPWO2020045378A1 publication Critical patent/JPWO2020045378A1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7348192B2 publication Critical patent/JP7348192B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/01Use of inorganic substances as compounding ingredients characterized by their specific function
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/852Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Description

本発明は、半導体素子に関する。 The present invention relates to semiconductor devices.

従来から、半導体素子を熱電変換素子として用いることで、エネルギーの有効利用手段の一つとして、ゼーベック効果やペルチェ効果などの熱電効果を有する熱電変換モジュールにより、熱エネルギーと電気エネルギーとを直接相互変換するようにした装置がある。
この中で、前記熱電変換素子として、いわゆるπ型の熱電変換素子の構成が知られている。π型は、通常、互いに離間するー対の電極を基板上に設け、例えば、―方の電極の上にP型熱電素子を、他方の電極の上にN型熱電素子を、同じく互いに離間して設け、両方の熱電素子の上面を対向する基板の電極に接続することで構成されている。また、いわゆるインプレーン型の熱電変換素子の使用が知られている。インプレーン型は、通常、N型熱電素子とP型熱電素子とが交互に配置されるように、複数の熱電素子を配列して、例えば、熱電素子の下部同士又は上部同士の電極を直列に接続することで構成されている。
Traditionally, semiconductor devices have been used as thermoelectric conversion elements to directly convert thermal energy and electrical energy, using thermoelectric conversion modules that have thermoelectric effects such as the Seebeck effect and Peltier effect, as an effective means of energy utilization. There is a device designed to do this.
Among these, the configuration of a so-called π-type thermoelectric conversion element is known as the thermoelectric conversion element. In the π-type, a pair of electrodes, which are spaced apart from each other, is usually provided on the substrate. The upper surfaces of both thermoelectric elements are connected to the electrodes of the opposing substrate. Furthermore, the use of so-called in-plane type thermoelectric conversion elements is known. In the in-plane type, a plurality of thermoelectric elements are usually arranged so that N-type thermoelectric elements and P-type thermoelectric elements are arranged alternately. For example, the lower electrodes of the thermoelectric elements or the upper electrodes of the thermoelectric elements are connected in series. It consists of connecting.

近年、熱電変換素子の薄型化、高集積化を含む熱電性能の向上等の要求がある。特許文献1では、熱電素子層として、薄膜化による薄型化の観点も含め、樹脂等を含む熱電半導体組成物を用い、スクリーン印刷法等により直接熱電素子層のパターンを形成する方法が開示されている。 In recent years, there has been a demand for improved thermoelectric performance, including thinner thermoelectric conversion elements and higher integration. Patent Document 1 discloses a method of directly forming a pattern of a thermoelectric element layer by screen printing or the like using a thermoelectric semiconductor composition containing resin etc., including the viewpoint of thinning the thermoelectric element layer by thinning the layer. There is.

国際公開第2016/104615号International Publication No. 2016/104615

しかしながら、特許文献1のように、熱電半導体材料、耐熱性樹脂等からなる熱電半導体組成物をスクリーン印刷法等で電極上、又は基板上に熱電素子を直接パターン層として形成する方法では、得られた熱電素子層の形状制御性が十分ではなく、電極界面、又は基板界面において熱電素子層の端部に滲みが発生することにより熱電素子層の形状が崩れてしまうことがある。例えば、熱電性能及び製造容易性の観点から熱電素子層の形状を直方体状(立方体状含む)に形成することを意図して形成する場合には、実際の断面形状は概ね半楕円状(後述する、図3(a)参照)となり、所望の厚さを得られないことはもとより、熱電素子層の上面の領域を均一な平坦に制御することができない場合がある。このため、前述したπ型熱電変換素子を構成する場合には、得られた熱電素子層の上面と対向する電極との接合部の面積が十分とれず、界面抵抗や熱抵抗が増大することにより、熱電性能が低下してしまい、熱電素子層が本来有する熱電性能を十分引き出すことができない場合がある。さらに、インプレーン型熱電素子を構成する場合には、熱電素子層の断面の面積が小さくなることから、電気抵抗が増大するため、熱電性能の低下に繋がることがある。このように、熱電素子層の形成に際しては、熱電性能の向上、また、高集積化の観点から、個々の熱電素子層の形状制御性を向上させることが重要となっている。 However, as in Patent Document 1, a method in which a thermoelectric semiconductor composition made of a thermoelectric semiconductor material, a heat-resistant resin, etc. is directly formed as a pattern layer on an electrode or a substrate using a screen printing method, etc., cannot be obtained. The shape controllability of the thermoelectric element layer is not sufficient, and bleeding may occur at the end of the thermoelectric element layer at the electrode interface or the substrate interface, resulting in the thermoelectric element layer losing its shape. For example, when forming a thermoelectric element layer with the intention of forming it in a rectangular parallelepiped shape (including a cubic shape) from the viewpoint of thermoelectric performance and ease of manufacture, the actual cross-sectional shape is approximately semi-elliptic (as described later). , see FIG. 3(a)), which not only makes it impossible to obtain the desired thickness but also makes it impossible to control the upper surface area of the thermoelectric element layer to be uniformly flat. For this reason, when constructing the aforementioned π-type thermoelectric conversion element, the area of the junction between the upper surface of the obtained thermoelectric element layer and the opposing electrode cannot be secured sufficiently, resulting in an increase in interfacial resistance and thermal resistance. , the thermoelectric performance deteriorates, and the thermoelectric performance inherent in the thermoelectric element layer may not be fully brought out. Furthermore, when configuring an in-plane type thermoelectric element, the cross-sectional area of the thermoelectric element layer becomes smaller, which increases electrical resistance, which may lead to a decrease in thermoelectric performance. As described above, when forming a thermoelectric element layer, it is important to improve the shape controllability of each thermoelectric element layer from the viewpoint of improving thermoelectric performance and increasing integration.

本発明は、上記を鑑み、半導体素子を熱電変換素子として用いた時に、優れた熱電性能を有する、断面形状が制御された熱電素子層を備えた熱電変換素子を提供することを課題とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element having a thermoelectric element layer with a controlled cross-sectional shape and having excellent thermoelectric performance when a semiconductor element is used as a thermoelectric conversion element.

上記課題を解決するために、本発明は、以下の(1)~(7)を提供する。
(1)基板上に半導体材料を含む半導体組成物からなる半導体素子層を含む半導体素子であって、前記半導体素子層の中央部を含む縦断面の面積をS(μm)、縦断面の厚さ方向の厚さの最大値をDmax(μm)、縦断面の幅方向の長さの最大値をXmax(μm)とした場合、前記半導体素子層の前記縦断面が、以下の条件(A)及び(B)を満たす、半導体素子。
(A)0.75≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00
(B)Dmax≧10μm、もしくは(Dmax/Xmax)≧0.03
ここで、縦断面の厚さ方向の厚さの最大値Dmaxは、前記半導体素子層の前記縦断面において、前記基板上に垂線を立てた時に前記縦断面の厚さ方向の厚さの上下端と該垂線とが交差した際に得られる2交点間の最大の距離(厚さ)を意味し、縦断面の幅方向の長さの最大値Xmaxは、前記基板に平行な平行線を引いた時に前記縦断面の幅方向の長さの左右端と該平行線とが交差した際に得られる2交点間の最大の距離(長さ)を意味する。
(2)前記半導体材料が熱電半導体材料であり、前記半導体素子が前記熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物からなる熱電素子層を含む、上記(1)に記載の半導体素子を用いた熱電変換素子。
(3)前記熱電半導体組成物が、さらに、耐熱性樹脂を含む、上記(2)に記載の熱電変換素子。
(4)前記熱電半導体材料が、ビスマス-テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料、アンチモン-テルル系熱電半導体材料、又はビスマスセレナイド系熱電半導体材料である、上記(2)又は(3)に記載の熱電変換素子。
(5)前記耐熱性樹脂が、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、又はエポキシ樹脂である、上記(2)~(4)のいずれかに記載の熱電変換素子。
(6)前記熱電半導体組成物が、さらに、イオン液体及び/又は無機イオン性化合物を含む、上記(2)~(5)のいずれかに記載の熱電変換素子。
(7)前記条件(A)が、0.83≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00、かつ前記条件(B)が、Dmax≧50μm、もしくは(Dmax/Xmax)≧0.08である、上記(1)~(6)のいずれかに記載の熱電変換素子。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following (1) to (7).
(1) A semiconductor element including a semiconductor element layer made of a semiconductor composition containing a semiconductor material on a substrate, where the area of a vertical cross section including the central part of the semiconductor element layer is S (μm 2 ), and the thickness of the vertical cross section is S (μm 2 ). When the maximum value of the thickness in the width direction is Dmax (μm) and the maximum value of the length in the width direction of the vertical section is Xmax (μm), the vertical cross section of the semiconductor element layer satisfies the following condition (A). A semiconductor device that satisfies (B) and (B).
(A) 0.75≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00
(B) Dmax≧10μm, or (Dmax/Xmax)≧0.03
Here, the maximum value Dmax of the thickness in the thickness direction of the vertical section is the upper and lower ends of the thickness in the thickness direction of the vertical section when a perpendicular line is drawn on the substrate in the vertical section of the semiconductor element layer. means the maximum distance (thickness) between two points of intersection obtained when Sometimes it means the maximum distance (length) between two intersections obtained when the left and right ends of the length in the width direction of the longitudinal section intersect with the parallel line.
(2) A thermoelectric conversion element using the semiconductor element according to (1) above, wherein the semiconductor material is a thermoelectric semiconductor material, and the semiconductor element includes a thermoelectric element layer made of a thermoelectric semiconductor composition containing the thermoelectric semiconductor material. .
(3) The thermoelectric conversion element according to (2) above, wherein the thermoelectric semiconductor composition further contains a heat-resistant resin.
(4) The above (2) or (3), wherein the thermoelectric semiconductor material is a bismuth-tellurium thermoelectric semiconductor material, a telluride thermoelectric semiconductor material, an antimony-tellurium thermoelectric semiconductor material, or a bismuth selenide thermoelectric semiconductor material. The thermoelectric conversion element described in .
(5) The thermoelectric conversion element according to any one of (2) to (4) above, wherein the heat-resistant resin is a polyimide resin, a polyamide resin, a polyamideimide resin, or an epoxy resin.
(6) The thermoelectric conversion element according to any one of (2) to (5) above, wherein the thermoelectric semiconductor composition further contains an ionic liquid and/or an inorganic ionic compound.
(7) The condition (A) is 0.83≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00, and the condition (B) is Dmax≧50 μm or (Dmax/Xmax)≧0.08. , the thermoelectric conversion element according to any one of (1) to (6) above.

本発明によれば、半導体素子を熱電変換素子として用いた時に、優れた熱電性能を有する、断面形状が制御された熱電素子層を備えた熱電変換素子を提供することができる。 According to the present invention, when a semiconductor element is used as a thermoelectric conversion element, it is possible to provide a thermoelectric conversion element having excellent thermoelectric performance and having a thermoelectric element layer with a controlled cross-sectional shape.

の縦断面の形状が制御された熱電素子層を備えた
本発明の縦断面の形状が制御された熱電素子層を備えた熱電変換素子の一例を示す断面構成図である。 本発明の半導体素子を熱電変換素子に用いた時の熱電素子層の縦断面の定義を説明するための図である。 本発明の実施例又は比較例の熱電変換素子に用いた熱電素子層の縦断面を説明するための断面図である。 本発明に用いたパターン枠配置/剥離法による熱電素子層の製造方法の一例を工程順に示す説明図である。 本発明に用いたパターン層配置法による熱電変換素子の製造方法の一例を工程順に示す説明図である。
Equipped with a thermoelectric element layer with a controlled longitudinal cross-sectional shape.
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram showing an example of a thermoelectric conversion element including a thermoelectric element layer with a controlled longitudinal cross-sectional shape according to the present invention. FIG. 3 is a diagram for explaining the definition of a longitudinal section of a thermoelectric element layer when the semiconductor element of the present invention is used as a thermoelectric conversion element. FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a longitudinal section of a thermoelectric element layer used in a thermoelectric conversion element of an example or a comparative example of the present invention. FIG. 3 is an explanatory diagram showing, in order of steps, an example of a method for manufacturing a thermoelectric element layer by a pattern frame arrangement/peeling method used in the present invention. FIG. 3 is an explanatory diagram showing, in order of steps, an example of a method for manufacturing a thermoelectric conversion element using a patterned layer arrangement method used in the present invention.

[熱電変換素子]
本発明の半導体素子は、基板上に半導体材料を含む半導体組成物からなる半導体素子層を含む半導体素子であって、前記半導体素子層の中央部を含む縦断面の面積をS(μm)、縦断面の厚さ方向の厚さの最大値をDmax(μm)、縦断面の幅方向の長さの最大値をXmax(μm)とした場合、前記半導体素子層の前記縦断面が、以下の条件(A)及び(B)を満たすことを特徴としている。
(A)0.75≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00
(B)Dmax≧10μm、もしくは(Dmax/Xmax)≧0.03
ここで、縦断面の厚さ方向の厚さの最大値Dmaxは、前記半導体素子層の前記縦断面において、前記基板上に垂線を立てた時に前記縦断面の厚さ方向の厚さの上下端と該垂線とが交差した際に得られる2交点間の最大の距離(厚さ)を意味し、縦断面の幅方向の長さの最大値Xmaxは、前記基板に平行な平行線を引いた時に前記縦断面の幅方向の長さの左右端と該平行線とが交差した際に得られる2交点間の最大の距離(長さ)を意味する。
本発明の半導体素子を構成する半導体素子層の縦断面が、前記の条件(A)、(B)を満たすことにより、半導体素子層の縦断面が略四角形になりやすくなり、半導体素子層の形状としては略直方体状(略立方体状含む)に制御されやすくなり、性能向上及び高集積化の観点から好ましい。
前記半導体材料が熱電半導体材料であり、前記半導体素子が前記熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物からなる熱電素子層を含む、前記半導体素子を用いた熱電変換素子であることが好ましい。
前記の条件(A)、(B)を満たす前記半導体素子層を熱電素子層として用いた時に、熱電性能及び製造容易性の観点から好ましい。所望の厚さを得られることはもとより、熱電素子層の上面の領域が平坦な面になりやすく、熱電素子層の上面と対向する電極との接合部の面積が十分とれ、界面抵抗や熱抵抗の増大が抑制され、π型熱電変換素子又はインプレーン型熱電変換素子を構成する際、特に電極との接合部の面積が広いπ型熱電変換素子にあっては、熱電素子層が本来有する熱電性能を十分引き出すことに繋がり、結果的に熱電性能が向上する。加えて、縦断面の面積が大きくなることから、熱電素子層の電気抵抗が減少するため、インプレーン型熱電変換素子を構成する場合には、熱電性能が向上する。
[Thermoelectric conversion element]
The semiconductor element of the present invention is a semiconductor element including a semiconductor element layer made of a semiconductor composition containing a semiconductor material on a substrate, and the area of a vertical cross section including the central part of the semiconductor element layer is S (μm 2 ), If the maximum value of the thickness in the thickness direction of the longitudinal section is Dmax (μm), and the maximum value of the length in the width direction of the longitudinal section is Xmax (μm), the longitudinal section of the semiconductor element layer is as follows. It is characterized by satisfying conditions (A) and (B).
(A) 0.75≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00
(B) Dmax≧10μm, or (Dmax/Xmax)≧0.03
Here, the maximum value Dmax of the thickness in the thickness direction of the vertical section is the upper and lower ends of the thickness in the thickness direction of the vertical section when a perpendicular line is drawn on the substrate in the vertical section of the semiconductor element layer. means the maximum distance (thickness) between two points of intersection obtained when Sometimes it means the maximum distance (length) between two intersections obtained when the left and right ends of the length in the width direction of the longitudinal section intersect with the parallel line.
By satisfying the above-mentioned conditions (A) and (B), the vertical cross section of the semiconductor element layer constituting the semiconductor element of the present invention tends to have a substantially rectangular shape, and the shape of the semiconductor element layer is This makes it easier to control the shape into a substantially rectangular parallelepiped shape (including a substantially cubic shape), which is preferable from the viewpoint of performance improvement and high integration.
It is preferable that the semiconductor material is a thermoelectric semiconductor material, and the semiconductor element is a thermoelectric conversion element using the semiconductor element, including a thermoelectric element layer made of a thermoelectric semiconductor composition containing the thermoelectric semiconductor material.
When the semiconductor element layer satisfying the above conditions (A) and (B) is used as a thermoelectric element layer, it is preferable from the viewpoint of thermoelectric performance and ease of manufacture. In addition to being able to obtain the desired thickness, the upper surface of the thermoelectric element layer tends to be a flat surface, and the area of the junction between the upper surface of the thermoelectric element layer and the opposing electrode is sufficient, which reduces the interfacial resistance and thermal resistance. When configuring a π-type thermoelectric conversion element or an in-plane type thermoelectric conversion element, the increase in the thermoelectric conversion element is suppressed, and the thermoelectric conversion element originally possessed by the thermoelectric element layer This leads to sufficient performance, and as a result, thermoelectric performance improves. In addition, since the vertical cross-sectional area becomes larger, the electrical resistance of the thermoelectric element layer decreases, so when forming an in-plane type thermoelectric conversion element, thermoelectric performance is improved.

本明細書において、「半導体素子層の中央部を含む縦断面」の定義を、図2を用いて説明する。図2は、本発明の半導体素子を熱電変換素子に用いた時の熱電素子層の縦断面を説明するための図であり、(a)は、熱電素子層4の平面図であり、熱電素子層4は、幅方向に長さX、奥行き方向に長さYを有し、(b)は、熱電素子層4の縦断面であり、縦断面は、前記(a)の中央部Cを含み、幅方向にA-A’間で切断した時に得られる長さX、厚さDを有する斜線部(図では長方形)を意味する。
また、本明細書において、「熱電素子層の縦断面が略四角形になりやすい」とは、台形を含め、長方形又は正方形等の矩形になりやすい、という意味である。
In this specification, the definition of "a vertical section including the central portion of a semiconductor element layer" will be explained using FIG. 2. FIG. 2 is a diagram for explaining a longitudinal cross section of a thermoelectric element layer when the semiconductor element of the present invention is used as a thermoelectric conversion element, and (a) is a plan view of the thermoelectric element layer 4, and FIG. The layer 4 has a length X in the width direction and a length Y in the depth direction, and (b) is a longitudinal section of the thermoelectric element layer 4, and the longitudinal section includes the central portion C of (a). , means the shaded part (rectangular in the figure) having length X and thickness D obtained when cutting between AA' in the width direction.
Furthermore, in this specification, "the vertical cross section of the thermoelectric element layer tends to be substantially square" means that it tends to have a rectangular shape, such as a rectangle or a square, including a trapezoid.

図1は、本発明の縦断面の形状が制御された熱電素子層を備えた熱電変換素子の一例を示す断面構成図であり、熱電変換素子1は、基板2aの電極3a上にN型熱電素子層4a及びP型熱電素子層4bを備え、さらに、N型熱電素子層4a及びP型熱電素子層4bの上面に、基板2b上に電極3bを有する対向電極基板を備えており、交互に隣接するN型熱電素子層4a及びP型熱電素子層4bが、基板2b上の電極3bを介在し電気的に直列接続するように配置され、π型熱電変換素子として構成されている。 FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram showing an example of a thermoelectric conversion element including a thermoelectric element layer with a controlled longitudinal cross-sectional shape according to the present invention. It is provided with an element layer 4a and a P-type thermoelectric element layer 4b, and further provided with a counter electrode substrate having electrodes 3b on the substrate 2b on the upper surfaces of the N-type thermoelectric element layer 4a and the P-type thermoelectric element layer 4b. Adjacent N-type thermoelectric element layer 4a and P-type thermoelectric element layer 4b are arranged so as to be electrically connected in series with intervening electrode 3b on substrate 2b, and are configured as a π-type thermoelectric conversion element.

(熱電素子層)
本発明の熱電変換素子を構成する熱電素子層(以下、「熱電素子層の薄膜」ということがある。)は、基板上に熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物からなる。熱電素子層の形状安定性の観点から、熱電半導体材料には耐熱性樹脂を含むことが好ましく、熱電性能の観点から、より好ましくは、熱電半導体材料(以下、「熱電半導体微粒子」ということがある。)、耐熱性樹脂、並びにイオン液体及び/又は無機イオン性化合物を含む熱電半導体組成物からなる。
(Thermoelectric element layer)
The thermoelectric element layer (hereinafter sometimes referred to as "thermoelectric element layer thin film") constituting the thermoelectric conversion element of the present invention is made of a thermoelectric semiconductor composition containing a thermoelectric semiconductor material on a substrate. From the viewpoint of shape stability of the thermoelectric element layer, it is preferable that the thermoelectric semiconductor material contains a heat-resistant resin, and from the viewpoint of thermoelectric performance, it is more preferable that the thermoelectric semiconductor material (hereinafter sometimes referred to as "thermoelectric semiconductor fine particles") ), a heat-resistant resin, and a thermoelectric semiconductor composition containing an ionic liquid and/or an inorganic ionic compound.

〈熱電素子層の縦断面〉
本発明に用いる熱電素子層の縦断面について、図を用いて説明する。
<Longitudinal cross section of thermoelectric element layer>
A longitudinal section of the thermoelectric element layer used in the present invention will be explained using the drawings.

図3は、本発明の実施例又は比較例の熱電変換素子に用いた熱電素子層の縦断面を説明するための断面図であり、(a)は、比較例1で用いた熱電素子層4sの縦断面であり、熱電素子層4sは、幅方向の長さの最大値Xmax、厚さ方向の厚さの最大値Dmaxを有する縦断面(断面積S)を有し、縦断面は概ね半楕円になっている。また、(b)は、実施例1で用いた熱電素子層4tの縦断面であり、熱電素子層4tの縦断面は、幅方向の長さの最大値Xmax、厚さ方向の厚さの最大値Dmaxを有する縦断面(断面積S)を有し、縦断面は、略四角形(概ね台形)になっている。さらに、(c)は、実施例2で用いた熱電素子層4uの縦断面であり、幅方向の長さの最大値Xmax、厚さ方向の厚さの最大値Dmaxを有する縦断面(断面積S)を有し、縦断面は略四角形(長方形)になっている。 FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a longitudinal section of a thermoelectric element layer used in a thermoelectric conversion element of an example of the present invention or a comparative example, and (a) is a sectional view of the thermoelectric element layer 4s used in comparative example 1. The thermoelectric element layer 4s has a longitudinal section (cross-sectional area S) having a maximum length Xmax in the width direction and a maximum thickness Dmax in the thickness direction, and the longitudinal section is approximately half It is oval. In addition, (b) is a vertical cross section of the thermoelectric element layer 4t used in Example 1, and the vertical cross section of the thermoelectric element layer 4t has a maximum length Xmax in the width direction and a maximum thickness in the thickness direction. It has a vertical cross section (cross-sectional area S) having a value Dmax, and the vertical cross section is approximately square (approximately trapezoidal). Further, (c) is a longitudinal section of the thermoelectric element layer 4u used in Example 2, and has a maximum length Xmax in the width direction and a maximum thickness Dmax in the thickness direction (cross-sectional area S), and the vertical cross section is approximately square (rectangular).

本発明の半導体素子に含まれる熱電変換素子を構成する熱電素子層の中央部を含む縦断面において、縦断面の面積をS(μm)、縦断面の厚さ方向の厚さの最大値をDmax(μm)、縦断面の幅方向の長さの最大値をXmax(μm)とした場合、前記熱電素子層の前記縦断面が、以下の条件(A)、(B)を満たすことを要する。
(A)0.75≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00
(B)Tmax≧10μm、もしくは(Dmax/Xmax)≧0.03
In a longitudinal section including the central part of the thermoelectric element layer constituting the thermoelectric conversion element included in the semiconductor element of the present invention, the area of the longitudinal section is S (μm 2 ), and the maximum value of the thickness in the thickness direction of the longitudinal section is S (μm 2 ). Dmax (μm), and when the maximum value of the length in the width direction of the longitudinal section is Xmax (μm), the longitudinal section of the thermoelectric element layer needs to satisfy the following conditions (A) and (B). .
(A) 0.75≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00
(B) Tmax≧10μm, or (Dmax/Xmax)≧0.03

条件(A)は、S/(Dmax×Xmax)が0.75≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00であることを要する。S/(Dmax×Xmax)が0.75未満であると、熱電素子層の縦断面が半楕円になりやすくなり略四角形になりにくくなる。熱電素子層の形状にあっては、略直方体状(略立方体状含む)になりにくくなり、所望の一定の厚さが得られず、熱電素子層の上面において平坦な面になる領域が小さくなる。加えて、縦断面の面積が小さくなる。S/(Dmax×Xmax)は、0.78以上が好ましく、より好ましく0.83以上、さらに好ましくは0.90以上、特に好ましくは0.95以上である。 Condition (A) requires that S/(Dmax×Xmax) be 0.75≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00. When S/(Dmax×Xmax) is less than 0.75, the longitudinal cross section of the thermoelectric element layer tends to become a semi-ellipse and becomes less likely to become a substantially square shape. Regarding the shape of the thermoelectric element layer, it becomes difficult to form a substantially rectangular parallelepiped shape (including a substantially cubic shape), the desired constant thickness cannot be obtained, and the area on the top surface of the thermoelectric element layer that is a flat surface becomes small. . In addition, the area of the longitudinal section becomes smaller. S/(Dmax×Xmax) is preferably 0.78 or more, more preferably 0.83 or more, still more preferably 0.90 or more, particularly preferably 0.95 or more.

条件(B)は、Dmax≧10μm、もしくは(Dmax/Xmax)≧0.03であることを要する。
Dmaxが10μm未満、もしくは、Dmax/Xmaxが0.03未満であると、スクリーン印刷、ステンシル印刷法等の塗工法では、縦断面が半楕円になりにくくなり、熱電素子層の形状にあっては、略直方体状等に制御しやすくなる場合があるが、熱電素子層として用いる場合、熱電性能の効率低下、集積の低下等の問題が生じる場合がある。
Dmaxが10μm以上、もしくはDmax/Xmaxが0.03以上ではスクリーン印刷、ステンシル印刷法等の塗工法では、縦断面が半楕円になりやすくなり、熱電素子層の形状にあっては、略直方体状(略立方体状含む)に制御することが難しくなる。
Dmaxは好ましくは50μm以上、より好ましくは100μm以上、さらに好ましくは150μm以上である。また、Dmax/Xmaxは好ましくは0.05以上、より好ましくは0.08以上、さらに好ましくは0.08~3.00、特に好ましくは0.09~1.50、最も好ましくは0.10~1.00である。Dmax、もしくはDmax/Xmaxが上記の範囲であると、縦断面が略四角形になりやすくなり、熱電素子層の形状にあっては、略直方体状(略立方体状含む)に制御することが容易になり、熱電性能の高効率化、高集積化に繋がる。
Condition (B) requires that Dmax≧10 μm or (Dmax/Xmax)≧0.03.
If Dmax is less than 10 μm or Dmax/Xmax is less than 0.03, the vertical cross section will be difficult to form a semi-ellipse in coating methods such as screen printing and stencil printing, and the shape of the thermoelectric element layer will not be suitable. However, when used as a thermoelectric element layer, problems such as a decrease in efficiency of thermoelectric performance and a decrease in integration may occur.
When Dmax is 10 μm or more, or Dmax/Xmax is 0.03 or more, the vertical cross section tends to be semi-elliptical in coating methods such as screen printing and stencil printing, and the shape of the thermoelectric element layer is almost rectangular. (including a substantially cubic shape) becomes difficult to control.
Dmax is preferably 50 μm or more, more preferably 100 μm or more, even more preferably 150 μm or more. Further, Dmax/Xmax is preferably 0.05 or more, more preferably 0.08 or more, even more preferably 0.08 to 3.00, particularly preferably 0.09 to 1.50, most preferably 0.10 to It is 1.00. If Dmax or Dmax / This leads to higher efficiency and higher integration of thermoelectric performance.

熱電変換素子を構成する熱電素子層の縦断面が、前記の条件(A)、(B)の範囲であると、熱電素子層の縦断面が略四角形になりやすくなり、熱電素子層の形状にあっては、略直方体状(略立方体状含む)に制御されやすくなり、所望の一定の厚さを得られることはもとより、熱電素子層の上面の領域が平坦な面になりやすく、熱電素子層の上面と対向する電極との接合部の面積が十分とれ、界面抵抗や熱抵抗の増大が抑制される。加えて縦断面の面積が大きくなることから、熱電素子層の電気抵抗が減少する。いずれの場合においても、熱電性能が向上する。 When the longitudinal section of the thermoelectric element layer constituting the thermoelectric conversion element falls within the range of conditions (A) and (B) above, the longitudinal section of the thermoelectric element layer tends to be approximately square, and the shape of the thermoelectric element layer In this case, it is easier to control the shape into a substantially rectangular parallelepiped (including a substantially cubic shape), and the desired constant thickness can be obtained. The area of the joint between the upper surface of the electrode and the opposing electrode is sufficient, and an increase in interfacial resistance and thermal resistance is suppressed. In addition, since the vertical cross-sectional area becomes larger, the electrical resistance of the thermoelectric element layer decreases. In either case, thermoelectric performance is improved.

(熱電半導体材料)
本発明に用いる熱電半導体材料、すなわち、熱電素子層に含まれる熱電半導体材料としては、温度差を付与することにより、熱起電力を発生させることができる材料であれば特に制限されず、例えば、P型ビスマステルライド、N型ビスマステルライド等のビスマス-テルル系熱電半導体材料;GeTe、PbTe等のテルライド系熱電半導体材料;アンチモン-テルル系熱電半導体材料;ZnSb、ZnSb2、ZnSb等の亜鉛-アンチモン系熱電半導体材料;SiGe等のシリコン-ゲルマニウム系熱電半導体材料;BiSe等のビスマスセレナイド系熱電半導体材料;β―FeSi、CrSi、MnSi1.73、MgSi等のシリサイド系熱電半導体材料;酸化物系熱電半導体材料;FeVAl、FeVAlSi、FeVTiAl等のホイスラー材料、TiS等の硫化物系熱電半導体材料等が用いられる。
これらの中で、ビスマス-テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料、アンチモン-テルル系熱電半導体材料、又はビスマスセレナイド系熱電半導体材料が好ましい。
(thermoelectric semiconductor material)
The thermoelectric semiconductor material used in the present invention, that is, the thermoelectric semiconductor material included in the thermoelectric element layer, is not particularly limited as long as it is a material that can generate a thermoelectromotive force by applying a temperature difference, for example, Bismuth-tellurium thermoelectric semiconductor materials such as P-type bismuth telluride and N-type bismuth telluride; Telluride thermoelectric semiconductor materials such as GeTe and PbTe; Antimony-tellurium thermoelectric semiconductor materials; ZnSb, Zn 3 Sb 2, Zn 4 Sb 3, etc. zinc-antimony thermoelectric semiconductor materials; silicon-germanium thermoelectric semiconductor materials such as SiGe; bismuth selenide thermoelectric semiconductor materials such as Bi 2 Se 3 ; β-FeSi 2 , CrSi 2 , MnSi 1.73 , Mg 2 Si Silicide-based thermoelectric semiconductor materials such as; oxide-based thermoelectric semiconductor materials; Heusler materials such as FeVAl, FeVAlSi, and FeVTiAl; sulfide-based thermoelectric semiconductor materials such as TiS2 ; etc. are used.
Among these, bismuth-tellurium thermoelectric semiconductor materials, telluride thermoelectric semiconductor materials, antimony-tellurium thermoelectric semiconductor materials, or bismuth selenide thermoelectric semiconductor materials are preferred.

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

熱電半導体組成物に用いる熱電半導体微粒子は、前述した熱電半導体材料を、微粉砕装置等により、所定のサイズまで粉砕したものである。 The thermoelectric semiconductor fine particles used in the thermoelectric semiconductor composition are obtained by pulverizing the above-mentioned thermoelectric semiconductor material to a predetermined size using a pulverizer or the like.

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

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

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

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

前記耐熱性樹脂は、分解温度が300℃以上であることが好ましい。分解温度が上記範囲であれば、後述するように、熱電半導体組成物からなる薄膜をアニール処理した場合でも、バインダーとして機能が失われることなく、屈曲性を維持することができる。 It is preferable that the heat-resistant resin has a decomposition temperature of 300° C. or higher. If the decomposition temperature is within the above range, even when a thin film made of the thermoelectric semiconductor composition is annealed, it will not lose its function as a binder and will maintain its flexibility, as will be described later.

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

前記耐熱性樹脂の前記熱電半導体組成物中の配合量は、0.1~40質量%、好ましくは0.5~20質量%、より好ましくは、1~20質量%、さらに好ましくは2~15質量%である。前記耐熱性樹脂の配合量が、上記範囲内であると、熱電半導体材料のバインダーとし機能し、薄膜の形成がしやすくなり、しかも高い熱電性能と皮膜強度が両立した膜が得られる。 The blending amount of the heat-resistant resin in the thermoelectric semiconductor composition is 0.1 to 40% by mass, preferably 0.5 to 20% by mass, more preferably 1 to 20% by mass, and even more preferably 2 to 15% by mass. Mass%. When the amount of the heat-resistant resin is within the above range, it functions as a binder for the thermoelectric semiconductor material, facilitates the formation of a thin film, and provides a film that has both high thermoelectric performance and film strength.

(イオン液体)
本発明で用いるイオン液体は、カチオンとアニオンとを組み合わせてなる溶融塩であり、-50~500℃の温度領域のいずれかの温度領域において、液体で存在し得る塩をいう。イオン液体は、蒸気圧が極めて低く不揮発性であること、優れた熱安定性及び電気化学安定性を有していること、粘度が低いこと、かつイオン伝導度が高いこと等の特徴を有しているため、導電補助剤として、熱電半導体微粒子間の電気伝導率の低減を効果的に抑制することができる。また、イオン液体は、非プロトン性のイオン構造に基づく高い極性を示し、耐熱性樹脂との相溶性に優れるため、熱電素子層の電気伝導率を均一にすることができる。
(ionic liquid)
The ionic liquid used in the present invention is a molten salt consisting of a combination of a cation and an anion, and refers to a salt that can exist in liquid form in any temperature range of -50 to 500°C. Ionic liquids have characteristics such as extremely low vapor pressure, non-volatility, excellent thermal stability and electrochemical stability, low viscosity, and high ionic conductivity. Therefore, as a conductivity auxiliary agent, it is possible to effectively suppress reduction in electrical conductivity between thermoelectric semiconductor fine particles. Further, the ionic liquid exhibits high polarity based on its aprotic ionic structure and has excellent compatibility with the heat-resistant resin, so that the electrical conductivity of the thermoelectric element layer can be made uniform.

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

上記のイオン液体の中で、高温安定性、熱電半導体微粒子及び樹脂との相溶性、熱電半導体微粒子間隙の電気伝導率の低下抑制等の観点から、イオン液体のカチオン成分が、ピリジニウムカチオン及びその誘導体、イミダゾリウムカチオン及びその誘導体から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。イオン液体のアニオン成分が、ハロゲン化物アニオンを含むことが好ましく、Cl、Br及びIから選ばれる少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。Among the above-mentioned ionic liquids, from the viewpoint of high temperature stability, compatibility with thermoelectric semiconductor particles and resin, and suppression of decrease in electrical conductivity between thermoelectric semiconductor particles, the cation component of the ionic liquid is pyridinium cation and its derivatives. , imidazolium cations and derivatives thereof. The anion component of the ionic liquid preferably contains a halide anion, more preferably at least one selected from Cl - , Br - and I - .

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

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

上記のイオン液体は、電気伝導率が10-7S/cm以上であることが好ましく、10-6S/cm以上であることがより好ましい。電気伝導率が上記の範囲であれば、導電補助剤として、熱電半導体微粒子間の電気伝導率の低減を効果的に抑制することができる。The above ionic liquid preferably has an electrical conductivity of 10 −7 S/cm or more, more preferably 10 −6 S/cm or more. When the electrical conductivity is within the above range, the electrical conductivity aid can effectively suppress reduction in electrical conductivity between thermoelectric semiconductor fine particles.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

(その他の添加剤)
本発明で用いる熱電半導体組成物には、上記以外の成分以外に、必要に応じて、さらに分散剤、造膜助剤、光安定剤、酸化防止剤、粘着付与剤、可塑剤、着色剤、樹脂安定剤、充てん剤、顔料、導電性フィラー、導電性高分子、硬化剤等の他の添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤は、1種単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
(Other additives)
In addition to the components other than those listed above, the thermoelectric semiconductor composition used in the present invention may optionally further include a dispersant, a film-forming aid, a light stabilizer, an antioxidant, a tackifier, a plasticizer, a colorant, Other additives such as resin stabilizers, fillers, pigments, conductive fillers, conductive polymers, and curing agents may also be included. These additives can be used alone or in combination of two or more.

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

〈熱電素子層の製造方法〉
本発明においては、熱電素子層は、前記熱電半導体組成物からなる塗工液等を用い、基板上、又は電極上に形成する。
本発明の熱電変換素子を構成する前記条件(A)及び(B)を満たす熱電素子層の製造方法としては、下記(P)、(Q)又は(R)に示す方法等が挙げられる。
(P)多層印刷法
(Q)パターン枠配置/剥離法
(R)パターン層配置法
<Method for manufacturing thermoelectric element layer>
In the present invention, the thermoelectric element layer is formed on the substrate or the electrode using a coating liquid or the like made of the thermoelectric semiconductor composition.
Examples of the method for manufacturing the thermoelectric element layer that satisfies the conditions (A) and (B) constituting the thermoelectric conversion element of the present invention include the methods shown in (P), (Q), or (R) below.
(P) Multilayer printing method (Q) Pattern frame arrangement/peeling method (R) Pattern layer arrangement method

(多層印刷法)
多層印刷法とは、熱電半導体組成物からなる塗工液等を用い、基板上、又は電極上の同一の位置に、所望のパターンを有するスクリーン版、ステンシル版を用いて、スクリーン印刷法、ステンシル印刷法等により印刷を複数回重ねて行うことにより、複数の熱電素子層の薄膜が積層された厚膜の熱電素子層を形成する方法である。
具体的には、まず、第1層目の熱電素子層の薄膜となる塗膜を形成し、得られた塗膜を乾燥することにより、第1層目の熱電素子層の薄膜を形成する。次いで、第1層目と同様に、第2層目の熱電素子層の薄膜となる塗膜を第1層目で得られた熱電素子層の薄膜上に形成し、得られた塗膜を乾燥することにより、第2層目の熱電素子層の薄膜を形成する。第3層目以降についても、同様に、第3層目以降の熱電素子層の薄膜となる塗膜を直前に得られた熱電素子層の薄膜上に形成し、得られた塗膜を乾燥することにより、第3層目以降の熱電素子層の薄膜を形成する。このプロセスを所望の回数繰り返し行うことにより、複数の熱電素子層の薄膜が積層された厚膜の熱電素子層が得られる。
乾燥方法としては、熱風乾燥法、熱ロール乾燥法、赤外線照射法等、従来公知の乾燥方法が採用できる。加熱温度は、通常、80~150℃であり、加熱時間は、加熱方法により異なるが、通常、数秒~数十分である。
また、熱電半導体組成物の調製において溶媒を使用した場合、加熱温度は、使用した溶媒を乾燥できる温度範囲であれば、特に制限はない。
多層印刷法を用いることにより、前記条件(A)及び(B)を満たす熱電素子層を得ることができる。
(Multilayer printing method)
The multilayer printing method is a screen printing method, a stencil printing method using a coating liquid made of a thermoelectric semiconductor composition, etc., and a screen plate or stencil plate having a desired pattern on the same position on the substrate or electrode. This is a method of forming a thick thermoelectric element layer in which a plurality of thin films of thermoelectric element layers are laminated by repeating printing multiple times using a printing method or the like.
Specifically, first, a coating film that is a thin film of the first thermoelectric element layer is formed, and the obtained coating film is dried to form a thin film of the first thermoelectric element layer. Next, in the same way as the first layer, a coating film that will become the thin film of the second thermoelectric element layer is formed on the thin film of the thermoelectric element layer obtained in the first layer, and the obtained coating film is dried. By doing so, a thin film of the second thermoelectric element layer is formed. For the third and subsequent layers, similarly, a coating film that will become the thin film of the thermoelectric element layer of the third and subsequent layers is formed on the thin film of the thermoelectric element layer obtained immediately before, and the obtained coating film is dried. By doing so, thin films of the third and subsequent thermoelectric element layers are formed. By repeating this process a desired number of times, a thick thermoelectric element layer in which a plurality of thin films of thermoelectric element layers are laminated can be obtained.
As the drying method, conventionally known drying methods such as hot air drying, hot roll drying, and infrared irradiation can be used. The heating temperature is usually 80 to 150°C, and the heating time varies depending on the heating method, but is usually from several seconds to several tens of minutes.
Furthermore, when a solvent is used in preparing the thermoelectric semiconductor composition, the heating temperature is not particularly limited as long as it is within a temperature range that can dry the used solvent.
By using a multilayer printing method, a thermoelectric element layer that satisfies the conditions (A) and (B) can be obtained.

(パターン枠配置/剥離法)
パターン枠配置/剥離法とは、基板上に離間した開口部を有するパターン枠を設け、前記開口部に熱電半導体組成物を充填し、乾燥し、前記パターン枠を基板上から剥離することで、パターン枠の開口部の形状が反映された形状制御性に優れる熱電素子層を形成する方法である。
製造工程としては、基板上に開口部を有するパターン枠を設ける工程、前記開口部に前記熱電半導体組成物を充填する工程、前記開口部に充填された前記熱電半導体組成物を乾燥し、熱電素子層を形成する工程、及び前記パターン枠を基板上から剥離する工程を含む。
パターン枠配置/剥離法を用いた熱電素子層の製造方法の一例を、図を用い具体的に説明する。
図4は、本発明に用いたパターン枠配置/剥離法による熱電素子層の製造方法の一例を工程順に示す説明図であり、
(a)は基板上にパターン枠を対向させた態様を示す断面図であり、ステンレス鋼12’からなる、開口13s、開口部13、開口部深さ(パターン枠厚)13dを有する、パターン枠12を準備し、基板11とを対向させる;
(b)はパターン枠を基板上に設けた後の断面図であり、パターン枠12を基板11上に設ける;
(c)はパターン枠の開口部に熱電素子層を充填した後の断面図であり、(b)で準備したステンレス鋼12’からなるパターン枠12の開口13sを有する開口部13に、P型熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物及びN型熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物をそれぞれ所定の開口部13内に充填し、開口部13に充填されたP型熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物及びN型熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物を乾燥し、P型熱電素子層14b、N型熱電素子層14aを形成する;
(d)はパターン枠を、充填した熱電素子層から剥離し、熱電素子層のみを得る態様を示す断面図であり、パターン枠12を、形成したP型熱電素子層14b、N型熱電素子層14aから剥離し、自立層としてのP型熱電素子層14b、N型熱電素子層14aを得る。
乾燥方法、また、熱電半導体組成物の調製において溶媒を使用した場合等については、前述した多層印刷法と同じである。
上記により、熱電変換素子に用いる熱電素子層を得ることができる。
このように、パターン枠配置/剥離法を用いることにより、前記条件(A)及び(B)を満たす熱電素子層を容易に得ることができる。
(Pattern frame arrangement/peeling method)
The pattern frame arrangement/peeling method is to provide a pattern frame having spaced apart openings on a substrate, fill the openings with a thermoelectric semiconductor composition, dry it, and peel the pattern frame from the substrate. This is a method of forming a thermoelectric element layer that reflects the shape of the opening of the pattern frame and has excellent shape controllability.
The manufacturing process includes a step of providing a pattern frame having an opening on a substrate, a step of filling the opening with the thermoelectric semiconductor composition, drying the thermoelectric semiconductor composition filled in the opening, and forming a thermoelectric element. The method includes a step of forming a layer, and a step of peeling off the pattern frame from the substrate.
An example of a method for manufacturing a thermoelectric element layer using a pattern frame placement/peeling method will be specifically described using figures.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing, in order of steps, an example of a method for manufacturing a thermoelectric element layer by the pattern frame arrangement/peeling method used in the present invention.
(a) is a sectional view showing a mode in which the pattern frame is opposed to the substrate, and the pattern frame is made of stainless steel 12' and has an opening 13s, an opening 13, and an opening depth (pattern frame thickness) 13d. 12 is prepared and made to face the substrate 11;
(b) is a sectional view after the pattern frame is provided on the substrate, and the pattern frame 12 is provided on the substrate 11;
(c) is a cross-sectional view after filling the openings of the pattern frame with a thermoelectric element layer. A thermoelectric semiconductor composition containing a thermoelectric semiconductor material and a thermoelectric semiconductor composition containing an N-type thermoelectric semiconductor material are respectively filled in predetermined openings 13, and a thermoelectric semiconductor composition containing a P-type thermoelectric semiconductor material filled in the opening 13. drying the thermoelectric semiconductor composition containing the material and the N-type thermoelectric semiconductor material to form a P-type thermoelectric element layer 14b and an N-type thermoelectric element layer 14a;
(d) is a sectional view showing a mode in which only the thermoelectric element layer is obtained by peeling off the pattern frame from the filled thermoelectric element layer, in which the pattern frame 12 is separated from the formed P-type thermoelectric element layer 14b and the N-type thermoelectric element layer. The layer 14a is peeled off to obtain a P-type thermoelectric element layer 14b and an N-type thermoelectric element layer 14a as self-supporting layers.
The drying method and the case where a solvent is used in preparing the thermoelectric semiconductor composition are the same as the multilayer printing method described above.
Through the above process, a thermoelectric element layer used for a thermoelectric conversion element can be obtained.
In this way, by using the pattern frame placement/peeling method, a thermoelectric element layer that satisfies the conditions (A) and (B) can be easily obtained.

(パターン層配置法)
パターン層配置法とは、基板の電極上に離間した開口部を有する樹脂を含む層からなるパターン層を設け、前記開口部に熱電半導体組成物を充填し、乾燥することにより、パターン層の開口部の形状が反映された形状制御性に優れる熱電素子層を形成する方法である。
製造工程としては、例えば、π型熱電変換素子を構成する場合、前記電極上に離間した開口部を有するパターン層を形成する工程、前記離間した開口部にP型熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物及びN型熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物をそれぞれ充填する工程、前記離間した開口部に充填された、前記P型熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物及び前記N型熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物を乾燥し、P型熱電素子層及びN型熱電素子層を得る工程を含む。
パターン層配置法を用いた熱電変換素子の製造方法の一例を、図を用い具体的に説明する。
図5は、本発明に用いたパターン層配置法による熱電変換素子の製造方法の一例を工程順に示す説明図であり、
(a)は基板上に電極を形成した後の断面図であり、基板22a上に電極23aを形成する;
(b)は電極上に樹脂を含む層を形成した後の断面図であり、電極23a上に樹脂を含む層24’を形成する;
(c)は樹脂を含む層を加工した後のパターン層の平面図(電極部は図示せず)であり、(c’)は(c)においてA-A’間で切断した時のパターン層の断面図であり、樹脂を含む層24’を加工し、電極上に離間した、開口25s、開口部25を有するパターン層24を形成する;
(d)はパターン層の開口部に熱電素子層を充填した後の断面図であり、パターン層24の開口部25にP型熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物及びN型熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物をそれぞれ充填、乾燥し、N型熱電素子層26a、及びP型熱電素子層26bを形成する;
(e)は(d)で得られた熱電素子層の上面と、これに対向する基板上の電極とを対向させ接合する態様を示す断面図であり、熱電素子層の上面と電極23bを有する基板22bからなる対向電極基板とを接合する。
乾燥方法、また、熱電半導体組成物の調製において溶媒を使用した場合等については、前述した多層印刷法及びパターン枠配置/剥離法の場合と同じである。
上記により、π型熱電変換素子を得ることができる。
このように、パターン層配置法を用いることにより、前記条件(A)及び(B)を満たす熱電素子層を備えたπ型熱電変換素子を容易に得ることができる。
(Pattern layer arrangement method)
The patterned layer arrangement method is to provide a patterned layer made of a resin-containing layer having spaced apart openings on the electrodes of a substrate, fill the openings with a thermoelectric semiconductor composition, and dry it to remove the openings in the patterned layer. This is a method for forming a thermoelectric element layer with excellent shape controllability that reflects the shape of the part.
For example, in the case of configuring a π-type thermoelectric conversion element, the manufacturing process includes a step of forming a pattern layer having spaced apart openings on the electrode, and a thermoelectric semiconductor composition containing a P-type thermoelectric semiconductor material in the spaced apart openings. filling the spaced-apart openings with a thermoelectric semiconductor composition containing a thermoelectric semiconductor material and an N-type thermoelectric semiconductor material; The method includes a step of drying the thermoelectric semiconductor composition to obtain a P-type thermoelectric element layer and an N-type thermoelectric element layer.
An example of a method for manufacturing a thermoelectric conversion element using a patterned layer arrangement method will be specifically explained using figures.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing, in order of steps, an example of a method for manufacturing a thermoelectric conversion element using the patterned layer arrangement method used in the present invention.
(a) is a cross-sectional view after forming an electrode on a substrate, in which an electrode 23a is formed on a substrate 22a;
(b) is a cross-sectional view after forming a layer containing resin on the electrode, in which a layer 24' containing resin is formed on the electrode 23a;
(c) is a plan view of the pattern layer after processing the resin-containing layer (the electrode part is not shown), and (c') is the pattern layer when cut between A-A' in (c). is a cross-sectional view of , in which a layer 24' containing resin is processed to form a patterned layer 24 having openings 25s and openings 25 spaced apart on the electrode;
(d) is a cross-sectional view after the opening of the pattern layer is filled with a thermoelectric element layer, and the opening 25 of the pattern layer 24 contains a thermoelectric semiconductor composition containing a P-type thermoelectric semiconductor material and an N-type thermoelectric semiconductor material. Filling and drying the thermoelectric semiconductor compositions respectively to form an N-type thermoelectric element layer 26a and a P-type thermoelectric element layer 26b;
(e) is a cross-sectional view showing a mode in which the upper surface of the thermoelectric element layer obtained in (d) and the electrode on the substrate opposite thereto are faced and joined, and has the upper surface of the thermoelectric element layer and the electrode 23b. A counter electrode substrate consisting of the substrate 22b is bonded.
The drying method and the case where a solvent is used in the preparation of the thermoelectric semiconductor composition are the same as those for the multilayer printing method and pattern frame arrangement/peeling method described above.
Through the above process, a π-type thermoelectric conversion element can be obtained.
In this way, by using the patterned layer arrangement method, it is possible to easily obtain a π-type thermoelectric conversion element having a thermoelectric element layer that satisfies the conditions (A) and (B).

上記の中で、高い充填率が得られる観点から、パターン枠配置/剥離法又はパターン層配置法を用いることがより好ましく、縦断面が略直方体状に容易に制御可能な観点からパターン枠配置/剥離法を用いることがさらに好ましい。 Among the above, it is more preferable to use the pattern frame arrangement/peeling method or the pattern layer arrangement method from the viewpoint of obtaining a high filling rate, and from the viewpoint of easily controlling the vertical cross section to a substantially rectangular parallelepiped shape. It is more preferable to use a peeling method.

前記熱電半導体組成物からなる塗工液の粘度は、熱電半導体材料の配合量、熱電素子層の厚さ、パターンの寸法により適宜調整されるが、熱電素子層の形状制御性の観点から、例えば、25℃、5s-1の条件において1Pa・s~1000Pa・s、好ましくは5Pa・s~500Pa・s、より好ましくは10Pa・s~300Pa・s、さらに好ましくは30Pa・s~200Pa・sである。
また、前記熱電半導体組成物からなる熱電素子層の薄膜の厚さは、π型熱電変換素子として用いる場合には、スクリーン印刷法、ステンシル印刷法等の使用の観点から、50μm以上、1mm以下、好ましくは80μm以上1mm以下、より好ましくは100μm以上700μm以下、さらに好ましくは150μm以上500μm以下である。
これに対し、インプレーン型熱電変換素子として用いる場合には、前記熱電半導体組成物からなる熱電素子層の薄膜の厚さは、屈曲性の観点から、10μm以上、300μm以下、好ましくは10μm以上、200μm以下、より好ましくは10μm以上、100μm以下である。
The viscosity of the coating liquid made of the thermoelectric semiconductor composition is appropriately adjusted by the blending amount of the thermoelectric semiconductor material, the thickness of the thermoelectric element layer, and the dimensions of the pattern, but from the viewpoint of shape controllability of the thermoelectric element layer, for example, , 25°C, 5s -1 under the conditions of 1 Pa s to 1000 Pa s, preferably 5 Pa s to 500 Pa s, more preferably 10 Pa s to 300 Pa s, even more preferably 30 Pa s to 200 Pa s. be.
Further, when used as a π-type thermoelectric conversion element, the thickness of the thin film of the thermoelectric element layer made of the thermoelectric semiconductor composition is 50 μm or more and 1 mm or less, from the viewpoint of use of screen printing method, stencil printing method, etc. Preferably it is 80 μm or more and 1 mm or less, more preferably 100 μm or more and 700 μm or less, and even more preferably 150 μm or more and 500 μm or less.
On the other hand, when used as an in-plane type thermoelectric conversion element, the thickness of the thin film of the thermoelectric element layer made of the thermoelectric semiconductor composition is 10 μm or more and 300 μm or less, preferably 10 μm or more, from the viewpoint of flexibility. It is 200 μm or less, more preferably 10 μm or more and 100 μm or less.

(アニール処理)
本発明では、熱電素子層形成後、アニール処理を行うことが好ましい。アニール処理を行うことで、熱電性能を安定化させるとともに、熱電素子層中の熱電半導体微粒子を結晶成長させることができ、熱電性能をさらに向上させることができる。
アニール処理は、特に限定されないが、通常、ガス流量が制御された、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、還元ガス雰囲気下、または真空条件下で行われ、用いる耐熱性樹脂、イオン液体、無機イオン性化合物等に依存するが、アニール処理の温度は、通常100~600℃で、数分~数十時間、好ましくは150~600℃で、数分~数十時間、より好ましくは250~600℃で、数分~数十時間、さらに好ましくは250~550℃で、数分~数十時間行う。
(annealing treatment)
In the present invention, it is preferable to perform an annealing treatment after forming the thermoelectric element layer. By performing the annealing treatment, the thermoelectric performance can be stabilized, and the thermoelectric semiconductor fine particles in the thermoelectric element layer can be crystal-grown, so that the thermoelectric performance can be further improved.
Although not particularly limited, the annealing treatment is usually performed under an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, under a reducing gas atmosphere, or under vacuum conditions with a controlled gas flow rate. Although it depends on the inorganic ionic compound etc., the temperature of the annealing treatment is usually 100 to 600°C for several minutes to several tens of hours, preferably 150 to 600°C for several minutes to several tens of hours, more preferably 250 to several tens of hours. It is carried out at 600°C for several minutes to several tens of hours, more preferably at 250 to 550°C for several minutes to several tens of hours.

(基板)
本発明の熱電変換素子において、基板として、特に制限されないが、薄型、屈曲性の観点から、熱電素子層の電気伝導率の低下、熱伝導率の増加に影響を及ぼさない樹脂フィルムを用いることができる。なかでも、屈曲性に優れ、熱電半導体組成物からなる熱電素子層の薄膜をアニール処理した場合でも、基板が熱変形することなく、熱電素子層の性能を維持することができ、耐熱性及び寸法安定性が高いという点から、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリアラミドフィルム、又はポリアミドイミドフィルムが好ましく、さらに、汎用性が高いという点から、ポリイミドフィルムが特に好ましい。
(substrate)
In the thermoelectric conversion element of the present invention, as the substrate, although not particularly limited, from the viewpoint of thinness and flexibility, it is possible to use a resin film that does not affect the decrease in electrical conductivity or increase in thermal conductivity of the thermoelectric element layer. can. Among these, it has excellent flexibility, and even when the thin film of the thermoelectric element layer made of a thermoelectric semiconductor composition is annealed, the performance of the thermoelectric element layer can be maintained without thermal deformation of the substrate, and the heat resistance and size are improved. A polyimide film, a polyamide film, a polyetherimide film, a polyaramid film, or a polyamideimide film is preferable in terms of high stability, and a polyimide film is particularly preferable in terms of high versatility.

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

また、本発明に用いる基板として、ガラス、又はセラミック等の絶縁性材料を用いてもよい。前記基板の厚さは、プロセス及び寸法安定性の観点から、100~1200μmが好ましく、200~800μmがより好ましく、400~700μmがさらに好ましい。 Further, as the substrate used in the present invention, an insulating material such as glass or ceramic may be used. The thickness of the substrate is preferably 100 to 1200 μm, more preferably 200 to 800 μm, and even more preferably 400 to 700 μm, from the viewpoint of process and dimensional stability.

(電極)
本発明に用いる熱電変換素子の電極の金属材料としては、銅、金、ニッケル、アルミニウム、ロジウム、白金、クロム、パラジウム、ステンレス鋼、モリブデン、すず又はこれらのいずれかの金属を含む合金等が挙げられる。
前記電極の層の厚さは、好ましくは10nm~200μm、より好ましくは30nm~150μm、さらに好ましくは50nm~120μmである。電極の層の厚さが、上記範囲内であれば、電気伝導率が高く低抵抗となり、かつ電極として十分な強度が得られる。
(electrode)
Examples of the metal material for the electrode of the thermoelectric conversion element used in the present invention include copper, gold, nickel, aluminum, rhodium, platinum, chromium, palladium, stainless steel, molybdenum, tin, and alloys containing any of these metals. It will be done.
The thickness of the electrode layer is preferably 10 nm to 200 μm, more preferably 30 nm to 150 μm, even more preferably 50 nm to 120 μm. If the thickness of the electrode layer is within the above range, the electrical conductivity will be high and the resistance will be low, and sufficient strength as an electrode will be obtained.

電極の形成は、前述した金属材料を用いて行う。
電極を形成する方法としては、樹脂フィルム上にパターンが形成されていない電極を設けた後、フォトリソグラフィー法を主体とした公知の物理的処理もしくは化学的処理、又はそれらを併用する等により、所定のパターン形状に加工する方法、または、スクリーン印刷法、インクジェット法等により直接電極のパターンを形成する方法等が挙げられる。
パターンが形成されていない電極の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等のPVD(物理気相成長法)、もしくは熱CVD、原子層蒸着(ALD)等のCVD(化学気相成長法)等のドライプロセス、又はディップコーティング法、スピンコーティング法、スプレーコーティング法、グラビアコーティング法、ダイコーティング法、ドクターブレード法等の各種コーティングや電着法等のウェットプロセス、銀塩法、電解めっき法、無電解めっき法、金属箔の積層等が挙げられ、電極の材料に応じて適宜選択される。
本発明に用いる電極には、熱電性能を維持する観点から、高い導電性、高い熱伝導性が求められるため、めっき法や真空成膜法で成膜した電極を用いることが好ましい。高い導電性、高い熱伝導性を容易に実現できることから、真空蒸着法、スパッタリング法等の真空成膜法、および電解めっき法、無電解めっき法が好ましい。形成パターンの寸法、寸法精度の要求にもよるが、メタルマスク等のハードマスクを介在し、容易にパターンを形成することもできる。
The electrodes are formed using the metal material described above.
The method for forming the electrode is to provide an electrode without a pattern on a resin film, and then to form a predetermined shape using known physical or chemical processing mainly based on photolithography, or a combination thereof. Examples include a method of processing the electrode into a pattern shape, and a method of directly forming an electrode pattern by a screen printing method, an inkjet method, or the like.
Methods for forming electrodes without a pattern include PVD (physical vapor deposition) such as vacuum evaporation, sputtering, and ion plating, or CVD (chemical vapor deposition) such as thermal CVD and atomic layer deposition (ALD). Dry processes such as vapor phase growth (vapor phase growth), various coatings such as dip coating, spin coating, spray coating, gravure coating, die coating, and doctor blade methods, wet processes such as electrodeposition, and silver salt methods. , electrolytic plating method, electroless plating method, lamination of metal foil, etc., which are appropriately selected depending on the material of the electrode.
Since the electrode used in the present invention is required to have high electrical conductivity and high thermal conductivity from the viewpoint of maintaining thermoelectric performance, it is preferable to use an electrode formed by a plating method or a vacuum film forming method. Vacuum film forming methods such as vacuum evaporation and sputtering, electrolytic plating, and electroless plating are preferred because they can easily achieve high electrical conductivity and high thermal conductivity. Depending on the dimensions of the pattern to be formed and the requirements for dimensional accuracy, the pattern can be easily formed using a hard mask such as a metal mask.

(接合材料層)
本発明に用いる熱電変換素子において、熱電素子層と電極との接合には、接合材料層を用いることができる。
接合材料層に用いる接合材料としては、ハンダ材料、導電性接着剤、焼結接合剤等が挙げられ、それぞれ、この順に、ハンダ層、導電性接着剤層、焼結接合剤層等として、電極上に形成されることが好ましい。本明細書において導電性とは、電気抵抗率が1×10Ω・m未満のことを指す。
(Joining material layer)
In the thermoelectric conversion element used in the present invention, a bonding material layer can be used to bond the thermoelectric element layer and the electrode.
Examples of bonding materials used in the bonding material layer include solder materials, conductive adhesives, sintered bonding agents, etc. In this order, the bonding materials are used as solder layers, conductive adhesive layers, sintered bonding layers, etc. Preferably, it is formed on the top. In this specification, conductivity refers to electrical resistivity of less than 1×10 6 Ω·m.

前記ハンダ層を構成するハンダ材料としては、熱電変換素子を構成する材料の耐熱温度、また、ハンダ層としての導電性、熱伝導性とを考慮し、適宜選択すればよく、Sn、Sn/Pb合金、Sn/Ag合金、Sn/Cu合金、Sn/Sb合金、Sn/In合金、Sn/Zn合金、Sn/In/Bi合金、Sn/In/Bi/Zn合金、Sn/Bi/Pb/Cd合金、Sn/Bi/Pb合金、Sn/Bi/Cd合金、Bi/Pb合金、Sn/Bi/Zn合金、Sn/Bi合金、Sn/Bi/Pb合金、Sn/Pb/Cd合金、Sn/Cd合金等の既知の材料が挙げられる。鉛フリー及び/またはカドミウムフリー、融点、導電性、熱伝導性の観点から、43Sn/57Bi合金、42Sn/58Bi合金、40Sn/56Bi/4Zn合金、48Sn/52In合金、39.8Sn/52In/7Bi/1.2Zn合金のような合金が好ましい。
ハンダ材料の市販品としては、以下のものが挙げられる。例えば、42Sn/58Bi合金(タムラ製作所社製、製品名:SAM10-401-27)、41Sn/58Bi/Ag合金(ニホンハンダ社製、製品名:PF141-LT7HO)等が使用できる。
ハンダ層の厚さ(加熱冷却後)は、好ましくは10~200μmであり、より好ましくは20~150μm、さらに好ましくは30~130μm、特に好ましくは40~120μmである。ハンダ層の厚さがこの範囲にあると、熱電変換材料のチップ及び電極との密着性が得やすくなる。
ハンダ材料を塗布する方法としては、ステンシル印刷、スクリーン印刷、ディスペンシング法等の公知の方法が挙げられる。加熱温度は用いるハンダ材料、樹脂フィルム等により異なるが、通常、150~280℃で3~20分間行う。
The solder material constituting the solder layer may be appropriately selected in consideration of the heat resistance temperature of the material constituting the thermoelectric conversion element, as well as the electrical conductivity and thermal conductivity of the solder layer, such as Sn, Sn/Pb. Alloy, Sn/Ag alloy, Sn/Cu alloy, Sn/Sb alloy, Sn/In alloy, Sn/Zn alloy, Sn/In/Bi alloy, Sn/In/Bi/Zn alloy, Sn/Bi/Pb/Cd Alloy, Sn/Bi/Pb alloy, Sn/Bi/Cd alloy, Bi/Pb alloy, Sn/Bi/Zn alloy, Sn/Bi alloy, Sn/Bi/Pb alloy, Sn/Pb/Cd alloy, Sn/Cd Examples include known materials such as alloys. From the viewpoint of lead-free and/or cadmium-free, melting point, electrical conductivity, and thermal conductivity, 43Sn/57Bi alloy, 42Sn/58Bi alloy, 40Sn/56Bi/4Zn alloy, 48Sn/52In alloy, 39.8Sn/52In/7Bi/ Alloys such as 1.2Zn alloy are preferred.
Commercially available solder materials include the following: For example, 42Sn/58Bi alloy (manufactured by Tamura Manufacturing Co., Ltd., product name: SAM10-401-27), 41Sn/58Bi/Ag alloy (manufactured by Nihon Handa Co., Ltd., product name: PF141-LT7HO), etc. can be used.
The thickness of the solder layer (after heating and cooling) is preferably 10 to 200 μm, more preferably 20 to 150 μm, even more preferably 30 to 130 μm, particularly preferably 40 to 120 μm. When the thickness of the solder layer is within this range, it becomes easier to obtain adhesiveness with the chips and electrodes of the thermoelectric conversion material.
Methods for applying the solder material include known methods such as stencil printing, screen printing, and dispensing methods. The heating temperature varies depending on the solder material, resin film, etc. used, but it is usually performed at 150 to 280°C for 3 to 20 minutes.

前記導電性接着剤層を構成する導電性接着剤としては、特に制限されないが、導電ペースト等が挙げられる。導電ペーストとしては、銅ペースト、銀ペースト、ニッケルペースト等が挙げられ、バインダーを使用する場合は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。
導電性接着剤を塗布する方法としては、スクリーン印刷、ディスペンシング法等の公知の方法が挙げられる。
導電性接着剤層の厚さは、好ましくは10~200μmであり、より好ましくは20~150μm、さらに好ましくは30~130μm、特に好ましくは40~120μmである。
The conductive adhesive constituting the conductive adhesive layer is not particularly limited, but includes conductive paste and the like. Examples of the conductive paste include copper paste, silver paste, and nickel paste, and when using a binder, examples include epoxy resin, acrylic resin, urethane resin, and the like.
Methods for applying the conductive adhesive include known methods such as screen printing and dispensing.
The thickness of the conductive adhesive layer is preferably 10 to 200 μm, more preferably 20 to 150 μm, even more preferably 30 to 130 μm, particularly preferably 40 to 120 μm.

前記焼結接合剤層を構成する焼結接合剤としては、特に制限されないが、シンタリングペースト等が挙げられる。前記シンタリングペーストは、例えば、ミクロンサイズの金属粉とナノサイズの金属粒子等からなり、前記導電性接着剤と異なり、直接金属をシンタリングで接合するものであり、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等のバインダーを含んでいてもよい。
シンタリングペーストとしては、銀シンタリングペースト、銅シンタリングペースト等が挙げられる。
焼結接合剤層を塗布する方法としては、スクリーン印刷、ステンシル印刷、ディスペンシング法等の公知の方法が挙げられる。焼結条件は、用いる金属材料等に異なるが、通常、100~300℃で、30~120分間である。
焼結接合剤の市販品としては、例えば、銀シンタリングペーストとして、シンタリングペースト(京セラ社製、製品名:CT2700R7S)、焼結型金属接合材(ニホンハンダ社製、製品名:MAX102)等が使用できる。
焼結接合剤層の厚さは、好ましくは10~200μmであり、より好ましくは20~150μm、さらに好ましくは30~130μm、特に好ましくは40~120μmである。
The sintering bonding agent constituting the sintering bonding agent layer is not particularly limited, and examples thereof include sintering paste and the like. The sintering paste is made of, for example, micron-sized metal powder and nano-sized metal particles, and unlike the conductive adhesive, it directly joins metals by sintering. It may also contain a binder such as a resin.
Examples of the sintering paste include silver sintering paste and copper sintering paste.
Methods for applying the sintered bonding agent layer include known methods such as screen printing, stencil printing, and dispensing methods. Sintering conditions vary depending on the metal material used, but are usually 100 to 300°C for 30 to 120 minutes.
Commercial products of sintering bonding agents include, for example, silver sintering paste, sintering paste (manufactured by Kyocera Corporation, product name: CT2700R7S), sintering type metal bonding material (manufactured by Nihon Handa Corporation, product name: MAX102), etc. Can be used.
The thickness of the sintered bonding agent layer is preferably 10 to 200 μm, more preferably 20 to 150 μm, even more preferably 30 to 130 μm, particularly preferably 40 to 120 μm.

本発明の半導体素子を熱電変換素子として用いた場合には、得られた熱電素子層の縦断面が条件(A)及び(B)を満たすことにより、優れた熱電性能を有する熱電変換素子を得ることができる。また、熱電素子層の高集積化を実現することに繋げることができる。 When the semiconductor element of the present invention is used as a thermoelectric conversion element, the longitudinal section of the obtained thermoelectric element layer satisfies conditions (A) and (B), thereby obtaining a thermoelectric conversion element having excellent thermoelectric performance. be able to. Further, it can lead to realizing high integration of the thermoelectric element layer.

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

実施例、比較例で作製した熱電変換素子の電気抵抗値の評価、充填率の評価は、以下の方法で行った。
(a)電気抵抗値評価
得られた熱電変換素子の熱電素子層の取り出し電極部間の電気抵抗値を、ディジタルハイテスタ(日置電機社製、型名:3801-50)により、25℃×50%RHの環境下で測定した。
(b)充填率評価
得られた熱電変換素子の熱電素子層の中央部を含む縦断面を、デジタルマイクロスコープ(キーエンス社製、型名「VHX-5000」)を用い観察し、縦断面の面積S(μm)、縦断面の厚さ方向の厚さの最大値Dmax(μm)、縦断面の幅方向の長さの最大値Xmax(μm)を測定し、充填率[S/(Dmax×Xmax)]を算出し、評価した。
Evaluation of the electrical resistance value and filling rate of the thermoelectric conversion elements produced in Examples and Comparative Examples were performed by the following method.
(a) Electrical resistance value evaluation The electric resistance value between the lead-out electrode parts of the thermoelectric element layer of the obtained thermoelectric conversion element was measured using a digital high tester (manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., model name: 3801-50) at 25℃ Measured under an environment of %RH.
(b) Filling rate evaluation A longitudinal section including the center part of the thermoelectric element layer of the obtained thermoelectric conversion element was observed using a digital microscope (manufactured by Keyence Corporation, model name "VHX-5000"), and the area of the longitudinal section was S (μm 2 ), the maximum value Dmax (μm) of the thickness in the thickness direction of the longitudinal section, and the maximum value Xmax (μm) of the length in the width direction of the longitudinal section, and the filling rate [S/(Dmax× Xmax)] was calculated and evaluated.

(実施例1)
熱電半導体組成物を構成する熱電半導体材料は、熱電半導体微粒子として用いる。
(熱電半導体微粒子の作製)
ビスマス-テルル系熱電半導体材料であるP型ビスマステルライドBi0.4TeSb1.6(高純度化学研究所製、粒径:180μm)を、遊星型ボールミル(フリッチュジャパン社製、Premium line P-7)を使用し、窒素ガス雰囲気下で粉砕することで、平均粒径1.2μmの熱電半導体微粒子T1を作製した。粉砕して得られた熱電半導体微粒子に関して、レーザー回折式粒度分析装置(Malvern社製、マスターサイザー3000)により粒度分布測定を行った。
また、ビスマス-テルル系熱電半導体材料であるN型ビスマステルライドBiTe(高純度化学研究所製、粒径:180μm)を上記と同様に粉砕し、平均粒径1.4μmの熱電半導体微粒子T2を作製した。
(Example 1)
The thermoelectric semiconductor material constituting the thermoelectric semiconductor composition is used as thermoelectric semiconductor fine particles.
(Preparation of thermoelectric semiconductor fine particles)
P-type bismuth telluride Bi 0.4 Te 3 Sb 1.6 (manufactured by Kojundo Kagaku Kenkyusho, particle size: 180 μm), which is a bismuth-tellurium based thermoelectric semiconductor material, was processed using a planetary ball mill (manufactured by Fritsch Japan, Premium line P). Thermoelectric semiconductor fine particles T1 having an average particle size of 1.2 μm were produced by pulverizing the thermoelectric semiconductor particles T1 using the following method: -7) in a nitrogen gas atmosphere. The particle size distribution of the thermoelectric semiconductor fine particles obtained by pulverization was measured using a laser diffraction particle size analyzer (Mastersizer 3000, manufactured by Malvern).
In addition, N-type bismuth telluride Bi 2 Te 3 (manufactured by Kojundo Kagaku Kenkyusho, particle size: 180 μm), which is a bismuth-tellurium based thermoelectric semiconductor material, was crushed in the same manner as above to obtain thermoelectric semiconductor fine particles with an average particle size of 1.4 μm. T2 was produced.

(塗工液の調製)
塗工液(P)
得られたP型ビスマス-テルル系熱電半導体材料の微粒子T1を90質量部、耐熱性樹脂としてポリイミド前駆体であるポリアミック酸(シグマアルドリッチ社製、ポリ(ピロメリト酸二無水物-co-4,4´-オキシジアニリン)アミド酸溶液、溶媒:N-メチルピロリドン、固形分濃度:15質量%)5質量部、及びイオン液体として[1-ブチル-3-(2-ヒドロキシエチル)イミダゾリウムブロミド]5質量部を混合分散した熱電半導体組成物からなる塗工液(P)を調製した。塗工液(P)の粘度は170Pa・sであった。
塗工液(N)
得られたN型ビスマス-テルル系熱電半導体材料の微粒子T2を90質量部、耐熱性樹脂としてポリイミド前駆体であるポリアミック酸(シグマアルドリッチ社製、ポリ(ピロメリト酸二無水物-co-4,4´-オキシジアニリン)アミド酸溶液、溶媒:N-メチルピロリドン、固形分濃度:15質量%)5質量部、及びイオン液体として[1-ブチル-3-(2-ヒドロキシエチル)イミダゾリウムブロミド]5質量部を混合分散した熱電半導体組成物からなる塗工液(N)を調製した。塗工液(N)の粘度は190Pa・sであった。
(Preparation of coating liquid)
Coating liquid (P)
90 parts by mass of the obtained fine particles T1 of the P-type bismuth-tellurium thermoelectric semiconductor material, polyamic acid which is a polyimide precursor (manufactured by Sigma-Aldrich Co., Ltd., poly(pyromellitic dianhydride-co-4,4) '-oxydianiline) amic acid solution, solvent: N-methylpyrrolidone, solid content concentration: 15% by mass) 5 parts by mass, and as an ionic liquid [1-butyl-3-(2-hydroxyethyl)imidazolium bromide] A coating liquid (P) consisting of a thermoelectric semiconductor composition mixed and dispersed in 5 parts by mass was prepared. The viscosity of the coating liquid (P) was 170 Pa·s.
Coating liquid (N)
90 parts by mass of the obtained fine particles T2 of the N-type bismuth-tellurium thermoelectric semiconductor material, polyamic acid which is a polyimide precursor (manufactured by Sigma-Aldrich, poly(pyromellitic dianhydride-co-4,4) as a heat-resistant resin) '-oxydianiline) amic acid solution, solvent: N-methylpyrrolidone, solid content concentration: 15% by mass) 5 parts by mass, and as an ionic liquid [1-butyl-3-(2-hydroxyethyl)imidazolium bromide] A coating liquid (N) consisting of a thermoelectric semiconductor composition mixed and dispersed in 5 parts by mass was prepared. The viscosity of the coating liquid (N) was 190 Pa·s.

〈熱電素子層の形成〉
下部ポリイミドフィルム基板(東レ・デュポン社製、カプトン200H、100mm×100mm、厚さ:50μm)上に設けた電極(縦4.0mm×横1.5mm×厚さ10μm)上に、前述した塗工液(P)を、以下のようにステンシル印刷法により3回に分け塗布した(多層印刷法)。
まず、塗工液(P)を用い、所定の位置に版厚30μmの第1のステンシル版で印刷、乾燥した。次いで、前記版厚30μmの第1のステンシル版で形成した印刷層の上に版厚80μmの第3のステンシル版で印刷、乾燥した。さらに、前記版厚80μmの第3のステンシル版で形成した印刷層の上に版厚150μmの第5のステンシル版で印刷、乾燥した。その後、アニール処理を行うことにより、3層の重ね印刷により得られたP型熱電素子層が配置された、1.5mm×1.5mmの同一サイズのP型熱電素子層を100個設けた。
なお、塗工液塗布後の乾燥は、温度150℃で、10分間アルゴン雰囲気下で行い、得られた熱電素子層の薄膜に対するアニール処理は、水素とアルゴンの混合ガス(水素:アルゴン=3体積%:97体積%)雰囲気下で、加温速度5K/minで昇温し、325℃で1時間保持し、熱電半導体材料の微粒子を結晶成長させ、P型熱電素子層とした。
同様に、上部ポリイミドフィルム基板(下部ポリイミドフィルム基板の電極の配置以外同一仕様であり、電極の配置は、100対のP型熱電素子層とN型熱電素子層とが交互に直列に配置され、かつ電気的に直列接続されるように配置)に、塗工液(N)を用い、所定の位置に版厚30μmの第2のステンシル版で印刷、乾燥した。次いで、前記版厚30μmの第2のステンシル版で形成した印刷層の上に版厚80μmの第4のステンシル版で印刷、乾燥した。さらに、前記版厚80μmの第4のステンシル版で形成した印刷層の上に版厚150μmの第6のステンシル版で印刷、乾燥した。その後、アニール処理を行うことにより、3層の重ね印刷により得られたN型熱電素子層が配置された、1.5mm×1.5mmの同一サイズのN型熱電素子層を100個設けた。
P型熱電素子層及びN型熱電素子層の厚さは、すべて160μmであった。
<Formation of thermoelectric element layer>
The above-mentioned coating was applied onto the electrode (4.0 mm long x 1.5 mm wide x 10 μm thick) provided on the lower polyimide film substrate (manufactured by DuPont Toray, Kapton 200H, 100 mm x 100 mm, thickness: 50 μm). The liquid (P) was applied in three parts by the stencil printing method as follows (multilayer printing method).
First, using the coating liquid (P), a first stencil plate having a plate thickness of 30 μm was printed at a predetermined position and dried. Next, a third stencil plate with a thickness of 80 μm was printed on the printing layer formed with the first stencil plate with a thickness of 30 μm, and dried. Further, a fifth stencil plate with a thickness of 150 μm was printed on the printing layer formed with the third stencil plate with a thickness of 80 μm, and dried. Thereafter, by performing an annealing treatment, 100 P-type thermoelectric element layers of the same size of 1.5 mm x 1.5 mm were provided, in which P-type thermoelectric element layers obtained by overprinting three layers were arranged.
Note that drying after application of the coating solution was performed at a temperature of 150°C for 10 minutes in an argon atmosphere, and the annealing treatment for the obtained thin film of the thermoelectric element layer was performed using a mixed gas of hydrogen and argon (hydrogen: argon = 3 volumes). %: 97 volume %) atmosphere, the temperature was raised at a heating rate of 5 K/min and held at 325° C. for 1 hour to cause crystal growth of fine particles of the thermoelectric semiconductor material to form a P-type thermoelectric element layer.
Similarly, the upper polyimide film substrate (the lower polyimide film substrate has the same specifications except for the electrode arrangement, and the electrode arrangement is such that 100 pairs of P-type thermoelectric element layers and N-type thermoelectric element layers are arranged alternately in series, The coating solution (N) was used to print and dry at predetermined positions with a second stencil plate having a thickness of 30 μm. Next, a fourth stencil plate with a thickness of 80 μm was printed on the printing layer formed with the second stencil plate with a thickness of 30 μm, and dried. Further, a sixth stencil plate with a thickness of 150 μm was printed on the printing layer formed with the fourth stencil plate with a thickness of 80 μm, and dried. Thereafter, by performing an annealing treatment, 100 N-type thermoelectric element layers of the same size of 1.5 mm x 1.5 mm were provided, in which N-type thermoelectric element layers obtained by overprinting three layers were arranged.
The thicknesses of the P-type thermoelectric element layer and the N-type thermoelectric element layer were all 160 μm.

次いで、下部ポリイミドフィルム基板のP型熱電素子層及び電極の上面部に、ハンダ材料(ニホンハンダ社製、PF141-LT7HO F=10)を設け、さらに、上部ポリイミドフィルム基板のN型熱電素子層及び電極の上面部に前述のハンダ材料を設け、熱電素子層及び電極とを接合することで、100対のP型熱電素子層とN型熱電素子層とが交互に直列に配列され、かつ電気的に直列接続された、π型の熱電変換素子(ペルチェ冷却素子)を作製した。
なお、下部ポリイミドフィルム基板の電極上に形成したP型熱電素子層とN型熱電素子層とのそれぞれの中心間の距離は2.5mm、上部ポリイミドフィルム基板の電極上のP型熱電素子層とN型熱電素子層とのそれぞれの中心間の距離は2.5mmとした。
Next, a solder material (manufactured by Nihon Handa Co., Ltd., PF141-LT7HO F=10) was provided on the upper surface of the P-type thermoelectric element layer and the electrodes of the lower polyimide film substrate, and then the N-type thermoelectric element layer and the electrodes of the upper polyimide film substrate were applied. By providing the above-mentioned solder material on the upper surface and joining the thermoelectric element layers and electrodes, 100 pairs of P-type thermoelectric element layers and N-type thermoelectric element layers are arranged alternately in series, and electrically We fabricated series-connected π-type thermoelectric conversion elements (Peltier cooling elements).
The distance between the centers of the P-type thermoelectric element layer and the N-type thermoelectric element layer formed on the electrode of the lower polyimide film substrate is 2.5 mm, and the distance between the centers of the P-type thermoelectric element layer and the N-type thermoelectric element layer formed on the electrode of the upper polyimide film substrate is 2.5 mm. The distance between the centers of each layer and the N-type thermoelectric element layer was 2.5 mm.

(実施例2)
実施例1において、熱電素子層の形成を以下のパターン枠配置/剥離法により形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例2の熱電変換素子(π型熱電変換素子)を作製した。
〈パターン枠配置/剥離法による熱電素子層の形成〉
下部ポリイミドフィルム基板(東レ・デュポン社製、カプトン200H、100mm×100mm、厚さ:50μm)の電極上に、離間した開口部を有するように設計された(開口:1.5mm×1.5mm、開口部の数:200個、一対のP型熱電素子層とN型熱電素子層との形成に対応する開口部の中心間の距離:2.5mm)板厚200μmのパターン枠を設け、前記開口部に前述した塗工液(P)及び(N)を充填し、乾燥し、前記パターン枠を基板上から剥離することで、1.5mm×1.5mmのP型熱電素子層及びN型熱電素子層の対をトータルで100対設けた。アニール処理後の熱電素子層の厚さは、すべて160μmであった。
(Example 2)
A thermoelectric conversion element (π-type thermoelectric conversion element) of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1, except that the thermoelectric element layer was formed by the following pattern frame arrangement/peeling method. .
<Pattern frame arrangement/formation of thermoelectric element layer by peeling method>
A lower polyimide film substrate (manufactured by DuPont Toray, Kapton 200H, 100 mm × 100 mm, thickness: 50 μm) was designed to have spaced apart openings on the electrode (opening: 1.5 mm × 1.5 mm, Number of openings: 200, distance between centers of openings corresponding to formation of a pair of P-type thermoelectric element layer and N-type thermoelectric element layer: 2.5 mm) A pattern frame with a plate thickness of 200 μm was provided, and the openings were By filling the above-mentioned coating liquids (P) and (N) into the substrate, drying, and peeling off the pattern frame from the substrate, a P-type thermoelectric element layer and an N-type thermoelectric element layer of 1.5 mm x 1.5 mm are formed. A total of 100 pairs of element layers were provided. The thickness of the thermoelectric element layer after the annealing treatment was all 160 μm.

(実施例3)
実施例1において、熱電素子層の形成を以下のパターン層配置法により形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例3の熱電変換素子(π型熱電変換素子)を作製した。
〈パターン層配置法による熱電素子層の形成〉
下部ポリイミドフィルム基板(東レ・デュポン社製、カプトン200H、100mm×100mm、厚さ:50μm)の電極上に、離間した開口部を有するように設計された(開口:1.5mm×1.5mm、開口部の数:200個、一対のP型熱電素子層とN型熱電素子層との形成に対応する開口部の中心間の距離:2.5mm)層厚250μmのポリイミド樹脂層からなるパターン層を設け、前記開口部に前述した塗工液(P)及び(N)を充填し、乾燥することにより、1.5mm×1.5mmのP型熱電素子層及びN型熱電素子層の対をトータルで100対設けた。アニール処理後の熱電素子層の厚さは、すべて160μmであった。
(Example 3)
A thermoelectric conversion element (π-type thermoelectric conversion element) of Example 3 was produced in the same manner as in Example 1, except that the thermoelectric element layer was formed by the following pattern layer arrangement method.
<Formation of thermoelectric element layer by patterned layer arrangement method>
A lower polyimide film substrate (manufactured by DuPont Toray, Kapton 200H, 100 mm × 100 mm, thickness: 50 μm) was designed to have spaced apart openings on the electrode (opening: 1.5 mm × 1.5 mm, Number of openings: 200, distance between centers of openings corresponding to formation of a pair of P-type thermoelectric element layer and N-type thermoelectric element layer: 2.5 mm) Pattern layer consisting of a polyimide resin layer with a layer thickness of 250 μm. By filling the above-mentioned opening with the coating liquids (P) and (N) and drying, a pair of a P-type thermoelectric element layer and an N-type thermoelectric element layer of 1.5 mm x 1.5 mm is formed. A total of 100 pairs were set up. The thickness of the thermoelectric element layer after the annealing treatment was all 160 μm.

(実施例4)
塗工液(P)及び塗工液(N)の粘度を、N-メチルピロリドンを添加することにより70Pa・sに調整し用いた以外は、実施例2と同様にして、実施例4の熱電変換素子(π型熱電変換素子)を作製した。アニール処理後の熱電素子層の厚さは、すべて160μmであった。
(Example 4)
The thermoelectric generator of Example 4 was prepared in the same manner as in Example 2, except that the viscosity of the coating liquid (P) and coating liquid (N) was adjusted to 70 Pa·s by adding N-methylpyrrolidone. A conversion element (π-type thermoelectric conversion element) was manufactured. The thickness of the thermoelectric element layer after the annealing treatment was all 160 μm.

(実施例5)
実施例1において、熱電素子層の形成を以下のパターン枠配置/剥離法により行い、かつ熱電変換素子をインプレーン型の形状とした以外は、実施例1と同様にして、実施例5の熱電変換素子(インプレーン型熱電変換素子)を作製した。
〈パターン枠配置/剥離法による熱電素子層の形成〉
ポリイミドフィルム基板(東レ・デュポン社製、カプトン200H、100mm×100mm、厚さ:50μm)の電極(縦1.0mm×横6.0mm×厚さ10μm)上に、離間した開口部を有する(開口:1.0mm×1.0mm、開口部の数:200個、一対のP型熱電素子層とN型熱電素子層との形成に対応する開口部の中心間の距離:2.0mm)板厚80μmのパターン枠を設け、前記開口部に前述した塗工液(P)及び(N)を充填し、乾燥し、前記パターン枠を基板上から剥離することで、1.0mm×1.0mmのP型熱電素子層及びN型熱電素子層の対をトータルで100対設けた。
なお、塗工液充填後の乾燥は、温度150℃で、10分間アルゴン雰囲気下で行い、得られた熱電素子層の薄膜に対するアニール処理は、水素とアルゴンの混合ガス(水素:アルゴン=3体積%:97体積%)雰囲気下で、加温速度5K/minで昇温し、325℃で1時間保持し、熱電半導体材料の微粒子を結晶成長させ、P型熱電素子層及びN型熱電素子層とした。アニール処理後の熱電素子層の厚さは、すべて60μmであった。
(Example 5)
In Example 1, the thermoelectric element layer of Example 5 was formed in the same manner as in Example 1, except that the thermoelectric element layer was formed by the following pattern frame arrangement/peeling method, and the thermoelectric conversion element was in an in-plane shape. A conversion element (in-plane type thermoelectric conversion element) was manufactured.
<Pattern frame arrangement/formation of thermoelectric element layer by peeling method>
A polyimide film substrate (manufactured by DuPont Toray, Kapton 200H, 100 mm x 100 mm, thickness: 50 μm) has spaced apart openings on the electrode (1.0 mm long x 6.0 mm wide x 10 μm thick). : 1.0 mm x 1.0 mm, number of openings: 200, distance between the centers of the openings corresponding to the formation of a pair of P-type thermoelectric element layer and N-type thermoelectric element layer: 2.0 mm) Plate thickness A 80 μm pattern frame is provided, the openings are filled with the aforementioned coating liquids (P) and (N), dried, and the pattern frame is peeled off from the substrate to form a 1.0 mm x 1.0 mm pattern. A total of 100 pairs of P-type thermoelectric element layers and N-type thermoelectric element layers were provided.
Note that drying after filling the coating liquid was performed at a temperature of 150°C for 10 minutes in an argon atmosphere, and the annealing treatment for the obtained thin film of the thermoelectric element layer was performed using a mixed gas of hydrogen and argon (hydrogen: argon = 3 volumes). %: 97 volume %) in an atmosphere at a heating rate of 5 K/min and held at 325° C. for 1 hour to grow crystals of fine particles of thermoelectric semiconductor material, forming a P-type thermoelectric element layer and an N-type thermoelectric element layer. And so. The thickness of the thermoelectric element layer after the annealing treatment was all 60 μm.

(比較例1)
実施例1において、熱電素子層形成時に版厚235μmのステンシル版で熱電素子層を1層のみ形成した以外は、実施例1と同様にして、比較例1の熱電変換素子を作製した。アニール処理後の熱電素子層の厚さは、すべて160μmであった。
(Comparative example 1)
A thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1, except that only one thermoelectric element layer was formed using a stencil plate with a thickness of 235 μm when forming the thermoelectric element layer. The thickness of the thermoelectric element layer after the annealing treatment was all 160 μm.

(比較例2)
比較例1において、塗工液(P)及び(N)の粘度を、N-メチルピロリドンを添加することにより70Pa・sに調整し用いた以外は、比較例1と同様にして、比較例2の熱電変換素子を作製した。
(Comparative example 2)
Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the viscosity of the coating liquids (P) and (N) was adjusted to 70 Pa·s by adding N-methylpyrrolidone. A thermoelectric conversion element was fabricated.

(比較例3)
実施例5において、熱電素子層の形成を、版厚80μmのステンシル版を用い、1層印刷法により形成した以外は、実施例5と同様にして、比較例3の熱電変換素子(インプレーン型熱電変換素子)を作製した。アニール処理後の熱電素子層の厚さは、すべて60μmであった。
(Comparative example 3)
In Example 5, the thermoelectric conversion element of Comparative Example 3 (in-plane type A thermoelectric conversion element) was fabricated. The thickness of the thermoelectric element layer after the annealing treatment was all 60 μm.

実施例1~5及び比較例1~3で得られた熱電変換素子の電気抵抗値の評価と充填率の評価を行った。評価結果を表1に示す。 The electrical resistance values and filling rates of the thermoelectric conversion elements obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 0007348192000001
Figure 0007348192000001

表1より明らかに、π型熱電変換素子の構成で比較した場合、条件(A)及び(B)の規定を満たす縦断面を有する熱電素子層を備えた実施例1~4の熱電変換素子では、条件(A)の規定を満たさない縦断面を有する熱電素子層を備えた比較例1~2の熱電変換素子に比べて、熱電変換素子を構成する熱電素子層の両端の電極部間の電気抵抗値が低く、高い熱電性能が得られることが分かる。インプレーン型熱電変換素子の構成で比較した場合も同様に、実施例5と比較例3を比較すると、実施例5のほうが明らかに電極部間の電気抵抗値が低く、高い熱電性能を得られることが分かる。 It is clear from Table 1 that when comparing the configurations of π-type thermoelectric conversion elements, the thermoelectric conversion elements of Examples 1 to 4, which have thermoelectric element layers having a vertical cross section that satisfies conditions (A) and (B), , compared to the thermoelectric conversion elements of Comparative Examples 1 and 2, each of which has a thermoelectric element layer having a vertical cross section that does not satisfy the provisions of condition (A), the electricity between the electrode portions at both ends of the thermoelectric element layer constituting the thermoelectric conversion element is It can be seen that the resistance value is low and high thermoelectric performance can be obtained. Similarly, when comparing the configurations of in-plane type thermoelectric conversion elements, when comparing Example 5 and Comparative Example 3, it is clear that Example 5 has a lower electrical resistance value between electrode parts and can obtain higher thermoelectric performance. I understand that.

本発明の半導体素子に含まれる熱電変換素子によれば、条件(A)及び(B)の規定を満たす縦断面を有する熱電素子層を備えた熱電変換素子は、熱電素子層の形状が略直方体状に制御されやすくなることから、熱電素子層と電極との接合が優れ、また、熱電素子層の電気抵抗値を小さく制御できることから、熱電性能の向上が期待できる。さらに、本発明の熱電変換素子は、熱電素子層の形状制御性が優れることから、高集積化の実現が期待できる。
上記の熱電変換素子をモジュールとすることにより、工場や廃棄物燃焼炉、セメント燃焼炉等の各種燃焼炉からの排熱、自動車の燃焼ガス排熱及び電子機器の排熱を電気に変換する発電用途に適用することが考えられる。冷却用途としては、エレクトロニクス機器の分野において、例えば、スマートフォン、各種コンピューター等に用いられるCPU(Central Processing Unit)、また、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)、CCD(Charge Coupled Device)等のイメージセンサー、さらに、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、その他の受光素子等の各種センサーの温度制御等に適用することが考えられる。
According to the thermoelectric conversion element included in the semiconductor element of the present invention, the thermoelectric conversion element includes a thermoelectric element layer having a vertical cross section that satisfies conditions (A) and (B), the thermoelectric element layer has a substantially rectangular shape. Since the shape can be easily controlled, the bonding between the thermoelectric element layer and the electrode is excellent, and since the electrical resistance value of the thermoelectric element layer can be controlled to be small, improvement in thermoelectric performance can be expected. Furthermore, since the thermoelectric conversion element of the present invention has excellent shape controllability of the thermoelectric element layer, it can be expected to achieve high integration.
By using the above thermoelectric conversion elements as modules, power generation is achieved by converting waste heat from various combustion furnaces such as factories, waste combustion furnaces, cement combustion furnaces, combustion gas exhaust heat from automobiles, and exhaust heat from electronic devices into electricity. It can be considered to be applied to various uses. In the field of electronic equipment, cooling applications include, for example, CPUs (Central Processing Units) used in smartphones, various computers, etc., CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensors), and CCDs (Charge Sensors). Image sensors such as e-Coupled Devices Furthermore, it is possible to apply the present invention to temperature control of various sensors such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) and other light receiving elements.

1:熱電変換素子
2a:基板
2b:基板
3a:電極
3b:電極
4,4s,4t,4u:熱電素子層
4a:N型熱電素子層
4b:P型熱電素子層
11:基板
12:パターン枠
12’:ステンレス鋼
13s:開口
13d:開口部深さ(パターン枠厚)
13:開口部
14a:N型熱電素子層
14b:P型熱電素子層
22a,22b:基板
23a,23b:電極
24:パターン層
24’:樹脂を含む層
25:開口部
25s:開口
26a:N型熱電素子層
26b:P型熱電素子層
X:長さ(幅方向)
Xmax:幅方向の長さの最大値(縦断面)
Y:長さ(奥行き方向)
D:厚さ(厚さ方向)
Dmax:厚さ方向の厚さの最大値(縦断面)
S:縦断面の面積
1: Thermoelectric conversion element 2a: Substrate 2b: Substrate 3a: Electrode 3b: Electrodes 4, 4s, 4t, 4u: Thermoelectric element layer 4a: N-type thermoelectric element layer 4b: P-type thermoelectric element layer 11: Substrate 12: Pattern frame 12 ': Stainless steel 13s: Opening 13d: Opening depth (pattern frame thickness)
13: Opening 14a: N-type thermoelectric element layer 14b: P-type thermoelectric element layer 22a, 22b: Substrates 23a, 23b: Electrode 24: Pattern layer 24': Layer containing resin 25: Opening 25s: Opening 26a: N-type Thermoelectric element layer 26b: P-type thermoelectric element layer X: Length (width direction)
Xmax: Maximum length in the width direction (longitudinal section)
Y: Length (depth direction)
D: Thickness (thickness direction)
Dmax: Maximum thickness in the thickness direction (longitudinal section)
S: Area of vertical section

Claims (4)

基板上に熱電半導体材料を含む熱電半導体組成物からなる熱電素子層を含む熱電変換素子であって、
前記熱電半導体組成物が、さらに耐熱性樹脂、イオン液体及び/又は無機イオン性化合物を含み、
前記熱電素子層の中央部を含む縦断面の面積をS(μm)、縦断面の厚さ方向の厚さの最大値をDmax(μm)、縦断面の幅方向の長さの最大値をXmax(μm)とした場合、前記熱電素子層の前記縦断面が、以下の条件(A)及び(B)を満たす、熱電変換素子。
(A)0.75≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00
(B)Dmax≧150μm、且つ(Dmax/Xmax)≧0.03
ここで、縦断面の厚さ方向の厚さの最大値Dmaxは、前記熱電素子層の前記縦断面において、前記基板上に垂線を立てた時に前記縦断面の厚さ方向の厚さの上下端と該垂線とが交差した際に得られる2交点間の最大の距離(厚さ)を意味し、縦断面の幅方向の長さの最大値Xmaxは、前記基板に平行な平行線を引いた時に前記縦断面の幅方向の長さの左右端と該平行線とが交差した際に得られる2交点間の最大の距離(長さ)を意味する。
A thermoelectric conversion element comprising a thermoelectric element layer made of a thermoelectric semiconductor composition containing a thermoelectric semiconductor material on a substrate,
The thermoelectric semiconductor composition further includes a heat-resistant resin, an ionic liquid and/or an inorganic ionic compound,
The area of the longitudinal section including the central part of the thermoelectric element layer is S (μm 2 ), the maximum thickness in the thickness direction of the longitudinal section is Dmax (μm), and the maximum length of the longitudinal section in the width direction is A thermoelectric conversion element in which the longitudinal section of the thermoelectric element layer satisfies the following conditions (A) and (B), where Xmax (μm).
(A) 0.75≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00
(B) Dmax≧ 150 μm and (Dmax/Xmax)≧0.03
Here, the maximum value Dmax of the thickness in the thickness direction of the longitudinal section is the upper and lower ends of the thickness in the thickness direction of the longitudinal section when a perpendicular line is drawn on the substrate in the longitudinal section of the thermoelectric element layer. means the maximum distance (thickness) between two points of intersection obtained when Sometimes it means the maximum distance (length) between two intersections obtained when the left and right ends of the length in the width direction of the longitudinal section intersect with the parallel line.
前記熱電半導体材料が、ビスマス-テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料、アンチモン-テルル系熱電半導体材料、又はビスマスセレナイド系熱電半導体材料である、請求項に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to claim 1 , wherein the thermoelectric semiconductor material is a bismuth-tellurium thermoelectric semiconductor material, a telluride thermoelectric semiconductor material, an antimony-tellurium thermoelectric semiconductor material, or a bismuth selenide thermoelectric semiconductor material. 前記耐熱性樹脂が、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、又はエポキシ樹脂である、請求項に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to claim 1 , wherein the heat-resistant resin is a polyimide resin, a polyamide resin, a polyamideimide resin, or an epoxy resin. 前記条件(A)が、0.83≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00、かつ前記条件(B)が、Dmax≧150μm、且つ(Dmax/Xmax)≧0.08である、請求項1~のいずれか1項に記載の熱電変換素子。 The condition (A) is 0.83≦S/(Dmax×Xmax)≦1.00, and the condition (B) is Dmax≧ 150 μm and (Dmax/Xmax)≧0.08. The thermoelectric conversion element according to any one of Items 1 to 3 .
JP2020539461A 2018-08-28 2019-08-27 semiconductor element Active JP7348192B2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018159290 2018-08-28
JP2018159290 2018-08-28
PCT/JP2019/033407 WO2020045378A1 (en) 2018-08-28 2019-08-27 Semiconductor element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2020045378A1 JPWO2020045378A1 (en) 2021-09-24
JP7348192B2 true JP7348192B2 (en) 2023-09-20

Family

ID=69644547

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020539461A Active JP7348192B2 (en) 2018-08-28 2019-08-27 semiconductor element

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP7348192B2 (en)
TW (1) TWI853834B (en)
WO (1) WO2020045378A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020203612A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 リンテック株式会社 Thermoelectric material layer and method for producing same
JP7713289B2 (en) * 2020-03-27 2025-07-25 リンテック株式会社 Thermoelectric conversion module
WO2022071043A1 (en) * 2020-09-30 2022-04-07 リンテック株式会社 Thermoelectric conversion material layer
JP7691836B2 (en) * 2021-03-26 2025-06-12 デンカ株式会社 Manufacturing method of thermoelectric conversion module

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015033868A1 (en) 2013-09-04 2015-03-12 富士フイルム株式会社 Thermoelectric conversion element
WO2016147809A1 (en) 2015-03-18 2016-09-22 リンテック株式会社 Waste heat recovery sheet
WO2018139475A1 (en) 2017-01-27 2018-08-02 リンテック株式会社 Flexible thermoelectric conversion element and method for manufacturing same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105190921B (en) * 2013-03-21 2018-04-17 国立大学法人长冈技术科学大学 Thermoelectric conversion element

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015033868A1 (en) 2013-09-04 2015-03-12 富士フイルム株式会社 Thermoelectric conversion element
JP2015050426A (en) 2013-09-04 2015-03-16 富士フイルム株式会社 Thermoelectric conversion element
WO2016147809A1 (en) 2015-03-18 2016-09-22 リンテック株式会社 Waste heat recovery sheet
WO2018139475A1 (en) 2017-01-27 2018-08-02 リンテック株式会社 Flexible thermoelectric conversion element and method for manufacturing same
US20190378967A1 (en) 2017-01-27 2019-12-12 Lintec Corporation Flexible thermoelectric conversion element and method for manufacturing same

Also Published As

Publication number Publication date
TW202023073A (en) 2020-06-16
WO2020045378A1 (en) 2020-03-05
TWI853834B (en) 2024-09-01
JPWO2020045378A1 (en) 2021-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7406756B2 (en) Thermoelectric conversion module and its manufacturing method
TWI817941B (en) Thermoelectric conversion module
JP7348192B2 (en) semiconductor element
US20210098672A1 (en) Thermoelectric conversion module
JP7346427B2 (en) Method for manufacturing chips of thermoelectric conversion material and method for manufacturing thermoelectric conversion modules using chips obtained by the manufacturing method
JP7543140B2 (en) Thermoelectric conversion material chip
JP7458375B2 (en) Method for manufacturing chips of thermoelectric conversion materials
JP7591510B2 (en) Thermoelectric conversion module
JP7401361B2 (en) thermoelectric conversion module
JP7648274B2 (en) Thermoelectric conversion element and its manufacturing method
JP2025020397A (en) Thermoelectric conversion module
JP7770192B2 (en) Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof
JP7631188B2 (en) Thermoelectric conversion material layer and method for producing same
WO2021193358A1 (en) Thermoelectric conversion module
JP7760277B2 (en) Thermoelectric conversion material layer
TWI890761B (en) Thermoelectric conversion module
WO2020203611A1 (en) Method for forming solder receiving layer on chip of thermoelectric conversion material

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220627

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230328

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20230529

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230530

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230808

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230907

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7348192

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150